Beschränkungen des Extrusionsverhältnisses bei Aluminiumstrangpressprofilen?
Aluminium-Strangpressprofile versagen oft, wenn das Verhältnis zu weit ausgereizt wird. Profile brechen, Werkzeuge gehen kaputt und die Kosten steigen rapide an. Viele Käufer stehen vor diesem Problem, nachdem die Zeichnungen bereits fertiggestellt sind.
Das Extrusionsverhältnis von Aluminiumprofilen wird durch die Fließspannung des Metalls, den Zustand des Barrens, die Festigkeit der Matrize, die Legierungsart und die Pressleistung begrenzt. Wenn ein Faktor seine Grenze erreicht, ist eine stabile Extrusion nicht mehr möglich.
Viele Ingenieure fordern höhere Verhältnisse, um Gewicht zu sparen oder den Bearbeitungsaufwand zu reduzieren. Das ist nachvollziehbar. Aber die Extrusion ist nicht unbegrenzt. Die Kenntnis der tatsächlichen Grenzen hilft, Neukonstruktionen, Verzögerungen und Qualitätsrisiken zu vermeiden.
Was begrenzt das Extrusionsverhältnis bei Aluminiumprofilen?
Das Aluminium-Strangpressverhältnis ist der Querschnitt des Knüppels geteilt durch den Querschnitt des Endprofils. Theoretisch ist ein höherer Wert besser. In der Praxis treten jedoch sehr früh mehrere physikalische Grenzen auf.
Die erste harte Grenze ergibt sich aus der Fließspannung des Metalls. Aluminium muss sich verformen und durch die Matrizenöffnung fließen. Mit steigendem Verhältnis nimmt der Widerstand schnell zu. Die Presse muss eine viel höhere Kraft aufbringen. Sobald die erforderliche Kraft die Presskapazität übersteigt, ist eine Extrusion nicht mehr möglich.
Die zweite Grenze ist die Festigkeit der Matrize. Ein hohes Verhältnis bedeutet dünne Matrizenöffnungen und lange Lagerlängen. Die Belastung innerhalb der Matrize steigt. Wenn die Belastung die Festigkeit des Matrizenstahls überschreitet, kommt es zu Rissen oder Brüchen. Die Standzeit sinkt bereits vor dem Ausfall stark ab.
Die dritte Grenze ergibt sich aus der Temperatur. Höhere Verhältnisse erzeugen mehr Reibung und Verformungswärme. Wenn die Metalltemperatur zu stark ansteigt, kommt es zu Oberflächenrissen und Heißbruch. Wenn die Temperatur zu stark sinkt, kommt es zum Stillstand des Flusses und zu Druckspitzen.
Mechanische Kraftgrenzen
Die Extrusionskraft wächst bei gleicher Legierung und gleicher Knüppelgröße nahezu linear mit dem Extrusionsverhältnis. Die Presskapazität setzt daher eine harte Obergrenze.
| Faktor | Auswirkung auf das Extrusionsverhältnis |
|---|---|
| Pressenleistung | Direkte Grenze |
| Billet-Durchmesser | Größere Knüppel ermöglichen höhere Verhältnisse |
| Containerzustand | Abgenutzte Behälter verringern das maximale Verhältnis |
Wenn die Kraft zu hoch ist, verschleißen die Druckkomponenten schneller. Langfristige Schäden sind oft teurer als eine Neukonstruktion.
Die Belastungsgrenzen
Die Belastung steigt nicht gleichmäßig an. Sie steigt stark an, sobald die Öffnungen schmaler werden.
- Dünne Rippen erhöhen die Belastung
- Lange Lager erhöhen die Belastung
- Asymmetrische Profile erhöhen die Belastung
Sobald die Belastung zu hoch ist, tritt der Ausfall plötzlich ein. Es gibt kaum Vorwarnungen.
Metallflussstabilität
Hohe Verhältnisse erhöhen die Strömungsungleichgewichte. Einige Zonen beschleunigen sich, während andere zurückbleiben. Dies führt zu:
- Verdrehen
- Verbeugung
- Oberflächenlinien
- Innere Hohlräume
Mit steigendem Verhältnis wird ein stabiler Fluss schwieriger.
Das Extrusionsverhältnis wird hauptsächlich durch die Presskraft und die Festigkeit der Düse begrenzt.Wahr
Höhere Extrusionsverhältnisse erhöhen die erforderliche Kraft und die innere Belastung der Düse, bis die Grenzen der Anlage oder des Werkzeugs erreicht sind.
Das Aluminium-Strangpressverhältnis hat keine wirkliche Obergrenze, wenn die Geschwindigkeit ausreichend reduziert wird.Falsch
Selbst bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten setzen die Presskapazität, die Formfestigkeit und die Physik des Metallflusses harte Grenzen.
Wie wirkt sich die Wahl der Legierung auf das erreichbare Verhältnis aus?
Nicht alle Aluminiumlegierungen lassen sich auf die gleiche Weise extrudieren. Die Wahl der Legierung ist oft wichtiger als die Größe der Presse.
Weiche Legierungen fließen leicht. Harte Legierungen widerstehen Verformungen. Dies wirkt sich direkt auf das erreichbare Extrusionsverhältnis aus.
6xxx-Legierungen sind am besten für die Extrusion geeignet. 6063 ermöglicht viel höhere Verhältnisse als 6061. 6082 ermöglicht niedrigere Verhältnisse als beide. 7xxx-Legierungen sind viel eingeschränkter.
Fließspannungsunterschiede nach Legierung
Jede Legierung hat bei der Extrusionstemperatur eine andere Fließspannung. Eine höhere Fließspannung bedeutet mehr Kraft und ein niedrigeres maximales Verhältnis.
| Legierungsfamilie | Relative Extrusionsverhältnisfähigkeit |
|---|---|
| 1xxx | Sehr hoch |
| 3xxx | Hoch |
| 5xxx | Mittel |
| 6xxx | Hoch bis mittel |
| 7xxx | Niedrig |
6063-T5 kann unter guten Bedingungen oft Verhältnisse von über 80:1 erreichen. 6061-T6 kann bei Verhältnissen über 50:1 Schwierigkeiten haben. Einige 7xxx-Legierungen sind auf Werte unter 20:1 begrenzt.
Auswirkungen der Legierungschemie
Kleine chemische Veränderungen sind wichtig.
- Ein höherer Magnesiumgehalt erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Fließfähigkeit.
- Silizium verbessert die Extrudierbarkeit
- Copper reduces extrudability
Recycled content can also raise impurity levels, which reduces flow consistency at high ratios.
Auswirkungen der Wärmebehandlung
Extrusion is done in a hot condition, but alloy response still matters.
- Homogenized billets flow better
- Poor homogenization increases pressure spikes
- Uneven billet chemistry causes flow imbalance
Choosing the wrong alloy for a thin profile often forces ratio beyond safe limits.
6063 aluminum can usually reach higher extrusion ratios than 6061.Wahr
6063 has lower flow stress and better extrudability, allowing higher ratios under similar conditions.
All 6xxx alloys have nearly identical extrusion ratio limits.Falsch
Even within the same family, chemistry and strength differences cause large variation in achievable ratios.
Can thin-walled sections reach high extrusion ratios?
Thin walls are the most common reason extrusion ratios are pushed too high.
In many drawings, wall thickness is reduced to save weight. But thin walls increase extrusion ratio and die stress at the same time. This is a dangerous combination.
Wall thickness vs ratio
As wall thickness decreases, profile area shrinks. Ratio rises fast.
| Wandstärke | Typical safe ratio range |
|---|---|
| Above 3.0 mm | 30:1 to 60:1 |
| 2.0 to 3.0 mm | 40:1 to 80:1 |
| 1.0 to 2.0 mm | 50:1 to 100:1 |
| Below 1.0 mm | Highly risky |
Thin walls below 1.2 mm often require special alloys, slow speeds, and short die life.
Flow balance challenges
Thin sections cool faster. Thick sections stay hot longer. This causes uneven flow.
- Thin walls freeze early
- Thick walls keep flowing
- Profile distorts at exit
High ratio makes this worse because flow velocity differences grow.
Structural die limits
Very thin walls require very thin die tongues. These tongues bend or break under high load.
Even if extrusion is possible, scrap rate may be high.
Thin walls can reach high ratios only when:
- Alloy is soft
- Press is large
- Speed is very slow
- Die design is optimized
This increases cost sharply.
Thin-walled aluminum profiles can reach high extrusion ratios only under controlled conditions.Wahr
Thin walls increase die stress and flow imbalance, requiring optimized alloy, speed, and tooling.
Wall thickness has little effect on extrusion ratio limits.Falsch
Wall thickness directly affects profile area, die stress, and metal flow stability.
Which production parameters define max extrusion ratios?
Even with the right alloy and design, production parameters decide the final limit.
These parameters are often adjustable, but only within a narrow safe window.
Billet-Temperatur
Billet temperature controls flow stress.
- Too low: pressure spikes, die damage
- Too high: surface tearing, grain growth
Higher ratios require higher billet temperature, but only up to a point.
Extrusion speed
Slower speed reduces pressure slightly and improves flow stability.
- High ratio often needs slow speed
- Too slow reduces productivity
- Too fast causes surface defects
Speed adjustment cannot overcome press or die limits.
Lubrication and container condition
Friction adds load.
- Worn containers increase friction
- Poor lubrication raises pressure
- Dirty billet surfaces increase resistance
Good maintenance can extend ratio limits by 5 to 10 percent.
Die design parameters
Die design is the biggest lever after alloy choice.
- Bearing length controls flow
- Pocket design balances velocity
- Die steel quality affects strength
Poor die design can reduce achievable ratio by half.
| Parameter | Effect on max ratio |
|---|---|
| Billet temp | Mittel |
| Geschwindigkeit | Mittel |
| Entwurf der Matrize | Hoch |
| Wartung | Mittel |
Press stiffness and alignment
Older presses flex more under load. This causes uneven flow and die stress concentration. Modern presses handle high ratios better even at similar tonnage.
Die design has a larger impact on max extrusion ratio than extrusion speed.Wahr
Optimized die geometry improves flow and reduces stress far more than speed changes alone.
Increasing billet temperature can always increase extrusion ratio safely.Falsch
Too high temperature causes surface defects and material instability.
Schlussfolgerung
Aluminum extrusion ratio is limited by physics, tooling, alloy, and process control. Pushing beyond these limits raises cost and risk. Understanding real boundaries early leads to better designs and stable production.
