Umformtechnische Wiederverwertung von Aluminiumspänen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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 neuen Strangpressprofilen dar. Bei der im Rahmen dieses Forschungsprojekts erarbeiteten Prozesskette ist es möglich, Aluminiumspäne ohne einen energieintensiven Einschmelzprozess durch direktes Strangpressen zu neuen Halbzeugen zu verpressen. Der Schwerpunkt dieses Forschungsprojektes bestand in der Ermittlung der wesentlichen Einflussfaktoren auf die Eigenschaften eines direkt aus Aluminiumspänen hergestellten Strangpressprofils. In den Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass grundlegende Prozessrandbedingungen wie Werkstofffluss, Pressverhältnis und Blocktemperatur die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Profils definieren. Bei höheren Pressverhältnissen und Blocktemperaturen war es möglich, eine bessere Verschweißung der Späne und dadurch höhere Werte für die Festigkeit und Duktilität der Aluminiumprofile zu erzielen. Durch eine Änderung des Werkstoffflusses, z.B. mit dem unkonventionellen Einsatz eines Kammerwerkzeugs gegenüber einer Flachmatrize, konnte mit der Erhöhung des Pressdrucks und des Durchknetungsgrads eine größere Duktilität bei den erzeugten Profilen erreicht werden. Die Profilgeschwindigkeit zeigt hingegen nur in Abhängigkeit von der Blocktemperatur einen signifikanten Einfluss. Der Einfluss der Spanform wurde anhand von drei unterschiedlichen Dreh- und Frässpanformen untersucht. Ein Effekt durch die Variation der Spanform ist insbesondere bei der Duktilität der Profile zu beobachten. Kleinere Spanquerschnitte führen tendenziell zu einer höheren Anzahl von Spanverschweißungen im Gefüge des neuen Profils. Diese können eine Rissausbreitung behindern, woraus eine gesteigerte Duktilität resultiert. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Verunreinigungen (z.B. Kühlschmierstoff) des Spanmaterials die Eigenschaften der Profile negativ beeinflussen. Um die industrielle Anwendung der aus verpressten Spänen bestehenden Profile zu analysieren, wurde zusätzlich ihre Eignung für weiterführende Prozessschritte wie ihre Umformbarkeit und ihre Zerspanbarkeit, ermittelt. Bei durchgeführten Bohruntersuchungen hat sich gezeigt, dass die auftretenden Werkzeugbelastungen von der Größe des verpressten Spanmaterials abhängen. Während der Bohrbearbeitung von Profilen aus Spanformen mit kleinerem Querschnitt konnten höhere Belastungen als für ein konventionelles Profil beobachtet werden. Ein Vergleich der Umformbarkeit zwischen konventionellen und aus Spänen stranggepressten Profilen zeigte, dass die Profile aus gegossenen Blöcken bei gleicher Prozessführung höhere Umformgrenzen aufweisen, allerdings konnte durch die Optimierung der Prozessführung (etwa des Werkstoffflusses z.B. durch den Einsatz eines Kammerwerkzeugs) auch die Umformbarkeit der aus Spänen stranggepressten Profile deutlich erweitert werden. In diesem Projekt wurden die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Nutzung einer alternativen Prozesskette zur Wiederverwertung von Aluminiumspänen für die Erzeugung neuer Strangpressprofile erarbeitet. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen ist es im Weiteren sinnvoll, die Zusammenhänge zwischen Prozessführung und Werkzeuggestaltung präzise herauszustellen, um eine ganzheitliche Prozessbeschreibung realisieren zu können. Hierzu ist zunächst eine sukzessive Steigerung des Komplexitätsgrades der Profile sinnvoll, um entsprechende Wirkzusammenhänge aufzuzeigen. Dies kann sowohl über die Ausweitung der Untersuchungen auf Mehrkammerhohlprofile als auch auf komplexere Vollprofile erfolgen. Da sich in diesem Projekt gezeigt hat, dass die Prozessparameter signifikant vom Legierungssystem beeinflusst werden, ist es darüber hinaus zielführend, das ermittelte Prozessfenster im Bereich der Aluminiumlegierungen auf Guss- sowie auf aushärtbare- und nicht aushärtbare Knetlegierungen zu erweitern. Die Weiterverwertung von Aluminiumspänen durch einen direkten Strangpressprozess 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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Hot Profile Extrusion of AA-6060 Aluminum Chips, Journal of Materials Processing Technology, 209, 2009, S. 3343–3350
Tekkaya, A. E.; Schikorra, M.; Becker, D.; Biermann, D.; Hammer, N.; Pantke, K.
- Hot Profile Extrusion of different Chip Types of Aluminum Alloy 6060, European Aluminium Congress 2009, Düsseldorf, 2009
Güley, V.; Pantke, K.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.; Biermann, D.
- Aluminum Scrap Recycling by Hot Extrusion without Melting Process, Proceedings of the 12th International Conference on Aluminium Alloys, Yokohama, Japan, 5-9 September 2010, S. 242-247
Pantke, K.; Güley, V.; Ben Khalifa, N.; Heilmann, M.; Biermann, D.; Tekkaya, A. E.
- Direct Recycling of 1050 Aluminum Alloy Scrap Material mixed with 6060 Aluminum Alloy Chips by Hot Extrusion, International Journal of Material Forming, Vol. 3, Supplement 1, 2010, S. 853-856
Güley, V.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.
- Solid State Recycling of Different Chip Types of Aluminum Alloy 6060 by Hot Extrusion, Proceedings of the International Chemnitz Manufacturing Colloquium 2010, Chemnitz, 2010, S. 775-783
Güley, V.; Pantke, K.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.; Biermann, D.
- The Effect of Extrusion Ratio and Material Flow on the Mechanical Properties of Aluminum Profiles Solid State Recycled from 6060 Aluminum Alloy Chips, Proceedings of ESAFORM 2011, Belfast, Northern Ireland, UK, 27-29. April 2011, S. 1609-1614
Güley, V.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.
