Schritt für Schritt klimafreundlicher werden

Foto: Hereon/Rolf Otzipka

Moderne Metallindustrien verbrauchen viele Ressourcen und produzieren große Mengen CO₂. Schon für die Erzeugung von einer Tonne Rohstahl werden rund 1,7 Tonnen an CO₂-Emissionen erzeugt. Dem steht gegenüber, dass die Industrie bis 2030 ihre Treibhausgas-Emissionen gegenüber 1990 in etwa halbieren muss. So sieht es zumindest der Klimaschutzplan der Bundesregierung für den Sektor Industrie vor. Die Industrie sucht daher nach Wegen, nachhaltiger und klimafreundlicher zu werden – dies kann einerseits durch geschickte Legierungsentwicklung erfolgen aber auch durch Anpassung der Bearbeitungsschritte, durch für die Materialien maßgeschneiderte Fertigungstechnik.

Von der Antike bis in die Zukunft

Noomane Ben Khalifa (zweiter von links) im Gespräch mit Wissenschaftlerin Merle Braatz (links) und den Doktoranden Jonas Isakovic und Danai-Glykeria Giannopoulou (rechts). Foto: Hereon/Rolf Otzipka

Die Metallurgie selbst ist alles andere als neu: Seit der Mensch vor gut 10.000 Jahren anfing Metalle zu benutzen, bearbeitet er diese durch schmieden, hämmern, walzen. Schon in der Kupfer-, Bronze-, und Eisenzeit haben die Menschen dabei herausgefunden, dass sie durch die jeweilige Fertigung die Eigenschaften ihres Schwerts oder Pflugs verändern können. Die Werkstücke wurden härter, indem sie diese mehrmals erhitzten oder schärfer, wenn sie Zusatzstoffe wie Asche hinzufügten. Aus den Erfahrungen der Schmiede ergaben sich letztlich Materialinnovationen.

In der Forschergruppe werden mit unterschiedlichen Verfahren Multimaterialkomponenten zur Kombination verschiedener Werkstoff eigenschaften entwickelt und erprobt. Foto: Hereon/Rolf Otzipka

Auch heute entstehen solche Innovationen häufig durch neue oder verbesserte Werkstoffe und den damit verbundenen Ver- und Bearbeitungsprozessen. Noomane Ben Khalifa: „Ein Beispiel für innovative Materialien sind Lithium-Ionen-Akkus für Batterien von Elektroautos oder für Smartphones. Die Akkus von heute lassen sich schneller aufladen und besitzen eine höhere Lebensdauer als noch vor einigen Jahren. Dabei hat die Innovationsgeschwindigkeit enorm zugenommen. Produkte gelangen sehr viel schneller in den Handel als noch vor 30 Jahren. Moderne Industrien müssen sich diesem Tempo anpassen.“ Ebenso sieht Ben Khalifa Potenzial für Fertigungstechniker bei kleinen und mittelständischen Unternehmen in der Metallindustrie, wo es den Trend weg von der Massenanfertigung hin zu Flexibilisierung und Individualisierung. Denn die in kleinen Mengen hergestellten Bauteile oder Produkte sollten bezahlbar sein und zudem ressourcenschonend hergestellt werden.

Neue Technik für neue Materialien

Foto: Hereon/Rolf Otzipka

Bedingt durch den Klimawandel sind heute im Fahrzeugbau leichte Materialien gefragt. So senken zum Beispiel schon 300 Kilogramm weniger Gewicht im Auto den Spritverbrauch auf 100 Kilometern um rund einen Liter und den CO₂-Ausstoß um zwei Kilogramm. Doch der Leichtbau steht vor Herausforderungen: Strukturbauteile einer Karosserie zum Beispiel können zwar durch neue Materialien leichter werden, müssen aber trotzdem fest genug sein, um bei einem Unfall die Insassen zu schützen. Noomane Ben Khalifa: „Unsere Kollegen im Institut entwickeln neue, leichte Materialien und wir analysieren die weiteren Prozessketten und fragen uns, an welchen Schrauben wir drehen können.“

Denn die neuen Materialien, sind aufgrund ihres Umformvermögens und ihrer mechanischen Festigkeit oft schwerer zu verarbeiten. Dies erfordert manchmal ganz neue Umformtechniken, damit aus der Leichtmetall-Legierung tatsächlich Bleche für Karosserien hergestellt werden können.

Eine Fertigungstechnik, die im Hereon für Forschungszwecke genutzt wird, ist das Strangpressen. Foto: Hereon/Rolf Otzipka

Die Forscher kombinieren die verschiedenen Fertigungstechniken miteinander, um das beste Ergebnis zu erzielen. „Prinzipiell werden das auch die früheren Schmiede so gemacht haben“, erklärt der Wissenschaftler. „Allerdings nutzen wir dazu modernste Analyseverfahren und Modellsimulationen, zum Beispiel Finite-Elemente-Simulationen, Maschinelles Lernen oder Künstliche Intelligenz.“ Dank dieser digitalen Werkzeuge ist die Werkstoff forschung noch innovationsfähiger: Sei es Umformen, Tiefziehen oder auch Strangpressen: Die Wissenschaftler nehmen die verschiedenen Verfahren unter die Lupe, um das für die spezielle Anwendung optimale Verfahren zu finden. Dabei überprüfen sie, mit welcher Technik am wenigsten Energie verbraucht wird und wie ein optimales Recycling der Materialien gelingen kann.

Dabei wird Metall erhitzt und dann mit der Strangpresse durch die vorbereitete Matrize gedrückt. Foto: Hereon/Rolf Otzipka

Noomane Ben Khalifa nennt eine Anwendung: „Wir denken über neue Konzepte für Windkraftanlagen aus Leichtmetallen, wie Aluminium und Magnesium, nach. Diese Werkstoffe sind im Vergleich zu verstärkten Kunststoff komponenten deutlich klimafreundlicher sowohl in der Herstellung als auch beim Recycling nach der Nutzung.“ Um solch maßgeschneiderten Werkstoffe zu entwickeln, müssen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler grundlegende Kenntnisse über Zusammensetzung, Synthese, Modellierung sowie über Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien aneignen. Durch gezielte Temperatursteuerung oder durch Verändern verschiedener Parameter im Prozess lassen sich zum Beispiel die Eigenschaften des Werkstoffs verbessern.

Von Computermodellierung bis zum fertigen Bauteil

Jedes Material hat dabei seine individuellen Eigenschaften und Ansprüche an den Verarbeitungsprozess. Welche das genau sind, wird im Hereon untersucht. Foto: Hereon/Rolf Otzipka

Aufwändige Simulationen liefern den Wissenschaftlern erste Erkenntnisse darüber, welche Materialien sich eignen. Erst danach werden Experimente gemacht und die Werkstoffe weiterverarbeitet. Der Vorteil im Hereon ist dabei, dass die gesamte Kette, also von der Simulation über die Herstellung bis hin zur Verarbeitung und detaillierten Beschreibung, im Institut abgedeckt wird.

Vor welchen Herausforderungen steht die Fertigungstechnik heute? „Eine Herausforderung bilden sicher die kurzen Innovationszyklen, die heute die Wirtschaft prägen. Die größte Herausforderung bildet volkswirtschaftlich betrachtet aber die CO₂-arme Herstellung von Leichtbaukomponenten“, so Noomane Ben Khalifa.