Aktuell / 21.02.2014

Titan energiesparend verarbeiten

Cryogenic - Zerspanen mit tiefkaltem Stickstoff © MAG IAF GmbH
5-Achs-Bearbeitung Titan-Blisk © MAG IAF GmbH
Das Projektschema © IFW Universität Hannover

Als leichtes und belastbares Material wird Titan im Flugzeugbau immer häufiger eingesetzt. Doch bei der Herstellung von Bauteilen aus diesem mit hohem Energieaufwand gewonnenen Metall fällt der größte Anteil des eingesetzten Materials in Form von technisch minderwertigen, mit Zusatzstoffen belasteten Abfällen an. Nur zehn Prozent des Titans wird tatsächlich in ein Flugzeug eingebaut. Forscher der Universität Hannover arbeiten nun daran, die Recyclingquote für diese Titanabfälle zu steigern. Das dabei wiedergewonnene, sekundäre Titan soll eine so hohe Qualität haben, dass es weiterhin für die Luftfahrt geeignet ist.

Bisher bleiben in der Flugzeugindustrie für jedes Kilogramm Titan, das sich mit den Jets in die Lüfte erhebt, rechnerisch neun Kilogramm Titanabfälle auf der Erde zurück. Diese sind stark oxidiert und durch Kühlmittel und Werkzeugabrieb verunreinigt. Bisher war es nicht möglich, diese großen Mengen in einer Qualität zu recyceln, dass sie erneut für den Flugzeugbau eingesetzt werden können. Die Späne wandern zurzeit in die Farbenherstellung oder als Legierungsbestandteil in die Stahlproduktion. Diese Art der Nutzung stellt jedoch lediglich ein Downcycling dar: Der Wert von Titanspänen beträgt nur noch 5 % im Vergleich zum Ausgangsmaterial vor der Weiterverarbeitung.
Künftig wollen Forscher  mindestens 70 % der Titanabfälle mit möglichst hoher Qualität wiedergewinnen. Gemeinsam mit Industriepartnern aus den Bereichen Herstellung und Weiterverarbeitung arbeiten die Institute für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen und für Werkstoffkunde am Produktionstechnischen Zentrum der Leibniz Universität Hannover im Projekt „RETURN“ an diesem Ziel.

Maschinen optimieren und Stoffeinträge vermeiden

Das Recyclingprojekt konzentriert sich auf folgende Aspekte:

  • Durch neue Kühlschmierstoffstrategien und angepasste Werkzeugmaschinenkonzepte die Verunreinigungen der Titanabfälle minimieren.
  • Durch neue Materialien und Geometrien bei den eingesetzten Werkzeugen deren Verschleiß und die Gasaufnahme minimieren.
  • Die Recyclingeignung von Titanspänen anhand analytischer Methoden beurteilen.
  • Methoden zum Reinigen, Kompaktieren und Umschmelzen der Titanspäne sowie zur technologischen Untersuchung der Halbzeugqualität entwickeln.
  • Den ökologischen Werkstoffkreislauf ganzheitlicher analysieren und verbessern, auch Wechselwirkungen mit berücksichtigen.

„In den ersten Monaten dieses Projekts haben wir uns auf die möglichst genaue Analyse der kompletten Prozesskette konzentriert. In gemeinsamen Workshops mit den jeweils beteiligten Unternehmen haben wir eine detaillierte Bestandsaufnahme der Energie- und Stoffströme  bei der Titanverarbeitung erstellt – vom ersten Einschmelzprozess bis hin zum fertigen Flugzeugbauteil“, erläutert Prof. Berend Denkena vom  Institut für Fertigungstechnik der Leibniz Universität Hannover als Projektleiter. Diese exakte Bestimmung der Referenzprozesse bei den Anwendern bildet die Basis für die jetzt folgenden, parallel laufenden Untersuchungen: Die Werkzeughersteller testen verschiedene Materialien und Formen von Schneidwerkzeugen und die Auswirkungen auf die Spanqualität. Die Recyclingexperten erforschen die Auswirkungen der verschiedenen Begleitstoffe der Späne auf den Verlauf der Schmelzprozesse und die erreichbare Materialqualität. Auch die chemische und metallurgische Beurteilung des in den verschiedenen Versuchsaufbauten recycelten Titans läuft bereits.

Flugzeugindustrie wichtigster Kunde

Die Flugzeugindustrie ist der größte Abnehmer von Titan und ihre Qualitätsansprüche sind tonangebend auf dem Markt. Die großen und komplexen Bauteile aus Titan machen in modernen Verkehrsflugzeugen, wie dem Airbus A 350, bis zu 19 % des Gewichts aus. Dieses Metall empfiehlt sich für die Luftfahrt durch seine hohe Stabilität bei deutlich geringerem Gewicht im Vergleich zu Stahl. Beispielsweise sind vom Airbus A 350 rund 600 Maschinen geordert (Stand: 2013). In diesen Maschinen werden Titanbauteile mit einem Gewicht von rund 11.000 Tonnen verbaut. Hierfür werden etwa 110.000 Tonnen Ausgangsmaterial benötigt. Wegen der aufwendigen und energieintensiven Herstellung ist Titan etwa 20-mal teurer als gängige Stahllegierungen. Als Neumaterial haben 100.000 Tonnen Titan einen Wert von etwa drei Milliarden Euro. Bisher wird in Flugzeugen ausschließlich primäres Titan verbaut.

Titan – anspruchsvoll bei Herstellung und Verarbeitung

Titan ist ein begehrter Werkstoff: stabiler und 45 % leichter als Stahl, widerstandsfähig gegenüber Salzwasser und im menschlichen Körper ungiftig. Daher wird das unedle Metall besonders bei medizinischen Implantaten, Offshore-Bauwerken und im Flugzeugbau eingesetzt.

Bei der Herstellung von Bauteilen für die Flugzeugindustrie muss auch eine zu starke Erwärmung vermieden werden, weil dieses die Materialeigenschaften verschlechtern würde. Daher werden während des Fräsens und Bohren beständig Kühlschmiermittel zugeführt. Diese sind speziell auf die jeweilige Form und das eingesetzte Material der Werkzeugmaschine abgestimmt.

Auf der Erde ist Titan das neunthäufigste Element, aber der Gewinnungsprozess ist sehr aufwendig und energieintensiv. Beim entscheidenden Teilprozess, dem sogenannten Kroll-Prozess, reduziert flüssiges Magnesium unter einer Schutzgasatmosphäre und bei einer Temperatur von 800 – 900 °C das in vorgeschalteten Verfahren gewonnene Titanchlorid zu Titan. Dieses liegt aber erst einmal als Titanschwamm vor. Diese harte und poröse Masse wird dann durch mehrmalige Schmelzprozesse in Vakuumlichtbogenöfen in eine technisch einsetzbare Form gebracht. Etwa 85 % des Gesamtenergieverbrauchs und der CO2-Emissionen entfallen auf diesen Teil der Titangewinnung.
Titan reagiert sehr gut mit Sauerstoff und oxidiert. Dadurch bildet sich an der Oberfläche eine Passivierungsschicht aus. Das macht Titanbauteile beispielsweise auch sehr widerstandsfähig gegen Korrosion durch Salzwasser.

Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) an der Leibniz  Universität Hannover koordiniert das Forschungsprojekt. Es läuft noch bis zum Spätsommer 2016 und wird als Beitrag zur Energieforschung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

 

Verknüpfte Projekte

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Weitere Informationen

Informationen zum Arbeitsprogramm und den beteiligten Unternehmen bietet das Webportal des Forschungsprojekts RETURN

Adressen

Prof. Berend Denkena (Projektleiter),
Patrick Helmecke,
Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen

Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Welfengarten 1
30167 Hannover
Tel. +49 511 762 0