Aluminium-Strangpresswerkzeug: Herstellung und Wartung

Es gibt ein einziges Bauteil, das darüber entscheidet, wie ein Aluminiumprofil aussieht, welche Lasten es trägt, welche Toleranz es hält und wie leicht es sich montieren lässt: das Strangpresswerkzeug. Ganz gleich wie stark die Presse, wie sauber der Bolzen oder wie erfahren der Bediener ist, wenn das Werkzeug falsch konstruiert ist, wird auch das Profil falsch. Deshalb heißt es in der Strangpressbranche häufig: Das Profil ist die Unterschrift des Werkzeugs.

Kenan Metal fertigt seit über zwanzig Jahren kundenspezifische Aluminiumprofile und konstruiert und bearbeitet einen erheblichen Teil der eingesetzten Werkzeuge im eigenen Werkzeugbau. In diesem Beitrag erklären wir, was ein Strangpresswerkzeug ist, welche Bauarten es gibt, welche Schritte es vom Entwurf bis zum ersten Versuch durchläuft, wie es gewartet wird und was die Zusammenarbeit mit einem Hersteller mit eigenem Werkzeugbau einem Projekt bringt.

Was ist ein Strangpresswerkzeug?

Ein Strangpresswerkzeug ist das Stahlwerkzeug, durch das ein erwärmter Aluminiumbolzen unter hohem Druck gedrückt wird und das dem Profil seinen endgültigen Querschnitt gibt. Der auf etwa 450-500 °C erwärmte Bolzen wird in den Rezipienten der Presse eingelegt und vom Stempel vorgeschoben. Das Metall fließt durch die Werkzeugöffnung aus, ähnlich wie Zahnpasta aus der Tube; die austretende Form entspricht der Form der Werkzeugöffnung.

Werkzeuge werden in der Regel aus Warmarbeitsstahl der Güte H13 gefertigt. Dieser Stahl wird gewählt, weil er seine Härte bei hoher Temperatur behält, thermischer Ermüdung standhält und verschleißfest ist. Ein Werkzeug wird im Laufe seines Lebens tausende Male erwärmt und abgekühlt, und jeder Zyklus bringt zusätzliche Ermüdungsbelastung mit sich. Mehr über unsere Fertigung finden Sie im Bereich Extrusion.

Werkzeugarten: Vollprofil, Hohlprofil und Halbhohlprofil

Werkzeuge für Vollprofile bilden die einfachste Gruppe. Das Profil enthält keinen geschlossenen Hohlraum; Flachstäbe, Winkel, T-Querschnitte und die meisten Dekorprofile gehören dazu. Das Werkzeug ist einteilig, das Metall fließt direkt durch die Öffnung.

Werkzeuge für Hohlprofile werden für Profile mit geschlossenen Hohlräumen eingesetzt, etwa Kastenprofile, Rohre und mehrkammrige Architekturprofile. Diese Werkzeuge sind zweiteilig: Das Metall wird zunächst durch Stege geteilt und anschließend in der Schweißkammer unter hohem Druck wieder zusammengeführt. Die Verbindungsstellen heißen Schweißnähte, und ihre Qualität beeinflusst sowohl die Festigkeit des Profils als auch sein Aussehen nach dem Eloxieren.

Werkzeuge für Halbhohlprofile kommen bei Profilen mit tiefen Kanälen zum Einsatz, die sich über eine schmale Öffnung nach außen öffnen. Führungsschienen und Schraubkanäle sind typische Beispiele. In dieser Gruppe ist die Belastung der Werkzeugzunge am höchsten und damit das Bruchrisiko am größten; das Zungenverhältnis erfordert im Entwurf besondere Aufmerksamkeit.

Wie entsteht ein Werkzeug? Schritt für Schritt im Werkzeugbau

1. Querschnittsentwurf und Simulation. Der Prozess beginnt mit der Prüfung des vom Kunden gelieferten Profilquerschnitts. Verteilung der Wandstärke, Verhältnis von Umfang zu Fläche und der Schwerpunkt des Querschnitts werden bewertet. Ziel ist ein gleichmäßiger Metallfluss über den gesamten Querschnitt; ein Geschwindigkeitsunterschied zwischen dünnen und dicken Bereichen zeigt sich später als Verdrehung und Krümmung. In dieser Phase werden mit einer Flusssimulation die Zuführkanäle und die Führungszone vordimensioniert.

2. CNC-Bearbeitung. Der freigegebene Entwurf wird auf CNC-Bearbeitungszentren in gedrehte Stahlblöcke eingearbeitet. Zuführbohrungen, Stege und Schweißkammer entstehen in diesem Schritt.

3. Draht- und Senkerodieren. Die Öffnung, die den endgültigen Querschnitt bildet, wird auf der Drahterodiermaschine mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich geschnitten. Eckenradien und schmale Kanäle werden durch Senkerodieren fertiggestellt.

4. Wärmebehandlung und Nitrieren. Das bearbeitete Werkzeug durchläuft Härten und Anlassen. Anschließend wird nitriert, um Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die Nitriertiefe ist ein kritischer Parameter: Ist sie zu gering, verschleißt das Werkzeug früh; ist sie zu groß, wird die Oberfläche spröde.

5. Probelauf und Korrektur. Das Werkzeug wird auf der Presse erprobt, das entstandene Profil vermessen und bei Bedarf die Führungszone von Hand nachgearbeitet, um den Metallfluss auszugleichen. Bis ein Werkzeug serienreif ist, sind meist mehrere Versuchszyklen nötig. Ergänzend empfehlen wir unsere Seite zur Knüppelproduktion.

Wie arbeitet das Werkzeug in der Presse?

In der Presse wird das Werkzeug in ein Werkzeugpaket mit Stützring und Bolster eingesetzt. Das Werkzeug wird im Ofen auf etwa 480 °C vorgewärmt; heißes Metall in ein kaltes Werkzeug zu drücken verschlechtert die Oberflächenqualität und setzt das Werkzeug einem Thermoschock aus.

Das Pressverhältnis, also die Bolzenquerschnittsfläche geteilt durch die Profilquerschnittsfläche, ist die grundlegende Prozessgröße. Mit steigendem Verhältnis nehmen erforderlicher Druck und Wärmeentwicklung zu. Die Austrittsgeschwindigkeit richtet sich nach Legierung und Querschnittsgeometrie; zu hohe Geschwindigkeit führt zu Rissen an der Oberfläche, zu niedrige schlicht zu Produktivitätsverlust.

Das aus dem Werkzeug austretende Profil durchläuft die Kühlzone und erreicht die Reckbank. Das Recken baut Eigenspannungen ab und sorgt für Geradheit. Danach folgen Ablängen und Auslagerungsofen. Die Oberflächenbehandlung als letztes Glied dieser Kette beschreiben wir in den Bereichen Eloxal und Pulverbeschichtung.

Werkzeugpflege, Reinigung und Lebensdauer

Nach jedem Presszyklus bleibt eine gewisse Menge Aluminium im Werkzeug zurück. Dieses Restmetall wird aufgelöst, indem das Werkzeug in einer Natronlaugelösung eingelegt wird; Stahl wird davon nicht angegriffen, Aluminium löst sich. Nach der Reinigung wird das Werkzeug gespült, getrocknet und visuell geprüft.

Geprüft werden vor allem Glanz- und Verschleißspuren in der Führungszone, Rissbeginn an den Stegwurzeln, Ablagerungen in der Schweißkammer und Verformungen der Zungen. Werkzeuge an der Verschleißgrenze werden erneut nitriert, doch die Zahl der Nitrierzyklen ist begrenzt; jede Wiederholung macht die Oberfläche etwas spröder.

Die Lebensdauer eines Werkzeugs hängt von Querschnittskomplexität, Legierung und Pressparametern ab. Ein einfaches Vollprofilwerkzeug kann hunderttausende Meter Profil liefern, während ein dünnwandiger mehrkammriger Architekturquerschnitt die Lebensdauer deutlich verkürzt. Eine saubere Werkzeugdokumentation zeigt frühzeitig, wie viele Zyklen ein Werkzeug gelaufen ist und wann eine Überholung ansteht.

Querschnittsmerkmale, die den Werkzeugentwurf erschweren

Ungleichmäßige Wandstärke: Wenn im selben Querschnitt 1,2 mm und 5 mm starke Wände vorkommen, fließt das Metall unterschiedlich schnell. Abhilfe schaffen unterschiedlich lange Führungszonen im Werkzeug.

Hohes Zungenverhältnis: Tiefe, schmale Kanäle verlängern die Werkzeugzunge, die am ehesten bricht. Im Entwurf werden Stützgeometrien und größere Radien eingesetzt.

Scharfe Ecken: Innenecken ohne Radius erzeugen Spannungsspitzen im Werkzeug und erhöhen das Rissrisiko im Profil. Schon ein kleiner Radius verlängert die Lebensdauer merklich.

Außermittige Querschnitte: Bei Profilen, die asymmetrisch zum Bolzenmittelpunkt liegen, ist der Fluss unausgeglichen; die Zuführkanäle werden entsprechend neu positioniert.

Mehrkammrige thermisch getrennte Querschnitte: Die Kanäle für Polyamid-Isolierstege reagieren äußerst empfindlich auf Toleranzen; Abweichungen von einem Zehntelmillimeter in der Kanalbreite führen zu Montageproblemen.

Der Vorteil eines eigenen Werkzeugbaus

Ein Strangpresser, der seine Werkzeuge zukauft, muss ein Werkzeug zur Korrektur einer im Probelauf festgestellten Abweichung an seinen Lieferanten schicken und auf die Rücksendung warten. Diese Schleife dauert meist Tage. Für einen Hersteller mit eigenem Werkzeugbau ist dieselbe Korrektur eine Sache weniger Stunden.

Dieser Zeitvorteil wirkt sich an drei Stellen konkret aus. Erstens in der Neuproduktentwicklung: Die Zeit vom Prototyp zur Serie verkürzt sich. Zweitens bei dringendem Ersatzwerkzeugbedarf: Ein gebrochenes Werkzeug lässt sich schnell ersetzen. Drittens bei Projekten mit engen Toleranzen: Eine Feinabstimmung von wenigen Mikrometern lässt sich im selben Werk über eine Mess- und Korrekturschleife umsetzen.

Ausführliche Informationen zu unserem Werkzeugbau finden Sie auf der entsprechenden Seite. Wie sich der Werkzeugentwurf auf bewegliche Systeme auswirkt, zeigt unser Beitrag zu Rolling-Roof-Systemen. Für Architekturanwendungen lohnt sich außerdem ein Blick auf unsere Glasprofile.

Häufig gestellte Fragen

Wie lange dauert die Fertigung eines neuen Werkzeugs? Je nach Komplexität des Querschnitts vergehen von der Entwurfsfreigabe bis zum ersten Probelauf meist einige Wochen.

Wer trägt die Werkzeugkosten? In der Branche ist es üblich, die Werkzeugkosten bei Sonderquerschnitten einmalig dem Kunden zu berechnen; Folgeaufträge umfassen nur den Profilpreis.

Lässt sich dasselbe Werkzeug für verschiedene Legierungen nutzen? Grundsätzlich ja, doch da sich das Fließverhalten mit der Legierung ändert, müssen die Parameter neu eingestellt werden und meist ist ein Probelauf erforderlich.

Was passiert, wenn ein Werkzeug bricht? Ein gebrochenes Werkzeug lässt sich in der Regel nicht reparieren, es wird ein neues gefertigt. Deshalb ist es bei kritischen Profilen üblich, ein Ersatzwerkzeug vorzuhalten.

Welche Mindestwandstärke ist möglich? Abhängig von Legierung und Querschnittsbreite gilt bei Architekturprofilen meist 1,0-1,2 mm als Untergrenze; dünnere Wände erfordern eine Sonderkonstruktion.

Fazit

Das Strangpresswerkzeug ist die unsichtbare, aber entscheidende Komponente der Aluminiumprofilfertigung. Jeder Schritt vom Querschnittsentwurf über das Drahterodieren und Nitrieren bis zum Probelauf beeinflusst Maßhaltigkeit, Oberfläche und Lebensdauer des späteren Profils unmittelbar. Ein richtig ausgelegtes Werkzeug erleichtert alle folgenden Prozesse; ein falsch ausgelegtes lässt sich weder an der Presse noch in der Beschichtung oder auf der Baustelle ausgleichen.

Kenan Metal führt Werkzeugentwurf und Werkzeugfertigung in eigenen Anlagen durch und behält diesen kritischen Schritt damit unmittelbar unter Kontrolle. Sprechen Sie unser Team auf Ihre Sonderquerschnitte an und entdecken Sie unsere Produktgruppen auf der Seite Produkte.