„Unser Ziel war es, Magnesium durch neue, kürzere Herstellungswege als industriellen Leichtbauwerkstoff nutzbar zu machen“, sagt Professor Ulrich Prahl vom Institut für Metallformung der TU Bergakademie Freiberg. Beginnend mit der Blechherstellung setzt das Team am Institut für Metallformung der TU Bergakademie Freiberg dafür auf innovative Verfahren: „Das eingesetzte Gießwalzen ermöglicht bereits die Erzeugung von Magnesiumblechen mit Dicken von rund fünf Millimetern. Dadurch können nachgeschaltete Umformschritte reduziert werden.“
Das Ergebnis sind Magnesium-Bauteile, die bei vergleichbarer Festigkeit rund ein Drittel leichter sind als verbreitete Aluminiumlösungen. Damit kann das Potenzial von Magnesium als Leichtbauwerkstoff künftig besser ausgeschöpft werden – etwa in der E-Mobilität, im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der Medizintechnik.
Drei Bausteine für eine effizientere und klimafreundlichere Magnesiumverarbeitung
Als ersten Bestandteil des neuen Herstellungsprozesses entwickelten die Forschenden Technologien, die fossile Brennstoffe durch bis zu einhundert Prozent klimaneutralen Wasserstoff ersetzen können.
„Die Umstellung der Schmelz- und Anwärmprozesse auf Wasserstoff und deren energieeffiziente Gestaltung ist ein zentraler Schritt, um Magnesium perspektivisch klimaneutral und kostengünstiger herzustellen“, sagt Professor Hartmut Krause vom Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen der TU Bergakademie Freiberg, „dazu helfen uns digitale Zwillinge, die Prozesse besser zu verstehen und vor allem im Betrieb zu verbessern“.
Ein zweiter Hebel liegt in der deutlich verkürzten Prozessroute. Für die schnelle Umwandlung der flüssigen Magnesiumschmelze in ein Vorprodukt setzt das Team auf das am Institut für Metallformung integrierte Gießwalzverfahren. Dabei wird die Wärme aus der Gießhitze direkt für die Umformung genutzt, sodass Bleche oder Drähte entstehen, die bereits fast die gewünschte Bauteilform besitzen. Energie- und zeitaufwendige nachgeschaltete Prozessschritte können dadurch reduziert werden.
Für die Drahtproduktion entwickelte das Forschungsteam zusätzlich das GieWaCon-Verfahren, das das Drahtgießwalzen mit dem CONFORM™-Verfahren kombiniert. Letzteres ist für Werkstoffe wie Kupfer bereits etabliert und wurde im Projekt erstmals auf Magnesium übertragen. Da das CONFORM™-Verfahren bei Raumtemperatur arbeitet, kann die im Gießprozess vorhandene Wärme genutzt werden, um in wenigen Prozessschritten direkt ein Drahtprodukt herzustellen. Die im Projekt hergestellten Magnesiumdrähte erreichten einen finalen Durchmesser von 1,6 Millimetern – entweder direkt über das CONFORM™-Verfahren oder durch anschließendes Drahtziehen.
Darüber hinaus zeigt das Projekt, dass sich das Prinzip der verkürzten Prozessroute auch auf weitere Umformverfahren übertragen lässt. So wurde die eingesetzte Magnesiumlegierung erfolgreich geschmiedet; die dabei entstandenen Bauteile wurden unmittelbar nach der Umformung nachbearbeitet, etwa durch Entgraten oder Fräsen. Ergänzend entwickelte ein Industriepartner ein Strangpressverfahren, bei dem zunächst Bolzen gegossen und anschließend noch aus der Gießhitze heraus stranggepresst werden. Das entstehende Rohr wird aufgetrennt und aufgebogen, sodass verarbeitbare Bleche erzeugt werden können – ebenfalls ohne zusätzliche Erwärmungsschritte.
Als dritter Baustein kommt die calciumhaltige Magnesiumlegierung ZAX210 zum Einsatz. Sie lässt sich bereits bei vergleichsweise niedrigen Umformtemperaturen von etwa 200 °C gut verarbeiten und gewährleistet dennoch stabile mechanische Eigenschaften.
„Die Magnesiumlegierung erlaubt es uns, Umformprozesse bei deutlich geringeren Temperaturen zu realisieren, ohne Abstriche bei den Bauteileigenschaften zu machen“, erklärt Professor Ulrich Prahl.
Ergänzend wurden für alle Prototypen geeignete Oberflächenbeschichtungen untersucht, um Korrosionsbeständigkeit und Einsatzfähigkeit der Magnesiumbauteile unter realen Bedingungen sicherzustellen. Darüber hinaus analysierte und optimierte das Projektteam verschiedene Schweißverfahren, die gezielt an die eingesetzte Magnesiumlegierung angepasst und für die jeweiligen Demonstratoren weiterentwickelt wurden.
Gemeinsam mit den Industriepartnern aus dem Projekt will das Team die entwickelten Herstellungsrouten auch künftig weiter voranbringen und auf weitere Bauteile und Formgebungsverfahren anwenden. Ein CO₂-Rechner, mit dem sich Unternehmen mögliche Prozessketten für die Umformung von Magnesium zusammenstellen und vergleichen können, ist dafür eigens im Projekt entwickelt worden (CLEAN-Mag App: Emissionen in Industrieprozessen reduzieren).
Hintergrund zum Forschungsprojekt CLEAN-Mag
Das Verbundforschungsvorhaben CLEAN-Mag, welches im Rahmen des Förderprogrammes Technologie-Transfer-Programm Leichtbau (TTP Leichtbau) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) betreut wurde, vereinte 12 Partner aus Wissenschaft und Industrie. Weiterhin ist CLEAN-Mag Teil der Industrieinitiative NOCARBforging2050. Das Projekt wurde über drei Jahre gefördert.
Beteiligte Projektpartner
- Institut für Metallformung – TU Bergakademie Freiberg
- Professur Gas- und Wärmetechnische Anlagen – TU Bergakademie Freiberg
- Design Service GmbH
- JUBO Technologies GmbH
- KIESELSTEIN International GmbH
- LMpv GmbH
- Mankord GmbH
- Stolfig Leichtbau Kompetenzzentrum GmbH
- TAF Thermische Apparate Freiberg
- Weisensee Warmpressteile GmbH
- WS Wärmeprozesstechnik GmbH
- Weber Schweißmaschinen GmbH
Alle Infos zum Forschungsprojekt finden Sie hier.
