Mechanismenbasierte Charakterisierung und Bewertung der Leistungsfähigkeit unter Druck resistiv gesinterter Halbzeuge aus wiederverwerteten Aluminiumspänen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454199925

Aufgrund der zunehmenden Ressourcenknappheit werden Forderungen hinsichtlich eines energieeffizienten Recyclings für Aluminium (Al) immer größer. Das direkte Solid-State-Recycling von Al-Spänen verspricht im Vergleich mit herkömmlichen wiederaufschmelzenden Recyclingverfahren eine signifikante Energieeinsparung bei gleichzeitiger Reduzierung des Materialverlusts durch Abbrand.Bisher angewandte Verfahren realisieren das für eine optimale Verschweißung der einzelnen Späne notwendige Aufbrechen ihrer Oxidschichten über hohe Umformgrade (severe plastic deformation – SPD). Das Prozessfenster von SPD-Verfahren ist allerdings stark eingeschränkt und folglich industriell nicht etabliert. Ferner werden aufgrund des bei SPD-Verfahren unzureichenden Aufbrechens der Oxidschichten die zyklischen Eigenschaften von konventionell recycelten Proben bei Weitem nicht erreicht.Ein neuer, innovativer Ansatz zum Solid-State-Recycling ist das Spark-Plasma-Sintering (SPS). Es wurde gezeigt, dass sich das Verfahren grundsätzlich für eine erfolgreiche Konsolidierung von Al-Spänen eignet. Entgegen den SPD-Verfahren beruht der Verbundmechanismus beim SPS nicht auf dem Aufbrechen der Oxidschichten durch hohe Umformgrade, sondern auf der Rekristallisation und der einhergehenden Aktivierung drucküberlagerter Diffusionsprozesse. Die Anwendung des SPS-Prozesses ermöglicht eine vollständige Verschweißung der Späne und lässt somit deutlich optimierte Materialkennwerte erwarten.Das grundlegende Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es auf Grundlage des SPS den Einfluss von Oxidschichten auf die resultierenden Bauteileigenschaften Solid-State-Recycelter Späne zu untersuchen. Die angedachte Prozesskette, bestehend aus Kaltpressen, SPS und Kaltfließpressen soll die Erzeugung von homogenen und porenfreien Bauteilen garantieren. Neben Zug- und Laststeigerungsversuchen werden Einstufenversuche an ausgewählten Proben durchgeführt, um eine vorgangsorientierte mikrostrukturkorrelierte Charakterisierung durchzuführen. Als Untersuchungsmethoden werden zudem FIB-REM-Analysen sowie intermittierende Zug- und Ermüdungsversuche in Kombination mit XRD und CT eingesetzt.Ziel der Untersuchungen ist es eine möglichst hohe Aussagekraft über die Verschweißqualität der Späne und die Versagensmechanismen mit relativ geringem Probenumfang zu erreichen. Ausgewählte prozessrelevante Parameter werden variiert und mit Hilfe der Charakterisierungsmethoden gegenübergestellt. Die prozessbedingten mikrostrukturellen Eigenschaften der Proben werden mit den mechanischen Eigenschaften korreliert, wodurch eine strukturbasierte Analyse der Schädigungsmechanismen erfolgt, deren Verständnis zur Auslegung optimaler Prozessbedingungen zwingend erforderlich ist. Die Rückkopplung der Ergebnisse der mechanischen Untersuchungen an die Fertigung soll eine effiziente Bearbeitung ermöglichen. Zusätzlich werden die Ergebnisse mit konventionell hergestellten Halbzeugen verglichen, um die Untersuchungsergebnisse einzuordnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen