Entendendo o Processo de Extrusão: Aplicações, Materiais e Técnicas

O processo de extrusão é um dos processos mais comuns no mundo da produção atual. Envolve o uso de uma grande variedade de materiais como metais, plásticos, cerâmicas, etc. O processo pode ser feito a quente ou a frio quando melhores propriedades são necessárias. Processos de extrusão em metais podem aumentar a resistência do material.

Hoje você conhecerá a definição, aplicações, função, processo, materiais, equipamentos, tipos e princípio de funcionamento de um processo de extrusão. Também conhecerá as vantagens e desvantagens de um processo de extrusão.

O que são processos de extrusão?

Extrusão é um processo de fabricação por moldagem que envolve forçar material base através de uma matriz pré-moldada para criar objetos com forma e perfil específicos. Este processo é usado para criar objetos de perfil transversal fixo. Em seu funcionamento, o material é empurrado através de uma matriz da seção transversal desejada, sua forma muda para refletir a forma da matriz. Produtos de extrusão são geralmente chamados de "extrudados".

A razão de extrusão é definida como a área transversal inicial dividida pela área transversal da extrusão final. Um benefício do processo de extrusão é que essa razão pode ser muito grande enquanto ainda produz peças de qualidade. Este processo tem a capacidade de criar seções transversais muito complexas e trabalhar com materiais frágeis. Isso ocorre porque o material enfrenta apenas tensões compressivas e de cisalhamento. O processo de extrusão também oferece excelente acabamento superficial às peças e dá considerável liberdade de forma no processo de projeto.

Processos de extrusão são semelhantes à trefilação, que usa a resistência à tração do material para puxá-lo através da matriz. O processo de trefilação é usado para produzir fio, barras metálicas e tubos. No entanto, é limitado a formas mais simples, e múltiplos estágios são geralmente necessários, ao contrário da extrusão que realiza tudo em uma etapa.

Extrusão é conhecida por ser contínua (teoricamente produzindo material indefinidamente longo) ou semi-contínua (produzindo muitas peças). Materiais comuns usados no processo de extrusão são metais, polímeros, cerâmicas, concreto, argila de modelar e alimentos.

Aplicações de um processo de extrusão

A aplicação de extrusão é muito comum ao nosso redor, já que a maioria dos materiais usados em nossas casas, escritórios, locais de trabalho são extrudados. Um bom exemplo de moldagem por extrusão pode ser visto quando você espreme uma pasta de dente, a forma que a pasta assume quando sai. Um saco de confeitar também é um bom exemplo de quando o glacê é empurrado para fora.

Moldagem por extrusão de plásticos é usada para fazer qualquer forma longa que tenha seção transversal constante. Este processo pode ser usado para produzir tubos, calhas, seções de janelas e acabamentos decorativos. Materiais termoplásticos como PVC (policloreto de vinila), PEBD (polietileno de baixa densidade), PEAD (polietileno de alta densidade) e PP (polipropileno) podem todos ser extrudados. Abaixo estão as aplicações comuns de processo de extrusão ou extrudados de termoplásticos:

• Revestimento isolado para fios e cabos
• Chapás plásticas planas para sinalização, envidraçamento, interiores de geladeiras
• Aplicações de iluminação
• Monofilamento para cordas, cerdas e fibras têxteis sintéticas
• Tubos e tubulações para mangueiras, água, gás, esgotos e drenos

Aplicações industriais de processo de extrusão incluem:

• Produção de tubos e tubos ocos
• Extrusão de alumínio é usada em trabalho estrutural em muitas indústrias
• Peças automotivas são amplamente feitas com este processo

Veja mais aplicações de um processo de extrusão na seção abaixo (materiais usados no processo de extrusão).

Nota: a função primária da extrusão é fabricar objetos com seções transversais e perfis fixos.

Processo de extrusão

Processos de extrusão a quente ou mornos começam pelo aquecimento do material de estoque, que é então carregado no recipiente na prensa. Um bloco fictício é colocado atrás dele onde um aríete pressiona o material para empurrá-lo para fora da matriz. A extrusão é então esticada para endireitá-la. A exigência de propriedade específica ou melhor faz com que seja trabalhada a frio ou tratada termicamente.

Processo de extrusão a quente:

Este é um processo de trabalho a quente, ou seja, é feito acima da temperatura de recristalização do material. Isso mantém o material de endurecer por trabalho e torna mais fácil empurrar o material através da matriz. O processo de extrusão a quente é realizado principalmente em prensas hidráulicas horizontais, variando de 230 a 11.000 toneladas métricas (250 a 12.130 toneladas curtas). Suas pressões variam de 30 a 700 MPa (4.400 a 101.500 psi). Assim, lubrificação é necessária, seja óleo ou grafite para extrusões de temperatura mais baixa, enquanto pó de vidro para extrusões de temperatura mais alta.

Materiais metálicos podem requerer diferentes temperaturas na extrusão a quente, materiais como magnésio, alumínio, cobre, aço, titânio, níquel, liga refratária, etc. Todos estes requerem diferentes temperaturas durante o processo de extrusão a quente.

Processo de extrusão a frio:

Processos de extrusão a frio são realizados em temperatura ambiente ou próxima à temperatura ambiente. Seus benefícios sobre o processo a quente incluem ausência de oxidação, maior resistência devido ao trabalho a frio, tolerâncias mais próximas, melhor acabamento superficial e velocidades de extrusão rápidas. Materiais comumente usados em processos de extrusão a frio incluem chumbo, estanho, alumínio, cobre, zircônio, titânio, molibdênio, berílio, vanádio, nióbio e aço. As aplicações de um processo de extrusão a frio incluem tubos colapsíveis, cilindros de extintores de incêndio, cilindros de amortecedores e brancos de engrenagens.

Processo de extrusão morna:

Processo de extrusão morna é benéfico tanto em metais ferrosos quanto não ferrosos e ligas. Extrusão morna é realizada acima da temperatura ambiente, mas abaixo da temperatura de recristalização do material. Estas temperaturas variam de 800 a 1800 °F (424 a 975 °C). Este processo é geralmente usado para alcançar o equilíbrio adequado de forças requeridas, ductilidade e propriedades finais de extrusão.

Extrusão por atrito:

Este processo foi introduzido com a intenção de produzir microestruturas homogêneas e distribuição de partículas em material composto de matriz metálica. Este processo é extremamente diferente da extrusão convencional no sentido de que a carga gira em relação à matriz de extrusão. Uma força de extrusão ajuda a empurrar a carga contra a matriz. Tanto a matriz quanto a carga podem girar ou podem ser contra-rotativas em alguns casos. Este movimento rotativo relativo entre a carga e a matriz tem vários efeitos significativos no processo, que incluem:

• Grandes tensões de cisalhamento devido ao movimento relativo no plano de rotação
• Deformação plástica na camada de carga em contato com e próximo à matriz
• A deformação plástica é dissipada por processos de recuperação e recristalização levando a aquecimento substancial da carga deformada
• O processo não requer pré-aquecimento da carga por meios auxiliares, potencialmente resultando em processo mais eficiente energeticamente

Em segundo lugar,

• O nível substancial de deformação plástica na região de movimento rotativo relativo pode promover a soldagem em estado sólido de pós. Outros precursores finamente divididos, como flocos e lascas, efetivamente consolidando as cargas (consolidação por atrito) antes da extrusão.

Processo de microextrusão:

Este processo é um processo de extrusão de microconformação realizado em faixa submilimétrica. Convencionalmente, metal é empurrado através de orifício de matriz, mas a seção transversal do produto resultante pode passar por um quadrado de 1mm. No movimento direto, aríete e lingote movem-se na mesma direção, enquanto no inverso, aríete e lingote movem-se em direções opostas.

Materiais usados em um processo de extrusão

Como mencionado anteriormente, materiais de extrusão podem ser metal, madeira, plástico e cerâmica. Abaixo estão suas explicações.

Metal:

Metais são um dos materiais mais comuns usados em processos de extrusão. Os tipos de metais determinam a temperatura de trabalho e a propriedade requerida também é um fator. Abaixo estão os diversos tipos de metais usados em um processo de extrusão.

Alumínio é o material mais comumente extrudado e pode ser extrudado a quente ou a frio, dependendo de como a operação é realizada. É aquecido a 575 a 1100 °F (300 a 600 °C). Produtos extrudados de alumínio incluem perfis para trilhos, frames, trilhos, muntins e dissipadores de calor.

Latão é frequentemente usado para extrudar peças de engenharia, peças automotivas, conexões de tubos e hastes livres de corrosão.

Cobre é usado para extrusão de tubos, fios, hastes, barras, tubos e eletrodos de solda. Isto é feito a uma temperatura de trabalho de 1100 a 1825 °F (600 a 1000 °C).

Chumbo e estanho também são usados para extrudar tubos, tubos, fios e revestimentos de cabos à temperatura máxima de 575 °F (300 °C). Chumbo fundido também pode ser usado no lugar de lingotes no processo de extrusão vertical.

Magnésio é amplamente usado para extrudar peças da indústria nuclear e peças de aeronaves à temperatura de trabalho de 575 °F (300 a 600 °C). O nível de extrusão deste material é quase o mesmo do alumínio.

Zinco é amplamente usado para acessórios e corrimãos, componentes de hardware, tubos, barras, hastes, etc. a temperatura de 400 a 650 °F (200 a 350 °C).

Aço – usado para hastes e trilhos a 1825 a 2375 °F (1000 a 1300 °C). Aço liga e aço inoxidável podem ser extrudados, mas geralmente aço carbono simples é extrudado.

Titânio também é usado para componentes de aeronaves incluindo trilhos de assento, anéis de motor e outras peças estruturais. Isto é feito a uma temperatura de trabalho de 1100 a 1825 °F (600 a 1000 °C).

Plástico:

Plásticos são outro material comum usado para extrusão. São comumente usados como chips ou pellets plásticos, que geralmente são secos para remover umidade deles. No equipamento de extrusão, o material é alimentado através de uma tremonha, que é então aquecido a estado fundido por combinação de elementos de aquecimento e aquecimento por cisalhamento do parafuso de extrusão. O parafuso, ou parafusos quando é extrusão de duplo parafuso, força a resina através de uma matriz, dando à resina a forma desejada.

O extrudado é resfriado e solidificado quando puxado através da matriz ou tanque de água. Melhorando a qualidade geral do extrudado, um trator de arraste é usado para fornecer tensão na linha de extrusão. Pelotizadores também podem criar esta tensão puxando fios extrudados para serem cortados, mas o trator de arraste fornece puxada consistente. Caso contrário, vibração no comprimento de corte ou produto distorcido ocorrerá.

Diagrama de processos de extrusão de plástico:

Assista ao vídeo abaixo para aprender como funciona o processo de extrusão de plástico:

Cerâmica:

Cerâmica é outro material que pode ser formado em formas através de extrusão. Muitos tijolos modernos também são produzidos usando processo de extrusão de tijolos.

Equipamento de extrusão

Equipamento de extrusão tem diferentes variações, variando pelas seguintes quatro características:

• Movimento da extrusão em relação ao aríete, ou seja, extrusão direta ou indireta. A extrusão direta é quando a matriz é mantida estacionária e o aríete move-se em direção a ela. Enquanto a extrusão indireta é quando o aríete é mantido estacionário e a matriz move-se em direção ao aríete. Isso será explicado mais adiante.
• Posição da prensa, vertical ou horizontal
• Tipo de acionamento hidráulico ou mecânico
• Tipos de carga aplicada, convencional (variável) ou hidrostática

Em equipamento de extrusão, um parafuso simples ou duplo, acionado por motor elétrico, ou um aríete, acionado por pressão hidráulica, pressão de óleo. A maioria das prensas de extrusão direta ou indireta modernas são acionadas hidraulicamente, mas pequenas prensas mecânicas ainda são empregadas em algumas. Estas prensas hidráulicas são de dois tipos: prensas de óleo de acionamento direto e acionadores de água de acumulador.

Diagrama de equipamento de extrusão:

Prensas de óleo de acionamento direto são um dos tipos mais comuns, são confiáveis e robustas. Podem fornecer mais de 35 MPa (500 psi). O lingote no sistema recebe pressão constante. No entanto, este equipamento de extrusão é lento, entre 50 e 200 mm/s (2–8 ips).

Acionadores de água de acumulador são mais caros e maiores quando comparados com prensas de óleo de acionamento direto. Perdem cerca de 10% de sua pressão ao longo do curso, mas trabalham em taxa muito mais rápida, até cerca de 380 mm/s (15 ips). É por isso que são usados para extrudar aço. Acionadores de água de acumulador também podem ser usados em materiais que requerem temperaturas muito altas para fins de segurança.

Tipos de processo de extrusão

Diferentes tipos de processos de extrusão podem ser classificados pelo seguinte:

Segundo a direção de fluxo dos materiais

Extrusão direta:

Estes tipos de processos de extrusão permitem que os materiais fluam na direção da alimentação do punção. Este punção move-se em direção à matriz durante o processo. A extrusão direta requer força maior devido ao maior atrito entre lingote e recipiente. A extrusão direta também é conhecida como extrusão frontal, é bastante comum no mundo industrial. Em seu funcionamento, o lingote é colocado em um recipiente de parede pesada que é empurrado através da matriz por um aríete ou parafuso. Um bloco fictício reutilizável entre o aríete e o lingote ajuda a mantê-los separados.

A principal limitação de usar este processo é que a força necessária para extrudar o lingote é alta. Isso ocorre devido às forças de atrito introduzidas pela necessidade do lingote percorrer todo o comprimento do recipiente. Devido à maior força requerida no início do processo e diminui lentamente à medida que o lingote é consumido. Precedendo o fim do lingote, a força aumenta muito porque o lingote é fino e o material deve fluir radialmente para sair da matriz.

Extrusão Indireta:

Em um processo de extrusão indireta, materiais de trabalho fluem em direções opostas ao movimento do êmbolo. A matriz é ajustada no lado oposto ao movimento do punção. Este material é permitido fluir através do espaço anular entre punção e recipiente. É conhecida como extrusão reversa. Em seu processo, o lingote e o recipiente movem-se juntos enquanto a matriz é estacionária. Uma "haste" mais longa que o comprimento do recipiente ajuda a manter a matriz no lugar. O comprimento máximo da extrusão é finalmente conhecido pela resistência da coluna da haste. O movimento do lingote com o recipiente elimina forças de atrito que podem ocorrer.

Vantagens da extrusão indireta:

• Redução de 25 a 30% do atrito. Isso permite lingotes maiores serem extrudados, pode ser realizado em velocidade aumentada. Também, a capacidade de extrudar seções transversais menores.
• Menor tendência de trinca na extrusão, porque nenhum calor é formado por atrito.
• O revestimento do recipiente dura mais devido a menor desgaste.
• O lingote é usado mais uniformemente, resultando em menos defeitos e grãos grosseiros.

Desvantagens da extrusão indireta:

• Defeitos e impurezas na superfície do lingote afetam a superfície da extrusão.
• O processo não é tão versátil quanto extrusões diretas devido à área transversal limitada.

Extrusão Hidrostática:

Estes tipos de extrusão usam fluido para aplicar pressão no lingote. Atrito é eliminado neste processo porque o lingote não está em contato com a parede do cilindro ou êmbolo. Há fluido entre o lingote e o êmbolo, e o êmbolo aplica força no fluido que é aplicada no lingote. Óleos vegetais são normalmente usados como fluido na extrusão hidrostática. Um efeito deste processo é o problema de vazamento e velocidade de extrusão não controlada. Este processo pode ser realizado a quente, morno ou frio, mas a temperatura é limitada pela estabilidade do fluido usado. Um cilindro selado contendo o meio hidrostático deve ser usado para realizar este processo.

O fluido pode ser pressurizado de duas maneiras; primeiro, extrusão de taxa constante, ou seja, um aríete ou êmbolo é usado para pressurizar o fluido dentro do recipiente. Segundo, extrusão de pressão constante – uma bomba é usada, possivelmente com intensificador de pressão, para pressurizar o fluido. É então bombeado para o recipiente.

Vantagens da extrusão hidrostática:

• Requisito de força reduzido pois não há atrito entre o recipiente e o lingote.
• Velocidades mais rápidas, maiores razões de redução e temperaturas de lingote mais baixas.
• Ductilidade do material aumenta quando altas pressões são aplicadas.
• Nenhum resíduo de lingote é deixado nas paredes do recipiente.
• Tanto lingotes grandes quanto grandes seções transversais podem ser extrudados.

Desvantagens da extrusão hidrostática:

• Os lingotes devem ser preparados afilando uma extremidade para corresponder ao ângulo de entrada da matriz. Ou seja, uma vedação precisa ser formada no início do círculo.
• Todo o lingote precisa ser usinado para remover quaisquer defeitos de superfície.
• Fluido sob altas pressões pode ser difícil de atingir.
• Um remanescente de lingote ou um tampão de material mais resistente deve ser deixado no final da extrusão para evitar liberação súbita do fluido de extrusão.

Segundo a temperatura de trabalho

Extrusão a Quente:

Como afirmado anteriormente, o processo de extrusão a quente é realizado acima da temperatura de recristalização do material. Isso geralmente acima de 50-60% de sua temperatura de fusão. Nestes tipos de extrusão, força baixa é necessária, fácil de trabalhar, e o produto é livre de endurecimento por deformação. Embora alta manutenção seja necessária.

Extrusão a Frio:

Extrusão a frio ocorre em temperatura ambiente ou abaixo da temperatura de cristalização do material. Oferece altas propriedades mecânicas, alto acabamento superficial e nenhuma oxidação na superfície do metal. No entanto, alta força é necessária, e produtos são realizados com endurecimento por deformação.

Princípio de funcionamento da extrusão

O funcionamento da extrusão é fácil e pode ser facilmente entendido. Com as várias explicações sobre os tipos de processos de extrusão, você está exposto às diferentes variações de processos de extrusão. Bem, no método convencional, um pistão ou êmbolo é usado para aplicar força compressiva à peça de trabalho. Na extrusão a quente, o lingote é aquecido ou mantido em temperatura ambiente na extrusão a frio. É então colocado em uma prensa de extrusão, que é como um dispositivo pistão-cilindro, ou seja, metal é colocado no cilindro e empurrado por um pistão. A parte superior do cilindro é ajustada com matriz.

Este êmbolo ajustado à prensa empurra o lingote em direção à matriz que carrega a forma do objeto desejado. A alta força compressiva aplicada permite que o material de trabalho flua através de uma matriz e converta na forma. A peça é removida da prensa e a operação é concluída.

Assista ao vídeo abaixo para saber mais sobre o funcionamento do processo de extrusão:

Vantagens e desvantagens da extrusão

Vantagens:

Abaixo estão os benefícios do processo de extrusão em suas diversas aplicações:

• Altas propriedades mecânicas podem ser alcançadas com extrusão a frio.
• Seção transversal complexa pode ser facilmente criada.
• Materiais frágeis e dúcteis podem ser trabalhados.
• Alta razão de extrusão.

Desvantagens:

Apesar das boas vantagens do processo de extrusão, algumas limitações ainda ocorrem. Abaixo estão as desvantagens de um processo de extrusão em suas diversas aplicações:

• Alto custo inicial ou de configuração.
• Requer alta força compressiva.

Conclusão

O processo de extrusão é um dos processos mais comuns no mundo da produção atual. Envolve o uso de grande variedade de materiais como metais, plásticos, cerâmicas, etc. O processo pode ser feito a quente ou a frio quando melhores propriedades são necessárias. É um processo de fabricação por moldagem que envolve forçar material base através de uma matriz pré-moldada para criar objetos com forma e perfil específicos. Este artigo discutiu a definição, aplicações, função, processo, materiais, equipamentos, tipos, princípio de funcionamento e vantagens e desvantagens dos processos de extrusão.

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