圧力の下で: アルミニウムの押出成形品がどのように作られるか

いつでも、複数のプロジェクトが進行中である可能性が高く、これはもちろん、さまざまな段階で無視されているという意味です。私の現在の大きなプロジェクトは、T スロット押し出しアルミニウムプロファイルなど、本物のハッカーストリートの信条を備えた素材を使用する機会がついに得られたと感じているプロジェクトです。 80/20 が好んで呼ぶ「インダストリアルエレクターセット」というものを見たことがあるでしょう。そして、私たちは皆、CNC マシンから展示会のディスプレイに至るまで、そしてこのパンデミックの時代に、時には小売店のくしゃみガードとして、それを使って作られたクールなプロジェクトを見たことがあるでしょう。

アルミニウム製の T スロットプロファイルは、強力で軽量で、さまざまな留め具で簡単に接続でき、ニーズの変化に応じて無限に構成および再構成できるため、操作性に優れています。決して安くはありませんが、製造時間を節約できることを考慮すると、プロジェクトに必要なものを仕様化することは純利益となる可能性があります。それでも、財布への負担が予想されるため、より手頃な価格の代替品を探していました。

私の探索は、私をアルミニウム押出材の驚くほど豊かな世界に導きました。ビールや炭酸飲料の缶などのありふれたアイテムを除いても、おそらくあなたの周りにはアルミニウムの押出成形品が溢れているでしょう。コンピューターのヒートシンクから窓枠、網戸を構成する部品に至るまで、すべてが押し出しアルミニウムで作られています。では、このどこにでもあるものは一体どのようにして作られているのでしょうか？

アルミニウムを押し出す基本プロセスは、表面的には 3D プリンターで使用される押し出しプロセスと同じくらい簡単に理解できます。つまり、材料を加熱し、希望の形状とサイズの金型に押し込みます。しかし、PLA が巨大なアルミニウムの丸太に置き換えられ、ボーデンケーブルとステッピングモーターが巨大な油圧ラムに置き換えられると、詳細はすぐに基礎となるコンセプトの単純さを曇らせます。

ダイの設計は、おそらく押出プロセスの最も重要な部分です。金型は高温での多大な力に耐える必要があり、その間、寸法安定性を維持する必要があります。押出ダイスは、直径が最大 1 メートル以上、通常は約 30 cm の工具鋼の丸棒として始まります。アルミニウムがダイを通過する際の経路が長くなるほど、アルミニウムが受ける摩擦が大きくなるため、通常、ダイの外形は直径に比べてかなり薄くなります。摩擦が大きくなると力も大きくなり、プレス機が大型化し、金型の摩耗が増加し、一般にコストが高くなります。

通常、金型は、熟練した金型設計エンジニアや機械工を雇用する専門メーカーによって作成されます。デザインを金型に変換するプロセスは、通常、CNC 旋盤でブランクを荒加工することから始まり、その後、一連の CNC フライス加工操作に進みます。放電加工 (EDM) は、滑らかな仕上げを実現するために必要な細部を取得し、金型を通るアルミニウムの流れを制御するために必要な正確な形状を実現するために広範囲に使用されます。

ほとんどの押出成形品には、パイプの内腔や、80/20 プロファイルの場合、T スロットと中央ボアの負のスペースのような、1 つ以上の中空チャンバーがあります。金型はこれらの機能を作成する必要があり、そのためには金型の一部が軟化金属の入ってくる流れの中で「浮く」必要があります。金型メーカーは、金型の上流部分のスペースを埋めるアームにこれらの機能を吊り下げることでこれを実現します。これらのアームの形状と表面仕上げは、金属がアームの周囲を流れて結合し、空隙のない滑らかで連続した材料の流れを作り出すように慎重に設計する必要があり、完成品の強度低下につながる可能性があります。

流動する金属によって及ぼされる流体力学的な力を注意深く考慮することも、金型の設計において重要です。ダイの出口側は完成した押出成形品のサイズと形状とほぼ同じですが、入口側はまったく異なります。ある推定によると、アルミニウムの押し出し時に使用されるエネルギーの半分は、金属と金型の間の摩擦を克服するために費やされるため、これらの力を減らすためにできることはすべて、銀行にお金を預けるようなものです。ダイの入口は、入ってくる金属をできるだけスムーズかつ簡単に最終形状に導くように設計する必要があります。これが、ダイの設計者がダイの幅全体にわたって非常に大きな抜き勾配を設定する理由の 1 つです。

押出プロセスにはさまざまなアプローチ方法があり、それぞれに長所と短所があります。直接押し出しは、基本的に 3D プリントでよく知られているものです。あるいは、Play-Doh セットでそのようなスクイーズなものの 1 つを使用したことがある場合は、軟化した材料の塊を金型に押しつけ、それが金型を通って流れます。最終的な形になります。間接押出はこれを逆転させ、材料に対してダイを強制的に移動させます。どちらのアプローチにも長所と短所があり、両方とも異なる冶金学的特性を持つ押出成形品が得られます。

どちらのプロセスでも、ビレットと呼ばれる大きなアルミニウムの丸太がガス炉または誘導加熱のいずれかで加熱されます。温度は特定の合金や金型の複雑さによって異なりますが、ビレットは溶けているのではなく、軟化しているだけであることに注意することが重要です。熱応力によって機械内の部品が破損するのを防ぎ、アルミニウムがすぐに冷えて金型に固着するのを防ぐために、金型と油圧プレスの多くも加熱されます。

アルミニウム押出プレスは通常、水平方向に配置されており、巨大な油圧ラムが狭い隙間を挟んで金型に面しています。予熱されたビレットがギャップに配置され、油圧ラムがビレットをダイに押し込み始めます (または、間接押出では、材料上でダイを移動させます)。軟化した金属はアームの周囲の金型の空間に流れ込み始め、金型から出るときに最終形状に狭まっていきます。

成長する押出物はプレスから出て、空気またはより一般的には水浴のいずれかでほぼ即座に急冷されます。押出成形品はダイから出た時点ではまだ柔らかく、変形しやすいため、急冷プロセスは重要です。焼入れはまた、合金内の金属の結晶構造を設定し、完成した押出成形品に望ましい冶金学的特性を与えます。

しかし、たとえ焼き入れを行ったとしても、ダイから長いアウトフィードテーブル上に押し出される押出品は完全には程遠いです。押出中にかかる膨大な力と焼き入れの熱応力により、必然的にプロファイルが歪んだりねじれたりします。これは、押し出し材を文字通り持ち上げて油圧ツールで長く伸ばすストレッチ操作で修正されます。これにより、プロファイルが意図した形状に復元されます。プロファイルの長さが数パーセント変化すると、必然的にプロファイルの寸法がわずかに変化しますが、この事実はダイの設計者が考慮する必要があります。

興味深いことに、新鮮な押出成形品は、最終的に指定された強度に達する前に、高温である程度エージングする必要があります。これは、合金に応じて数時間から数日かけて、大規模な時効タワーで行われます。次に、老化した押出成形品を所定の長さに切断し、場合によっては仕上げ処理を施します (アルミニウムを酸化から保護するため、80/20 押出成形品では透明または染色陽極酸化仕上げが非常に一般的です)。出荷用に梱包されます。

アルミニウム押出成形品に使用される材料の量と、その仕事を行う巨大な機械を稼働させるために必要な投資を考慮すると、80/20 プロファイルのコストがその効果に見合ったものである理由は簡単に理解できます。だから今は、ちょっと頑張って、必要なものを注文してみようかな。

アイキャッチ画像：F&Lインダストリアルソリューションズ株式会社