Hvad er aluminiumsekstruderingsprocessen? 

Ekstrudering af aluminium er ikke kun blevet værdsat i den henseende, at det giver en stærk, men alligevel let del, men også dets fleksible og omkostningseffektive design er en faktor. Det bruges i bygge-, luftfarts-, bil- og elektronikindustrien og næsten overalt derimellem. Ekstrudering af aluminium er en af de processer, der viser, at der er balance mellem innovativt design og effektiv produktion, og som er på vej til at blive en af de dominerende procedurer i fremstillingsindustrien.

Aluminium er et af de mest populære metaller i den moderne industri og værdsættes på grund af sin lette vægt, styrke, holdbarhed og evne til at modstå korrosion. Aluminium er mere iøjnefaldende i vores liv; i konstruktionen af skyskrabere i vores byer, de biler, vi kører i, og andre gadgets, som vi bruger i vores dagligdag. En af de mest vitale fremstillingsprocesser, der har sikret alsidigheden, er aluminiumsekstruderingsprocessen.

Ekstrudering refererer bredt til metoder til metaldeformation, hvor metal skubbes eller presses gennem en matrice på samme måde som tandpasta. I aluminium dannes længere kontinuerlige sektioner med endelige, forudbestemte tværsnitsformer ved at ramme solide bloklignende genstande (kendt som billets) gennem en allerede opvarmet matrice. Disse profiler kan være almindelige stænger, rør eller meget komplekse og specialfremstillede i det omfang, de opfylder kravene i en given industri.

I denne artikel vil vi lære alt om aluminiumsekstruderingsprocessen; dens historie, ekstruderingsprocessen, typer, anvendelser, fordele og begrænsninger og dens stigende muligheder i fremtidens produktion.

Historisk baggrund

Ideen om ekstrudering som en fremstillingsproces kan spores tilbage til slutningen af det 18. århundrede. Den første kendte ekstrudering blev udført af den britiske opfinder Joseph Bramah, som fik patent på netop dette i 1797. I stedet brugte han en proces, hvor han pressede bøjelige metaller som bly gennem en matrice for at forme lange, identisk udseende stykker og primært rør. Forudsætningen for ekstruderingsprocessen var en opfindelse.

Indtil en stor del af det 19. århundrede havde ekstrudering af blødere metaller været hæmmet af teknologi. Det virkelige gennembrud kom i begyndelsen af det 20. århundrede, da man opdagede økonomiske måder at producere aluminium på. Købet af aluminium blev bragt til lavere priser og produktion i stor skala ved Charles Martin Halls opfindelse af Hall-Heroult-processen i 1886 i USA og Paul H. Roults opfindelse i Frankrig. Efter opfindelsen af aluminium tog det ikke lang tid, før forskere og producenter så det potentiale, som ekstrudering havde at tilbyde.

Brugen af aluminiumsekstruderingsteknologi begyndte at vinde indpas i 20'erne, især i Europa og Nordamerika. Den blev brugt i stor skala under Anden Verdenskrig, da industrien havde brug for et let, men holdbart materiale til fly, militærkøretøjer og bygninger. Siden da er linjestøbningsteknologien blevet opfundet og er blevet udvidet langt mere end den aluminiumsekstrudering, der først opstod i de militære sektorer.

Hvad er ekstruderet aluminium?

Ekstrudering af aluminium er den kommercielle fysiske metode, der bruges til at plastificere fast aluminium til lange former med specifikke tværsnit. Ideen er enkel: En blok aluminium (en billet) opvarmes til et formbart stadie og tvinges under intenst tryk af en matrice lavet af stål. Når aluminiummet presses gennem matricen, får det form som åbningen, enten lige, hult eller massivt eller i en meget kompliceret profil.

Den bedste analogi til ekstrudering er ekstrudering af en tandpastatube. Ligesom tandpastaen tager den form efter mundstykket, og på samme måde tager det ekstruderede aluminium form efter matricen. Fordelen ved ekstrudering af aluminium er muligheden for at fremstille lette, men alligevel stærke komponenter med den nøjagtige form.

De resulterende ekstruderede profiler kan strippes i forskellige længder og underkastes også yderligere efterbehandling, herunder anodisering, pulverlakering og finish. Alle disse opgraderinger øger ydeevnen, slidstyrken og udseendet. På grund af sin fleksibilitet er det blevet en af de ekstruderingsprocesser, der er blevet anvendt inden for forskellige brancher som byggeindustrien, luftfartsindustrien, elektronikindustrien, transportsektoren og endda forbrugerproduktindustrien. Det er ikke kun processen, men en vigtig bro mellem det oprindelige rustfri stål og den absorberede funktionalitet, der definerer den nuværende teknik og højkonstruktion.

Aluminiumsekstruderingsprocessen i trin

Karakteriser profilen og vælg legeringen

• Ingeniørerne optimerer tværsnittet (formen) og tolerancerne og vælger derefter en legering (f.eks. 6xxx-legering til brug i arkitekt- eller bilindustrien), der afbalancerer styrke, korrosionsbestandighed, bearbejdelighed og finish.
• De første beslutninger om værktøjsdesign, pressebelastning, varmebehandlingsforløb og omkostninger dikteres af alternativer.

Støb og døb billen

• Billets (cylindre) af aluminium skæres ud af lange træstammer.
• For at overvinde disse interne mikrostrukturforskelle køres emnerne gennem en homogeniseringsproces (varmeudblødning) for at udjævne den interne mikrostruktur, hvilket hjælper med at udjævne flowet under ekstruderingsprocessen og reducere problemer som f.eks. revner, der opstår sideværts på overfladen.

Skalp eller sav Inspicér filet

• Det ydre metal på emnet kan skalperes (et tyndt stykke metal fjernes) for at fjerne overfladeindeslutninger.
• Pressens længde trimmes til pressens kapacitet; overfladerne undersøges, så de er fri for revner og porøsitet.

Opvarm bøjlen

• Billets varmes op til en normal temperatur på 400 til 500 °C (afhængigt af legeringen), hvilket blødgør metallet, men ikke smelter det.
• Korrekt temperatur minimerer riller, garanterer et flow og opretholder et konstant tryk samt en god overfladefinish.

Lav matricen og værktøjet

• En matrice af hærdet stål (tværsnittets "form") forberedes, poleres og forvarmes (ofte ~430 til 500 °C) for at reducere det termiske chok og fremme et jævnt flow af metallet.
• Værktøjet er backers, bolsters og en dummyblok, hvor stemplet rammer billettens overflade.

Smør og forbered pressen

• Beholder, matrice og dummyblok forbehandles; passende smøremiddel påføres (grafit, glas eller specialsmøremidler afhængigt af legering/proces).
• Ved at evaluere den korrekte justering kan man reducere formlinjer, excentricitet og usymmetrisk lejeslid.

Indlæs billet og QC Start pressen

• Det varme emne er lukket inde i pressebeholderen.
• Ved direkte ekstrudering tvinges stemplet til at skubbe emnet gennem den ubevægelige matriceoverflade; ved indirekte ekstrudering presses den ubevægelige matrice mod et stationært emne (friktionen reduceres, og overfladen er bedre).

Banebrydende ekstrudering, stabil

• Gennembrud er den første lejlighed, hvor metal kommer i profilform. Operatører: Operatørerne stabiliserer stemplets hastighed (normalt i størrelsesordenen mm/s) og trykket og opretholder dimensioner og overfladekvalitet.
• Et konstant flow er vigtigt, fordi en for høj hastighed risikerer at rive, og en for lav kan resultere i kolde omgange eller opsamling af matricer.

Klinger på bordet

• Den kontinuerlige profil fjernes fra matricen og lægges på et udløbsbord. En aftrækker placeres under profilen for at forhindre, at den hænger og vrider sig.
• Korrekt støtte bøjer ikke og har ikke dimensionsafvigelser.

Hurtig afkøling (øjeblikkelig slukning)

• Legeringer, der kan varmebehandles, kan afkøles for at opnå en ønsket mikrostruktur ved at slukke profilen umiddelbart efter udgang med luft, tåge, spray eller vand.
• Slukningsintensiteten vælges for at opretholde en balance mellem styrkepotentiale og forvrængningskontrol.

Håndteringstemperatur for køling

Profilerne afkøles på bordet efter slukning, indtil de kan håndteres uden aftryk eller skævhed.

Blød, kontrolleret afkøling minimerer restspændinger.

Udstrækning/udretning

• Profilerne forlænges (typisk ~0,5 procent) for at eliminere bøjning, vridning og restspændinger.
• Denne proces retter op og forankrer retheden og holder delene dimensionelt stabile efter bearbejdningen.

Skære tilbage til længden

• Afhængigt af den ønskede længde saves den lange streng enten til den kommercielle længde (f.eks. 3 m eller 8 m) eller til næsten-net-længder, så den er klar til at blive bearbejdet mere grundigt senere.
• Enderne markeres og spores med en indikation.

Varmebehandling (hvor det er nødvendigt)

• T5: Lavede en skæretest efter at have afkølet stykkerne og ikke påført noget (aldershærdet). Almindelig udglødning sker ved 160-8200 grader Celsius over flere timer (opskrifterne varierer efter legering/specifikation).
• Opløsningsvarmebehandling (500-545 °C (afhængig af legering), hurtig slukning og derefter kunstig ældning (160-190 °C) for at opnå højere styrke.
• Opskrifterne er optimeret til den pågældende egenskab og forvrængning.

Overfladefinish (valgfri)

• Anodisering danner en beskyttende, korrosionsbestandig, hærdet oxidbelægning (som kan være klar eller farvet).
• En ydre belægning af pulverlakering eller maling giver farve og ekstra beskyttelse.
• Mekanisk finish (børstning, polering, sandblæsning) justerer udseendet og følelsen.

Bearbejdning og fremstilling (efter behov)

Profilerne er CNC-bearbejdede, stansede, borede, gevindskårne eller bukkede.

Jigs/fiksturer giver repeterbar tolerancekontrol på tynde eller komplekse sektioner.

Test og kvalitetskontrol

• To-dimensionelle inspektioner: vægtykkelse, bredde/højde, rethed, vridning, planhed og placering af huller.
• Overfladekontrol: linjer, opsamling, snak, appelsinskal, gruber, striber.
• Mekaniske tests: hårdhed, træk/udbytte/forlængelse (pr. specifikation), vedhæftning af belægninger og anodisk filmtykkelse.
• Metallografi og ledningsevne: Der udføres tests, hvor standarderne for luft- og bilindustrien kræver det.

Tuning og vedligeholdelse af dyser

Når dimensionskontrollen eller overfladefinishen er ude af kontrol, kan lejernes længde og flowbalancen ændres; matricerne kan poleres og, hvis det ikke er absolut nødvendigt, nitreres; matricerne poleres og rengøres.

• En god kost vil øge levetiden og konsistensen.
• Skrothåndtering og genbrug af skrot
• Butt scraps (den gennemskubbede ende af et emne, der ikke kan skubbes igennem) og trim scraps genvindes af legeringen og genbruges.
• Ekstruderingen er ekstremt bæredygtig, da skrot går tilbage til støbning.

Pakning og logistik

• Profilerne pakkes i wraps, stilles på hylder og beskyttes derefter med afstandsstykker/film for at undgå transportskader og slidmærker.
• For at sikre fuld sporbarhed registrerer etiketterne oplysninger om legering, temperering, parti og varmebehandling.

Hvorfor hvert skridt tæller

• Temperaturkontrol (flow, krop, beholder) er en flowkontrolforanstaltning.
• Slukning og ældning er de ultimative mekaniske egenskaber
• Profilerne er rene, tæt på tolerancer og bearbejdede og i nogle tilfælde strakte.
• Vedligeholdelse og genbrug af skrot sker til en konkurrencedygtig pris, og processen er miljøvenlig.
• Normale parametre (før rådgivning): billet400-500C; forvarmning 430-500C; opløsningsvarmebehandling 500-545C, ældning 160-200C. De reelle værdier varierer med legering, profilgeometri og pressestørrelse og -specifikation.

De komponenter, der bruges i aluminiumsekstrudering

Ekstrudering af aluminium bygger på valg af den rigtige aluminiumslegering, der passer til de mekaniske, termiske og korrosionsmæssige krav. De egenskaber, der kræves af forskellige industrier, er forskellige, og derfor bestemmes valget af legeringer af styrke, duktilitet, korrosionsbestandighed og varmebehandlingsmuligheder.

1000-serien (praktisk talt rent aluminium)

• Sammensætning: Aluminium 99%+
• Fordele: Fantastiske korrosionsbeskyttende egenskaber, god termisk og elektrisk ledningsevne, blød og smidig
• Applikationer: Elektriske varer, kemisk udstyr, arkitektoniske dekorationsbånd

3000-serien (Al-Mn-legeringer)

• Fordele: Materialet modstår korrosion godt, har moderat styrke og kan formes godt.
• Applikationer: Tagdækning, facadebeklædning, tagrender og drikkedunke, arkitektoniske paneler

5000-serien (Al-Mg-legeringer)

• Fordele: God korrosionsbestandighed, medium styrke (høj) korrosionsbestandighed, kan ikke varmebehandles
• Applikationer: Marine, bilsupporterpaneler, transport, lagertanke til kemikalier

6000-serien (Al-Mg-Si-legeringer)

• Fordele: Fantastisk styrke-til-vægt-forhold, evne til at modstå korrosion og varmebehandlelig
• Applikationer:  Luft- og rumfartsstrukturprodukter, bildele, arkitektoniske ekstruktioner, gelændere og vinduesrammer

7000-serien (Al-Zn-Mg-Cu-legeringer)

• Karakteristika: høj styrke, med moderat korrosionsbestandighed, varmebehandlelig
• Applikationer: Strukturelle dele med høj belastning, højtydende sportstilbehør

Allothers speciallegeringer

• Tilpasset: Til brug for varmeledningsevne, elektrisk ledningsevne eller dekoration
• Anvendelser: Elektroniske kølelegemer, forskellige transportdele, usædvanlige arkitektoniske anvendelser.
• Bemærk: Valget af legering påvirker ekstruderingstemperaturen, værktøjsstrukturen og den efterfølgende varmebehandling.

For at bevare ligheden i sammensætningen genbruges genanvendeligt aluminiumsskrot, der indeholder den samme legering, ofte.

Hurtig referencetabel for ekstruderede aluminiumsmaterialer

En teknisk tabel over sandsynlige almindelige aluminiumlegeringer, der bruges i ekstruderinger, vigtige egenskaber og etablerede ekstruderingsparametre som følger:

Typer af aluminiumsekstrudering 

Aluminiumsekstruderingsprocessen kan udføres på forskellige måder, og det afhænger af den nødvendige produktstyrke, formmorfologi og produktionens effektivitet. De er hovedsageligt af sådanne typer:

• Varm ekstrudering: Det er den mest almindelige, men aluminiumsblokke opvarmes til 400-500 °C og presses gennem en matrice. Opvarmningen gør metallet blødt, og derfor flyder det frit og med mindre tryk. Det kan bruges til at fremstille en bred blanding af profiler, der bruges i bygge-, bil- og maskinindustrien.
• Kold ekstrudering: Ved eller nær stuetemperatur har denne metode en højere belastning, men stærkere produkter, som er mere fint forarbejdede og dimensionelt mere præcise. Den finder mange anvendelser i industrier som elektronik og rumfart og består af præcisionskomponenter.
• Direkte ekstrudering: Her bevæger emnet og stemplet sig i samme retning og tvinger aluminiummet gennem matricen. Det er nemt og bekvemt, og det er den mest almindelige metode.
• Indirekte ekstrudering: I dette tilfælde bevæger matricen sig i modsat retning af emnet. Det minimerer friktionen og forbedrer ensartetheden, hvilket giver glattere overflader og længere levetid for værktøjet.
• Slag ekstrudering: Det anvendes i vid udstrækning til fremstilling af tynde og hule produkter, f.eks. dåser, rør og hylstre, og til slagekstrudering for at forme aluminium ved høje hastigheder.

Anvendelser af aluminiumsekstrudering

1. Bygning og arkitektur

Ekstruderet aluminium bruges ofte i konstruktioner på områder som vinduesrammer, facader, tagdækning, opdeling og rækværk. De er holdbare, kan anodiseres eller pulverlakeres og er æstetisk tiltalende.

2. Bilindustrien

Den vigtige sikkerhedskomponent i ekstruderet aluminium bruges i crash management-systemer, kofangere, tagrælinger og chassiskomponenter. Disse komponenter gør køretøjerne lettere og giver en stærk køretøjsstruktur, hvilket bidrager til brændstofeffektivitet og passagerernes sikkerhed.

3. Luft- og rumfartssektoren

Andre anvendelser af aluminiumprofiler inden for rumfart omfatter flysædeskinner, skrogstruktur og indvendig kabinestruktur. De er afgørende for flysikkerheden, da de er pålidelige og konsistente.

4. Elektronik og elektriske apparater

Aluminium har også en god varmeledningsevne, som gør det muligt at bruge ekstruderingsprodukterne i kølelegemer, huse og kabelførere. De hjælper med at opvarme udstyr som computere, LED-systemer og industriel elektronik.

5. Transport og jernbaner

Eksempler på profiler, der bruges i togvogne, metrosystemer og marinekonstruktioner, skyldes deres styrke, lethed og modstandsdygtighed over for de barske miljøer, de befinder sig i.

6. Forbrugsgoder

Hverdagsprodukter som møbler, sportsudstyr, stiger og køkkenmaskiner fremstilles rutinemæssigt ved hjælp af ekstruderede aluminiumsprofiler for at give holdbarhed, nem håndtering og udseende.

Fordele ved ekstrudering af aluminium 

1. Fleksibilitet i designet

Ekstrudering af aluminium giver mulighed for at skabe former og profiler, som ellers ville være komplekse eller utænkelige, og som ikke kunne skabes ved hjælp af andre fremstillingsprocesser. Tværsnittene kan også skræddersys, så de passer til et bestemt funktionelt eller æstetisk krav.

2. Stærk og alligevel let

Styrke-til-vægt-forholdet i aluminium er ret godt, og en ekstruderet komponent i dette metal er stærk uden at være tung. Det er især nyttigt i bilindustrien, luft- og rumfart og transport, hvor lethed resulterer i øget effektivitet og ydeevne.

3. Modstandsdygtighed over for korrosion

Aluminium har et naturligt udviklet beskyttende lag via oxiddannelsen, og profilerne kan også overtrækkes med anodisering og pulverlakering, hvilket yderligere øger styrken og levetiden for de produkter, der konstant befinder sig i et udendørs miljø eller under andre barske omstændigheder.

4. Omkostningseffektivitet

Ekstrudering er en masseproduktionsmetode til fremstilling af standardprofiler i en meget effektiv og omkostningseffektiv proces med begrænset materialespild. Genbrug af aluminiumsskrot i processen reducerer igen udgifterne.

5. Bæredygtighed

Aluminium kan genbruges 100 procent uden at miste sine egenskaber. Ekstruderingsprocesser gør brug af resterende emner og skrot, som kan bruges igen for at sikre en miljøvenlig fremstillingsproces.

6. Mangfoldighed i brancherne

Ekstruderet aluminium har anvendelser inden for byggeri, bilindustri, rumfart, elektronik og forbrugsvarer, hvilket gør det til et af de mest fleksible materialer til at løse forskellige tekniske problemer.

Begrænsninger ved ekstrudering af aluminium

Som i enhver anden proces har ekstrudering også sine udfordringer:

• Omkostninger til opstart: Formfremstilling er et håndværk og en dyr proces.
• Begrænsning af størrelse: Stykker, der er meget store, er måske ikke praktiske med hensyn til pressekapacitet.
• Overfladefejl: Dårlig temperatur- eller trykstyring kan forårsage en revne eller en uensartet finish.
• Tab af materialeaffald: Der går noget materiale tabt i forbindelse med ekstruderingen.

På trods af disse mangler reducerer forskning og teknologisk udvikling løbende de negative resultater.

Fremtid og aluminium med innovationer inden for aluminiumekstrudering

Aluminiumsekstruderingsfabrikker ændrer sig ved hjælp af teknologiske ændringer. Blandt de tendenser, der er værd at nævne, er stigningen i antallet af medlemmer af Kinas Kommunistiske Parti.

• Robotteknologi og automatisering: Robotteknologi og automatisering er ved at blive grundpillen i præcisionshåndtering for at eliminere menneskelige procedurer.
• Avancerede legeringer: Fremskridt i forhold til at gøre aluminiumslegeringer stærkere og mere specifikke øger deres anvendelsesmuligheder.
• Bæredygtig praksis: Øge niveauet af genbrug og effektiv brug af energi i ekstrudering.
• 3D-ekstruderingsprint: Det er en kombination af ekstrudering og additiv fremstilling, som giver hurtig prototyping.

Da industrien kræver lette og stærke materialer, som også er bæredygtige, er ekstrudering af aluminium på vej til at blive en endnu mere aktiv deltager i den globale økonomi.

Konklusion

Ekstruderingsteknikker i aluminium udgør grundlaget for moderne produktion og kan bruges til at skabe stærke, lette og alsidige dele og komponenter til brug i en lang række industrier. Med specialiserede matricer kan producenterne ekstrudere stærkt opvarmede aluminiumstykker til kontinuerlige profiler, der er meget præcise i deres dimensioner og har meget komplekse former. Processen kan være meget fleksibel, og alt fra en simpel stang eller et rør til komplekse arkitektoniske profiler eller profiler til bilindustrien kan produceres i denne proces.

Ekstrudering har følgende store fordele: Fleksibilitet i designet: Ekstrudering kan producere et stort antal designs. Styrke i forhold til vægt: Det ekstruderede materiale giver et højt styrke-til-vægt-forhold. Korrosionsbestandighed: Ekstrudering kan producere materialer med høj korrosionsbestandighed. Omkostningseffektiv: Ekstrudering er økonomisk. Genbrug: Ekstruderingen kan genbruges. Det gælder for et utal af områder: byggeri, transport og rumfart til elektronik og forbrugsvarer, hvilket illustrerer dets betydning i hverdagen og den industrielle innovation.

Selvom der er ulemper ved ekstrudering af aluminium, især omkostningerne til de første matricer og størrelsesbegrænsningen, vokser potentialet for denne produktionsform med den løbende indsats for automatisering, legeringsudvikling og proceskontrol. I takt med at industrien bliver mere orienteret mod lette, holdbare og miljøvenlige produkter, er ekstrudering af aluminium ved at udvikle sig til en nøglespiller, der tager føringen i industrien.

Ofte stillede spørgsmål 

1. Hvad er princippet for ekstrudering af aluminium?

Det bruges til at producere lange aluminiumsstrukturer i specifikke former for at sikre nøjagtighed, styrke og letvægt i en given applikation.

2. Hvilke industrier bruger ofte ekstruderet aluminium?

Ekstruderede aluminiumsdele bruges i vid udstrækning af bygge-, bil-, rumfarts-, elektronik-, transport- og forbrugsvareindustrien.

3. Hvad er kontrasten mellem varm og kold ekstrudering?

Varmekstrudering bruger varmere emner for at gøre det lettere at få platformen til at flyde, mens koldekstrudering foregår ved eller tæt på stuetemperatur og giver mere krævende og finjusterede profiler.

4. Kan ekstruderet aluminium genbruges?

Aluminium kan genbruges fuldt ud uden kvalitetsforringelse, og materialet med ekstruderingstab kan genbruges effektivt.