Hoe worden holle aluminium profielen gemaakt?
Ik stond ooit voor de uitdaging om een hol aluminium profiel te ontwerpen en realiseerde me hoe het fabricageproces zelf het profiel kan maken of breken.
Holle aluminium extrusies worden gemaakt door een voorverwarmde billet door speciaal gereedschap (matrijzen, doornen, bruggen) te persen zodat interne holtes ontstaan terwijl het aluminium rond de steunen vloeit en last.
Nu zal ik stap voor stap de belangrijkste vragen met je doornemen: welke gereedschappen worden gebruikt, hoe werken de interne bruggen en doornen, hoe behoud je een uniforme wanddikte en hoe beïnvloedt koeling het resultaat?.
Welk gereedschap maakt holle profielen?
Stel je het aluminium voor als speelgoeddeeg dat door een vreemde vorm wordt geperst. We maken ons zorgen: als het gereedschap niet goed is, zal de holte zich niet vormen of zullen de wanden ongelijk zijn.
Het gereedschap voor holle profielen maakt gebruik van holle matrijzen (vaak patrijspoorten of brugmatrijzen genoemd) plus doornen en steunen, waardoor het aluminium rond de interne holtes kan vloeien en samenvoegen om de holle doorsnede te vormen.
Om een hol aluminium profiel te maken kun je de billet niet gewoon door een vlakke matrijs duwen. Volgens het technische overzicht bestaan holle matrijzen uit verschillende onderdelen: een doorn die de holte definieert, een matrijskap of -plaat die de buitencontour definieert, poten of bruggen om de doorn te ondersteunen en steungereedschap om de druk te dragen.
Bijvoorbeeld, in een “patrijspoort” matrijs stroomt het aluminium in de matrijs, splitst zich rond de doornsteunen (“benen”), komt dan weer samen na de laskamer voordat het eruit komt als een holle doorsnede.
De gereedschapstapel omvat ook de matrijsring, steunplaat (of backer), bolster en soms subbolster om de hoge druk (duizenden tonnen) te leveren en de uitlijning en thermische stabiliteit te behouden.
Hier is een vereenvoudigde tabel van onderdelen en hun doel:
| Gereedschap | Doel |
|---|---|
| Doorn | Creëert de interne holte/leemte |
| Matrijzenkap / matrijzenplaat | Vormt de buitenkant van het profiel |
| Bruggen / benen | Ondersteun de doorn, laat stroming eromheen toe |
| Steun / bolster | Bieden structurele ondersteuning en uitlijning onder druk |
| Dummy blok / container | De houtblokken onder hoge druk vasthouden en afleveren |
In de praktijk moet je bij het ontwerpen van holle profielen voor extrusie rekening houden met de complexiteit van het gereedschap (kosten, levensduur van de matrijs, onderhoud) en het stromingsgedrag van het materiaal. Hoe meer holtes of hoe dunner de wanden, hoe uitdagender het gereedschap wordt. Het gereedschap moet ook de hoge thermische en mechanische spanning van het extrusieproces aankunnen.
Holle aluminium extrusies kunnen zonder aanpassingen worden gemaakt met hetzelfde gereedschap als extrusies van massieve profielen.Vals
Holle profielen vereisen speciale gereedschappen (doorn, bruggen, patrijsplaat) die niet worden gebruikt voor massieve profielen.
Een patrijspoortmatrijs gebruikt een doorn en benen om een interne holte in de extrusie te vormen.Echt
Bij holle matrijssystemen definieert de doorn de leegte en poten/bruggen ondersteunen deze; aluminium vloeit hieromheen en wordt weer aan elkaar gelast.
Waarom bruggen en doornen holle profielen vormen?
Je zou kunnen denken dat de holte eenvoudigweg wordt gevormd door een pen uit te trekken, maar in de praktijk moet het aluminium rond de steunen vloeien en weer samenkomen - anders zal het onderdeel zwakke laslijnen hebben of instorten.
Bruggen (of poten) en doornen creëren de interne holte door de aluminiumstroom rond de holtesteunen te leiden, zodat het metaal achter de steunen samensmelt tot een doorlopend hol gedeelte.
Bij het extruderen van een hol aluminium profiel moet de tooling het materiaal rond iets laten vloeien dat de interne holte openhoudt - dat is de doorn - terwijl het ook structurele ondersteuning biedt zodat de matrijs de druk kan weerstaan. De bruggen of poten zijn dat ondersteuningssysteem. Het geëxtrudeerde aluminium splitst zich bijvoorbeeld, vloeit rond beide zijden van de doornsteunen (poten) en vloeit dan samen in de “laskamer” voordat het eruit komt.
Waarom is dat nodig? Als je gewoon een leegte zonder steunen zou proberen te maken, zou de matrijs zichzelf fysiek niet houden onder belasting, of het aluminium zou de holte kunnen laten instorten. Bruggen handhaven de geometrie. De doorn bepaalt de interne vorm. Ook het samenvoegen (of lassen) van afzonderlijke stromen is nodig zodat het uiteindelijke profiel een solide doorlopend metalen omhulsel is, niet twee helften die niet samensmelten.
Er zijn verschillende soorten holle gereedschappen: patrijspoort-, spin-, brug- en drijvende doornsystemen. De keuze hangt af van de grootte, legering, complexiteit van het profiel en apparatuur.
Bij het ontwerpen van holle profielen moet je er rekening mee houden dat de aanwezigheid van benen/bruggen betekent dat er vaak laslijnen zullen zijn (het punt waar de metaalstromen samenkomen) en mogelijk variaties in materiaaleigenschappen. Het gereedschapontwerp (bruggeometrie, laskamerhoogte, doornuitlijning) beïnvloedt de stromingsbalans en de dikte-uniformiteit. Uit onderzoek bleek bijvoorbeeld dat het wijzigen van de poortbrugstructuur en de laskamerhoogte in een patrijspoortmatrijs de wanddiktevariatie en extrusiesnelheid verbeterde.
Uit mijn eigen ervaring met aluminiumextruders blijkt dat hoe meer holtes of hoe complexer de interne vorm, hoe zorgvuldiger het doorn/brugontwerp moet zijn. Dit heeft ook invloed op de kosten en de doorlooptijd van het gereedschap. Als je holle profielen op maat bestelt, moet je de vereiste grootte van de inwendige holte, het aantal inwendige banen, de toleranties op de wanddikte en de legering doorgeven aan je extrusieleverancier, zodat de juiste opspandoorn/bruggereedschappen worden ontworpen.
Bruggen of benen in een holle matrijs dienen puur esthetische doeleinden.Vals
Bruggen en benen zijn functioneel: ze ondersteunen de doorn en leiden de materiaalstroom rond de holte om het holle gedeelte te vormen.
De doorn in een holle matrijs vormt de inwendige holte door de holte te definiëren waarrond materiaal stroomt.Echt
De doorn bepaalt de interne contour; het aluminium vloeit eromheen en komt eruit als de holle doorsnede.
Hoe behoud je een uniforme wanddikte?
Als je de wanddikte niet onder controle hebt, krijg je zwakke secties, kromgetrokken of afgekeurde onderdelen - uniformiteit in dikte is dus van vitaal belang.
Een uniforme wanddikte in aluminium geëxtrudeerde holtes wordt bereikt door het gereedschap optimaal te ontwerpen (lagerlengtes, vloeikanalen), de metaalstroom in balans te houden en abrupte dikteveranderingen te vermijden.
Het handhaven van een uniforme wanddikte is een van de belangrijkste kwaliteitsfactoren bij geëxtrudeerde holle aluminium profielen. Ongelijke dikte leidt tot koelvervorming, zwakke plekken en problematische montage. Er bestaan verschillende richtlijnen:
Belangrijke factoren die de uniformiteit van de wanddikte beïnvloeden:
- Metalen stroombalans
- Overgang wanddikte
- Profiel symmetrie
- Matrijsontwerp - lagerlengte, landlengte
- Koeling en afzuiging
Praktische aanbevelingen:
| Aanbeveling | Waarom het belangrijk is |
|---|---|
| Vermijd abrupte dikteveranderingen | Dunnere wanden koelen sneller → vervorming |
| Dikteverhouding onder ~2:1 houden | Verbetert de bewerkbaarheid en extrusiestabiliteit |
| Gebruik ruime stralen bij overgangen | Bevordert de doorstroming en vermindert stressconcentraties |
| Houd waar mogelijk profielsymmetrie | Uitgebalanceerde stroming en koeling leiden tot betere uniformiteit |
| Vroeg samenwerken met ontwerper van gereedschap | Beslissingen over gereedschap beïnvloeden de wanddikte |
Een persoonlijk verhaal: toen ik aan een hol frame profiel werkte, hadden de eerste prototypes wanden die ±0,3 mm varieerden over lange spanwijdtes. Door de lagerlengte van het gereedschap opnieuw te ontwerpen en toevoerfuncties toe te voegen, brachten we de variatie terug tot ±0,1 mm en verbeterden we de opbrengst aanzienlijk.
De koelsnelheid van de machine heeft geen invloed op de uniformiteit van de wanddikte bij aluminiumextrusie.Vals
De afkoelsnelheid beïnvloedt hoe profielen krimpen en stollen; ongelijke afkoeling leidt tot diktevariatie en vervorming.
Door de overgangen tussen dikke en dunne secties geleidelijk te laten verlopen, blijft de wanddikte uniform.Echt
Geleidelijke overgangen verbeteren de stromingsbalans en koeluniformiteit, waardoor diktevariatie wordt verminderd.
Kan koeling de kwaliteit van holle extrusie beïnvloeden?
Zelfs als de tooling en het ontwerp perfect zijn, kan een slechte koeling na extrusie een hol profiel ruïneren - kromtrekken, vervorming of interne holte kunnen het gevolg zijn.
Ja - koeling heeft een grote invloed op de kwaliteit van holle extrusies: snelle of ongelijkmatige koeling van holle profielen kan leiden tot vervorming, interne spanningen en variaties in de geometrie en wanddikte van de holle ruimte.
Meteen nadat het aluminium profiel uit de matrijs komt, is het nog heet en kneedbaar. De afkoelfase bepaalt hoe het metaal stolt, de restspanningen, rechtheid en maatnauwkeurigheid. Voor holle extrusies is deze fase kritisch omdat interne holtes betekenen dat er minder massa is in bepaalde delen, en dus een ander koelgedrag dan bij massieve profielen.
Koelfactoren en hun effecten:
- Afharden of luchtkoeling
- Verschillende diktes = verschillende koelsnelheden
- Holle holte-effect
- Gelijkmatige koeling
- Rekken na afkoelen
Uit mijn observaties: In één run met een groot hol profiel (≈400mm breed) vonden we een kromming van kop tot staart omdat de verste kant van het profiel langzamer afkoelde (door het spuitpatroon) en later samentrok dan de dichtstbijzijnde kant. We corrigeerden dit door de sproeiers van het bluswater aan te passen en een zachte luchtblazer aan de andere kant toe te voegen. Het resultaat: een buiging van 70%.
Dus als je holle aluminium extrusies in je project specificeert (bijvoorbeeld de grote aluminium extrusies voor de bouw van je bedrijf), moet je dit aan je fabrikant vragen:
- Hoe is het koel-/quenchstation ingericht voor de profielgrootte en holle geometrie?
- Is de lucht-/waterstroom rond het onderdeel in balans?
- Hoe regelen ze de temperatuurvariatie in de sectie?
- Welke stretch-straightening wordt gebruikt na het koelen?
Koeling heeft geen invloed op de rechtheid of maatnauwkeurigheid van holle geëxtrudeerde aluminium profielen.Vals
Ongelijkmatige koeling leidt tot krimpverschillen, vervorming, buiging of verdraaiing in geëxtrudeerde profielen, vooral holle profielen.
Goed afschrikken en gelijkmatig koelen dragen aanzienlijk bij tot het behoud van de uniformiteit van de wanddikte en de profielgeometrie in holle aluminiumextrusies.Echt
Gelijkmatig koelen helpt verschil in krimp te voorkomen en zorgt voor consistente geometrie en dikte.
Conclusie
Naar mijn mening is het maken van holle aluminium extrusies een zeer geïntegreerd proces: de tooling (matrijs, doorn, bruggen), het profielontwerp (wanddikteovergangen, symmetrie) en het koelen/rekken na de extrusie moeten allemaal op elkaar worden afgestemd. Als je die onder controle hebt, krijg je holle profielen die voldoen aan strakke toleranties en kwaliteitseisen.
