¿qué formas se pueden fabricar con extrusión de aluminio?

Un problema habitual en la construcción metálica es encontrar una forma que sea resistente, ligera y se ajuste a las necesidades exactas de diseño. Muchos diseños fracasan porque la forma es incorrecta. El aluminio extruido resuelve este problema permitiendo a los diseñadores elegir casi cualquier forma que necesiten.

La extrusión de aluminio puede producir formas sencillas o muy complejas, desde barras macizas a tubos huecos, perfiles multiovoides, secciones de pared delgada y curvas personalizadas, ofreciendo una gran resistencia y flexibilidad de diseño.

En el resto de este artículo, mostraré cómo las matrices de extrusión crean formas complejas. Explicaré por qué las formas huecas o con múltiples huecos ayudan a reducir el peso pero mantienen la resistencia. También hablaré de cómo las paredes finas pueden seguir resistiendo. Veamos qué formas puede dar la extrusión.

¿Cómo crear formas complejas?

¿Alguna vez se ha preguntado cómo un bloque de aluminio puede adoptar una forma extraña con cavidades y aletas? La matriz se encarga de ello. La matriz es la herramienta que da forma al metal a medida que lo empuja hacia fuera bajo calor y presión.

Una matriz bien diseñada moldea el aluminio fundido en perfiles complejos, con contornos exteriores y huecos interiores, forzando el metal a través de aberturas perfiladas bajo presión.

Qué es una matriz en extrusión

Una matriz es como un molde. Tiene una abertura con la forma del perfil. El tocho de aluminio se calienta. A continuación, un pistón lo empuja a través de la matriz. El aluminio caliente y reblandecido fluye hasta llenar la cavidad de la matriz. La forma de la abertura de la matriz determina la forma final.

Los diseñadores dibujan o modelan la forma de la sección transversal. El fabricante de troqueles utiliza ese dibujo para cortar una placa de troquel que se ajuste a la forma. Para formas sencillas, como una barra plana o un cuadrado, la matriz es simple. Para formas con agujeros en el interior o aletas finas, la matriz tiene piezas sólidas en el interior que crean las cavidades.

Cómo fluye el metal y rellena perfiles complejos

Cuando la presión empuja el aluminio, éste fluye como la arcilla blanda, pero a alta presión. El flujo tiende a seguir el camino de menor resistencia. Así que la matriz debe guiar el flujo para que llegue a todos los rincones. Si una forma tiene canales interiores estrechos o aletas largas y finas, la matriz debe diseñarse con cuidado.

La matriz puede tener soportes internos o mandriles. Un mandril es una varilla sólida dentro de la matriz que forma un espacio hueco en el perfil. A medida que el aluminio fluye alrededor del mandril, forma un hueco o cavidad. La matriz también debe permitir la expulsión: la pieza debe deslizarse suavemente.

Si la matriz tiene varias piezas, puede incluir un soporte en forma de “araña”, un conjunto de patas finas en el interior que sujetan el mandril. El aluminio fluye alrededor de las patas de araña y luego sale en la forma final con un hueco o vacío interior.

Límites y buenas prácticas de diseño

El diseño de las matrices debe evitar las esquinas afiladas y los orificios profundos muy estrechos. Las aletas muy finas o los huecos internos estrechos pueden bloquear el flujo o provocar defectos. Si la forma de la matriz es demasiado compleja, el metal puede enfriarse demasiado rápido antes de llegar a todas las esquinas. Para evitarlo, los fabricantes de troqueles precalientan la matriz o reducen la velocidad de extrusión.

Cada forma debe tener en cuenta el flujo de metal, la velocidad de enfriamiento, la fricción dentro de la matriz y el desgaste de ésta. Una matriz bien diseñada equilibra la complejidad de la forma y la facilidad de fabricación.

Resumen del proceso de troquelado

Dado que la matriz determina la sección transversal, una sola matriz puede fabricar miles de piezas idénticas rápidamente. Esto hace que la extrusión sea eficiente para piezas largas como marcos, raíles o perfiles para ventanas, marcos solares, carcasas de iluminación, etc.

¿Por qué las formas huecas reducen el peso?

Muchos perfiles de aluminio son huecos o tienen vacíos internos. Esta elección de diseño a menudo desconcierta a la gente: “¿Es realmente fuerte el espacio vacío?” Sí. Las formas huecas reducen el peso al tiempo que mantienen la resistencia cuando se diseñan bien.

Los perfiles huecos o en caja reducen el peso porque eliminan el material innecesario de las zonas de baja tensión y mantienen el material donde importa la resistencia, lo que hace que las piezas sean más ligeras pero rígidas.

Cómo las formas huecas mantienen su fuerza

La resistencia de una barra suele provenir del material alejado del centro. En un tubo redondo o un perfil hueco cuadrado, las paredes exteriores resisten la flexión o la torsión. El material del interior contribuye poco. Por eso, si se elimina el material interior y se mantiene el exterior, se conserva gran parte de la resistencia y se reduce el peso.

Además, las formas huecas resisten bien la torsión y la flexión. Un tubo hueco resiste la torsión casi tan bien como una varilla maciza del mismo tamaño exterior. La rigidez a la flexión depende más del diámetro exterior que del material interior.

Cuando el peso importa

En muchos campos, el peso es una gran preocupación. En los vehículos, los marcos más ligeros mejoran la eficiencia. En los marcos de puertas y ventanas, las secciones ligeras facilitan la manipulación. En los marcos de paneles solares, el metal pesado aumenta los costes de transporte y la tensión en los soportes.

El uso de secciones huecas de aluminio reduce el uso de material. Eso reduce el coste. Un menor coste y un peso más ligero hacen que los productos sean más competitivos.

Compromisos y cuidado del diseño

Las formas huecas pueden deformarse si la carga es elevada y las paredes son finas. El grosor y la forma deben ajustarse a los requisitos de carga. Los diseñadores deben comprobar la tensión, la distribución de la carga y el pandeo potencial.

Las paredes exteriores finas pueden abollarse si se golpea la superficie. Para cargas pesadas o impactos, a veces son mejores las secciones sólidas o reforzadas.

Comparación: Aluminio macizo frente a aluminio hueco

Las formas huecas ofrecen una mejor relación resistencia-peso para muchos usos. Los diseñadores eligen perfiles huecos cuando el coste de envío, el peso o el uso del material son importantes.

¿Dónde se utilizan las formas multihueco?

A veces, los diseñadores necesitan más de un espacio hueco. Los perfiles multihueco o multicámara tienen dos o más cavidades. Permiten aún más flexibilidad. Muchos productos del mundo real utilizan esas formas complejas.

Los perfiles con múltiples huecos sirven para que diferentes cavidades soporten distintas funciones -como cableado, drenaje, refuerzo- y permiten que una misma forma realice muchas tareas a la vez.

Por qué son útiles los vacíos múltiples

Los múltiples huecos permiten dividir las funciones. Una cámara puede alojar el cableado eléctrico. Otra puede dar soporte estructural. Una tercera puede dar espacio para aislamiento o juntas.

Con una sola matriz se pueden conseguir todos estos espacios dentro de una sola extrusión. Eso reduce el trabajo de montaje. Reduce las soldaduras o uniones. Simplifica la fabricación.

Además, los huecos múltiples pueden mejorar la rigidez. Si las paredes separan las cavidades, el perfil puede resistir la torsión y la flexión en múltiples direcciones. Las nervaduras internas añaden soporte.

Ejemplos de uso en productos reales

• Ventanas y puertas: Los perfiles multicámara ayudan a mejorar el aislamiento térmico. Algunas cámaras permanecen sólidas para mayor resistencia, otras sostienen juntas o burletes, otras proporcionan vías de cableado para cerraduras inteligentes o sensores.
• Bastidores y raíles para paneles solares: Perfiles con cavidades para cableado, toma de tierra y paneles. Una cavidad para ganchos de montaje, otra para cables y otra para resistencia estructural.
• Iluminación: Un hueco para el cableado, un hueco para la disipación del calor, un hueco para el soporte estructural... en una sola pieza.
• Bastidores de máquinas: Los perfiles multihueco permiten que los marcos sujeten elementos de fijación, mangueras o cableado en su interior, mientras que las paredes exteriores proporcionan un soporte rígido.

Ventajas del diseño multihueco

• Menos necesidad de ensamblar varias piezas.
• Aspecto más limpio: sin soldaduras ni juntas externas.
• Ahorro de tiempo y dinero: una extrusión equivale a muchas piezas.
• Mejor rendimiento: estructura, aislamiento y soporte de cableado, todo en uno.

Aspectos a tener en cuenta

El diseño de formas con múltiples huecos añade complejidad. La matriz debe tener varios mandriles y soportes. Las vías de flujo deben estar equilibradas. La refrigeración debe ser uniforme.

Si una cámara es demasiado estrecha, es posible que el metal no fluya bien. Las nervaduras largas y finas entre los huecos podrían enfriarse demasiado rápido y agrietarse.

Además, pueden producirse tensiones internas si el grosor de la pared difiere mucho. Esto puede deformar el perfil tras el enfriamiento.

Cuando los perfiles son largos, debe controlarse la tolerancia de longitud. Los huecos internos pueden dilatarse o retorcerse si no se enfrían uniformemente.

Debido a estos retos, los ingenieros experimentados deben diseñar cuidadosamente los perfiles con múltiples huecos.

¿Pueden las paredes delgadas mantener su resistencia?

A primera vista, las paredes finas pueden parecer débiles. Muchos temen que el aluminio de paredes finas se doble o se rompa con facilidad. Pero en muchos perfiles de extrusión, las paredes finas siguen ofreciendo una buena resistencia. La forma importa más que el grosor.

Las paredes delgadas pueden mantener la resistencia si la forma del perfil ofrece un buen soporte y las trayectorias de carga distribuyen la tensión entre las superficies exteriores y las nervaduras estructurales.

Cómo la forma ayuda a adelgazar las paredes

Cuando las paredes son delgadas, el diseño debe colocar el material donde se concentran las tensiones. Los bordes exteriores, las esquinas, las nervaduras y los rebordes soportan la mayor parte de la tensión. Las paredes planas y delgadas entre las costillas añaden poca resistencia, pero aumentan el peso si son gruesas. Si se elimina el material sobrante, se reduce el peso sin perder mucha resistencia.

Las nervaduras estructurales dentro de un perfil ayudan. Las nervaduras hacen que las paredes se mantengan rectas a la flexión. Además, distribuyen la carga sobre una superficie mayor.

Cuando las paredes finas funcionan bien

Los perfiles de aluminio de pared delgada funcionan en muchos casos: embellecedores, marcos, carcasas, cubiertas, cerramientos. En ellos, las cargas no son enormes. Los perfiles mantienen principalmente la forma y la alineación.

Por ejemplo, el marco de una ventana puede tener paredes de 1,2 mm pero resistir la carga del viento y soportar las tensiones de la instalación. La carcasa de una luminaria puede aceptar paredes finas porque la carga es pequeña y el peso importa.

Las paredes finas también facilitan los tratamientos superficiales como el anodizado o la pintura: menos material significa un equilibrio térmico más rápido y un menor coste.

Límites y precauciones

Si la carga es pesada o existe la posibilidad de impacto, las piezas de pared fina pueden deformarse. Las paredes planas y delgadas pueden doblarse hacia dentro bajo presión. Las juntas y esquinas deben reforzarse. En vanos largos, las paredes delgadas corren el riesgo de doblarse a media longitud (pandeo).

Si el grosor de la pared es desigual, puede producirse una concentración de tensiones. Las esquinas afiladas o las transiciones bruscas provocan puntos débiles. La fabricación debe garantizar un grosor de pared uniforme y un buen acabado superficial.

Diseño y pruebas para paredes delgadas

Un buen diseño para paredes finas significa:

• Utilice nervaduras o bridas para añadir rigidez.
• Repartir la carga en zonas más amplias.
• Evite las esquinas afiladas; utilice filetes suaves.
• Realice pruebas de simulación o estrés antes del diseño final.

Ejemplo: Un perfil con paredes exteriores de 2 mm de espesor y nervios interiores de 1,2 mm de espesor puede soportar bien las cargas de flexión. Si la longitud es de 2 metros y hay separadores cada 500 mm, el pandeo será mínimo.

El diseño de pared delgada reduce el peso y el coste. Eso ayuda cuando se utilizan muchas piezas. También reduce la masa térmica. Esto es útil si se necesita un cambio rápido de temperatura, como en el anodizado o la pintura.

Aun así, el diseño cuidadoso y el control de calidad son importantes. Un grosor uniforme, filetes y nervios adecuados son fundamentales. Además, una manipulación e instalación correctas reducen el riesgo de abolladuras o deformaciones.

Conclusión

Con la extrusión de aluminio se pueden fabricar muchas formas: barras macizas, tubos huecos, perfiles multihueco, secciones de pared delgada, nervios y bridas. Un buen diseño de la matriz y una cuidadosa planificación lo hacen posible. Esa flexibilidad permite a los diseñadores satisfacer las necesidades de ligereza, coste y resistencia en una sola pieza.