Strangpressen erklärt: Prozess, Arten und praktische Anwendungen

Was ist Strangpressen?

Strangpressen (Extrusion) ist ein Verfahren zur Herstellung von Profilen mit konstantem Querschnitt, indem Material durch eine Düse (Matrize) mit dem gewünschten Querschnitt gepresst wird. Die zwei Hauptvorteile gegenüber anderen Fertigungsverfahren sind die Fähigkeit, sehr komplexe Querschnitte zu erzeugen, und die Bearbeitung spröder Werkstoffe, da das Material nur Druck- und Schubspannungen ausgesetzt ist. Zudem entstehen hervorragende Oberflächen und große gestalterische Freiheit.

Beim Ziehen (Drawing) wird das Material mittels Zugkraft durch die Matrize gezogen. Dies begrenzt die Formänderung pro Schritt, sodass es auf einfachere Formen beschränkt ist und meist mehrere Stufen erfordert. Ziehen ist der Hauptweg zur Drahtherstellung. Metallstäbe und -rohre werden oft gezogen.

Strangpressen kann kontinuierlich (theoretisch unbegrenzte Länge) oder diskontinuierlich (viele Einzelstücke) erfolgen. Es kann warm oder kalt durchgeführt werden. Häufig gepresste Materialien sind Metalle, Polymere, Keramik, Beton, Modelliermasse und Lebensmittel. Die Produkte heißen Strangpressprofile (Extrudate).

Auch als „Lochflanschen“ bezeichnet: Hohlräume in Strangpressprofilen können nicht mit einer einfachen flachen Matrize hergestellt werden, da der mittlere Steg nicht gestützt wäre. Stattdessen hat die Matrize Blockform mit Tiefe, beginnend mit einem Profil, das den Mittelabschnitt stützt. Die Matrizenform ändert sich entlang ihrer Länge in die Endform, wobei die freitragenden Mittelstege von der Matrizenseite her gestützt werden. Das Material fließt um die Stützen und verschweißt zum gewünschten geschlossenen Profil.

Das Strangpressen von Metallen kann auch deren Festigkeit erhöhen.

Merkmale des Strangpressens

• Ermöglicht komplexe Querschnitte, die über die gesamte Länge der Strangpressprofile gleichmäßig sind
• Qualitätsbeeinflussende Faktoren: Matrizendesign, Pressverhältnis, Bolzentemperatur, Schmierung, Pressgeschwindigkeit. Siehe detaillierten Designleitfaden für Metall-Strangpressen „How to design parts for direct metal extrusion“ für die 5 Schlüsselvariablen und DFM-Tipps
• Wie andere Umformverfahren warm oder kalt durchführbar, meist bei erhöhten Temperaturen zur Reduzierung der Presskraft und Verbesserung der Duktilität
• Geringe Kosten durch reduzierten Materialverschnitt und hohe Produktionsraten
• Spröde Materialien lassen sich ohne Rissbildung verformen, da nur Druck- und Schubkräfte auf den Rohling wirken
• Gefertigte Teile haben hervorragende Oberflächen, was Nachbearbeitung minimiert
• Metall-Strangpressen erzeugt günstiges, in Pressrichtung orientiertes Fasergefüge
• Mindestwanddicke von ~1 mm (Aluminium) bis ~3 mm (Stahl) erreichbar

Arten des Strangpressverfahrens

Metall-Strangpressen lässt sich je nach Fließrichtung, Kraftübertragungsmedium, Arbeitstemperatur etc. in folgende Kategorien unterteilen:

• Direktes Strangpressen
• Indirektes Strangpressen
• Hydrostatisches Strangpressen
• Lateral- oder Vertikal-Strangpressen
• Warmstrangpressen
• Kaltstrangpressen
• Impact-Strangpressen (Schlagpressen)

1. Direktes Strangpressen

Direktes Strangpressen (auch Vorwärtspressen) ist der häufigste Typ. Ein erhitzter Bolzen (nur bei Warmpressen) wird in einen Presszylinder geladen, hinter dem ein Dummy-Block platziert wird. Ein mechanischer oder hydraulischer Stempel drückt das Material durch die Matrize. Das noch heiße Teil wird anschließend gestreckt, um es zu richten.

Beim direkten Pressen wird die hohe Reibung von Stählen bei hohen Temperaturen durch geschmolzenes Glas als Schmiermittel reduziert, bei niedrigeren Temperaturen werden Öle mit Graphitpulver verwendet. Der Dummy-Block schützt die Stempelspitze beim Warmpressen.

Am Ende des Stempelhubs bleibt ein kleiner Bolzenrest („Butt end“) im Zylinder zurück, der nicht durch die Matrizenöffnung gedrückt werden kann.

Vorteile des direkten Metall-Strangpressens

• Keine Bolzenmodifikation erforderlich
• Für Warm- und Kaltpressen einsetzbar
• Einfacheres Werkzeug im Vergleich zu anderen Pressverfahren

Nachteile des direkten Metall-Strangpressens

• Hohe Kraftaufwendung durch Reibung
• Butt-End-Rest im Zylinder
• Die erforderliche Stempelkraft ändert sich während des Hubs

2. Indirektes Strangpressen

Beim indirekten Strangpressen sitzt die Matrize am Ende des Hydraulikstempels und bewegt sich auf den Bolzen im Zylinder zu, um das Material durch die Matrize zu drücken.

Dieser Prozess benötigt weniger Leistung, da der stehende Bolzenbehälter weniger Reibung am Bolzen verursacht. Allerdings ist das Abstützen des gepressten Teils beim Austritt aus der Matrize schwierig.

Vorteile des indirekten Metall-Strangpressens

• Weniger Reibung und geringerer Leistungsbedarf
• Für Warm- und Kaltpressen einsetzbar
• Einfacheres Werkzeug im Vergleich zu anderen Pressverfahren

Nachteile des indirekten Metall-Strangpressens

• Schwierige Abstützung des gepressten Teils
• Der hohle Stempel begrenzt die aufbringbare Last

3. Hydrostatisches Strangpressen

Beim hydrostatischen Pressen ist die Kammer kleiner als der Bolzen und mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, die die Kraft vom Stempel auf den Bolzen überträgt. Obwohl triaxiale Kräfte durch die Flüssigkeit wirken, verbessert der Druck die Umformbarkeit des Bolzens. Die Abdichtung der Flüssigkeit muss frühzeitig berücksichtigt werden, um Leckagen und Druckverlust zu vermeiden.

Zwar eliminiert die Hydraulikflüssigkeit die Reibung zwischen Wand und Bolzen durch Isolation, doch aufgrund spezialisierter Ausrüstung, hoher Rüstzeiten und niedriger Produktionsraten ist die industrielle Nutzung im Vergleich zu anderen Pressverfahren begrenzt.

Vorteile des hydrostatischen Metall-Strangpressens

• Geringer Kraft-/Leistungsbedarf durch Reibungsfreiheit
• Hohe Produktionsraten & hohe Umformgrade
• Niedrigere Bolzentemperatur
• Gleichmäßiger Materialfluss durch ausgeglichene Kraftverteilung
• Große Bolzen und Querschnitte pressbar
• Kein Bolzenrest im Behälter

Nachteile des hydrostatischen Metall-Strangpressens

• Bolzen müssen durch Anspitzen an einem Ende auf den Matrizeneintrittswinkel vorbereitet werden
• Nur Kaltpressen möglich
• Schwierige Beherrschung des Hochdruckfluids

4. Laterales Strangpressen

Beim lateralen Pressen steht der Behälter vertikal, die Matrize befindet sich an der Seite. Geeignet für niedrigschmelzende Materialien.

5. Impact-Strangpressen (Schlagpressen)

Impact-Extrusion gehört zum Kaltpressen, ähnelt dem indirekten Pressen und ist auf weichere Metalle wie Blei, Aluminium und Kupfer beschränkt. Der Stempel wird mit hoher Geschwindigkeit und extremer Kraft auf den Rohling gedrückt, der rückwärts extrudiert.

Die Wanddicke des Extrudats hängt vom Spalt zwischen Stempel und Matrizenbohrung ab. Die Extrudate werden mittels Abstreifplatte vom Stempel geschoben.

Für Impact-Extrusion wird oft eine mechanische Presse verwendet; das Teil wird bei hoher Geschwindigkeit und kurzem Hub geformt.

Da die Kräfte auf Stempel und Matrize extrem hoch sind, müssen Werkzeuge ausreichende Schlagzähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Festigkeit aufweisen. Impact-Extrusion lässt sich in drei Typen nach Materialfluss unterteilen:

• Vorwärts
• Rückwärts
• Kombination

Bei der Vorwärts-Impact-Extrusion fließt das Material in Kraftrichtung, bei der Rückwärts-Extrusion in entgegengesetzter Richtung.

Vorteile des Impact-Metall-Strangpressens

• Rohstoffeinsparung bis zu 90 %
• Reduzierte Bearbeitungszeiten bis 75 %
• Entfall nachgelagerter Bearbeitungsschritte
• Reduktion mehrteiliger Baugruppen
• Verbesserte mechanische Eigenschaften durch Kaltverfestigung
• Gesamte Teilekostenreduktion bis 50 %
• Hohlwandrohre, einseitig geschlossen, werden oft durch rückwärts Impact-Extrusion gefertigt

Nachteile des Impact-Metall-Strangpressens

• Nur solange das Teil symmetrisch zur Formachse ist
• Viele geimpactete Teile erfordern weitere Fertigungsprozesse wie Schmieden, Eisen oder Zerspanen

Anwendungen des Strangpressens

• Weit verbreitet in der Herstellung von Rohren und Hohlprofilen
• Aluminium-Strangpressprofile im Struktur- und Apparatebau vieler Branchen
• Produktion von Rahmen, Türen, Fenstern in der Automobilindustrie
• Breite Anwendung bei Kunststoffprofilen

Vorteile des Strangpressens

• Hohes Pressverhältnis (Verhältnis Bolzenquerschnitt zu Profilquerschnitt)
• Einfache Erzeugung komplexer Querschnitte
• Bearbeitung sowohl spröder als auch duktiler Materialien
• Hohe mechanische Eigenschaften durch Kaltpressen erreichbar

Nachteile des Strangpressens

• Hohe Investitions- bzw. Rüstkosten
• Hohe Presskräfte erforderlich