Unter Druck: Wie Aluminium-Strangpressteile hergestellt werden

Es ist wahrscheinlich, dass zu jeder Zeit mehrere Projekte in Arbeit sind, womit ich natürlich gemeint habe, dass sie sich in verschiedenen Stadien der Vernachlässigung befinden. Mein aktuelles großes Projekt ist eines, bei dem ich endlich das Gefühl habe, dass ich die Chance habe, einige Materialien mit echtem Hacker-Street-Glauben zu verwenden, wie z. B. stranggepresste Aluminiumprofile mit T-Nut. Wir haben alle das Zeug gesehen, das „Industrial Erector Set“, wie 80/20 ihre Version davon gerne nennt. Und wir alle haben die coolen Projekte gesehen, die damit gemacht wurden, von CNC-Maschinen bis hin zu Messedisplays und in diesen Pandemiezeiten sogar gelegentlich als Hustenschutz in Einzelhandelsgeschäften.

Aluminium-T-Nut-Profile lassen sich wunderbar verarbeiten – stabil, leicht, einfach mit einer Vielzahl von Befestigungselementen zu verbinden und bei sich ändernden Anforderungen stufenlos konfigurierbar und rekonfigurierbar. Es ist keineswegs billig, aber wenn man die eingesparte Herstellungszeit berücksichtigt, kann es durchaus ein Nettovorteil sein, das Material für ein Projekt zu spezifizieren. Dennoch habe ich angesichts der erwarteten Belastung meines Geldbeutels nach günstigeren Alternativen gesucht.

Meine Erkundung führte mich in die verwirrend reiche Welt der Aluminium-Strangpressteile. Selbst wenn man alltägliche Dinge wie Bier und Limonadendosen außer Acht lässt, sind Sie derzeit wahrscheinlich von Produkten aus extrudiertem Aluminium umgeben. Von Computerkühlkörpern über Fensterrahmen bis hin zu den Teilen, aus denen Fliegengittertüren bestehen, ist alles aus stranggepresstem Aluminium gefertigt. Wie genau wird dieses allgegenwärtige Zeug hergestellt?

Der Grundprozess beim Extrudieren von Aluminium ist äußerlich so einfach zu verstehen wie der Extrusionsprozess eines 3D-Druckers: Material erhitzen und durch eine Matrize mit der gewünschten Form und Größe drücken. Doch wenn PLA durch einen riesigen Aluminiumstamm und Bowdenzug und Schrittmotor durch einen riesigen Hydraulikzylinder ersetzt werden, trüben die Details schnell die Einfachheit des zugrunde liegenden Konzepts.

Das Düsendesign ist möglicherweise der kritischste Teil des Extrusionsprozesses. Matrizen müssen bei hohen Temperaturen enormen Kräften standhalten und dabei ihre Formstabilität bewahren. Extrusionsdüsen bestehen zunächst aus runden Stäben aus Werkzeugstahl mit einem Durchmesser von bis zu einem Meter oder mehr, typischerweise jedoch etwa 30 cm. Gesenke haben im Verhältnis zu ihrem Durchmesser normalerweise ein relativ dünnes Profil, da die Reibung, die das Aluminium erfährt, umso größer ist, je länger der Weg ist, den das Aluminium beim Durchgang durch die Gesenk zurücklegt. Mehr Reibung bedeutet mehr Kraft, was größere Pressen, mehr Verschleiß an den Matrizen und allgemein höhere Kosten bedeutet.

Gesenke werden im Allgemeinen von Spezialherstellern hergestellt, die erfahrene Gesenkkonstrukteure und Maschinisten beschäftigen. Der Prozess der Umwandlung eines Entwurfs in eine Matrize beginnt normalerweise mit dem Rohfräsen des Rohlings auf einer CNC-Drehmaschine und geht dann mit einer Reihe von CNC-Fräsvorgängen weiter. Die elektrische Entladungsbearbeitung (EDM) wird in großem Umfang eingesetzt, um die feinen Details zu erhalten, die für eine glatte Oberfläche erforderlich sind, und um die präzise Geometrie zu erreichen, die zur Steuerung des Aluminiumflusses durch die Matrize erforderlich ist.

Die meisten Extrusionen verfügen über eine oder mehrere Hohlkammern, wie das Lumen eines Rohrs oder, im Fall unserer 80/20-Profile, den negativen Raum der T-Nuten und der zentralen Bohrung. Die Matrize muss die Merkmale erzeugen, die erfordern, dass Teile der Matrize im einströmenden Fluss des erweichten Metalls „schwimmen“. Dies erreichen Stanzformhersteller, indem sie diese Elemente an Armen aufhängen, die den Raum im stromaufwärtigen Teil der Stanzform überbrücken. Die Form und Oberflächenbeschaffenheit dieser Arme muss sorgfältig gestaltet werden, damit das Metall um sie herum fließt und sich zu einem gleichmäßigen, kontinuierlichen Materialfluss ohne Hohlräume verbindet, die zu einer Schwächung des Endprodukts führen könnten.

Auch die sorgfältige Berücksichtigung der hydrodynamischen Kräfte, die von und auf das fließende Metall ausgeübt werden, ist bei der Formkonstruktion wichtig. Während die Austrittsseite der Düse ziemlich genau die Größe und Form des fertigen Strangpressteils aufweist, ist die Eintrittsseite alles andere als das. Schätzungen zufolge fließt die Hälfte der beim Strangpressen von Aluminium verbrauchten Energie in die Überwindung der Reibung zwischen dem Metall und der Matrize. Daher ist alles, was getan werden kann, um diese Kräfte zu reduzieren, wie Geld auf der Bank. Der Eingang der Matrize muss so gestaltet sein, dass das eintretende Metall so sanft und einfach wie möglich in die endgültige Form geleitet wird. Dies ist einer der Gründe dafür, dass Matrizenkonstrukteure sehr großzügige Formschrägen über die Breite der Matrize vorsehen.

Es gibt verschiedene Herangehensweisen an den Extrusionsprozess, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile hat. Direktextrusion ist im Grunde das, was Sie vom 3D-Druck kennen, oder wenn Sie jemals eines dieser quetschbaren Dinger in einem Play-Doh-Set verwendet haben: Ein Stück erweichtes Material wird gegen eine Matrize gedrückt, die dann durch die Matrize fließt seine endgültige Form anzunehmen. Bei der indirekten Extrusion wird dies umgekehrt, indem die Matrize dazu gezwungen wird, sich relativ zum Material zu bewegen. Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile und beide führen zu Extrusionen mit unterschiedlichen metallurgischen Eigenschaften.

Bei beiden Verfahren wird ein großer Aluminiumblock, ein sogenannter Knüppel, entweder in einem Gasofen oder durch Induktion erhitzt. Die Temperatur variiert je nach Legierung und Komplexität der Matrize. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Barren nicht geschmolzen, sondern nur erweicht wird. Die Matrize und ein Großteil der hydraulischen Presse werden ebenfalls beheizt, um zu verhindern, dass durch thermische Spannungen irgendetwas in der Maschine kaputt geht, und um zu verhindern, dass das Aluminium zu schnell abkühlt und an der Matrize kleben bleibt.

Aluminium-Strangpressen sind im Allgemeinen horizontal ausgerichtet, wobei ein massiver hydraulischer Stößel über einen schmalen Spalt der Matrize zugewandt ist. Der vorgewärmte Barren wird in den Spalt gelegt und der hydraulische Stößel beginnt, ihn in die Matrize zu drücken (oder bewegt die Matrize beim indirekten Extrudieren über das Material). Das erweichte Metall beginnt in die Hohlräume der Matrize um die Arme herum zu fließen und verengt sich beim Austritt aus der Matrize in die endgültige Form.

Der wachsende Strang verlässt die Presse und wird fast sofort entweder mit Luft oder, was häufiger vorkommt, mit einem Wasserbad abgeschreckt. Der Abschreckvorgang ist wichtig, da das Extrudat beim Austritt aus der Düse noch weich ist und anfällig für Verformungen ist. Durch das Abschrecken wird auch die Kristallstruktur der Metalle in der Legierung festgelegt, wodurch das fertige Strangpressteil seine gewünschten metallurgischen Eigenschaften erhält.

Aber selbst mit dem Abschrecken sind die Extrusionen, die aus der Düse auf die langen Auslauftische gelangen, noch lange nicht vollständig. Die enormen Kräfte, die beim Extrudieren ausgeübt werden, gepaart mit den thermischen Belastungen beim Abschrecken führen zwangsläufig zu Verformungen und Verdrehungen der Profile. Dies wird durch einen Streckvorgang behoben, bei dem die Strangpressteile buchstäblich aufgenommen und mit hydraulischen Werkzeugen über eine lange Strecke gestreckt werden. Dadurch erhält das Profil wieder seine beabsichtigte Form; Durch die Änderung der Profillänge um einige Prozent ändern sich die Profilabmessungen zwangsläufig geringfügig, eine Tatsache, die von den Werkzeugkonstrukteuren berücksichtigt werden muss.

Interessanterweise müssen frische Strangpressteile bei erhöhten Temperaturen etwas gealtert werden, bevor sie ihre endgültige spezifizierte Festigkeit erreichen. Dies geschieht in großen Alterungstürmen je nach Legierung über einen Zeitraum von Stunden bis Tagen. Gealterte Strangpressteile werden dann auf Länge geschnitten, möglicherweise mit einer Endbearbeitung versehen – klare oder gefärbte eloxierte Endbearbeitungen sind für 80/20-Strangpressprofile sehr beliebt, da sie das Aluminium vor Oxidation schützen – und für den Versand verpackt.

Angesichts der Menge an Material, die in eine Aluminiumstrangpressung fließt, und der Investitionen, die für den Betrieb der riesigen Maschinen erforderlich sind, die diese Arbeit erledigen, ist es leicht zu verstehen, warum 80/20-Profile das kosten, was sie leisten. Vielleicht beiße ich jetzt einfach in den sauren Apfel und bestelle, was ich brauche.

Ausgewählte Bilder: F&L Industrial Solutions, Inc.