Co je proces vytlačování hliníku? 

Vytlačování hliníku je ceněno nejen z toho hlediska, že z něj lze vyrobit pevný a přitom lehký díl, ale také proto, že je flexibilní a cenově výhodné. Používá se ve stavebnictví, leteckém, automobilovém a elektronickém průmyslu a téměř všude mezi nimi. Vytlačování hliníku patří mezi postupy, které naznačují vyrovnání inovativních návrhů a efektivní výroby, která se právě chystá stát se jedním z dominantních postupů výrobního průmyslu.

Hliník je jedním z nejoblíbenějších kovů v moderním průmyslu, který je ceněn pro svou nízkou hmotnost, pevnost, odolnost a také schopnost odolávat korozi. Hliník je v našem životě více než nápadný; ve stavbě mrakodrapů v našich městech, v autech, kterými jezdíme, a v dalších pomůckách, které používáme v každodenním životě. Jedním z nejdůležitějších výrobních procesů, který zajistil univerzálnost, je proces vytlačování hliníku.

Vytlačováním se obecně rozumí metody deformace kovu, při nichž se kov protlačuje nebo protlačuje matricí podobně jako zubní pasta. V případě hliníku se delší souvislé úseky konečného, předem určeného tvaru průřezu vytvářejí protlačováním pevných bloků (známých jako sochory) již zahřátou matricí. Tyto profily mohou být obyčejné tyče, trubky nebo velmi složité a speciálně vyrobené v takovém rozsahu, aby vyhovovaly požadavkům daného průmyslového odvětví.

V tomto článku se dozvíte vše o procesu vytlačování hliníku; jeho historii, procesu vytlačování, typech, aplikacích, výhodách a omezeních a jeho rostoucích možnostech v budoucí výrobě.

Historické pozadí

Myšlenka vytlačování jako výrobního procesu sahá až do konce 18. století. První známou extruzí byl vynález britského vynálezce Josepha Bramaha, který si jej nechal patentovat v roce 1797. Používal přitom proces, který spočíval v protlačování poddajných kovů, jako je olovo, skrze matrici, čímž vznikaly dlouhé, stejně vypadající kusy a především trubky. Předpokladem procesu vytlačování byl vynález.

Až do většiny 19. století bylo vytlačování měkčích kovů technologicky omezeno. Skutečný průlom nastal na počátku 220. století, kdy byly objeveny ekonomické způsoby výroby hliníku. Získání hliníku přinesl nižší ceny a velkovýrobu vynález Hallova-Heroultova procesu v roce 1886 Charlesem Martinem Hallem ve Spojených státech a samostatně Paulem H. Roultem ve Francii. Po vynálezu hliníku netrvalo dlouho a vědci a výrobci si všimli potenciálu, který vytlačování nabízí.

Technologie vytlačování hliníku se začala prosazovat ve 20. letech 20. století, zejména v Evropě a Severní Americe. Ve velkém měřítku se využívala za druhé světové války, kdy průmysl potřeboval lehký, ale odolný materiál do letadel, vozidel používaných armádou a budov. Od té doby byla vynalezena technologie linkového lití, která se rozšířila mnohem dále než vytlačování hliníku, jež se poprvé objevilo ve vojenských odvětvích.

Co je extrudovaný hliník?

Vytlačování hliníku je komerční fyzikální metoda, která se používá při plastifikaci pevného hliníku do dlouhých tvarů s určitým průřezem. Podstata je jednoduchá: blok hliníku (sochor) se zahřeje do stádia poddajnosti a pod silným tlakem se vytlačí do matrice vyrobené z oceli. Při lisování přes matrici hliník získá tvar otvoru, a to buď rovný, dutý nebo plný, nebo ve velmi komplikovaném profilu.

Nejlépe se při vytlačování uplatní analogie s vytlačováním tuby zubní pasty. Stejně jako zubní pasta má tvar trysky a podobně vytlačovaný hliník má tvar matrice. Výhodou vytlačování hliníku je možnost vyrábět lehké a přitom pevné součásti přesného tvaru.

Výsledné vytlačované profily lze odizolovat na různé délky a lze je také dále upravovat, včetně eloxování, práškového lakování a povrchové úpravy. Všechna tato vylepšení zvyšují výkon, opotřebení a vzhled. Díky své flexibilitě se stal jedním z vytlačovacích procesů, k jehož působnosti se uchylují různé diskurzy, jako je stavebnictví, letecký průmysl, elektronický průmysl, doprava a dokonce i průmysl spotřebních výrobků. Není to jen proces, ale zásadní most mezi původní nerezovou ocelí a absorbovanou funkčností, která definuje současné strojírenství a špičkové stavebnictví.

Proces vytlačování hliníku v krocích

Charakteristika profilu a výběr slitiny

• Inženýři optimalizují průřez (tvar) a tolerance a poté vyberou slitinu (např. slitinu 6xxx pro použití v architektuře nebo automobilovém průmyslu), která vyvažuje pevnost, odolnost proti korozi, obrobitelnost a povrchovou úpravu.
• Počáteční rozhodnutí týkající se konstrukce matrice, zatížení lisu, způsobu tepelného zpracování a nákladů jsou dána alternativami.

Odlití a křest sochoru

• Z dlouhých kmenů se vyřezávají hliníkové vývalky (válce).
• K překonání těchto rozdílů ve vnitřní mikrostruktuře se předvalky podrobují homogenizačnímu procesu (tepelnému namáčení), aby se vyrovnala vnitřní mikrostruktura, což pomáhá vyrovnat tok během procesu vytlačování a omezit problémy, jako je trhání, které se objevuje na povrchu.

Skalp nebo pila Prohlédněte si polotovar

• Vnější kovový plášť polotovaru lze skalpovat (odstranit tenký kov), aby se odstranily povrchové vměstky.
• Délka lisu se zkrátí na kapacitu lisu; povrch se zkontroluje, zda neobsahuje trhliny a póry.

Zahřátí sochoru

• Předvalky se zahřejí na běžnou teplotu 400 až 500 °C (v závislosti na slitině), čímž se kov změkčí, ale neroztaví.
• Správná teplota minimalizuje vrypy, zaručuje průtok a udržuje konstantní tlak i dobrou povrchovou úpravu.

Výroba lisovacích forem a nástrojů

• Připraví se kalená ocelová zápustka ("forma" průřezu), která se vyleští a předehřeje (často ~430 až 500 °C), aby se snížil tepelný šok a podpořil rovnoměrný tok kovu.
• Nástrojem jsou opěrky, šrouby a atrapa bloku v místě, kde beran naráží na čelo polotovaru.

Mazání a příprava lisu

• Nádoba, zápustka a maketa jsou předem připraveny; je použito vhodné mazivo (grafit, sklo nebo specializovaná maziva v závislosti na slitině/procesu).
• Vyhodnocením správného seřízení snížíte výskyt zápustkových čar, excentricity a nesymetrického opotřebení ložisek.

Naložte předlohu a spusťte lis QC

• Horký polotovar je uzavřen v lisovací nádobě.
• Při přímém vytlačování je beran nucen protlačit polotovar nepohyblivým povrchem matrice; při nepřímém vytlačování dochází k přitlačování nepohyblivé matrice ke stacionárnímu polotovaru (tření je menší a povrch je lepší).

Průlomové vytlačování, stabilní

• Průlom je první okamžik, kdy se kov dostane do profilového tvaru. Operátoři: Obsluha stabilizuje rychlost beranu (obvykle v řádu mm/s) a tlak a udržuje rozměry a kvalitu povrchu.
• Stálý průtok je nezbytný, protože příliš vysoká rychlost může způsobit roztržení a příliš nízká může mít za následek studená kola nebo vybírání matric.

Chinking na stole

• Průběžný profil je vyjmut z matrice a uložen na stůl pro vyjíždění. Pod profilem je umístěn vytahovač, který zabraňuje jeho prohýbání a kroucení.
• Správná podpěra se nezakřivuje (neprohýbá) a nevykazuje rozměrovou odchylku.

Rychlé chlazení (okamžité ochlazení)

• Tepelně zpracovatelné slitiny lze ochladit k dosažení požadované mikrostruktury ochlazením profilu ihned po výstupu vzduchem, mlhou, rozprašovačem nebo vodou.
• Intenzita kalení se volí tak, aby byla zachována rovnováha mezi pevnostním potenciálem a kontrolou zkreslení.

Manipulační teplota pro chlazení

Profily po kalení vychladnou na stole, dokud se s nimi nedá manipulovat bez otisků a deformací.

Měkké, řízené chlazení minimalizuje zbytkové napětí.

Protahování / narovnávání

• Profily jsou prodlouženy (obvykle ~0,5 % deformace), aby se eliminovalo prohnutí, zkroucení a zbytková napětí.
• Tento proces rovná a ukotvuje rovinnost a udržuje rozměrově stálé díly po obrábění.

Zpětné zkrácení na délku

• V závislosti na požadované délce se dlouhé vlákno buď rozřeže pilou na obchodní délku (např. 3 m nebo 8 m), nebo na délku blízkou síti, která je připravena k pozdějšímu podrobnějšímu zpracování.
• Konce jsou označeny a sledovány pomocí indikace.

Tepelné zpracování (v případě potřeby)

• T5: Provedl jsem řeznou zkoušku po kalení kusů a nepoužil jsem nic (kalené stářím). Běžné žíhání probíhá při teplotě 160 8200 stupňů Celsia po dobu několika hodin (receptury se liší podle slitiny/specifikace).
• Tepelné zpracování roztokem (500-545 °C (v závislosti na slitině), rychlé ochlazení, poté umělé stárnutí (160-190 °C) pro dosažení vyšší pevnosti.
• Recepty jsou optimalizovány pro danou vlastnost a zkreslení.

Povrchová úprava (volitelná)

• Eloxování vytváří ochranný, korozivzdorný povlak z tvrzeného oxidu (který může být čirý nebo barevný).
• Vnější povrchová úprava práškovou barvou nebo lakováním poskytuje barvu a dodatečnou ochranu.
• Mechanické povrchové úpravy (kartáčování, leštění, tryskání) upravují vzhled a omak.

Obrábění a výroba (podle potřeby)

Profily jsou obráběny na CNC, děrovány, vrtány, závitovány nebo ohýbány.

Přípravky zajišťují opakovatelnost kontroly tolerance u tenkých nebo složitých řezů.

Testování a kontrola kvality

• Dvourozměrné kontroly: tloušťka stěny, šířka/výška, rovnost, zkroucení, rovinnost a umístění otvorů.
• Kontrola povrchu: čáry na matrici, zvedání, křečkování, pomerančová kůra, důlky, šmouhy.
• Mechanické zkoušky: tvrdost, tah/tažnost/prodloužení (podle specifikace), přilnavost povlaků a anodická tloušťka filmu.
• Metalografie a vodivost: Zkoušky se provádějí tam, kde to vyžadují letecké/automobilové normy.

Ladění a údržba lisovacích strojů

Pokud se kontrola rozměrů nebo kvalita povrchu vymyká kontrole, lze upravit délku ložisek a vyvážení toku; zápustky lze leštit, a pokud to není nezbytně nutné, nitridovat; zápustky se leští a čistí.

• Dobrá strava prodlouží životnost a konzistenci.
• Manipulace se šrotem a recyklace šrotu
• Odřezky z tupých dílů (protlačené konce polotovarů, které nelze protlačit) a odřezky z čalounění jsou regenerovány slitinou a recyklovány.
• Vytlačování je mimořádně udržitelné, protože šrot slouží k opětovnému odlévání.

Balení a logistika

• Profily jsou zabaleny do fólií, uloženy do regálů a poté zabezpečeny distančními podložkami/fóliemi, aby se zabránilo poškození při přepravě a vzniku otlaků.
• Pro zajištění úplné sledovatelnosti se na štítky zaznamenávají informace o slitině, temperaci, šarži a tepelném zpracování.

Proč se každý krok počítá

• Regulace teploty (průtoku, tělesa, nádoby) je opatřením pro regulaci průtoku.
• Kalení a stárnutí jsou konečné mechanické vlastnosti.
• Profily jsou čisté, s dodržením tolerancí, opracované a v některých případech protažené.
• Údržba a recyklace šrotu jsou udržovány za konkurenceschopné náklady a proces je šetrný k životnímu prostředí.
• Normální parametry (před doporučením): předvalek400-500C; předehřev v zápustce 430-500C; tepelné zpracování roztokem 500-545C, stárnutí 160-200C. Skutečné hodnoty se liší podle slitiny, geometrie profilu a velikosti a specifikace lisu.

Komponenty používané při vytlačování hliníku

Vytlačování hliníku závisí na výběru správné hliníkové slitiny, která vyhovuje mechanickým, tepelným a korozním požadavkům. Vlastnosti požadované různými průmyslovými odvětvími se liší, a proto se výběr slitin řídí pevností, tažností, odolností proti korozi a tepelným zpracováním.

Řada 1000 (prakticky čistý hliník)

• Složení: Hliník 99%+
• Výhody: Nádherné antikorozní vlastnosti, dobrá tepelná a elektrická vodivost, měkkost a tvárnost.
• Aplikace: Elektrotechnické zboží, chemická zařízení, architektonické dekorativní pásky

Řada 3000 (slitiny Al-Mn)

• Výhody: Materiál dobře odolává korozi, má střední pevnost a může se dobře tvarovat.
• Aplikace: Střešní krytiny, obklady, okapy a plechovky na nápoje, architektonické panely

Řada 5000 (slitiny Al-Mg)

• Výhody: Dobrá odolnost proti korozi, střední pevnost (vysoká) odolnost proti korozi, tepelně neopracovatelné
• Aplikace: Námořní doprava, automobilové podpůrné panely, doprava, nádrže pro skladování chemikálií

Řada 6000 (slitiny Al-Mg-Si)

• Výhody: Skvělý poměr pevnosti a hmotnosti, odolnost proti korozi a možnost tepelného zpracování.
• Aplikace:  Výrobky pro letecké a kosmické konstrukce, automobilové díly, architektonické výlisky, zábradlí a okenní rámy

Řada 7000 (slitiny Al-Zn-Mg-Cu)

• Charakteristika: vysoká pevnost, střední odolnost proti korozi, tepelně zpracovatelné
• Aplikace: vysoce namáhané konstrukční díly, vysoce výkonné sportovní příslušenství

Speciální slitiny Allothers

• Na míru: Pro použití v oblasti tepelné vodivosti, elektrické vodivosti nebo dekorace
• Použití: Elektronické chladiče, různé přepravní díly, neobvyklé použití v architektuře.s
• Poznámka: Výběr slitiny ovlivňuje teplotu vytlačování, strukturu formy a následné tepelné zpracování.

Pro zachování podobnosti složení se často znovu používá recyklovatelný hliníkový šrot obsahující stejnou slitinu.

Tabulka rychlých odkazů na materiály pro vytlačování hliníku

Následuje technická tabulka pravděpodobných běžných hliníkových slitin používaných při vytlačování, hlavních vlastností a stanovených parametrů vytlačování:

Typy hliníkových výlisků 

Vytlačování hliníku lze provádět různými způsoby a závisí na potřebné pevnosti výrobku, morfologii tvaru a efektivitě výroby. Jedná se především o tyto typy:

• Vytlačování za tepla: Je nejběžnější, ale hliníkové předvalky se zahřívají na teplotu 400-500 °C a protlačují se zápustkou. Zahřátím kov změkne, a proto volně a s menším tlakem teče. Lze jej použít k výrobě široké škály profilů používaných ve stavebnictví, automobilovém průmyslu a všeobecném strojírenství.
• Vytlačování za studena: Při pokojové teplotě nebo teplotě blízké pokojové teplotě má tato metoda vyšší zatížení, ale pevnější výrobky, které jsou jemněji opracované a rozměrově přesnější. Nachází četné uplatnění v průmyslových odvětvích, jako je elektronika a letectví, a skládá se z přesných součástí.
• Přímé vytlačování: Zde se polotovar a beran pohybují stejným směrem a protlačují hliník zápustkou. Je to snadná a pohodlná metoda, která se používá nejčastěji.
• Nepřímé vytlačování: V tomto případě se zápustka pohybuje v opačném směru než polotovar. Tím se minimalizuje tření a zvyšuje rovnoměrnost, což přináší hladší povrchy a delší životnost nástroje.
• Rázové vytlačování: To se široce uplatňuje při výrobě tenkých a dutých výrobků, např. plechovek, trubek a obalů, a při rázovém vytlačování hliníku za použití vysokých rychlostí.

Aplikace vytlačování hliníku

1. Stavebnictví a architektura

Hliníkové výlisky se běžně používají v konstrukcích v oblastech, jako jsou okenní rámy, obvodové stěny, střešní krytiny, dělení a zábradlí. Jsou odolné, mohou být eloxované nebo práškově lakované a jsou estetické.

2. Automobilový průmysl

Významná bezpečnostní složka lisovaného hliníku se používá v systémech řízení nárazů, nosnících nárazníků, střešních lištách a součástech podvozku. Díky těmto komponentům jsou vozidla lehčí a dosahuje se u nich pevné konstrukce, což se projevuje na spotřebě paliva a bezpečnosti cestujících.

3. Odvětví letectví a kosmonautiky

Mezi další aplikace hliníkových výlisků v letectví a kosmonautice patří podběhy sedadel letadel, konstrukce trupu a vnitřní konstrukce kabiny. Mají zásadní význam pro bezpečnost letecké dopravy, protože jsou spolehlivé a konzistentní.

4. Elektronika a elektrické přístroje

Hliník má také dobrou tepelnou vodivost, což umožňuje jeho výlisky použít v chladičích, pouzdrech a kabelových manažerech. Pomáhají s ohřevem zařízení, jako jsou počítače, LED systémy a průmyslová elektronika.

5. Doprava a železnice

Příklady výlisků používaných ve vlakových vagónech, systémech metra a námořních konstrukcích jsou díky své pevnosti, lehkosti a odolnosti vůči drsnému prostředí, ve kterém se nacházejí.

6. Spotřební zboží

Výrobky každodenní potřeby, jako je nábytek, sportovní vybavení, žebříky a kuchyňské spotřebiče, se běžně vyrábějí z lisovaných hliníkových profilů, které zajišťují odolnost, snadnou manipulaci a vzhled.

Výhody hliníkové extruze 

1. Flexibilita designu

Vytlačování hliníku přináší možnost vytvářet tvary a profily, které by jinak byly složité nebo nemyslitelné a které by nebylo možné vytvořit jinými výrobními postupy. Průřezy lze také přizpůsobit tak, aby vyhovovaly určitému funkčnímu nebo estetickému požadavku.

2. Pevné a přitom lehké

Poměr pevnosti a hmotnosti hliníku je poměrně dobrý a lisovaná součást z tohoto kovu je pevná, aniž by byla těžká. To je obzvláště užitečné v automobilovém průmyslu, leteckém průmyslu a dopravě, kde lehkost vede ke zvýšení efektivity a výkonu.

3. Odolnost proti korozi

Hliník má přirozeně vyvinutou ochrannou vrstvu díky tvorbě oxidů a výlisky mohou být také potaženy eloxováním a práškovým lakováním, což dále zvyšuje pevnost a životnost výrobků, které trvale zůstávají ve venkovním prostředí nebo v jiných náročných podmínkách.

4. Nákladová efektivita

Vytlačování představuje hromadnou výrobní metodu pro výrobu standardních profilů ve vysoce efektivním a nákladově efektivním procesu s omezeným plýtváním materiálem. Recyklace hliníkového odpadu v procesu opět snižuje náklady.

5. Udržitelnost

Hliník lze recyklovat ze 100 % bez ztráty jeho vlastností. Při vytlačování se využívají zbytky polotovarů a šrotu, které lze znovu použít, a zajistit tak ekologicky šetrný výrobní proces.

6. Rozmanitost v průmyslových odvětvích

Extrudovaný hliník nachází uplatnění ve stavebnictví, automobilovém a leteckém průmyslu, elektronice a spotřebním zboží, což z něj činí jeden z nejflexibilnějších materiálů pro řešení různých technických problémů.

Omezení vytlačování hliníku

Stejně jako každý jiný proces i vytlačování s sebou přináší problémy:

• Náklady na spuštění výroby: Výroba raznic je zručný a nákladný proces.
• Omezení velikosti: Nadměrně velké kusy nemusí být z hlediska kapacity lisu praktické.
• Povrchové vady: Špatná kontrola teploty nebo tlaku může způsobit praskliny nebo nestejný povrch.
• Ztráta hmotného odpadu: Při vytlačování dochází ke ztrátě části materiálu polotovaru.

I přes tyto nedostatky výzkum a technologický vývoj neustále snižuje negativní dopady.

Budoucnost a hliník s inovacemi v oblasti vytlačování hliníku

Továrny na vytlačování hliníku se mění s pomocí technologických změn. Mezi trendy, které stojí za zmínku, patří nárůst počtu členů Komunistické strany Číny.

• Robotika a automatizace: Robotika a automatizace se stávají základem přesné manipulace, aby se eliminovaly lidské postupy.
• Pokročilé slitiny: Pokroky ve výrobě pevnějších a specifičtějších hliníkových slitin rozšiřují jejich využití.
• Udržitelné postupy: Zvýšení úrovně recyklace a efektivního využívání energie při vytlačování.
• 3D vytlačování: Jedná se o kombinaci vytlačování a aditivní výroby, která umožňuje rychlou výrobu prototypů.

Vzhledem k tomu, že průmyslová odvětví vyžadují lehké a pevné materiály, které jsou zároveň udržitelné, je hliníková extruze na cestě stát se ještě aktivnějším účastníkem globální ekonomiky.

Závěr

Techniky vytlačování hliníku tvoří základ moderní výroby a lze je použít k výrobě pevných, lehkých a univerzálních dílů a součástí, které se používají v nejrůznějších průmyslových odvětvích. Pomocí specializovaných forem mohou výrobci vytlačovat vysoce zahřáté hliníkové předvalky do souvislých profilů, které mají velmi přesné rozměry a velmi složité tvary. Tento proces může být velmi flexibilní a lze v něm vyrábět cokoli od jednoduchých tyčí nebo trubek až po složité architektonické nebo automobilové profily.

Vytlačování má tyto hlavní výhody: Flexibilita konstrukce: Vytlačováním lze vyrobit širokou škálu konstrukcí. Poměr pevnosti a hmotnosti: Extrudovaný materiál poskytuje vysoký poměr pevnosti a hmotnosti. Odolnost proti korozi: Vytlačováním lze vyrobit materiály s vysokou odolností proti korozi. Cenová výhodnost: Vytlačování je ekonomické. Recyklace: Vytlačovaný materiál lze recyklovat. Uplatňuje se v nesčetných oblastech: od stavebnictví, dopravy a letectví až po elektroniku a spotřební zboží, což dokládá jeho význam v každodenním životě a průmyslových inovacích.

Přestože vytlačování hliníku má i své nevýhody, zejména náklady na počáteční lisovací formy a omezení velikosti, s pokračujícím úsilím o automatizaci, vývoj slitin a řízení procesů potenciál této formy výroby roste. Vzhledem k tomu, že se průmysl stále více orientuje na lehké, odolné a ekologické výrobky, stává se vytlačování hliníku klíčovým hráčem, který přebírá vedoucí postavení v tomto odvětví.

Často kladené otázky 

1. Jaký je princip vytlačování hliníku?

Tímto způsobem se vyrábějí dlouhé hliníkové konstrukce specifických tvarů, aby se zajistila přesnost, pevnost a nízká hmotnost dané aplikace.

2. Ve kterých průmyslových odvětvích se často používá vytlačování hliníku?

Extrudované hliníkové díly se hojně používají ve stavebnictví, automobilovém a leteckém průmyslu, v elektronice, dopravě a spotřebním zboží.

3. Jaký je rozdíl mezi vytlačováním za tepla a za studena?

Při vytlačování za tepla se používají teplejší polotovary, aby se dosáhlo snadnější likvidity platformy, zatímco vytlačování za studena se provádí při pokojové teplotě nebo teplotě blízké pokojové teplotě, čímž se vytvářejí náročnější a jemněji vyladěné profily.

4. Je hliníkový výlisek recyklovatelný?

Hliník lze plně recyklovat bez poklesu kvality a ztrátový materiál z vytlačování lze účinně recyklovat.