Hva er ekstruderingsprosessen for aluminium? 

Aluminiumprofiler har ikke bare blitt verdsatt fordi de gir sterke, men likevel lette deler, men også fordi de er fleksible og kostnadseffektive. Det brukes i bygg- og anleggsbransjen, romfartsindustrien, bilindustrien og elektronikkindustrien, og nesten overalt derimellom. Ekstrudering av aluminium er en av de prosessene som viser at det er samsvar mellom innovativ design og effektiv produksjon, noe som er i ferd med å bli en av de dominerende prosessene i produksjonsindustrien.

Aluminium er et av de mest populære metallene i moderne industri, og det er verdsatt på grunn av sin lette vekt, styrke, holdbarhet og evne til å motstå korrosjon. Aluminium er mer iøynefallende i livene våre; i byggingen av skyskrapere i byene våre, bilene vi kjører og andre dingser som vi bruker i hverdagen. En av de viktigste produksjonsprosessene som har sikret allsidigheten, er ekstruderingsprosessen for aluminium.

Ekstrudering er en bred betegnelse på metoder for metalldeformasjon der metall presses eller klemmes gjennom en dyse på samme måte som tannkrem. I aluminium dannes lengre, sammenhengende profiler med endelige, forhåndsbestemte tverrsnittsformer ved å presse solide, blokklignende objekter (såkalte billets) gjennom en allerede oppvarmet dyse. Disse profilene kan være vanlige stenger, rør eller svært komplekse og spesiallagde i den grad de skal oppfylle kravene til en gitt industri.

I denne artikkelen vil vi lære alt om ekstruderingsprosessen for aluminium; dens historie, ekstruderingsprosessen, typer, bruksområder, fordeler og begrensninger og dens økende muligheter i fremtidens produksjon.

Historisk bakgrunn

Ideen om ekstrudering som produksjonsprosess kan spores tilbake til slutten av 1700-tallet. Den første kjente ekstruderingsprosessen ble utviklet av den britiske oppfinneren Joseph Bramah, som tok patent på akkurat dette i 1797. Han brukte en prosess som gikk ut på å presse bøyelige metaller som bly gjennom en dyse for å forme lange, identisk utseende stykker, først og fremst rør. Forbehandlingen av ekstruderingsprosessen var en oppfinnelse.

Frem til store deler av 1800-tallet hadde ekstrudering av mykere metaller vært hemmet av teknologi. Det virkelige gjennombruddet kom på begynnelsen av 220-tallet, da man oppdaget økonomiske måter å produsere aluminium på. Det var Charles Martin Hall i USA og Paul H. Roult i Frankrike som i 1886 oppfant Hall-Heroult-prosessen, som førte til lavere priser og storskalaproduksjon av aluminium. Etter oppfinnelsen av aluminium tok det ikke lang tid før forskere og produsenter så hvilket potensial ekstrudering hadde å by på.

Bruken av aluminiumprofiler begynte å ta av på 20-tallet, og ble særlig utbredt i Europa og Nord-Amerika. Den ble brukt i stor skala under andre verdenskrig, da industrien trengte et lett, men slitesterkt materiale til fly, militære kjøretøy og bygninger. Siden den gang har linjestøpingsteknologien blitt oppfunnet og har blitt utvidet langt lenger enn aluminiumprofileringen som først dukket opp i de militære sektorene.

Hva er ekstrudert aluminium?

Ekstrudering av aluminium er den kommersielle fysiske metoden som brukes til å plastisere massivt aluminium til lange former med spesifikke tverrsnitt. Ideen er enkel: En aluminiumblokk (en billet) varmes opp til et formbart stadium og presses under sterkt trykk gjennom en dyse laget av stål. Når aluminiumet presses gjennom matrisen, får det formen til åpningen, enten rett, hul eller massiv, eller i en svært komplisert profil.

Den beste analogien når det gjelder ekstrudering, er ekstrudering av en tannkremtube. På samme måte som tannkremen tar den form etter munnstykket, og på samme måte tar det ekstruderte aluminiumet form etter matrisen. Fordelen med ekstrudering av aluminium er muligheten til å produsere lette, men likevel sterke komponenter med nøyaktig form.

De ekstruderte profilene kan strippes i ulike lengder og kan også etterbehandles ytterligere, blant annet med anodisering, pulverlakkering og overflatebehandling. Alle disse oppgraderingene øker ytelsen, slitasjen og utseendet. På grunn av fleksibiliteten har det blitt en av ekstruderingsprosessene som brukes i ulike bransjer, for eksempel i byggebransjen, flyindustrien, elektronikkindustrien, transportbransjen og til og med i forbrukerproduktindustrien. Det er ikke bare en prosess, men en viktig bro mellom det opprinnelige rustfrie stålet og den absorberte funksjonaliteten som definerer dagens ingeniørkunst og høykonstruksjon.

Ekstruderingsprosessen for aluminium i trinn

Karakteriser profilen og velg legering

• Ingeniørene optimaliserer tverrsnittet (formen) og toleransene, og velger deretter en legering (f.eks. 6xxx-legering til bruk i arkitekt- eller bilindustrien) som balanserer styrke, korrosjonsbestandighet, maskinbearbeidbarhet og finish.
• De første beslutningene om utforming av matriser, pressbelastning, varmebehandling og kostnader er diktert av alternativer.

Støp og døp Billet

• Billetter (sylindere) av aluminium skjæres ut av lange tømmerstokker.
• For å få bukt med disse interne mikrostrukturforskjellene kjøres billettene gjennom en homogeniseringsprosess (heat soaking) for å jevne ut den interne mikrostrukturen, noe som bidrar til å jevne ut flyten under ekstruderingsprosessen og redusere problemer som f.eks. rifter som oppstår sideveis på overflaten.

Scalp eller Saw Inspect Billet

• Det ytre metallet på emnet kan skalperes (et tynt metalllag fjernes) for å fjerne inneslutninger på overflaten.
• Pressens lengde trimmes til pressens kapasitet; overflatene undersøkes for å se om de er fri for sprekker og porøsitet.

Varm opp bøylen

• Billettene varmes opp til en normal temperatur på 400-500 °C (avhengig av legeringen), noe som myker opp metallet, men ikke smelter det.
• Riktig temperatur minimerer riller, garanterer flyt og opprettholder et konstant trykk samt en god overflatefinish.

Lag matrisen og verktøyet

• En form av herdet stål (tverrsnittets "støpeform") klargjøres, poleres og forvarmes (ofte ~430 til 500 °C) for å redusere det termiske sjokket og fremme en jevn flyt av metallet.
• Verktøyet består av bakstykker, bolster og en dummyblokk der stempelet treffer billettflaten.

Smør og klargjør pressen

• Beholder, matrise og dummyblokk konditioneres på forhånd; egnet smøremiddel påføres (grafitt, glass eller spesialsmøremidler avhengig av legering/prosess).
• Ved å evaluere riktig innretting kan man redusere formlinjer, eksentrisitet og usymmetrisk lagerslitasje.

Last inn filet og QC Start pressen

• Det varme emnet er innelukket i pressbeholderen.
• Ved direkte ekstrudering tvinges stempelet til å skyve emnet gjennom den ubevegede matriseoverflaten; ved indirekte ekstrudering presses den ubevegede matrisen mot et stasjonært emne (friksjonen reduseres og overflaten blir bedre).

Gjennombruddsekstrudering, stabil

• Gjennombrudd er den første anledningen der metall kommer i profilform. Operatørene: Operatørene stabiliserer stempelhastigheten (vanligvis i størrelsesorden mm/s) og trykket, og opprettholder dimensjoner og overflatekvalitet.
• Konstant flyt er avgjørende fordi for høy hastighet kan føre til rifter, og for lav hastighet kan resultere i kalde runder eller oppsamling av matriser.

Klinker på bordet

• Den kontinuerlige profilen tas ut av matrisen og legges på et utløpsbord. En avtrekker plasseres under profilen for å hindre at den henger og vrir seg.
• Riktig støtte bøyer seg ikke (bøyer seg) og har ikke dimensjonsavvik.

Rask nedkjøling (umiddelbar slukking)

• Legeringer som kan varmebehandles, kan kjøles ned til ønsket mikrostruktur ved å avkjøle profilen umiddelbart etter utløpet med luft, tåke, spray eller vann.
• Slukkeintensiteten velges for å opprettholde en balanse mellom styrkepotensial og forvrengningskontroll.

Håndteringstemperatur for kjøling

Profilene avkjøles på bordet etter bråkjøling til de kan håndteres uten avtrykk eller skjevhet.

Myk, kontrollert avkjøling minimerer restspenninger.

Strekking/utretting

• Profilene forlenges (typisk ~0,5 prosent tøyning) for å eliminere bøying, vridning og restspenninger.
• Denne prosessen retter opp og forankrer rettheten, og holder delene dimensjonsstabile etter bearbeiding.

Kutte tilbake til lengden

• Avhengig av ønsket lengde blir den lange tråden enten saget opp til den kommersielle lengden (f.eks. 3 m eller 8 m) eller til tilnærmet nettlengde, klar til å bearbeides videre senere.
• Endene merkes og spores med en indikasjon.

Varmebehandling (der det er nødvendig)

• T5: Gjort en skjæreprøve etter å ha slukket bitene og ikke påført noe (aldersherdet). Vanlig gløding skjer ved 160 8200 grader Celsius over en periode på flere timer (oppskrifter varierer etter legering/spesifikasjon).
• Løsningsvarmebehandling (500-545 °C (avhengig av legering), hurtigavkjøling, deretter kunstig aldring (160-190 °C) for å oppnå høyere styrke.
• Oppskriftene er optimalisert for den aktuelle egenskapen og forvrengningen.

Overflatebehandling (valgfritt)

• Anodisering danner et beskyttende, korrosjonsbestandig, herdet oksidbelegg (som kan være klart eller farget).
• Et ytre belegg av pulverlakk eller maling gir farge og ekstra beskyttelse.
• Mekanisk overflatebehandling (børsting, polering, perlblåsing) justerer utseendet og følelsen.

Maskinering og fabrikasjon (etter behov)

Profilene CNC-bearbeides, stanses, bores, tappes eller bøyes.

Jigger/fiksturer gir repeterbar toleransekontroll på tynne eller komplekse profiler.

Test og kvalitetskontroll

• To-dimensjonale inspeksjoner: veggtykkelse, bredde/ høyde, retthet, vridning, planhet og plassering av hull.
• Overflatekontroll: matriser, opphenting, skravling, appelsinskall, groper, striper.
• Mekaniske tester: hardhet, strekk/strekk/forlengelse (per spesifikasjon), vedheft av belegg og anodisk filmtykkelse.
• Metallografi og ledningsevne: Tester utføres der det er påkrevd i henhold til luftfarts- og bilstandarder.

Innstilling og vedlikehold av matriser

Når dimensjonskontrollen eller overflatefinishen er ute av kontroll, kan lengden på lagrene og strømningsbalansen modifiseres; matriser kan poleres og, når det absolutt ikke er nødvendig, nitreres; matriser poleres og rengjøres.

• Et godt kosthold vil øke levetiden og konsistensen.
• Skrothåndtering og gjenvinning av skrap
• Butt scraps (den gjennomskutte enden av en billett som ikke kan skyves gjennom) og trimskrap gjenvinnes av legeringen og resirkuleres.
• Ekstruderingen er ekstremt bærekraftig, ettersom skrot går tilbake til støpingen.

Pakking og logistikk

• Profilene pakkes i wraps, lagres i reoler og beskyttes deretter med avstandsstykker/film for å unngå transportskader og slitasjemerker.
• For å sikre full sporbarhet registrerer etikettene informasjon om legering, herding, parti og varmebehandling.

Hvorfor hvert skritt teller

• Temperaturkontroll (strømning, karosseri, beholder) er et tiltak for strømningskontroll.
• Slokking og aldring er de ultimate mekaniske egenskapene
• Profilene er rene, toleransejusterte, maskinbearbeidede og i noen tilfeller strukket.
• Vedlikehold og gjenvinning av skrap skjer til en konkurransedyktig pris, og prosessen er miljøvennlig.
• Normale parametere (før råd): 400-500C; forvarming 430-500C; varmebehandling 500-545C, aldring 160-200C. De reelle verdiene vil variere med legering, profilgeometri og pressestørrelse og -spesifikasjon.

Komponenter som brukes i aluminiumekstrudering

Ekstrudering av aluminium baserer seg på valg av riktig aluminiumslegering som passer til de mekaniske, termiske og korrosjonsmessige kravene. Egenskapene som kreves av ulike bransjer er forskjellige, og derfor bestemmes valget av legeringer av styrke, duktilitet, korrosjonsbestandighet og varmebehandlingsmuligheter.

1000-serien (praktisk talt rent aluminium)

• Sammensetning: Aluminium 99%+
• Fordeler: Fantastiske korrosjonshindrende egenskaper, god termisk og elektrisk ledningsevne, myk og formbar
• Bruksområder: Elektriske varer, kjemisk utstyr, arkitektoniske dekorasjonsbånd

3000-serien (Al-Mn-legeringer)

• Fordeler: Materialet motstår korrosjon godt, har moderat styrke og kan formes godt
• Bruksområder: Taktekking, ytterkledning, takrenner og drikkevarebokser, arkitektoniske paneler

5000-serien (Al-Mg-legeringer)

• Fordeler: God korrosjonsbestandighet, middels sterk (høy) korrosjonsbestandighet, ikke-varmebehandlingsbar
• Bruksområder: Marine, bilsupporterpaneler, transport, kjemikalietanker

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

• Fordeler: Godt styrke/vekt-forhold, korrosjonsbestandig og varmebehandlingsdyktig
• Bruksområder:  Strukturprodukter til romfart, bildeler, arkitektoniske profiler, rekkverk og vindusrammer

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

• Kjennetegn: høy styrke, med moderat korrosjonsbestandighet, varmebehandlingsbar
• Bruksområder: konstruksjonsdeler med høy belastning, sportsutstyr med høy ytelse

Allothers Speciality Alloys

• Tilpasset: Brukes til varmeledningsevne, elektrisk ledningsevne eller dekorasjon
• Bruksområder: Elektroniske kjøleribber, ulike transportdeler, uvanlige arkitektoniske bruksområder.
• Merk: Valget av legering påvirker ekstruderingstemperaturen, formstrukturen og den påfølgende varmebehandlingen.

For å holde sammensetningen lik, gjenbrukes ofte resirkulerbart aluminiumskrap som inneholder samme legering.

Hurtigreferansetabell for ekstruderte materialer i aluminium

En teknisk tabell over sannsynlige vanlige aluminiumlegeringer som brukes i ekstrudering, viktige egenskaper og etablerte ekstruderingsparametere som følger:

Typer aluminiumekstrudering 

Aluminiumekstruderingsprosessen kan utføres på forskjellige metoder, og det avhenger av den nødvendige produktstyrken, formmorfologien og effektiviteten av produksjonen. De er hovedsakelig av slike typer:

• Varm ekstrudering: Det er den vanligste metoden, men her varmes aluminiumsblokker opp til 400-500 °C og presses gjennom en dyse. Oppvarmingen gjør metallet mykt, slik at det flyter fritt og med mindre trykk. Det kan brukes til å produsere en bred blanding av profiler som brukes i bygg- og anleggsbransjen, bilindustrien og generell ingeniørvirksomhet.
• Kald ekstrudering: Ved eller nær romtemperatur gir denne metoden en høyere belastning, men sterkere produkter, som er mer finbearbeidede og dimensjonalt mer presise. Den har mange bruksområder i bransjer som elektronikk og romfart, og består av presisjonskomponenter.
• Direkte ekstrudering: Her beveger billetten og stempelet seg i samme retning og tvinger aluminiumet gjennom matrisen. Det er enkelt og praktisk, og er den vanligste metoden som brukes.
• Indirekte ekstrudering: I dette tilfellet beveger matrisen seg i motsatt retning av emnet. Dette minimerer friksjonen og forbedrer jevnheten, noe som gir jevnere overflater og økt levetid på verktøyet.
• Slagekstrudering: Dette brukes i stor utstrekning til produksjon av tynne og hule produkter, f.eks. bokser, rør og foringsrør, og til slagpressing for å forme aluminium ved hjelp av høye hastigheter.

Bruksområder for ekstrudering av aluminium

1. Bygninger og arkitektur

Aluminiumprofiler brukes ofte i konstruksjoner på områder som vinduskarmer, utfellingsvegger, taktekking, inndelinger og rekkverk. De er slitesterke, kan anodiseres eller pulverlakkeres og er estetisk tiltalende.

2. Bilindustrien

Den viktige sikkerhetskomponenten i ekstrudert aluminium brukes i kollisjonssikringssystemer, støtfangerbjelker, takskinner og understellskomponenter. Disse komponentene gjør kjøretøyene lettere og gir en sterk kjøretøystruktur, noe som igjen bidrar til drivstoffeffektivitet og sikkerhet for passasjerene.

3. Luft- og romfartssektoren

Andre bruksområder for aluminiumprofiler i luftfarten er blant annet seteunderlag, skrogstruktur og innvendig kabinstruktur. De er avgjørende for flysikkerheten, ettersom de er pålitelige og konsekvente.

4. Elektronikk og elektrisk utstyr

Aluminium har også god varmeledningsevne, noe som gjør at profilene kan brukes i kjøleribber, kapslinger og kabelførere. De bidrar til oppvarming av utstyr som datamaskiner, LED-systemer og industriell elektronikk.

5. Transport og jernbane

Eksempler på profiler som brukes i togvogner, metrosystemer og marine konstruksjoner, er på grunn av sin styrke, letthet og motstandskraft mot de tøffe omgivelsene de befinner seg i.

6. Forbruksvarer

Hverdagsprodukter som møbler, sportsutstyr, stiger og kjøkkenapparater lages rutinemessig ved hjelp av ekstruderte aluminiumsprofiler for å sikre holdbarhet, enkel håndtering og utseende.

Fordeler med ekstrudering av aluminium 

1. Fleksibilitet i utformingen

Aluminiumprofilering gjør det mulig å skape former og profiler som ellers ville vært kompliserte eller utenkelige, og som ikke kunne skapes ved hjelp av andre produksjonsprosesser. Tverrsnittene kan også skreddersys for å passe til et bestemt funksjonelt eller estetisk krav.

2. Sterk og likevel lav vekt

Forholdet mellom styrke og vekt i aluminium er ganske bra, og en ekstrudert komponent i dette metallet er sterk uten å være tung. Dette er spesielt nyttig i bilindustrien, romfart og transport, der letthet gir effektivitets- og ytelsesgevinster.

3. Motstandsdyktighet mot korrosjon

Aluminium har et naturlig utviklet beskyttende lag via oksiddannelsen, og profilene kan også belegges med anodisering og pulverlakkering, noe som ytterligere øker styrken og levetiden til produktene som kontinuerlig oppholder seg i et utendørs miljø eller under andre tøffe omstendigheter.

4. Kostnadseffektivitet

Ekstrudering er en masseproduksjonsmetode som gjør det mulig å produsere standardprofiler i en svært effektiv og kostnadseffektiv prosess, med begrenset materialsvinn. Gjenvinning av aluminiumskrap i prosessen reduserer utgiftene ytterligere.

5. Bærekraft

Aluminium kan resirkuleres 100 prosent uten at det mister sine egenskaper. Ekstruderingsprosesser gjør bruk av rester og skrap, som kan brukes på nytt for å sikre en miljøvennlig produksjonsprosess.

6. Mangfold i bransjene

Ekstrudert aluminium har bruksområder innen bygg og anlegg, bilindustri, romfart, elektronikk og forbruksvarer, noe som gjør det til et av de mest fleksible materialene for å løse ulike tekniske problemer.

Begrensninger ved ekstrudering av aluminium

Som i alle andre prosesser har også ekstrudering sine utfordringer:

• Oppstartskostnader: Å lage matriser er en dyktig og kostbar prosess.
• Begrensning i størrelse: Stykker som er svært store, er kanskje ikke praktiske med tanke på pressekapasiteten.
• Overflatedefekter: Dårlig temperatur- eller trykkregulering kan føre til sprekker eller ujevn finish.
• Tap av materialavfall: Noe av materialet går tapt under ekstruderingsprosessen.

Til tross for disse manglene reduserer forskning og teknologisk utvikling stadig de negative konsekvensene.

Fremtiden og aluminium med innovasjoner innen ekstrudering av aluminium

Aluminiumekstruderingsfabrikker er i endring ved hjelp av teknologiske endringer. Blant trendene som er verdt å nevne, er økningen i antall medlemmer av Kinas kommunistparti.

• Robotteknologi og automatisering: Robotisering og automatisering er i ferd med å bli bærebjelken i presisjonshåndteringen for å eliminere menneskelige prosedyrer.
• Avanserte legeringer: Fremskritt i hvordan man kan gjøre aluminiumslegeringer sterkere og mer spesifikke øker bruksområdene deres.
• Bærekraftig praksis: Øke resirkuleringsgraden og effektivisere energibruken ved ekstrudering.
• 3D-ekstruderingstrykk: Dette er en kombinasjon av ekstrudering og additiv produksjon som gir rask prototyping.

Siden industrien krever lette og sterke materialer som også er bærekraftige, er aluminiumprofiler på vei til å bli en enda mer aktiv deltaker i den globale økonomien.

Konklusjon

Ekstruderingsteknikker for aluminium danner grunnlaget for moderne produksjon, og kan brukes til å skape sterke, lette og allsidige deler og komponenter som kan brukes i en lang rekke bransjer. Med spesialiserte matriser kan produsentene ekstrudere høyoppvarmede aluminiumsblokker til kontinuerlige profiler med svært presise dimensjoner og komplekse former. Prosessen kan være svært fleksibel, og alt fra enkle staver eller rør til komplekse profiler til arkitektur- eller bilindustrien kan produseres i denne prosessen.

Ekstrudering har følgende store fordeler: Fleksibel design: Ekstrudering kan produsere et stort antall design. Styrke i forhold til vekt: Det ekstruderte materialet gir et høyt styrke/vekt-forhold. Korrosjonsbestandighet: Ekstrudering kan produsere materialer med høy korrosjonsbestandighet. Kostnadseffektivt: Ekstrudering er økonomisk. Resirkulering: Ekstruderingen kan resirkuleres. Ekstrudering kan brukes på et utall områder: fra bygg og anlegg, transport og romfart til elektronikk og forbruksvarer, noe som viser hvor viktig det er i hverdagen og for industriell innovasjon.

Selv om det finnes ulemper ved ekstrudering av aluminium, spesielt kostnadene ved de første formene og størrelsesbegrensningene, øker potensialet for denne produksjonsformen med den pågående satsingen på automatisering, legeringsutvikling og prosesskontroll. Etter hvert som industrien blir mer orientert mot lette, holdbare og miljøvennlige produkter, er ekstrudering av aluminium i ferd med å bli den viktigste aktøren som tar ledelsen i bransjen.

Ofte stilte spørsmål 

1. Hva er prinsippet for ekstrudering av aluminium?

Dette brukes til å produsere lange aluminiumstrukturer i spesifikke former for å sikre nøyaktighet, styrke og lav vekt for en gitt applikasjon.

2. Hvilke bransjer benytter seg ofte av aluminiumprofiler?

Ekstruderte aluminiumsdeler brukes i stor utstrekning i bygg- og anleggsbransjen, bilindustrien, romfart, elektronikk, transport og forbruksvarer.

3. Hva er kontrasten mellom varm- og kaldprofilering?

Ved varmpressingen brukes varmere emner for å gjøre det lettere å få plattformen til å flyte, mens kaldpressing skjer ved eller nær romtemperatur, noe som gir mer krevende og finjusterte profiler.

4. Er aluminiumprofiler resirkulerbare?

Aluminium kan resirkuleres fullt ut uten kvalitetsnedgang, og ekstruderingstapmaterialet kan resirkuleres effektivt.