Aluminium, productie door extrusie

Aluminium wordt veel gebruikt omdat het zo licht en sterk zou zijn, ideaal voor draagbare producten en een uitkomst voor ontwerpers. Maar hoe zit het nu precies met aluminium? Hoe kun je hier het best mee werken? Dit document gaat over aluminium zelf en een productieproces waar aluminium uitermate geschikt voor is: extruderen. Er wordt uitleg gegeven over wat deze techniek precies inhoud, hoe de matrijs in elkaar zit, wat je ermee kunt en wat de voordelen zijn. Ook legeringen worden besproken. Aluminium is dus een zeer populair materiaal als het gaat om productontwerp. Om beter te begrijpen wat je kunt met aluminium in een productieproces, volgen hieronder eerst enkele materiaal eigenschappen van aluminium zelf:

• Laag gewicht: Dichtheid van aluminium is bijna een derde van dat van staal, het wordt daarom vaak gebruikt voor transport of draagbare producten.
• Sterkte: In vergelijking met staal heeft aluminium een lagere sterkte, aluminium is ongeveer twee maal minder sterk. Het gewicht daarentegen is drie maal lager dus aluminium heeft een goede sterkte-gewicht verhouding.
• Stijfheid: Stijfheid van aluminium is relatief laag, je kan dus niet zomaar een stalen product door een aluminium product vervangen, je hebt een veel groter oppervlaktetraagheidsmoment nodig om dezelfde stijfheid te behalen. Hierdoor wordt een constructie vaak tot 1.6 maal zo dik.
• Corrosiebestendigheid: Doordat aluminium zeer corrosiebestendig is, kan dit materiaal goed buiten toegepast worden. Wel moet dit dan nog worden gecombineerd met een oppervlaktebehandeling (zie later). Waar men voor op moet passen is dat aluminium niet altijd goed is te combineren met andere metalen. Wanneer je bijvoorbeeld aluminium bevestigt met een koperen of messing schroef, zal dit met elkaar reageren en heb je na enkele jaren geen vast product meer. Bevestigingen kunnen het best worden gedaan met andere aluminium constructies of met RVS.
• Legeringen: Met aluminium heb je de mogelijkheid veel verschillende legeringen toe te passen. Toch is het verstandiger om een gangbare legering te kiezen voor een te ontwerpen product omdat het produceren van een specifieke legering veel langer duurt en ook meer zal gaan kosten. Aluminium 6063 is voor extrusie bijvoorbeeld het meest gangbaar.
• Milieu: Aluminium is 100% recyclebaar.

Typen aluminium legeringen

Er zijn veel verschillende soorten typen aluminium. Allereerst wordt er een onderscheid gemaakt tussen giet aluminium en kneedaluminium. Hieronder wordt de laatste categorie behandeld aan de hand van de verschillende beschikbare legeringen. Hierbij staat AW voor wrought aluminum (kneedaluminium) en het getal voor de legering:

• EN-AW 1000: Puur aluminium, geeft niets af en is totaal niet sterk waardoor dit type wordt gebruikt voor het welbekende aluminiumfolie.
• EN-AW 2000: Aluminium met een koper legering, is goed te precipiteren (verstevigingstechniek waardoor het materiaal tot wel 8 maal sterker kan worden). Wordt bijvoorbeeld gebruikt voor vliegtuigen.
• EN-AW 3000: Mangaan aluminium, is zeer goed te solderen.
• EN-AW 4000: Wordt gebruikt om te lassen.
• EN-AW 5000: Aluminium met een magnesium legering, is goed te vervormen maar is ook sterk en zeer corrosiebestendig. Wordt vaak gebruikt door ontwerpers.
• EN-AW 6000: Aluminium met magnesium en silicium. Ook goed te precipiteren, heeft verder ook veel dezelfde eigenschappen als de 5000 versie, maar is sterker.
• EN-AW 7000: Zink aluminium, is het sterkst van de aluminiumsoorten, maar wel zeer corrosie onbestendig.
• EN-AW 8000: Speciale soorten legeringen.

Oppervlaktebehandelingen aluminium

Aluminium kun je behandelen met verschillende oppervlaktebehandelingen, deze worden hieronder besproken.

• Anodiseren: Hierbij laat je het aluminium in feite heel snel roesten om het er mooi uit te laten zien. Er wordt een oxidelaag op het aluminium aangebracht door middel van een elektrolytische behandeling. Deze oxidelaag is vrij hard, poreus, slijtvast en kan in verschillende kleuren worden toegepast. Door na het anodiseren de poriën weer te sluiten (sealen) wordt de corrosiebestendigheid verbeterd.
• Anodiseren is relatief goedkoop bij standaard kleuren, de set aan standaard kleuren is echter beperkt. Verder kan de kwaliteit en laagdikte van deze oppervlaktebehandeling variëren.
• Natlakken en poedercoaten: Natlakken is een soort verven/spuiten, wordt veel bij auto’s toegepast. Poedercoaten wordt gedaan door het product en een poeder van verschillende elektrische lading te voorzien. Wanneer vervolgens het poeder op het product wordt geblazen en wordt gebakken, heb je een mooie plasticachtige corrosiewerende laag op je product. Bij beide technieken is een voorbehandeling noodzakelijk, maar deze is dan ook relatief eenvoudig. Natlakken en poedercoaten kan worden gebruikt ter decoratie maar is ook zeer duurzaam. Het voordeel van deze methode ten opzichte van anodiseren is dat er eenvoudiger meerdere kleuren beschikbaar zijn, vrijwel een onbeperkt aantal.
• Metaliseren: Deze techniek is alleen toe te passen op relatief eenvoudige producten, zo mogen er geen diepe holtes of scherpe punten zijn. Ook is dit een vrij dure oppervlaktebehandeling.

Productietechnieken voor aluminium

Er zijn verschillende productietechnieken waarmee je aluminium kunt bewerken tot een uiteindelijk product. Aluminium is uniek in de volgende drie technieken:

• Aluminiumgieten: waarbij gebruik wordt gemaakt van de zogenaamde cast aluminium alloys (aluminium gietlegeringen).
• Extruderen: waarbij gebruik wordt gemaakt van de zogenaamde wrought aluminium alloys (aluminium kneedlegeringen)
• Numeriek verspanen.

Hierbij onderscheidt aluminium zich met name door de lage initiële kosten en de korte levertijd waardoor het met name ook een zeer geschikt materiaal is voor midden-klein bedrijven (MKB), of andere bedrijven of organisaties waarbij het risico te beheersen moet zijn. De seriegrootte kan daardoor daarom ook relatief klein zijn.

Extruderen van aluminium

Omdat extruderen een zeer belangrijke productietechniek is wanneer gewerkt wordt met aluminium, gaan we daar nu dieper op in. Extruderen biedt veel modelijkheden voor het integreren van functies, zeker in vergelijking met de kosten van het productieproces. De investeringen zijn laag, zoals eerder is beschreven, en bij extruderen zelfs nog lager doordat de matrijzen al verkrijgbaar zijn vanaf zo’n 900 euro. Een ander bijkomend voordeel is dat de levertijd erg snel kan zijn, een product kan van de ontwerptafel binnen vier tot acht weken geproduceerd zijn. Verder zijn de materiaalkosten niet erg hoog, bij grote aantallen rond de twee euro per kilo, bij kleinere of onzekere aantallen rond de vier euro.

Soorten profielen

Een extrusieprofiel kan hol (hollow) of solide (solid) zijn. De matrijzen voor hollow profielen zijn vaak wat duurder (zo’n anderhalf keer) dan die van solid profielen. Een hollow profiel is echter wel veel (torsie-) stijver dan een solid profiel. Denk maar aan het wringen of buigen van een buis (hol) in vergelijking met een plaat metaal (solid). Een metalen buis kan je veel moeilijker vervormen dan een stalen plaat. Schrik daarom niet van een duurdere matrijs voor hollow profielen, want een dusdanig profiel biedt ook veel extra voordelen tegenover een solid profiel.

Het extrusieproces

Het extrusieproces begint bij het maken van een matrijs. Deze hoeft maar een enkele keer gemaakt te worden. Wanneer de matrijs voltooid is, kan deze in de extrusiemachine geplaatst worden. Een extrusiemachine is ongeveer zo groot als een woonkamer en zal eerst het aluminium smelten. Het gesmolten aluminium (denk hierbij meer aan een soort deeg substantie dan aan een echt vloeibare massa), wordt vervolgens met hoge kracht door de matrijs geperst. Hierdoor krijg je een lange staaf materiaal in de vorm van de matrijs. Deze lange staaf wordt vervolgens in stukken geknipt en in de oven gereden voor een extra verharding.
Een matrijs zoals hij door de matrijsbouwers gemaakt is, geeft nooit helemaal honderd procent het profiel dat je wilde hebben wanneer de matrijs zijn eerste extrusie door heeft gemaakt. De matrijs moet daarom nog worden afgevijld waar nodig om zo tot het gewenste profiel te komen.

Tips

Enkele tips om een zo goed en goedkoop mogelijke matrijs te ontwerpen:

• Vermijd scherpe hoeken, het is zeer prijzig om scherpe hoeken te extruderen.
• Hou de wanddikte van het te extruderen profiel zo veel mogelijk gelijk.
• Wanneer de stijfheid van een hol profiel niet nodig is, probeer er dan een open (solid) profiel van te maken. Ook dit scheelt aanzienlijk in de kosten.
• Extrusie van kunststof kan je niet helemaal vergelijken met extrusie van metaal (bijvoorbeeld aluminium), pas daarvoor op.