Aktuell / 10.11.2016

Titanspäne für Flugzeugbau recyceln

Bei der Herstellung von Flugzeugbauteilen fallen bis zu 95 Prozent des ursprünglichen Titans als Abfallspäne an. ©IFW Universität Hannover

Bauteile aus Titan machen bei modernen Flugzeugen bis zu 15 Prozent des Gesamtgewichts aus. Das Material ist leicht und sehr stabil. Die Herstellung der meist großen Strukturbauteile ist sehr energie- und materialintensiv.

Ergebnis der Energie- und Stoffstromanalyse des bisherigen Produktionsprozesses von Titanbauteilen: Um ein 40 Kilogramm schweres Bauteil zu fertigen, werden über den gesamten Herstellungsprozess 1.180 Kilogramm Titan benötigt. ©IFW Universität Hannover

Durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien wie Kohlenfaserverbund oder Titan werden Flugzeuge leichter und behalten zugleich die maximale Stabilität der Konstruktion. Titan kann zu Komponenten von bis zu vier Metern bei einer Dicke von zwei Millimetern verarbeitet werden. Für die Herstellung des eigentlichen Bauteils ist etwa die 20-fache Materialmenge erforderlich.

Die Prozesskette zur Herstellung der Bauteile besteht aus drei wesentlichen Elementen: Primärgewinnung des Werkstoffs, Halbzeugherstellung und anschließende spanende Bearbeitung. Der Energiebedarf bei der Primärgewinnung macht etwa 80 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs aus. Über den gesamten Herstellungsprozess der Teile bleiben bis zu 95 Prozent des ursprünglichen Titans als Abfallspäne auf der Strecke.

Diese werden bei der spanenden Bearbeitung durch Kühl- und Schmiermittel verunreinigt oder mit Fremdstoffen vermischt. Bisher können sie nicht mit vertretbarem Aufwand soweit gereinigt werden, dass sie recycelt und wieder für den Flugzeugbau verwendet werden können.

Der aufwendige Prozess zum Bauteil

Da deshalb bisher ein hochwertiges Recycling von Titanspänen fehlt, werden Titan-Werkstoffe für die Luftfahrtindustrie ausschließlich aus Primärmaterial hergestellt. Dieses primäre Material wird aus Titanschwamm gewonnen. Das ist sehr energieaufwendig, allein auf die Herstellung von Titanschwamm entfallen etwa 70 Prozent des Energiebedarfs, der für ein Titanbauteil erforderlich ist.

Im Forschungsprojekt RETURN haben Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover gemeinsam mit Industriepartnern neue Lösungsansätze für ein hochwertiges Recycling der Späne entwickelt. Das neue Verfahren kann Titanspäne mit hoher Reinheit aufbereiten und wiederverwerten. Dazu haben die Forscher die komplette Prozesskette der Herstellung der Bauteile untersucht und eine Energie- und Stoffstromanalyse erarbeitet. Weiterhin haben sie die Quellen der Verunreinigungen der Späne analysiert. Diese sind entweder Fremdstoffe oder chemische Verunreinigungen. Ein weiterer Schwerpunkt war die Entwicklung verbesserter Werkzeugmaschinen, die ohne herkömmliche Kühlmittel auskommen. Diese werden durch ein kryogenes Verfahren ersetzt, das flüssigen Stickstoff nutzt. Für das neue Recyclingverfahren entwickelten sie außerdem ein Analyseverfahren zur Inline-Prüfung der Spanqualität.

 

Titan ohne Kühlmittel bearbeiten

Eine Zerspanung mit kryogener Kühlung, also mit flüssigem, minus 196 Grad Celsius kaltem Stickstoff, hat sich bewährt. Dadurch ist es möglich, auf die kohlenstoffhaltigen Kühl- und Schmiermittel zu verzichten. Die sind bisher notwendig, um die Werkzeuge während der Bearbeitung des Titans zu kühlen. Die tiefe Temperatur verhindert weitgehend die Oxidation der Späne. So bleibt der Sauerstoffeintrag unterhalb von 6 Prozent, was vergleichsweise niedrig ist. Auch reduziert sich der Verschleiß der Werkzeuge. Dank der Kühlung mit Stickstoff verdoppeln sich nahezu die Standzeiten der eingesetzten Werkzeuge.

Alternativ untersuchten die Wissenschaftler auch eine trockene Zerspanung. Diese hat sich nicht bewährt. Die höheren Temperaturen im Vergleich zum Arbeiten mit Kühl- und Schmiermitteln ließen den Sauerstoffeintrag ansteigen, zugleich sank die Standzeit der Werkzeuge.

Energiebilanz des neuen Verfahrens

Mithilfe des RETURN-Verfahrens ändert sich die Bilanz: Für ein neues Flugzeugbauteil kann bis zu 93 Prozent recyceltes und sieben Prozent primäres Titan verwendet werden. ©IFW Universität Hannover

Der Energiebedarf bei dieser Form der Titanverarbeitung ist hoch. Um ein 40 Kilogramm schweres Bauteil zu produzieren, sind rund 62.300 Kilowattstunden erforderlich. Der größte Teil entfällt auf die Herstellung von Titanschwamm. Die Energiebilanz lässt sich durch den Einsatz der Zerspanung mit kryogener Kühlung im Vergleich zum bisherigen Fertigungsprozess ohne Recycling erheblich senken. Im neuen Verfahren liegt der Energieaufwand zwei Drittel niedriger, das entspricht einer Einsparung von knapp 42.000 Kilowattstunden.

Professor Dr. Berend Denkena vom Institut für Fertigungstechnik der Universität Hannover, zieht als Projektleiter Bilanz: „Um die Anforderungen der Flugzeugindustrie zu erfüllen, müssen wir das recycelte Titan stets mit Titanschwamm mischen. Abhängig von den eingesetzten Bearbeitungsverfahren können wir damit bei der Herstellung neuer hochwertiger Flugzeugbauteile bis zu 93 Prozent recyceltes Titan einsetzen, das heißt, der Anteil des primären Materials aus Titanschwamm kann auf bis zu 7 Prozent zurückgehen.“

 

Verunreinigungen erkennen und vermeiden

Über die gesamte Prozesskette untersuchten die Wissenschaftler, an welchen Punkten sich Fremdstoffe unter die Späne gemischt haben. Bei diesen Stoffen kann es sich beispielsweise um Aluminium, Kupfer oder Reinigungstextilien handeln. Um Verunreinigungen durch Fremdstoffe zu vermeiden, müssen Werkzeugmaschinen, die verschiedene Materialien bearbeiten, gereinigt werden, bevor die Verarbeitung von Titan beginnen kann. Gleiches gilt für die Auffangbehälter der Späne. Da aber Späne aus Fremdmaterialien nicht restlos entfernt werden können, haben die Hannoveraner Forscher eine prozessintegrierte Kontrolle entwickelt und erprobt. Auf einem Transportband passieren die Späne ein Spektroskop. Die dabei identifizierten Fremdteile werden anschließend automatisch aussortiert.

Die zweite Quelle für unerwünschte Stoffeinträge sind die chemischen Verunreinigungen. Dazu gehören Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff. Für die Kohlenstoffeinträge sind im wesentlichen die Kühlschmierstoffe verantwortlich, während der Sauerstoff überwiegend aus der Umgebungsluft stammt. Da der Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt im Metall wesentlich die mechanischen Eigenschaften des Titanbauteils bestimmt, stellt die Flugzeugindustrie an die chemische Zusammensetzung von Titanlegierungen hohe Anforderungen. Die für Luftfahrtanwendungen vorwiegend eingesetzte Titanlegierung Ti-6Al-4V erlaubt neben den Hauptbestandteilen Titan, Aluminium und Vanadium nur geringe Mengen an weiteren Elementen. So liegen die zulässigen Höchstgrenzen für Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff bei 0,2 Prozent, 0,05 Prozent bzw. 0,08 Prozent. Weitere Bestandteile dürfen zu maximal 0,1 Prozent in der Legierung enthalten sein. Bei den meisten Legierungsherstellern gelten für den Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt noch strengere Grenzen.  Um Verunreinigungen weitgehend zu vermeiden, haben die Wissenschaftler die neuen Bearbeitungsverfahren entwickelt.

Verknüpfte Projekte

  • Bei der konventionellen Roheisenerzeugung werden daher nur geringe Variationen der chemischen und physikalischen Eigenschaften toleriert. Ungleich schwieriger ist die Prozessführung beim Recycling von Reststoffen mit häufig wechselnder und nicht optimaler Zusammensetzung. ... mehr

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben: Prozesskette Recycling von Titanspänen RETURN

Förderkennzeichen:

03ET1174A-E

Laufzeit:

08/2013 – 07/2016

Links

Zum Forschungsprojekt RETURN ist bereits eine News auf EnEff:Industrie erschienen.

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