Grüne Aluminium-Produktion der Zukunft

Aluminium als Konstruktionswerkstoff nimmt in einer Circular Economy (Kreislaufwirtschaft) eine Schlüsselstellung ein. Für nachhaltigen automobilen Leichtbau vom Verbrenner bis zum Elektrofahrzeug ist der Hochleistungswerkstoff schon heute nicht zu ersetzen, in Bau und Architektur setzt er energiesparend und ressourcenschonend markante Akzente.

Dass die Entwicklung zu einer grünen Aluminiumproduktion im Sinne von Nachhaltigkeit voranschreitet und das Potenzial des NE-Metalls noch lange nicht gehoben ist, machten Experten aus Wissenschaft und Industrie am Beispiel innovativer Ergebnisse aus Forschung und praxisnaher Zusammenarbeit auf dem diesjährigen AMAP FORUM 2021 in Aachen deutlich.

In dem Open-Innovation-Forschungscluster AMAP sind 13 Industrieunternehmen und 6 Institute der RWTH Aachen University vertreten. Die Themen der interdisziplinären Zusammenarbeit reichen von der Produkt- und Materialentwicklung, Modellierung und metallurgischen Prozesstechnologie bis hin zu neuen Produktionstechnologien.

Innovationstreiber für Aluminium ist die Automotive-Branche

Die Vielseitigkeit und Leistungsfähigkeit von Aluminiumtechnologien werden besonders im Automotive-Bereich offensichtlich. Für Antrieb, Chassis und Karosserie bietet Aluminium in Form von gewalzten Blechen, stranggepressten Profilen und Guss in den unterschiedlichsten Technologien für jeden Anwendungsfall die massgeschneiderte innovative Leichtbaulösung hoher Massstabilität.

Von Blechen für Aussenhautteile mit bestem Oberflächenbild über Mehrkammerprofile mit Streckgrenzen zwischen 200 und 280 MPa für die Energieabsorption von Crash-Management-Systemen bis zu Strukturbauteilen aus 6xxx-Legierungen mit Festigkeiten grösser 400 MPa. Eine wesentliche Stärke von Struktur-Gussteilen ist Funktionsintegration.

So kann eine einzige Aluminium-Druckgusskomponente wie ein Federbeindämpfer beispielsweise eine aus 10 Blechteilen zusammengesetzte Stahlkonstruktion ersetzen, was sowohl kosten- wie gewichtsseitig Vorteile hat.

Technischer Standard für Batteriegehäuse

Sind Motorengehäuse aus Aluminiumguss heute Standard bei Verbrennungsmotoren, so nimmt die Bedeutung von Aluminium für den Antriebsstrang bei der Elektromobilität eher noch zu. E-Maschine und Leistungselektronik sind in Aluminium-Gehäusen gewichtssparend und sicher untergebracht.

Die Möglichkeit, durch Kanäle für Kühl- und Heizkreisläufe ein massgeschneidertes Thermomanagement in die Praxis umzusetzen, kommt neben dem Motor und dem Komfort der Fahrzeuginsassen vor allem der Traktions-Batterie zugute. Innovative Batteriegehäuse aus Aluminium für batterieelektrische Fahrzeuge, BEV, bieten nicht nur eine Gewichtsersparnis von 35 bis 40 % gegenüber Stahl, sondern zeichnen sich technologisch durch ein Thermomanagement aus einem Guss aus.

Batteriegehäuse heutiger Elektrofahrzeuge werden je nach Grösse hergestellt aus Mehrkammer-Strangpressprofilen, Blechen oder Gussteilen und verbinden dank innovativer Umform- und Fügetechnologien maximalen Schutz und Dichtigkeit bei hoher Steifigkeit mit weiteren Stärken.

Fortschritte in der Materialentwicklung

Ein wesentlicher Faktor für erfolgreichen Leichtbau mit Aluminium ist das verwendete Material. Materialdesign steht für einen Automobil-Zulieferer wie Nemak im Bereich Forschung und Entwicklung oben auf der Agenda. Beispiel einer hochfesten Legierung ist die Nemak-Al-Legierung NemAlloy HE 700. Zunehmend an Bedeutung gewinnt auch das Thema Nachhaltigkeit und damit die Verwendung von Recyclingmaterial. Ziel von Nemak ist eine Reduzierung der CO₂-Emissionen bei der Aluminiumproduktion um mehr als 80 %. Auch wenn die verfügbaren Sekundärlegierungen derzeit nicht geeignet sind, um den Bedarf an Strukturguss zu decken, so ist Nemak bereits dabei, eine Druckguss-Legierung mit bis zu 90 % Sekundäraluminium aus eol-Schrotten zu validieren.

Die Aluminiumhersteller erweitern mit neuen Legierungen die Einsatzmöglichkeiten des Werkstoffs und reduzieren mit der Weiterentwicklung von Recycling und der Optimierung der Prozessrouten den CO₂-Fussabdruck. Cradle to Cradle, also von der Aluminiumproduktion über den gesamten Life-Cycle im Fahrzeug bis zur Wiederverwertung des Schrotts ist Aluminium fester Werkstoffbestandteil eine Circular Economy.

Verständnis der Materialeigenschaften auf mikrostruktureller Ebene

Grundvoraussetzung für die Weiterentwicklung von Aluminiumwerkstoffen ist ein tiefes Verständnis der die Materialeigenschaften bestimmenden Einflüsse auf der mikrostrukturellen Ebene einer AL-Legierung. Hier bringen Experimente und computergestützte Methoden von der Simulation bis zur Modulation Licht ins Dunkel.

Aluminiumhersteller wie Novelis haben bereits eindrucksvolle Simulationswerkzeuge mit Künstlicher Intelligenz für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie. Entwickelt. Ein Nachweis für die intensive FuE, die bei Aluminium betrieben wird. Die Luftfahrtbranche hat höchste Sicherheitsanforderungen.

Die Vorhersage von Gusseigenschaften vom Giessen bis zur Wärmebehandlung ist eine Aufgabe der Simulation und damit eine Spezialität der Aachener Magma. Für die Qualitäts- und Eigenschaftsentwicklungen entscheiden sind beispielsweise das Verständnis des Aushärtungsverhaltens von Legierungen, insbesondere des Prozesses der Clustering während der natürlichen Alterung und deren Einfluss auf eine nachfolgende «hohe» Temperaturbehandlung.

Neue Fertigungsverfahren für Aluminium

Eine wesentliche Rolle bei der Herstellung innovativer Aluminiumkonstruktionen spielen Fertigungsverfahren. Mit der sogenannten HDF Technologie bzw. HoDforming existiert eine neue Aluminium-Warmumformtechnik für die Hochtemperaturumformung von Metallen wie z. B. hochfestem Aluminium (6070, 7050, 7075 u. a. m), Magnesium oder Stahl (22MnB5 u. a. m.). Beim Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe wie Aluminiumprofilen mit Aluminiumgussteilen zu einem dichten Batteriegehäuse ist wiederum die Wahl der Fügetechnik entscheidend. So lassen sich mit neuen Verfahren wie dem Rührreibschweissen selbst Stahl und Aluminium sicher verbinden.

Das Potenzial von Aluminium von der Architektur bis zur Elektromobilität, neue mögliche Anwendungen für Aluminium, als Wickeldraht für E-Motoren eine denkbare Alternative zu Kupfer, bis zum Brückenbau waren Gegenstand weiterer anwendungsbezogener Vorträge zu neuen Entwicklungen.