KupferDigital: Datenökosystem für die digitale Materialforschung auf Basis Ontologie-basierter digitaler Repräsentationen von Kupfer und Kupferlegierungen

Der Lebenslauf von Kupfer wird digital – für innovatives Materialdesign bis zum Recycling

Kern des Projektes KupferDigital ist es, einen Demonstrator für ein digitales Datenökosystem zu erstellen, der der Digitalisierung der Materialforschung und der metallverarbeitenden Industrie als zukunftsfähige Plattform zur Verfügung stehen soll. Das Projekt KupferDigital entwickelt Methoden und Konzepte, um den Lebenszyklus am Beispiel von Kupfer – von der Erzgewinnung bis zum Recycling – digital zu erfassen. Grundlage ist die Entwicklung sogenannter Ontologien. Diese können als eine Art Wissensnetz verstanden werden. Sie dienen als gemeinsame Standards für die Beschreibung von Werkstoffen und technischen Vorgängen. Sie helfen bei der digitalen Erfassung von Prozessschritten sowie von Materialeigenschaften. Parallel dazu werden Konzepte für Datenstrukturen, die Speicherung und den Austausch von Werkstoffdaten über neu zu definierende Schnittstellen erarbeitet.

Über die Bereitstellung digitalisierter Lebenszyklen von Kupfer wird die Industrie bei der Produktentwicklung befähigt, neue Werkstoffentwicklungen frühzeitig zu bewerten, beispielsweise unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit. Kupfer kommt hier eine aktuelle Bedeutung zu, weil es für die digitale Transformation sowie die Energie- und Mobilitätswende von fundamentaler Bedeutung ist und somit von hohem gesellschaftlichem Wert. Die Projektziele sind sowohl auf weitere metallische Struktur- und Funktionswerkstoffe als auch auf andere Industriebereiche übertragbar. Die Projektergebnisse werden im Rahmen der Aktivitäten der Innovationsplattform MaterialDigital allen Interessierten zur Verfügung gestellt.

Acknowledgement

Das Vorhaben 13XP5119A  wird im Rahmen der Innovationsplattform MaterialDigital vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Berylliumersatz in Kupferlegierungen

Motivation

Kupferlegierungen finden unter anderem als Steckverbinder ein breites Einsatzgebiet. Ob in der Elektrik heutiger Automobile, in Kommunikationsnetzen oder der Unterhaltungselektronik, Kupferlegierungen werden bevorzugt eingesetzt. Durch die fortschreitende Entwicklung und der damit einhergehenden Miniaturisierung steigen die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Auch rücken zunehmend umwelttechnische und gesundheitliche Aspekte bei der Werkstoffauswahl in den Fokus. Besonders betroffen sind hierbei berylliumhaltige Kupferlegierungen. Diese besitzen zwar hervorragende mechanische und elektrische Eigenschaften, werden jedoch aufgrund ihres Berylliumanteils in zweierlei Hinsicht als kritisch eingestuft. Neben der karzinogenen Wirkung des Berylliums können die bei der Bearbeitung berylliumhaltiger Werkstoffe entstehenden Stäube schwere Lungenerkrankungen hervorrufen. Auch wird Beryllium in nur wenigen außereuropäischen Ländern und Firmen produziert, wodurch ein ungünstiges Abhängigkeitsverhältnis für den europäischen Wirtschaftsstandort besteht. Aufgrund dieser Prämisse wird an Alternativen zu CuBe-Legierungen geforscht. Da die konventionelle Werkstoffentwicklung jedoch sehr zeit- und kostenaufwendig ist, rücken heute vermehrt sogenannte High-Throughput-Methoden in den Fokus. Eine solche Methode wurde am fem in einem Vorgängerprojekt entwickelt und erfolgreich angewandt. Dabei konnte das System Cu-Ni-Al als potentiell vielversprechend für die Entwicklung neuer hochfester Legierungen identifiziert werden. 

Zielsetzung

Im nun abgeschlossenen Gemeinschaftsprojekt von fem, IWM und NMI galt es, ausscheidungshärtende Legierungen aus diesem System materialwissenschaftlich zu charakterisieren, entsprechend den Anforderungen des Marktes zu entwickeln und auf den Industriemaßstab zu übertragen. Erklärte Ziele waren die Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit bei gleicher oder höherer Festigkeit im ersten Projektabschnitt und die Fertigung ausgewählter Legierungen im Rahmen eines Demonstrators bei den Projektpartnern aus der Industrie im zweiten Projektabschnitt. Die Werkstoffentwicklung sollte durch Simulationen unterstützt werden.

Durchführung

Auf Basis thermodynamischer und kinetischer Simulationen, durchgeführt am IWM, wurde herausgearbeitet, inwiefern das Legieren eines vierten Legierungspartners einen Einfluss auf die erreichbaren technischen Eigenschaften hat. Berücksichtigt wurden Elemente, die als nicht kritisch bezüglich der wirtschaftlichen Bedeutung und des Versorgungsrisikos gelten. Mit Hilfe umfangreicher automatisierter Simulationen konnten ohne groß angelegte Versuchsreihen vielversprechende Legierungen ausgewählt werden. Anschließend wurden diese am fem nach einer industrietypischen Prozessroute hergestellt und prozessbegleitend charakterisiert. Diese deckt das Gießen, die Weiterverarbeitung zu Blechen und anschließende Wärmebehandlungen ab. Insbesondere die Entwicklung der Härte, der elektrischen Leitfähigkeit und der Mikrostruktur in Abhängigkeit der Prozessparameter und Legierungszusätze standen hierbei im Fokus. Am NMI fanden TEM-Untersuchungen zur Beschreibung der Nanostruktur statt. Die Erkenntnisse dienten dem Abgleich der Simulationsmethodik und zur Beschreibung der im Werkstoff ablaufenden Prozesse. Denn ein vertieftes Verständnis für die Legierung ist eine Voraussetzung um diese hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Herstellroute optimieren zu können. 

Ferner fand die genannte Screening-Methode auf Basis von Diffusionsproben in modifizierter Form Anwendung um feiner aufgelöste Zusammensetzungsbereiche beschreiben zu können. Insbesondere der Einfluss vierter Legierungselemente wurde über diese Methode beurteilt. Ausgewählte Legierungen wurden in der zweiten Projekthälfte bei Industriepartnern durch Stranggießen und Feingießen hergestellt, weiterverarbeitet und am fem hinsichtlich ihrer technologischen Eigenschaften untersucht. Hierzu gehörten das Verhalten unter mechanischer Last, die Beschichtbarkeit, die Korrosionsbeständigkeit und das Verschleißverhalten. Ferner wurde das Stanzverhalten bei einem der Industriepartner untersucht. 

Zusammenfassung

Legierungen auf der Basis von CuNiAl konnten im Rahmen des Forschungsprojektes umfangreich simuliert, charakterisiert und erfolgreich optimiert werden. Auch die Übertragbarkeit der im Labor hergestellten Legierungen in den Industriemaßstab konnte gezeigt werden. Durch angepasste Legierungsgehalte und ein viertes Legierungselement konnten die Härte und die elektrische Leitfähigkeit wie erhofft gesteigert werden. CuNiAl-Legierungen zeichnen sich durch eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Überalterung aus. Auch weisen sie trotz höchster Festigkeit ein hohes Verformungsvermögen auf. Sie sind sowohl als Knetlegierung als auch als Gusslegierung einsetzbar. Erste Untersuchungen legen nahe, dass sie beschichtbar sowie vergleichsweise beständig gegenüber Korrosion und mechanischem Verschleiß sind. Auch die Stanzbarkeit ist gegeben. Darüber hinaus hat das Projekt erheblich zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Materialeigenschaften, der Verarbeitungsgeschichte und der Mikrostruktur beigetragen und bietet damit eine gute Ausgangslage für eine industrielle Adaption. 

Acknowledgement

Wir danken dem Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg, das im Rahmen der Förderung der „Innovativen Rohstoffnutzung in KMU“ das vorliegende Projekt finanziell unterstützt hat.

Aufbereitung von Neodym-Magneten aus Elektroantrieben

Stand heute beschränkt sich die Rückgewinnung Magnet-assoziierter Seltener Erden in der Hauptsache auf Produktionsabfälle, wogegen im Post-Consumer-Bereich nach eigenen Untersuchungen die dargestellten Stoffströme noch immer einen weitgehenden Verlust dieser Stoffe in Hausmüllverbrennungs- und Metallurgieschlacken nahelegen.

Anspruch des vorgeschlagenen Vorhabens ist die Ausarbeitung eines Aufbereitungsprozesses für alte NeodymEisenBor-Magnete (NIB), der ein Produkt für die werkstoffliche Verwertung in der Herstellung von neuen Magneten liefert. 

In der Literatur und eigenen Vorarbeiten wurden permanent erregte Elektromotoren mit Neodym-Eisen-Bor-Hochleistungsmagneten (NIB) als lohnende Altgerätekomponenten für die Rückgewinnung der magnet-assoziierten Seltenen Erden (SE) identifiziert. Deren Aufbereitung setzt aber eine Voranreicherung durch Ausbau und gegebenfalls Teildemontage zum Beispiel aus Maschinen und zukünftig aus Altfahrzeugen als den beiden wichtigsten Mengenströmen voraus. In existierenden vielstufiger Verwertungskaskaden der Schrott- und Altgeräteverwertung werden alte Elektromotoren als separate Schrottqualität gehandelt, die aktuell vollständig nach Asien exportiert wird. SE-Inhalte werden bislang unseres Wissens aber nicht vergütet. Vorliegende Untersuchungen zur Rückgewinnung lassen erkennen, das zwar eine rohstoffliche Verwertung von isoliertem Magnetschrott auf hydrochemischem Wege technisch und wirtschaftlich realisierbar erscheint, für die notwendig vorangehende Abtrennung der Magnete aus Altgeräten jedoch zu aktuellen Schrottpreisen die Erlöse zumindest in Hochlohn-Ländern den Aufwand der Demontage nicht decken. 

Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass eine Separierung von SE-angereicherten Schrottqualitäten, wie beispielsweise der abgebildete Rotor aus dem Antrieb einer Werkzeugmaschine, nur stattfinden wird, wenn für KMU-Akteure auf frühen Stufen existierender Verwertungskaskaden wie Reparaturbetriebe für Elektromotoren, Wartung von Aufzügen, Altfahrzeug- und sonstige Schrottverwerter ein größerer finanzieller Anreiz in Form einer angemessenen Vergütung für enthaltenen Selten Erden geschaffen wird.

Das angestrebte werkstofflich verwertbare Produkt bietet dafür insofern einen Ansatzpunkt, als es zu höheren Preisen vermarktbar sein dürfte als rohe Altmagnete, die in die rohstoffliche Verwertung eingespeist werden. Allerdings setzt dies die Abtrennung von in realen Schrotten vorhandenen Störstoffen (Beschichtungen, Schmutz, Korrosionsprodukte) voraus, die die Qualität neuer Magnete beeinträchtigen. Solche Ansätze sind unseres Wissens in der Literatur bisher nicht beschrieben. Ziel ist folglich die Entwicklung von Aufbereitungsprozessen zur Abtrennung und Reinigung von Altmagneten von Störstoffen wie Beschichtungen und Verunreinigungen, die bei einer werkstofflichen Nutzung die Magneteigenschaften verschlechtern. So hergestellte Produkte werden mittels chemischer Analysen detailliert hinsichtlich der wertigen SE-Inhalte und der Störstoffe (Sauerstoff, Fremdmetallverunreinigungen etc.) charakterisiert. Genügende Reinheit vorausgesetzt, könnte das Produkt durch Verschneiden mit Neumaterial zur Einstellung einer definierten Zusammensetzung in die pulvermetallurgischen Magnetherstellung eingehen.

Beschleunigter Test der dynamischen Solar-Umkehrosmose

Background

844 Millionen Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Wasser. Da Wassermangel alle Aspekte des Lebens beeinflusst, wird die Trinkwasserknappheit zu einem der größten globalen Probleme. 96 Prozent des weltweiten Wasservorkommens sind innerhalb der Ozeane gebunden, welche durch ihren hohen Salzgehalt nicht direkt als Trinkwasser genutzt werden können. Die für die Meerwasserentsalzung am häufigsten verwendeten Technologien sind das Membranverfahren und thermische Verfahren. Unter allen aktuellen Entsalzungstechnologien stellt die Umkehrosmose (RO) die zuverlässigste und einfachste Methode dar. Im Umkehrosmoseverfahren wird hoher Druck erzeugt, um Wasser gegen den osmotischen Fluss von der kontaminierten Seite der Membran auf die Seite mit sauberem Wasser zu pressen. Um solch hohe Drücke zu erreichen, ist ein erheblicher Energieaufwand erforderlich. Die am häufigsten verwendeten Energiequellen für Entsalzungsanlagen sind fossile Brennstoffe. Aufgrund der in Gebieten mit Wasserknappheit meist begrenzten Verfügbarkeit dieser und der kritischen Klimaauswirkungen, bietet ein Wechsel hin zur erneuerbaren Energieressource Solarenergie in diesen Einsatzgebieten eine vielversprechende Alternative. Jedoch sind die über den Tag verteilten großen Schwankungen der Sonnenleistung eine große Herausforderung für photovoltaikbetriebene Umkehrosmose-Anlagen (PVRO-Systeme). Die derzeit auf dem Markt erhältlichen konventionellen Systeme benötigen daher Stromspeicher (Batterien). Batterien sind jedoch sehr teuer und haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Notwendigkeit einer austauschbaren Batterie erhöht die Produktions- und Wartungskosten für Trinkwasser. Zusätzlich zu den genannten Kosten erfordert die Verwendung von Batterien mehrere Energieumwandlungsschritte. Diese Umwandlungen erhöhen die Komplexität des Systems und führen bei jedem Schritt zu Energieverlusten, wodurch die Effizienz des gesamten RO-Prozesses abnimmt. 

Im Grino-System wird die Batterieeinheit ersetzt. Standard-RO-Einheiten arbeiten typischerweise unter konstanten Bedingungen. Da die Ausgangsleistung von Photovoltaik-(PV)-Modulen im Laufe des Tages je nach Sonnenstand zwischen 0 und 1300 W/m2 variiert, kann eine herkömmliche RO-Systempumpe mittels Photovoltaikversorgung nur für einen begrenzten Zeitraum mit konstanter Nennleistung betrieben werden. Im Vergleich zu den auf dem Markt erhältlichen Anlagen soll das Grino System vollständig auf die vorhandene Solarleistung anpassbar sein. Dazu wurde von der Grino Water Solutions GmbH die Power-Management-Einheit entwickelt. Diese soll die Schwankungen der Solarenergie durch Regelung von Drehzahl der Pumpe und Druck auf die Membranen ausgleichen. 

Zielsetzung des Forschungsprojektes ist die Analyse der wirtschaftlichen und technischen Machbarkeit eines PVRO-Systems unter variablen Betriebsbedingungen. Bislang fehlen verlässliche praktische bzw. betriebsrelevante Verfahrenskenndaten, z.B. welche Auswirkung die Standzeit der Membranen und die Systemlaufzeit auf Effekte wie Scalling und Biofouling hat. Ebenso gibt es so gut wie keine verlässlichen Langzeitmesswerte der erzeugten Trinkwasserqualität in Abhängigkeit von der Betriebsdauer und bei diskontinuierlicher Betriebsweise der Umkehrosmose-Einheit. Daher besteht für die Weiterentwicklung und die Vermarktung des innovativen, umweltfreundlichen und zu 100 % solarbetriebenen PVRO-Systems ein sehr hohes Entwicklungs- und Kostenrisiko. In diesem FuE-Projekt sollen daher die technischen Auswirkungen dynamischer Betriebsparameter auf die Membraneigenschaften untersucht und die sich einstellende Wasserqualität nach einer realen Lebensdauer der Membran überprüft und kontinuierlich erfasst werden. Außerdem soll ein möglicher negativer Einfluss der Betriebsweise auf die Wasserqualität des erzeugten Trinkwassers identifiziert und beseitigt werden.

Acknowledgement

Wir danken der deutschen Bundesstiftung Umwelt für die finanzielle Unterstützung der Arbeiten am Projekt DBU 35511/01-23.