Fraunhofer IWU erschließt neue Kreislaufpfade für Aluminiumschaum
Aluminium ist ein Schlüsselwerkstoff für nachhaltige Mobilität, seine Herstellung jedoch energieintensiv.
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU zeigen, wie Produktionsreste, Späne und alte Aluminiumschaumbauteile recycelt werden können.
So lässt sich der Einsatz von Primärmaterial reduzieren und die Kreislaufwirtschaft stärken.
Redaktion FERTIGUNGRedaktionFERTIGUNG
Hohe geometrische Freiheitsgrade beim Design von Aluminiumschaum-Sandwiches.Fraunhofer IWU
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Summary: Forschende des Fraunhofer IWU haben Verfahren entwickelt, mit denen sich Aluminiumspäne, Produktionsreste und ausgediente Aluminiumschaumbauteile zu neuem Aluminiumschaum verarbeiten lassen. Das Solid-State-Recycling kann den Einsatz von Primärmaterial, Energieverbrauch, CO₂-Emissionen und Materialkosten reduzieren und so geschlossene Materialkreisläufe in der industriellen Produktion ermöglichen.
Aluminiumschaum zählt zu den besonders leichten Strukturwerkstoffen. Aufgrund seiner geringen Dichte, seiner hohen Energieabsorptionsfähigkeit sowie seiner guten Dämpfungseigenschaften eignet er sich unter anderem für Anwendungen im Fahrzeugbau, in Maschinenstrukturen, im Bauwesen oder in energieeffizienten Leichtbausystemen. Seine Herstellung erfolgt heute jedoch überwiegend mithilfe von Aluminiumlegierungspulvern, deren Produktion vergleichsweise aufwendig und kostenintensiv ist.
Die Forschenden des Fraunhofer IWU konzentrierten sich deshalb auf einen bislang wenig beachteten Nachhaltigkeitshebel: die Nutzung von Kreislaufmaterialien innerhalb der pulvermetallurgischen Schaumfertigung. Im Mittelpunkt standen sortenreine Aluminiumspäne, Produktionsreste und End-of-Life-Materialien, die mechanisch aufbereitet und als Ausgangsmaterial für neue Aluminiumschäume genutzt werden können.
Ein besonders vielversprechender Ansatz besteht darin, energieintensiv hergestelltes (neues) Aluminiumlegierungspulver teilweise oder vollständig durch aufbereitete Aluminiumspäne zu ersetzen. Die Untersuchungen zeigten, dass durch Mahlen und Klassieren (nach der Größe Sortieren) der Späne ein pulverförmiger Ausgangsstoff entsteht, der sich erfolgreich zu schäumbaren Halbzeugen verarbeiten lässt. Die daraus erzeugten Schäume erreichen vergleichbare Strukturen und Dichten wie konventionell hergestellte Aluminiumschäume.
»Die Nutzung von Produktionsabfällen direkt im Werkstoffkreislauf bietet erhebliche ökologische und wirtschaftliche Potenziale«, erklärt Dr.-Ing. Jörg Hohlfeld, Leiter der Gruppe Metallschaum am Fraunhofer IWU. Besonders hervorzuheben ist, dass für die Herstellung von Sekundäraluminium deutlich weniger Energie benötigt wird als für Primäraluminium. Dadurch lassen sich sowohl Materialkosten als auch CO₂-Emissionen reduzieren.
Vom Produktionsabfall zurück zum Funktionswerkstoff
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Aluminiumlegierungsspäne als Ausgangsmaterial für hochwertigen Leichtbau.Fraunhofer IWU
Die Forschenden untersuchten darüber hinaus die Aufbereitung größerer Aluminiumreste wie Folien, Coils (Zuschnittsreste großer Rollen Aluminiumblech) oder Felgenmaterial. Durch mehrstufige mechanische Prozesse wie Schneiden, Brechen, Mahlen und Sieben konnten daraus definierte Partikelgrößen für die Schaumherstellung erzeugt werden. Auch ausgediente Bauteile aus Aluminiumschaum lassen sich prinzipiell wieder in den Materialkreislauf integrieren. Dafür entwickelte das Team geeignete Strategien zur Zerkleinerung, Sortierung und werkstoffgerechten Weiterverarbeitung.
Besonders bedeutsam ist dabei, dass die Wiederverwertung nicht auf einfaches Einschmelzen beschränkt bleibt. Stattdessen verfolgt das Fraunhofer IWU Ansätze des sogenannten Solid-State-Recyclings. Dabei bleiben große Teile der vorhandenen Materialstruktur erhalten, wodurch zusätzliche Energie eingespart und Materialverluste vermieden werden können.
Neue Perspektiven für Kreislaufwirtschaft im Leichtbau
Die Ergebnisse zeigen, dass Aluminiumschrott in pulverförmiger Form als technisch gleichwertige Alternative zu neu erzeugtem Aluminiumlegierungspulver eingesetzt werden kann. Damit rückt eine deutlich ressourcenschonendere Herstellung von Aluminiumschäumen in greifbare Nähe. Die Forschenden sehen darin einen wichtigen Baustein für zirkuläre Wertschöpfungsketten insbesondere in Branchen mit hohen Leichtbauanforderungen wie Automobilbau, Maschinenbau oder Bahntechnik.
Für eine industrielle Umsetzung sollen die Arbeiten nun weitergeführt werden. Künftige Forschungsvorhaben zielen insbesondere auf die Stabilisierung der Materialeigenschaften schwankender Schrottqualitäten sowie auf umfassende Lebenszyklusanalysen. Damit sollen die ökologischen Vorteile der schrottbasierten Schaumfertigung quantitativ belegt und die Technologie für einen breiten industriellen Einsatz vorbereitet werden.
Forschungspartner gesucht
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Das Fraunhofer IWU bringt seine Erkenntnisse gern in weiterführende Forschungsprojekte ein und freut sich auf Partner, die an der Absicherung und Verbreiterung der Studienlage und Datenbasis zur Kreislauffähigkeit von Aluminiumschaum mitarbeiten möchten.
Hintergrund: Aluminiumschaum
Aluminiumschaum ist ein ultraleichter metallischer Strukturwerkstoff mit einer Dichte von deutlich unter einem Gramm pro Kubikzentimeter. Aufgrund seiner hohen Steifigkeit bei geringem Gewicht sowie seiner Energieaufnahme- und Dämpfungseigenschaften wird er unter anderem in Sandwichstrukturen, Crashsystemen und Leichtbaukomponenten eingesetzt. Das Fraunhofer IWU erforscht seit vielen Jahren ressourceneffiziente Herstellungsverfahren sowie Recycling- und Kreislaufkonzepte für diesen Werkstoff.
FAQ zu Aluminiumschaumbauteilen
Wie lässt sich Aluminiumschaum nachhaltiger herstellen?
Durch den Einsatz von Recyclingmaterial wie Aluminiumspänen, Produktionsresten und Altbauteilen kann der Bedarf an Primäraluminium deutlich sinken.
Können Aluminiumspäne neues Aluminiumpulver ersetzen?
Ja. Aufbereitete Aluminiumspäne können zu schäumbaren Halbzeugen verarbeitet werden und vergleichbare Materialeigenschaften erreichen.
Was ist Solid-State-Recycling von Aluminium?
Dabei wird Aluminium im festen Zustand weiterverarbeitet, ohne es vollständig einzuschmelzen. Das spart Energie und reduziert Materialverluste.
Welche Aluminiumabfälle können genutzt werden?
Geeignet sind unter anderem Späne, Folien, Coil-Zuschnitte, Felgenmaterial und ausgediente Aluminiumschaumbauteile.
Welche Vorteile bietet das Verfahren für die Industrie?
Es kann Primärmaterial, Energieverbrauch, CO₂-Emissionen und Materialkosten reduzieren und geschlossene Materialkreisläufe ermöglichen.
