قالب‌گیری اکستروژن در تولید مبتنی بر داده‌ها محبوبیت می‌یابد

تصور کنید ابزاری در اختیار دارید که قادر است فلز را به دلخواه شکل دهد و به طور مداوم فرم‌های دقیقی را با راندمان قابل توجهی «قالب‌گیری» کند. این یک داستان علمی تخیلی نیست، بلکه یک فرآیند تولید اساسی به نام اکستروژن است—یک تکنیک شکل‌دهی مکانیکی که نقش محوری در صنعت مدرن ایفا می‌کند.

اکستروژن به عنوان یک ابزار شکل‌دهی قدرتمند عمل می‌کند که اجزای مختلفی را تولید می‌کند و در عین حال خواص مواد را بهینه می‌کند، هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد و نیازهای فزاینده سفارشی‌سازی را برآورده می‌کند. این مقاله یک بررسی مبتنی بر داده از فناوری اکستروژن ارائه می‌دهد و اصول اساسی، روش‌ها، مزایا، محدودیت‌ها و ملاحظات طراحی آن را تجزیه و تحلیل می‌کند.

اکستروژن یک فرآیند تولید است که در آن یک شمش فلزی (معمولاً گرم شده) از میان یک قالب با یک دهانه با شکل خاص عبور داده می‌شود و قطعاتی با پروفیل‌های مقطع ثابت ایجاد می‌کند. مشابه فشردن خمیر دندان از یک تیوپ، فلز از میان قالب عبور می‌کند تا به شکل دلخواه برسد و در این فرآیند دچار تغییر شکل پلاستیکی می‌شود.

اکستروژن از قابلیت تغییر شکل پلاستیکی فلز استفاده می‌کند—هنگامی که تحت نیروی کافی قرار گیرد، فلز به طور دائم شکل خود را تغییر می‌دهد و به حالت اولیه خود باز نمی‌گردد. این فرآیند شامل موارد زیر است:

• آماده‌سازی شمش: انتخاب مواد فلزی مناسب و برش آن‌ها به ابعاد مورد نیاز، اغلب با پیش‌گرم کردن.
• طراحی و ساخت قالب: ایجاد قالب‌های دقیق که مشخصات محصول نهایی را تعیین می‌کنند.
• فرآیند اکستروژن: اعمال فشار از طریق یک پیستون یا سیلندر هیدرولیک برای عبور فلز از میان قالب.
• خنک‌سازی و پس از فرآوری: تثبیت اجزای شکل‌داده شده از طریق خنک‌سازی و عملیات بعدی مانند برش یا پرداخت سطح.

اکستروژن پروفیل‌های متنوعی از جمله میله‌ها، لوله‌ها، سیم‌ها و مقاطع پیچیده را برای صنایعی مانند موارد زیر تولید می‌کند:

• ساختمان: قاب‌های پنجره/در، دیوارهای پرده‌ای، اجزای سازه‌ای
• حمل و نقل: قطعات خودرو (رادیاتورها، سپرها)، اجزای بدنه هواپیما
• الکترونیک: سینک‌های حرارتی، محفظه‌ها، کانکتورها
• انرژی: کابل‌ها، شینه‌ها، پروفیل‌های رسانا

مواد قابل اکستروژن شامل آلومینیوم، مس، فولاد، تیتانیوم و آلیاژهای آن‌ها است که هر کدام خواص متمایزی را ارائه می‌دهند:

رایج‌ترین روش که در آن یک پیستون شمش را از میان یک قالب ثابت فشار می‌دهد. اصطکاک بین شمش و دیواره‌های محفظه به نیروهای بالاتری نیاز دارد، اما راه‌اندازی تجهیزات ساده‌تری را ارائه می‌دهد.

قالب حرکت می‌کند در حالی که شمش ثابت می‌ماند و اصطکاک محفظه را از بین می‌برد. این امر نیروی مورد نیاز را 25-30٪ کاهش می‌دهد و پرداخت سطح را بهبود می‌بخشد، اما طول محصول را محدود می‌کند.

از سیال تحت فشار برای احاطه کردن شمش استفاده می‌کند و اصطکاک را به حداقل می‌رساند. امکان پردازش مواد دشوار اکستروژن را فراهم می‌کند، اما به تجهیزات پیچیده و گران قیمت نیاز دارد.

در دمای اتاق انجام می‌شود و قطعاتی با استحکام و دقت بالا تولید می‌کند، اما به نیروی قابل توجهی (تا 700 مگاپاسکال برای فولاد) نیاز دارد.

زیر دمای تبلور مجدد (معمولاً 0.3-0.5 Tm) انجام می‌شود و تعادل بین کاهش نیرو (30-50٪ در مقابل سرد) با کنترل ابعادی برقرار می‌کند.

بالای دمای تبلور مجدد عمل می‌کند و امکان شکل‌دهی اشکال پیچیده با حداقل نیرو را فراهم می‌کند، اما به طور بالقوه کیفیت سطح را به خطر می‌اندازد.

• نرخ استفاده از مواد 85-95٪ (در مقابل 40-60٪ برای ماشین‌کاری)
• سرعت تولید تا 60 متر در دقیقه برای پروفیل‌های ساده
• تراز ساختار دانه که خواص مکانیکی را بهبود می‌بخشد

• نیاز به مقطع ثابت
• هزینه قالب‌ها بین 5000 تا 50000 دلار بسته به پیچیدگی
• محدود به موادی با شکل‌پذیری کافی

طراحی اکستروژن مؤثر شامل موارد زیر است:

• ضخامت دیواره یکنواخت (حداقل 1 میلی‌متر برای آلومینیوم)
• شعاع‌های فیله سخاوتمندانه (R ≥ 0.5× ضخامت دیواره)
• زاویه شیب 1-3° برای بیرون راندن آسان
• هندسه متقارن در صورت امکان

بازار جهانی اکستروژن (105.3 میلیارد دلار در سال 2023) همچنان در حال گسترش است و روندهای قابل توجهی دارد:

• کاهش وزن خودرو، تقاضا برای اکستروژن آلومینیوم را افزایش می‌دهد (رشد سالانه 8.1٪ پیش‌بینی شده)
• ساختمان‌سازی و ساخت و ساز 42٪ از مصرف اکستروژن را تشکیل می‌دهند
• کاربردهای نوظهور در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر

پیشرفت‌های تکنولوژیکی شامل بهینه‌سازی فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی، تکنیک‌های اکستروژن ترکیبی و توسعه آلیاژهای جدید برای پیشبرد مرزهای مواد است.