In cosa consiste il processo di estrusione dell'alluminio?

Cos'è l'estrusione di alluminio?

L'estrusione dell'alluminio è un metodo di deformazione plastica in cui una billetta in lega di alluminio preriscaldata (rammollita a 350-500 °C) viene inserita nel contenitore di una pressa per estrusione. Viene applicata una pressione che forza la billetta a fuoriuscire attraverso le aperture (matrici) dello stampo, costringendola a subire una deformazione plastica direzionale. Questo processo produce parti o semilavorati con la forma della sezione trasversale, le dimensioni e le proprietà meccaniche desiderate.

L'estrusione è come spremere il dentifricio.

Durante questo processo, la lega di alluminio subisce un flusso plastico e una rimodellazione della sezione:

• Le particelle metalliche all'interno della billetta si muovono lungo la direzione della cavità dello stampo.
• I grani sono allungati e riorganizzati.
• Le proprietà meccaniche del materiale possono essere migliorate mediante il rinforzo per deformazione.

Per profili cavi complessi, come la trave di protezione per autoveicoli mostrata in figura, il pezzo di alluminio viene suddiviso in diversi flussi metallici sotto pressione. Questi flussi attraversano gli oblò e convergono nella camera di saldatura. Vengono risaldati in condizioni di alta temperatura, alta pressione e alto vuoto, per poi fuoriuscire attraverso l'intercapedine tra il mandrino e l'apertura della matrice. In questo modo si formano profili tubolari o cavi che soddisfano le dimensioni e le prestazioni richieste. Se è necessaria la piegatura, un utensile di piegatura viene aggiunto all'attrezzatura a valle.

Estrusione Die

In qualità di progettisti di strutture di prodotto, sebbene non progettiamo le matrici di estrusione dell'alluminio, è essenziale comprendere la struttura di base delle matrici e il meccanismo con cui formano i diversi profili estrusi. Questa conoscenza aiuta a ottimizzare i progetti, riducendo i costi delle matrici e migliorando l'efficienza produttiva dei componenti estrusi.

Che cosa è una matrice di estrusione?

Una matrice di estrusione è fondamentalmente un disco circolare spesso in acciaio contenente una o più aperture per formare il profilo desiderato. Sono tipicamente realizzate in acciaio per utensili H13 e trattate termicamente per resistere alla pressione e al calore generati dal passaggio dell'alluminio caldo attraverso la matrice. Sebbene l'alluminio sia un metallo relativamente morbido, è necessaria una pressione considerevole per spingere un lingotto di alluminio solido (billetta) attraverso una matrice di estrusione sottile e porosa in alluminio per ottenere la forma desiderata.

Classificazione dei dadi

In base alla forma della sezione trasversale del pezzo estruso in alluminio, le matrici corrispondenti vengono classificate in 3 tipi:

1. Stampi solidi
2. Stampi semi-cavi
3. Stampi cavi

Tra questi, lo stampo cavo ha la struttura più complessa, è soggetto a usura e frattura e ha il costo più elevato.

Materiali di estrusione di alluminio

I materiali in lega di alluminio adatti all'estrusione includono le serie 2XXX, 6XXX e 7XXX. La serie 6XXX è la più utilizzata grazie al suo elevato rapporto costo-efficacia.

Alluminio serie 5XXX: principalmente 5052. Queste caratteristiche offrono un'eccellente resistenza alla corrosione, ma una minore resistenza meccanica. Sono adatte per applicazioni a basso stress e ad alta resistenza alla corrosione, comuni nel settore edile.

Alluminio serie 6XXX: principalmente 6061, 6063, 6005 e 6082. Contengono Mg e Si. Presentano una buona estrudibilità. Dopo il trattamento termico T6, presentano una resistenza moderata e un costo inferiore. Questa serie è il materiale di estrusione più utilizzato nei veicoli a nuova energia (NEV).

Esempio 1 : Gli involucri dei motori sono estrusi in lega 6061 per incorporare sezioni trasversali complesse con canali di raffreddamento integrati. La lega 6061 offre anche migliori prestazioni di dissipazione del calore (la conduttività termica è di 201 W/m·K).

Leghe di alluminio serie 7XXX: principalmente 7075. Offrono una resistenza estremamente elevata. L'estrusione è difficile perché richiede pressioni più elevate e stampi più precisi. Sono adatte per componenti con requisiti di resistenza rigorosi, come i componenti estrusi in lega di alluminio utilizzati nelle automobili, mostrati in figura.

Vantaggi dell'estrusione di alluminio

Elevata precisione dimensionale

I diversi processi di produzione delle leghe di alluminio offrono livelli di precisione variabili. Per i componenti strutturali ottenuti mediante pressofusione sottovuoto , le deviazioni dimensionali sono spesso significative a causa del ritiro e della deformazione dovuti al trattamento termico, raggiungendo talvolta 1-3 mm. Al contrario, il processo di estrusione dell'alluminio generalmente garantisce una maggiore precisione dimensionale della sezione trasversale, con dimensioni più stabili e più facili da controllare.

Grazie alla lavorazione e alla modifica di stampi di alta precisione, i profili estrusi in alluminio per uso automobilistico possono soddisfare pienamente i requisiti di accuratezza dimensionale di molti prodotti per auto . L'accuratezza dimensionale della sola sezione trasversale del profilo estruso solitamente soddisfa i requisiti di progettazione del prodotto, con un'accuratezza dimensionale controllabile entro 1 mm. Pertanto, in termini di accuratezza dimensionale, l'estrusione dell'alluminio è un processo maturo, superiore e competitivo.

Meno passaggi di produzione

Grazie alla possibilità di realizzare profili estrusi in alluminio con sezioni trasversali complesse e diversificate, e all'elevata libertà di progettazione dello spessore delle pareti, i pezzi grezzi ottenuti per estrusione possono raggiungere un'elevata precisione dimensionale. Ciò riduce al minimo il numero di pezzi progettati e le fasi di produzione, dal grezzo estruso al pezzo finito. I pezzi possono essere consegnati pronti per l'uso semplicemente attraverso processi come taglio, foratura, punzonatura, lavorazione meccanica e piegatura. È possibile aggiungere anche un trattamento termico qualora siano necessarie modifiche alle prestazioni meccaniche.

Eccellente conducibilità termica

L'alluminio è ampiamente utilizzato nelle automobili per lo scambio termico in applicazioni di riscaldamento e raffreddamento. Le leghe di alluminio presentano una conduttività termica per unità di peso superiore rispetto alla maggior parte degli altri materiali metallici. Esempi includono i dissipatori di calore nei controller degli assali di trazione elettrica, i moduli di raffreddamento nella parte anteriore dei veicoli e i tubi dell'acqua refrigerata per l'aria condizionata.

I profili estrusi in alluminio possono essere trasformati in forme cave (tubi) per evitare o ridurre il rischio di perdite di liquidi. I canali di raffreddamento dell'acqua per gli involucri dei motori, i connettori dei tubi dell'acqua e le linee di raffreddamento ad acqua per i pacchi batteria utilizzano tutti profili estrusi in alluminio. Inoltre, per le aree con requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC), i profili in alluminio senza saldatura possono fornire un'eccellente schermatura.

Facile collegamento e montaggio

I componenti in lega di alluminio possono essere collegati utilizzando diverse tecniche, come la saldatura, la saldatura a frizione e agitazione (FSW), la giunzione meccanica (inclusi FDS e SPR), l'incollaggio, l'incassatura e l'inserimento a scatto. Questi metodi sono tutti adatti per collegare profili in alluminio ad altri materiali. Per l'assemblaggio, il fissaggio tramite bulloni ad altri componenti offre opzioni ricche e flessibili.

Ciclo di produzione breve

I componenti estrusi in alluminio offrono un vantaggio significativo nei cicli di sviluppo brevi, sia per la produzione di piccoli volumi di veicoli "mulo" e componenti con utensili morbidi, sia per componenti con utensili duri e volumi elevati.

• Per i semplici profili estrusi in alluminio, il ciclo dall'apertura dello stampo alla produzione del pezzo dura solo 1 o 2 settimane.
• Anche per alcuni grandi profili estrusi in alluminio per autoveicoli con sezioni trasversali complesse, come carter motore e travi sottoporta, il ciclo di apertura dello stampo è di sole 4 settimane circa.
• Al contrario, i cicli di apertura degli stampi per la fusione e lo stampaggio di parti variano in genere dalle 4 alle 16 settimane.
• Sebbene la prototipazione rapida tramite stampa 3D e la sinterizzazione di polveri metalliche ha cicli più brevi per la produzione di pezzi singoli, ma è più costosa. A volte non riesce a soddisfare i requisiti in termini di quantità di pezzi o prestazioni.

Basso costo dello stampo

Il costo di un set di matrici di estrusione per profili in alluminio varia da poche migliaia a decine di migliaia di dollari. Si tratta di un costo significativamente inferiore rispetto alle centinaia di migliaia o milioni di dollari richiesti per stampi di fusione e stampaggio. Per gli OEM, l'adozione di componenti estrusi consente di risparmiare una parte sostanziale del costo di investimento una tantum, riduce il costo delle successive modifiche di progettazione e aumenta la flessibilità di progettazione.

Sfide dell'estrusione di alluminio

Progettazione e produzione di stampi

Per stampi con sezioni trasversali complesse, la portata del metallo deve essere calcolata con precisione per evitare flussi localizzati troppo rapidi (che causano cricche, come nel caso di pareti sottili) o troppo lenti (che causano un riempimento insufficiente). La precisione di lavorazione dello stampo deve raggiungere 0.01 mm, il che si traduce in costi elevati.

Precisione dimensionale

A causa della dilatazione e contrazione termica del materiale, nonché delle fluttuazioni nella velocità di estrusione, i pezzi sono soggetti a deviazioni dimensionali (ad esempio, errori di rettilineità superiori a 0.5 mm/m). Ciò richiede una correzione tramite stiramento e raddrizzamento, e successiva lavorazione meccanica.

Qualità della superficie

Possono verificarsi difetti come graffi, residui di ossido e bolle d'aria. È richiesto un rigoroso controllo della qualità superficiale della billetta e della levigatezza (rugosità) della matrice (Ra inferiore a 0.8 µm).

Estrusione di parti di grandi dimensioni

Parti come gli involucri dei pacchi batteria dei veicoli elettrici (con lunghezze superiori a 2 m) richiedono presse di estrusione di grande tonnellaggio (oltre 5000 tonnellate) e sono soggette a deformazione a causa del flusso irregolare del metallo.

Caratteristiche di progettazione delle parti estruse in alluminio

Dimensioni della parte estrusa

La dimensione di un pezzo estruso viene valutata in base al diametro del cerchio circoscritto (CCD). Come illustrato in figura, l'obiettivo dovrebbe essere quello di ridurre al minimo il CCD.

Evitare strutture asimmetriche

La sezione trasversale deve essere simmetrica e semplice. Forme di sezione trasversale asimmetriche e sbilanciate aumentano la complessità della produzione di estrusione e sono soggette a problemi di qualità:

• Difficoltà nel garantire la precisione dimensionale.
• Difficoltà nel garantire la planarità.
• Le parti si deformano al centro.
• Bassa efficienza produttiva.
• Gli stampi sono soggetti a usura durante la produzione di massa.

Spessore parete

Lo spessore della parete di un componente estruso è correlato al materiale, alla forma e al suo diametro circoscritto (CCD). La forma dell'estrusione influenza anche la progettazione dello spessore della parete. Come mostrato in figura (rosso per le strutture tubolari, blu per le strutture non tubolari) [Immagine che mostra la relazione tra CCD e spessore di parete ottimale; lo spessore di parete più adatto aumenta all'aumentare del CCD.

Abbinare

Le tolleranze di assemblaggio con altri componenti (come i moduli batteria) dovrebbero essere di 0.1 mm. Questo previene difficoltà di assemblaggio causate da fluttuazioni nelle dimensioni di estrusione. Allo stesso tempo, la tolleranza dimensionale dello spessore del componente dovrebbe tenere conto dei requisiti prestazionali, mantenendo un margine di progettazione.