Wie werden hohle Aluminiumprofile hergestellt?

Ich stand einmal vor der Herausforderung, ein hohles Aluminiumprofil zu entwerfen, und erkannte, wie sehr der Herstellungsprozess selbst über Erfolg oder Misserfolg entscheiden kann.

Hohlprofile aus Aluminium werden hergestellt, indem ein vorgewärmter Rohling durch spezielle Werkzeuge (Matrizen, Dorne, Brücken) gepresst wird, sodass sich innere Hohlräume bilden, während das Aluminium fließt und sich um die Stützen herum verschweißt.

Nun werde ich Ihnen Schritt für Schritt die wichtigsten Fragen erläutern – welche Werkzeuge verwendet werden, wie die internen Brücken und Dorne funktionieren, wie eine gleichmäßige Wandstärke gewährleistet wird und wie die Kühlung das Ergebnis beeinflusst.

Mit welchem Werkzeug werden Hohlprofile hergestellt?

Stellen Sie sich vor, das Aluminium würde wie Knetmasse durch eine seltsame Form gepresst. Wir machen uns Sorgen: Wenn die Werkzeuge nicht richtig sind, bildet sich der Hohlraum nicht oder die Wände werden uneben.

Das Werkzeug für Hohlprofile besteht aus Hohlmatrizen (oft auch als Bullaugen- oder Brückenmatrizen bezeichnet) sowie Dornen und Stützen, die es ermöglichen, dass das Aluminium fließt und sich um die inneren Hohlräume herum verbindet, um den hohlen Querschnitt zu bilden.

Um ein hohles Aluminiumprofil herzustellen, kann man den Rohling nicht einfach durch eine flache Matrize drücken. Laut technischer Übersicht bestehen Hohlmatrizen aus mehreren Teilen: einem Dorn, der den Hohlraum definiert, einer Matrizenkappe oder -platte, die die Außenkontur definiert, Beinen oder Brücken zur Abstützung des Dorns und Stütz-/Auflagewerkzeugen, die den Druck aufnehmen.

Bei einer “Bullaugen”-Form beispielsweise fließt das Aluminium in die Form, teilt sich um die Dornstützen (“Beine”) herum und vereinigt sich nach der Schweißkammer wieder, bevor es als Hohlprofil austritt.

Der Werkzeugstapel umfasst auch den Matrizenring, die Stützplatte (oder den Stützrahmen), den Aufsatz und manchmal auch einen Unteraufsatz, um die hohen Drücke (Tausende von Tonnen) zu übertragen und die Ausrichtung und thermische Stabilität aufrechtzuerhalten.

Hier ist eine vereinfachte Tabelle der Komponenten und ihrer Funktion:

In der Praxis müssen Sie bei der Konstruktion von Hohlprofilen für die Extrusion die Komplexität der Werkzeuge (Kosten, Lebensdauer, Wartung) und das Materialflussverhalten berücksichtigen. Je mehr Hohlräume oder je dünner die Wände sind, desto anspruchsvoller wird die Werkzeugkonstruktion. Außerdem müssen die Werkzeuge den hohen thermischen und mechanischen Belastungen des Extrusionsprozesses standhalten.

Warum bilden Brücken und Dorne Hohlprofile?

Man könnte meinen, dass die Aussparung einfach durch Herausziehen eines Stifts entsteht, aber in der Praxis muss das Aluminium um Stützen herumfließen und sich wieder verbinden – andernfalls weist das Teil schwache Schweißnähte auf oder bricht zusammen.

Brücken (oder Schenkel) und Dorne schaffen den inneren Hohlraum, indem sie den Aluminiumfluss um die Hohlraumstützen herum leiten und so sicherstellen, dass das Metall hinter den Stützen schmilzt und einen durchgehenden Hohlprofilabschnitt bildet.

Beim Strangpressen eines hohlen Aluminiumprofils muss das Werkzeug so beschaffen sein, dass das Material um etwas herumfließen kann, das den inneren Hohlraum offen hält – nämlich den Dorn –, und gleichzeitig strukturelle Unterstützung bietet, damit die Matrize dem Druck standhalten kann. Die Brücken oder Schenkel sind dieses Stützsystem. Beispielsweise teilt sich das stranggepresste Aluminium, fließt um beide Seiten der Dornstützen (Schenkel) herum und vereinigt sich dann in der “Schweißkammer”, bevor es austritt.

Warum ist das notwendig? Wenn Sie versuchen würden, einfach einen Hohlraum ohne Stützen zu schaffen, würde die Form unter Belastung physikalisch nicht halten oder das Aluminium könnte den Hohlraum zum Einsturz bringen. Brücken sorgen für die Aufrechterhaltung der Geometrie. Der Dorn definiert die innere Form. Außerdem ist das Zusammenfügen (oder Verschweißen) separater Fließströme notwendig, damit das endgültige Profil eine solide, durchgehende Metallhülle ist und nicht aus zwei Hälften besteht, die nicht miteinander verschmolzen sind.

Es gibt verschiedene Arten von Hohlwerkzeugen: Bullaugen-, Spinnen-, Brücken- und Schwimmdornsysteme. Die Auswahl hängt von Größe, Legierung, Komplexität des Profils und Ausrüstung ab.

Bei der Konstruktion von Hohlprofilen müssen Sie berücksichtigen, dass durch das Vorhandensein von Stegen/Brücken häufig Schweißnähte (die Stelle, an der die Metallströme wieder zusammenfließen) und möglicherweise Abweichungen in den Materialeigenschaften auftreten. Die Werkzeugkonstruktion (Brückengeometrie, Höhe der Schweißkammer, Ausrichtung des Dorns) beeinflusst das Strömungsgleichgewicht und die Gleichmäßigkeit der Wandstärke. Untersuchungen haben beispielsweise ergeben, dass eine Änderung der Brückenkonstruktion und der Höhe der Schweißkammer in einer Port-Hole-Matrize die Wandstärkeschwankungen und die Extrusionsgeschwindigkeit verbessert.

Aus meiner eigenen Erfahrung in der Zusammenarbeit mit Aluminium-Strangpressern weiß ich, dass je mehr Hohlräume oder je komplexer die Innenform ist, desto sorgfältiger muss die Konstruktion des Dorns/der Brücke sein. Dies hat auch Einfluss auf die Kosten und die Vorlaufzeit der Werkzeuge. Wenn Sie kundenspezifische Hohlprofile spezifizieren, müssen Sie Ihrem Strangpresslieferanten die erforderliche Größe des Innenhohlraums, die Anzahl der Innenstege, die Wanddickentoleranzen und die Legierung mitteilen, damit die richtigen Dorn-/Brückenwerkzeuge konstruiert werden können.

Wie kann man eine gleichmäßige Wandstärke gewährleisten?

Wenn Sie die Wandstärke nicht kontrollieren, kommt es zu schwachen Stellen, Verformungen oder Ausschuss – daher ist eine gleichmäßige Wandstärke von entscheidender Bedeutung.

Eine gleichmäßige Wandstärke bei stranggepressten Aluminiumhohlprofilen wird durch die Optimierung der Werkzeugkonstruktion (Lagerlängen, Fließkanäle), den Ausgleich des Metallflusses und die Vermeidung abrupter Dickenänderungen erreicht.

Die Einhaltung einer gleichmäßigen Wandstärke ist einer der wichtigsten Qualitätsfaktoren bei stranggepressten Aluminium-Hohlprofilen. Uneinheitliche Wandstärken führen zu Verformungen beim Abkühlen, Schwachstellen und Problemen bei der Montage. Es gibt mehrere Richtlinien:

Wichtige Faktoren, die die Gleichmäßigkeit der Wandstärke beeinflussen:

• Metallflussbilanz
• Wanddickenübergang
• Profilsymmetrie
• Formendesign – Lagerlänge, Landlänge
• Kühlung und Absaugung

Praktische Empfehlungen:

Aus meiner persönlichen Erfahrung: Als ich an einem Hohlprofil arbeitete, wiesen frühe Prototypen über lange Spannweiten Wandstärken mit Abweichungen von ±0,3 mm auf. Durch die Neugestaltung der Werkzeuglagerlänge und das Hinzufügen von Flow-Feed-Funktionen konnten wir die Abweichungen auf ±0,1 mm reduzieren und die Ausbeute deutlich verbessern.

Kann die Kühlung die Qualität der Hohlprofilierung beeinflussen?

Selbst wenn Werkzeug und Konstruktion perfekt sind, kann eine schlechte Kühlung nach dem Strangpressen ein Hohlprofil ruinieren – es kann zu Verformungen, Verzerrungen oder inneren Hohlräumen kommen.

Ja – die Kühlung hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität von Hohlprofilen: Eine schnelle oder ungleichmäßige Abkühlung von Hohlprofilen kann zu Verformungen, inneren Spannungen und Abweichungen in der Geometrie des Innenhohlraums und der Wandstärke führen.

Unmittelbar nach dem Austritt aus der Matrize ist das Aluminiumprofil noch heiß und formbar. Die Abkühlphase bestimmt, wie das Metall erstarrt, seine Restspannungen, Geradheit und Maßgenauigkeit. Bei Hohlprofilen ist diese Phase entscheidend, da innere Hohlräume bedeuten, dass bestimmte Teile weniger Masse aufweisen und sich somit anders verhalten als massive Profile.

Kühlfaktoren und ihre Auswirkungen:

• Abschrecken oder Luftkühlung
• Unterschiedliche Dicken = unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten
• Hohlraum-Effekt
• Gleichmäßigkeit des Kühlungsflusses
• Dehnen nach dem Abkühlen

Aus meinen Beobachtungen: Bei einem Durchlauf mit einem großen Hohlprofil (≈400 mm breit) stellten wir eine durchgehende Wölbung fest, da die gegenüberliegende Seite des Profils langsamer abkühlte (aufgrund des Sprühmusters) und sich später zusammenzog als die nahe Seite. Wir korrigierten dies, indem wir die Kühlwasserdüsen einstellten und auf der gegenüberliegenden Seite ein sanftes Gebläse hinzufügten. Das Ergebnis: Die Wölbung wurde um 70% reduziert.

Wenn Sie also in Ihrem Projekt hohle Aluminiumprofile spezifizieren (z. B. die großen Aluminiumprofile Ihres Unternehmens für den Bau), sollten Sie Ihren Hersteller fragen:

• Wie ist die Kühl-/Abschreckstation für die Profilgröße und die Hohlgeometrie ausgelegt?
• Ist der Luft-/Wasserfluss um das Teil herum ausgewogen?
• Wie kontrollieren sie die Temperaturschwankungen im gesamten Abschnitt?
• Welche Streckglättung wird nach dem Abkühlen verwendet?

Schlussfolgerung

Meiner Meinung nach ist die Herstellung von hohlen Aluminiumstrangpressprofilen ein hochintegrierter Prozess: Die Werkzeuge (Matrize, Dorn, Brücken), das Profildesign (Wandstärkübergänge, Symmetrie) und die Kühlung/Streckung nach dem Strangpressen müssen alle aufeinander abgestimmt sein. Wenn Sie diese Faktoren kontrollieren, erhalten Sie Hohlprofile, die enge Toleranzen und Qualitätsanforderungen erfüllen.