Auf dem diesjährigen Amap Forum in Aachen vollführten 13 Industrieunternehmen und 6 Institute einen informativen Rundumschlag in Sachen Aluminiumforschung- und -entwicklung. Hier das Interessanteste.

Aluminium als Konstruktionswerkstoff nimmt in einer Circular Economy eine Schlüsselstellung ein, sagen Experten des Aluminium-Clusters Amap der RWTH Aachen. Für nachhaltigen automobilen Leichtbau vom Verbrenner bis zum Elektrofahrzeug sei das Hochleistungsmetall schon heute nicht wegzudenken. Und in Bau und Architektur setze er energiesparend und ressourcenschonend markante Akzente. Dass die Entwicklung zu einer grünen Aluminiumproduktion voranschreitet und das Potenzial des NE-Metalls noch lange nicht gehoben ist, machten Experten aus Wissenschaft und Industrie am Beispiel innovativer Ergebnisse aus Forschung und praxisnaher Zusammenarbeit, im Rahmen des Amap Forums 2021 einmal mehr klar.

Aluminium ist vielseitig einsetzbar, was besonders im Automotive-Bereich immer deutlicher wird, wie es heißt. Für Antrieb, Chassis und Karosserie biete Aluminium in Form von gewalzten Blechen, stranggepressten Profilen und als Gussbauteile für fast jeden Anwendungsfall das maßschneiderbare Leichtbaupotenzial, aus dem hoch stabile Komponenten hervor gehen. Von Blechen für Außenhautteile mit sehr gutem Oberflächenbild über Mehrkammerprofile mit Streckgrenzen zwischen 200 und 280 Megapascal für die Energieabsorption von Crash-Management-Systemen bis hin zu Strukturbauteilen aus sogenannten 6xxx-Legierungen, die Festigkeiten über 400 Megapascal (immerhin über Baustahl) haben können. Und die wesentliche Stärke von Strukturgussteilen ist, dass sie leicht als Enabler für Funktionsintegrationen dienen. So könne eine einzige leichte Aluminiumdruckguss-Komponente, wie etwa ein Federbeindämpfer, beispielsweise eine sonst aus 10 Blechteilen zusammengesetzte Stahlkonstruktion ersetzen.

Gelten Motorengehäuse aus Aluminiumguss heute als Usus bei Verbrennungsmotoren, nimmt die Bedeutung von Aluminium für den Antriebsstrang bei der Elektromobilität sogar noch zu. Denn der Elektromotor und die benötigte Leistungselektronik sind in Aluminiumgehäusen gewichtssparend und sicher untergebracht, heißt es dazu. Die Möglichkeit, durch Kanäle für Kühl- und Heizkreisläufe ein maßgeschneidertes Thermomanagement in die Praxis umzusetzen, komme, außer mit Blick auf den Motor und den Komfort der Fahrzeuginsassen, vor allem der sogenannten Traktionsbatterie zu Gute. Neuartige Batteriegehäuse aus Aluminium für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) wiegen im Vergleich zum Stahl-Pendant nicht nur etwa 35 bis 40 Prozent weniger, sondern zeichnen sich durch ein machbares Thermomanagement „aus einem Guss“ aus, so die Amap. Und Aluminium-Batteriegehäuse heutiger Elektrofahrzeuge würden je nach Größe aus Mehrkammer-Strangpressprofilen, Blechen oder Gussteilen hergestellt. Sie verbinden aufgrund neuartiger Umform- und Fügeprozesse maximalen Schutz und Dichtheit bei hoher Steifigkeit, heißt es abschließend zu diesem Trend.

Ein wesentlicher Faktor für den erfolgreichen Leichtbau mit Aluminium ist nach Meinung der Amap das verwendete Material. Das Materialdesign stehe für den Automobilzulieferer Nemak deshalb im Bereich Forschung und Entwicklung ganz oben auf der Agenda. Ein gutes Beispiel ist die Nemak-Al-Legierung Nemalloy HE 700. Denn zunehmend rücke auch das Thema Nachhaltigkeit und damit die Verwendung von Recyclingmaterial in den Fokus. Das erklärte Nemak-Ziel ist nun eine Reduzierung der CO2-Emissionen bei der Aluminiumproduktion um über 80 Prozent. Auch wenn die momentan verfügbaren Sekundärlegierungen nicht geeignet seien, um den Bedarf an Strukturguss zu decken, so sei Nemak bereits dabei, eine Druckgusslegierung mit bis zu 90 Prozent Sekundäraluminium aus eol-Schrott (End-of-Live) zu validieren, wie die Experten betonen.

Die Aluminiumhersteller erweiterten mit neuen Legierungen die Einsatzmöglichkeiten des Werkstoffs Aluminium und reduzierten mit der Weiterentwicklung von Recycling nebst Optimierung der Prozessrouten den CO2-Fußabdruck. Cradle to Cradle, also von der Aluminiumproduktion über den gesamten Life-Cycle im Fahrzeug bis zur Wiederverwertung des Schrotts ist Aluminium dabei ein fester Werkstoffbestandteil einer Circular Economy.

Als Grundvoraussetzung für die Weiterentwicklung von Aluminiumwerkstoffen gilt das tiefe Verständnis zu den die Materialeigenschaften bestimmenden Einflüsse auf der mikrostrukturellen Ebene einer Legierung. Hierzu bringen Experimente und computergestützte Methoden (von der Simulation bis zur Modulation) Licht, ins eigentlich Unsichtbare. Aluminiumhersteller wie Novelis haben damit bereits eindrucksvolle Simulationswerkzeuge mit Künstlicher Intelligenz für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie entwickelt, ist zu erfahren. Der Erfolg gilt als Nachweis für die intensive F&E, die bei Aluminium noch heute betrieben wird. Und weil die Luftfahrtbrache höchste Sicherheitsanforderungen stellt, ist die praxisnahe Vorhersage von Gusseigenschaften vom Gießprozess bis zur Wärmebehandlung eine Aufgabe der Simulation und damit eine Spezialität der Aachener Magma. Für die Qualitäts – und Eigenschaftsentwicklungen entscheiden sind etwa das Verständnis des Aushärtungsverhaltens von Legierungen, insbesondere des Prozesses des Clusterings während der natürlichen Alterung und deren Einfluss auf eine nachfolgende Behandlung mit höheren Temperaturen.

Eine wesentliche Rolle bei der Herstellung neuartiger Aluminiumkonstruktionen spielen laut Amap auch die zugrunde liegenden Fertigungsverfahren. Mit der sogenannten HDF-Technik (Hot Die Forming) respektive „HoDforming“ existiert eine neue Aluminium-Warmumformtechnik für die wirtschaftliche Hochtemperaturumformung von zum Beispiel hochfestem Aluminium (6070, 7050 und 7075 et cetera), Magnesium oder Stahl (22MnB5). Diese Umformtechnik kann bei allen Metalle und Metalllegierungen mit einem Schmelzpunkt über 350 °C genutzt werden. Gearbeitet wird mit einer permanent beheizten Form, die so warm ist, wie der Rohling selbst, beispielsweise für Aluminium bei der Lösungsglühtemperatur (zwischen 480 und 560 °C). Damit können flache Bauteile aber auch Hohlkörper entstehen.

Und für eine prozesssichere Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe, wie Aluminiumprofile mit Aluminiumgussteilen, zu einem dichten Batteriegehäuse, ist einmal mehr die Wahl der Fügetechnik entscheidend, heißt es weiter. So ließen sich mit Verfahren wie dem Rührreibschweißen selbst Stahl und Aluminium sicher verbinden.

Das Potenzial von Aluminium von der Architektur bis zur Elektromobilität, neue mögliche Anwendungen für Aluminium, etwa als Wickeldraht für E-Motoren (eine denkbare Alternative zu Kupfer), bis zum Brückenbau waren Gegenstand weiterer anwendungsbezogener Vorträge zu neuen Entwicklungen.

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