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Zu wertvoll für den Abfall

Titanbauteile hochwertig recyclen

14. Mai 2020, 12:07 Uhr   |  Anja Zierler

Titanbauteile hochwertig recyclen
© Kybele/stock.adobe.com

Metallspäne als Nebenprodukt bei der Bauteilfertigung.

Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover hat ein neues Recyclingverfahren entwickelt, mit dem bei der spanenden Fertigung von Titanbauteilen eine CO2-Einsparung von bis zu 80 % möglich ist.

Bei der spanenden Fertigung von Titanbauteilen wird ein Großteil des Rohstoffs in Form von Spänen entsorgt. Spanen ist der Begriff für eine Gruppe von Fertigungsverfahren – etwa Fräsen, Drehen oder Schleifen –, die Werkstücken eine bestimmte Form geben, indem von Rohteilen überschüssiges Material in Form von Spänen abgetrennt wird. Die Zerspanraten für große Bauteile für die Flugzeugstruktur liegen beispielsweise oftmals bei über 90 Prozent. Dies will das Forschungsprojekt Return II der Leibniz Universität Hannover ändern. Die Federführung des Vorhabens liegt beim Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) – in Kooperation mit vier spezialisierten Industriepartnern aus dem Flugzeugbau und der Recycling-Industrie.

Ziel des Projekts ist es, einen übergreifenden Werkstoffkreislauf für die Herstellung von Titanbauteilen zu entwickeln. Im Mittelpunkt steht dabei die Umwandlung von Spänen in Pulver. »Wir wollen mit der Entwicklung einer Fertigungsprozesskette zur Umwandlung von Spanmaterial in Pulver eine Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz erreichen«, erläutert Projektmitarbeiter Jonas Matthies.

Bisherige Prozesskette zeigt Mängel

Titanbauteile werden heute vorwiegend spanend aus Vollmaterial hergestellt. Das anfallende Spanmaterial – in der Luftfahrt mit einer Zerspanrate von über 90 Prozent – wird im Anschluss üblicherweise nicht hochwertig recycelt, sondern in weniger anspruchsvollen Prozessketten (zum Beispiel als Zuschlagsstoff in der Stahlindustrie) zugeführt. Matthies: »Beim Zerspanprozess werden die Titanspäne stark verunreinigt, unter anderem durch Oxidation, Kühlschmierstoffrückstände und Werkzeugpartikel. Diese Verunreinigungen erschweren das Recycling der Späne maßgeblich.«

Die aktuelle Prozesskette der Titanbauteilherstellung hat hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und Ressourcenschonung deutliche Defizite. Mit der Schaffung eines geschlossenen Werkstoffkreislaufs, bei dem ein Großteil der anfallenden Titanspäne für den Wiedereinsatz verwendet wird, wollen die Projektmitarbeiter diesen Defiziten begegnen. Der Forschungsansatz birgt nach Einschätzung der Wissenschaftler ein beträchtliches ökologisches und ökonomisches Potenzial.

Projekt wird bis 2023 gefördert

In Grundlagenuntersuchungen haben die Forscher des IFW bereits gezeigt, dass sich durch gezieltes Einstellen der Prozessgrößen die Verunreinigungen in den Titanspänen deutlich reduzieren lassen. Durch einen erneuten Einschmelzprozess konnte das Team so Titanvollmaterial aus recycelten Spänen in hoher Qualität für Luftfahrt-Anwendungen herstellen.

Jetzt untersuchen die Mitarbeiter des vom Bundeswirtschaftsministerium bis 2023 geförderten Projekts, ob und in welcher Weise sich die Ergebnisse aus den bisherigen Untersuchungen auf die Herstellung von Titanpulver für die additive Fertigung beziehen lassen. Dabei soll versucht werden, den energieintensiven Einschmelzprozess zu umgehen und die Späne direkt einem Verdüsungsverfahren zur Herstellung von feinstem Pulver zuzuführen. Matthies: »Durch eine Verwendung von Spänen als Eingangsmaterial in der Pulverherstellung erwarten wir eine Reduktion des Energieaufwandes und des CO2-Ausstoßes um bis zu 80 Prozent.«

Großes Potential in der CO2-Reduktion

Zu erwarten ist dabei eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung von Titanbauteilen und daraus zu erwartende Steigerungen des Bauteilspektrums . Hier sehen die Forscher weitere Potenziale für CO2-/Energiereduktionen. Die additive Fertigung eröffnet im Vergleich zur spanenden Bearbeitung neue Möglichkeiten hinsichtlich des Leichtbaus und bionischer Strukturen, die die Effizienz des Endprodukts erhöhen und somit zu weiteren Energieeinsparungen führen. »Die mit den Projektpartnern entwickelte Prozesskette soll es ermöglichen, Titanbauteile aus bisher nicht recyceltem Titan ökologisch und kostengünstig herzustellen,« so Matthies.

Die Forscher versprechen sich mit einer anschließenden Analyse von additiv hergestellten Bauteilen Informationen über das gezielte Einstellen von Bauteileigenschaften in der übergreifenden Prozesskette, wie Matthies erläutert: »Der Vorteil einer ganzheitlichen Betrachtung der Prozesskette liegt in dem Wissen über die verschiedenen Wirkmechanismen an den verschiedenen Stationen der Fertigung. Durch Justieren dieser Stellschrauben ist es möglich, gezielt Bauteile mit spezifischen Materialeigenschaften herzustellen.«

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