Der Extrusionsprozess: Anwendungen, Materialien und Verfahren im Überblick

Der Extrusionsprozess (Strangpressen) ist eines der verbreitetsten Fertigungsverfahren. Er verarbeitet eine große Bandbreite an Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Keramik u. v. m. Der Prozess kann warm oder kalt durchgeführt werden, wenn verbesserte Eigenschaften gefordert sind. Beim Strangpressen von Metallen kann die Festigkeit des Materials erhöht werden.

In diesem Artikel erfahren Sie Definition, Anwendungen, Funktionsweise, Prozessablauf, Materialien, Anlagen, Typen und Arbeitsprinzip der Extrusion. Ebenso die Vor- und Nachteile.

Was sind Extrusionsprozesse?

Extrusion (Strangpressen) ist ein formgebendes Fertigungsverfahren, bei dem ein Ausgangsmaterial durch eine vorgeformte Düse (Matrize) gepresst wird, um Bauteile mit einem bestimmten Querschnittsprofil herzustellen. Dabei wird das Material durch eine Düse des gewünschten Querschnitts gedrückt, wodurch seine Form dem Querschnitt der Düse angepasst wird. Die Produkte der Extrusion werden allgemein als „Strangpressprofile“ oder „Extrudate“ bezeichnet.

Das Extrusionsverhältnis ist definiert als das Verhältnis der Ausgangsquerschnittsfläche zur Querschnittsfläche des Endprodukts. Ein Vorteil: Dieses Verhältnis kann sehr groß sein, während trotzdem qualitativ hochwertige Teile entstehen. Das Verfahren ermöglicht sehr komplexe Querschnitte und die Verarbeitung spröder Werkstoffe, da das Material nur Druck- und Schubspannungen ausgesetzt ist. Zudem liefert Extrusion hervorragende Oberflächen und großen Gestaltungsspielraum im Design.

Extrusion ähnelt dem Ziehen (Drawing), das die Zugfestigkeit des Materials nutzt, um es durch die Matrize zu ziehen. Ziehen wird für Drähte, Stäbe und Rohre eingesetzt, ist aber auf einfachere Formen beschränkt und erfordert meist mehrere Stufen, während Extrusion in einem Schritt erfolgt.

Extrusion kann kontinuierlich (theoretisch unendlich langes Material) oder diskontinuierlich (viele einzelne Stücke) durchgeführt werden. Gängige Materialien: Metalle, Polymere, Keramik, Beton, Modelliermasse, Lebensmittel.

Anwendungen der Extrusion

Extrudate begegnen uns täglich, da die meisten Materialien in Häusern, Büros und Arbeitsplätzen extrudiert sind. Ein anschauliches Beispiel: Beim Ausdrücken von Zahnpasta formt sich die Paste entsprechend der Düsenöffnung. Auch ein Spritzbeutel für Zuckerguss funktioniert nach dem Extrusionsprinzip.

Kunststoffextrusion dient der Herstellung beliebiger langer Profile mit konstantem Querschnitt: Rohre, Dachrinnen, Fensterprofile, Dekorleisten. Thermoplaste wie PVC, LDPE, HDPE und PP lassen sich alle extrudieren. Gängige Anwendungen thermoplastischer Extrudate:

• Isolierbeschichtung für Kabel und Leitungen
• Flache Kunststoffplatten für Schilder, Verglasung, Kühlschrankinnenräume
• Beleuchtungsanwendungen
• Monofilamente für Seile, Borsten, synthetische Textilfasern
• Rohre und Schläuche für Wasser, Gas, Abwasser, Drainagen

Industrielle Anwendungen:

• Herstellung von Rohren und Hohlprofilen
• Aluminium-Profile im konstruktiven Bereich vieler Industrien
• Automobilteile in großem Umfang

Weitere Anwendungen finden sich im Abschnitt „Materialien“.

Hinweis: Die Hauptfunktion der Extrusion ist die Herstellung von Bauteilen mit festem Querschnitt und Profil.

Extrusionsprozess

Bei Warm- oder Heißextrusion wird der Ausgangsstoff erhitzt, in den Container der Presse geladen und ein Dummy-Block dahinter platziert. Ein Stempel (Ram) drückt das Material durch die Matrize. Der entstehende Strang wird anschließend gestreckt, um ihn zu richten. Spezifische oder verbesserte Eigenschaften erfordern Kaltverfestigung oder Wärmebehandlung.

Heißextrusion (Warm-/Heißstrangpressen)

Ein Warmumformverfahren, das oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs durchgeführt wird. Dies verhindert Kaltverfestigung und erleichtert das Pressen durch die Matrize. Meist auf horizontalen hydraulischen Pressen (230 bis 11.000 Tonnen Presskraft) durchgeführt. Drücke: 30 bis 700 MPa (4.400 bis 101.500 psi). Schmierung erforderlich: Öl oder Graphit bei niedrigeren Temperaturen, Glaspulver bei höheren Temperaturen.

Verschiedene Metalle erfordern unterschiedliche Temperaturen: Magnesium, Aluminium, Kupfer, Stahl, Titan, Nickel, Refraktärmetalle u. a.

Kaltextrusion (Kaltstrangpressen)

Wird bei Raumtemperatur oder nahe Raumtemperatur durchgeführt. Vorteile gegenüber Warmverfahren: Keine Oxidation, höhere Festigkeit durch Kaltverfestigung, engere Toleranzen, bessere Oberflächengüte, höhere Pressgeschwindigkeiten. Gängige Materialien: Blei, Zinn, Aluminium, Kupfer, Zirconium, Titan, Molybdän, Beryllium, Vanadium, Niob, Stahl. Anwendungen: Quetschtuben, Feuerlöscherbehälter, Stoßdämpferzylinder, Zahnradrohlinge.

Warmextrusion (Warmstrangpressen)

Vorteilhaft für ferro- und nicht-ferrolegierungen. Wird oberhalb Raumtemperatur, aber unterhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt (ca. 424–975 °C / 800–1800 °F). Dient dem Ausgleich erforderlicher Kräfte, Duktilität und Endprodukteigenschaften.

Reibungsextrusion (Friction Extrusion)

Entwickelt zur Herstellung homogener Mikrostrukturen und Partikelverteilung in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen. Wesentlicher Unterschied zur konventionellen Extrusion: Das Pressgut (Charge) rotiert relativ zur Matrize. Eine Presskraft drückt die Charge gegen die Matrize. Sowohl Matrize als auch Charge können rotieren oder gegenläufig rotieren. Diese relative Drehbewegung hat signifikante Effekte:

• Große Schubspannungen durch relative Bewegung in der Rotationsebene
• Plastische Verformung in der der Matrize zugewandten Schicht der Charge
• Die Verformungsarbeit wird durch Erholung und Rekristallisation dissipiert, was zu starker Erwärmung der Charge führt
• Keine Vorwärmung der Charge durch externe Mittel nötig – potenziell energieeffizienter

Zweitens fördert die starke plastische Verformung im Bereich der relativen Drehbewegung das Festphasenschweißen von Pulvern und anderen feinverteilten Vorprodukten (Flocken, Chips), wodurch die Charge vor der Extrusion effektiv konsolidiert wird (Reibkonsolidierung).

Mikroextrusion

Mikroformende Extrusion im Submillimeterbereich. Konventionell wird Metall durch eine Düsenöffnung gepresst, aber das resultierende Profil passt durch ein 1 mm² Quadrat. Bei Vorwärts-Extrusion bewegen sich Stempel und Bolzen in gleiche Richtung, bei Rückwärts-Extrusion in entgegengesetzte Richtungen.

Materialien in der Extrusion

Wie erwähnt: Metalle, Holz, Kunststoffe, Keramik. Im Detail:

Metalle

Eines der häufigsten Extrusionsmaterialien. Werkstoffart bestimmt Arbeitstemperatur und geforderte Eigenschaften. Übersicht:

Aluminium – am häufigsten extrudiertes Material, warm oder kalt extrudierbar. Erhitzung auf 300–600 °C (575–1100 °F). Extrudate: Profile für Schienen, Rahmen, Profile, Mullionen, Kühlkörper.

Messing – für Maschinenteile, Automobilteile, Rohrverbindungen, korrosionsfreie Stäbe.

Kupfer – für Rohre, Drähte, Stäbe, Profile, Rohre, Schweißelektroden. Arbeitstemperatur: 600–1000 °C (1100–1825 °F).

Blei und Zinn – für Rohre, Leitungen, Drähte, Kabelummantelung bei max. 300 °C (575 °F). Schmelzflüssiges Blei kann im Vertikalpressen statt Bolzen verwendet werden.

Magnesium – für Nuklear- und Luftfahrtkomponenten bei 300–600 °C (575–1100 °F). Extrudierbarkeit ähnlich Aluminium.

Zink – für Armaturen, Beschläge, Hardware, Rohre, Stäbe, Profile bei 200–350 °C (400–650 °F).

Stahl – für Stäbe und Profile bei 1000–1300 °C (1825–2375 °F). Legierter und rostfreier Stahl extrudierbar, meist jedoch unlegierter Baustahl.

Titan – für Luftfahrtkomponenten: Sitzschienen, Triebwerksringe, Strukturteile. Arbeitstemperatur: 600–1000 °C (1100–1825 °F).

Kunststoffe

Ein weiteres Hauptmaterial. Meist als Granulat (Pellets) eingesetzt, getrocknet zur Feuchteentfernung. In der Extrusionsanlage wird das Material über einen Trichter zugeführt, durch Heizelemente und Scherschlitze der Extruderschnecke aufgeschmolzen. Die Schnecke (oder Doppelschnecke) presst die Schmelze durch die Düse, die das gewünschte Profil formt.

Das Extrudat wird durch Ziehen durch die Düse oder ein Wasserbad gekühlt und verfestigt. Zur Qualitätsverbesserung sorgt ein Raupenabzug (Caterpillar Haul-off) für gleichmäßige Spannung auf der Extrusionslinie. Pelletierer können diese Spannung auch erzeugen, aber der Raupenabzug liefert einen konstanteren Zug. Andernfalls entstehen Längenschwankungen oder verzogene Produkte.

Schema Kunststoffextrusion:

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Video: Kunststoffextrusionsprozess

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Keramik

Keramik kann durch Extrusion in Form gebracht werden. Viele moderne Ziegel werden im Ziegelstrangpressverfahren hergestellt.

Extrusionsanlagen

Extrusionsanlagen variieren nach vier Merkmalen:

• Relativbewegung von Extrudat und Stempel: Direkt- oder Indirektextrusion. Direkt: Matrize fest, Stempel bewegt sich darauf zu. Indirekt: Stempel fest, Matrize bewegt sich auf Stempel zu. (Details folgen.)
• Pressenlage: vertikal oder horizontal
• Antriebsart: hydraulisch oder mechanisch
• Lastart: konventionell (variabel) oder hydrostatisch

In Extrusionsanlagen kommt eine Ein- oder Doppelschnecke (Antrieb durch Elektromotor) oder ein Stempel (hydraulisch/ölhydraulisch angetrieben) zum Einsatz. Moderne Direkt- und Indirektpressen sind meist hydraulisch angetrieben, kleine mechanische Pressen kommen noch vor. Hydraulikpressen in zwei Ausführungen: Direktölpressen und Akkumulator-Wasserpressen.

Schema Extrusionsanlage:

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Direktölpressen sind am verbreitetsten, zuverlässig und robust. Liefern über 35 MPa (5000 psi). Der Bolzen erfährt konstanten Druck. Nachteil: relativ langsam, 50–200 mm/s (2–8 ips).

Akkumulator-Wasserpressen sind teurer und größer. Verlieren ca. 10 % Druck über den Hub, arbeiten aber deutlich schneller, bis ca. 380 mm/s (15 ips). Daher für Stahl-Extrusion eingesetzt. Auch für Materialien mit sehr hohen Verarbeitungstemperaturen aus Sicherheitsgründen geeignet.

Arten der Extrusion

Klassifikation nach:

Nach Fließrichtung des Materials

Direktextrusion (Vorwärts-Extrusion)

Material fließt in Stempelvorschubrichtung. Stempel bewegt sich auf Matrize zu. Erfordert höhere Kraft durch höhere Reibung zwischen Bolzen und Container. Weit verbreitet in der Industrie. Bolzen wird in schwerwandigen Container gelegt und durch Stempel oder Schnecke durch Matrize gepresst. Ein wiederverwendbarer Dummy-Block zwischen Stempel und Bolzen trennt diese.

Hauptnachteil: Hohe erforderliche Presskraft durch Reibung, da der Bolzen die gesamte Containerlänge durchlaufen muss. Kraft am Prozessbeginn am höchsten, nimmt ab, steigt gegen Ende stark an (Bolzen wird dünn, Material muss radial zur Düse fließen).

Indirektextrusion (Rückwärts-Extrusion)

Material fließt entgegen der Stempelbewegung. Matrize sitzt der Stempelbewegung gegenüber. Material fließt durch Ringraum zwischen Stempel und Container. Auch Rückwärts-Extrusion genannt. Bolzen und Container bewegen sich gemeinsam, Matrize ist fest. Ein „Stem“ (Dorn), länger als Container, hält die Matrize. Maximale Extrusionslänge durch Säulenfestigkeit des Stems begrenzt. Mitbewegung von Bolzen und Container eliminiert Reibungskräfte.

Vorteile Indirektextrusion:

• 25–30 % Reibungsminderung – größere Bolzen, höhere Geschwindigkeit, kleinere Querschnitte möglich
• Geringere Rissneigung, da keine Reibungswärme entsteht
• Längere Standzeit der Containerauskleidung durch geringeren Verschleiß
• Gleichmäßigere Ausnutzung des Bolzens – weniger Fehler und Grobkornbildung

Nachteile Indirektextrusion:

• Oberflächenfehler und Verunreinigungen am Bolzen übertragen sich auf das Extrudat
• Weniger vielseitig als Direktextrusion durch begrenzten Querschnittsbereich

Hydrostatische Extrusion

Flüssigkeit überträgt Druck auf den Bolzen. Reibung entfällt, da Bolzen nicht mit Zylinderwand oder Stempel in Kontakt steht. Flüssigkeit zwischen Bolzen und Stempel, Stempel drückt auf Flüssigkeit, die auf Bolzen wirkt. Pflanzenöle als Druckmedium. Herausforderung: Leckage und unkontrollierte Extrusionsgeschwindigkeit. Kann warm, heiß oder kalt durchgeführt werden, Temperatur begrenzt durch Stabilität der Flüssigkeit. Erfordert abgedichteten Zylinder mit hydrostatischem Medium.

Druckerzeugung auf zwei Wegen: 1) Konstantgeschwindigkeits-Extrusion – Stempel presst Flüssigkeit im Container. 2) Konstantdruck-Extrusion – Pumpe (evtl. mit Druckverstärker) presst Flüssigkeit in Container.

Vorteile hydrostatischer Extrusion:

• Geringere Kraft durch fehlende Reibung Container-Bolzen
• Höhere Geschwindigkeiten, höhere Umformgrade, niedrigere Bolzentemperaturen
• Duktilität steigt unter hohem Druck
• Kein Bolzenrest an Containerwand
• Große Bolzen und große Querschnitte extrudierbar

Nachteile hydrostatischer Extrusion:

• Bolzen müssen durch Anspitzen an Eintrittswinkel der Matrize vorbereitet werden (Dichtung am Kreisanfang)
• Gesamter Bolzen muss bearbeitet werden, um Oberflächenfehler zu entfernen
• Flüssigkeit unter hohem Druck schwer zu realisieren
• Bolzenrest oder Stopfen aus zäherem Material am Extrusionsende nötig, um plötzlichen Druckmedium-Austritt zu verhindern

Nach Arbeitstemperatur

Heißextrusion: Oberhalb Rekristallisationstemperatur (ca. 50–60 % der Schmelztemperatur). Geringe Kraft, gut bearbeitbar, produkt frei von Kaltverfestigung. Hoher Wartungsaufwand.

Kaltextrusion: Raumtemperatur oder unterhalb Rekristallisationstemperatur. Hohe mechanische Eigenschaften, hohe Oberflächengüte, keine Oxidation. Hohe Kraft erforderlich, Produkt mit Kaltverfestigung.

Arbeitsprinzip der Extrusion

Das Funktionsprinzip ist einfach. Im konventionellen Verfahren übt ein Kolben/Stempel Druckkraft auf das Werkstück aus. Bei Heißextrusion wird Bolzen erhitzt, bei Kaltextrusion auf Raumtemperatur gehalten. Dann in Extrusionspresse (kolben-zylinder-artig): Metall in Zylinder, von Kolben geschoben. Oberer Zylinderteil mit Matrize bestückt.

Der Stempel drückt den Bolzen zur Matrize, die die gewünschte Form trägt. Die hohe Druckkraft lässt das Material durch die Matrize fließen und in die Form übergehen. Teil wird entnommen, Prozess abgeschlossen.

Video: Arbeitsweise der Extrusion

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Vor- und Nachteile der Extrusion

Vorteile:

• Hohe mechanische Eigenschaften durch Kaltextrusion erreichbar
• Komplexe Querschnitte einfach herstellbar
• Spröde und duktile Materialien bearbeitbar
• Hohes Extrusionsverhältnis

Nachteile:

• Hohe Investitions- / Einrichtkosten
• Hohe Druckkräfte erforderlich

Fazit

Extrusion ist eines der verbreitetsten Fertigungsverfahren. Verarbeitet Metalle, Kunststoffe, Keramik u. v. m. Kann warm oder kalt durchgeführt werden für verbesserte Eigenschaften. Formgebendes Verfahren, bei dem Ausgangsmaterial durch vorgeformte Matrize gepresst wird, um Bauteile mit definiertem Querschnitt und Profil herzustellen. In diesem Artikel wurden Definition, Anwendungen, Funktion, Prozess, Materialien, Anlagen, Typen, Arbeitsprinzip sowie Vor- und Nachteile besprochen.

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