Perfiles de extrusión de aluminio: aleaciones, diseño y tolerancias

un perfil de extrusión de aluminio es una forma estructural lineal producida al forzar un tocho de aluminio calentado a través de una abertura de matriz moldeada bajo alta presión, creando una longitud continua de sección transversal constante. La ventaja fundamental de este proceso es que Se puede producir casi cualquier geometría de sección transversal en una sola pieza, integrando ranuras de fijación, salientes de tornillos, aletas del disipador de calor, bisagras y canales de cableado directamente en el perfil. , eliminando los pasos de ensamblaje y soldadura que se requerirían con acero fabricado o componentes mecanizados. Las aleaciones de aluminio más comúnmente utilizadas para la extrusión arquitectónica y estructural son la serie 6000 (predominantemente 6060, 6061, 6063 y 6005A), que ofrecen un equilibrio óptimo de extrudabilidad, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y respuesta al anodizado y al recubrimiento en polvo. La selección de la aleación y el temple correctos para la aplicación es la decisión más importante en el diseño de extrusión porque determina la resistencia a la tracción del perfil, la calidad del acabado superficial después del anodizado y su comportamiento en la prensa de extrusión, lo que afecta directamente las tolerancias alcanzables y el costo por kilogramo.

El proceso de extrusión: del billete al perfil

La transformación de un cilindro macizo de aluminio en un perfil complejo se produce en una prensa de extrusión horizontal. Un trozo de aleación de aluminio, normalmente de 150 mm a 300 mm de diámetro y cortado en tochos de 600 mm a 1200 mm de largo, se precalienta en un horno de inducción o de gas a una temperatura entre 430°C y 500°C , colocando el metal en un estado plástico y maleable por debajo de su punto de fusión. El tocho calentado se transfiere al contenedor de prensa, donde un ariete hidráulico, capaz de ejercer fuerzas de 1.000 a más de 10.000 toneladas, fuerza el aluminio a través del orificio de la matriz en la salida del contenedor. La relación de extrusión (el área de la sección transversal del tocho dividida por el área de la sección transversal del perfil) generalmente varía de 10:1 a 80:1 para perfiles arquitectónicos, aunque se pueden lograr proporciones de hasta 200:1 para formas sólidas simples.

A medida que el metal pasa a través de la matriz, sufre una severa deformación plástica que alinea la estructura del grano de la aleación con la dirección de extrusión, impartiendo propiedades mecánicas anisotrópicas. El perfil extruido sale de la matriz a una temperatura cercana a la temperatura de precalentamiento del tocho y a una velocidad que varía con la aleación y la complejidad del perfil, desde 2 a 5 metros por minuto para aleación blanda 6060 en formas simples, hasta menos de 0,5 metros por minuto para aleaciones duras de la serie 7000 en secciones complejas de paredes delgadas. El perfil se enfría inmediatamente después de salir de la matriz, ya sea mediante aire forzado o rociado de agua, para congelar la microestructura antes de que pueda ocurrir el crecimiento del grano. Luego, el perfil se estira en una cantidad controlada, generalmente 0,5% a 2% de alargamiento —para enderezarlo y aliviar las tensiones residuales atrapadas durante el enfriamiento. Finalmente, los perfiles se cortan a medida y se endurecen en un horno para precipitar las fases de refuerzo que desarrollan las propiedades mecánicas específicas de la aleación.

Selección de aleaciones: la serie 6000 y sus propiedades

Las aleaciones de aluminio de la serie 6000 son materiales endurecibles por envejecimiento cuyos principales elementos de aleación son magnesio y silicio, que se combinan durante el tratamiento térmico de envejecimiento para formar una fina dispersión de precipitados de siliciuro de magnesio (Mg₂Si). Estos precipitados impiden el movimiento de dislocación, proporcionando el mecanismo de fortalecimiento que aumenta el límite elástico de la aleación desde su condición de extrusión. La proporción de magnesio a silicio, el contenido total de aleación y los parámetros de envejecimiento son los botones de control que diferencian las aleaciones dentro de la familia 6000.

La clasificación de extrudabilidad se traduce directamente en velocidad de extrusión y, por lo tanto, en costo. La aleación 6060 se extruye rápidamente con un desgaste mínimo del troquel y puede lograr las secciones de pared más delgadas, lo que la convierte en la opción más económica cuando los requisitos de resistencia son modestos. La aleación 6082, en el otro extremo, requiere temperaturas de palanquilla más altas, velocidades de extrusión más lentas y un reemplazo de matrices más frecuente, lo que aumenta el costo del perfil entre un 30% y un 50% en comparación con un perfil 6060 equivalente. El principio de selección es elegir la aleación de menor resistencia que cumpla con los requisitos estructurales, a menos que la calidad del acabado de la superficie, particularmente para aplicaciones arquitectónicas anodizadas, requiera una aleación más limpia como 6060 o 6063.

Reglas de diseño de perfiles: espesor de pared, tolerancias y fabricabilidad

El diseño de un perfil de aluminio para extrusión requiere el cumplimiento de reglas geométricas que garanticen que el perfil se pueda producir de manera consistente, económica y con las tolerancias requeridas. La restricción más fundamental es espesor mínimo de pared , que está determinado por el diámetro del círculo circundante (CCD), el círculo más pequeño que encierra completamente la sección transversal del perfil. Para un perfil con un CCD de 100 mm, normalmente se puede lograr un espesor de pared mínimo de 1,5 mm a 2,0 mm en la aleación 6060, aumentando a 2,5 mm a 3,0 mm para 6061. Es posible lograr paredes más delgadas (hasta 1,0 mm para perfiles pequeños en 6060), pero aumentan la presión de extrusión y reducen la vida útil del troquel. La regla general es que la relación entre el espesor de la pared y el diámetro del círculo circundante no debe ser menor que 1:40 para aleación 6060 y 1:25 para 6061.

Las esquinas internas afiladas concentran la tensión en la matriz y en el perfil extruido y deben redondearse. Un radio interno mínimo de 0,5 mm a 1,0 mm es estándar, prefiriéndose radios más grandes para aleaciones con menor extrudabilidad. Las esquinas externas pueden ser más afiladas (se puede lograr un radio de 0,3 mm), pero un radio demasiado pequeño hará que el borde del troquel se desgaste rápidamente, lo que resultará en un "lavado" en el que la esquina se vuelve progresivamente más redondeada a lo largo de la producción. Los perfiles huecos requieren de un troquel puente o ojo de buey que divida el flujo de aluminio alrededor de un mandril, y las líneas de soldadura donde se unen los flujos divididos deben considerarse en el diseño estructural del perfil; La resistencia de la soldadura longitudinal en un perfil hueco extruido adecuadamente es de aproximadamente 85% a 95% de la resistencia del metal base. para aleaciones de la serie 6000.

Las tolerancias para las extrusiones de aluminio están definidas por EN 755-9 en Europa y ANSI H35.2 en Norteamérica, con la banda de tolerancia dependiendo de la dimensión y del círculo circunscrito del perfil. Una tolerancia dimensional típica para una dimensión de sección transversal inferior a 100 mm es de ±0,3 mm a ±0,5 mm, ampliándose de ±0,5 mm a ±0,8 mm para dimensiones entre 100 mm y 300 mm. Las tolerancias angulares suelen ser de ±1° a ±2°. Se pueden lograr tolerancias más estrictas (y se deben especificar en el plano de ingeniería), pero aumentan el costo del troquel y la tasa de desechos. El diseñador del perfil debe especificar la tolerancia en el dibujo en lugar de confiar en el estándar predeterminado, y la tolerancia no debe ser más estricta de lo que la función realmente requiere.

Acabado de superficies: anodizado, recubrimiento en polvo y tratamientos mecánicos

Los perfiles de extrusión de aluminio rara vez se utilizan en su condición de acabado extruido para aplicaciones arquitectónicas. La superficie se transforma mediante una secuencia de tratamientos químicos y mecánicos que brindan protección contra la corrosión, color y textura. Los dos procesos de acabado dominantes son el anodizado y el recubrimiento en polvo, cada uno con distintas ventajas y requisitos de proceso.

unodizing

unodizing is an electrochemical process that converts the aluminum surface into a controlled thickness of aluminum oxide (Al₂O₃) by making the profile the anode in an electrolytic bath—typically sulfuric acid—with a direct current applied. The oxide layer grows both outward from and inward into the aluminum surface, forming an integral ceramic coating that is 5 a 25 micras de espesor para aplicaciones arquitectónicas. El óxido es transparente, duro (aproximadamente 350-400 HV en la escala Vickers) y microporoso. La porosidad se aprovecha en un paso de sellado posterior (normalmente inmersión en agua desionizada hirviendo o una solución de acetato de níquel) que hidrata el óxido y cierra los poros, produciendo una superficie no absorbente y resistente a la corrosión. El acabado anodizado está disponible en plata natural (anodizado transparente), en una gama de tonos bronce y negro que se logran variando los parámetros de anodizado y la composición de la aleación, o en acabados coloreados electrolíticamente donde las sales metálicas se depositan en los poros del óxido antes del sellado.

La selección de la aleación afecta críticamente la apariencia anodizada. La aleación 6060 con un contenido de hierro controlado por debajo del 0,25 % produce el acabado anodizado más limpio y uniforme con líneas de troquel o rayas mínimas visibles. La aleación 6061, con su mayor contenido de hierro, cobre y cromo, produce un acabado anodizado ligeramente gris y puede exhibir un patrón de líneas de flujo visible que es inaceptable para aplicaciones arquitectónicas decorativas. El estándar para el anodizado arquitectónico es CUALANODO certificación, que especifica los controles del proceso de pretratamiento, anodizado y sellado y los requisitos de calidad para el espesor de la película, la calidad del sellado y la resistencia a los rayos UV.

Recubrimiento en polvo

El recubrimiento en polvo aplica un polvo de polímero seco cargado electrostáticamente a la superficie de aluminio, seguido de un curado en horno que funde y reticula el polvo en una película continua. Los tipos de polvo estándar para aluminio arquitectónico son poliéster y poliéster súper duradero , aplicado con un espesor de película de 60 a 80 micras. El recubrimiento en polvo proporciona una paleta de colores más amplia que el anodizado (incluidos colores brillantes, efectos metálicos y acabados texturizados) y es más tolerante a imperfecciones superficiales menores en el sustrato porque la película de recubrimiento rellena y oculta líneas de troquel poco profundas. El estándar de calidad de la industria es CALICOAT , que define el pretratamiento (normalmente un recubrimiento de conversión sin cromo), la aplicación del polvo y los parámetros de curado, y los requisitos de rendimiento para la adhesión, la resistencia al impacto y la resistencia a la intemperie. Los recubrimientos en polvo de poliéster súper duraderos, calificados para QUALICOAT Clase 2, están especificados para aplicaciones exteriores donde la retención del color y el brillo bajo exposición a los rayos UV son fundamentales, con una clasificación mínima de exposición en Florida de 3 años sin degradación significativa.

El ecosistema de ranuras en T y marcos modulares

Una categoría particularmente importante de perfiles de extrusión de aluminio es el sistema de estructura estructural con ranura en T, más comúnmente basado en un perfil cuadrado o rectangular con una ranura longitudinal en forma de T en una o más caras. La geometría de la ranura (un canal rectangular con una abertura restringida) acepta una tuerca de forma especial que puede colocarse en cualquier lugar a lo largo de la ranura y bloquearse en su lugar girando el perno que la engancha. Este sistema permite ensamblar marcos estructurales, protectores de máquinas, estaciones de trabajo y gabinetes sin soldadura, sin perforaciones y con la capacidad de reconfigurarse o desmontarse. Las series de ranuras en T estándar se dimensionan según la dimensión del ancho nominal del perfil en milímetros, con 20 mm, 30 mm, 40 mm y 45 mm siendo las dimensiones de base más comunes, cada una con un ancho de ranura definido (normalmente 5 mm, 6 mm, 8 mm o 10 mm) que dicta los sujetadores y accesorios compatibles.

El perfil de ranura en T casi siempre se extruye en aleación 6060 o 6063 con un temple T5 o T6, ya que la geometría de la ranura impone un diseño de matriz exigente (una lengüeta voladiza de acero de matriz que forma el corte socavado de la ranura) que se beneficia de las aleaciones más blandas y más fáciles de extruir. La modularidad del sistema de ranura en T se ve amplificada por un amplio catálogo de accesorios compatibles: soportes angulares, placas de refuerzo, bisagras, retenedores de paneles, rieles de soporte lineal, rodillos transportadores y pies de montaje, todos diseñados para acoplarse a la ranura en T sin modificar el perfil. La capacidad de carga de diseño de un marco con ranura en T está determinada por el momento de inercia del perfil, la fuerza de sujeción del sujetador y la resistencia del soporte. Un perfil típico con ranura en T de 40x40 mm en 6060-T5 tiene un momento de inercia Ix de aproximadamente 6,5 a 9,0 cm⁴ dependiendo del espesor de la pared, lo que le otorga una capacidad de carga a mitad de luz de varios cientos de kilogramos en un tramo de 1 metro antes de exceder el límite de deflexión de L/300 que se usa típicamente para estructuras de marco.

Tecnología de rotura de puente térmico para ventanas energéticamente eficientes

El aluminio es un excelente conductor térmico con una conductividad térmica de aproximadamente 160 W/m·K para las aleaciones de la serie 6000, lo que convierte un marco de ventana de aluminio continuo en un puente térmico entre los ambientes interior y exterior, lo que provoca condensación en la superficie del marco interior y una pérdida de calor significativa. La solución es el perfil de aluminio con rotura térmica, donde la única extrusión de aluminio se reemplaza por dos extrusiones separadas, una orientada al exterior y otra al interior, unidas por un aislante estructural, generalmente una tira de poliamida reforzada con fibra de vidrio (PA66). La tira de poliamida se inserta en ranuras longitudinales en ambos perfiles de aluminio y se enrolla o engarza en su lugar, creando una conexión estructural continua con una conductividad térmica de solo 0,3 W/m·K , que es aproximadamente 500 veces menor que el aluminio que separa.

El valor U general de un marco de ventana de aluminio con rotura térmica depende de la profundidad de la tira de poliamida y de la complejidad de los perfiles de extrusión, que pueden incorporar múltiples cámaras aislantes. Un perfil de ventana moderno con rotura de puente térmico con una profundidad de marco de 70 mm a 90 mm y una unidad de vidrio aislante de triple panel puede alcanzar un valor U para toda la ventana de 0,8 a 1,2 W/m²·K , cumpliendo con el estándar Passive House de 0,8 W/m²·K o menos. La rotura de puente térmico también desplaza el punto de rocío hacia afuera, de modo que, en condiciones normales de humedad interior, la superficie interior del marco permanece por encima del punto de rocío y se evita la condensación. La integridad estructural del conjunto con rotura de puente térmico se verifica mediante una prueba de corte según EN 14024, donde la tira de poliamida debe mantener su agarre sobre ambos perfiles de aluminio bajo una carga de tracción y corte de al menos 24 N por milímetro de longitud de la tira.

Diseño estructural: propiedades de la sección y pandeo

un aluminum extrusion used as a structural member—a beam, a column, or a frame element—must be analyzed for its section properties and stability under load. The primary section properties are the cross-sectional area, the moments of inertia about the principal axes, and the section moduli. Because aluminum's modulus of elasticity is aproximadamente 70 GPa (aproximadamente un tercio que el acero) la deflexión, más que la tensión, es a menudo el criterio de diseño que rige las vigas de aluminio. El límite de deflexión permitido para miembros estructurales de aluminio en aplicaciones de construcción es típicamente L/250 para vigas que soportan yeso o acabados quebradizos y L/200 para vigas que soportan acabados flexibles, según el Manual de diseño de aluminio.

El pandeo es el modo de falla crítico para columnas de aluminio y para elementos de perfil de paredes delgadas en compresión. El pandeo local de un elemento de placa plana (un ala o alma de un perfil extruido) ocurre cuando la tensión de compresión excede la tensión de pandeo crítica, que depende de la relación ancho-espesor de la placa y de las condiciones de soporte del borde. La Especificación para estructuras de aluminio de la Asociación de Aluminio clasifica los elementos de perfil como rígidos (soportados a lo largo de ambos bordes), no rígidos (soportados a lo largo de un solo borde) o con bordes rígidos, y proporciona relaciones límite de ancho a espesor para cada clasificación y combinación de aleación y temple. Un diseñador que busque optimizar un perfil para un peso mínimo empujará los elementos de la placa hacia el límite de pandeo, aceptando que el perfil puede estar gobernado por la estabilidad más que por el rendimiento del material.