Unabhängig davon, ob Sie ein Anfänger in der Aluminiumextrusion oder ein erfahrener Extrusionsdesigner sind, ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie Extrusionswerkzeuge zur Herstellung verschiedener Profilformen konstruiert werden und wie sich diese Unterschiede auf die Herstellungskosten der Matrize auswirken.
Was ist eine Extrusionsdüse?
Eine Extrusionsdüse ist im Wesentlichen eine dicke, kreisförmige Stahlplatte mit einer oder mehreren Öffnungen, die verwendet werden, um die gewünschte Form zu bilden. Sie werden in der Regel aus H-13-Werkzeugstahl hergestellt und wärmebehandelt, um dem Druck und der Hitze standzuhalten, die entstehen, wenn heißes Aluminium durch die Matrize läuft.
Aluminium mag weich erscheinen, aber in Wirklichkeit ist ein enormer Druck erforderlich, um einen massiven Aluminiumknüppel durch die poröse Matrize zu drücken, um die gewünschte Form zu erzeugen.
Zum Beispiel erfordert das Schieben eines Aluminiumknüppels durch eine 8-Zoll-Presse (ca. 20 cm) eine Kraft von 100.000 bis 125.000 psi.
Zum Vergleich: Eine Hochdruck-Autowaschdüse sprüht Wasser mit einer Temperatur von etwa 2.500 psi, und eine Erhöhung des Drucks auf 5.000 psi kann Ziegel an einem Gebäude zerstören.
Kategorien von Werkzeugprofilen
Während beim Aluminium-Strangpressen viele Formen erzeugt werden können, werden die verwendeten Matrizen in drei Kategorien unterteilt: Vollmatrizen, Halbhohlmatrizen und Hohlmatrizen.
Massive Matrizen
Massive Matrizen werden verwendet, um endgültige Formen ohne eingeschlossene Hohlräume oder Öffnungen zu erstellen, wie z. B. Stäbe, Balken oder Winkel. Infolgedessen sind die Herstellungskosten von Vollmatrizen in der Regel niedriger als die anderer Arten von Matrizen.
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Hohlmatrizen
Hohlmatrizen werden verwendet, um Profile mit einem oder mehreren Hohlräumen herzustellen, wie z. B. einfache Rohre mit einem einzigen Hohlraum oder komplexe Profile mit mehreren feinen Hohlräumen.
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Aufgrund der zusätzlichen Komponenten haben Hohlmatrizen höhere Material- und Werkzeugkosten, und im Allgemeinen gilt: Je mehr Hohlräume vorhanden sind, desto höher sind die Kosten.
Halbhohle Matrizen
Halbhohle Matrizen erzeugen Profile, die fast hohl sind, mit teilweise geschlossenen Hohlräumen.
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Beispiel für ein Zungenverhältnis
Massive Matrizen können auch teilweise geschlossene Voids haben, aber der Unterschied liegt im Verhältnis zwischen der Voidfläche und dem Spalt an der Verbindung zwischen Zunge und Matrizenkörper. Dieses Verhältnis wird als Zungenverhältnis bezeichnet.
Das Zungenverhältnis von halbhohlen Matrizen ist höher als das von massiven Matrizen, was die Komplexität der Herstellung und damit die Kosten erhöht.
Support-Tools
Matrizen erfordern hochbelastbare Stützwerkzeuge, um eine korrekte Ausrichtung und Sicherheit während der Verarbeitung zu gewährleisten. Zu den wichtigsten Stützwerkzeugen gehören der Matrizenring, die Trägerplatte, die Distanzplatte und die zusätzliche Distanzplatte.
- Düsenring: Umhüllt den Düsenkopf und bietet Halt und Ausrichtung, um sicherzustellen, dass der Düsenkopf während der Extrusion in der richtigen Position bleibt.
- Trägerplatte: Verstärkt die Matrize, hält dem Knüppeldruck stand und ist in der Regel zwei- bis dreimal dicker als die Matrize.
- Distanzplatte: Bietet Unterstützung, Ausrichtung und gleichmäßige Druckverteilung.
- Zusätzliche Distanzplatte: Wird verwendet, wenn der Matrizensatz zu kurz ist, um die Länge des Matrizensatzes zu verlängern, um die Anforderungen zu erfüllen.
Stanzformen
Das Aluminium-Extrusionsverfahren beruht auf Druckwerkzeugen, um die Temperatur zu kontrollieren und das Aluminium durch die Matrize zu drücken.
Zu den wichtigsten Komponenten der Pressmatrize gehören der Dorn, der Extrusionsblock, der Behälter, der Liner, der Düsenschieber und das Hufeisen.
- Dorn: Erweitert den Bewegungsbereich des Stanzwerkzeugs und hilft beim Bewegen des Knüppels.
- Extrusionsblock: Schützt den Dorn und verteilt den Druck gleichmäßig.
- Behälter: Hält die optimale Temperatur des Aluminiumknüppels aufrecht.
- Containerauskleidung: Reduziert den Verschleiß und verbessert die Leistung.
- Schieber der Matrize: Stützt die Presse und sorgt für die Ausrichtung.
- Hufeisen: Fixiert und richtet den Matrizenring aus.
Die richtige Werkzeugkonstruktion und -wartung sind entscheidend für die Optimierung der Extrusionsleistung und die Minimierung von Ausfallzeiten.
Design der Aluminium-Extrusionsdüse
Ein effektives Werkzeugdesign ist ein wichtiger Aspekt des Aluminium-Extrusionsprozesses, da es sich direkt auf Qualität, Effizienz und Kosteneffizienz auswirkt.
In der Praxis hängt der Designprozess stark von der Erfahrung und Intuition des Designers ab. Konstrukteure berücksichtigen jedoch bei jedem Werkzeugdesign immer mehrere Schlüsselprinzipien und -techniken.
- Die Sicherstellung eines gleichmäßigen Materialflusses ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Extrusionsqualität und der Lebensdauer der Werkzeuge.
- Um Fehler wie Turbulenzen und Verwerfungen zu reduzieren, kann der Materialfluss durch Anpassung der Werkzeuglagerlänge, der Werkzeugoberflächenlänge und des Strömungskanaldesigns optimiert werden.
- Längere Lagerlängen eignen sich für dickere Bereiche, um die Durchflussmenge zu verlangsamen und sicherzustellen, dass sowohl dicke als auch dünne Bereiche synchron fließen.
- Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) kann den Extrusionsprozess simulieren und dabei helfen, potenzielle Probleme im Voraus zu identifizieren.
- Das Wärmemanagement ist von entscheidender Bedeutung. Die Matrize sollte über Kühl- und Heizsysteme verfügen, um stabile Temperaturen aufrechtzuerhalten und Defekte durch Temperaturschwankungen zu vermeiden.
- Oberflächentechnik, wie z. B. Nitrieren und Verchromen, kann die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der Matrize verbessern und einen reibungslosen Extrusionsprozess gewährleisten.
- Die Auswahl von Materialien wie H13, die eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit bieten, gewährleistet einen langfristigen Düsenbetrieb.
Bei Chalco stellen wir unsere eigenen Werkzeuge her und kaufen auch Werkzeuge von unabhängigen Werkzeugherstellern.
Wir entwickeln Design-Support-Tools, um ein effizientes Design von Extrusionswerkzeugen zu erreichen, Matrizen zu korrigieren, um die Produktionseffizienz zu optimieren, und die Leistung von Matrizen zu untersuchen.
Wir verbessern kontinuierlich unsere Fertigungsprozesse, um Ihre Kosten zu senken, indem wir die folgenden Methoden anwenden:
- Simulation des Materialflusses in Werkzeugen
- Integration mit computergestützten Konstruktionssystemen zur Berechnung des Strömungswiderstands an den Anschlüssen, der Dorndurchbiegung und der Spannung im Steg
- Wärmebehandlung von Werkzeugstählen
- Oberflächenbehandlung von Matrizen mit Methoden wie Nitrieren, Nitrieren und Aufkohlen, chemischer Gasphasenabscheidung und Plasmagasphasenabscheidung.
Kosten für Aluminium-Extrusionsdüsen
Die Komplexität der Matrize ist ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Kosten für Aluminium-Strangpressprofile. Es gibt auch gewisse Einschränkungen bei der Senkung der Stückpreise durch Erhöhung der Menge.
Die Kosten für Aluminium-Strangpresswerkzeuge werden von mehreren Faktoren beeinflusst, und die folgenden Punkte sollten berücksichtigt werden:
- Eine effiziente Werkzeugkonstruktion und Prozessplanung sind entscheidend, um die Gesamtkosten zu senken.
- Fortschrittliche Designwerkzeuge, wie z. B. merkmalsbasierte neuronale Netze und CAD-Systeme, helfen dabei, den Designprozess zu optimieren und Fehler und Nacharbeiten zu reduzieren.
- Regelmäßige Wartung und Reparaturen von Werkzeugen tragen dazu bei, die Lebensdauer der Matrize zu verlängern und Ausfallzeiten und ausfallbedingte Kosten zu reduzieren.
- Bei der Materialauswahl sollten die anfänglichen Produktionskosten, die Leistung und die Lebensdauer der Matrize in Einklang gebracht werden.
- Hochwertige Werkzeugstähle wie H13 sind zwar anfangs teurer, sparen aber aufgrund ihrer hervorragenden Verschleißfestigkeit und Langlebigkeit auf lange Sicht Ausfallzeiten und Wartungskosten.
- Die Komplexität des Profils erhöht die Werkzeugkosten, die Komplexität des Fertigungsprozesses und die Wartungskosten.
- Hohe Produktionsmengen können die Investition in teurere Werkzeugmaterialien oder -prozesse kostengünstiger machen und so die Stückkosten senken.
Um Kosten und Leistung in Einklang zu bringen, wenden Hersteller in der Regel Kosteneinsparungsstrategien an, wie z. B.:
- Wann immer möglich unter Verwendung standardisierter Werkzeugprofile
- Optimierung des Werkzeugdesigns zur Verbesserung des Materialflusses und zur Reduzierung des Verschleißes
- Implementierung von vorbeugenden Wartungs- und Nacharbeitsplänen, um die Lebensdauer der Werkzeuge zu verlängern.
Hersteller von Aluminium-Extrusionswerkzeugen
- Chalco: Bietet in erster Linie Aluminiumprodukte und die Herstellung von Extrusionswerkzeugen sowie Aluminiumverarbeitungsanlagen an.
- Hydro Extrusion North America: Bietet Aluminium-Extrusionswerkzeuge und Umformdienstleistungen mit mehreren Produktionsstätten an.
- Alcoa Corporation: Ein weltweit führendes Unternehmen in der Aluminiumproduktion, das auch Lösungen für Aluminium-Extrusionswerkzeuge anbietet.
- Exlabesa Aluminium: Bietet Aluminium-Strangpresswerkzeuge und -profile, die in verschiedenen Branchen, einschließlich Bauwesen und Automobil, weit verbreitet sind.
- Franz A. Wagner GmbH: Spezialisiert auf kundenspezifische Aluminium-Strangpresswerkzeuge, die in verschiedenen Branchen weit verbreitet sind.
- SMS group: Einer der weltweit führenden Ausrüster ist einer der weltweit führenden Anbieter von Aluminium-Strangpresswerkzeugen und kompletten Lösungen für die Aluminiumverarbeitung.
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Branchenstandards und Best Practices
Die Einhaltung von Branchenstandards und Best Practices ist entscheidend für die Gewährleistung von Produktqualität, Sicherheit und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften.
Zu den prominenten Organisationen und Verbänden, die für die Erstellung dieser Richtlinien für die Aluminiumextrusionsindustrie verantwortlich sind, gehören:
Der Extrusionsprozess umfasst in der Regel die folgenden Schritte
- Vorwärmen des Knüppels: Der Aluminiumknüppel (massiver zylindrischer Stamm) wird je nach Legierung auf die erforderliche Temperatur vorgewärmt, in der Regel etwa 700-930 °F (370-500 °C), um die für die Extrusion erforderliche Plastizität zu erreichen.
- Containerverladung: Der vorgewärmte Knüppel wird in einen beheizten Container geladen, der Teil der Strangpresse ist.
- Vorschub beim Stanzen: Eine hydraulische Stanzpresse übt einen immensen Druck aus, normalerweise zwischen 1.000 und 15.000 Tonnen, und drückt das erweichte Aluminium durch die Werkzeugöffnung.
- Profilextrusion: Wenn das Aluminium durch die Matrize geschoben wird, nimmt es die Form der Matrizenöffnung an und bildet das gewünschte Profil.
- Profilkühlung und -behandlung: Das extrudierte Profil wird entweder durch Luft oder Wasser gekühlt und dann zur weiteren Verarbeitung wie Strecken, Bearbeitung und Oberflächenbehandlung übertragen.
Während des gesamten Extrusionsprozesses spielt die Matrize eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Maßhaltigkeit, der Oberflächengüte und der allgemeinen Produktqualität.
Faktoren wie Werkzeugdesign, Materialfluss und Wärmemanagement wirken sich erheblich auf die Qualität und Effizienz der Extrusion aus.
Wie lange halten Extrusionswerkzeuge?
Das Profildesign (z. B. dünne Wände, unausgewogene Formen und hervorstehende Beine) kann zu Wärmestau und ungleichmäßigem Druck führen, was die größten Faktoren sind, die die Lebensdauer der Matrize verkürzen.
Erfahrene Konstrukteure von Extrusionsmaschinen entwickeln geeignete Werkzeuge, um Wärme- und Druckungleichgewichte zu kontrollieren und die Extrusionsgeschwindigkeit zu reduzieren, um die Lebensdauer der Werkzeuge zu verlängern, aber letztendlich müssen die Werkzeuge ausgetauscht werden. Glücklicherweise können die meisten Extrusionsmaschinen die Kosten für den Austausch der Matrize tragen.
Konstrukteure sollten jedoch verstehen, welche Designentscheidungen den größten Einfluss auf die Vorabkosten der Stanzform haben, bevor sie Entwürfe an die Aluminium-Extrusionsmaschine senden.
Durch die Anpassung des Profildesigns, der Toleranzeinstellungen und der Legierungsmaterialien können Tausende von Dollar an Werkzeugkosten eingespart werden.
Wartung und Fehlerbehebung
Die ordnungsgemäße Wartung und Fehlerbehebung von Aluminium-Extrusionswerkzeugen ist entscheidend, um eine stabile Leistung zu gewährleisten, die Lebensdauer der Form zu maximieren und Ausfallzeiten zu minimieren.
Zu den häufig auftretenden Problemen und Wartungspraktiken gehören:
- Im Laufe der Zeit verschleißen Werkzeugöffnungen aufgrund von hohem Druck und hoher Temperatur. Regelmäßige Inspektionen und Wartungen können die Lebensdauer der Matrize verlängern.
- Kratzer und Ablagerungen auf der Werkzeugoberfläche können die Profilqualität beeinträchtigen. Die richtige Reinigung und Oberflächenbehandlung kann diese Probleme mildern.
- Ungleichmäßiges Heizen oder Abkühlen kann zu Verformungen oder ungleichmäßigem Materialfluss führen. Ein gutes Wärmemanagementsystem ist unerlässlich.
- Eine Fehlausrichtung oder eine unzureichende Unterstützung der Werkzeugkomponenten kann die Maßgenauigkeit beeinträchtigen und die Lebensdauer der Matrize verkürzen, was regelmäßige Ausrichtungsanpassungen erfordert.
- Ein umfassender vorbeugender Wartungsplan, einschließlich regelmäßiger Inspektionen und Reinigungen, kann die Lebensdauer der Werkzeuge erheblich verlängern und Ausfallzeiten reduzieren.
- Fortschrittliche Diagnosetools (z. B. Finite-Elemente-Analyse) helfen dabei, die Ursachen zu identifizieren und effektive Lösungen zu finden.
Zusammenarbeit und Kommunikation
Erfolgreiche Aluminium-Extrusionsprojekte erfordern in der Regel die gemeinsamen Anstrengungen verschiedener Beteiligter, darunter Werkzeugdesigner, Hersteller, Extruder und Endverbraucher.
Effektive Kommunikation und Koordination sind entscheidend, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Konstrukteure: Werkzeugkonstrukteure sind entscheidend für die Umsetzung von Produktanforderungen in optimierte Werkzeugdesigns, die Leistungs-, Qualitäts- und Kostenziele erfüllen. Die enge Zusammenarbeit mit Herstellern und Extrudern gewährleistet die Kompatibilität mit bestehenden Prozessen.
Hersteller: Werkzeughersteller bringen Fachwissen in den Bereichen Werkzeugherstellung, Materialauswahl und Produktionsprozesse mit. Sie stellen sicher, dass das Design innerhalb von Toleranzen und Qualitätsstandards herstellbar ist.
Extruder: Extruder verfügen über fundierte Kenntnisse der Extrusionsprozesse, einschließlich der Pressfunktionen, der Werkzeuganforderungen und der Prozessparameter. Ihr Input stellt sicher, dass die Matrize die Extrusionsbedingungen und Produktionsanforderungen erfüllt.
Endbenutzer: Endbenutzer geben wichtige Einblicke in Funktions-, Leistungs- und Anwendungsanforderungen, die in das Design und den Prozess integriert werden sollten.
Eine offene Kommunikation und ein regelmäßiger Informationsaustausch zwischen den Beteiligten helfen dabei, potenzielle Probleme frühzeitig im Projekt zu erkennen und anzugehen.
Diese Zusammenarbeit gewährleistet eine erfolgreiche Werkzeugkonstruktion und -herstellung und treibt gleichzeitig die kontinuierliche Verbesserung und Innovation in der Aluminiumextrusionsindustrie voran.
Aufkommende Trends und zukünftige Entwicklungen
Die Aluminiumextrusionsindustrie entwickelt sich ständig weiter, angetrieben durch technologische Fortschritte, Veränderungen der Marktnachfrage und den Drang nach Verbesserung der Effizienz, Präzision und Lebensdauer der Werkzeuge.
Zu den aufkommenden Trends und zukünftigen Entwicklungen, die die Landschaft der Aluminium-Extrusionstechnologie prägen, gehören:
- Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen werden eingesetzt, um das Werkzeugdesign und die Prozesse zu optimieren, die Effizienz zu verbessern, Abfall zu reduzieren, die besten Extrusionsparameter vorherzusagen und eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen.
- Obwohl kontinuierlich neue Beschichtungen entwickelt werden, bedarf ihre Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit nach unserer Erfahrung in den meisten Anwendungen noch einer weiteren Validierung.
- Additive Fertigungstechnologien wie das selektive Laserschmelzen (SLM) werden eingesetzt, um komplexe Werkzeuggeometrien zu erzeugen, das Wärmemanagement zu verbessern und die Produktionseffizienz zu steigern.
- Fortschrittliche Simulationssoftware und Modellierungstechnologien werden in der Werkzeugkonstruktion häufig eingesetzt, um den Materialfluss und das thermische Verhalten vorherzusagen und Designiterationen zu optimieren, wodurch die Effizienz und Kosteneffizienz gesteigert wird.
- Die Aluminiumextrusionsindustrie treibt nachhaltige Energiesparpraktiken voran, indem sie Designs optimiert, alternative Materialien und Herstellungsprozesse erforscht und Recycling- und Wiederverwendungsstrategien umsetzt.
Diese Fortschritte treiben die Aluminiumextrusionsindustrie zu höherer Präzision, Effizienz und Nachhaltigkeit und erfüllen damit die sich wandelnden Anforderungen von Sektoren wie Automobil, Luft- und Raumfahrt und Bauwesen.