Leichtere Fahrzeuge können mit weniger Energie weiter fahren, was die Nachfrage nach leichteren Automobilkomponenten ankurbelt. Hochleistungs-Aluminiumlegierungen wie die Legierung 7075 gehören zu den leichtesten und stärksten Optionen, erfordern jedoch eine energieintensive Produktion, die die Kosten erhöht und daher ihre Verwendung einschränkt.
Forschungen des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) halbieren diese Energie mit einem effizienteren Verfahren zur Herstellung von Hochleistungs-Aluminiumkomponenten. Mit Unterstützung des Advanced Manufacturing Office des Energieministeriums stellten die Forscher fest, dass die Scherunterstützte Verarbeitung und Extrusion (ShaPE) Technologie kann Wärmebehandlungsschritte im Produktionsprozess eliminieren, was zu erheblichen Energieeinsparungen und reduzierten Emissionen führt. ShAPE ist ein umweltfreundlicher, erschwinglicher Herstellungsansatz, der den breiten Einsatz von Hochleistungs-Aluminiumlegierungen in Automobilanwendungen ermöglicht.
Ein Rezept für die Metallherstellung der nächsten Generation
Ähnlich wie beim Backen eines Kuchens ist die Metallherstellung auf gut gemischte Zutaten und viel Hitze angewiesen. Bei der konventionellen Metallherstellung werden einzelne Metalle und Legierungselemente – wie Aluminium, Kupfer oder Magnesium – mit Hitze zusammengeschmolzen, um Legierungen herzustellen, die leichter, fester oder einfacher zu formen sind. Wenn diese Elemente nicht gut gemischt sind, können sich während der Verarbeitung Risse und Brüche bilden, die die Eigenschaften des Endprodukts beeinträchtigen – da ein unzureichend gemischter, klumpiger Kuchenteig zu einem zerbröckelnden, katastrophalen Kuchen führt. Bei der Metallherstellung wird Hitze verwendet, um sicherzustellen, dass einzelne Metallelemente in einer Legierung während eines Schritts, der als Homogenisierung bezeichnet wird, gut vermischt werden.
Während der Homogenisierung werden große Metallgussteile, sogenannte Knüppel, bis zu 24 Stunden lang auf fast 500 Grad Celsius – etwa 900 Grad Fahrenheit – erhitzt. Dieser Wärmebehandlungsschritt löst Legierungsaggregate – ähnlich wie Klumpen im Kuchenteig – im Barren auf, um sicherzustellen, dass alle Metallelemente gleichmäßig verteilt oder homogenisiert sind. Dies verbessert die Leistung des Endprodukts. Nach der Homogenisierung werden die Metallstäbe in einem als Extrusion bezeichneten Schritt weiter erhitzt und geformt.
„Die Homogenisierung ist der energieintensivste Schritt im gesamten Metallextrusionsprozess“, sagte Scott Whalen, leitender Werkstoffwissenschaftler bei PNNL und Mitentwickler von ShAPE.
Die ShAPE-Maschine eliminiert die Notwendigkeit separater Homogenisierungs- und Extrusionsschritte, indem sie Erwärmung und Verformung kombiniert – die Änderung der Form des Metalls selbst. In der ShAPE-Maschine wird der Metallbarren gleichzeitig durch eine kleine Öffnung in eine rotierende Matrize geschoben. Die Rotationsbewegung und die Verformung zusammen mischen die Metallelemente gründlich, während sie extrudiert werden. Im Wesentlichen homogenisiert der ShAPE-Prozess den Metallbarren in wenigen Sekunden, unmittelbar bevor er extrudiert wird. Dadurch entfällt ein tagelanger Homogenisierungsschritt vor dem Erhitzen und es wird keine zusätzliche Energie zum Erhitzen des Barrens während des Strangpressens verbraucht. Zusammen ergibt dies durch ShAPE eine Energieeinsparung von bis zu 50 Prozent.
Iss deinen Kuchen und iss ihn auch
ShaPE ist nicht nur energieeffizienter und schneller Prozess, aber es verbessert auch, wie gut die einzelnen Legierungselemente gemischt werden, was zu einem besseren Endprodukt führt. So wie klumpiger Teig einen Kuchen ruinieren kann, funktioniert das Endprodukt bei der Extrusionsherstellung oft besser, wenn die Elemente gut gemischt sind. Leistungstests zeigten, dass Komponenten aus Aluminiumlegierungen, die mit ShAPE verarbeitet wurden, die aktuellen Standards der American Society for Testing and Materials für Festigkeit und Dehnung übertrafen.
„Wir haben mit einem Elektronenmikroskop genauer hingesehen und gesehen, dass ShAPE die Legierungsaggregate aufbricht und sie vor dem Extrudieren in die Aluminiummatrix auflöst, wodurch es besser extrudierbar wird“, sagte Tianhao Wang, PNNL-Materialwissenschaftler und Hauptautor der jüngsten Veröffentlichung in Materialien und Design. „Dies führt zu einer besseren Leistung – unsere Aluminium-7075-Legierungen sind stärker und dehnen sich weiter, bevor sie brechen.“
Hochleistungs-Aluminiumlegierungen in Reichweite bringen
Aluminiumlegierungen werden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie geschätzt, weil sie stark und leicht sind. Die Herstellung der leistungsstärksten Aluminiumlegierungen ist zeit- und energieintensiv, was sie von vielen Märkten verdrängt, wie z. B. Anwendungen in Personenkraftwagen. Der ShAPE-Prozess beseitigt eine große Hürde bei der Herstellung von Hochleistungs-Aluminiumlegierungen, indem der Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen während der Herstellung drastisch reduziert werden.
„Dies ist ein wichtiger Schritt, um das Potenzial der Metallherstellung der nächsten Generation freizusetzen, um bessere, billigere und umweltfreundlichere Produkte für die Zukunft herzustellen“, sagte Whalen.
Tianhao Wang et al, Extrusion von nicht homogenisierten Gussteilen aus 7075 Aluminium über ShAPE, Materialien & Design (2021). DOI: 10.1016/j.matdes.2021.110374
Sertac Akar et al., Techno-ökonomische Analyse für die scherunterstützte Verarbeitung und Extrusion (ShaPE) von hochfesten Aluminiumlegierungen, (2022). DOI: 10.2172/1846614