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Ökologisch nachhaltig mit unternehmensübergreifenden Prozessketten

Ökologisch nachhaltig mit unternehmensübergreifenden Prozessketten

© IFW
Prozesskette zum Recycling von Titanspänen zu Pulver

Die Zerspanraten für große Bauteile für die Flugzeugstruktur liegen oftmals über 90 Prozent. Durch eine Verwendung von Spänen als Eingangsmaterial in der Pulverherstellung erwarten die Forschenden im Projekt Return II eine Reduktion des Energieaufwandes und des CO2-Ausstoßes um bis zu 80 Prozent. Das Forschungsprojekt hat das hochwertige Recycling von Titanspänen zum Ziel. Späne aus der spanenden Fertigung sollen zu Titanpulver verarbeitet werden, das daraufhin für die additive Fertigung verwendet wird. Dieses Pulver muss die hohen Anforderungen der Luftfahrt erfüllen.

Um das Ziel zu erreichen, wird neben der fertigungstechnischen Umsetzung der unternehmensübergreifenden Prozesskette eine Planungsmethode erarbeitet. Diese berücksichtigt neben technologischen Wirkbeziehungen in der Prozesskette auch auftretende Unsicherheiten durch Ungenauigkeiten in der Modellbildung und bezieht diese in die Planung ein. Hierdurch wird auch bei Auftreten von Unsicherheiten die Einhaltung der Zielvorgaben ermöglicht.

In der Luftfahrtindustrie stellt Titan einen wichtigen Werkstoff zur Herstellung von Flugzeugbauteilen dar. Insbesondere große Bauteile der Flugzeugstruktur werden aus Vollmaterial hergestellt, hierbei fallen Große Mengen Späne an. Die Anwendung in der Luftfahrt stellt hohe Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften. Diese werden in Titan-Graden angegeben, die beispielsweise den zulässigen Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt begrenzen. Titanbauteile für die Luftfahrtindustrie werden vor allem aus Primärmaterial hergestellt, da recyceltes Titan die hohen Anforderungen häufig nicht erfüllen. Dies ist vor allem problematisch, da die Herstellung von Primärtitan sehr energieintensiv ist.

Das hochwertige Recycling von Titanspänen ist folglich neben wirtschaftlichen Gesichtspunkten vor allem vor dem Hintergrund der nachhaltigen Produktion sinnvoll. Aus diesem Grund wird im Rahmen des Projekts Return II eine alternative Recyclingprozesskette zur Herstellung von Titanpulver aus Titanspänen untersucht.

Titanspäne werden zunächst zusammen mit Pulverausschuss in eine zylindrische Form gepresst. Dieser Titanzylinder wird anschließend als Elektrode im Electrode Induction Melting Inert Gas Atomization (EIGA) Prozess verwendet. In diesem Verdüsungsprozess wird die Elektrode induktiv aufgeschmolzen, indem sie durch eine Spule geführt wird. Der entstehende Schmelzstrom wird anschließend mithilfe eines Schutzgases (z. B. Argon) zerstäubt. Das hergestellte Pulver kann für pulverbasierte additive Fertigungsverfahren verwendet werden.

Für das hochwertige Recycling von Titanspänen zu Pulver ist vor allem die chemische Verunreinigung des Materials im Rahmen der einzelnen Prozesse von Bedeutung. Stoffe wie Kohlenstoff und Sauerstoff werden unter anderem im Zerspanprozess gebunden und können bei zu hoher Konzentration das hochwertige Recycling des Titans verhindern. Neben der fertigungstechnischen Umsetzung der Prozesskette wird eine unternehmensübergreifende Planungsmethode erarbeitet, die eine hohe Recyclingfähigkeit sowie einen niedrigen Energie- und Ressourcenverbrauch sicherstellt. Diese Planungsmethode basiert auf einer mehrstufigen Optimierung, die technologische Wirkbeziehungen zwischen den einzelnen Prozessen berücksichtigt. Hierzu werden digitale Abbilder der Fertigungsprozesse geschaffen, die relevante Materialkenngrößen (wie z. B. die chemischen Materialeigenschaften) vorhersagen können. Bei der Vorhersage mithilfe von Prozessmodellen spielen Vorhersagefehler bzw. Unsicherheiten eine große Rolle. Im ungünstigsten Fall sind die Abweichungen der realen Werkstoffeigenschaften zu den vorhergesagten Werten so groß, dass die Spezifikationen für die Luftfahrt nicht eingehalten werden können. Um dies zu verhindern, werden robuste und stochastische Planungsansätze erprobt. Im Fall robuster Ansätze wird die Planung gegen sämtliche möglichen Unsicherheiten abgesichert. Die stochastischen Ansätze erweitern die Unsicherheitsbetrachtung um die Eintrittswahrscheinlichkeiten des Ausmaßes möglicher Abweichungen. So können verschiedene Szenarien in der Planung betrachtet werden, die sich in ihrem Risikolevel unterscheiden.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen Simon Kettelmann, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 (0) 511 – 762 18351 oder per E-Mail (kettelmann@ifw.uni-hannover.de) gern zur Verfügung.