Was ist das Aluminium-Extrusionsverfahren?

Was ist Aluminiumextrusion?

Die Aluminiumextrusion ist ein Umformverfahren, bei dem ein vorgewärmter Aluminiumlegierungsblock (auf 350–500 °C erweicht) in den Behälter einer Extrusionspresse eingelegt wird. Durch Druck wird der Block durch die Öffnungen (Matrizen) der Form gepresst und erfährt dabei eine gerichtete plastische Verformung. Dieses Verfahren liefert Teile oder Halbzeuge mit der gewünschten Querschnittsform, den gewünschten Abmessungen und spezifischen mechanischen Eigenschaften.

Das Extrudieren ist wie das Ausdrücken von Zahnpasta.

Während dieses Prozesses erfährt die Aluminiumlegierung plastische Verformung und Querschnittsumformung:

• Die Metallpartikel im Inneren des Rohlings bewegen sich in Richtung der Matrizenkavität.
• Die Körner werden verlängert und neu angeordnet.
• Die mechanischen Eigenschaften des Materials können durch Verformungsverfestigung verbessert werden.

Bei komplexen Hohlprofilen, wie dem in der Abbildung dargestellten Crash-Träger für Kraftfahrzeuge, wird der Aluminiumrohling unter Druck in mehrere Metallströme aufgeteilt. Diese Ströme passieren die Öffnungen und vereinigen sich in der Schweißkammer. Dort werden sie unter Hochtemperatur-, Hochdruck- und Hochvakuumbedingungen erneut verschweißt und fließen schließlich durch den Spalt zwischen Dorn und Düsenöffnung aus. So entstehen Rohr- oder Hohlprofile, die die geforderten Abmessungen und Eigenschaften erfüllen. Falls ein Biegen erforderlich ist, wird der nachgelagerten Anlage ein Biegewerkzeug hinzugefügt.

Extrusionsdüse

Als Produktstrukturdesigner entwickeln wir zwar nicht die Aluminium-Extrusionswerkzeuge, aber das Verständnis ihrer grundlegenden Struktur und der Mechanismen, die zur Herstellung verschiedener Profile führen, ist unerlässlich. Dieses Wissen hilft uns, Konstruktionen zu optimieren, die Werkzeugkosten zu senken und die Produktionseffizienz von Extrusionsteilen zu steigern.

Was ist eine Extrusionsdüse?

Eine Strangpressdüse ist im Grunde eine dicke, kreisförmige Stahlscheibe mit einer oder mehreren Öffnungen zur Formgebung des gewünschten Profils. Sie besteht typischerweise aus H13-Werkzeugstahl und wird wärmebehandelt, um dem Druck und der Hitze beim Durchpressen des heißen Aluminiums standzuhalten. Obwohl Aluminium ein relativ weiches Metall ist, ist erheblicher Druck erforderlich, um einen massiven Aluminiumblock durch eine dünne, poröse Aluminium-Strangpressdüse zu pressen und die gewünschte Form zu erhalten.

Werkzeugklassifizierung

Basierend auf der Querschnittsform des extrudierten Aluminiumteils werden die entsprechenden Werkzeuge in 3 Typen kategorisiert:

1. Massive Matrizen
2. Halbhohle Matrizen
3. Hohlformen

Unter diesen weist die Hohlmatrize die komplexeste Struktur auf, ist anfällig für Verschleiß und Brüche und hat die höchsten Kosten.

Aluminium-Extrusionsmaterialien

Geeignete Aluminiumlegierungen für die Strangpressung sind unter anderem die Serien 2XXX, 6XXX und 7XXX. Die Serie 6XXX ist aufgrund ihres hohen Preis-Leistungs-Verhältnisses am weitesten verbreitet.

Aluminium der 5XXX-Serie: Hauptsächlich 5052. Diese Legierungen zeichnen sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit, aber geringere Festigkeit aus. Sie eignen sich für Anwendungen mit geringer Beanspruchung und hoher Korrosionsbeständigkeit, wie sie häufig im Bauwesen vorkommen.

Aluminium der 6XXX-Serie: Hauptsächlich 6061, 6063, 6005 und 6082. Sie enthalten Magnesium und Silizium und weisen eine gute Extrudierbarkeit auf. Nach der Wärmebehandlung T6 erreichen sie eine mittlere Festigkeit und sind kostengünstiger. Diese Serie ist das am häufigsten verwendete Extrusionsmaterial für Elektrofahrzeuge.

Beispiel 1 : Motorgehäuse werden aus 6061 extrudiert, um komplexe Querschnitte mit integrierten Kühlkanälen zu realisieren. 6061 bietet zudem eine bessere Wärmeableitung (Wärmeleitfähigkeit 201 W/m·K).

Aluminiumlegierungen der 7XXX-Serie: Hauptsächlich 7075. Sie zeichnen sich durch extrem hohe Festigkeit aus. Das Strangpressen ist aufgrund des erforderlichen höheren Drucks und präziserer Werkzeuge schwierig. Sie eignen sich für Bauteile mit hohen Festigkeitsanforderungen, wie beispielsweise die in der Abbildung dargestellten, in Automobilen verwendeten Strangpressprofile aus Aluminiumlegierung.

Vorteile der Aluminiumextrusion

Hohe Maßgenauigkeit

Unterschiedliche Herstellungsverfahren für Aluminiumlegierungen führen zu unterschiedlichen Genauigkeitsgraden. Bei im Vakuum- Druckgussverfahren hergestellten Strukturbauteilen sind die Maßabweichungen aufgrund von Schwindung und Verformung durch die Wärmebehandlung oft erheblich und erreichen mitunter 1–3 mm. Im Gegensatz dazu erzielt das Aluminium-Extrusionsverfahren im Allgemeinen eine höhere Querschnittsgenauigkeit mit stabileren und besser kontrollierbaren Abmessungen.

Durch hochpräzise Werkzeugbearbeitung und -modifikation erfüllen Aluminium-Strangpressprofile für die Automobilindustrie die Anforderungen an die Maßgenauigkeit vieler Automobilprodukte . Allein die Querschnittsform der Strangpressprofile entspricht in der Regel den Produktanforderungen und liegt innerhalb von 1 mm. Daher ist die Aluminium-Strangpressung hinsichtlich der Maßgenauigkeit ein ausgereiftes, überlegenes und wettbewerbsfähiges Verfahren.

Weniger Fertigungsschritte

Da Aluminium-Strangpressprofile komplexe und vielfältige Querschnitte aufweisen können und die Wandstärkengestaltung einen hohen Gestaltungsspielraum bietet, erreichen die Rohlinge aus dem Strangpressverfahren eine hohe Maßgenauigkeit. Dies minimiert die Anzahl der Konstruktionsteile und die Fertigungsschritte vom Strangpressrohling bis zum fertigen Bauteil. Die Teile können durch Bearbeitungsprozesse wie Schneiden, Bohren, Stanzen, Zerspanen und Biegen direkt weiterverarbeitet werden. Bei Bedarf kann zusätzlich eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, um die mechanischen Eigenschaften anzupassen.

Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit

Aluminium findet in der Automobilindustrie breite Anwendung zur Wärmeübertragung in Kühl- und Heizsystemen. Aluminiumlegierungen weisen im Vergleich zu den meisten anderen Metallen eine überlegene Wärmeleitfähigkeit pro Gewichtseinheit auf. Beispiele hierfür sind Kühlkörper in elektrischen Antriebsachsensteuerungen, Kühlmodule an der Fahrzeugfront und Kaltwasserleitungen für Klimaanlagen.

Stranggepresste Aluminiumprofile lassen sich zu Hohlformen (Rohren) formen, um das Risiko von Flüssigkeitslecks zu vermeiden oder zu reduzieren. Kühlwasserkanäle für Motorgehäuse, Wasserrohrverbinder und Kühlleitungen für Akkus werden beispielsweise aus stranggepressten Aluminiumprofilen gefertigt. Darüber hinaus bieten nahtlose Aluminiumprofile in Bereichen mit Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine hervorragende Abschirmung.

Einfache Verbindung und Montage

Aluminiumlegierungsteile lassen sich auf vielfältige Weise verbinden, beispielsweise durch Schweißen, Rührreibschweißen (FSW), mechanische Verbindungen (einschließlich FDS und SPR), Kleben, Einbetten und Schnappverbindungen. Diese Verfahren eignen sich alle zum Verbinden von Aluminiumprofilen mit anderen Werkstoffen. Für die Montage bietet die Verschraubung mit anderen Teilen zahlreiche und flexible Möglichkeiten.

Kurzer Produktionszyklus

Stranggepresste Aluminiumteile bieten einen deutlichen Vorteil bei kurzen Entwicklungszyklen, sei es für die Kleinserienfertigung von Prototypen und Bauteilen mit weicher Werkzeugkonstruktion oder für die Großserienfertigung von Bauteilen mit harter Werkzeugkonstruktion.

• Der Zyklus von der Formenöffnung bis zur Teileproduktion für einfache Aluminium-Strangpressprofile beträgt nur 1 bis 2 Wochen.
• Selbst bei einigen großen, stranggepressten Aluminiumprofilen für die Automobilindustrie mit komplexen Querschnitten, wie z. B. Motorgehäusen und Schwellerträgern, beträgt der Formöffnungszyklus nur etwa 4 Wochen.
• Im Gegensatz dazu liegen die Formöffnungszyklen für Guss- und Stanzteile typischerweise zwischen 4 und 16 Wochen.
• Obwohl schnelles Prototyping über 3D Druck Das Sintern von Metallpulver ermöglicht zwar kürzere Zyklen bei der Einzelteilfertigung, ist aber teurer. Manchmal werden die Anforderungen an die Teileanzahl oder -leistung nicht erfüllt.

Niedrige Chipkosten

Die Kosten für einen Satz Extrusionswerkzeuge für Aluminiumprofile liegen zwischen einigen Tausend und Zehntausenden von Dollar. Dies ist deutlich günstiger als die Kosten für Guss- und Stanzwerkzeuge, die Hunderttausende bis Millionen von Dollar betragen. Für Erstausrüster (OEMs) spart die Verwendung von Strangpressprofilen einen erheblichen Teil der einmaligen Investitionskosten, reduziert die Kosten für spätere Konstruktionsänderungen und erhöht die Designflexibilität.

Herausforderungen der Aluminiumextrusion

Matrizendesign und -herstellung

Bei Werkzeugen mit komplexem Querschnitt muss der Metallfluss präzise berechnet werden, um lokale Fließprobleme zu vermeiden, die entweder zu schnell (und damit zu Rissbildung, z. B. in dünnen Wänden) oder zu langsam (und damit zu unzureichender Füllung) sind. Die Bearbeitungsgenauigkeit des Werkzeugs muss 0.01 mm erreichen, was hohe Kosten verursacht.

Dimensionale Genauigkeit

Aufgrund der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des Materials sowie Schwankungen der Extrusionsgeschwindigkeit können die Teile Maßabweichungen aufweisen (z. B. Geradheitsfehler von mehr als 0.5 mm/m). Dies erfordert eine Korrektur durch Strecken und Richten sowie eine anschließende Nachbearbeitung.

Oberflächenqualität

Es können Defekte wie Kratzer, Oxidreste und Lufteinschlüsse auftreten. Eine strenge Kontrolle der Oberflächenqualität des Rohlings und der Oberflächenrauheit der Matrize (Ra < 0.8 µm) ist erforderlich.

Extrusion von großformatigen Teilen

Bauteile wie beispielsweise Gehäuse für NEV-Batteriepacks (mit Längen von über 2 m) erfordern Extrusionspressen mit hoher Tonnage (mehr als 5000 Tonnen) und neigen aufgrund ungleichmäßigen Metallflusses zu Verformungen.

Konstruktionsmerkmale von Aluminium-Strangpressteilen

Abmessungen des extrudierten Teils

Die Größe eines extrudierten Teils wird anhand des Umfangskreisdurchmessers (CCD) bewertet. Wie in der Abbildung dargestellt, sollte das Ziel darin bestehen, den CCD zu minimieren.

Vermeiden Sie asymmetrische Strukturen

Der Querschnitt sollte symmetrisch und einfach sein. Asymmetrische und unausgewogene Querschnittsformen erhöhen die Komplexität der Extrusionsproduktion und sind anfällig für Qualitätsprobleme.

• Schwierigkeiten bei der Gewährleistung der Maßgenauigkeit.
• Schwierigkeiten bei der Gewährleistung von Ebenheit.
• Die Teile verziehen sich in der Mitte.
• Geringe Produktionseffizienz.
• Bei der Massenproduktion unterliegen die Werkzeuge einem gewissen Verschleiß.

Wandstärke

Die Wandstärke eines Strangpressprofils hängt vom Material, der Form und dem Durchmesser des Umkreises (CCD) ab. Auch die Form des Strangpressprofils beeinflusst die Wandstärke. Wie in der Abbildung dargestellt (rot für Rohrstrukturen, blau für nicht-rohrförmige Strukturen) [Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen CCD und optimaler Wandstärke], nimmt die optimale Wandstärke mit steigendem CCD zu.

Abgleichen

Die Montagetoleranzen mit anderen Bauteilen (z. B. Batteriemodulen) sollten 0.1 mm betragen. Dadurch werden Montageschwierigkeiten aufgrund von Abweichungen in den Extrusionsabmessungen vermieden. Gleichzeitig muss die Dickentoleranz des Bauteils die Leistungsanforderungen berücksichtigen und einen Sicherheitsspielraum einhalten.