Seja você um iniciante em extrusão de alumínio ou um projetista de extrusão experiente, é crucial entender como as matrizes de extrusão são projetadas para criar diferentes formas de perfil e como essas diferenças afetam os custos de fabricação de matrizes.
O que é uma matriz de extrusão?
Uma matriz de extrusão é essencialmente uma chapa de aço circular espessa com uma ou mais aberturas usadas para formar a forma desejada. Eles são normalmente feitos de aço ferramenta H-13 e tratados termicamente para suportar a pressão e o calor gerados quando o alumínio quente passa pela matriz.
O alumínio pode parecer macio, mas, na realidade, é necessária uma enorme pressão para empurrar um tarugo de alumínio sólido através de uma matriz porosa para criar a forma desejada.
Por exemplo, empurrar um tarugo de alumínio através de uma prensa de 8 polegadas (cerca de 20 cm) requer uma força de 100.000-125.000 psi.
Para colocar isso em perspectiva, um bico de lavagem de carros de alta pressão pulveriza água a cerca de 2.500 psi, e aumentar a pressão para 5.000 psi pode destruir os tijolos de um edifício.
Categorias de perfil de matriz
Embora a extrusão de alumínio possa criar muitas formas, as matrizes usadas são divididas em três categorias: matrizes sólidas, matrizes semi-ocas e matrizes ocas.
Matrizes sólidas
As matrizes sólidas são usadas para criar formas finais sem vazios ou aberturas fechadas, como hastes, vigas, ângulos. Como resultado, o custo de fabricação de matrizes sólidas é normalmente menor do que o de outros tipos de matrizes.
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Matrizes ocas
As matrizes ocas são usadas para produzir perfis com um ou mais vazios, como tubos simples com um único vazio ou perfis complexos com vários vazios finos.
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Devido aos componentes adicionais, as matrizes ocas têm custos mais altos de material e matriz e, geralmente, quanto mais vazios houver, maior será o custo.
Matrizes semi-ocas
As matrizes semi-ocas criam perfis que estão próximos de serem ocos, com vazios parcialmente fechados.
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Exemplo de proporção de língua
As matrizes sólidas também podem ter vazios parcialmente fechados, mas a diferença está na razão entre a área vazia e a lacuna na conexão entre a lingueta e o corpo da matriz. Essa proporção é chamada de proporção da língua.
A proporção de lingueta das matrizes semi-ocas é maior do que a das matrizes sólidas, o que aumenta a complexidade de fabricação e, consequentemente, o custo.
Ferramentas de suporte
As matrizes requerem ferramentas de suporte pesadas para garantir o alinhamento e a segurança adequados durante o processamento. As principais ferramentas de suporte incluem o anel da matriz, a placa de apoio, a placa espaçadora e a placa espaçadora auxiliar.
- Anel da matriz: Envolve o cabeçote da matriz, fornecendo suporte e alinhamento para garantir que a cabeça da matriz permaneça na posição correta durante a extrusão.
- Placa de apoio: Reforça a matriz, resistindo à pressão do tarugo, e é normalmente duas a três vezes mais espessa que a matriz.
- Placa espaçadora: Fornece suporte, alinhamento e distribuição uniforme de pressão.
- Placa espaçadora auxiliar: Usada quando o conjunto de matrizes é muito curto, estendendo o comprimento do conjunto de matrizes para atender aos requisitos.
Matrizes de estampagem
O processo de extrusão de alumínio depende de ferramentas de pressão para controlar a temperatura e empurrar o alumínio através da matriz.
Os componentes da matriz de prensagem de teclas incluem o mandril, o bloco de extrusão, o recipiente, o revestimento, o controle deslizante da matriz e a ferradura.
- Mandril: Estende a faixa de movimento da ferramenta de estampagem e ajuda a mover o tarugo.
- Bloco de extrusão: Protege o mandril e distribui uniformemente a pressão.
- Recipiente: Mantém a temperatura ideal do tarugo de alumínio.
- Revestimento do contêiner: Reduz o desgaste e melhora o desempenho.
- Controle deslizante da matriz: Suporta a prensa e garante o alinhamento.
- Ferradura: Fixa e alinha o anel da matriz.
O projeto e a manutenção adequados da ferramenta são cruciais para otimizar o desempenho da extrusão e minimizar o tempo de inatividade.
Projeto de matriz de extrusão de alumínio
O design eficaz da matriz é um aspecto fundamental do processo de extrusão de alumínio, pois afeta diretamente a qualidade, eficiência e economia.
Na prática, o processo de design depende muito da experiência e intuição do designer. No entanto, os projetistas sempre consideram vários princípios e técnicas fundamentais em cada projeto de matriz.
- Garantir um fluxo de material uniforme é crucial para manter a qualidade da extrusão e a vida útil da matriz.
- Para reduzir defeitos como turbulência e empenamento, o fluxo de material pode ser otimizado ajustando o comprimento do rolamento da matriz, o comprimento da superfície da matriz e o design do canal de fluxo.
- Comprimentos de rolamento mais longos são adequados para áreas mais espessas para diminuir a taxa de fluxo, garantindo que as áreas grossas e finas fluam de forma síncrona.
- A Análise de Elementos Finitos (FEA) pode simular o processo de extrusão e ajudar a identificar possíveis problemas com antecedência.
- O gerenciamento térmico é crítico; A matriz deve ter sistemas de resfriamento e aquecimento para manter temperaturas estáveis e evitar defeitos causados por flutuações de temperatura.
- A engenharia de superfície, como nitretação e cromagem, pode melhorar a resistência ao desgaste e a vida útil da matriz, garantindo um processo de extrusão suave.
- A seleção de materiais como H13, que oferecem excelente condutividade térmica e resistência ao desgaste, garante uma operação de matriz estável a longo prazo.
Na Chalco, fabricamos nossas próprias matrizes e também compramos matrizes de fabricantes independentes.
Desenvolvemos ferramentas de suporte ao projeto para obter um projeto eficiente de matrizes de extrusão, matrizes corretas para otimizar a eficiência da produção e estudar o desempenho da matriz.
Melhoramos continuamente nossos processos de fabricação para reduzir seus custos usando os seguintes métodos:
- Simulação de fluxo de material em matrizes
- Integração com sistemas de projeto auxiliados por computador para calcular a resistência ao fluxo nas portas, deflexão do mandril e tensão na alma
- Tratamento térmico de aços ferramenta
- Tratamento de superfície de matrizes usando métodos como nitretação, nitretação e cementação, deposição química de vapor e deposição de vapor de plasma.
Custo da matriz de extrusão de alumínio
A complexidade da matriz é um fator chave na determinação do custo das extrusões de alumínio. Existem também certas limitações à redução dos preços unitários através do aumento da quantidade.
O custo das matrizes de extrusão de alumínio é influenciado por vários fatores, e os seguintes pontos devem ser considerados:
- O projeto eficiente de matrizes e o planejamento do processo são cruciais para reduzir os custos gerais.
- Ferramentas avançadas de design, como redes neurais baseadas em recursos e sistemas CAD, ajudam a otimizar o processo de design, reduzindo erros e retrabalho.
- A manutenção e os reparos regulares da matriz ajudam a prolongar a vida útil da matriz e reduzir o tempo de inatividade e os custos relacionados a falhas.
- A seleção de materiais deve equilibrar os custos iniciais de produção, desempenho e vida útil da matriz.
- Aços para ferramentas de alta qualidade como o H13, embora mais caros inicialmente, economizam em tempo de inatividade e custos de manutenção a longo prazo devido à sua excelente resistência ao desgaste e durabilidade.
- A complexidade do perfil aumenta os custos da matriz, a complexidade do processo de fabricação e as despesas de manutenção.
- Altos volumes de produção podem tornar o investimento em materiais ou processos de matrizes mais caros mais econômicos, reduzindo assim o custo por unidade.
Para equilibrar custo e desempenho, os fabricantes geralmente adotam estratégias de economia de custos, como:
- Usando perfis de matriz padronizados sempre que possível
- Otimizando o projeto da matriz para melhorar o fluxo de material e reduzir o desgaste
- Implementação de planos de manutenção preventiva e retrabalho para prolongar a vida útil da matriz.
Fabricantes de matrizes de extrusão de alumínio
- Chalco: Oferece principalmente produtos de alumínio e fabricação de matrizes de extrusão, juntamente com equipamentos de processamento de alumínio.
- Hydro Extrusion North America: Fornece matrizes de extrusão de alumínio e serviços de conformação, com várias instalações de fabricação.
- Alcoa Corporation: Líder global na produção de alumínio, oferecendo também soluções de matrizes de extrusão de alumínio.
- Exlabesa Alumínio: Fornece matrizes e perfis de extrusão de alumínio, amplamente utilizados em várias indústrias, incluindo construção e automotiva.
- Franz A. Wagner GmbH: Especializada em matrizes de extrusão de alumínio personalizadas, amplamente utilizadas em diferentes indústrias.
- SMS Group: Oferece matrizes de extrusão de alumínio e soluções completas de processamento de alumínio, um dos principais fornecedores de equipamentos do mundo.
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Padrões e melhores práticas do setor
Aderir aos padrões e melhores práticas do setor é crucial para garantir a qualidade, segurança e conformidade regulatória do produto.
Algumas das organizações e associações proeminentes responsáveis por estabelecer essas diretrizes para a indústria de extrusão de alumínio incluem:
O processo de extrusão normalmente envolve as seguintes etapas
- Pré-aquecimento do tarugo: O tarugo de alumínio (tora cilíndrica sólida) é pré-aquecido à temperatura necessária, geralmente em torno de 700-930 ° F (370-500 ° C), dependendo da liga, para atingir a plasticidade necessária para a extrusão.
- Carregamento do recipiente: O tarugo pré-aquecido é carregado em um recipiente aquecido, que faz parte da prensa de extrusão.
- Avanço de estampagem: Uma prensa de estampagem hidráulica aplica imensa pressão, geralmente entre 1.000 a 15.000 toneladas, forçando o alumínio amolecido através da abertura da matriz.
- Extrusão de perfil: À medida que o alumínio é empurrado através da matriz, ele assume a forma da abertura da matriz, formando o perfil desejado.
- Resfriamento e tratamento do perfil: O perfil extrudado é resfriado por ar ou água e, em seguida, transferido para processamento posterior, como alongamento, usinagem e tratamento de superfície.
Durante todo o processo de extrusão, a matriz desempenha um papel crucial na manutenção da precisão dimensional, acabamento superficial e qualidade geral do produto.
Fatores como design da matriz, fluxo de material e gerenciamento térmico afetam significativamente a qualidade e a eficiência da extrusão.
Quanto tempo duram as matrizes de extrusão?
O design do perfil (como paredes finas, formas desequilibradas e pernas salientes) pode levar ao acúmulo de calor e pressão desigual, que são os maiores fatores que reduzem a vida útil da matriz.
Projetistas experientes de máquinas de extrusão criam matrizes apropriadas para controlar desequilíbrios de calor e pressão e reduzir a velocidade de extrusão para prolongar a vida útil da matriz, mas, em última análise, as matrizes devem ser substituídas. Felizmente, a maioria das máquinas de extrusão pode arcar com o custo de substituição da matriz.
No entanto, os projetistas devem entender quais decisões de projeto terão o impacto mais significativo nos custos iniciais da matriz antes de enviar os projetos para a máquina de extrusão de alumínio.
Ajustar o design do perfil, as configurações de tolerância e os materiais da liga pode economizar milhares de dólares em custos de matriz.
Manutenção e solução de problemas
A manutenção adequada e a solução de problemas das matrizes de extrusão de alumínio são cruciais para garantir um desempenho estável, maximizar a vida útil da matriz e minimizar o tempo de inatividade.
Alguns problemas comuns de matrizes e práticas de manutenção incluem:
- Com o tempo, as aberturas da matriz se desgastam devido à alta pressão e temperatura. A inspeção e a manutenção regulares podem prolongar a vida útil.
- Arranhões e acúmulo na superfície da matriz podem afetar a qualidade do perfil. A limpeza adequada e o tratamento da superfície podem mitigar esses problemas.
- O aquecimento ou resfriamento desigual pode causar deformação ou fluxo desigual de material. Um bom sistema de gerenciamento térmico é essencial.
- O desalinhamento ou suporte inadequado dos componentes da matriz pode afetar a precisão dimensional e reduzir a vida útil da matriz, exigindo ajustes regulares de alinhamento.
- Um plano de manutenção preventiva abrangente, incluindo inspeções e limpezas regulares, pode prolongar significativamente a vida útil da matriz e reduzir o tempo de inatividade.
- Ferramentas avançadas de diagnóstico (como Análise de Elementos Finitos) ajudam a identificar as causas raiz e fornecem soluções eficazes.
Colaboração e comunicação
Projetos bem-sucedidos de extrusão de alumínio normalmente exigem os esforços combinados de várias partes interessadas, incluindo projetistas de matrizes, fabricantes, extrusoras e usuários finais.
A comunicação e a coordenação eficazes são cruciais para alcançar os resultados desejados.
Designers: Os designers de matrizes são cruciais para transformar os requisitos do produto em projetos de matrizes otimizados que atendam às metas de desempenho, qualidade e custo. A estreita colaboração com fabricantes e extrusoras garante compatibilidade com os processos existentes.
Fabricantes: Os fabricantes de matrizes trazem experiência na fabricação de matrizes, seleção de materiais e processos de produção. Eles garantem que o projeto seja fabricável dentro de tolerâncias e padrões de qualidade.
Extrusoras: As extrusoras têm profundo conhecimento dos processos de extrusão, incluindo recursos de prensa, necessidades de matrizes e parâmetros de processo. Sua entrada garante que a matriz atenda às condições de extrusão e aos requisitos de produção.
Usuários finais: Os usuários finais fornecem informações importantes sobre os requisitos funcionais, de desempenho e de aplicativos, que devem ser incorporados ao design e ao processo.
A comunicação aberta e a troca regular de informações entre as partes interessadas ajudam a identificar e resolver possíveis problemas no início do projeto.
Essa colaboração garante o design e a fabricação bem-sucedidos de matrizes, ao mesmo tempo em que impulsiona a melhoria contínua e a inovação na indústria de extrusão de alumínio.
Tendências emergentes e desenvolvimentos futuros
A indústria de extrusão de alumínio está em constante evolução, impulsionada por avanços tecnológicos, mudanças na demanda do mercado e o esforço para melhorar a eficiência, precisão e vida útil da matriz.
Algumas tendências emergentes e desenvolvimentos futuros que moldam o cenário da tecnologia de extrusão de alumínio incluem:
- A inteligência artificial e o aprendizado de máquina estão sendo usados para otimizar o design e os processos de matrizes, melhorando a eficiência, reduzindo o desperdício, prevendo os melhores parâmetros de extrusão e permitindo a manutenção preditiva.
- Embora novos revestimentos estejam sendo desenvolvidos continuamente, em nossa experiência, sua viabilidade e custo-benefício ainda precisam de validação adicional na maioria das aplicações.
- Tecnologias de manufatura aditiva, como Fusão Seletiva a Laser (SLM), estão sendo usadas para criar diegeometrias complexas, melhorando o gerenciamento térmico e aumentando a eficiência da produção.
- O software de simulação avançado e as tecnologias de modelagem são amplamente aplicados no projeto de matrizes para ajudar a prever o fluxo de material, o comportamento térmico e otimizar as iterações do projeto, aumentando a eficiência e a relação custo-benefício.
- A indústria de extrusão de alumínio está impulsionando práticas sustentáveis de economia de energia, otimizando projetos, explorando materiais e processos de fabricação alternativos e implementando estratégias de reciclagem e reutilização.
Esses avanços estão impulsionando a indústria de extrusão de alumínio em direção a maior precisão, eficiência e sustentabilidade, atendendo às crescentes demandas de setores como automotivo, aeroespacial e construção.