Het Extrusieproces Begrijpen: Toepassingen, Materialen en Technieken

Het extrusieproces is een van de meest gangbare processen in de productiewereld. Het betreft een grote verscheidenheid aan materialen zoals metalen, kunststoffen, keramiek, etc. Het proces kan warm of koud uitgevoerd worden wanneer betere eigenschappen gewenst zijn. Extrusieprocessen in metalen kunnen de sterkte van het materiaal verhogen.

Vandaag leer je de definitie, toepassingen, functie, proces, materialen, apparatuur, typen en werkprincipe van een extrusieproces kennen. Je leert ook de voor- en nadelen.

Wat zijn extrusieprocessen?

Extrusie is een productievormgevingsproces waarbij basismateriaal door een vooraf gevormde matrice (die) wordt geperst om objecten met een specifieke vorm en profiel te creëren. Dit proces wordt gebruikt om objecten met een vast dwarsdoorsnedeprofiel te maken. In werking wordt het materiaal door een matrice van de gewenste dwarsdoorsnede geduwd, waardoor de vorm verandert en de vorm van de matrice aanneemt. Producten van extrusie worden doorgaans "extrudaten" genoemd.

De extrusieratio wordt gedefinieerd als de begindwarsdoorsnede gedeeld door de dwarsdoorsnede van de finale extrusie. Een voordeel van een extrusieproces is dat deze ratio zeer groot kan zijn terwijl nog steeds kwalitatieve delen worden geproduceerd. Dit proces kan zeer complexe dwarsdoorsneden creëren en met brosse materialen werken. Dit komt doordat het materiaal alleen compressieve en afschuivende spanningen ondervindt. Het extrusieproces biedt ook een uitstekende oppervlakteafwerking aan delen en geeft veel vrijheid in het ontwerpproces.

Extrusieprocessen lijken op trekken (drawing), dat de trekkracht van het materiaal gebruikt om het door de matrice te trekken. Het trekproces wordt gebruikt om draden, metalen staven en buizen te produceren. Het is echter beperkt tot eenvoudigere vormen en vereist meestal meerdere fasen, in tegenstelling tot extrusie dat alles in één stap doet.

Extrusie is continu (theoretisch oneindig lang materiaal producerend) of semi-continue (veel stukken producerend). Veelvoorkomende materialen in het extrusieproces zijn metalen, polymeren, keramiek, beton, klei en levensmiddelen.

Toepassingen van een extrusieproces

De toepassing van extrusie is alomtegenwoordig, aangezien de meeste materialen in huizen, kantoren en werkplekken extrudaten zijn. Een goed voorbeeld van extrusiemalen is het uitpersten van tandpasta: de vorm die de pasta aannemt wanneer hij uit de buis komt. Een beslagzak is ook een goed voorbeeld: de beslag wordt uitgeperst.

Extrusiemalen van kunststoffen wordt gebruikt om elke lange vorm met een constante dwarsdoorsnede te maken. Dit proces kan buizen, goten, ramenprofielen en decoratieve profielen produceren. Thermoplastische materialen zoals PVC (polyvinylchloride), LDPE (laagdichtheid polyethyleen), HDPE (hoogdichtheid polyethyleen) en PP (polypropyleen) kunnen allemaal geëxtrudeerd worden. Hieronder de gangbare toepassingen van extrusieprocessen of extrudaten van thermoplasten:

• Geïsoleerde coating voor draden en kabels.
• Plate kunststofplaten voor borden, verglazing, koelkastinterieurs.
• Verlichtingstoepassingen.
• Monofilament voor touwen, borstels en synthetische textielveezels.
• Buizen en leidingen voor slangen, water, gas, riool en afvoeren.

Industriële toepassingen van het extrusieproces omvatten:

• Productie van buizen en holle pijpen.
• Aluminiumextrusie wordt in structureel werk in veel industrieën gebruikt.
• Autodeonderdelen worden breed met dit proces gemaakt.

Zie meer toepassingen in de sectie hieronder (materialen gebruikt in extrusieproces).

Let op: de primaire functie van extrusie is het vervaardigen van objecten met vaste dwarsdoorsnedes en profielen.

Extrusieproces

Warm of handwarm extrusieprocessen beginnen met het verwarmen van het uitgangsmateriaal, dat vervolgens in de container in de pers wordt geladen. Een dummy blok wordt erachter geplaatst waar een stam het materiaal perst om het uit de matrice te duwen. De extrusie wordt vervolgens gerekt om het recht te trekken. De eis aan specifieke of betere eigenschappen maakt dat het koud bewerkt of warmtebehandeld wordt.

Warm extrusieproces:

Dit is een warm bewerkingsproces, uitgevoerd boven de rekristallisatietemperatuur van het materiaal. Dit houdt het materiaal van werkverharding tegen en maakt het makkelijker om het materiaal door de matrice te duwen. Het warme extrusieproces wordt meestal uitgevoerd op horizontale hydraulische pressen, variërend van 230 tot 11.000 metriek ton (250 tot 12.130 short tons). Hun drukken variëren van 30 tot 700 MPa (4.400 tot 101.500 psi). Smering is vereist: olie of grafiet voor lagere temperatuur extrusies, glaspoeder voor hogere temperatuur extrusies.

Metaalmaterialen kunnen verschillende temperaturen vereisen in warme extrusie: magnesium, aluminium, koper, staal, titanium, nikkel, refractaire legeringen, etc. Al deze materialen vereisen verschillende temperaturen tijdens het warme extrusieproces.

Koud extrusieproces:

Koude extrusieprocessen worden bij kamertemperatuur of nabije kamertemperatuur uitgevoerd. Voordelen ten opzichte van het warme proces zijn: gebrek aan oxidatie, hogere sterkte door koud bewerken, nauwere toleranties, betere oppervlakteafwerking, en snellere extrusiesnelheden. Materialen die veel gebruikt worden in koude extrusieprocessen zijn lood, tin, aluminium, koper, zirconium, titanium, molybdeen, beryllium, vanadium, niobium en staal. Toepassingen van een koud extrusieproces zijn instortbare buizen, blusbusgehuizes, schokdempercilinders en tandwielblanks.

Handwarm extrusieproces:

Handwarm extrusieproces is gunstig voor zowel ferrometalen als non-ferro metalen en legeringen. Handwarm extrusie wordt boven kamertemperatuur uitgevoerd, maar onder de rekristallisatietemperatuur van het materiaal. Deze temperaturen variëren van 800 tot 1800 °F (424 tot 975 °C). Dit proces wordt meestal gebruikt om de juiste balans te bereiken tussen vereiste krachten, duktiliteit en finale extrusie-eigenschappen.

Wrijvingsextrusie (Friction extrusion):

Dit proces werd geïntroduceerd met de bedoeling homogene microstructuren en deeltjesverdeling in metaalmatrix composietmateriaal te produceren. Dit proces verschilt fundamenteel van conventionele extrusie doordat de lading roteert ten opzichte van de extrusiematrice. Een extrusiekracht duwt de lading tegen de matrice. Zowel de matrice als de lading kunnen draaien of ze kunnen tegenrotateren. Deze relatieve rotatiem beweging tussen lading en matrice heeft verschillende significante effecten:

• Grote afschuivingsspanningen door de relatieve beweging in het rotatievlak.
• Plastische vervorming in de laag van de lading in contact met en nabij de matrice.
• De plastische vervorming wordt gedissipeerd door herstel en rekristallisatieprocessen, wat leidt tot substantiële opwarming van de vervormende lading.
• Het proces vereist geen voorverhitting van de lading door hulpmiddelen, potentieel resulterend in een energie-efficiënter proces.

Ten tweede:

• Het substantiële niveau van plastische vervorming in het gebied van relatieve rotatiem beweging kan de vastestof-lassen van poeders bevorderen. Andere fijn verdeelde precursors, zoals vlokken en sporen, consolideren effectief de ladingen (wrijvingsconsolidatie) voor extrusie. Ten slotte,

Micro-extrusieproces:

Dit is een micro-vormgevings-extrusieproces uitgevoerd in submillimeterbereik. Conventioneel wordt metaal door een matriceopening geduwd, maar het resulterende product kan door een 1 mm vierkant passen. Bij voorwaartse extrusie bewegen ram en billet in dezelfde richting, bij achterwaartse in tegengestelde richting.

Materialen gebruikt in een extrusieproces

Zoals eerder vermeld, kunnen extrusiematerialen metaal, hout, kunststof en keramiek zijn. Hieronder hun uitleg.

Metaal:

Metalen zijn een van de meest gebruikte materialen in extrusieprocessen. Het type metaal bepaalt de werktemperatuur en de gewenste eigenschap is ook een factor. Hieronder de verschillende metalentypen in een extrusieproces.

Aluminium is het meest geëxtrudeerde materiaal en kan warm of koud geëxtrudeerd worden, afhankelijk van de uitvoering. Verhit tot 575 tot 1100 °F (300 tot 600 °C). Geëxtrudeerde aluminiumproducten zijn profielen voor sporen, frames, relingen, mullions en warmtewisselaars.

Messing (Brass) wordt vaak gebruikt voor het extruderen van machineonderdelen, autondeelen, pijpaansluitingen en korrosievrije staven.

Koper (Copper) wordt gebruikt voor de extrusie van pijpen, draden, staven, buizen en lasselektroden. Dit gebeurt bij een werktemperatuur van 1100 tot 1825 °F (600 tot 1000 °C).

Lood (Lead) en Tin worden ook gebruikt voor het extruderen van pijpen, buizen, draden en kabelschillen bij een maximum temperatuur van 575 °F (300 °C). Gesmolten lood kan ook in plaats van billets gebruikt worden in het verticale extrusieproces.

Magnesium wordt breed gebruikt voor het extruderen van kernindustrie-onderdelen en vliegtuigonderdelen bij een werktemperatuur van 575 °F (300 tot 600 °C). Het extrusieniveau van dit materiaal is bijna gelijk aan dat van aluminium.

Zink wordt breed gebruikt voor armaturen en leuningen, hardwarecomponenten, buizen, staven, etc. bij een temperatuur van 400 tot 650 °F (200 tot 350 °C).

Staal (Steel) – gebruikt voor staven en sporen bij 1825 tot 2375 °F (1000 tot 1300 °C). Legeringsstaal en roestvrij staal kunnen geëxtrudeerd worden, maar meestal wordt gewoon koolstofstaal geëxtrudeerd.

Titanium wordt ook gebruikt voor vliegtuigcomponenten waaronder zitsporen, motorenringen en andere structurele delen. Dit bij een werktemperatuur van 1100 tot 1825 °F (600 tot 1000 °C).

Kunststof:

Kunststoffen zijn een ander veelvoorkomend materiaal voor extrusie. Ze worden veel gebruikt als kunststofkorrels of pellets, die meestal gedroogd worden om vocht te verwijderen. In de extrusieapparatuur wordt het materiaal via een hopper gevoerd, dat vervolgens wordt verhit tot een vloeibare toestand door een combinatie van verwarmingselementen en afschuivingsverhitting van de extrusieschroef. De schroef, of schroeven bij twin-screw extrusie, perst de hars door een matrice, waardoor de hars de gewenste vorm krijgt.

Het extrudaat wordt gekoeld en verzolidifieerd wanneer het door de matrice of waterbak wordt getrokken. Om de algehele kwaliteit van het extrudaat te verbeteren, wordt een rups haul-off gebruikt om spanning op de extrusielijn te bieden. Pelletizers kunnen deze spanning ook creëren door geëxtrudeerde draden te trekken om te knippen, maar de rups haul-off biedt een consistente trek. Anders treedt trilling in snijdenlengte of vervormd product op.

Diagram van kunststofextrusieprocessen:

Bekijk de onderstaande video om te leren hoe het kunststofextrusieproces werkt:

Keramiek:

Keramiek is een ander materiaal dat door extrusie in vorm kan worden gebracht. Veel moderne bakstenen worden ook geproduceerd met een baksteenextrusieproces.

Extrusieapparatuur

Extrusieapparatuur bestaat in verschillende varianten, variërend op de volgende vier kenmerken:

• Beweging van de extrusie ten opzichte van de stam: directe of indirecte extrusie. Directe extrusie is wanneer de matrice stationair blijft en de stam ernaartoe beweegt. Indirecte extrusie is wanneer de stam stationair blijft en de matrice naar de stam beweegt. Dit wordt verder uitgelegd.
• Positie van de pers: verticaal of horizontaal.
• Type aandrijving: hydraulisch of mechanisch.
• Type belasting: conventioneel (variabel) of hydrostatisch.

In extrusieapparatuur wordt een enkele of dubbele schroefauger, aangedreven door een electromotor, of een stam, aangedreven door hydraulische druk, oliedruk, gebruikt. Moderne directe of indirecte extrusiepressen zijn meestal hydraulisch aangedreven, maar kleine mechanische pressen worden nog steeds eingesetzt. Deze hydraulische pressen zijn van twee typen: direct-aandrijving oliepressen en accumulator wateraandrijvingen.

Diagram van extrusieapparatuur:

Direct-aandrijving oliepressen zijn een van de meest voorkomende typen, betrouwbaar en robuust. Ze kunnen meer dan 35 MPa (5000 psi) leveren. Het billet in het systeem ontvangt constante druk. Dit extrusietoestel is echter langzaam, tussen 50 en 200 mm/s (2–8 ips).

Accumulator wateraandrijvingen zijn duurder en groter vergeleken met direct-aandrijving oliepressen. Ze verliezen ongeveer 10% van hun druk over de slag, maar werken met een veel hogere snelheid, tot ongeveer 380 mm/s (15 ips). Daarom worden ze gebruikt voor het extruderen van staal. Accumulator wateraandrijvingen kunnen ook gebruikt worden voor materialen die zeer hoge temperaturen vereisen voor veiligheidsdoeleinden.

Typen van een extrusieproces

Verschillende typen extrusieprocessen kunnen geclassificeerd worden op basis van:

Volgens de stroomrichting van materialen

Directe extrusie:

Deze typen extrusieprocessen laten materialen stromen in de richting van de voeding van de stam. Deze stam beweegt tijdens het proces naar de matrice. Directe extrusie vereist hogere kracht door hogere wrijving tussen billet en container. Directe extrusie is ook bekend als voorwaartse extrusie, het is redelijk gangbaar in de industriële wereld. In werking wordt het billet in een zwaarwandige container geplaatst die door de matrice wordt geduwd door een stam of schroef. Een herbruikbaar dummy blok tussen de stam en het billet houdt ze gescheiden.

De grootste beperking van dit proces is dat de kracht om het billet te extruderen hoog is. Dit komt door de wrijvingskrachten die ontstaan doordat het billet de volledige lengte van de container moet afleggen. Vanwege de grotere vereiste kracht aan het begin van het proces die langzaam afneemt naarmate het billet opgaat. Vóór het einde van het billet neemt de kracht sterk toe omdat het billet dun is en het materiaal radiaal moet stromen om de matrice te verlaten.

Indirecte extrusie (Indirect Extrusion):

In een indirect extrusieproces stromen werkende materialen in tegengestelde richting van de stambeweging. De matrice is aan de tegenovergestelde zijde van de stambewing gemonteerd. Het materiaal mag stromen door de ringvormige ruimte tussen stam en container. Het staat bekend als achterwaartse extrusie. In het proces bewegen billet en container samen terwijl de matrice stationair blijft. Een "stam" die langer is dan de containerlengte houdt de matrice op zijn plaats. De maximale lengte van de extrusie wordt uiteindelijk bepaald door de kolomsterkte van de stam. De beweging van het billet met de container elimineert wrijvingskrachten die kunnen ontstaan.

Voordelen van indirecte extrusie:

• Tot 25 tot 30% wrijving wordt verminderd. Dit stelt grotere billets te extruderen, kan bij verhoogde snelheid uitgevoerd worden. Ook de mogelijkheid om kleinere dwarsdoorsneden te extruderen.
• Minder neiging voor extrusie te barsten, omdat geen warmte ontstaat door wrijving.
• De containerbekleding duurt langer door minder slijtage.
• Het billet wordt uniformer gebruikt, wat resulteert in minder defecten en grofkorrelige structuur.

Nadelen van indirecte extrusie:

• Defecten en onzuiverheden op het oppervlak van het billet beïnvloeden het oppervlak van de extrusie.
• Het proces is niet zo veelzijdig als directe extrusies vanwege het beperkte dwarsdoorsnedeoppervlak.

Hydrostatische extrusie (Hydrostatic Extrusion):

Deze extrusietypes gebruiken vloeistof om druk op het billet uit te oefenen. Wrijving wordt geëlimineerd in dit proces omdat het billet niet in contact is met de cylinderwand of stam. Er zit een vloeistof tussen billet en stam, en de stam oefent kracht op de vloeistof uit die verder op het billet wordt toegepast. Plantenoliën worden normaal gebruikt als vloeistof in hydrostatische extrusie. Een effect van dit proces is het lekkageprobleem en onbeheerste extrusiesnelheid. Dit proces kan warm, handwarm of koud uitgevoerd worden, maar de temperatuur wordt beperkt door de stabiliteit van de gebruikte vloeistof. Een afgedichte cylinder met het hydrostatische medium moet gebruikt worden om dit proces uit te voeren.

De vloeistof kan op twee manieren onder druk gezet worden: ten eerste, constant-snelheid extrusie, dat wil zeggen een stam of duwer wordt gebruikt om de vloeistof in de container onder druk te zetten. Ten tweede, constant-druk extrusie – een pomp wordt gebruikt, mogelijk met een drukversterker, om de vloeistof onder druk te zetten. Deze wordt vervolgens naar de container gepompt.

Voordelen van hydrostatische extrusie:

• Krachtsvereiste is verminderd aangezien geen wrijving tussen container en billet.
• Hogere snelheden, hogere reductieratio's, en lagere billet temperaturen.
• Duktiliteit van het materiaal neemt toe bij hoge drukken.
• Geen billetresten blijven op de containerwanden.
• Zowel grote billets als grote dwarsdoorsneden kunnen geëxtrudeerd worden.

Nadelen van hydrostatische extrusie:

• De billets moeten voorbereid worden door één uiteinde af te taperen om de matrice instapshoek te matchen. Dat wil zeggen, een afdichting moet aan het begin van de cirkel gevormd worden.
• Het hele billet moet bewerkt worden om eventuele oppervlaktedefecten te verwijderen.
• Vloeistof onder hoge druk kan moeilijk te bereiken zijn.
• Een billetrest of een prop van een zwaarder materiaal moet aan het einde van de extrusie blijven om een plotselinge vrijgave van de extrusievloeistof te voorkomen.

Volgens de werktemperatuur

Warm Extrusie:

Zoals eerder vermeld, wordt het warme extrusieproces boven de rekristallisatietemperatuur van het materiaal uitgevoerd. Dit is meestal boven 50-60% van de smelttemperatuur. Bij deze extrusietypes is lage kracht vereist, makkelijk te bewerken, en het product is vrij van werkverharding. Hoewel hoge onderhoudskosten vereist zijn.

Koude Extrusie (Cold Extrusion):

Koude extrusie vindt plaats bij kamertemperatuur of onder de kristallisatietemperatuur van het materiaal. Het biedt hoge mechanische eigenschappen, hoge oppervlakteafwerking, en geen oxidatie aan het metaaloppervlak. Echter, hoge kracht is vereist, en producten worden met werkverharding bereikt.

Werkprincipe van extrusie

De werking van extrusie is eenvoudig en makkelijk te begrijpen. Met de diverse uitleg over de typen extrusieprocessen ben je blootgesteld aan de verschillende variaties. Wel, in de conventionele methode wordt een zuiger of duwer gebruikt om compressieve kracht op het werkstuk uit te oefenen. Bij warme extrusie wordt het billet verhit of bij kamertemperatuur gehouden bij koude extrusie. Het wordt vervolgens in een extrusiepers geplaatst, die lijkt op een zuiger-cilinder apparaat, dat wil zeggen metaal wordt in de cilinder geplaatst en geduwd door een zuiger. Het bovenste deel van de cilinder is voorzien van een matrice.

Deze stam die aan de pers is gemonteerd, duwt het billet naar de matrice die de vorm van het gewenste object draagt. De hoge compressieve kracht die wordt toegepast, laat het werkmateriaal door een matrice stromen en de vorm aannemen. Het deel wordt uit de pers gehaald en de operatie is voltooid.

Bekijk de onderstaande video voor meer over de werking van het extrusieproces:

Voordelen en nadelen van extrusie

Voordelen:

Hieronder de voordelen van het extrusieproces in hun diverse toepassingen:

• Hoge mechanische eigenschappen kunnen bereikt worden met koude extrusie.
• Een complexe dwarsdoorsnede kan gemakkelijk gecreëerd worden.
• Brosse en duktiele materialen kunnen bewerkt worden.
• Hoge extrusieratio.

Nadelen:

Ondanks de goede voordelen van het extrusieproces, blijven enkele beperkingen bestaan. Hieronder de nadelen:

• Hoge initiële of opstartkosten.
• Vereist hoge compressieve kracht.

Conclusie

Het extrusieproces is een van de meest gangbare processen in de productiewereld. Het betreft een grote verscheidenheid aan materialen zoals metalen, kunststoffen, keramiek, etc. Het proces kan warm of koud uitgevoerd worden wanneer betere eigenschappen gewenst zijn. Het is een productievormgevingsproces dat basismateriaal door een vooraf gevormde matrice perst om objecten met een specifieke vorm en profiel te creëren. Dit was het artikel waarin de definitie, toepassingen, functie, proces, materialen, apparatuur, typen, werkprincipe, en voor- en nadelen van extrusieprocessen besproken werden.

Ik hoop dat je er veel aan hebt gehad. Deel dit graag met anderen. Dank voor het lezen, tot de volgende keer!