Materialeigenschaften und -kreisläufe
Die verstärkenden Bemühungen zur Einsparung von klimaschädlichem Kohlenstoffdioxid machen vor allem die Leichtbauwerkstoffe Aluminium und faserverstärkte Kunststoffe interessant. Dabei müssen einerseits technische Probleme, vor allem bezüglich der Festigkeit oder der Kontaktierung mit anderen Werkstoffen, berücksichtigt werden. Aber auch der gesamte Stoffkreislauf ist bei den neuen leichten Materialien zu berücksichtigen. Für Aluminium liegt hier eine langjährige Erfahrung und eingeführte Technologie vor. Dadurch gewinnt Aluminium gegenüber den faserverstärkten Kunststoffen einen Vorteil.
Aluminium as a Lightweight Material of construction – Properties & Recycling
Continuing efforts to reduce climate-harmful emissions of carbon dioxide emphasise the importance of lightweight materials of construction - in this context, notably aluminium and fibre reinforced composites. Use of such materials raises certain issues, firstly their mechanical strength and the ease of constructions involving mixed materials. Secondly is the ease of recycling these lightweight materials. In the case of aluminium, recycling is a long-established process. Because this is not the case with composite materials, aluminium scores more highly in this respect when comparing the two materials.
Ein beherrschendes Thema in der Mobilität – sei es die Automobil- oder auch die Luftfahrtindustrie – ist und bleibt die Gewichtsreduzierung, da hierdurch der Kraftstoffverbrauch und damit die Kohlenstoffdioxid- und Schadstoffemissionen reduziert werden können. Ein Werkstoff, der sich durch sein hohes Leichtbaupotenzial auszeichnet, ist Aluminium. Auch hinsichtlich Rohstoffpreis und Fertigungskosten ist Aluminium heute in der Regel wirtschaftlich attraktiver als Faserverbundwerkstoffe, wie zum Beispiel CFK. Der Einsatz von verschiedenen Aluminiumlegierungen und Verarbeitungsverfahren ist daher in hohem Maße etabliert. Dies zeigt sich auch daran, dass Aluminiumbauteile nicht mehr nur im Premium-, sondern auch im Volumensegment eingesetzt werden. Bei der neuen 1,6-Liter-Dieselmotorenfamilie von Opel kommt beispielsweise Aluminium als Gehäusewerkstoff zum Einsatz. So hat sich der Aluminiumanteil am Fahrzeug innerhalb der letzten 20 Jahre nahezu verdreifacht und nimmt weiter zu. Nach Angaben des Gesamtverbandes der Aluminiumindustrie gehen jährlich rund 28 Prozent des gesamten deutschen Aluminiumverbrauchs in die Automobilindustrie.
Aluminium – Leichtbauwerkstoff für die Automobilindustrie (© Norsk Hydro)
Anwendungsoptimierte Aluminiumwerkstoffe finden Verwendung in Gussbauteilen, Blechen und Profilen, für Strukturbauteile ebenso wie für Funktionsbauteile. Beispiele für Aluminiumbauteile im Automobil sind der Motorblock, die Zylinderköpfe, der Ansaugkrümmer, der Bremssattel, gegossene Längsträger sowie Schweller- und Boden-Profile. In der neuesten Generation des Mercedes-Benz SL kommt eine fast vollständig aus Aluminium gefertigte Rohkarosse, beim Audi A8 der Alu-Space-Frame, ein tragender Aluminiumrahmen, und beim BMW i3 das aus Aluminium bestehende Drive-Modul zum Einsatz. Diese sicherheitsrelevanten Strukturen unterliegen besonders hohen Anforderungen an Festigkeit und Verformbarkeit.
Neue Aluminiumlegierungen für den Leichtbau
Dementsprechend befassen sich auch aktuelle Forschungsarbeiten mit Fragestellungen unter anderem zur Erhöhung der Festigkeit von Aluminiumlegierungen. So konnte beispielsweise Dominik Bösch in Untersuchungen zum Einfluss aushärtender Legierungselemente auf das Eigenschaftsprofil von Druckgusslegierungen am Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg in Zusammenarbeit mit Audi zeigen, dass eine Zugabe von geringen Mengen an Kupfer zum Legierungssystem Al-Si-Mg zu einer signifikanten Festigkeitssteigerung führt. Hierdurch ist eine Reduzierung des Bauteilgewichts bis zu 18 Prozent möglich, was wiederum einen Beitrag zur Verbesserung der CO2-Bilanz zukünftiger Automobile leisten kann. Die aus der Diplomarbeit hervorgegangenen Ergebnisse stellen einen wichtigen Beitrag in der Entwicklung einer neuen Klasse von hochfesten Aluminiumdruckgusslegierungen bei Audi dar. Die Arbeit wurde mit dem Nachwuchspreis Neue Werkstoffe 2013 des Clusters Neue Werkstoffe ausgezeichnet.
Bei der Entwicklung von neuen Legierungen wird auch die Betrachtung der Recyclingfähigkeit beziehungsweise der Einsatzmöglichkeit von Sekundäraluminium immer wichtiger. Zum einen kann mit Sekundäraluminium eine zusätzliche Rohstoffquelle für Aluminium erschlossen und zum anderen durch die Nutzung von Schrotten Primärenergie eingespart werden. Die bei der Herstellung von Primäraluminium eingesetzte Energie ist im Schrott im Prinzip gespeichert, wodurch Energieeinsparungen von bis zu 95 Prozent möglich sind.
Dass rezykliertes Aluminium auch den Weg in die Anwendung findet, zeigt das Beispiel des AMAG Green Alu, ein Aluminiumblech mit einem Recyclinganteil von 90 Prozent, welches jetzt für die Herstellung der Kofferraummulde des neusten Mercedes-Benz SL genutzt wird. Die geforderten Werkstoffeigenschaften sind jedoch für jede Anwendung und jedes Produkt spezifisch. Daher muss insbesondere beim Einsatz von Sekundäraluminium sichergestellt werden, dass die Legierungen die Anforderungen der jeweils angewandten Normen erfüllen. So ist zum Beispiel der Eisengehalt kritisch für die Korrosionseigenschaften und weitere Legierungselemente wie Kupfer und Zink sowie Spurenelemente wie Antimon, Chrom, Nickel, Wismut, Zinn, die in Primärmaterial nicht vorkommen, können im rezykliertem Material Toleranzgrenzen aus Legierungsnormen überschreiten. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise nach DIN EN 1706:2010 geforderte hohe Dehnwerte für Gussbauteile nicht mehr erreicht werden können.
Herausforderungen beim Einsatz von rezykliertem Aluminium
Ein Ansatz, die Einsatzmöglichkeiten von Sekundäraluminium zu erhöhen, ist die Vermeidung des so genannten Downcycling beim Recycling. Hierzu ist eine sortenreine Trennung erforderlich, da Legierungselemente beim Umschmelzen nicht abgetrennt werden können. Da sortenreines Material jedoch nur in relativ geringen Mengen verfügbar ist, müssen andere Wege zur Erhöhung des Anteils an rezykliertem Material in den Werkstoffströmen betrachtet werden.
Hierzu gilt es einerseits, genau zu untersuchen, welche Schrotteinsatzquoten bei der Herstellung von genormten Aluminiumlegierungen maximal möglich sind, ohne die geforderten Legierungseigenschaften zu gefährden. Andererseits kann bei der Entwicklung von neuen Legierungen der verstärkte Einsatz von Schrotten berücksichtigt werden, um das Aluminiumrecycling und damit einhergehend den Einsatz größerer Anteile von unterschiedlichen Schrotten ermöglichen. Im Zuge der Untersuchung des spezifischen Einflusses verschiedener Legierungselemente auf die Materialeigenschaften könnten in diesem Zusammenhang auch Toleranzgrenzen untersucht und in enger Zusammenarbeit mit den Anwendern gegebenenfalls angehoben werden.
Recycling von Aluminium – Rohstoffquelle und Energieeinsparung (© Norsk Hydro)
Eine geringfügige Anhebung des erlaubten Kupfergehalts kann beispielsweise zu einer deutlichen Steigerung des möglichen Schrotteinsatzes führen – ohne die Korrosionseigenschaften merklich zu beeinflussen. Die Beschränkung der Anteile an Natrium, Calcium und Phosphor ist ebenfalls in vielen Legierungsspezifikationen zu finden. Der maximal zulässige Gehalt schwankt je nach Anwender und Produkt. Ein häufig zu findender Wert liegt bei 20 ppm. Diese Restriktion bedeutet eine starke Einschränkung hinsichtlich der potentiell nutzbaren Schrotte zur Herstellung spezifischer Legierungen. Eine nur geringfügige Anhebung der Toleranzgrenze, beispielsweise von 20 ppm auf 25 ppm, würde bereits große Unterschiede in Art und Menge des einsetzbaren Inputmaterials bedeuten. Die Überarbeitung von Normen mit der Neufestlegung von Toleranzgrenzen erfordert eine enge Abstimmung zwischen allen Beteiligen, da jedes Produkt und jede Anwendung spezielle Anforderungen an den Werkstoff stellt.
Vernetzung und Kooperation – EU-Projekt S_life
Maßgebliche Fortschritte in der Verbesserung der globalen CO2-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs sind auch vor diesem Hintergrund nur in Zusammenarbeit der Akteure entlang der Wertschöpfungskette möglich. Dass hier Netzwerke und Cluster einen Beitrag leisten können, zeigt sich in dem EU-Projekt S_Life ,European Synergies and Co-operation for Sustainable vehicle along the Life-Cycle, einem erfolgreichen Beispiel für die grenzüberschreitende Bearbeitung von solchen Zukunftsthemen.
Im Projekt analysieren Partner aus Deutschland, Frankreich, Italien, den Niederlanden und Slowenien, wo die Herausforderungen und Potenziale für die Verbesserung der Ressourceneffizienz über den gesamten Fahrzeuglebenszyklus liegen und wo bei Unternehmen und in der Wissenschaft Kompetenzen vorhanden beziehungsweise zu entwickeln sind. Im Fokus stehen dabei zukünftig zu realisierende Recyclingquoten. Besonderes Augenmerk liegt zudem auf elektrifizierten Fahrzeugen, da durch eine fortschreitende Elektrifizierung neue Fahrzeugkonzepte, Systeme und (Leichtbau-)Materialien Verwendung finden, für welche die Fragen der Wieder- oder Weiterverwendung noch offen sind. Im Rahmen des 2012 gestarteten Projekts wurde zunächst eine Strategic Research Agenda erarbeitet, die derzeit in einem Maßnahmenkatalog (Joint Action Plan) konkretisiert wird. Zu diesem gehören sowohl Forschungs- und Entwicklungsvorhaben als auch Ansätze zur Verbesserung der Rahmenbedingungen hinsichtlich einer Wertschöpfungsinfrastruktur und der intersektoralen Zusammenarbeit (www.s-life-project.eu).
Im Umfeld dieser Themen, arbeitet der Cluster Neue Werkstoffe, gemanagt von der Bayern Innovativ GmbH, branchenübergreifend mit Unternehmen und Wissenschaftlern an Fragestellungen zum Thema Leichtbau zusammen. Die Entwicklung und Anwendung neuer Hochleistungsmetalle, Faserverbund- und Hybridwerkstoffe sowie Fertigungsverfahren und Fragen der Verbindungstechnik im Multimaterialdesign stehen dabei im Fokus. Der Cluster bietet hierzu Unterstützung bei der Suche nach Projektpartnern für neue Entwicklungen und begleitet die Akteure bei der Antragstellung für förderfähige Projekte.
DOI: 10.7395/2013/Wrobel1
Text zum Titelbild: Einsatz im Automobilbau – fast vollständig aus Aluminium gefertigte Rohkarosse(© Daimler)
