PNNL und Magna demonstrieren die Machbarkeit der Verwendung von ShAPE mit Sekundäraluminium für Autokomponenten

Das Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums entwickelt seit einigen Jahren das Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE)-Verfahren (früherer Beitrag), um eine kosten- und energieeffizientere Produktion hochfester Strukturen aus Metallen und Metalllegierungen zu ermöglichen , mit Anwendung auf einer Reihe verschiedener Metalle.

Nun hat PNNL in Zusammenarbeit mit Magna die Machbarkeit der Verwendung von ShAPE zur Herstellung von mehrzelligen Strangpressprofilen aus Sekundäraluminium demonstriert. In einem Anfang des Jahres veröffentlichten technischen Bericht stellten die Ingenieure von PNNL und Magna Folgendes fest:

Automobilkomponenten aus 100 % Sekundäraluminium bieten im Vergleich zur herkömmlichen Extrusion eine Energieeinsparung von >50 % und eine CO2-Einsparung von >90 % im Herstellungsprozess. Die Verwendung von sekundärem Al als Ausgangsmaterial ist nicht nur umweltfreundlich, sondern kann auch die Kosten für Komponenten erheblich senken. Dies liegt daran, dass die Notwendigkeit, Fe mit primärem Al zu verdünnen, entfällt, wodurch Energie, Kohlenstoff und Kosten entfallen, die mit der Produktion von Primäraluminium verbunden sind. Darüber hinaus bieten leichte Automobilkomponenten aus Al-Legierungen eine Gewichtsersparnis von 25 % im Vergleich zu hochfestem Stahl auf dem neuesten Stand der Technik. Daher werden Stahlkomponenten nach Möglichkeit durch Al ersetzt.

Um die Recyclingfähigkeit zu verbessern, zielte diese kooperative Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung (CRADA) zwischen dem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und Magna Services of America (Magna) darauf ab, ShAPE zu entwickeln, um das Potenzial für die direkte Umwandlung von Al-Industrieschrott in Automobilkomponenten im Kleinmaßstab zu demonstrieren .

Al-Batteriestrukturen für Elektrofahrzeuge (EV) bieten eine mögliche Einfügungsmöglichkeit, die auf gleicher oder verbesserter Leistung bei geringeren Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Extrusionen basiert. Die potenziellen Kostensenkungen und Umweltvorteile der Verwendung von Rohstoffen, die zu 100 % aus sekundärem Al bestehen, sind allgemein bekannt. Die Verwendung von Sekundärschrott ohne Zusatz von primärem Al hat sich jedoch aufgrund grundlegender Materialherausforderungen im Zusammenhang mit der intermetallischen Dispersion und der gleichmäßigen Mikrostruktur nicht zu einem Industrieprozess entwickelt. Diese Prozesseinschränkungen wurden durch den Einsatz von Techniken der schweren plastischen Verformung (SPD), wie etwa dem Equal-Channel-Angle-Pressing (ECAP), überwunden. Obwohl ECAP und andere SPD-Verfahren aus wissenschaftlicher Sicht erfolgreich sind, sind sie nicht auf industrielles Niveau skalierbar. ShAPE kombiniert die mikrostrukturellen Vorteile von SPD mit der Skalierbarkeit eines herkömmlichen Extrusionsprozesses und bietet so eine einzigartige Technologie zur direkten Umwandlung von Al-Sekundärschrott in Automobilkomponenten bei gleichzeitiger Erfüllung branchenüblicher Eigenschaftsanforderungen.

Das ShAPE-Verfahren von PNNL verwendet eine Maschine, um Knüppel oder Brocken einer massiven Metalllegierung zu drehen, wobei durch Reibung gerade genug Wärme erzeugt wird, um das Material zu erweichen, sodass es leicht durch eine Düse extrudiert werden kann, um Rohre, Stäbe und Kanäle zu formen. Das Ausmaß der Wärmeerzeugung und die Tiefe der Verformungszone werden durch Regulierung von Rotationsgeschwindigkeit, Temperatur und Stößelgeschwindigkeit gesteuert.

Die gleichzeitigen linearen und rotatorischen Kräfte verbrauchen nur 10 % der Kraft, die normalerweise erforderlich ist, um das Material bei herkömmlichen Verfahren durch die Matrize zu drücken.

Diese erhebliche Kraftreduzierung ermöglicht wesentlich kleinere Produktionsmaschinen und senkt somit die Investitions- und Betriebskosten. Der Energieverbrauch ist ähnlich gering. Die Menge an Strom, die für die Herstellung eines 30 cm langen Rohrs mit einem Durchmesser von 5 cm benötigt wird, entspricht in etwa der Menge, die benötigt wird, um einen Haushaltsküchenofen nur 60 Sekunden lang in Betrieb zu nehmen.

Um ShAPE für die Verwendung mit Sekundäraluminium anzupassen, integrierten die Ingenieure eine Bullauge-Matrizenkonfiguration in den rotierenden ShAPE-Prozess. In einem in Manufacturing Letters veröffentlichten Artikel berichtet das Team über das Extrudieren von runden, quadratischen, trapezförmigen und zweizelligen Trapezprofilen aus Industrieschrott der Aluminiumlegierung 6063.

Die mikrostrukturelle Charakterisierung wurde für ein trapezförmiges Profil mit einer durchschnittlichen Korngröße von 6,7 µm im extrudierten Zustand vorgestellt. Rundrohre erreichten eine Streckgrenze (246,9 ± 10,4 MPa), eine Zugfestigkeit (270,8 ± 9,6 MPa) und eine gleichmäßige Dehnung (16,5 ± 2,4 %), die über den Industriestandards lagen.

Wir haben gezeigt, dass mit dem ShAPE-Verfahren geformte Aluminiumteile den Standards der Automobilindustrie hinsichtlich Festigkeit und Energieabsorption entsprechen. Der Schlüssel liegt darin, dass der ShAPE-Prozess Metallverunreinigungen im Schrott aufbricht, ohne dass ein energieintensiver Wärmebehandlungsschritt erforderlich ist. Dies allein führt zu einer erheblichen Zeitersparnis und zu neuen Effizienzgewinnen.

Der technische Bericht und die Forschungspublikationen markieren den Höhepunkt einer vierjährigen Partnerschaft mit Magna, dem größten Hersteller von Autoteilen in Nordamerika. Magna erhielt Fördermittel für die gemeinsame Forschung vom Vehicle Technologies Office, Lightweight Materials Consortium (LightMAT)-Programm des DOE.

Strangpressteile aus AA6063-Industrieschrott von ShAPE zur Herstellung von (a) kreisförmigen, (b) quadratischen, (c) trapezförmigen und (d) zweizelligen trapezförmigen Profilen. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Scott Whalen | Pacific Northwest National Laboratory)

Die Ergebnisse zeigten, dass die ShAPE-Produkte gleichmäßig stark sind und keine Herstellungsfehler aufweisen, die zum Ausfall von Teilen führen könnten. Insbesondere wiesen die Produkte keine Anzeichen großer Metallansammlungen auf – Verunreinigungen, die zu einer Materialverschlechterung führen können und die Bemühungen, sekundäres recyceltes Aluminium für die Herstellung neuer Produkte zu verwenden, behindert haben.

Das Forschungsteam untersucht nun Aluminiumlegierungen mit noch höherer Festigkeit, die typischerweise in Batteriegehäusen für Elektrofahrzeuge verwendet werden.

Diese Innovation ist nur der erste Schritt zur Schaffung einer Kreislaufwirtschaft für recyceltes Aluminium in der Fertigung. Wir arbeiten derzeit an der Einbeziehung von Post-Consumer-Abfallströmen, wodurch ein völlig neuer Markt für Sekundäraluminiumschrott entstehen könnte.

Zum PNNL-Forschungsteam gehörten neben Whalen auch Nicole Overman, Brandon Scott Taysom, Md. Reza-E-Rabby, Mark Bowden und Timothy Skszek. Zu den Magna-Mitwirkenden gehörten neben DiCiano auch Vanni Garbin, Michael Miranda, Thomas Richter, Cangji Shi und Jay Mellis. Diese Arbeit wurde vom Vehicle Technologies Office des DOE, LightMAT-Programm, unterstützt.

Für weitere Anwendungen steht die patentierte ShAPE-Technologie zur Lizenzierung zur Verfügung.

Ressourcen

Scott Whalen, Brandon Scott Taysom, Nicole Overman, Md. Reza-E-Rabby, Yao Qiao, Thomas Richter, Timothy Skszek, Massimo DiCiano (2023) „Bullaugendüsen-Extrusion von Aluminium 6063-Industrieschrott durch scherunterstützte Verarbeitung und Extrusion“, Herstellung Briefe, Band 36 doi: 10.1016/j.mfglet.2023.01.005.

Gepostet am 19. April 2023 in Fertigung, Markthintergrund, Materialien, Recycling | Permalink | Kommentare (0)