Wat niemand je vertelt over aluminium?

Wat niemand je vertelt over aluminium?

Wanneer je op een mechanische afdeling of op de R&D afdeling aan het werk gaat, weet je eigenlijk niet meer van materialen dan wat je op school of tijdens stage geleerd hebt.

En laten we eerlijk zijn; Materiaalkunde is meestal het vak dat als saaiste gegeven wordt.

Dan kom je op een afdeling en mag je ontwerpen en dan hoort daar ook een materiaalkeuze bij.

Lastig want meestal heb je daar vrij weinig kaas van gegeten. Je vraagt je ervaren collega’s. Die stellen je een paar vragen en zeggen dan “oh kijk maar naar dat onderdeel. Dan zit je wel goed.”

.
Hoe vaak gebeurt het niet dat oude materiaal aanduidingen tekening op tekening worden overgenomen? Vaak kan de materiaalkeuze optimaler. “Ja die keuze moet de engineer maken” roept iedereen “die moet dat toch weten”. Als engineer zijnde moet je heel veel weten. Gelukkig ben je met een team en kun je elkaar aanvullen en soms is er iemand die alles weet van materialen en soms moet je bij de ene collega zijn voor een vraag ten aanzien van aluminium en bij de ander voor een ander materiaal.

Maar wat niemand je vertelt is dat aluminium eigenlijk helemaal niet zo ingewikkeld is.

Als je het eenmaal snapt kun je het overal toepassen. Het aluminium is onderverdeeld in 8 hoofdgroepen. Afhankelijk van het legeringselement dat in hoogste percentage in het materiaal wordt toegevoegd.
Het doel hiervan is om het materiaal sterker te maken en de best mogelijke eigenschappen voor de toepassing te realiseren.

.
De hoofdgroepen zijn:

De 1000-reeks, belangrijkste “legeringselement” is hier aluminium, een zuivere kwaliteit met een aantal veel gebruikte legeringen. Goed vervormbaar en hoogglanzend maar niet erg sterk.

De 2000-reeks heeft als hoofdlegeringselement koper. Dit om het aluminium door middel van ingenieuze precipitaten sterker te maken. Het nadeel van koper is dat de corrosie bestendigheid negatief beïnvloed wordt.

De 3000-reeks, hoofdlegeringselement Mangaan. Dit zorgt ook voor een betere sterkte dan de zuivere kwaliteit maar is minder sterk dan de koperhoudende legeringen, echter de corrosie bestendigheid is over het algemeen erg goed.

De 4000-reeks bevat Silicium meestal in een percentage tussen de 7-12 %. Het silicium geeft behalve sterkte aan het materiaal ook gunstige eigenschappen ten aanzien van het vloeibaar vormgeven van aluminium, ofwel gieten.

De 5000-reeks bevat Magnesium. Het magnesium maakt het materiaal sterker dan bovengenoemde varianten, uitgezonderd de 2000 reeks met koper, en heeft ook nog eens zeer gunstige corrosie bestendigheid. Het magnesium zorgt dat de oppervlakte van het aluminium egaler en dus minder onaantrekkelijk zijn beschermende oxidelaag vormt. De zeewaterbestendige kwaliteiten vallen in deze categorie.

De 6000-reeks bevat een combinatie van Magnesium en Silicium. Deze combinatie is samen sterk en vormen samen precipitaten die als blokkades in de metaalstructuur het materiaal versterken. Hiervoor zijn specifieke recepten in combinatie met ovenbehandelingen de crux.

De 7000-reeks; Dit zijn de hoog-sterke legeringen die met de nodige voorzichtigheid moeten worden ingezet. Je kan er hele mooie sterke producten mee maken maar dit vergt echt kennis van zaken. Toepassen omdat het zo lekker sterk is levert veelal een teleurstelling op.

Een voorbeeld van een vaak toegepaste aluminium extrusie legering is: EN AW-6063 T6.

.
Aluminium is eigenlijk helemaal niet zo moeilijk. Er zijn een tiental legeringen die zeer goed verkrijgbaar zijn en afhankelijk van het product dat je wilt maken, kom je al snel tot een keuze. Loont het de moeite om voor jouw product een specifieke legering te “laten maken” zoals in automotive of voor Apple producten, of bijvoorbeeld de bijna nergens verkrijgbare 5083 extrusiekwaliteit voor marine en offshore? Er zijn legio aan mogelijkheden, hierbij is diepgaande kennis benodigd.

.
Wil jij weten welke legering je waar inzet?

Geef antwoord op de vraag: Welke legering zet jij het vaakst in?

Vermeld je antwoord hieronder in het commentaarveld en je ontvangt van mij de pdf met extra informatie en de tien best beschikbare legeringen. Ik wens je veel plezier met je volgende aluminium materiaalkeuze.

Lieve groet
Ellen

Welding and HAZ

Welding and HAZ

What is the length of the Heat affected zone, HAZ?

.

Engineers would like to have rules of thump.

So if we make a welding connection between tubes in the range of 50mm what would the size of the HAZ be? Although I would love to make the world of the engineers a bit easier this question cannot be addressed by a quick answer.

Due to the heat impact the material properties are negatively influenced. The higher the heat input is the more the mechanical properties of the alloys are influenced, for aluminium in the 5000 as well as in the 6000 series. For a tube in the 6000 alloy’s series this means that the mechanical values of a tube in T6 quality are approximately degraded to the T4 value at best (after a recovery period of ~3 months).

How come we can not give a straight answer to the question what length of the area is influenced?

The length of the HAZ is influenced by the heat input of the welding process. So the process type but also all the parameters of the welding process. (current, arc voltage, travel speed, etc.)

.

Two tips for the best result:

1. For MIG welding high current, high travel speed. (snoerend lassen NL)
2. For multilayer welds the interpass temperature of 50° C should be respected, independent of material thickness.

With these tips heat input is relatively low, full penetration in the weld is received, lack of fusion prevented and mechanical strength optimal as possible.

.

You can compare it with preparation of the famous Dutch kroket (Croquette). Welding aluminium is optimal if the heat input is balanced in the right way, for a kroket; shortly hot fried, delivering a nice brown crispy crust is and the meat inside warm but still relatively cold.

.

kroket vs lassen

.

Welding an aluminium tube to a casted bracket the bond-design is somewhat “secured”. If the heat input was too high the weld pool will sag through the weld, if the heat input is too low there is not enough fusion in the weld. Both ways the weld is disqualified.

For specific applications the HAZ can be determined, but if welder or weld supplier or any other parameter changes you better redo your qualification. To determine the quality of the weld best is to do a pre-production welding test and submit it to mechanical testing. To measure the HAZ you can ask a testcenter to investigate the microstructural material changes. If your process is stable you have some information about the length of the HAZ for FEM calculations.

For welding best rule of thump is place the joint at the area with the lowest strains as possible.

.

Are you an engineer and do you need to know more about a weld design for your application? Please type your question in the comment box below. If you are qualified I am willing to discuss your training needs or the design support you are looking for.

Other valuable input for engineers is also welcome and will be appreciated.

Aluminium greetings

Ellen. Many thanks for your input Kees Veeken!

Waarom van aluminium?

Waarom van aluminium?

Waarom is een fiets van aluminium?

We willen een licht product, we willen een robuust product, we willen een mooi product, we willen design, functionaliteit, en elektrisch aangedreven…

We willen steeds meer features op een fiets of een auto en toch moet hij lichter rijden, makkelijker fietsen, sneller accelereren, wendbaarder worden, mooier zijn dan alle anderen en zo min mogelijk kosten tenzij…. Hij zich echt onderscheidt… lichter, sneller, optimaler en goedkoper. Maar hoe dan?

Op dit moment zijn heel veel fietsen van aluminium, ook carbon en stalen fietsen hebben een deel van de markt maar 60% zo niet 70% is aluminium.

Waarom van aluminium? Prijs, vormgeving en aluminium heeft nu eenmaal een hoge specifieke sterkte. Dat wil zeggen sterkte ten opzicht van zijn gewicht. De EN AW-6082 T6 legering, veel gebruikt in de fietsindustrie heeft een treksterkte van 290 Mpa (σ0,2 van 250 Mpa) terwijl de dichtheid 2,7 kg/cm³ is. Standaard frame weegt dus iets van 5-7 kg. Dichtheid van staal is ca 7,8 kg/cm³, drie keer zo zwaar.

Is een aluminium fiets dan 3x zo licht? Nee helaas niet. Waarom niet? Omdat aluminium een stuk flexibeler, lees elastischer is. Deze materiaaleigenschap is de E-modules. Van aluminium is die 70.000N/mm². Drie keer zo slap dan van staal (210.000 N/mm²). Daar wordt in het ontwerp goed rekening mee gehouden en levert bijzondere fraaie framevormen op die je met andere materialen, zeker prijstechnisch, niet voor elkaar krijgt.

Materiaal eigenschappen aluminium

Dichtheid            2,7 kg/cm³

E-modules          70.000N/mm²

Smeltpunt           660°C

Uitzettingscoëff.  23 x 10¯6 / K

Het feit dat het aluminium niet weg roest en zelfs met weinig of geen lak er mooi uit ziet is dan nog een extra voordeel. Je zult je nu afvragen is het aluminium frame dan wel lichter…? Ja, als je een constructie met aluminium goed uitvoert kun je zo’n 40 % lichter construeren. Maak wel optimaal gebruik van de eigenschappen van het materiaal aluminium door een goede functieintegratie te kiezen.

Wil jij weten waar je aan moet denken voor een goed aluminium ontwerp?

Je krijgt van mij de aluminium checklist. Hiermee kun je controleren of je aan alles gedacht hebt om je aluminium product optimaal vorm te geven. Hoe ontvang je die?

Door hieronder in het commentaar veld de vraag te beantwoorden: waar loop jij tegenaan bij aluminium productontwerp?

Iedere reactie ontvangt van mij een mail met de aluminium checklist. Ik wens je veel plezier met je aluminium ontwerp.

Aluminium groet
Ellen

Checklist voor aluminium productontwerp

Checklist voor aluminium productontwerp

Je hebt een product ontworpen van aluminium.  Controleer jij of je de juiste aluminium keuzes gemaakt hebt? Hieronder speciaal voor jou de aluminium checklist:

Heb je alle functies die je in het onderdeel kunt meenemen opgenomen?

  • Materiaal op de uiterste vezelafstand gelegd?
  • Positioneer nokjes opgenomen?
  • Oplegvlak meegenomen?
  • Centreerlijnen?
  • Voorbereiding verbinding/ klikverbinding mee geëngineerd?
  • Laskantvoorbereiding (schuine kant)/ lasbad ondersteuning opgenomen
  • Montage oriëntatie ingebouwd?

Heb je de juiste aluminium materiaalaanduiding gehanteerd?

  • Kneedlegering EN AW- XXXX XX (voorbeeld EN AW-6082 T6 of EN AW-5083 H111)
  • Gietlegering EN AC-XXXXX (voorbeeld zandgieten EN AC-43000 T6, hogedruk EN AC-46200)
  • Is de gewenste toestand gespecificeerd?

Is de gekozen legering de meest voor de hand liggende?

  • Gangbaar?
  • Passend bij de gewenste hoeveelheid?
  • Goedkoopste voor het beoogde doel?
  • Passend bij de vorm/ het vervaardigingsproces?

Design voor corrosie

  • Niet in contact met andere metalen?
  • Geen spleten?
  • Afloop van water mogelijk?
  • Uitspoelbaar?
  • Oppervlaktebehandeling opgenomen?
  • Bij toepassing in de grond bescherming voorzien?
  • Bescherming aangebracht voor omgeving met pH hoog/laag

Wordt er gelast?

  • Is voor het lassen de juiste informatie op de TPD gezet?
  • Is de legering lasbaar?
  • Start-stop positie op positie met de minste belasting?
  • Lasdraad afgestemd op legeringen en omstandigheden?
  • Materiaalsoorten gelijksoortig?
  • Warmte beïnvloede zone op spanningsarme locatie?

Is het product recycle optimaal?

  • Gelijke legeringen gebruikt?
  • Voorkeur voor laagst gelegeerde soorten, bij voorkeur met minste zink en koper
  • Is de coating echt nodig?
  • Losneembaar / demontabel gemaakt?
  • Recycling systeem terugname materiaal mogelijk?

Is de aluminium kwaliteit geschikt voor de gewenste visuele uitstraling?

  • Anodiseerbaar?
  • Lakbaar?
  • Specifieke eigenschappen ingebouwd (zoals slijtage bestendig)?
  • Onbehandeld gewenste uitstraling?

Wordt er verspaand?

  • Is er een goed verspaanbare legering ingezet?
  • Wordt er veel verspaand? / Bestaat er gevaar voor kromtrekken van het product?

Kan ik er een modulair product van maken? 

  • In andere soortgelijke producten ook toe te passen?
  • Meer producten uit een basisvorm mogelijk?

Wordt het product dynamisch belast?

  • Zijn de radii zo groot mogelijk?
  • Is er een geschikte, sterke en taaie, legering ingezet?
  • Worden spanningsconcentraties vermeden? Geen scherpe overgangen, Van dik naar dun geleidelijk, lassen op de juiste locatie?
  • Worden de optimale materiaal condities voor deze toepassing ingezet?

 

Voorkom problemen en maak optimaal gebruik van aluminium. Gebruik de checklist en geef antwoord op de vraag: Welke van deze checks is voor jou het meest waardevol? Laat weten welke verbeteringen het in je ontwerp heeft opgeleverd. Mocht je aanvullingen hebben? Geef ze door.  Ben je tevreden? Deel de checklist met anderen die er belang bij hebben. Laat je mening hieronder in het commentaarveld achter en als beloning zal ik je op de hoogte houden van de nieuwste versie checklist of laat je gegevens hier achter.

3D vormgeven van aluminium- deel2

3D vormgeven van aluminium- deel2

Door de specifieke metaalstructuur, zijn van aluminium allerlei vormen te produceren. Vorige keer hebben we het gehad over smeden, slagextrusie en heatforming. Dit Blog gaat over de volgende 4 processen:

  • Hydroforming
  • Rubberpersen
  • Pulsvormen
  • Additieve manufacturing

Hydroforming

Is een plaat of buis die onder druk met water (soms olie) in een matrijsholte geduwd wordt. De drukken waar je over praat zijn, bij lage druk, vanaf 500 bar, of bij hogedruk tot 2500bar. Dit gebeurt koud. Afhankelijk van de rek, een mechanische eigenschap van het materiaal, mag je bij aluminium een expansie van ca. 10% verwachten.

hydroformen plaathydroforming profiel tube
Afbeelding 2

 

Rubberpersen

Rubberpersen is een techniek waarbij je plaat in een 3D shape vormt. Het gereedschap bevindt zich aan één zijde en de druk wordt aangebracht door een “rubber kussen”. Je kan hierbij de plaat in een vormholte drukken (negatief vormen) of strekken/plooien (positief vormen). Bij relatief lage aantallen, series van 100 stuks, is dit proces al interessant.(Bron afbeeldingen: Phoenix 3D metaal)

rubberpersproces
Afbeelding4

Pulsvormen

Pulsvormen is een heel nieuwe techniek die we nog niet zolang zien.  De eerste toepassing is nu op de markt. Het proces gaat door middel van magnetische ontlading.
Er wordt een hoge elektromagnetische energiepuls gevormd waarbij een geleidend materiaal, zoals aluminium, wordt afgestoten. Door het opbouwen van de spanning, met meerdere samenwerkende spoelen, wordt er een elektromagnetische puls opgewekt die het materiaal bij voldoende oplading weg doet schieten. Bij deze vervormingstechniek gedraagt het materiaal zich super plastisch waardoor een enorme vormvrijheid realiseerbaar is.

Middels slimme pulsvormapparaten kunnen al bij  kleine condensator spanningen, van bijvoorbeeld 3 kV, pulsstromen gevormd worden die hoge elektrische pulsvelden realiseren, tegen geringe kosten.
pulsvorming

Additive manufacturing

Additive manufacturing ofwel 3D printing. Er zijn twee type 3D printtechnieken voor aluminium. Eén waar het product vanuit laagjes poeder wordt opgebouwd, waar per laag de laser, een patroon in brand. De andere techniek is die waar door middel van een draad een product laagsgewijs wordt opgebouwd. Voor aluminium kom je tot nu toe meestal de eerst genoemde tegen, maar de tweede kan ook.

Voor techniek één zie je vaak materiaal met een hoog siliciumgehalte, tussen de 10 en 12% ingezet. Voor de andere techniek wordt een lasdraad, zoals de 4043 (AlSi5), gebruikt. Aluminium zet niet de trend op gebied van 3D printen, andere duurdere metalen zoals titanium lopen voorop.

Afbeelding6b

Welke techniek is voor jouw interessant? Als jij hieronder een reactie weergeeft heb ik iets speciaals. Jij ontvangt van mij de presentatie hand-out met de verschillende vormgevingstechnieken overzichtelijk op een rij, in pdf.

Wil je op de hoogte gehouden worden over Aluminium schrijf je nu in.

3D vormgeving van aluminium

3D vormgeving van aluminium

Door de specifieke metaalstructuur, is aluminium in allerlei vormen te produceren. 30% van het aluminium wordt als billet voor profiel gemaakt. Ook allerlei plaatprocessen (40%)  en gietprocessen (ook 30%) kunnen het aluminium in de gewenste optimale vorm brengen.  Er zijn ook technieken die op een andere manier als gieten, aluminium in een 3D vorm kunnen toveren. Hieronder worden er een aantal behandeld:

  • Smeden
  • Slagextrusie
  • Heatforming


Smeden/ Forging
Smeden is een techniek die qua naam misschien aan een ouderwets proces doet denken maar het smeden van aluminium is niet te vergelijken met de werkwijze van de ambachtelijke smid die dat met ijzer doet.
Het smeden van aluminium gebeurt veelal met een voorverwarmd stuk kneedaluminium en wordt tussen twee matrijshelften geforceerd/geperst. Matrijssmeden wordt daarom ook wel warmpersen genoemd.
smeden

productvoorbeeld: gesmede “Whishbone” , bron Stampal SB d.o.o.

Soms zijn er meerdere stappen nodig om de gewenste vorm te krijgen; soms is één stap al voldoende. Bij het warmsmeden is de laatste stap altijd het verwijderen van de vloeibraam.
Het voordeel is dat het product door de vervorming extra hoge mechanische eigenschappen krijgt en een smeedstuk over het algemeen taai en hoog sterk is.


Slagextrusie
slagextrusie

Slagextrusie wordt voor het maken van bijvoorbeeld grote aantallen spuitbussen en blikjes ingezet. Het onzichtbaarste, maar wellicht het belangrijkste industriële slagextrusiedeel is de gasgenerator voor airbags. Slagextrusie is een koudvormproces, waarbij wordt uitgegaan van een ronde schijf vol materiaal (pion of platine genoemd, in het Duits “Butze”; in het Engels “slug”). Deze wordt in een matrijs gelegd en door middel van een stempel zal het materiaal superplastisch worden vervormd. Zo kunnen er bijvoorbeeld heel snel dunwandige producten met bodem worden geproduceerd. Maar ook andere vormen voor bijvoorbeeld reservoirs voor schokdempers of heatsinks voor LED-verlichting zijn mogelijk.

neuman slagextrusie

Heatforming

Heatform™-technologie is een relatief nieuw proces en doet eigenlijk denken aan het “opblazen” van een ballon. Dit lijkt op hydroforming (blow forming), met dit verschil dat het bij hogere temperatuur gebeurt, De buisvormige producten worden opgewarmd tot een temperatuur net onder het smeltpunt. De buis wordt vervolgens in een matrijs gelegd en onder druk opgeblazen met warme lucht.

Door deze hogere temperatuur kan het aluminium veel verder strekken en vervormen zonder dat scheurvorming of breuk optreedt (z.g. “Burst” of “Rupture”). Door slimme matrijsconcepten kunnen fijne details worden bereikt en kan zelfs de wanddikte gestuurd en gevarieerd worden.

heatforming proces3

Bron afbeeldingen Heatforming, HEATform™

heatfromingedit

Er zijn nog meer 3D vormgevingstechnieken zoals

  • Hydroforming
  • Rubberpersen
  • Pulsvormen
  • Additieve manufacturing

Welke zou jij in een volgend BLOG besproken willen zien? Als jij hieronder een reactie weergeeft heb ik iets speciaals. Jij ontvangt van mij de presentatie hand-out in pdf met de verschillende vormgeving technieken overzichtelijk op een rij.

Wil je op de hoogte gehouden worden over Aluminium schrijf je nu in en ontvang 1x per maand een update.

René Valentijn, hartelijk dank voor je bijdrage aan dit Blog!