Derin Okuma — Ekstruzyon Presi

Kalıptan sızan kırmızı şerit

Sıcak ekstruzyon hattında kalıp çıkışına yaklaşık iki metre mesafede durursun. Önünde 1.200 santigrat dereceye kadar ısıtılmış bir alüminyum kütük, arkasında 2.500 tonluk bir pres ramı, ortada ise çapı kütüğün yarısı kadar olan bir kalıp boğazı vardır. Pres devreye girdiğinde kütük önce kendi ağırlığıyla kalıp duvarına yapışır, sonra akma sınırını aşar ve kalıp çıkışında parlak kırmızı bir şerit olarak belirir. O şeridin yüzeyi pürüzsüz görünür ama aslında orada 10 mikron kalınlığında bir oksit kabuğu ve altında çözünmüş gazlar vardır. Şerit soğudukça sertleşir, çekilir, doğrultulur ve profil olur. Peki bu kırmızı şeridin kalitesini belirleyen şey presin tonajı mı, kalıbın açısı mı, yoksa kütüğün içindeki o görünmez sıcaklık gradyanı mı?

Hamurun tüpten sıkılması

Ekstruzyonu anlamak için mutfakta diş macunu tüpünü sıkmayı düşün. Tüpün ağzı daraldıkça macun daha hızlı ve daha ince çıkar. Metal ekstruzyonda da mantık aynıdır. Kütük, tüpün içindeki macun gibi davranır. Kalıp ise tüpün ağzıdır. Fark şurada başlar.

Macun soğuk ve viskozdur, metal ise sıcak ve kristal yapılıdır. Metal akarken taneleri (kristal kafesleri) kalıp duvarına paralel yönlenir. Yönlenme, profilin çekme dayanımını kalıp boyunca farklı kılar. Yani ekstruzyon sadece şekil verme değil, aynı zamanda iç yapıyı yeniden düzenleme işlemidir.

Diş macunu benzetmesi burada biter çünkü macunun taneleri yoktur. Metal akarken kalıp boğazında sürtünme ısısı üretir, bu ısı kütüğün ön yüzünü arka yüzünden 40-60 derece daha sıcak yapar. Gradyan, çıkış hızını ve yüzey kalitesini doğrudan etkiler. Şimdi bu mekanizmanın katmanlarına inelim.

Kütük hazırlığı ve sıcaklık penceresi

Ekstruzyon alüminyumda genellikle 6061 veya 6063 alaşımıyla başlar. Kütük, indüksiyon fırınında 450-500 santigrat dereceye ısıtılır. Pencere dardır. 430 derecenin altında malzeme kalıptan geçmek için gereken akma sınırına ulaşamaz ve pres durur. 520 derecenin üzerinde ise yüzeyde ötektik erime başlar, profil yüzeyinde yanık lekeleri oluşur. Kütük çapı tipik olarak 150-250 milimetre arasındadır. Uzunluk ise 400-800 milimetre bandındadır.

Kütük ne kadar uzun olursa, presin tek strokta ürettiği profil o kadar uzun olur ama sürtünme kaybı da artar. Yüksek basınçlı bir ekstruzyon presinde tek strok süresi 30-90 saniye arasındadır ve bu sürenin sonunda kütüğün geriye kalan "butt" kısmı konteyner içinde 15-25 milimetre kalır. Artık atılmaz, geri dönüşüme gider. Isıtma süresi kütük çapına bağlıdır. 200 milimetre çapındaki bir kütük, indüksiyon bobininde yaklaşık 8-12 dakikada hedef sıcaklığa ulaşır. Süre kısalırsa merkez soğuk kalır, uzarsa yüzey oksitlenir.

Sıcaklık penceresinin alt ve üst sınırı neden bu kadar yakın? Çünkü alüminyumun akma sınırı 430 derece civarında dik bir eğimle düşer ama ötektik erime sıcaklığı 6061 için 582 derecedir ve yüzeyde oksit kabuğunun altında yerel sıcaklık bu eşiğe yaklaşabilir. Kütük yüzeyi ile merkezi arasında 15-25 derece fark kalması istenir. Fark açılırsa kalıp çıkışında profil bir taraftan hızlı, diğer taraftan yavaş akar ve profil eğrilir.

Isıtma bobininin frekansı da bu yüzden 50-60 hertz bandında tutulur. Düşük frekans derine ısıtır, yüksek frekans yüzeyde kalır. Endüksiyon bobininin sarım sayısı ve kütük ile bobin arası boşluk da ısıtma profilini değiştirir. Boşluk 10-20 milimetre bandında tutulur, daha dar boşluk yüzeyi aşırı ısıtır. Bazı hatlarda kütük önce 200 derecede ön ısıtmaya alınır, sonra indüksiyona girer. İki kademeli ısıtma merkez-yüzey farkını 10 derecenin altına indirir ama hat uzunluğunu iki katına çıkarır. Ekonomi ile kalite burada doğrudan karşı karşıyadır.

Kalıp geometrisi ve akış dengesi

Kalıp, ekstruzyonun kalbidir. İçinde iki kritik açı vardır. Giriş açısı (konik bölge) tipik olarak 90-180 derece arasındadır. Açı ne kadar genişse, malzeme o kadar kolay akar ama kalıp yükü artar. Dar açıda ise akış yavaşlar, yüzey daha temiz çıkar. Kalıp yükünün artması iki sonuç doğurur.

Pres daha yüksek basınç ister ve kalıp kenarlarında aşınma hızlanır. O yüzden giriş açısı seçimi profil kesitine göre yapılır. Basit yuvarlak profillerde geniş açı, karmaşık iç boşluklu profillerde dar açı tercih edilir.

İkinci kritik nokta bearing (yatak) uzunluğudur. Bu, kalıp çıkışındaki düz bölgedir ve tipik olarak 3-8 milimetre arasındadır. Yatak uzunluğu, profilin çıkış hızını ve yüzey pürüzlülüğünü belirler. Uzun yatak, daha düzgün yüzey verir ama pres basıncını 20-30 bar artırır. Kısa yatak ise hızlı çıkış sağlar, ancak yüzeyde çizik ve dalgalanma riski yükselir.

Birden fazla boşluklu profillerde (örneğin pencere çerçevesi) kalıp içindeki akış hızları dengelenmelidir. Aksi halde bir boşluk diğerinden hızlı dolar ve profil eğrilir. Akış dengelemesi için kalıp üzerinde "flow guide" adı verilen kanallar açılır. Kanalların derinliği 1-3 milimetre bandındadır ve her kanalın derinliği profilin o noktadaki kesit kalınlığıyla ters orantılıdır. Kalın kesitli bölgelere daha sığ kanal açılır, çünkü kalın bölge zaten kolay akar.

Kalıp malzemesi genellikle H13 sıcak iş takım çeliğidir ve sertliği 44-48 Rockwell C arasındadır. Kalıp ömrü 10.000-50.000 ton profil arasında değişir, kesit karmaşıklığına göre. İçi boş profillerde mandrel (iç pim) kullanılır ve mandrel ile kalıp arasındaki köprü kalınlığı 3-5 milimetre bandındadır. Köprü ne kadar ince olursa akış o kadar kolay ama mandrel o kadar kırılgan olur. Mandrel kırılırsa kalıp tamamen sökülür, üretim 4-8 saat durur.

Kalıp üreticileri bu dengeyi genelde sonlu elemanlar simülasyonuyla kurar. Simülasyonda akış hızı sapması yüzde 5'i geçerse kalıp yeniden işlenir. Bu, ekstruzyonun önceden hesaplanabilen ama son anda ayar isteyen bir süreç olduğunu gösterir. Simülasyon ile gerçek arasındaki farkın büyük kısmı kalıp ile konteyner arasındaki ısı transferinden gelir. Konteyner sıcaklığı 400-450 derecede tutulur ve bu sıcaklık kalıbı da ısıtır. Kalıp ısınırsa akış hızlanır, soğursa yavaşlar. O yüzden kalıp ilk çalıştırıldığında 15-30 dakika "alıştırma" süresine ihtiyaç duyar.

Pres basıncı ve çıkış hızı

Ekstruzyon presi, kütüğe 200-600 bar arası basınç uygular. Basınç, kütüğün akma sınırını (6061 için 450 derecede yaklaşık 30-40 megapaskal) aşmasını sağlar. Presin tonajı, kütük kesit alanı ile basıncın çarpımıdır. 500 tonluk pres tipiktir. Çıkış hızı ise profilin kalıptan çıkma hızıdır ve genellikle saniyede 5-30 metre arasında değişir. Hız, kalıp sıcaklığı, kütük sıcaklığı ve alaşımın akma davranışıyla ayarlanır.

Hız çok yükselirse yüzeyde çatlak (hot shortness) oluşur. Hız çok düşerse profil kalıp içinde soğur ve pres sıkışır. Operatörler genellikle çıkış hızını kalıp çıkışındaki kırmızılığın tonuna göre ayarlar. Parlak sarı-kırmızı ideal, koyu kırmızı ise yavaşlatma sinyalidir. Görsel ayar, deneyimli operatörün elindeki en güvenilir enstrümandır çünkü termokupl kalıp çıkışındaki gerçek yüzey sıcaklığını her zaman doğru ölçemez.

Kütük ile kalıp arasındaki sürtünmeyi azaltmak için konteyner içinde yağ bazlı veya grafit bazlı yağlayıcı kullanılır. Yağlayıcı filmi 50-100 mikron kalınlığındadır ve fazlası yüzeyde siyah iz bırakır. Pres iki modda çalışır. Direkt ekstruzyonda kütük ile konteyner arasında relatif hareket vardır, sürtünme yüksektir ve pres basıncının yüzde 30-40'ı sürtünmeye gider. İndirekt ekstruzyonda kalıp kütüğe doğru hareket eder, sürtünme neredeyse sıfırlanır ve aynı profil yüzde 20-30 daha düşük basınçla üretilir.

Buna rağmen endüstride hatların çoğu direkt moddadır çünkü indirekt presin mekanik yapısı daha karmaşık ve bakım maliyeti yüksektir. Bir de indirekt presin kalıp çıkışı konteynerin içine doğru baktığı için profil alımı ve soğutma düzeni daha zordur. Bu, ekstruzyonun mühendislik değil, çoğu zaman ekonomi tercihiyle şekillenen bir süreç olduğunu gösterir.

Presin hidrolik sistemi de bu denklemin parçasıdır. Ana silindir basıncı 200-315 bar bandında çalışır ve bu basınç akümülatörle desteklenir. Akümülatör olmadan pres her strokta pompa debisine bağımlı kalır ve çıkış hızı dalgalanır. Akümülatör hacmi 400-1.000 litre arasındadır ve ön şarj basıncı sistem basıncının yüzde 60-70'ine ayarlanır. Ayar yanlış yapılırsa pres ani basınç düşüşü yaşar ve profil yüzeyinde "tırtıl" izleri oluşur.

Soğutma, çekme ve yaşlandırma

Kalıptan çıkan profil önce hava veya su püskürtmeyle soğutulur. Soğutma hızı kritiktir. Yavaş soğutma (hava) iri taneler oluşturur ve mukavemeti düşürür. Hızlı soğutma (su) ince taneler verir ama iç gerilme yaratır. İki uç arasındaki denge, profilin kullanım yerine göre kurulur. Taşıyıcı profillerde hızlı soğutma, mimari profillerde ise kontrollü soğutma tercih edilir.

Soğutma sonrası profil çekme tezgahına girer. Burada 0,5-2 persent arası plastik çekme uygulanır. Çekme, profili doğrultur ve artık gerilmeleri dengeler. Çekme oranı yüzde 0,5'in altında kalırsa profil doğrulmaz, yüzde 2'nin üzerine çıkarsa akma sınırı aşılır ve profil yeniden şekil bozukluğu yaşar. Çekme hızı da 5-15 metre/dakika bandında tutulur.

Son adım yaşlandırmadır. 6061 alaşımı için 175 santigrat derecede 8 saatlik yapay yaşlandırma tipiktir. İşlem, magnezyum ve silisyumun çökelti oluşturmasını sağlar ve sertliği iki katına çıkarır. Yaşlandırma sıcaklığı 5 derece saparsa sertlik yüzde 10-15 değişir. Fırın içindeki sıcaklık dağılımı bu yüzden 3 derecenin altında tutulur ve fırına yüklenen profiller arasında en az 50 milimetre boşluk bırakılır. Boşluk hava sirkülasyonunu sağlar.

6063 alaşımı için yaşlandırma penceresi farklıdır. Alaşım 175 derecede 6-8 saat yerine, 200 derecede 2-3 saatte yaşlandırılır ve sertlik 10-13 Brinell bandına oturur. Mimari profillerde yüzey kalitesi sertlikten önce geldiği için 6063 tercih edilir. Taşıyıcı profillerde ise 6061 kullanılır ve T6 temperi (çözeltiye alma + yapay yaşlandırma) hedeflenir.

Soğutma hızı T6 için kritik bir eşiktir. Çözeltiye alma sıcaklığı 530 derece civarındadır ve bu sıcaklıktan oda sıcaklığına düşüş 10 saniyenin altında tamamlanmalıdır. Aksi halde magnezyum silisyum çökeltileri iri taneli oluşur ve yaşlandırma ile istenen sertliğe ulaşılamaz. Bu, profil kalınlığı arttıkça hızla zorlaşır. 10 milimetre et kalınlığındaki bir profilde 10 saniyelik pencerede tutmak için su püskürtme basıncı 4-6 bar bandına çıkar. Et kalınlığı 20 milimetreye çıkarsa aynı pencereyi tutmak pratikte imkansızlaşır ve tasarımcı ya daha yavaş soğutmayı kabul eder ya da profili iki parçaya böler.

Piyasa Hafızası - 2021 enerji krizi ve Avrupa ekstruzyon kapasitesi

Eylül 2021'de Avrupa'da doğal gaz fiyatları megavatsaat başına 30 avrodan 80 avronun üzerine çıktı. Alüminyum ekstruzyon hatları, kütük ısıtma ve yaşlandırma fırınlarında yoğun gaz kullanır. Bir ton profilin üretimi için yaklaşık 6.000 megajoule enerji gerekir. Enerjinin yüzde 60'ı ısıl işlemlerden gelir. Gaz fiyatı üçe katlanınca Avrupalı üreticilerin ton başı enerji maliyeti 150 avrodan 400 avronun üzerine çıktı. Bazı hatlar gece vardiyasını durdurdu, bazıları haftada üç güne indi.

Asya ve Orta Doğu'dan gelen profiller Avrupa'ya akmaya başladı. Kriz, ekstruzyonun enerji yoğun bir süreç olduğunu ve gaz fiyatının profil fiyatına doğrudan yansıdığını gösterdi.

Küçük Bir Hesap. Bir ton profilin maliyet zinciri

Sayılar temsili, mantık gerçek. Tabloda dikkat çeken kalem kütük maliyetidir. Toplamın yüzde 83'ü hammaddededir. Enerji ise yüzde 9'da kalır. Peki 2021 krizi neden bu kadar yıkıcıydı? Çünkü enerji kalemi küçük görünse de marj üzerinde devleşir. Brüt kar 450 dolar iken enerji maliyeti 180 dolardan 400 dolara çıkarsa kar 230 dolara iner. Yani yüzde 49 marj erimesi. Duyarlılık burada yatar. Kütük fiyatı yüzde 10 artarsa kar yüzde 53 erir. Enerji yüzde 100 artarsa kar yüzde 49 erir. İki kalem de aynı yöne giderse hat zarar yazar.

Üç katmanlı okuma

1. Ekstruzyon, malzemenin akma sınırını kalıp geometrisiyle pazarlık ettiren bir şekillendirme sürecidir. Kalite, sıcaklık penceresi ve çıkış hızının dengesinde saklıdır.

2. Ekonomi, hammadde ağırlıklıdır. Kütük maliyeti toplamın yüzde 80'ini geçer. Enerji küçük görünür ama marj üzerinde büyük kaldıraç yaratır.

3. Jeopolitik ve enerji şokları, ekstruzyon kapasitesini coğrafyaya göre kaydırır. 2021 Avrupa krizi, gaz fiyatının profil ticaret akışını nasıl değiştirdiğinin kanıtıdır.

Kalıptan çıkan kırmızı şerit, aslında bir enerji ve hammadde denkleminin görünen yüzüdür.