Uitstrangering uitgelegd: typen en toepassingen in metaalbewerking

Wat is uitstrangering (extrusie)?

Het uitstrangingsproces is een vorm van bulkvormgeving waarbij werkmetaal gedwongen of gecomprimeerd wordt door een matriceopening om een bepaalde vereiste dwarsdoorsnede te verkrijgen.

In eenvoudige woorden: uitstrangering is een metaalbewerkingsprocedure waarbij metaal onder verhoogde druk door een matriceopening gedrukt wordt om de dwarsdoorsnede te comprimeren.

Sinds de evolutie van het proces is de wereld afhankelijk van uitstrangering voor de productie van staven, buizen en profielen van elke vorm, hol of massief.

Omdat de bewerking het duwen of trekken van een blok door de matrice omvat, zijn de benodigde krachten aanzienlijk. Hete uitstrangering is de meest gangbare methode omdat de vormweerstand van metaal laag is bij hoge temperaturen, terwijl koude uitstrangering over het algemeen alleen op zachte metalen wordt toegepast.

Geschiedenis

Hoewel het concept voortkomt uit het vormgevingsproces, is vastgelegd dat in 1797 ingenieur Joseph Bramah het uitstrangingsproces octrooieerde.

Het experiment omvatte voorverhitting van metaal en vervolgens dwingen door een matrixcaviteit om een buis van het blok te maken. Hij gebruikte een handgedreven stampers.

Bramah ontwierp daarna het hydraulische proces na de uitvinding van uitstrangering. Thomas Burr combineerde hydraulische pers en basisuitstrangeringstechniek om een buis (hol) te produceren. Octrooie in 1820.

De technologie werd een basisbehoefte in de groeiende wereld, maar werkte niet op harde metalen. In 1894 introduceerde Thomas Burr uitstrangering met koper- en messinglegeringen: een evolutie in de techniek.

Sinds de uitvinding heeft het proces zich ontwikkeld tot diverse technieken voor een breed productenbereik met complexe structuren tegen de laagst mogelijke kosten.

Classificatie of typen uitstrangingsprocessen

Verschillende typen uitstrangingsprocessen:

• Hete uitstrangering
• Koude uitstrangering
• Warme uitstrangering
• Wrijvingsuitstrangering
• Micro-uitstrangering
• Directe uitstrangering
• Indirecte uitstrangering
• Hydrostatische uitstrangering
• Impactor uitstrangering (Impact extrusion)

#1. Hete uitstrangering

Bij hete uitstrangering wordt het blok boven zijn herkristallisatietemperatuur bewerkt. Dit warm bewerken houdt het werkstuk vrij van verharding en laat de stampers het gemakkelijk door de matrice duwen.

Hete uitstrangering wordt over het algemeen op horizontale hydraulische pressen uitgevoerd. De druk varieert van 30 MPa tot 700 MPa. Voor handhaving hoge druk: smering. Olie of graafiet bij lage temperatuur, glaspowder bij hoge temperatuur.

Blok wordt verwarmd tussen 0,5 Tm en 0,75 Tm voor kwalitatieve bewerking.

Hete uitstrangeringstemperaturen van veelvoorkomende materialen:

Materiaal	Temperatuur (°C)
Aluminium	350 tot 500
Koper	600 tot 1100
Magnesium	350 tot 450
Nikkel	1000 tot 1200
Staal	1200 tot 1300
Titaan	700 tot 1200
PVC	180
Nylon	290

Voordelen hete uitstrangering:

• Vorming controleerbaar per vereiste.
• Blok niet onderwerp aan verharding.
• Minder kracht vereist.
• Materialen met vroege scheuren bewerkbaar.

Nadelen hete uitstrangering:

• Slechte oppervlaktekwaliteit.
• Dimensionele nauwkeurigheid in het geding.
• Kortste levensduur container.
• Mogelijkheid van oppervlakte-oxidatie.

#2. Koude uitstrangering

Vormgeven van metaal door te slaan met een slug. Deze slag wordt met een stampers of knoop in een gesloten caviteit uitgevoerd. De stampers dwingt het metaal door de matricecaviteit om het massieve blok in een massieve vorm te transformeren.

Werkstuk ondergaat vervorming bij kamertemperatuur of iets erboven.

Door de hoge benodigde krachten: krachtige hydraulische pers. Druk tot 3000 MPa.

Voordelen:

• Geen oxidatie.
• Verbeterde productsterkte.
• Nauwere toleranties.
• Verbeterde oppervlaktekwaliteit.
• Verbeterde hardheid.

Nadelen:

• Hogere krachten vereist.
• Meer vermogen nodig.
• Niet-buigzame materialen niet bewerkbaar.
• Vervormingsverharding van geëxtrudeerd materiaal is beperking.

#3. Warme uitstrangering

Warme uitstrangering is het proces van een blok boven kamertemperatuur en onder de herkristallisatietemperatuur van het materiaal. Gebruikt waar het materiaal beschermd moet worden tegen microstructuurveranderingen tijdens uitstrangering.

Belangrijk voor balans tussen vereiste krachten en buigzaamheid. Temperatuur van elk metaal in deze bewerking: 424°C tot 975°C.

Voordelen warme proces:

• Verbeterde sterkte.
• Verbeterde hardheid product.
• Geen oxidatie.
• Zeer nauwe toleranties haalbaar.

Nadelen:

• Niet-buigzame materialen niet uitstrekbaar.
• Extra verhitingsapparatuur nodig.

#4. Wrijvingsuitstrangering

Bij wrijvingsuitstrangering worden blok en container gedwongen in tegenovergestelde richting te draaien terwijl het blok tegelijkertijd door de matricecaviteit wordt gedrukt om het gewenste materiaal te produceren.

Proces wordt beïnvloed door relatieve draaisnelheid tussen blok en matrice. Relatieve draaibeweging van lading en matrice heeft significante implicaties.

Eerst: genereren grote hoeveelheid afschuifspanningen waardoor blok plastisch vervormt. Tweedens: grote hoeveelheid warmte door relatieve beweging, dus geen voorverhitting nodig = efficiënter.

Kan substantieel geconsolideerde draad, staven, buizen, niet-cirkelvormige geometrieën produceren direct uit diverse precursorladingen: metaalpoeder, vlokken, bewerkingsafval (spaan/swarf), of massief blok.

Voordelen wrijvingsproces:

• Geen verichting nodig.
• Afschuifspanningen verbeteren vermoeidheidssterkte product.
• Elk materiaal als blok bruikbaar = economisch.
• Lage energie-invoer.
• Betere corrosieweerstand.

Nadelen wrijvingsproces:

• Verwachte oxidatie.
• Hoge initiële opzet.
• Complexe machines.

#5. Micro-uitstrangering

Naam zegt het: productie van submillimeter producten.

Vergelijkbaar met macro-uitstrangering: blok gedwongen door matrixopening voor verwachte vorm. Output past door 1mm vierkant.

Voorwaartse (directe) en achterwaartse (indirecte) micro-uitstrangering zijn de twee fundamentele technieken voor micro-elementen.

Voorwaarts: stampers dryft blok vooruit, blok beweegt in zelfde richting. Achterwaarts: stampers en blok bewegen in tegengestelde richting.

Wijd gebruikt voor componenten van resorbeerbare en geïmplanteerde medische hulpmiddelen: bioresorbeerbare stents, gecontroleerde medicijnafgiftesystemen.

In mechanisch veld: kleine tandwielen, kleine pijpjes, etc.

Voordelen micro-proces:

• Zeer complexe dwarsdoorsnedes mogelijk.
• Minuscule elementen produceerbaar.
• Verbeterde geometrische toleranties.

Nadelen:

• Kleine matrice en container maken is uitdaging.
• Vakkundig werknemer nodig.

#6. Directe of voorwaartse uitstrangering

Blok in container geplaatst. Container heeft gecontourneerde matrixopening. Stampers dryft blok door opening, product gevormd.

Richting metaalstroom = richting stampersbeweging.

Als blok naar matrixopening gedwongen wordt, ontstaat grote wrijving tussen blokoppervlak en containerwanden. Wrijving vereist aanzienlijke toename stamperskracht = meer vermogen.

Brokende metalen (wolfraam, titaniumlegeringen) moeilijk te extruderen: barsten tijdens proces. Trekspanningen induceren snel micro-krakken = breuk.

Oxide laag op blokoppervlak verergerd wrijving. Potentiële fouten in geëxtrudeerd product.

Oplossing: dummy blok tussen stampers en werkblok om wrijving te mitigeren.

Voorbeelden: buizen, blikjes, bekers, kleine tandwielen, assen, geëxtrudeerde goederen.

Deel van blok blijft altijd aan eind van elke uitstrangering. Heet aftaksel (butt). Direct na matrixuitgang afgeknipt.

Voordelen direct proces:

• Langere werkstukken extrudeerbaar.
• Verbeterde mechanische eigenschappen materiaal.
• Goede oppervlaktekwaliteit.
• Koude en hete uitstrangering mogelijk.
• Continu bedrijf mogelijk.

Nadelen direct proces:

• Brokende metalen niet extrudeerbaar.
• Grote kracht en hoog vermogen vereist.
• Mogelijkheid oxidatie.

#7. Indirecte of achterwaartse uitstrangering

Matrix blijft stationair, blok en container bewegen in combinatie. Matrix gemonteerd op stampers, niet op container.

Metaal stroomt door matrixopening aan stamperskant in tegengestelde richting van stampersbeweging bij compressie door stampers.

Bij compressie gaat materiaal tussen mandrel en matrixopening.

Geen relatieve beweging blok-container = geen wrijving. Verhoogt proces boven directe uitstrangering: stamperskracht kleiner.

Om matrix stationair te houden: "stam" langer dan containerlengte. Kolomsterkte van stam bepaalt finale en maximale uitstrangingslengte.

Omdat blok met container meebeweegt, alle wrijvingskrachten geëlimineerd.

Voordelen indirecte processen:

• Minder uitstrangingskracht vereist.
• Kleinere dwarsdoorsnedes extrudeerbaar.
• Wrijvingsreductie 30%.
• Verhoogde bedrijfssnelheid.
• Zeer weinig slijtage.
• Uitstrangingsfouten of grofkorrelige ringzones minder waarschijnlijk door consistentere metaalstroom.

Nadelen indirect proces:

• Dwarsdoorsnede geëxtrudeerd materiaal beperkt door stammaat.
• Mogelijkheid residuele spanningen na uitstrangering.
• Onzuiverheden en fouten beïnvloeden oppervlaktekwaliteit en maken product in het geding.

#8. Hydrostatische uitstrangering

Blok omgeven door vloeistof in container, gedrukt tegen blok door voorwaartse beweging stampers. Geen wrijving in container door vloeistof, minimale wrijving bij matrixopening.

Blok wordt niet gestoord bij vullen containerboor: onderhevig aan uniforme hydrostatische druk. Resulteert in blok met enorme lengte-diameterverhouding, zelfs dradenspoelen foutloos extrudeerbaar of oneffen dwarsdoorsnede.

Primair verschil met directe uitstrangering: geen direct contact container-blok bij hydrostatische uitstrangering.

Hoge temperaturen vereisen gespecialiseerde vloeistoffen en processen.

Materiaal onder hydrostatische druk zonder wrijving: buigzaamheid toegenomen. Methode bruikbaar voor te broze metalen voor typische methoden.

Toegepast op buigzame metalen, hoge reductieverhoudingen mogelijk.

Voordelen:

• Geëxtrudeerde producten: uitstekende oppervlaktekwaliteit, dimensioneel nauwkeurig.
• Geen wrijvingsvraagstuk.
• Geminimaliseerde krachtsvereisten.
• Geen blokrestant in proces.
• Gelijke materiaalstroom.

Nadelen:

• Hoge temperaturen: speciale vloeistoffen/procedures.
• Elk blok voorbereiden en taperen aan één uiteinde.
• Moeilijk vloeistof in te sluiten.

#9. Impactor uitstrangering (Impact extrusion)

Belangrijke methode voor metaal geëxtrudeerde profielen. In tegenstelling tot traditionele uitstrangering (hoge temperaturen voor verzachting), gebruikt impact extrusie vaak koude metalen blokken. Extrudering bij hoge druk en efficiëntie.

Geschikte gesmeerde slug in matrixcaviteit, geslagen met knoop in één slag bij conventionele impact extrusie. Metaal stroomt terug rond knoop door spleet tussen matrix en knoop.

Werkt beter met zachte materialen: lood, aluminium, tin.

Altijd in koude toestand. Achterwaarts impactproces toestaat zeer dunne wanden. Voorbeelden: tandpasta buizen, batterijdozen.

Snel proces, kortere slagen. In plaats van druk, impactdruk voor extrusie. Impact kan voorwaarts, achterwaarts of combinatie.

Voordelen:

• Grote afmetingsreductie.
• Snel proces. Bewerkingstijd reduc tot 90%.
• Verhoogde productiesnelheid.
• Verhoogde tolerantie-integriteit.
• Tot 90% grondstofbesparing.

Nadelen:

• Zeer hoge compressiekracht vereist.
• Blokgrootte is beperking.

Factoren die de uitstrangingskracht beïnvloeden

• Werkingtemperatuur.
• Apparaturontwerp, horizontaal of verticaal.
• Type uitstrangering.
• Uitstrangingsverhouding.
• Mate van vervorming.
• Wrijvingsparameters.

Toepassingen van uitstrangingsproces

• Wijd gebruikt voor productie van buizen en holle pijpen. Ook voor kunststofobjecten.
• Productie van frames, deuren, ramen in auto-industrie.
• Metaal aluminium in constructiewerk in diverse industrieën.