eks
2.11 EKSTRUDERING / EKSTRUDEREDE PROFILER
2.11.1 INDLEDNING
Stangpresning, eller “ekstrudering”, (afledt af det engelske extrude) er en typisk bearbejdningsmetode for ”ikke-jernmetaller” og specielt aluminium. Materialet presses i opvarmet og blødgjort, men ikke smeltet tilstand gennem en matriceåbning i samme form, som det profil, man ønsker at fremstille. For aluminium ligger ekstruderingstemperaturen på mellem 400 og 500oC, hvor smeltetemperaturen til sammenligning ligger på ca. 650°C.
Fordelene ved ekstrudering er, at man på en nem og billig måde kan fremstille mere eller mindre komplicerede profilformer, både åbne og lukkede. Ekstrudering er derfor en meget anvendelig teknik, som er i stærk fremgang. Alle gængse legeringer kan i princippet anvendes til ekstrudering, men ikke alle med lige godt resultat. Oftest benyttes de varmehærdende 6000 legeringer (AlMgSilegering). Se rubrik 1.2.4 om varmehærdning.
Da værktøjsomkostningerne ved ekstrudering er forholdsvis lave, typisk 65.000 til 225.000 kr., kan det ofte betale sig at få fremstillet mindre serier af specialprofiler..
Ekstruderede profiler behøver næsten ingen efterbearbejdning, og ofte er en afskæring til den rette længde alt, der behøves, for at få en færdig komponent. Et betydeligt mere moderne begreb ligger derfor for hånden, nemlig “near-net shape”.
Desuden er der store muligheder for at indbygge funktioner som f.eks. skruekanaler, forberedelse til svejsning, hængsel- og klipsefunktioner etc. i profilet, hvorved der yderligere opnås en væsentlig reduktion i udgifterne til fremstilling af det færdige produkt.
2.11.2 EKSTRUDERINGSTEKNOLOGIER
Direkte ekstrudering:
Den mest almindelige metode til ekstrudering er den såkaldte ”direkte ekstrudering”, hvor det bløde aluminium – den såkaldte ”presbolt” (eller på engelsk: ”billet”) – presses gennem et ekstruderingsværktøj (matrice), der giver emnet sin facon – se Figur 2.42.
Figur 2.42 Direkte ekstrudering
Den direkte ekstrudering er en billig proces og har desuden den fordel, at presboltens overfladeurenheder bliver tilbage i presboltresten (den del af presbolten, der er tilbage, efter at stemplet er presset i bund).
Ulempen er, at der er en stor friktionskraft imod containervæggen (engelsk: ”liner”).
Indirekte ekstrudering:
En lidt anden metode til ekstrudering er den såkaldte ”indirekte ekstrudering”. I stedet for at presse presbolten igennem et ekstruderingsværktøj bliver denne så at sige stående, og i stedet presses ekstruderingsværktøjet ind i presbolten – se Figur 2.43.
Figur 2.43 Indirekte ekstrudering
Fordelen ved denne metode er, at der overføres en stor specifik kraft fra stempel til materiale, da der ikke er nogen friktionskraft imellem containervæg og presbolt, som skal overvindes.
Ulemperne er, at processen er dyr, og at der skal bruges et langt stempel eller meget korte presbolte med tidskrævende ilægning.
Rørekstrudering:
Ved ekstrudering af rør anvendes to forskellige metoder, der begge er afledt af den direkte ekstruderingsmetode: Ekstrudering ved hjælp af broværktøj og ekstrudering omkring en indre dorn.
Ved broværktøjsmetoden består ekstruderingværktøjet af to dele, der passer ind i hinanden: En ydre matrice, der giver emnet sin ydre facon, og et såkaldt broværktøj med en kort dorn, der rækker ind gennem den ydre matrice. Dornen er fastholdt til broværktøjet vha. strømlinieformede broer. Under ekstruderingen flyder det bløde aluminium rundt om broerne og sammensvejses igen på bagsiden – se Figur 2.44.
Broværktøjsmetoden er den mest almindelige metode til fremstilling af ekstruderede rør og hulprofiler.
Figur 2.44 Broværktøjsmetoden til fremstilling af hule profiler
Ved ekstrudering over en dorn – se Figur 2.45 – er der monteret en dorn (engelsk: ”mandrel”) på det bevægelige stempel. Dornen går gennem matricen (engelsk: ”die”), og danner derved den indre facon.
Produktiviteten er ca. 50% lavere end ved broværktøjsmetoden, og er derfor ikke særlig udbredt.
Figur 2.45 Ekstrudering over en dorn
3-D Ekstrudering
Et nyt tiltag indenfor ekstruderings teknologien er den såkaldte 3-D ekstrudering, hvor der anvendes et system af henholdsvis roterende og faste matricer.
Man kan sammenligne 3-D ekstrudering med direkte ekstrudering og ekstrudering med broværktøj, blot med den forskel, at den endelige ydre form skabes i 2 trin.
Den faste matrice (engelsk: ”integrated static die”) giver emnet sin forløbige ydre form, hvorefter de roterende matricer (”rotating dies”) færdiggør i arbejdet – se Figur 2.46.
Fordelen ved metoden er, at man f.eks. kan ekstrudere en færdig tandstang eller en riflet overflade.
Figur 2.46 Eksempel på 3-D ekstrudering, Markram [20].
2.11.3 EKSTRUDERINGSSVEJSNING
Ekstruderingssvejsning er en sammenføjning af to berøringsoverflader i ekstruderingsprocessen. Svejsningen sker udelukkende via det høje tryk og de efterfølgende store deformationer, der opstår i matricerne, men uden at metallet smelter.
Der findes to former for ekstruderingssvejsninger:
1) “Charge weld”
Charge weld er svejsning af to på hinanden følgende presbolte, dvs. mellem det resterende metal i værktøjet efter afskæring af presboltresterne og den nye presbolt. Svejsningen påbegyndes, når profilet er kommet et stykke forbi stopmærket. På grund af det uhomogene metalflyd i værktøjet, vil der ske en udstrækning langs profilet. Charge weld opstår både i lukkede og åbne ekstruderinger.
I en “charge weld” svejsning kan der forekomme reducerede materialeegenskaber i et vist område langs profilet – det såkaldte ”CW-område”. Mens den maksimale brudstyrke kun reduceres perifert, påvirkes egenskaber såsom modstandsevne mod, og i specielle tilfælde, hvor der stilles meget høje krav til udmattelsesstyrken af det færdige profil, er det derfor nødvendigt at fraskære en del af CWområdet. Normalt fraskærer man ikke CW-området, hvis profilet udelukkende er statisk belastet.
2) “Seam weld”
“Seam weld” – sømsvejsning opstår, når der ekstruderes over et broværktøj. “Seam welden” løber over hele ekstruderingslængden.
2.11.4 BEGRÆNSNINGER I STØRRELSEN AF EKSTRUDEREDE PROFILER
Afhængig af valg af ekstruderings leverandør vil der optræde nogle begrænsninger i udformningen af et ekstruderet profil både hvad angår den ydre geometri og hvad angår størrelsen af eventuelle hulrum i ekstruderingen.
I Figur 2.47 vises et eksempel på en begrænsningskurve fra en aluminiumsleverandør til brug ved udformning af et konkret tværsnit. Omridset angiver den maksimale mulige ydre geometri af en extrudering, de interne linier i samme figur angiver den maksimale størrelse af mulige indre hulrum i en extrudering af henholdsvis cirkulær, kvadratisk eller rektangulær form.
De største ekstruderinger, der kan fremstilles i dag, er omkring 600 x 200 mm, men 450 x 150 mm er mere almindeligt.
Figur 2.47 Eksempel på begrænsningskurve for ekstrudering.
OCD-cirkelforhold:
Den omskrevne cirkeldiameter – OCD (Circumscribing Circle Diameter, CCD) – er et udtryk for profilets størrelse og virker derfor bestemmende for valg af godstykkelse, tolerance og prisfastsættelse. Det er idag muligt at ekstrudere profiler med en OCD fra 2 mm og op til ~800 mm.
Figur 2.48 OCD-cirkelforhold.
Afhængig af den omskrevne diameter er der en vis minimums vægtykkelse af ekstruderingen. Dette forhold er illustreret på Figur 2.49.
Figur 2.49- Forholdet mellem min. vægtykkelsen og den omskrevne diameter.
Vægten af et ekstruderet profil kan variere fra under 0,03 kg/m til over 300 kg/m
2.11.5 DESIGN AF EKSTRUDEREDE PROFILER
Et tværsnit er nemmere at ekstrudere hvis det:
• har identiske vægtykkelser
• har simple bløde former – rundt i stedet for skarpe vinkler
• er symmetrisk
• har en lille omskreven cirkel
• ikke har dybe og smalle fordybninger
Der skelnes mellem 3 forskellige profiltyper:
1) Lukkede profiler: Massive stænger med vilkårlig udvendig form og ingen kritiske tungeforhold.
2) Halvåbne profiler: I princippet et lukket profil, men med kritiske tungeforhold.
Forholdet mellem arealet på kammeret og kvadratet på
åbningen i profilet afgør om profilet kaldes et lukket eller et halvåbent profil.
3) Hulprofil: En tilfældig form, men materiale hele vejen rundt, så værktøjet kræver en broopbygning, hvorved der opstår en svejsning (seam weld).
2.11.6 ANVENDELSESOMRÅDER FOR EKSTRUDEREDE ALUMINIUM PROFILER
Ekstruderingsprocessen frembyder mange muligheder for former og indbyggede funktioner. Ekstruderede aluminium profiler anvendes derfor også i mange forskellige produkter og industrisegmenter:
Byggeindustrien til døre, vinduer facader og glastage m.m samt markiser, flagstænger, stiger, indretningsdetaljer og møbler.
Elektronikbranchen bruger ekstruderede aluminiumprofiler til køleprofiler, indkapslinger og frontpaneler.
Fritidssektoren finder man profiler anvendt til bl.a fodboldmål og andre redskaber til udendørs idræt, tennis, golf og fritidsbåde.
Transportindustrien er et stort segment, her findes profiler til lastbiler, busser, personbiler, tog, offshoreindustrien og skibe, netop her vil forbruget af ekstruderede aluminium profiler stige i takt med kravene om lettere køretøjer med lavere energiforbrug.
2.11.7 INDBYGGEDE FUNKTIONER
En af de store fordele ved ekstruderede profiler er, at der kan indbygges forskellige funktioner, der f.eks. letter den efterfølgende samlingsproces.
Skruespor som vist på Figur 2.50 er et egnet konstruktionselement for opbygning af eksempelvis hjørneforbindelser. Billedet viser nogle eksempler på hvorledes der er indlagt skruespor i profilet. Det modstående profil er udført med et spor således, at de ikke kan vride sig i forhold til hinanden. Man får altså i tilgift en vridningsstiv forbindelse med bare een skrue. Skruen er en selvskærende pladeskrue, det er derfor ikke nødvendigt et skære gevindhullet. Dette er medvirkende til at forenkle monterings arbejdet, og dermed medvirke til et billigere produkt.
Figur 2.50 Skruespor.
Snapplås eller klipsesamling som vist på Figur 2.51, er en anden måde at opbygge en profil konstruktion på. Det sker ved at udnytte aluminiums gode elastiske egenskaber. Således kan et låg lægges på en kabelbakke. Ved at opbygge kabelbakken som vist kan den klipses sammen uden nogen form for skruer eller anden form for sammenføjnings metode. Klipse løsninger kan udformes på mange forskellige måder, afhængigt om de skal kunne fungere som fleksible sammenføjninger eller ej.
Figur 2.51 Klipsesamling.
Ved lidt kraftigere hjørneforbindelser kan man anvende forskellige former for hjørneklodser. Her er vist en løsning er et afkortet specialprofil. De i gering skårede profiler bliver så ført ind over disse. Hjørneprofilerne kan selvfølgelig have forskellige udformninger, alt efter hvad de skal bruges til. For en simpel tavleramme kan vinkler udført i plademateriale være tilstrækkelig.
Figur 2.52 Hjørneforbindelse.
2.11.8 PLADEPANELER SAMLET AF EKSTRUDEREDE PROFILER
Traditionelt fremstilles store planpaneler ved at svejse profiler på plader f.eks. som vist på Figur 2.53.
Figur 2.53 Snit i panel opsvejst af plader og profiler.
Et opsvejst panel skal geometrisk udformes med en passende indbyrdes afstand mellem profilerne afhængig af profilhøjden for at tilgodese adkomsten både hvad angår påsvejsningen af profilerne, samt hvad angår udførelsen af diverse svejsedetaljer ved krydsende elementer eller ved endeforbindelser.
På grund af kravet til minimumsafstand mellem profilerne og dermed en relativt stor belastningsbredde for selve pladen, vil det opsvejste panel typisk ende op med en relativt tyk og dermed tung dæksplade.
Den ensidige påsvejsning af profiler på pladerne vil give anledning til krumning af selve aluminiumspanelet. Denne tendens kan dog modvirkes f.eks. ved påhæftning af den primære afstivning før fuldsvejsning af den sekundære afstivning, men det betyder efterfølgende en reduceret mulighed for anvendelse af svejseautomatik i forbindelse med påsvejsning af profiler.
Planpaneler fremstillet at sammensvejste ekstruderede profiler udgør et meget attraktivt alternativ til de traditionelt opsvejste paneler.
I stedet for at skulle svejse profiler på en plade kan man ekstrudere en plade med integrerede profiler, og selv om profilerne typisk ikke vil være mere end 450 mm brede, spares der totalt set mange svejsemeter.
De forskellige aluminiumsleverandører har hver især et standardprogram af ekstruderede profiler / paneler, der umiddelbart vil kunne anvendes til fremstilling af planpaneler, og Figur 2.54 viser et par eksempler på et sådanne profiler.
Figur 2.54 Eksempler på ekstruderede profiler til skibsbygning.
Alternativt kan disse eksempler på meget forskellige typer af ekstruderinger danne basis for inspiration for designeren i dennes udformning af et optimalt tværsnit for et konkret problem. Den valgte udformning af ekstruderingen bør efterfølgende forelægges for og diskuteres med leverandøren for at sikre, at det er muligt at udforme en matrice til det aktuelle tværsnit uden for stor økonomisk omkostning.
Ved udformningen af et panel baseret på sammensvejsning af ekstruderede profiler er det vigtigt at have fokus på både den konstruktion, som panelet skal indbygges i, og på fremstilling- og indbygningsprocessen for panelet. Det planlagte tværsnit skal derfor have en sådan udformning at det tilgodeser både ekstruderingsprocessen, selve sammensvejsningen af de ekstruderede profiler samt den endelige funktion.
Ved standardisering af profilet er det muligt at industrialisere fremstillingen, noget som medfører kortere produktionstid, mere ensartet kvalitet og lavere omkostninger. Det endelige design bliver således et kompromis mellem hvad der er optimalt angående design og legeringsvalg, og hvad der er optimalt rent fremstillingsmæssigt.
Det er vigtigt at udforme panelløsninger på et tidligt stadium i projekteringen for at kunne tilpasse øvrige dele af konstruktionen til den valgte panelløsning.
I nedenstående eksempel Figur 2.55 og Figur 2.56 er tværsnittet optimeret til brug i vogndæk på katamaran bilfærger. Således er tykkelsen øget, hvor der er behov, f.eks. i dækspladen og bundflangen, og endvidere er overfladen tilføjet riller for at sikre en passende friktion mellem aluminiumsdækket og hjulene på bilerne.
Det ekstruderede panel kan designes optimalt med udgangspunkt i den givne belastning. I eksemplet er ”dæksaftryks”-arealet fra bilerne dimensionsgivende for dækspladen, og ved at reducere afstanden mellem siderne i hulprofilet til f.eks. bredden på aftryksarealet reduceres tykkelsen af dækspladen.
Endvidere kan det ekstruderede profil tilføres detaljer der tilgodeser den videre fremstillingsproces, f.eks. ”fjer og not”, der tillader ensidig sammensvejsning af ekstruderede paneler.
Ved at benytte et lukket tværsnit til det ekstruderede profil opnås fordele i form af bedre torsionsstivhed og dermed en større kontrol med tolerancer og planhed, men på den anden side også svejsetekniske problemer, når panelerne skal sammensvejses i længderetningen, og det er nødvendigt at lave nogle specielle konstruktive tiltag for at sikre styrken i overgangszonen.
Figur 2.55 Typisk vogndæksprofil fra en katamaran bilfærge.
I forhold til et traditionelt opsvejst panel erstattes 2 x 9 kantsømme af 7 stumpsømme mellem de ekstruderede profiler.
Ganske vist er der mulighed for at anvende afbrudt svejsning ved påsvejsning af profilerne i det traditionelle panel, men omvendt er der gode muligheder for at anvende en højt automatiseret svejseproces ved sammensvejsning af de ekstruderede profiler.
Figur 2.56 Snit i typisk panel opbygget af ekstruderede profiler.
Det ekstruderede panel kan med fordel fremstilles f.eks. af aluminiumsleverandøren i en fast opstilling under anvendelse af den nyeste svejseteknologi, f.eks. Friction Stir welding, for senere indbygning i et givet dæksektion, herved fremstillingstiden af sektionen reduceres markant.
Af hensyn til den videre transport fra fremstillingsværksted til byggested samt håndteringen ved opstillingen er det ofte nødvendigt at påsvejse dele af den primære afstivning for at sikre en passende stivhed af panelet – se Figur 2.57.
Figur 2.57 Typisk vogndækspanel fra en katamaran.
Primær afstivning
På grund af begrænsningen i størrelsen af ekstruderede emner er det ikke altid muligt at ekstrudere den primære afstivning i ét stykke, men som alternativ til et opsvejst element kan der opbygges en løsning baseret på sammensvejsning af to ekstruderede profiler som vist i Figur 2.58.
En af fordelene ved en sådan løsning er at HAZ-zonen placeres i et spændingsneutralt område af elementet, og at de usvejste styrkeegenskaber derfor kan lægges til grund for dimensioneringen. En anden fordel er at udkappene i dragersystemet for den sekundære afstivning udelukkende sker i underparten, hvorimod den indbyrdes tilpasning mellem den primære afstivning fortrinsvis sker i topparten.
Figur 2.58 Eksempel på todelt primær afstivning.
2.11.9 SAMMENSVEJSNING AF EKSTRUDEREDE PROFILER
Ved sammensvejsning i længderetningen af paneler opbygget af ekstruderede profiler vil det afhængig af om der er anvendt åbne eller lukkede tværsnit til ekstruderingen, være nødvendigt at anvende helt forskellige løsninger. Endvidere bør de tværgående svejsesømme placeres således at den varmepåvirkede zone (HAZ) bliver anbragt i et område, hvor bøjningsspændingerne i den sekundære afstivning er så tæt på nul som muligt.
Figur 2.59 Sammensvejsning af åbne profiler, der kun er skærpede i svejsesømmen.
Ved sammensvejsning i langsgående retning er det i mange tilfælde nødvendigt at benytte et modhold.
Modhold ved stumpsømssvejsning kan være en skinne af kobber eller rustfri stål. For X-fuger kan kraftig rustfri ståltråd bruges. Almindeligt brugt er også selvklæbende glasfiberbånd forstærket med aluminiumsfolie. Ekstruderede backing-profiler med notgang bruges også.
Benyttes et modhold uden not kan oxid-hinden ikke strømme væk, hvilket fører til bindingsfejl, henholdsvis mangelfuld gennembrændning af svejsesømmen, se Figur 2.60
Figur 2.60 Oxid kærv og bindingsfejl ved svejsning med modhold uden not.
Sammensvejsningen af ekstruderede profiler kan lettes ved at den langsgående svejsekant laves med backing profil som en del af emnet. Se Figur 2.61.
Figur 2.61 Ekstruderet profil med indbygget modhold og notgang.
For at opnå en ens varmefordeling omkring svejsesømmen bør der være samme mængde materiale til at optage varmen på begge sider af sømmen som illustreret i Figur 2.61.
Profilerne kan endvidere ekstruderes så de på langsiderne har en han-, henholdsvis en hun-side, som passer ind i hinanden. Hermed sikres ud over rigtigt modhold, også korrekt opligning i lodret og vandret retning, dvs. samme overkants niveau og fugedimension. Princippet er illustreret i Figur 2.62.
Figur 2.62 Modhold og notgang som letter fuldautomatisk sammensvejsning.
Ved sammensvejsning af paneler opbygget af ekstruderede profiler med lukket tværsnit er det nødvendigt med en betydelig mere kompliceret løsning for at sikre en rimelig stærk svejseforbindelse. Ved at introducere et lukkeprofil med en passende længde og ved at indsvejse noget aluminiumsfladprofil i enden af de ekstruderede profiler er det muligt både at etablere en passende strukturel kontinuitet samt at opnå en passende styrke af det enkelte ekstruderede profil, der skæres over af svejsestødet.
Skal løsningen være helt optimal bør backing-profilerne have en fræset not – jævnfør ovenstående bemærkninger vedrørende oxid-kærv og bindingsfejl.
Den absolut minimale længde af et indsat stykke er 200 mm – som vist på Figur 2.63 – men 300 mm må anbefales.
Figur 2.63 Sammensvejsning af lukkede profiler.
Det kan give visse problemer at anvende lukkede profiler i forbindelse med tværgående vandtætte inddelinger som f.eks. i skibe.
En mulig løsning er at skære en rille i det lukkede profil for passage af den tværgående vandtætte inddeling, men så vil det lukkede profil kun blive én-sidigt svejst uden backing.
En anden løsning kan være at stoppe det lukkede profil et stykke (f.eks. 50 mm) fra hver side af den vandtætte inddeling, og så etablere en kontinuitet vha. knæ på begge sider.
Adkomstforhold ved svejsning
Uanset hvilken profiltype – lukket eller åben – man vælger, er det vigtigt at tænke på adlomstforholdene for svejsning. Det kan være fristende at designe ekstruderede pladepaneler med tætsiddende, dybe profiler for at optimere vægt/styrke forholdet, men for at undgå problemer ved svejsningen bør afstanden mellem profilerne som hovedregel ikke være mindre end profilernes højde.
2.11.10 CASE STORY OVER PRODUKTIONSTEKNISKE ERFARINGER
I afsnit 2.14.4 om produktionstekniske erfaringer er der beskrevet en case story i forbindelse med brug af ekstruderede profiler i kølecontainere.