Aluminium ist ein vielseitiger Werkstoff, der durch seine Kombination aus hoher Festigkeit und geringem Gewicht in vielen Bereichen Anwendung findet – vom Bauwesen über den Mobilitätssektor bis hin zur Verpackungsindustrie.
Die Herstellung von Reinaluminium ist jedoch äußerst energieintensiv. Im sogenannten Bayer-Prozess wird Aluminiumoxid aus Bauxit gewonnen, wobei als Abfallprodukt giftiger Rotschlamm entsteht, der eine erhebliche Umweltbelastung darstellt. Angesichts abnehmender natürlicher Erzvorkommen gewinnt das Recycling von Aluminium zunehmend an Bedeutung, um die nachhaltige Nutzung des Werkstoffs zu sichern.
Aluminium-Recycling: Lässt sich der Rohstoff beliebig oft wiederverwerten?
Aluminium und seine Legierungen können durch sortenreines Einschmelzen zwar theoretisch unendlich oft wiederverwertet werden, dennoch stößt dieser Ansatz an Grenzen. Besonders bei Spänen aus der industriellen Zerspanung kommt es durch das große Oberfläche-zu-Masse-Verhältnis beim Einschmelzen zum sogenannten „Abbrennen“. Dabei verbrennt ein erheblicher Teil des Materials und geht für den Wertschöpfungsprozess unwiederbringlich verloren. In der Industrie werden Chemikalien eingesetzt, um dieses Abbrennen zu verhindern, deren Handhabung und Entsorgung jedoch ebenfalls problematisch für die Umwelt ist.
Solid-State-Recycling von Aluminium: Prozesse für nachhaltiges Aluminiumrecycling
Ein innovativer Ansatz zur Vermeidung dieser Verluste ist das Solid-State-Recycling (siehe Bild 1). Hierbei werden Späne unterhalb der werkstoffspezifischen Schmelztemperatur verdichtet und umgeformt, sodass kein „Abbrennen“ stattfindet. Das Ziel ist es, durch die extreme Umformung wieder die Eigenschaften von konventionellem Aluminium zu erreichen.
Ein bekanntes Verfahren ist das Heißstrangpressen, bei dem vorkompaktierte Späne unter hohem Druck und bei Temperaturen im Bereich von 400 – 540 °C durch eine Verjüngung gedrückt werden. Während dieses Umformvorgangs brechen die Oxidschichten auf, die natürlich auf Aluminiumoberflächen entstehen. Durch die erhöhte Temperatur können Diffusionsprozesse einsetzen, die einen stoffschlüssigen Verbund (ein Verschweißen) zwischen den Spänen ermöglichen. Oxidschichten und Rückstände aus der Zerspanung – wie Kühlschmierstoffe – erschweren diesen Prozess jedoch.
Das Strangpressen allein schöpft die Potenziale des Solid-State-Recyclings nicht vollständig aus, da es durch die Art der Umformung zu signifikanten Unterschieden in den Materialeigenschaften kommt. Daher erforscht das Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) verschiedene alternative Verfahren, um die Leistungsfähigkeit dieses Recyclingansatzes weiter auszubauen. Dazu zählen unter anderem
- das Direktsintern mittels FAST-Prozess (Field Assisted Sintering) – siehe Bild 2,
- das ECAP-Verfahren (Equal Channel Angular Pressing) – siehe Bild 3
- und das MAF-Verfahren (Multi Axial Forming) – siehe Bild 4.
Aluminiumspanrecycling durch FAST-Direktsintern
In konventionellen Sinterprozessen werden pulverförmige Materialien zunächst zu Grünlingen gepresst und anschließend in einem Ofen unterhalb ihrer Schmelztemperatur mehrere Stunden erwärmt. Auf diese Weise bildet sich durch Diffusion ein ausreichender Verbund zwischen den Partikeln. Dieser Prozess kann jedoch die Mikrostruktur negativ beeinflussen und nimmt mehrere Stunden in Anspruch.
Eine Weiterentwicklung ist die Field-Assisted-Sintering-Technologie (FAST). Hierbei werden Pulver oder Späne in einem Werkzeug zwischen zwei Stempeln in einer Vakuumkammer verdichtet (Bild 2). Gleichzeitig wird ein gepulster Gleichstrom durch Elektroden in das Material eingeleitet. Aufgrund des hohen elektrischen Widerstands erwärmen sich die Partikel oder Späne direkt im Material. Parallel dazu üben die Stempel Druck auf die Probe aus, sodass sich Verdichtung und Erwärmung überlagern. Dieser kombinierte Effekt bricht die Oxidschichten auf den Spänen auf und ermöglicht die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung.
Ein weiterer Vorteil des FAST-Prozesses liegt in seiner Flexibilität: Er kann bei werkstoffspezifischen Lösungsglühtemperaturen durchgeführt werden. Wird das Material anschließend direkt aus der Sinterwärme abgeschreckt, entsteht in aushärtbaren Legierungen ein metastabiler, weicher Zustand. Dieser kann durch nachfolgende Kaltumformung gezielt verfestigt werden. Zusätzlich führt ein Auslagern zu einer weiteren Steigerung der Festigkeit. Beispielsweise kann durch Anwendung dieser Prozessroute die Zugfestigkeit von spanbasierten Proben der Legierung EN AW 6060 im Vergleich zum konventionellen Vollmaterial um mehr als 40 % gesteigert werden, was einen zusätzlichen erheblichen Vorteil dieser Route darstellt.
Am IFUM wird derzeit untersucht, wie sich unterschiedliche Aluminiumlegierungen in Spanform im FAST-Prozess verhalten. Ziel ist es, eine gemeinsame thermomechanische Wärmebehandlungsroute zu entwickeln, die für verschiedene Legierungen geeignet ist. Durch diese Prozessführung sollen aus Abfallspänen Halbzeuge mit optimierten Eigenschaften hergestellt werden, die anschließend für Bauteile eingesetzt werden können. Am Ende steht das Ziel, aus einem Nebenprodukt der Zerspanung einen modernen, leistungsfähigen Werkstoff zu schaffen, der den verlustbehafteten energieintensiven Prozessschritt des Einschmelzens nicht durchlaufen muss.
Recycling von Aluminium mittels ECAP-Verfahren
Das Equal Channel Angular Pressing (ECAP) – auf Deutsch „Gleichkanalwinkelpressen“ – ist ein Verfahren, bei dem ein Werkstück durch einen Kanal mit konstantem Querschnitt gepresst wird (Bild 3). Der Kanal ist abgewinkelt, sodass das Material während des Pressvorgangs hohen Umformungen ausgesetzt wird, ohne dass der Querschnitt reduziert wird.
ECAP wird genutzt, um die Kornstruktur von Metallen durch plastische Verformung bei erhöhten Temperaturen zu verfeinern. Für das Recycling von Aluminiumspänen werden lose Späne zunächst zu Briketts gepresst, in einem Ofen auf Prozesstemperatur gebracht und anschließend in ein vorgewärmtes Werkzeug eingesetzt. Mithilfe einer hydraulischen Presse werden die Briketts durch den Kanal gedrückt und dabei stark verformt. Dieser Prozess führt dazu, dass Oxidschichten aufbrechen und ein Materialverbund zwischen den Spänen entsteht.
Ein besonderer Vorteil des ECAP liegt in der wiederholten Anwendung: Mit jeder Prozessstufe verfeinert sich das Gefüge weiter und die Homogenität des Gefüges in der Probe steigt. In Kombination mit gängigen Wärmebehandlungen lassen sich so Festigkeiten erreichen, die deutlich über denen klassischer Primärwerkstoffe liegen. Damit eröffnet ECAP ein großes Potenzial für die Herstellung von Hochleistungswerkstoffen aus recycelten Aluminiumspänen.
Aluminium-Recycling durch Multi Axial Forming (MAF)
Das Multi Axial Forming (MAF) ist ein spezielles Umformverfahren, bei dem Materialien nicht nur in einer Richtung, sondern systematisch über mehrere Achsen hinweg verformt werden. Während klassische Verfahren meist auf eine einzige Hauptbelastungsrichtung beschränkt sind, kombiniert MAF wiederholte Umformungen in unterschiedlichen Richtungen.
Für das Recycling von Aluminiumspänen bedeutet dies, dass aus Briketts gepresste Späne bei erhöhten Temperaturen mehrfach verformt werden. Die hohen Temperaturen verringern die erforderlichen Kräfte und fördern Diffusionsvorgänge, während die mehrfachen Umformungen die Oxidschichten immer wieder aufbrechen. Auf diese Weise wird Schritt für Schritt ein homogener Stoffverbund aufgebaut.
Mit zunehmender Anzahl an Umformzyklen (Bild 4) verfeinert und homogenisiert sich das Gefüge des Materials stark, sodass die ursprünglichen Spangrenzen nicht mehr erkennbar sind. Die Untersuchungen am IFUM zeigen, dass das so erzeugte Sekundäraluminium eine sehr feine Mikrostruktur und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften besitzt. Nach sechs Umformungen verschiedener Legierungen konnten bei Zugversuchen 20 % höhere Festigkeiten erzielt werden, als in der Literatur für einen vergleichbaren Zustand genannt werden. Damit stellt MAF eine leistungsfähige Alternative zum energieintensiven Einschmelzen dar.
Welches der Verfahren für welche Anwendungen am besten geeignet ist, erforscht das IFUM weiterhin in der aktuellen Projektlaufzeit sowie potenziell in Folgeprojekten.
