Was ist Extrusion? - Arbeitsweise, Typen und Anwendung

Was ist Extrusion?

Extrusion ist ein Prozess, der verwendet wird, um Objekte mit einem festen Querschnittsprofil herzustellen, indem Material durch eine Düse mit dem gewünschten Querschnitt gedrückt wird. Seine beiden Hauptvorteile gegenüber anderen Herstellungsverfahren sind seine Fähigkeit, sehr komplexe Querschnitte zu erstellen; und um spröde Materialien zu bearbeiten, da das Material nur Druck- und Scherspannungen ausgesetzt ist. Es erzeugt auch eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit und bietet eine beträchtliche Formfreiheit im Designprozess.

Das Ziehen ist ein ähnlicher Prozess, bei dem die Zugfestigkeit des Materials genutzt wird, um es durch die Matrize zu ziehen. Es begrenzt die Menge an Änderungen, die in einem Schritt durchgeführt werden können, sodass es auf einfachere Formen beschränkt ist und normalerweise mehrere Stufen erforderlich sind. Das Ziehen ist die Hauptmethode zur Herstellung von Draht. Auch Stangen und Rohre aus Metall werden oft gezogen.

Die Extrusion kann kontinuierlich (wobei theoretisch unendlich langes Material produziert wird) oder halbkontinuierlich (wobei viele Teile produziert werden) sein. Dies kann mit heißem oder kaltem Material erfolgen. Üblicherweise extrudierte Materialien umfassen Metalle, Polymere, Keramik, Beton, Modelliermasse und Lebensmittel. Produkte der Extrusion werden allgemein als Extrudate bezeichnet.

Auch als „Lochbördeln“ bezeichnet, lassen sich Hohlräume in extrudiertem Material nicht mit einem einfachen flachen Extrusionswerkzeug herstellen, da es keine Möglichkeit gäbe, die Mittenbarriere des Werkzeugs zu unterstützen. Stattdessen nimmt die Matrize die Form eines Blocks mit Tiefe an, beginnend zuerst mit einem Formprofil, das den Mittelabschnitt stützt.

Die Matrizenform ändert sich dann intern entlang ihrer Länge in die endgültige Form, wobei die aufgehängten Mittelstücke von der Rückseite der Matrize getragen werden. Das Material fließt um die Stützen und verschmilzt, um die gewünschte geschlossene Form zu erzeugen.

Auch die Extrusion von Metallen kann deren Festigkeit erhöhen.

Eigenschaften der Extrusion

• Erzeugt komplexe Querschnitte und ist über die gesamte Länge der Extrudate einheitlich
• Faktoren, die die Qualität der Extrusion beeinflussen, sind Formdesign, Extrusionsverhältnis, Knüppeltemperatur, Schmierung und Extrusionsgeschwindigkeit. Sehen Sie sich den ausführlichen Konstruktionsleitfaden für die Metallextrusion „So konstruieren Sie Teile für die direkte Metallextrusion“ an, um die 5 wichtigsten Konstruktionsvariablen der Metallextrusion und Konstruktionstipps für Design-for-Manufacturing (DFM)-Extrusionskonstruktionen zu verstehen.
• Ähnlich wie alle anderen Metallumformverfahren kann es entweder heiß oder kalt durchgeführt werden, obwohl das Verfahren im Allgemeinen bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird, um die Extrusionskraft zu verringern und die Duktilität des Materials zu verbessern
• Geringe Kosten aufgrund reduzierter Rohstoffverschwendung und hoher Produktionsrate
• Sprödes Material lässt sich ohne Riss verformen, da es nur im Schaftteil Druck- und Scherkräfte ausübt
• Geformte Teile haben eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit, die die Nachbearbeitung minimiert
• Metallextrusion neigt dazu, eine günstige längliche Kornstruktur in Richtung des Materials zu erzeugen.
• Die minimale Wandstärke von ~1mm (Aluminium) bis ~3mm (Stahl) konnte erreicht werden

Arten von Extrusionsprozessen

Die Metallextrusion kann in Abhängigkeit von der Richtung des Extrusionsflusses, dem zum Aufbringen der Kraft verwendeten Medium, der Arbeitstemperatur usw. in die folgenden Kategorien unterteilt und gruppiert werden.

• Direkte Extrusion
• Indirekte Extrusion
• Hydrostatische Extrusion
• Quer- oder Vertikalextrusion
• Heißextrusion
• Kaltextrusion
• Schlagextrusion

1. Direktextrusion

Direkte Extrusion, manchmal auch Vorwärtsextrusion genannt, ist die häufigste Art der Extrusion. Beginnt mit dem Laden eines erhitzten Knüppels (nur für Heißstrangpressen, später besprochen) in einen Presshohlraumbehälter, wo ein Dummy-Block dahinter platziert wird.

Dann drückt der mechanische oder hydraulische Stempel auf das Material, um es durch die Matrize zu drücken. Dann wird das noch heiße Teil gedehnt, um es zu begradigen. Dieser Prozess wird von Core Materials wunderbar animiert.

Beim direkten Strangpressen wird die durch Stähle bei höheren Temperaturen verursachte hohe Reibung durch Verwendung von geschmolzenem Glas als Schmiermittel reduziert, während Öle mit Graphitpulver zur Schmierung bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Der Blindblock dient zum Schutz der Spitze des Pressstempels (Stempel oder Stößel) beim Heißfließpressen.

Wenn der Stempel das Ende seines Hubs erreicht, kann ein kleiner Teil des Knüppels, der als „Stoßende“ bezeichnet wird, nicht durch die Matrizenöffnung gedrückt werden.

Vorteile der direkten Metallextrusion

• Keine Billet-Änderung erforderlich
• Kann sowohl für Heiß- als auch für Kaltextrusion verwendet werden
• Einfache Werkzeugausstattung im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren

Nachteile der direkten Metallextrusion

• Hoher Kraftbedarf durch Reibung
• Stoßende links im Hohlraum
• Die zum Drücken des Stempels erforderliche Kraft ändert sich mit der Bewegung des Stempels

2. Indirekte Extrusion

Bei der indirekten Extrusion befindet sich die Matrize am Ende des Hydraulikkolbens und bewegt sich in Richtung des Barrens innerhalb des Hohlraums, um das Material durch die Matrize zu drücken. Dies ist in Abbildung 2 unten dargestellt.

Dieser Prozess verbraucht weniger Energie, da der statische Knüppelbehälter weniger Reibung am Knüppel verursacht. Das Abstützen des extrudierten Teils ist jedoch schwierig, wenn das Extrudat die Düse verlässt.

Vorteile der indirekten Metallextrusion

• Weniger Reibung und weniger Stromverbrauch
• Kann sowohl für Heiß- als auch für Kaltextrusion verwendet werden
• Einfache Werkzeugausstattung im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren

Nachteile der indirekten Metallextrusion

• Schwierig, das extrudierte Teil zu unterstützen
• Der Hohlstempel begrenzt die aufgebrachte Belastung

3. Hydrostatische Extrusion

Beim hydrostatischen Strangpressen wird die Kammer/der Hohlraum kleiner als der Barren gemacht und mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, die die Kraft vom Stößel auf den Barren überträgt. Obwohl durch das Fluid dreiachsige Kräfte ausgeübt werden, verbessert der Druck die Knüppelformbarkeit auf dem Knüppel. Das Abdichten der Flüssigkeit muss in den frühen Stadien in Betracht gezogen werden, um Leckagen und Probleme mit reduziertem Druck zu vermeiden.

Obwohl die Hydraulikflüssigkeit die Reibung zwischen der Wand und dem Knüppel eliminiert, indem sie sie isoliert, schränken die hohe Rüstzeit und die niedrige Produktionsrate ihre Verwendung in der Industrie im Vergleich zu anderen Extrusionsverfahren aufgrund der speziellen Anforderungen an die Ausrüstung ein.

Vorteile der hydrostatischen Metallextrusion

• Geringer Leistungs-/Kraftbedarf, da keine Reibung
• Schnelle Produktionsraten und hohe Reduktionsraten
• Niedrigere Knüppeltemperatur
• Gleichmäßiger Materialfluss durch ausgewogene Kraftverteilung
• Große Knüppel und große Querschnitte können extrudiert werden
• Es bleiben keine Scheitreste im Behälter zurück

Nachteile der hydrostatischen Metallextrusion

• Knüppel müssen vorbereitet werden, indem ein Ende verjüngt wird, um dem Eintrittswinkel der Matrize zu entsprechen
• Nur Kaltextrusion möglich
• Schwierig, das Hochdruckfluid einzudämmen

4. Seitliche Extrusion

Bei der Querextrusion befindet sich der Behälter in einer vertikalen Position, wie im Bild gezeigt, und die Matrize befindet sich an der Seite. Dieses Verfahren eignet sich für Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt.

5. Schlagextrusion

Fließpressen gehört zur Kategorie der Kaltfließpressen, ist der indirekten Extrusion sehr ähnlich und auf weichere Metalle wie Blei, Aluminium und Kupfer beschränkt. Wie das Schema zeigt, wird der Stempel mit hoher Geschwindigkeit nach unten gedrückt und übt eine extreme Kraft auf den Butzen aus, um nach hinten zu extrudieren.

Die Dicke des Extrudats ist eine Funktion des Abstands zwischen dem Stempel und dem Matrizenhohlraum. Die Extrudate werden mit Hilfe einer Abstreifplatte vom Stempel geschoben.

Beim Fließpressen wird häufig eine mechanische Presse verwendet, und das Teil wird mit hoher Geschwindigkeit und über einen relativ kurzen Hub geformt

Da die auf den Stempel und die Matrize wirkenden Kräfte extrem hoch sind, muss das Werkzeug eine ausreichende Schlagfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Festigkeit aufweisen, um Metall durch den Schlag zu extrudieren. Das Fließpressen kann anhand des Materialflusses in die folgenden drei Arten unterteilt werden.

• Weiter
• Umkehren
• Kombination

Beim Vorwärtsfließpressen fließt das Metall in die gleiche Richtung, in die die Kraft ausgeübt wird, während es beim Rückwärtsfließpressen in die entgegengesetzte Richtung fließt.

Vorteile des Schlagpressens von Metall

• Rohstoffeinsparung von bis zu 90 %
• Reduzierte Bearbeitungszeiten um bis zu 75 %
• Eliminierung sekundärer Bearbeitungsvorgänge
• Reduzierung mehrteiliger Baugruppen
• Verbesserte mechanische Eigenschaften für Materialfestigkeit und Bearbeitung durch Kaltverformung des Materials
• Deutlich reduzierte Gesamtteilkosten von bis zu 50 %
• Einseitig geschlossene dünnwandige Hohlrohre werden in der verarbeitenden Industrie häufig durch Rückwärtsfließpressen hergestellt.

Nachteile der Schlagmetallextrusion

• Hergestellt, solange das Teil symmetrisch zur Achse ist, durch die es gebildet wird
• Viele der Teile, die in der Industrie durch Schlagen geformt werden, erfordern vor der Fertigstellung weitere Fertigungsprozesse wie Metallschmieden, Bügeln oder maschinelle Bearbeitung

Anwendung der Extrusion

• Extrusion wird häufig bei der Herstellung von Rohren und Hohlrohren verwendet.
• Aluminium-Extrusion wird in vielen Branchen für Strukturarbeiten verwendet.
• Dieses Verfahren wird zur Herstellung von Rahmen, Türen, Fenstern usw. in der Automobilindustrie verwendet.
• Die Extrusion wird häufig zur Herstellung von Kunststoffgegenständen verwendet.

Vorteile der Extrusion

• Hohes Extrusionsverhältnis (Es ist das Verhältnis der Querschnittsfläche des Knüppels zur Querschnittsfläche des extrudierten Teils).
• Es kann leicht komplexe Querschnitte erstellen.
• Diese Bearbeitung kann sowohl mit spröden als auch mit duktilen Materialien durchgeführt werden.
• Hohe mechanische Eigenschaften können durch Kaltextrusion erreicht werden.

Nachteile der Extrusion

• Hohe Anfangs- oder Einrichtungskosten.
• Hohe Druckkraft erforderlich.