Extrusió d'alumini: com adaptar-se a diferents requisits de disseny industrial

Flexibilitat geomètrica i complexitat dels perfils en l'extrusió d'alumini

Disseny de fileres sòlides, buides i semibuïdes per a perfils específics de sector

El procés d’extrusió d’alumini transforma lingots d’aliatge en brancs en formes de secció transversal específiques mitjançant matrius especialment dissenyades, cadascuna de les quals ofereix avantatges diferents segons el que cal fabricar. Les matrius massisses creen perfils massissos i continus, com ara barres, bigues i barres, capaços de suportar càrregues importants, cosa que les fa ideals per a estructures edilícies o components de maquinària pesada. A continuació, hi ha les matrius buides, amb els seus mandrils cuidadosament dissenyats, que generen espais buits interiors als materials. Aquestes són molt adequades per crear bastidors lleugers però resistents, utilitzats en estructures de seguretat de vehicles i fuselatges d’avió, on la resistència és fonamental, però també ho és el pes. I no hem d’oblidar tampoc les matrius semi-buides, que ofereixen una solució intermigia: introdueixen buits parcials o característiques útils, com ara ranures d’enganxament per pressió o canals per a cables, sense tota la complexitat i l’escassetat econòmica associades a les eines totalment buides. Aquest enfocament intermedi funciona extraordinàriament bé per a carcasses de dispositius electrònics i altres projectes d’muntatge modular, on la funcionalitat es combina amb el disseny.

És possible crear peces complexes de múltiples buits amb parets tan fines com mig mil·límetre, tot i que es compleixin els requisits de tolerància ISO 2768, però això exigeix una coordinació cuidadosa entre les decisions sobre el disseny de la matriu, la selecció del material i la configuració adequada de les condicions de procés. La realitat és que exigir massa a la geometria pot provocar problemes en fases posteriors. Les peces amb seccions molt profundes en comparació amb el seu gruix o aquelles que presenten cantonades interiors agudes tendeixen a desgastar més ràpidament les matrius, causen un flux de material inconsistent durant la producció i, finalment, donen lloc a taxes de rebutjos més elevades en el procés de fabricació. Mantenir l’equilibri entre allò que sembla adequat sobre el paper i allò que realment funciona en la pràctica continua sent fonamental per a una producció d’èxit de les peces.

Equilibrar la complexitat amb les toleràncies: quan la llibertat de disseny es troba amb el control dimensional

Quan es tracta del disseny d’extrusions d’alumini, la creativitat es troba amb la realitat en diversos punts al llarg del procés. Els límits reals no depenen només del que algú pugui imaginar, sinó que estan determinats per com flueix el metall durant el processament, pels problemes de distribució tèrmica i per les restriccions mecàniques dels eines emprades. Certes característiques, com ara cavitats profundes, parets més primes que una relació 8:1 o canvis sobtats de secció transversal, generen problemes als fabricants. Això pot provocar, per exemple, deformacions de les eines, zones febles on el metall es uneix o velocitats de refredament inconsistents en diferents parts del perfil. Tots aquests factors obliguen els dissenyadors a preveure un marge addicional d’error. Prenguem com a exemple els vehicles: les peces que han d’encaixar amb precisió sovint requereixen toleràncies d’aproximadament ± 0,15 mm. No obstant això, en aplicacions com les façanes d’edificis o similars, normalment hi ha més flexibilitat, i es consideren acceptables toleràncies fins a 1,0 mm sense comprometre les bones característiques de rendiment.

La recerca publicada a l'International Journal of Advanced Manufacturing Technology el 2023 revela una dada interessant sobre les toleràncies d’extrusió. En comparar la classe I de la norma EN 12020 (la més ajustada) amb la classe III (la menys ajustada), hi ha, de fet, un augment del 32 % en la variació dimensional. Això subratlla clarament la importància fonamental de les classes de tolerància tant per als objectius dels dissenyadors com per a les capacitats dels processos de fabricació. En què respecta a millores pràctiques, molts fabricants constaten que substituir les cantonades internes agudes per vores arrodonides amb un radi d’almenys 0,4 mm fa una gran diferència. El material flueix millor a través de les fileres, cosa que allarga la seva vida útil sense comprometre la resistència estructural. A continuació, hi ha el problema de la distorsió tèrmica durant el temple. Aquest sol problema ja posa de manifest per què avui dia és tan important la modelització predictiva. Gràcies a l’anàlisi per elements finits (AEF) avançada, els enginyers poden ara relacionar les velocitats de refredament amb els resultats dimensionals reals. Això els permet ajustar les fileres anticipadament, en lloc de resoldre problemes un cop iniciada la producció.

Estratègies de selecció d'aliatges per a l'assoliment del rendiment industrial objectiu

aliatges de la sèrie 6000 respecte als de la sèrie 7000: compromisos entre resistència, formabilitat i estabilitat tèrmica

El tipus d'aliatge que s'utilitza té un impacte important en la facilitat amb què es pot extruir un material, en les seves propietats mecàniques i en la seva idoneïtat per a processos de fabricació posteriors. Prenguem, per exemple, els aliatges de la sèrie 6000, com ara l'6061 i l'6063: aquests materials ofereixen un equilibri força bo entre facilitat de conformació, resistència a la corrosió i estabilitat dimensional durant el procés. Quan es tracten tèrmicament fins a l'estat T6, assolen una resistència a la tracció d'aproximadament 186 MPa, cosa que és bastant respectable per a moltes aplicacions. Els fabricants els prefereixen perquè s'extruen de manera consistent i responen bé tant als tractaments d'anodització com a les operacions de soldadura. Per això, aquests aliatges apareixen tan freqüentment en estructures edilícies, dissenys complexes de sistemes de refrigeració i projectes de construcció modular on no hi ha forces extremes en joc. Segons informes del sector, aproximadament tres quartes parts de totes les extrusions estructurals es basen en alguna variant de l'alumini de la sèrie 6000, simplement perquè les empreses valoren més el rendiment fiable i els costos assequibles que la resistència màxima absoluta en la majoria de casos.

Les aleacions de la sèrie 7000, especialment la 7075, ofereixen una resistència a la tracció excepcional superior a 500 MPa, el que les fa ideals per a aquelles exigents aplicacions aeroespacials i de defensa en què els materials han de suportar pressions extremes. Però hi ha un inconvenient. Aquestes aleacions no són gaire fàcils de treballar durant els processos d’extrusió. Els fabricants han de reduir significativament la velocitat de les premses, mantenir controls de temperatura molt estrictes i vigilar possibles problemes com ara la formació de fissures per tensió o el creixement excessiu dels grans. Pel que fa a la tolerància tèrmica, la situació es torna interessant. La sèrie 6000 conserva les seves propietats mecàniques fins a uns 175 °C, mentre que la sèrie 7000 resisteix millor la fatiga, però comença a perdre prestacions quan les temperatures superen aproximadament els 120 °C. Després de l’extrusió, el mecanitzat d’aquests materials de la sèrie 7000 normalment requereix tècniques especials de CNC només per gestionar les tensions residuals. Per a projectes en què assolir la màxima resistència sense afegir pes és absolutament crític, i l’equip de producció disposa de l’experiència necessària per fer front als reptes addicionals, optar per la 7075 té sentit malgrat les complicacions implicades.

Personalització modular i adaptabilitat postextrusió

Sistemes d'extrusió d'alumini amb ranura en T per a estructures industrials reconfigurables

Els sistemes d’extrusió amb ranura en T ofereixen una plataforma estàndard que funciona amb gairebé qualsevol eina a l’hora de crear configuracions industrials flexibles. El que els fa especials és aquesta llarga ranura en forma de T que recorre tota la longitud del perfil metàl·lic. Aquest disseny permet als treballadors muntar les peces ràpidament, desmuntar-les igual de ràpidament i reordenar els components sempre que calgui, tot utilitzant només cargols i femelles normals. La naturalesa modular d’aquests sistemes ajuda realment els fabricants a estalviar temps quan canvien d’una sèrie de producció a una altra. Quan les necessitats d’equipament canvien amb el temps, aquests sistemes s’adapten en lloc de requerir una substitució completa. A més, sovint es poden reutilitzar les peces en altres projectes posteriors. Aquests sistemes també funcionen a diverses escales: des de simples suports utilitzats en estacions de control de qualitat fins a enormes cèl·lules de producció automatitzades i fins i tot façanes d’edificis; romanen rígids però permeten canvis de posició. Voleu ajustar l’alçada o l’angle d’alguna cosa? Només cal afloar els cargols, moure-la a la posició desitjada i tornar a apretar-ho tot.

Operacions secundàries de precisió (mecanització CNC, anodització, integració d’assemblatge)

Després de l’extrusió, es duen a terme tot tipus de processos que transformen aquests perfils bàsics en peces preparades per a aplicacions reals. La mecanització CNC destaca especialment aquí, assolint una precisió extraordinària, fins i tot a nivell de micròmetres, en àrees clau com les brancals de muntatge o les superfícies d’alineació. Aquest grau d’exactitud assegura que totes les peces encaixin perfectament sense problemes quan s’integren en sistemes més grans. A continuació, l’anodització compleix una doble funció: augmenta la duresa de les superfícies i la seva resistència a la corrosió, i a més permet la codificació per colors, cosa que ajuda a complir les normes de seguretat i a fer un seguiment eficient de l’origen de les peces. La majoria d’empreses també realitzen diverses operacions estàndard durant la producció, com ara el taladrat i la rosca de forats perquè els elements de fixació funcionin correctament, l’addició de textures en determinats punts per millorar l’adherència o simplement per aconseguir un aspecte més estètic, i el tall net dels extrems perquè les unions quedin planes i ajustades entre si, sense cap interstici.

Els tractaments secundaris solen afegir només un 15 % aproximadament als terminis de lliurament, però poden fer que les peces duri entre un 30 i un 50 % més en entorns industrials exigents. Penseu, per exemple, en sistemes d’embalatge automàtics o en sales blanques on els robots treballen amb una precisió extrema. Quan els fabricants combinen la flexibilitat de forma de l’extrusió amb tècniques específiques d’acabat, obtenen un resultat realment valuós: poden personalitzar àmpliament les peces sense perdre la repetibilitat necessària per a la producció en massa. A més, les estructures es mantenen fidelment als paràmetres de disseny, fet que és molt important quan es vol escalar la fabricació a diverses instal·lacions.

FAQ

Quins són els tipus principals de motlles emprats en l’extrusió d’alumini?

N’hi ha tres tipus principals: motlles sòlids, motlles buits i motlles semi-buits. Els motlles sòlids generen perfils continus, els motlles buits permeten crear estructures lleugeres, i els motlles semi-buits ofereixen buits parcials amb característiques addicionals.

Com afecten les toleràncies d’extrusió la fabricació?

Les toleràncies d'extrusió són crucials per garantir que les peces encaixin amb precisió i funcionin correctament. Toleràncies més estretes sovint signifiquen una major precisió dimensional, però poden ser més difícils d’aconseguir segons la complexitat del disseny.

Quines són les diferències entre les aleacions de la sèrie 6000 i les de la sèrie 7000?

Les aleacions de la sèrie 6000 són més fàcils d’extruir i ofereixen una bona formabilitat i resistència a la corrosió, mentre que les aleacions de la sèrie 7000 ofereixen una resistència a la tracció superior, però són més complexes de treballar durant el procés d’extrusió.

Què són els sistemes d’extrusió d’alumini amb ranura en forma de T?

Els sistemes amb ranura en forma de T ofereixen estructures industrials modulars i reconfigurables, facilitant el muntatge ràpid i l’adaptació mitjançant cargols i femelles normals, cosa que els fa ideals per a configuracions de fabricació flexibles.

Quins processos posteriors a l’extrusió milloren la qualitat dels components?

Els processos posteriors a l’extrusió, com ara el mecanitzat CNC i l’anodització, milloren la precisió i la resistència a la corrosió, fent que els components siguin adequats per a diverses aplicacions industrials.