Profili di estrusione di alluminio: leghe, design e tolleranze

An profilo di estrusione di alluminio è una forma strutturale lineare prodotta forzando una billetta di alluminio riscaldata attraverso un'apertura sagomata dello stampo ad alta pressione, creando una lunghezza continua di sezione trasversale costante. Il vantaggio fondamentale di questo processo è questo quasi tutte le geometrie delle sezioni trasversali possono essere prodotte in un unico pezzo, integrando scanalature di fissaggio, borchie per viti, alette del dissipatore di calore, cerniere e canali di cablaggio direttamente nel profilo , eliminando le fasi di assemblaggio e saldatura che sarebbero necessarie con componenti in acciaio fabbricato o lavorati a macchina. Le leghe di alluminio più comunemente utilizzate per l'estrusione architettonica e strutturale sono le serie 6000, prevalentemente 6060, 6061, 6063 e 6005A, che offrono un equilibrio ottimale tra estrudibilità, resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e risposta all'anodizzazione e alla verniciatura a polvere. La selezione della lega e dello stato fisico corretti per l'applicazione è la decisione più importante nella progettazione dell'estrusione perché determina la resistenza alla trazione del profilo, la qualità della finitura superficiale dopo l'anodizzazione e il suo comportamento nella pressa di estrusione, che influisce direttamente sulle tolleranze ottenibili e sul costo per chilogrammo.

Il processo di estrusione: dalla billetta al profilo

La trasformazione di un cilindro solido di alluminio in un profilo complesso avviene in una pressa di estrusione orizzontale. Un tronco di lega di alluminio, tipicamente da 150 mm a 300 mm di diametro e tagliato in billette da 600 mm a 1200 mm di lunghezza, viene preriscaldato in un forno a induzione o a gas a una temperatura compresa tra 430°C e 500°C , ponendo il metallo in uno stato plastico e malleabile al di sotto del suo punto di fusione. La billetta riscaldata viene trasferita al contenitore della pressa, dove un pistone idraulico, in grado di esercitare forze da 1.000 a oltre 10.000 tonnellate, spinge l'alluminio attraverso l'orifizio dello stampo all'uscita del contenitore. Il rapporto di estrusione (l'area della sezione trasversale della billetta divisa per l'area della sezione trasversale del profilo) varia tipicamente da da 10:1 a 80:1 per profili architettonici, anche se rapporti fino a 200:1 sono ottenibili per forme solide semplici.

Quando il metallo passa attraverso la filiera, subisce una grave deformazione plastica che allinea la struttura dei grani della lega con la direzione di estrusione, conferendo proprietà meccaniche anisotrope. Il profilo estruso esce dalla matrice ad una temperatura prossima alla temperatura di preriscaldamento della billetta e ad una velocità che varia con la lega e la complessità del profilo: da Da 2 a 5 metri al minuto per la lega morbida 6060 in forme semplici, fino a meno di 0,5 metri al minuto per le leghe dure della serie 7000 in sezioni complesse a pareti sottili. Il profilo viene raffreddato immediatamente dopo l'uscita dallo stampo, mediante aria forzata o spruzzo d'acqua, per congelare la microstruttura prima che possa verificarsi la crescita del grano. Il profilo viene quindi allungato di una quantità controllata, in genere Allungamento dallo 0,5% al 2%. —per raddrizzarlo e alleviare le tensioni residue bloccate durante il raffreddamento. Infine, i profili vengono tagliati a misura e induriti in forno per far precipitare le fasi di rinforzo che sviluppano le proprietà meccaniche previste della lega.

Selezione delle leghe: la serie 6000 e le loro proprietà

Le leghe di alluminio della serie 6000 sono materiali indurenti con l'invecchiamento i cui elementi di lega primari sono magnesio e silicio, che si combinano durante il trattamento termico di invecchiamento per formare una dispersione fine di precipitati di siliciuro di magnesio (Mg₂Si). Questi precipitati impediscono il movimento della dislocazione, fornendo il meccanismo di rafforzamento che aumenta la resistenza allo snervamento della lega dalla sua condizione come estrusa. Il rapporto tra magnesio e silicio, il contenuto totale della lega e i parametri di invecchiamento sono le manopole di controllo che differenziano le leghe della famiglia 6000.

Il punteggio di estrudibilità si traduce direttamente in velocità di estrusione e, quindi, in costi. La lega 6060 si estrude rapidamente con un'usura minima dello stampo e può raggiungere le sezioni di parete più sottili, rendendola la scelta più economica dove i requisiti di resistenza sono modesti. La lega 6082, all'estremo opposto, richiede temperature della billetta più elevate, velocità di estrusione più lente e sostituzione più frequente della matrice, aumentando il costo del profilo dal 30% al 50% rispetto a un profilo 6060 equivalente. Il principio di selezione è quello di scegliere la lega con la resistenza più bassa che soddisfi i requisiti strutturali, a meno che la qualità della finitura superficiale, in particolare per le applicazioni architettoniche anodizzate, imponga una lega più pulita come 6060 o 6063.

Regole di progettazione del profilo: spessore della parete, tolleranze e producibilità

La progettazione di un profilo in alluminio per estrusione richiede il rispetto di regole geometriche che garantiscano che il profilo possa essere prodotto in modo coerente, economico e con le tolleranze richieste. Il vincolo più fondamentale è spessore minimo della parete , che è determinato dal diametro del cerchio circoscritto (CCD), il cerchio più piccolo che racchiude completamente la sezione trasversale del profilo. Per un profilo con un CCD di 100 mm, è generalmente ottenibile uno spessore minimo della parete compreso tra 1,5 mm e 2,0 mm nella lega 6060, aumentando da 2,5 mm a 3,0 mm per la 6061. Sono possibili pareti più sottili, fino a 1,0 mm per piccoli profili in 6060, ma aumentano la pressione di estrusione e riducono la durata della matrice. La regola generale è che il rapporto tra lo spessore della parete e il diametro del cerchio circoscritto non deve essere inferiore a 1:40 per la lega 6060 e 1:25 per 6061.

Gli angoli interni vivi concentrano le tensioni nella matrice e nel profilo estruso e devono essere raccordati. Un raggio interno minimo di Da 0,5 mm a 1,0 mm è standard, con raggi maggiori preferiti per le leghe con minore estrudibilità. Gli angoli esterni possono essere più affilati (è possibile ottenere un raggio di 0,3 mm), ma un raggio troppo piccolo causerà una rapida usura del bordo dello stampo, con conseguente "dilavamento" in cui l'angolo diventa progressivamente più arrotondato durante il ciclo di produzione. I profili cavi richiedono una matrice a ponte o a oblò che divida il flusso di alluminio attorno a un mandrino e le linee di saldatura in cui si ricongiungono i flussi divisi devono essere considerate nella progettazione strutturale del profilo; la resistenza della saldatura longitudinale in un profilo cavo adeguatamente estruso è di circa Dall'85% al 95% della resistenza del metallo base per le leghe della serie 6000.

Le tolleranze per le estrusioni di alluminio sono definite da EN755-9 in Europa e ANSIH35.2 in Nord America, con la fascia di tolleranza dipendente dalla dimensione e dal cerchio di circoscrizione del profilo. Una tolleranza dimensionale tipica per una dimensione della sezione trasversale inferiore a 100 mm è compresa tra ±0,3 mm e ±0,5 mm, con un ampliamento da ±0,5 mm a ±0,8 mm per dimensioni comprese tra 100 mm e 300 mm. Le tolleranze angolari sono generalmente comprese tra ±1° e ±2°. È possibile ottenere tolleranze più strette (che dovrebbero essere specificate nel disegno tecnico) ma aumentano il costo dello stampo e il tasso di scarto. Il progettista del profilo dovrebbe specificare la tolleranza sul disegno anziché fare affidamento sullo standard predefinito e la tolleranza non dovrebbe essere più stretta di quanto effettivamente richiesto dalla funzione.

Finiture superficiali: Anodizzazione, Verniciatura a polveri e Trattamenti meccanici

I profili di estrusione di alluminio sono usati raramente nella loro condizione di finitura in laminatoio estruso per applicazioni architettoniche. La superficie viene trasformata da una sequenza di trattamenti chimici e meccanici che forniscono protezione dalla corrosione, colore e struttura. I due processi di finitura dominanti sono l'anodizzazione e la verniciatura a polvere, ciascuno con vantaggi e requisiti di processo distinti.

Anodizzazione

Anodizzazione 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 Spessore da 5 a 25 micron per applicazioni architettoniche. L'ossido è trasparente, duro (circa 350-400 HV sulla scala Vickers) e microporoso. La porosità viene sfruttata in una successiva fase di sigillatura, in genere immersione in acqua deionizzata bollente o in una soluzione di acetato di nichel, che idrata l'ossido e chiude i pori, producendo una superficie resistente alla corrosione e non assorbente. La finitura anodizzata è disponibile in argento naturale (anodizzazione trasparente), in una gamma di toni bronzo e nero ottenuti variando i parametri di anodizzazione e la composizione della lega, o in finiture colorate elettroliticamente dove i sali metallici vengono depositati nei pori dell'ossido prima della sigillatura.

La selezione della lega influisce in modo critico sull'aspetto anodizzato. La lega 6060 con un contenuto di ferro controllato inferiore allo 0,25% produce la finitura anodizzata più pulita e uniforme con linee di fustellatura o striature minime visibili. La lega 6061, con il suo contenuto più elevato di ferro, rame e cromo, produce una finitura anodizzata leggermente grigia e può presentare un modello di linea di flusso visibile che è inaccettabile per applicazioni architettoniche decorative. Lo standard per l'anodizzazione architettonica è QUALANOD certificazione, che specifica i controlli del processo di pretrattamento, anodizzazione e sigillatura e i requisiti di qualità per lo spessore del film, la qualità della sigillatura e la resistenza ai raggi UV.

Verniciatura a polvere

La verniciatura a polvere applica una polvere polimerica secca caricata elettrostaticamente sulla superficie dell'alluminio, seguita da un'indurimento in forno che scioglie e reticola la polvere in una pellicola continua. I tipi di polvere standard per l'alluminio architettonico sono poliestere e poliestere super resistente , applicato con uno spessore del film compreso tra 60 e 80 micron. La verniciatura a polvere offre una tavolozza di colori più ampia rispetto all'anodizzazione, compresi colori brillanti, effetti metallici e finiture strutturate, ed è più tollerante nei confronti delle piccole imperfezioni superficiali del substrato perché la pellicola di rivestimento riempie e nasconde le linee di fustella poco profonde. Lo standard di qualità del settore è QUALICOAT , che definisce il pretrattamento (tipicamente un rivestimento di conversione privo di cromo), l'applicazione della polvere e i parametri di polimerizzazione, nonché i requisiti prestazionali per adesione, resistenza agli urti e resistenza agli agenti atmosferici. I rivestimenti in polvere di poliestere super resistenti, qualificati QUALICOAT Classe 2, sono specificati per applicazioni esterne in cui la ritenzione del colore e della brillantezza sotto esposizione ai raggi UV sono fondamentali, con un grado di esposizione minimo alla Florida di 3 anni senza degrado significativo.

L'ecosistema delle scanalature a T e delle strutture modulari

Una categoria particolarmente significativa di profili estrusi di alluminio è il sistema di intelaiatura strutturale con scanalatura a T, più comunemente basato su un profilo quadrato o rettangolare con una scanalatura longitudinale a forma di T su una o più facce. La geometria della fessura, un canale rettangolare con un'apertura ristretta, accetta un dado dalla forma speciale che può essere posizionato ovunque lungo la fessura e bloccato in posizione ruotando il bullone che lo innesta. Questo sistema consente di assemblare telai strutturali, protezioni di macchine, postazioni di lavoro e recinzioni senza saldatura, senza perforazione e con la possibilità di essere riconfigurati o smontati. Le serie standard con scanalature a T sono dimensionate in base alla larghezza nominale del profilo in millimetri, con 20 mm, 30 mm, 40 mm e 45 mm essendo le dimensioni di base più comuni, ciascuna con una larghezza della fessura definita, in genere 5 mm, 6 mm, 8 mm o 10 mm, che determina i dispositivi di fissaggio e gli accessori compatibili.

Il profilo della scanalatura a T è quasi sempre estruso in lega 6060 o 6063 con tempra T5 o T6, poiché la geometria della scanalatura impone un design impegnativo della matrice, una lingua a sbalzo di acciaio per stampi che forma il sottosquadro della scanalatura, che trae vantaggio dalle leghe più morbide e più facilmente estruse. La modularità del sistema con scanalatura a T è amplificata da un vasto catalogo di accessori compatibili: staffe angolari, fazzoletti, cerniere, fermapannello, guide lineari, rulli trasportatori e piedini di montaggio, tutti progettati per agganciare la scanalatura a T senza modificare il profilo. La capacità di carico di progetto di un telaio con scanalatura a T è determinata dal momento di inerzia del profilo, dalla forza di serraggio degli elementi di fissaggio e dalla resistenza della staffa. Un tipico profilo con scanalatura a T da 40x40 mm in 6060-T5 ha un momento di inerzia Ix di circa da 6,5 a 9,0 cm⁴ a seconda dello spessore della parete, conferendogli una capacità di carico a media campata di diverse centinaia di chilogrammi su una campata di 1 metro prima di superare il limite di deflessione di L/300 tipicamente utilizzato per le strutture a telaio.

Tecnologia a taglio termico per finestre ad alta efficienza energetica

L'alluminio è un eccellente conduttore termico con una conduttività termica di circa 160 W/m·K per le leghe della serie 6000, che rende un serramento in alluminio ininterrotto un ponte termico tra l'ambiente interno ed esterno, determinando la formazione di condensa sulla superficie interna del serramento e notevoli dispersioni di calore. La soluzione è il profilo in alluminio a rottura termica, in cui la singola estrusione di alluminio è sostituita da due estrusioni separate, una rivolta verso l'esterno, l'altra rivolta verso l'interno, unite da un isolante strutturale, in genere una striscia di poliammide rinforzata con fibra di vetro (PA66). La striscia di poliammide viene inserita nelle scanalature longitudinali di entrambi i profili di alluminio e laminata o aggraffata in posizione, creando un collegamento strutturale continuo con una conduttività termica di soli 0,3 W/m·K , che è circa 500 volte inferiore a quello dell'alluminio che separa.

Il valore U complessivo di un telaio per finestre in alluminio a taglio termico dipende dalla profondità della striscia di poliammide e dalla complessità dei profili di estrusione, che possono incorporare più camere isolanti. Un moderno profilo per finestra a taglio termico con una profondità del telaio da 70 mm a 90 mm e una vetrata isolante a triplo vetro può raggiungere un valore U dell'intera finestra di da 0,8 a 1,2 W/m²·K , conforme allo standard di casa passiva di 0,8 W/m²·K o inferiore. Il taglio termico sposta anche il punto di rugiada verso l'esterno, in modo che in normali condizioni di umidità interna, la superficie interna del telaio rimane al di sopra del punto di rugiada e viene impedita la formazione di condensa. L'integrità strutturale dell'assieme a taglio termico è verificata mediante una prova di taglio conforme alla norma EN 14024, in cui la striscia di poliammide deve mantenere la presa su entrambi i profili di alluminio sotto un carico di taglio a trazione di almeno 24 N per millimetro di lunghezza della striscia.

Progettazione strutturale: proprietà della sezione e instabilità

Un'estrusione di alluminio utilizzata come elemento strutturale (una trave, una colonna o un elemento di telaio) deve essere analizzata per le sue proprietà di sezione e stabilità sotto carico. Le proprietà della sezione primaria sono l'area della sezione trasversale, i momenti di inerzia attorno agli assi principali e i moduli della sezione. Perché il modulo di elasticità dell'alluminio lo è circa 70 GPa - circa un terzo di quello dell'acciaio - la deflessione, piuttosto che la sollecitazione, è spesso il criterio di progettazione determinante per le travi in alluminio. Il limite di deflessione consentito per gli elementi strutturali in alluminio nelle applicazioni edili è tipicamente L/250 per travi che supportano intonaco o finiture fragili e L/200 per travi che supportano finiture flessibili, secondo il Manuale di progettazione dell'alluminio.

L'instabilità è la modalità di rottura critica per le colonne in alluminio e per gli elementi profilati a parete sottile in compressione. L'instabilità locale di un elemento piatto, una flangia o un'anima di un profilo estruso, si verifica quando la sollecitazione di compressione supera la sollecitazione critica di instabilità, che dipende dal rapporto larghezza-spessore della piastra e dalle condizioni di supporto del bordo. Le specifiche per le strutture in alluminio dell'Aluminum Association classificano gli elementi del profilo come irrigiditi (supportati lungo entrambi i bordi), non irrigiditi (supportati solo lungo un bordo) o irrigiditi sul bordo e forniscono rapporti limitanti larghezza-spessore per ciascuna classificazione e combinazione lega-tempera. Un progettista che cerca di ottimizzare un profilo per un peso minimo spingerà gli elementi della piastra verso il limite di deformazione, accettando che il profilo possa essere governato dalla stabilità piuttosto che dalla resa del materiale.