Kupferlegierungen – Messing, Bronze und Kupfernickel
Kupferlegierungen besitzen hervorragende Materialeigenschaften, die für zahlreiche Anwendungen nüt sind. Reines Kupfer zählt seit über 6000 Jahren zu den bedeutendsten…
Sowohl Standardmaterialien als auch kundenspezifische Metallteile sind in einer Vielzahl von Querschnitten erhältlich. Die Metall-Extrusion ist eines der Verfahren, mit denen nahtlose Rohre oder komplexe Vollprofile hergestellt werden.
Die Bedeutung der Metall-Extrusion kann kaum überschätzt werden. Produkte, die durch dieses Verfahren entstehen, finden sich in unterschiedlichsten Branchen wie Bauwesen, Fertigung, Einzelhandel, Informationstechnologie und vielen mehr.
Ein grundlegendes Verständnis aller wichtigen Fertigungsverfahren, einschließlich ihrer Möglichkeiten und Flexibilität, kann für Ingenieure äußerst hilfreich sein. Deshalb werfen wir in diesem Artikel einen kurzen Blick auf die verschiedenen Aspekte dieses Verfahrens.
Das Metall-Extrusionsverfahren wurde 1797 von Joseph Bramah erfunden. Er presste weiches Metall mit einem handbetriebenen Kolben durch eine Matrize, um Metallrohre zu formen.
Der gleiche Mann entwickelte 1820 auch die erste hydraulische Presse für Thomas Burr. Diese hydraulische Presse ermöglichte die Herstellung der ersten Bleirohre und revolutionierte die Metallumformung.
Bei der Metall-Extrusion handelt es sich um ein Umformverfahren, bei dem ein Metall (heiß oder kalt) durch eine Matrize gepresst wird. Das Metall nimmt beim Durchströmen der Matrize deren Form an. Das Material, das aus der Matrize austritt, wird als „Extrudat“ bezeichnet.
Das Metall wird dabei Druck- und Scherkräften ausgesetzt, um die Form der Matrize zu erreichen. Durch die Natur dieser Kräfte und die hohen Temperaturen können auch Werkstoffe mit sonst spröden Eigenschaften verarbeitet werden.
Neben Metallen eignen sich auch Nichtmetalle wie Keramik, Kunststoff, Ton, Beton, Polymere usw. für das Extrusionsverfahren.
Das Metall-Extrusionsverfahren hat sich seit seiner Erfindung stetig weiterentwickelt. Neben der direkten Extrusion von Endprodukten wird dieses Fertigungsverfahren auch genutzt, um ein gleichmäßiges Material für additive Fertigungsverfahren wie den 3D-Druck bereitzustellen, das anschließend schichtweise zum gewünschten Produkt aufgebaut wird.
Ein generischer Metall-Extrusionsprozess umfasst folgende Schritte:
Aluminiumbolzen
Der Bolzen oder das Barrenmaterial dient als Ausgangswerkstoff für den Produktionsprozess. Dieses Material muss bestimmte, vom Konstrukteur vorgegebene Normen erfüllen. Es besitzt meist einen runden oder quadratischen Querschnitt, kann aber auch andere Formen aufweisen.
Das Vormaterial wird durch Verfahren wie Warmwalzen oder Stranggießen hergestellt.
Das Standardmaterial wird in die Extrusionsmaschine (z. B. Presse) eingelegt und für die Warmextrusion auf die empfohlene Temperatur erhitzt.
Bei der Kalt-Extrusion erfolgt keine oder nur eine sehr geringe Erwärmung, da der Prozess bei Raumtemperatur stattfindet.
Nun erfolgt die eigentliche Extrusion, bei der das Material durch eine Druckkraft in Richtung Matrize gepresst wird. Die Matrize besitzt eine kleine Öffnung, durch die das Metall unter hohem Druck austritt und dabei die Form der Matrize annimmt.
Nach Abschluss dieses Schrittes wird der Druck abgebaut und das Produkt geht in die nächste Bearbeitungsstufe über.
Das Produkt durchläuft anschließend eine Wärmebehandlung, um seine Eigenschaften zu verbessern und es für den späteren Einsatz vorzubereiten. Die Art der Wärmebehandlung variiert je nach Metall.
Bei Aluminium wird das extrudierte Teil zunächst abgekühlt, dann gestreckt und auf die gewünschte Länge zugeschnitten. Danach erfolgt ein Alterungsprozess, in dem die Teile auf 177°C erhitzt und vier Stunden gehalten werden, um sie zu härten.
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Metall-Extrusionsverfahren. Während die Grundprinzipien gleichbleiben, werden sie je nach gewünschtem Produkt unterschiedlich angewendet.
Alle Metall-Extrusionsverfahren lassen sich in folgende Hauptarten unterteilen:
Bei der Warmextrusion wird das Vormaterial auf eine Temperatur oberhalb seiner Rekristallisationstemperatur erhitzt. Dadurch wird das Metall weich und kann durch die Matrize fließen.
Die hohe Prozesstemperatur verhindert Kaltverfestigung des Materials. Durch den hohen Druck ist der Einsatz von Schmiermitteln erforderlich.
Die Anlagen für Warmextrusion sind teuer in Anschaffung und Wartung und wirtschaftlich erst bei größeren Produktgrößen.
Findet die Extrusion bei Raumtemperatur statt, spricht man von Kaltextrusion. Das Material wird dabei nicht oder nur minimal erwärmt. Diese Fertigungsmethode hat gegenüber der Warmextrusion Vor- und Nachteile.
Vorteile sind kürzere Taktzeiten, bessere Maßhaltigkeit, glattere Oberflächen und keine Oxidation.
Nachteile sind der höhere Kraftbedarf aufgrund der geringeren Verformbarkeit des Materials. Außerdem können sich die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs während des Prozesses verändern. Die Extrusionsgeschwindigkeit ist bei diesen Temperaturen niedriger.
Beim Warmauspressen findet die Extrusion bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und Rekristallisationstemperatur statt.
Im Vergleich zu den vorgenannten Verfahren bietet das Warmauspressen Vorteile wie eine höhere Kontrolle über die Eigenschaften des Extrudats, beispielsweise die Duktilität.
Die Temperaturen beim Warmauspressen liegen zwischen 424°C und 975°C. Der Schmelzpunkt des Metalls wird dabei zu keinem Zeitpunkt überschritten.
Die Reibungsextrusion ist ein eher wenig beachtetes Verfahren, das jedoch aufgrund seiner Vorteile in der additiven Fertigung verstärkt in den Fokus rückt.
Bei der Reibungsextrusion wird die durch Reibung zwischen Matrize und Ausgangsmaterial entstehende Wärme genutzt, um das Material zu erwärmen. Eine separate Vorwärmung ist daher nicht erforderlich; das Material erreicht durch die innere Energie die notwendige Extrusionstemperatur.
Unter Krafteinwirkung wird das Material durch die Matrizenöffnung gepresst und das Extrudat nimmt die gewünschte Form an. Vorteil gegenüber anderen Verfahren ist, dass recycelbares Metall als Vormaterial direkt eingesetzt werden kann. Abfälle wie Späne, Blöcke, Reststücke oder Pulver können ohne Vorbehandlung zur Herstellung von Endprodukten genutzt werden.
Die Mikroextrusion ermöglicht die Herstellung von Produkten im Submillimeterbereich für spezielle Anwendungen. Das Verfahren bleibt grundsätzlich gleich, erfordert jedoch sehr kleine Matrizen und Stempel, was hohe Anforderungen an die Präzision stellt. Die Produkte passen in ein Quadrat von 1 mm Seitenlänge.
Weitere Herausforderungen bei kleinen Produkten sind Kornstruktur, Verformungsfehler und Formstabilität.
Für die Extrusion stehen verschiedene Anlagen zur Verfügung, die sich nach verschiedenen Kriterien, wie Richtung der Krafteinwirkung oder Medium zur Kraftübertragung, unterscheiden lassen.
Zu den gängigen Extrusionsanlagen zählen:
Bei der Direktextrusion ist die Matrize feststehend, während der Stempel das Metall unter Druck setzt. Durch diesen Druck fließt das Material durch die Matrizenöffnung, die sich auf der dem Stempel gegenüberliegenden Seite des Behälters befindet. Das Extrudat tritt daher in Bewegungsrichtung des Stempels aus – daher auch der Begriff Vorwärts-Extrusion.
Direktextrusion ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren. Vorteile sind:
Nachteile dieses Verfahrens:
Bei der indirekten Extrusion befindet sich die Matrizenöffnung auf dem Stempel. Während der Stempel das Metall zusammendrückt, fließt es entgegen der Stempelrichtung durch die Matrize – daher auch Rückwärts-Extrusion genannt.
Die indirekte Extrusion benötigt weniger Energie, da die Reibung zwischen Bolzen und Behälter geringer ist. Wie die Direktextrusion eignet sie sich sowohl für Warm- als auch für Kaltextrusion.
Ein Nachteil besteht darin, dass das Extrudat schwer zu unterstützen ist. Der Stempel ist hohl, wodurch die Belastbarkeit begrenzt wird.
Bei den bisher beschriebenen Verfahren steht der Stempel in direktem Kontakt mit dem Bolzen. Bei der hydrostatischen Extrusion wird der Bolzen hingegen durch eine Flüssigkeit unter Druck gesetzt und ist in alle Richtungen von Flüssigkeit umgeben, außer an der Matrizenfläche.
Dadurch entfällt die Reibung zwischen Bolzen und Behälter und der Kraftaufwand für die Extrusion wird reduziert. Das Material fließt nur noch durch die Matrizenöffnung aus.
Vorteile der hydrostatischen Extrusion:
Nachteile:
Bei der Impulsextrusion trifft der Stempel mit hoher Geschwindigkeit auf den Bolzen. Der entstehende Druck presst das Extrudat durch den Spalt zwischen Stempel und Matrize, die dem Extrudat die gewünschte Form gibt.
Nach dem Anheben des Stempels wird das Extrudat mit nach oben gezogen und durch eine Abstreifplatte abgetrennt.
Die Impulsextrusion basiert auf Kaltextrusion und wird vor allem für weiche Metalle wie Aluminium, Kupfer und Blei eingesetzt.
Bei der seitlichen Extrusion befindet sich die Matrizenöffnung an der Seite des Behälters. Während der Stempel den Bolzen nach unten presst, tritt das Extrudat seitlich aus dem Behälter aus. Es können auch mehrere Matrizenöffnungen vorhanden sein. Der Metallfluss erfolgt hierbei senkrecht zur Stempelrichtung.
Seitliche Extrusion ist eine spezielle Form des Gesenkformens. Sie wird häufig als Alternative zum Stauchen eingesetzt und ermöglicht die Herstellung besonders langer Produkte in einem Arbeitsgang.
Fehler sind ein unvermeidlicher Begleiter jedes Prozesses. Durch geeignete Vorsichtsmaßnahmen und Nachbehandlungen können sie jedoch in Anzahl und Ausmaß reduziert werden. Bei Extrudaten treten hauptsächlich drei Arten von Fehlern auf, die die Qualität des Endprodukts erheblich beeinträchtigen können.
Die Hauptursache für Oberflächenrisse sind übermäßige Spannungen auf der Materialoberfläche. Ist die Reibung während der Extrusion zu hoch, treten Oberflächenrisse auf.
Entstehen Risse im Kern des extrudierten Produkts, spricht man von Innenrissen. Zu geringe Reibung und niedrige Extrusionsverhältnisse in der Umformzone führen zu diesem Fehler. Er kann durch Erhöhung der Reibung an der Werkzeug-Bolzen-Grenzfläche vermieden werden.
Unter Rohrbildung versteht man einen trichterförmigen Hohlraum im Endprodukt. Dieser Fehler entsteht, wenn das Vormaterial Verunreinigungen oder Oxide enthält.
