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Technologische Fortschritte bei der Strangpresse und Formengeometrie

Hohe Präzisionsanforderungen treiben Innovationen in der Aluminiumstrangpresse voran

Der Aluminiumprofilherstellungssektor steht vor immer strengeren Anforderungen hinsichtlich der Maßgenauigkeit, wobei oftmals Toleranzen von nur 0,1 mm eingehalten werden müssen. Dies ist besonders kritisch für Bauteile im Flugzeugbau und in der Automobilproduktion, wo Präzision oberste Priorität hat. Viele Unternehmen setzen zunehmend auf KI-gesteuerte Strangpressanlagen, die während der Produktion automatisch Druckverhältnisse anpassen können. Laut einer im vergangenen Jahr veröffentlichten Studie reduziert dieser Ansatz Profilabweichungen um etwa 27 % im Vergleich zu älteren Verfahren. Brancheninsider berichten, dass hybride Strangpresseverfahren, welche direkte und indirekte Methoden kombinieren, mittlerweile Standard bei der Herstellung komplexer Mehrkavitätenprofile sind. Diese Verfahren tragen dazu bei, eine gleichbleibende Qualität über verschiedene Produktionschargen hinweg sicherzustellen und gleichzeitig die Gesamtfestigkeit der fertigen Produkte zu verbessern.

Fortgeschrittene Werkzeugtechnik und Simulationssoftware für komplexe Matrizenkonstruktion

Das Gebiet des Werkzeugbaus hat durch die numerische Strömungsberechnung, kurz CFD, wirklich an Fahrt gewonnen. Diese Technologie ermöglicht es Ingenieuren, den Materialfluss vorherzusagen, lange bevor physisch etwas hergestellt wird. Laut einer im vergangenen Jahr im Manufacturing Technology Journal von Springer veröffentlichten Studie haben Unternehmen, die Hochleistungsrechnen einsetzen, die Anzahl der Werkzeugversuche um etwa 60 Prozent reduziert, wenn sie Verformungen zunächst virtuell analysieren. Heutzutage passieren auch einige ziemlich beeindruckende Dinge: Modulare Werkzeugsysteme ermöglichen schnellere Wechsel zwischen verschiedenen Bauteilen. Es gibt außerdem spezielle Kühlkanäle, die die Temperaturen über die gesamte Oberfläche hinweg auf nur 2 Grad Celsius konstant halten. Und lassen Sie mich erst gar nicht über additiv gefertigte Werkzeuge mit ihren ausgeklügelten internen Strömungsoptimierern anfangen, die tatsächlich die Verteilung von Metallen während des Gießprozesses verbessern.

Kalt- vs. Heißextrusion: Vergleich von Präzision und Effizienz

Das Warmstrangpressen beherrscht nach wie vor die Herstellung großer Mengen struktureller Profile aus den Aluminiumlegierungen 6061 und 6063. Doch auch das Kaltstrangpressen hat seine besonderen Vorzüge – etwa die hervorragenden Oberflächen mit Werten von etwa 0,8 Mikrometern Ra oder besser, was es ideal für architektonische Bauteile macht, bei denen das Erscheinungsbild wichtig ist. Kürzlich hat sich jedoch einiges verändert. Neue Entwicklungen bei Werkzeugstählen in Kombination mit hochwertigen PVD-Beschichtungen haben Möglichkeiten eröffnet, die wir zuvor für unmöglich hielten. Laut den neuesten Erkenntnissen des Extal Process Report 2024 können Hersteller nun sogar die anspruchsvollen Legierungen der 7000er-Serie kalt strangpressen und dabei rund 80 Prozent weniger Energie im Vergleich zu älteren Verfahren verbrauchen. Dieser Durchbruch bedeutet, dass das Kaltstrangpressen nicht mehr nur optisch überzeugt, sondern zunehmend auch praktikabel wird, selbst in Anwendungen, bei denen höchste Präzision erforderlich ist.

Materialeinsatz reduzieren bei der Produktion komplexer Profile

Durch die Verwendung von Mehrloch-Strangpresswerkzeugen können Hersteller zwischen vier und sechs Profile gleichzeitig produzieren, wodurch der Billet-Abfall bei der Herstellung von Vorhangfassaden um etwa 38 % reduziert wird. Die Branche setzt heutzutage zudem auf Echtzeit-Spektralüberwachung, wodurch Legierungsprobleme erkannt werden, bevor sie zu größeren Problemen führen, und so rund 15 bis 20 % des sonst entstehenden Ausschusses eingespart werden. Es gibt noch eine weitere Innovation, die sogenannte Hochscherverformung, die für viele Betriebe bahnbrechend war. Bei diesem Verfahren werden etwa 92 % des Abfalls aus Eckbereichen dadurch zurückgewonnen, dass der Metallfluss durch speziell konstruierte Dornen gezielt umgelenkt wird. Dies macht einen enormen Unterschied bei der Erzielung besserer Ausbeuten aus jenen komplizierten Querschnitten, mit denen alle Schwierigkeiten haben.

Intelligente Fertigung und Industry 4.0 Integration

Automatisierung und Robotik in Systemen zur Handhabung von Aluminiumprofilen

Heutige Roboterarme arbeiten zusammen mit AGVs, die Aluminiumprofile mit einem Gewicht von bis zu 600 kg mit einer erstaunlichen Genauigkeit von plus/minus 0,1 mm präzise handhaben können. Diese Systeme nutzen fortschrittliche Bildverarbeitung, um Materialien zu sortieren, ordnungsgemäß zu stapeln und alles zu transportieren, selbst wenn hohe Temperaturen herrschen. In einem großen Werk in Europa wurden kollaborative Roboter in die Quittierungsprozesse nach der Extrusion eingeführt. Die Ergebnisse waren beeindruckend – die Produktivität stieg um etwa 40 %. Der besondere Wert liegt darin, dass diese Maschinen menschliche Fehler reduzieren und sicherstellen, dass jeder Arbeitsschritt jedes Mal exakt gleich abläuft.

Digitale-Zwilling-Technologie zur virtuellen Prozessvalidierung

Digitale Zwillinge replizieren physische Strangpressprozesse in virtuellen Umgebungen, wodurch Ingenieure Parameter wie Stempelgeschwindigkeit (0,5–15 mm/s) und Blocktemperatur (400–500 °C) optimieren können. In einer Fallstudie aus dem Jahr 2023 mit Profilen aus der luft- und raumfahrttauglichen Legierung 7075 reduzierte diese Technologie die Testläufe um 60 %, beschleunigte die Hochlaufzeiten und gewährleistete einen erfolgreichen Erstversuch.

KI-gestützte vorausschauende Wartung und Echtzeit-Prozessüberwachung

Die an Extrusionspressen angebrachten IoT-Sensoren erfassen jede Minute rund 15.000 Datenpunkte und überwachen dabei beispielsweise den hydraulischen Druck im Bereich von 120 bis 250 bar sowie mögliche Matrizenverformungen. Diese maschinellen Lernsysteme vergleichen anschließend alle diese Informationen mit zuvor aufgetretenen Ereignissen, wodurch sie potenzielle Lagerprobleme bereits drei bis vier Tage vor ihrem tatsächlichen Auftreten erkennen können. Branchenstudien zeigen, dass die Vorhersage solcher Probleme unerwartete Stillstände um etwa 30 Prozent bis hin zu 50 Prozent reduzieren kann und gleichzeitig die Gesamtlebensdauer der Maschinen verlängert, was definitiv dazu beiträgt, dass der Betrieb von Tag zu Tag reibungsloser verläuft.

Innovationen bei Aluminiumlegierungen und leichten Konstruktionsdesigns

Aluminiumlegierungen der nächsten Generation: 6061, 7075 und Aluminium-Lithium-Verbundwerkstoffe

Die neueren Legierungen wie 6061-T6 und 7075-T6 bieten tatsächlich eine um etwa 15 bis 20 Prozent bessere Streckgrenze im Vergleich zu herkömmlichen Sorten, erreichen Werte zwischen 340 und 503 MPa und weisen dabei weiterhin eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Bei Aluminium-Lithium-Verbundwerkstoffen reduziert sich das Bauteilgewicht um 8 bis 12 Prozent, wie einige aktuelle Forschungsergebnisse von ASM International aus dem Jahr 2023 zeigen, die speziell Teile in der Flugzeugfertigung untersucht haben. Worauf beruhen diese Verbesserungen? Hauptsächlich darauf, dass Hersteller in der Lage waren, die feinen Kornstrukturen unter 50 Mikrometer zu verfeinern und die Zusammensetzung aus Zink und Magnesium optimal auszugleichen. Dadurch können Ingenieure Bauteile konzipieren, die sowohl dünner als auch leichter sind, ohne dabei ihre strukturelle Integrität oder Funktionalität einzubüßen.

Aluminiumbasierte Verbundwerkstoffe für ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht

Wenn Hersteller keramische Nanopartikel wie Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid (etwa 10 bis 20 Nanometer groß) in Aluminium einbringen, erzielen sie eine Steigerung der spezifischen Festigkeit um etwa 25 bis 35 Prozent. Eine 2022 in Materials & Design veröffentlichte Studie zeigte, dass diese Verbundwerkstoffe Zugfestigkeiten zwischen 400 und 550 Megapascal erreichen können, während ihre Dichte unter 2,8 Gramm pro Kubikzentimeter bleibt. Dadurch eignen sich diese Materialien hervorragend für Anwendungen wie Batterieablagen in Elektrofahrzeugen oder Rahmen für Drohnen, da beide Anwendungsbereiche steife, aber nicht schwere Materialien erfordern. Die Kombination aus Festigkeit und geringem Gewicht ist genau das, wonach Ingenieure bei der Entwicklung von Bauteilen für die nächste Generation von Transportmitteln suchen.

Topologieoptimierung und KI-gestütztes Design zur Leichtbauweise

Generative KI analysiert tausende geometrischer Varianten pro Stunde und verkürzt so die Entwicklungszyklen für Prototypen um 60 %. Ein Luftfahrtunternehmen erreichte eine Massereduktion von 19 % bei Flügelversteifungen durch topologieoptimierte 6063-T5-Profile, wobei die Tragfähigkeit durch krümmungsgesteuerte Querschnitte erhalten blieb. Dieser Ansatz minimiert den Materialverbrauch und erfüllt gleichzeitig die Toleranzanforderungen nach ISO 6362-2 (±0,15 mm bei kritischen Abmessungen).

Laut Lebenszyklusanalysen des Berichts des International Aluminum Institute aus dem Jahr 2023 ermöglichen diese Fortschritte gemeinsam Gewichtseinsparungen von 30–50 % gegenüber Stahl bei Aluminiumprofilen in den Bereichen Automobilbau, Luftfahrt und erneuerbare Energien.

Neue Rolle der additiven Fertigung bei Aluminiumprofilen

3D-Druck für die schnelle Prototypenerstellung von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen

Die additive Fertigung bietet Konstrukteuren weitaus mehr Flexibilität als herkömmliche Methoden und ermöglicht es ihnen, komplexe Formen wie Gitterstrukturen und optimierte Bauteile innerhalb weniger Tage statt Wochen zu erstellen. Im Vergleich zu traditionellen spanenden Fertigungsverfahren reduziert der 3D-Druck den Materialabfall während der wiederholten Test- und Neugestaltungsphasen um 40 bis 60 Prozent, was besonders wichtig ist, wenn mit anspruchsvollen Metallen wie der AlSi10Mg-Legierung gearbeitet wird. Der geringere Abfall führt zu schnelleren Produktentwicklungszyklen, ohne die Eigenschaften einzubüßen, die Aluminium von Anfang an so wertvoll machen: seine Fähigkeit, Wärme gut zu leiten und langfristig korrosionsbeständig zu sein.

Herausforderungen beim Hochskalieren der additiven Fertigung für die Massenproduktion

Die additive Fertigung bietet viele Vorteile, aber bei der Skalierung für große Produktionsmengen gibt es nach wie vor erhebliche Hindernisse. Die meisten Bauräume können nichts verarbeiten, das größer als etwa 400 mm ist, was die Herstellung von Bauteilen in einem Durchgang stark einschränkt. Außerdem erfordern die Teile nach dem Druck umfangreiche Nachbearbeitungen, die je Charge zwischen 2 und 3 Stunden dauern. Mit zunehmender Größe der Teile wird auch die thermische Verzugsbildung zu einem größeren Problem. Aus diesem Grund setzen viele Unternehmen heute auf KI-Simulationen, um die Toleranzen im engen Bereich von plus/minus 0,1 mm einzuhalten. Einige Unternehmen beginnen jedoch, neue Ansätze zu verfolgen. Sie kombinieren traditionelles 3D-Drucken mit herkömmlicher CNC-Bearbeitung, um besonders präzise Details herzustellen, wo Genauigkeit am wichtigsten ist. Dieser hybride Ansatz scheint besser zu funktionieren als der Versuch, alles allein durch additive Verfahren zu erreichen.

Fallstudie: Einsatz von 3D-gedruckten Aluminiumhalterungen in der Luft- und Raumfahrt

Ein großer Luftfahrt-Hersteller hat es geschafft, das Gewicht von Halterungen um etwa 32 % zu reduzieren, indem er beim Herstellen dieser hohlen Aluminiumteile auf selektives Laserschmelzen umgestiegen ist. Beeindruckend ist, dass diese neuen Konstruktionen trotzdem einer Zugfestigkeit von 520 MPa standhielten, was eigentlich bemerkenswert ist. Außerdem gab es einen weiteren Vorteil: Die Materialkosten sanken um rund 18 US-Dollar pro gebautes Flugzeug. Die Zulassung durch die FAA war jedoch nicht so einfach. Der gesamte Zertifizierungsprozess dauerte fast 18 Monate, wobei unterwegs zahlreiche mechanische Tests erforderlich waren. Dies zeigt nur, wie schwierig es sein kann, die additive Fertigung trotz aller offensichtlichen Vorteile in die serienmäßige Produktion einzuführen.

Frequently Asked Questions (FAQ)

Was ist der Hauptvorteil der Verwendung von KI bei der Aluminiumstrangpressung?

Die Nutzung von KI bei der Aluminiumstrangpressung ermöglicht Echtzeit-Anpassungen, wodurch Profilabweichungen um etwa 27 % reduziert werden und eine gleichbleibend hohe Präzision der Produkte gewährleistet ist.

Wie trägt die additive Fertigung zur Herstellung von Aluminiumprofilen bei?

Die additive Fertigung bietet Flexibilität beim Design, reduziert Materialabfall und beschleunigt die Produktentwicklungszyklen, obwohl die Skalierung für die Massenproduktion weiterhin herausfordernd bleibt.

Welche Vorteile bieten Aluminiumlegierungen der nächsten Generation?

Legierungen der nächsten Generation wie 6061-T6 und 7075-T6 weisen eine um 15 bis 20 Prozent bessere Streckgrenze auf und verringern das Bauteilgewicht um 8 bis 12 Prozent, wodurch die Leistung in Luftfahrt- und Automobilanwendungen verbessert wird.