Titan: Zu wertvoll für den Abfall

Neues Recyclingverfahren könnte CO2-Ausstoß um bis zu 80 Prozent reduzieren

18.05.2020 - Deutschland

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.

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.

In Grundlagenuntersuchungen haben die Forscher des IFW bereits zeigen können, dass durch gezieltes Einstellen der Prozessgrößen die Verunreinigungen in den Titanspänen deutlich reduziert werden. Durch einen erneuten Einschmelzprozess konnte so Titanvollmaterial aus recycelten Spänen in hoher Qualität für Luftfahrt-Anwendungen hergestellt werden.

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.“

Durch die so zu erwartende Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung von Titanbauteilen und der daraus zu erwartenden Steigerungen des Bauteilspektrums ergeben sich 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. Matthies: „Die mit den Projektpartnern entwickelte Prozesskette soll es ermöglichen, Titanbauteile aus bisher nicht recyceltem Titan ökologisch und kostengünstig herzustellen.“

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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