アルミニウム押出プロファイル: 合金、設計、公差

アン アルミニウム押出形材 は、加熱されたアルミニウムビレットを高圧下で成形されたダイ開口部に押し込むことによって生成される直線状の構造形状であり、一定の断面の連続長さを作成します。このプロセスの基本的な利点は、 ほぼすべての断面形状を単一部品で製造でき、固定溝、ネジボス、ヒートシンクフィン、ヒンジ、配線チャネルをプロファイルに直接統合できます。 これにより、スチール製または機械加工されたコンポーネントで必要となる組み立てと溶接の手順が不要になります。建築および構造用の押出成形に最も一般的に使用されるアルミニウム合金は、6000 シリーズ (主に 6060、6061、6063、および 6005A) で、押出性、機械的強度、耐食性、陽極酸化処理および粉体塗装への対応性の最適なバランスを提供します。用途に適した合金と質の選択は、プロファイルの引張強度、陽極酸化後の表面仕上げの品質、および達成可能な公差とキログラムあたりのコストに直接影響する押出プレスでの動作を決定するため、押出成形設計において最も重要な決定となります。

押出プロセス: ビレットからプロファイルまで

固体アルミニウムシリンダーを複雑な形状に変形させる作業は、水平押出プレスで行われます。通常、直径 150 mm ～ 300 mm で、長さ 600 mm ～ 1200 mm のビレットに切断されたアルミニウム合金の丸太は、誘導炉またはガス加熱炉で次の温度まで予熱されます。 430℃と500℃ 金属を融点以下の可塑性のある可鍛性の状態に置きます。加熱されたビレットはプレスコンテナに移送され、そこで 1,000 トンから 10,000 トンを超える力を加えることができる油圧ラムがコンテナ出口のダイオリフィスにアルミニウムを押し込みます。押出比 (ビレットの断面積をプロファイルの断面積で割ったもの) は通常、次の範囲になります。 10:1 ～ 80:1 建築プロファイルの場合は、単純なソリッド形状の場合は最大 200:1 の比率が実現可能です。

金属がダイを通過すると、合金の粒子構造が押出方向に整列する激しい塑性変形が起こり、異方性の機械的特性が与えられます。押し出されたプロファイルは、ビレットの予熱温度に近い温度で、合金およびプロファイルの複雑さによって異なる速度でダイから出ます。 柔らかい 6060 合金の場合、毎分 2 ～ 5 メートル 単純な形状では、薄肉の複雑な部分の硬質 7000 シリーズ合金の場合は毎分 0.5 メートル未満まで速度が低下します。プロファイルはダイから出た直後に強制空気または水スプレーによって冷却され、粒子の成長が起こる前に微細構造が凍結されます。次に、プロファイルは制御された量だけ引き伸ばされます。通常は、 伸び率0.5%～2% - 真っ直ぐにし、冷却中に閉じ込められた残留応力を緩和します。最後に、プロファイルを所定の長さに切断し、オーブンで時効硬化して、合金の指定された機械的特性を発現させる強化相を析出させます。

合金の選択: 6000 シリーズとその特性

6000 シリーズ アルミニウム合金は、主な合金元素がマグネシウムとシリコンであり、時効熱処理中に結合してケイ化マグネシウム (Mg₂Si) 析出物の微細分散を形成する時効硬化可能な材料です。これらの析出物は転位の移動を妨げ、合金の降伏強度を押出時の状態から高める強化メカニズムを提供します。マグネシウムとシリコンの比率、総合金含有量、および時効パラメータは、6000 ファミリ内の合金を区別する制御ノブです。

押出性の評価は、押出速度、つまりコストに直接反映されます。合金 6060 は、ダイの磨耗を最小限に抑えながら迅速に押し出し、最も薄い壁セクションを実現できるため、強度要件がそれほど高くない場合に最も経済的な選択肢となります。その対極にある合金 6082 では、より高いビレット温度、より遅い押出速度、より頻繁な金型交換が必要となり、同等の 6060 プロファイルと比較してプロファイルのコストが 30% ～ 50% 増加します。選択の原則は、表面仕上げの品質 (特に陽極酸化された建築用途) によって 6060 や 6063 などのよりきれいな合金が要求される場合を除き、構造要件を満たす最低強度の合金を選択することです。

プロファイル設計ルール: 肉厚、公差、および製造可能性

押出成形用のアルミニウム プロファイルを設計するには、プロファイルを一貫して経済的に、必要な公差に従って確実に製造できるようにするための幾何学的規則に従う必要があります。最も基本的な制約は、 最小壁厚 これは、外接円直径 (CCD)、つまりプロファイルの断面を完全に囲む最小の円によって決まります。 100 mm の CCD を備えたプロファイルの場合、6060 合金では通常 1.5 mm ～ 2.0 mm の最小壁厚が実現可能で、6061 では 2.5 mm ～ 3.0 mm に増加します。6060 の小さなプロファイルでは 1.0 mm まで薄肉化も可能ですが、押出圧力が増加し、ダイの寿命が短くなります。一般的な規則は、壁の厚さと外接円の直径の比が少なくとも 1:40 6060 合金 6061 の場合は 1:25。

鋭い内部コーナーは、ダイおよび押出プロファイルに応力を集中させるため、丸みを付ける必要があります。最小内部半径 0.5mm～1.0mm が標準であり、押出性の低い合金にはより大きな半径が推奨されます。外側のコーナーを鋭くすることもできます (半径 0.3 mm が実現可能です)。ただし、半径が小さすぎると、ダイのエッジが急速に摩耗し、生産が進むにつれてコーナーが徐々に丸くなっていく「ウォッシュアウト」が発生します。中空プロファイルには、マンドレルの周りのアルミニウムの流れを分割するブリッジまたはポートホール ダイが必要であり、分割された流れが再び合流するウェルド ラインをプロファイルの構造設計で考慮する必要があります。適切に押し出された中空プロファイルの長手方向の溶接強度は約 母材強度の85%～95% 6000シリーズ合金用。

アルミニウム押し出し材の公差は次のように定義されます。 EN 755-9 ヨーロッパと ANSI H35.2 北米では、公差範囲は寸法とプロファイルの外接円に応じて異なります。 100 mm 未満の断面寸法の一般的な寸法公差は ±0.3 mm ～ ±0.5 mm ですが、100 mm ～ 300 mm の寸法では ±0.5 mm ～ ±0.8 mm に広がります。角度公差は通常、±1° ～ ±2° です。より厳しい公差を達成することも可能であり、設計図面に指定する必要がありますが、金型のコストとスクラップ率が増加します。プロファイル設計者は、デフォルトの規格に依存するのではなく、図面上で公差を指定する必要があります。また、公差は機能が実際に必要とするものよりも厳しくしてはなりません。

表面仕上げ：陽極酸化処理、粉体塗装、機械処理

アルミニウム押出形材が、押し出されたままの圧延仕上げ状態で建築用途に使用されることはほとんどありません。表面は、腐食防止、色、質感を提供する一連の化学的および機械的処理によって変化します。 2 つの主な仕上げプロセスは陽極酸化処理と粉体塗装であり、それぞれに異なる利点とプロセス要件があります。

アンodizing

アンodizing is an electrochemical process that converts the aluminum surface into a controlled thickness of aluminum oxide (Al₂O₃) by making the profile the anode in an electrolytic bath—typically sulfuric acid—with a direct current applied. The oxide layer grows both outward from and inward into the aluminum surface, forming an integral ceramic coating that is 厚さ5～25ミクロン 建築用途向け。この酸化物は透明で硬く (ビッカース スケールで約 350 ～ 400 HV)、微多孔質です。この多孔性は、その後の封止ステップ (通常は沸騰した脱イオン水または酢酸ニッケル溶液への浸漬) で利用され、酸化物を水和して細孔を閉じ、耐食性、非吸収性の表面を生成します。陽極酸化仕上げは、天然銀 (透明な陽極酸化)、陽極酸化パラメーターと合金組成を変更することによって実現される一連のブロンズおよび黒の色調、または封止前に金属塩を酸化物の細孔に堆積させる電解着色仕上げで利用できます。

合金の選択は、陽極酸化処理の外観に大きく影響します。鉄含有量が 0.25% 未満に制御された合金 6060 は、目に見えるダイ ラインや縞模様が最小限に抑えられた、最もきれいで均一な陽極酸化仕上げを生成します。鉄、銅、クロムの含有量が高い合金 6061 は、わずかに灰色の陽極酸化仕上げを生成し、装飾的な建築用途には受け入れられない目に見える流線パターンを示す場合があります。建築用陽極酸化処理の標準は次のとおりです。 クアラノド この認証は、前処理、陽極酸化、およびシーリングのプロセス管理と、膜厚、シーリング品質、および耐紫外線性に関する品質要件を指定します。

粉体塗装

パウダーコーティングでは、乾燥した静電気を帯びたポリマーパウダーをアルミニウム表面に塗布し、その後オーブンで硬化させてパウダーを溶融および架橋させて連続フィルムを形成します。建築用アルミニウムの標準的な粉末タイプは次のとおりです。 ポリエステルと超耐久性ポリエステル 、60〜80ミクロンの膜厚で塗布されます。粉体塗装は、陽極酸化処理よりも幅広いカラーパレット（明るい色、金属効果、質感のある仕上げなど）を提供し、塗膜が浅いダイラインを埋めて隠すため、基材の小さな表面の欠陥に対してより耐性があります。業界の品質基準は、 クオリコート これは、前処理 (通常はクロムフリーの化成皮膜)、粉末の塗布と硬化パラメータ、および接着性、耐衝撃性、耐候性の性能要件を定義します。 QUALICOAT クラス 2 に認定された超耐久性ポリエステル粉体塗料は、UV 暴露下での色と光沢の保持が重要な屋外用途向けに指定されており、フロリダ州での最低 3 年間の暴露評価でも重大な劣化はありません。

T スロットとモジュラー フレーミング エコシステム

アルミニウム押出形材の特に重要なカテゴリは、T スロット構造フレーム システムであり、最も一般的には 1 つまたは複数の面に縦方向の T 形スロットを備えた正方形または長方形のプロファイルに基づいています。スロットの形状 (開口部が狭まった長方形のチャネル) は、特殊な形状のナットを受け入れます。ナットはスロットに沿った任意の場所に配置でき、ナットに係合するボルトを回転させることで所定の位置にロックされます。このシステムにより、構造フレーム、機械ガード、ワークステーション、およびエンクロージャを溶接や穴あけをせずに組み立てることができ、再構成または分解することができます。標準 T スロット シリーズのサイズは、プロファイルの公称幅寸法 (ミリメートル単位) によって決まります。 20mm、30mm、40mm、45mm これは最も一般的な基本寸法であり、それぞれに定義されたスロット幅 (通常は 5 mm、6 mm、8 mm、または 10 mm) があり、これによって互換性のあるファスナーとアクセサリが決まります。

T スロット プロファイルは、ほとんどの場合、T5 または T6 調質の 6060 または 6063 合金で押出成形されます。これは、スロットの形状により、要求の厳しい金型設計 (スロットのアンダーカットを形成するダイス鋼の片持ち梁状の舌部) が課せられるためであり、より柔らかく、より容易に押出成形される合金の利点が得られます。 T スロット システムのモジュール性は、アングル ブラケット、ガセット プレート、ヒンジ、パネル固定具、リニア ベアリング レール、コンベア ローラー、取り付け脚など、互換性のあるアクセサリの膨大なカタログによって強化されています。これらはすべて、プロファイルを変更することなく T スロットに嵌合するように設計されています。 T スロット フレームの設計負荷容量は、プロファイルの慣性モーメント、ファスナーのクランプ力、ブラケットの強度によって決まります。 6060-T5 の一般的な 40x40 mm T スロット プロファイルの慣性モーメント Ix は約 6.5～9.0cm⁴ 壁の厚さに応じて、フレーム構造に通常使用されるたわみ制限の L/300 を超える前に、1 メートルのスパンにわたって数百キログラムの中間耐荷重が与えられます。

エネルギー効率の高い窓のためのサーマル ブレーク テクノロジー

アルミニウムは優れた熱伝導体であり、熱伝導率は約 160W/m・K 6000 シリーズ合金の場合、壊れないアルミニウム窓枠が内部環境と外部環境の間の熱の橋となり、内部フレーム表面の結露と大幅な熱損失につながります。解決策は、熱で破壊されたアルミニウムのプロファイルです。この場合、単一のアルミニウムの押し出し材が、構造用絶縁体、通常はガラス繊維強化ポリアミド (PA66) ストリップによって結合された 2 つの別個の押し出し材 (1 つは外側に面し、もう 1 つは内側に面) に置き換えられます。ポリアミド ストリップは、両方のアルミニウム プロファイルの長手方向の溝に挿入され、所定の位置で丸められるか圧着され、熱伝導率がわずか 0.3W/m・K これは、分離されるアルミニウムの約 500 分の 1 の低さです。

熱により破損したアルミニウム窓枠の全体的な U 値は、ポリアミド ストリップの深さと、複数の断熱チャンバーを組み込むことができる押出成形プロファイルの複雑さに依存します。フレームの深さが 70 mm ～ 90 mm で、三層ガラス断熱ガラス ユニットを備えた最新の熱破壊窓プロファイルは、窓全体の U 値を達成できます。 0.8～1.2W/m²・K パッシブハウスの基準0.8W/m²・K以下をクリアしています。また、熱遮断により露点が外側に移動するため、通常の室内湿度条件下では、フレーム内部の表面が露点より高い状態に保たれ、結露が防止されます。熱的に破壊されたアセンブリの構造的完全性は、EN 14024 に基づくせん断試験によって検証されます。この試験では、ポリアミド ストリップは、ストリップの長さ 1 ミリメートルあたり少なくとも 24 N の引張せん断荷重下で両方のアルミニウム プロファイルに対するグリップを維持する必要があります。

構造設計: 断面特性と座屈

アン aluminum extrusion used as a structural member—a beam, a column, or a frame element—must be analyzed for its section properties and stability under load. The primary section properties are the cross-sectional area, the moments of inertia about the principal axes, and the section moduli. Because aluminum's modulus of elasticity is 約70GPa 鋼鉄の約 3 分の 1 であるアルミニウム梁は、応力ではなくたわみが設計基準となることがよくあります。アルミニウム設計マニュアルによれば、建築用途におけるアルミニウム構造部材のたわみの許容限界は、通常、石膏または脆性仕上げを支持する梁の場合は L/250、柔軟な仕上げを支持する梁の場合は L/200 です。

座屈は、アルミニウム柱や圧縮時の薄肉プロファイル要素にとって重大な破損モードです。平板要素 (押出成形品のフランジまたはウェブ) の局所的な座屈は、圧縮応力が臨界座屈応力を超えると発生します。臨界座屈応力は、プレートの幅と厚さの比とエッジのサポート条件によって異なります。 Aluminium Association のアルミニウム構造仕様では、プロファイル要素を強化 (両方のエッジに沿ってサポート)、非強化 (片側のエッジに沿ってのみサポート)、またはエッジ強化に分類し、各分類および合金と質の組み合わせごとに幅と厚さの比率の制限を規定しています。最小重量を実現するためにプロファイルを最適化しようとする設計者は、プロファイルが材料の降伏ではなく安定性によって支配される可能性があることを受け入れて、プレート要素を座屈限界に向けて押し込みます。