¿Cómo diseñar una extrusión de aluminio?

¿Te frustra que un elegante perfil de aluminio acabe costando demasiado o no cumpla con tus expectativas? Solucionemos ese problema con un diseño inteligente.

Sí, puede diseñar extrusiones de aluminio que sean eficientes, fabricables y rentables centrándose en la geometría, el espesor de la pared, el flujo del troquel y la simulación para la validación.

A continuación, analizamos cuatro preguntas esenciales que debe plantearse al diseñar sus perfiles de extrusión de aluminio. Cada una de ellas profundiza en un aspecto diferente del proceso para que pueda evitar errores comunes y diseñar mejor desde el principio.

¿Qué factores determinan la geometría de extrusión?

Es fácil pasar por alto cómo la forma de un perfil influye en el coste y la fabricabilidad, lo cual supone un verdadero problema para muchos diseñadores.

El tamaño de la sección transversal, el diámetro del círculo circunscrito (CCD), la relación perímetro/área, la complejidad de la forma y la simetría influyen en la facilidad con la que se puede realizar una extrusión.

Al diseñar perfiles de aluminio, una de las primeras cosas que hay que comprobar es el tamaño del “círculo más pequeño que encierra completamente la sección transversal” (a menudo denominado CCD). Cuanto más pequeño es el CCD, más herramientas y tamaños de prensa pueden manejarlo, lo que reduce los costes y aumenta la capacidad de fabricación.

Otra medida importante es la relación entre el área de la sección transversal y el perímetro total (a veces denominada “factor de dificultad del troquel”). Cuanto mayor sea el perímetro para una misma área, más difícil será que el aluminio fluya a través del troquel y mayor será la tensión sobre las herramientas.

La simetría del perfil también es importante: una forma con paredes equilibradas, menos asimetrías y transiciones suaves tiende a extruirse de manera más fiable y a producir menos defectos.

Algunas comprobaciones prácticas:

Al centrarse en estos factores geométricos desde el principio, se reduce el riesgo de problemas con las herramientas, retrasos en la producción o costes más elevados. Según mi experiencia, cuando un diseñador reduce la relación perímetro/área y mantiene transiciones de espesor graduales, el proveedor de extrusión puede lograr una mejor calidad con menos rechazos.

¿Por qué el espesor de la pared influye en la capacidad de fabricación?

El espesor de la pared puede parecer un detalle sin importancia, pero puede determinar el éxito o el fracaso de su proceso de extrusión.

Si diseña espesores de pared demasiado finos, tiene grandes saltos entre secciones gruesas y finas o mezcla muchos espesores dispares, aumenta el riesgo de distorsión, desgaste del troquel y coste.

El grosor de la pared es una variable de diseño crítica para los perfiles de aluminio extruido. Si una pared es demasiado delgada, puede causar problemas con la resistencia estructural y provocar una oscilación excesiva durante la extrusión o los procesos posteriores. Por otro lado, hacer todo más grueso “por seguridad” puede añadir masa innecesaria, costes y problemas de refrigeración.

Una pauta: mantenga los espesores de las paredes adyacentes bastante uniformes. Un gran salto de una pared gruesa a una pared delgada (por ejemplo, de 4 mm a 1 mm) crea concentraciones de tensión durante el flujo, el enfriamiento y la solidificación. Muchos fabricantes recomiendan que las relaciones de espesor de pared (grueso:delgado) no superen aproximadamente 2:1 en transiciones críticas.

Otro punto: el espesor mínimo práctico depende del tamaño y la complejidad del perfil. Si es demasiado delgado, se corre el riesgo de que se produzcan “ojos de pez”, deformaciones o altos índices de desperdicio. Diseñar con mínimos realistas garantiza que no se le pida al proceso que haga lo imposible.

Tabla: Consideraciones sobre el diseño del espesor de las paredes

En la práctica, he visto diseños con paredes muy delgadas (<1 mm) que se veían bien en CAD, pero que en la extrusión daban lugar a grandes tolerancias y altos costes de acabado. Cuando ajustamos ligeramente el grosor de la pared hacia arriba y añadimos una nervadura de soporte, el coste se redujo y el esfuerzo de enderezamiento disminuyó. Un buen diseño de las paredes es beneficioso para el coste, la calidad y el plazo de entrega.

¿Cómo optimizar el diseño para el flujo del troquel?

La trayectoria del flujo del troquel es invisible para muchos diseñadores, pero determina si la pieza se extruye correctamente o causa problemas.

Optimizar el diseño para el flujo del troquel significa diseñar el perfil y las herramientas de manera que el material entre, fluya y salga del troquel de manera uniforme, con velocidades equilibradas, zonas muertas mínimas y un buen control térmico.

Cuando se empuja el aluminio a través de una matriz, se busca un flujo suave y uniforme. Si el flujo es irregular, se corre el riesgo de que se produzcan variaciones en el grosor de las paredes, defectos en la superficie, huecos internos o un desgaste excesivo de las herramientas. Eso significa que la forma que se diseña debe favorecer un buen flujo a través de la matriz.

Por ejemplo, el uso de múltiples “bolsillos” o canales de flujo escalonados dentro de la matriz puede distribuir el material de manera más uniforme, reducir las zonas de metal muerto y disminuir la presión.

Del mismo modo, simplificar la geometría del perfil también ayuda: cuanto más compleja sea la sección transversal (muchos huecos, nervios estrechos, aletas de alta relación de aspecto), más difícil será diseñar una matriz y controlar el flujo. La simplificación puede suponer una cierta pérdida de libertad en cuanto a la forma, pero reducirá significativamente el coste de las herramientas y el riesgo de fabricación.

Algunos consejos prácticos para optimizar el flujo del troquel

• Utilice radios generosos y transiciones suaves en el perfil para que el aluminio no se “acumule” ni se ralentice en las esquinas.
• Mantenga los cambios en el grosor de la pared graduales para que la velocidad del flujo se mantenga constante en toda la sección.
• Evite las aletas extremadamente delgadas o las cavidades muy profundas sin nervaduras de soporte, ya que pueden provocar “escamas de pez” o distorsiones tras la extrusión.
• Siempre que sea posible, diseñe el perfil con simetría para que el flujo desde la matriz pueda equilibrarse y se mejore la vida útil de la herramienta.
• Trabaje con su socio de extrusión desde el principio: los ingenieros de matrices pueden sugerir añadir una nervadura o cambiar un contorno para mejorar el flujo y reducir los costes.

Según mi experiencia trabajando con perfiles de aluminio, cuando realizamos un pequeño cambio para reducir una aleta larga y estrecha y la sustituimos por una nervadura ligeramente más ancha, la extrusora informó de un flujo más fácil, una mayor velocidad y menos rechazos. Esto demuestra que la optimización del flujo a menudo significa “pequeños cambios de forma = grandes ganancias en el proceso”.

¿Puede la simulación validar el diseño de extrusión?

Podría pensarse que la simulación es algo agradable de tener, pero en el diseño de extrusión se está convirtiendo cada vez más en algo esencial en lugar de opcional.

Sí, la simulación (análisis de elementos finitos sobre el flujo de materiales, la transferencia de calor y la deformación) le permite probar virtualmente los diseños de matrices y perfiles, detectar problemas de forma temprana y ahorrar costes de herramientas y tiempo.

Las herramientas de simulación (que suelen utilizar métodos de elementos finitos) pueden modelar cómo fluirá el aluminio a través de una matriz, cómo evoluciona la temperatura durante la extrusión y cómo podría deformarse o combarse el perfil después de salir de la matriz. Mediante la simulación, se pueden detectar posibles puntos críticos, desequilibrios en el flujo y áreas en las que el extrudado podría desviarse de las tolerancias de diseño.

Además, la simulación no solo se limita al diseño de herramientas; también se puede simular cómo afectará al perfil todo el proceso de extrusión, además del enfriamiento y la estabilización. Esto significa que se puede perfeccionar la geometría del perfil (espesor de las paredes, tamaño de las nervaduras, transiciones) antes de enviarlo a la fabricación de herramientas.

El uso de la simulación ofrece varias ventajas:

• Reduce el número de pruebas de troqueles y ciclos de prototipado.
• Ayuda a controlar los costes y los plazos de entrega al detectar problemas de diseño en una fase temprana.
• Proporciona datos que puede compartir con su socio de extrusión para que comprenda los límites del proceso.

Por ejemplo, cuando teníamos un perfil con una sección hueca compleja, realizamos una simulación de flujo y descubrimos una zona de metal muerto cerca de una pared delgada. Ajustamos la posición de la pared y añadimos un relieve, y la simulación mostró un flujo mucho más uniforme y una presión prevista más baja. Sin la simulación, probablemente habríamos tenido problemas con las herramientas y más desechos.

Por supuesto, la simulación no sustituye la colaboración con su extrusora ni la experiencia práctica. Sin embargo, en la fabricación de extrusiones de aluminio de alta calidad, es una potente herramienta de validación que le recomiendo incluir en su proceso de diseño.

Conclusión

En resumen, prestando atención a la geometría, el grosor de la pared, el flujo del troquel y la validación mediante simulación, aumentará significativamente sus posibilidades de diseñar extrusiones de aluminio que aporten un valor real. Un buen diseño se traduce en menores costes, mejor calidad y una producción más fluida.