Die verschiedenen Aspekte von Nachhaltigkeit in der Mobilität sowie die Minimierung von CO2-Emissionen im gesamten Produktlebenszyklus stehen insbesondere bei der Automobilindustrie im Fokus. Dabei gerät der Aufwand bei der Herstellung von Komponenten zunehmend in den Blick – hier können durch Verwendung von Recycling-Aluminium bis zu 95 Prozent der Emissionen gegenüber der Verwendung von Primärmaterial eingespart werden. Die Nachfrage der Industrie nach Aluminiumlegierungen mit hohem Recyclinganteil nimmt daher stark zu. Hochfeste Sekundäraluminiumknet- und -gusslegierungen können einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten. Die Trimet Aluminium SE engagiert sich in verschiedenen Forschungsprojekten, um derartige Werkstoffe mit günstiger Ökobilanz verfügbar zu machen.
Um ressourcenschonende Aluminiumknetlegierungen zu entwickeln, haben sich namhafte Unternehmen aus der gesamten Lieferkette zusammengeschlossen und die Initiative „Green-Al-Light“ (www.green-al-light.de) gestartet, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wird. Ziel des Projektes ist es, eine optimierte Prozesskette insbesondere für hochfeste Kraftfahrzeug-Strukturteile unter Verwendung von Recycling-Aluminium zu etablieren. Dabei steht der verstärkte Einsatz von End-of-Life(EoL)-Schrotten aus dem Fahrzeugbereich im Fokus, unter ganzheitlicher Betrachtung sämtlicher Prozessschritte und ihrer Wechselwirkungen.
Zunächst sollen die Schrotte mittels einer hochmodernen Sortiertechnologie möglichst sortenrein getrennt werden. Durch angepasste Legierungen sowie Guss- und Schmiedetechnologien wollen die Projektpartner branchenübergreifend CO2-optimierte und kosteneffiziente Fertigungsverfahren entwickeln. Vorab modellierte Werkstoffeigenschaften reduzieren bereits in der Entwicklungsphase den CO2-Ausstoß. Die gefertigten Komponenten sollen schließlich validiert und in der Produktfertigung eingesetzt werden. Begleitet werden die Prozesse mit hochentwickelter Prüf- und Messtechnik. Trimet übernimmt bei „Green-Al-Light“ federführend die Erarbeitung, Produktion und Bewertung von iterativ entwickelten Sekundäraluminium-Knetlegierungen unter Einsatz von End-of-Life Aluminiumschrotten. Dabei bestimmen die am Markt verfügbaren Schrottqualitäten die einzusetzende Bandbreite und die Ausweitung bestehender Analysegrenzen.
Strangpress- und Gusslegierungen mit neuer Qualität
Neben der Mirwirkung an der Initiative „Green-Al-Light“ engagiert sich Trimet bei der Weiterentwicklung nachhaltiger Aluminium-Strangpresslegierungen. Ein von 14 Unternehmen getragenes Verbundprojekt hat sich die Aufgabe gestellt, den Einfluss von Legierungselementen auf die mechanischen und korrosiven Eigenschaften einer 6xxx-Legierung zu ermitteln. Das vorwettbewerbliche Projekt wird vom Branchenverband Aluminium Deutschland koordiniert. Im Mittelpunkt steht eine Aluminiumlegierung für crashrelevante Anwendungen, die die Projektpartner mit variierenden Kupfer- und Eisengehalten innerhalb der Normgrenzen und über diese hinaus produzieren, verpressen und analysieren. Mit den gewonnenen Daten wird es möglich sein, die Korrelation von mechanisch-technologischen Eigenschaften und Legierungsgehalt detailliert zu ermitteln.
Ähnliche Vorhaben verfolgt Trimet auch im Bereich der Gusslegierungen. Das übergeordnete Ziel gilt auch hier: die Herstellung nachhaltiger Gussprodukte ermöglichen, die die technischen, ökonomischen und ökologischen Anforderungen der Hersteller für unterschiedliche Antriebsstränge erfüllen und gleichzeitig die CO2-Gesamtemissionen senken. Unter dieser Vorgabe stehen verschiedene Einflussfaktoren des Aufbereitungs-, Herstellungs- und Verarbeitungsprozesses im Fokus der Aktivitäten. Dazu gehören die Entwicklung, Charakterisierung und Produktion von Materialien für Gussprodukte, die auf Recyclingmaterial basieren und ihrerseits recyclingfähig sind. Dazu gehört ebenso die Definition von angepassten Sortier- und Trennprozessen, um die Verfügbarkeit von Sekundärrohstoffen zu verbessern und sicherzustellen. Darüber hinaus wird eine parallele digitale Produktentwicklung etabliert, die Analysen nach der Finite-Element-Methode (FEM) und der Numerischen Strömungsmechanik (CFD) umfasst, den Gießprozess simuliert und abschließend die Modelle mit der Realität abgleicht. Bei den Projekten zu Sekundärgusslegierungen übernimmt Trimet die iterative Entwicklung und umfassende Charakterisierung von Legierungen sowie die Produktion des Aluminiums für die Gussfertigung. Die Forschungsarbeiten werden der Industrie neue Potenziale erschließen. Durch die Wiederverwertung von End-of-Life-Schrotten und anderen Sekundärrohstoffen entstehen Recyclingwerkstoffe mit günstiger Ökobilanz, die für die Anwendung bei hochbelasteten Bauteile mit hohen Ansprüchen an die Oberflächenqualität optimale Werkstoffkennwerte vorweisen.
Bestehende Legierungen ökologisch aufwerten
Auch bestehende Legierungen, die auf der Basis von Primäraluminium gefertigt werden, entwickelt Trimet stetig weiter. Der tagesaktuell am Markt verfügbare und variabel einzusetzende Schrottmix setzt der Herstellung von Sekundärlegierungen Grenzen. Die Zugabe der Legierungselemente lässt sich hinsichtlich Quantität und Qualität nicht mit größter Exaktheit steuern. Diese Unschärfe kann die Eigenschaften der Legierungen maßgeblich beeinflussen. Eisen und Kupfer sind dabei die bedeutsamsten Begleitelemente, denn sie lassen sich mit dem aktuellen Stand der Technik nicht wirtschaftlich aus der Schmelze entfernen. AlSi-Legierungen reagieren besonders sensibel auf erhöhte Eisen- und Kupferanteile. Sie werden deshalb für optimale mechanische und technologische Eigenschaften als Primärlegierungen mit möglichst niedrigen Anteilen dieser Elemente produziert. Dem steht der Anspruch entgegen, bei der Herstellung möglichst hohe Anteile an End-of-Life-Aluminium zu verwenden. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, muss die Forschung Neuland betreten. Denn bisher standen optimale mechanische und technologische Eigenschaften im Fokus der Entwicklung von Aluminiumlegierungen, daher sind „Recycling-Varianten“ von Standard-Primärlegierungen weitgehend unbekannt.
Trimet untersucht die wirksamen Mechanismen beim Hinzulegieren von Anteilen an Eisen und Kupfer mittels Simulation und experimenteller Methoden. Hierzu werden mit Hilfe von CALPHAD-Software Phasendiagramme, Erstarrungskurven und Phasenanteile in Abhängigkeit der betrachteten Legierungselemente berechnet. Auf Basis dieser Ergebnisse produziert und untersucht Trimet ausgewählte Legierungsvarianten im Labor- und Pilotmaßstab. Die Untersuchungen folgen dem Prinzip der ganzheitlichen Betrachtung: Mikroskopische Gefügeanalysen, XRD und REM charakterisieren Phasen, Korngrößen, Porenverteilung und Dendritenarmabstand, Zugversuche ermitteln die mechanischen Eigenschaften, Analysen bestimmen die Korrosionseigenschaften und, je nach Legierung, die Gießbarkeit, das Fließverhalten, die Heißrissneigung und die Lunkerbildung. Trimet führt sämtliche Untersuchungen in eigenen Labors und Versuchsanlagen durch. Zu den grundsätzlichen Herausforderungen der verschiedenen Projekte gehört, dass einige Produktanforderungen unabhängig vom Nachhaltigkeitsgedanken bestehen bleiben. Neben Oberflächenqualitäten, Korrosionsfestigkeit und anderen Merkmalen gehören dazu auch die Kosten.
Den Anforderungen nach Kosten- und Energieeffizienz kommt Trimet mit der neuen Druckgusslegierung trimal®-38 (AlSi8ZnMn) nach. Mit einem Magnesiumgehalt von maximal 0,01 Prozent kommt der Werkstoff ohne Wärmebehandlung aus, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen und beispielsweise Crashbelastungen standzuhalten. Dass technische und ökologische Eigenschaften kein Widerspruch sein müssen, hat Trimet ebenfalls bereits bewiesen. Als Recycling-Variante der bewährten Primär-Legierung trimal-05 (AlSi10MnMg) hat das Unternehmen die Legierung trimal-04 entwickelt und erfolgreich am Markt etabliert.
