Extrusie Uitgelegd: Proces, Typen en Praktische Toepassingen

Wat is Extrusie?

Extrusie is een proces om objecten met een vast doorsnedeprofiel te maken door materiaal door een matrice van de gewenste doorsnede te duwen. De twee hoofdvoordelen ten opzichte van andere productieprocessen zijn: de mogelijkheid om zeer complexe doorsnedes te creëren, en het verwerken van bros materialen, omdat het materiaal alleen compressieve en afschuifende spanningen ondervindt. Het levert ook een uitstekende oppervlakteafwerking en grote vormvrijheid in het ontwerpproces.

Trekking is een vergelijkbaar proces, dat de trekkracht van het materiaal gebruikt om het door de matrice te trekken. Het beperkt de hoeveelheid verandering in één stap, dus gelimiteerd tot eenvoudigere vormen, en meerdere stadia zijn meestal nodig. Trekking is de hoofdmanier om draad te produceren. Metalen staven en buizen worden ook vaak getrokken.

Extrusie kan continu zijn (theoretisch oneindig lang materiaal) of semi-continu (veel stukken producerend). Het kan met warm of koud materiaal. Veelvoorkomende materialen: metalen, polymeren, keramiek, beton, klei, voedingsmiddelen. Producten heten extrudaten.

Ook "gatflanging" genoemd, kunnen holle gaten in geëxtrudeerd materiaal niet met een eenvoudige platte extrusiematrice gemaakt worden omdat het centrum van de matrice niet ondersteund kan worden. In plaats daarvan neemt de matrice de vorm aan van een blok met diepte, beginnend met een profiel dat het centrum ondersteunt. De matrijevorm verandert intern langs de lengte naar de finale vorm, met de opgehangen centrumstukken ondersteund vanaf de achterkant. Het materiaal stroomt om de ondersteunen heen en smelt samen tot de gewenste gesloten vorm.

Extrusie van metalen kan ook hun sterkte verhogen.

Kenmerken van Extrusie

• Staat toe complexe doorsnedes te creëren, uniform over de gehele lengte van de extrudaten
• Factoren die extrusiekwaliteit beïnvloeden: matrijsontwerp, extrusieverhouding, billet-temperatuur, smering, extrusiesnelheid. Zie gedetailleerde ontwerpgids voor metaalextrusie voor 5 kernontwerpvariabelen en DFM-tips
• Vergelijkbaar met andere metalenvormgevingsprocessen, kan het warm of koud uitgevoerd worden, maar meestal bij verhoogde temperaturen om extrusiekracht te verlagen en duktiliteit te verbeteren
• Lage kosten door verminderde grondstofverspilling en hoge productiesnelheid
• Bros materiaal kan vervormd worden zonder scheuren door alleen compressieve en afschuifende krachten
• Ge vormde delen hebben uitstekende oppervlakteafwerking, minimaliseren nabewerking
• Metaalextrusie produceert gunstige uitgerekte korrelstructuur in richting van het materiaal
• Minimale wanddikte van ~1mm (aluminium) tot ~3mm (staal) bereikbaar

Typen Extrusieprocessen

Metaalextrusie kan onderverdeeld worden in categorieën afhankelijk van extrusierichting, krachttoepassingsmedium, werktemperatuur, etc.

• Directe Extrusie
• Indirecte Extrusie
• Hydrostatische Extrusie
• Laterale of Verticale Extrusie
• Warme Extrusie
• Koude Extrusie
• Impact Extrusie

1. Directe Extrusie

Directe Extrusie, ook Voorwaartse Extrusie genoemd, is het meest voorkomende type. Begint met laden van een verwarmde billet (alleen voor warme extrusie) in een perscontainer waar een dummy-blok achter geplaatst wordt. Vervolgens drukt een mechanische of hydraulische ram op het materiaal om het door de matrice te duwen. Nog warm wordt het gerekt om te strekken. Het proces is mooi geanimeerd door Core Materials.

Bij directe extrusie wordt de hoge wrijving van stalen bij hoge temperaturen verminderd door gesmolten glas als smering, terwijl oliën met grafietpoeder bij lage temperaturen dienen. Het dummy-blok beschermt de top van de persstempel bij warme extrusie.

Wanneer de stempel het einde van zijn slag bereikt, kan een klein deel van de billet ("butt end") niet door de matrixopening geduwd worden.

Voordelen Directe Metaalextrusie

• Geen billetmodificatie vereist
• Geschikt voor zowel warme als koude extrusie
• Eenvoudige tooling vergeleken met andere extrusieprocessen

Nadelen Directe Metaalextrusie

• Hoge krachtvereiste door wrijving
• Butt end blijft in de caviteit
• Benodigde duwkracht verandert tijdens de stempelbeweging

2. Indirecte Extrusie

Bij Indirecte Extrusie zit de matrice aan het uiteinde van de hydraulische ram en beweegt naar de billet in de caviteit om het materiaal door de matrice te duwen. Dit proces verbruikt minder energie door de statische billetcontainer die minder wrijving veroorzaakt. Het ondersteunen van het geëxtrudeerde deel is echter moeilijk wanneer het de matrice verlaat.

Voordelen Indirecte Metaalextrusie

• Minder wrijving en minder energieverbruik
• Geschikt voor zowel warme als koude extrusie
• Eenvoudige tooling vergeleken met andere processen

Nadelen Indirecte Metaalextrusie

• Moeilijk het geëxtrudeerde deel te ondersteunen
• De holle ram beperkt de toepasbare belasting

3. Hydrostatische Extrusie

Bij hydrostatische extrusie is de kamer/kaviteit kleiner dan de billet en gevuld met hydraulische vloeistof die de kracht van de ram naar de billet overdraagt. Hoewel tri-axiale krachten door de vloeistof worden uitgeoefend, verbetert de druk de vormbaarheid van de billet. Afdichting van de vloeistof moet vroegtijdig overwogen worden om lekkage en drukwerving te voorkomen.

Hoewel de hydraulische vloeistof de wrijving tussen wand en billet elimineert door ze te isoleren, beperken gespecialiseerde apparatuur, hoge insteltijd en lage productiesnelheid het industriële gebruik ten opzichte van andere processen.

Voordelen Hydrostatische Metaalextrusie

• Lage krachtvereiste door afwezigheid van wrijving
• Snelle productiesnelheden & hoge reductieverhoudingen
• Lagere billet-temperatuur
• Gelijkmatige materiaalstroom door gebalanceerde krachtverdeling
• Grote billets en grote doorsnedes kunnen geëxtrudeerd worden
• Geen billetrest in de container

Nadelen Hydrostatische Metaalextrusie

• Billets moeten voorbereid worden door één uiteinde af te laten lopen naar de matrixinvalshoek
• Alleen koude extrusie mogelijk
• Moeilijk hoge-druk vloeistof te bevatten

4. Laterale Extrusie

Bij Laterale Extrusie staat de container verticaal en zit de matrice aan de zijkant. Dit proces is geschikt voor laag-smeltpunt materialen.

5. Impact Extrusie

Impact extrusie behoort tot koude extrusie, veel lijkt op indirecte extrusie en beperkt tot zachtere metalen als lood, aluminium en koper. De stempel wordt met hoge snelheid en extreme kracht op de slug geduwd, die achterwaarts extrudeert. De dikte van het extrudaat is een functie van de vrijheid tussen stempel en matrixcaviteit. Extrudaten worden van de stempel afgestript door een stripperplaat.

Voor impact extrusies wordt vaak een mechanische pers gebruikt; het deel wordt bij hoge snelheid en over een korte slag gevormd. Door de extreme krachten op stempel en matrice moet de tooling voldoende impactsweerstand, vermoeidheidsweerstand en sterkte hebben. Impact extrusie kan in drie typen verdeeld worden op basis van materiaalstroom: Voorwaarts, Achterwaarts, Combinatie.

Bij voorwaartse impact extrusie stroomt het metaal in dezelfde richting als de kracht; bij achterwaartse in de tegenovergestelde richting.

Voordelen Impact Metaalextrusie

• Grondstofbesparing tot 90%
• Verminderde bewerkingstijd tot 75%
• Eliminatie van secundaire bewerkingen
• Reductie in multi-onderdeel assemblage
• Verbeterde mechanische eigenschappen voor materiaalsterkte en bewerkbaarheid door koudvorming
• Aanzienlijke totale deelkostreductie tot 50%
• Holle dunwandige buizen, gesloten aan één uiteinde, vaak geproduceerd door achterwaartse impact extrusie

Nadelen Impact Metaalextrusie

• Alleen mogelijk zolang het deel symmetrisch is over de vormgevingsas
• Veel geïmpacteerde delen vereisen verdere processen zoals smeden, ijzeren of bewerken

Toepassingen van Extrusie

• Wijd gebruikt in productie van buizen en holle pijpen
• Aluminiumextrusie in constructiewerk in veel industrieën
• Productie van frames, deuren, ramen in auto-industrie
• Wijd gebruikt voor productie van kunststofobjecten

Voordelen van Extrusie

• Hoge extrusieverhouding (verhouding billet-doorsnede tot geëxtrudeerd deel)
• Kan eenvoudig complexe doorsnedes creëren
• Werkt met zowel bros als duktiele materialen
• Hoge mechanische eigenschappen bereikbaar door koude extrusie

Nadelen van Extrusie

• Hoge initiële of instelkosten
• Hoge compressieve kracht vereist