Analysis and extension of the limits of application in metal forming based recycling of aluminum chips
Final Report Abstract
Aufgrund von gesteigerten Rohstoff- und Energiekosten ist es notwendig, ressourcenintensive Fertigungsprozesse hinsichtlich möglicher Einsparpotenziale zu erforschen. Eine Möglichkeit hierfür stellt die direkte Verwertung von Aluminiumspänen zu Profilen durch Strangpressen dar. Zuvor konnte gezeigt werden, dass die Prozessparameter des Strangpressprozesses einen signifikanten Einfluss auf die Verschweißung der Späne und damit auf die mechanischen Eigenschaften der Spanprofile haben. Zur Beschreibung der Qualität der Spanverschweißung wurde ein Kriterium auf Basis der lokalen Zustandsgrößen entwickelt. Mithilfe dieses Modells ist es gelungen, den Prozesserfolg des Spänestrangpressens vorherzusagen. Des Weiteren wurden die Grenzen des Spänestrangpressens für einfache Vollprofile sowie komplexe, mithilfe von Kammerwerkzeugen hergestellte Hohlprofile ermittelt und die Qualität des Verschweißmodells damit unter verschiedensten Prozessbedingungen validiert. Zusätzlich dazu wurde der Einfluss einer Wärmebehandlung auf die mechanischen Eigenschaften und die Gefügestruktur der spanbasierten Profile erstmals ermittelt. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der Auslagerungstemperatur und -dauer auf die mechanischen Eigenschaften spanbasierter Profile im Vergleich zu konventionellen Gussprofilen ermittelt, wodurch ein grundlegendes Verständnis zur Auslegung optimierter Wärmebehandlungsstrategien entstanden ist. Alle erzeugten Profile wurden bezüglich ihrer quasistatischen Eigenschaften analysiert und mittels Gefügeuntersuchungen umfangreich charakterisiert. Während in vergangenen Untersuchungen bereits quasistatische Ergebnisse für spanbasierte Aluminiumprofile generiert werden konnten, wurden in diesem Projekt erstmals zyklische Untersuchungen durchgeführt. Die mechanischen Untersuchungen haben gezeigt, dass die quasistatischen Eigenschaften der spanbasierten Proben gegenüber den gussbasierten Proben nur leicht reduziert sind. Demgegenüber konnte eine deutlich reduzierte Ermüdungsfestigkeit von bis zu einer Dekade festgestellt werden. In intermittierenden Ermüdungsversuchen konnte mit Hilfe der Computertomografie gezeigt werden, dass sich Risse zwischen den Spangrenzen ausbreiten und durch Abschattungseffekte kombinieren. Bei ungeeigneter Wahl der Strangpressparameter führen die durch den Strangpressvorgang gelängten Späne in Kombination mit den umgebenden Oxidhäuten zu einem Versagensmechanismus, der mit Faserverbundwerkstoffen vergleichbar ist. In quasistatischen und zyklischen Untersuchungen konnte weiterhin eine Richtungsabhängigkeit von Werkstoffeigenschaften festgestellt werden, die mit Hilfe von Gefügeuntersuchungen auf die beschriebene zeilenförmige Anordnung der Spangrenzen in Strangpressrichtung und die damit verbundene Schädigungs- und Defektcharakteristik zurückgeführt werden konnte. Messtechnikunterstützte Ermüdungsversuche konnten weiterhin eingesetzt werden, um die Schädigungscharakteristik erfolgreich aufzudecken. Im Gegensatz zu den gussbasierten Proben, bei denen die Rissausbreitungsphase nach etwa 90% der Bruchlastspielzahl einsetzt, konnte bei den spanbasierten Proben bereits nach etwa 10% der Bruchlastspielzahl eine signifikante Rissausbreitung nachgewiesen werden. Die Risse wachsen allerdings zunächst nicht exponentiell an, sondern werden stetig durch die umgebenden Oxidhäute in der Ausbreitung behindert, sodass ein insgesamt lineares Risswachstum resultiert. In diesem Projekt wurden die Prozessgrenzen der direkten Wiederverwertung von Aluminiumspänen durch Strangpressen ermittelt sowie ein Verschweißmodell erarbeitet, welches zukünftig für die Vorhersage des Prozesserfolges genutzt werden kann. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen ist es im Weiteren sinnvoll, die Prozessmodellierung derart zu erweitern, dass auch eine Vorhersage der mechanischen Eigenschaften möglich ist. Da diese neben der reinen Spanverschweißung noch von diversen weiteren Einflussfaktoren, wie dem Gefüge der erzeugten Profile abhängen, ergeben sich hier neue Verknüpfungen verschiedener Grundlagenforschungsbereiche. Die Wiederverwertung von Aluminiumspänen durch Strangpressen zu neuen Profilhalbzeugen macht es möglich, energieintensive Urformprozesse zu substituieren. Hierdurch bieten sich neben weiteren Forschungsansätzen zusätzlich industriell nutzbare Potenziale. Mögliche Anwendungen sind vor allem in Industriezweigen mit hohen Zerspanungsraten zu sehen. Aus der direkten Rückführung des Spanmaterials in neue Produkte kann eine Steigerung der Wertschöpfung resultieren. Gleichzeitig ist es möglich, durch die Schonung von Energieressourcen einen Beitrag zum Umweltschutz zu liefern. Durch die durchgeführten Forschungsarbeiten konnte das Prozessverständnis deutlich erweitert werden und mit der Erarbeitung und Validierung des Verschweißmodells wird der Strangpressindustrie ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, mit dem die mögliche Substitution konventionell hergestellter Profile durch spanbasierte Profile deutlich erleichtert wird. Im Projekt konnte nachgewiesen werden, dass die Ermüdungsfestigkeit noch deutlich stärker von der Qualität der Spanverschweißung abhängt, als quasistatische Eigenschaften. Die Spanverschweißung hängt wiederum stark von den Strangpressparametern ab. Aus diesem Grund kann aus wissenschaftlicher Sicht eine genauere Untersuchung des Interfaces zwischen den einzelnen Spänen erfolgen. Zur Steigerung der Verschweißqualität können Methoden abgeleitet werden um den Oxidanteil zu verringern, beispielsweise durch eine Anpassung der Kompaktierstrategie. Dazu kann die Verwendung von Schutzgasen zu einer Verdrängung des überschüssigen Sauerstoffs führen oder ein Einschluss von Sauerstoff durch Verdichtung von innen nach außen unterbunden werden.
Publications
-
2017. Micro-CT defect analysis and hardness distribution of flat-face extruded EN AW6060 aluminum chips. Materials Testing 59 (7-8), S. 613-617
Goerlich, P., Scholz, R., Walther, F.
-
Numerical prediction of the process limits of aluminum chip extrusion. WGP Jahreskongress 2017 Proceedings
Kolpak, F., Dahnke, C., Tekkaya, A. E.
-
2019. Characterization of the anisotropy of extruded profiles based on recycled AW6060 aluminum chips. 3rd International Conference on Structural Integrity and Durability Proceedings, S. 1-10
Koch, A., Henkel, T., Walther, F.
-
2019. Characterization of the fatigue and damage behavior of extruded AW6060 aluminum chip profiles. In Structural Integrity: Mechanical Fatigue of Metals, Experimental and Simulation Perspectives, 1st ed.; Correia, J.A.F.O. et al. Eds.; Springer International Publishing: Basel, Schweiz, S. 11–19
Koch, A., Wittke, P., Walther, F.
-
2019. Computed tomography-based characterization of the fatigue behavior and damage development of extruded chip profiles made from AW6060 aluminum alloy. Materials 12(15), 2372, S. 1-17
Koch, A., Wittke, P., Walther, F.
-
2019. Predicting weld-quality in direct hot extrusion of aluminium chips. Journal of Materials Processing Technology 274
Kolpak, F., Schulze, A., Dahnke, C., Tekkaya, A. E.
