Einsparungen bei Energie, Emissionen und Batteriereichweite von Elektrofahrzeugen

Von Pacific Northwest National Laboratory, 25. April 2023

Die Mikrostruktur innerhalb eines Aluminiumtrapezes weist eine hochfeine und gleichmäßige Korngröße auf, was der Schlüssel zur Erzielung eines starken und zuverlässigen Produkts ist. Bildnachweis: Bild mit freundlicher Genehmigung von Nicole Overman; Verbesserung von Cortland Johnson | Pacific Northwest National Laboratory

Durch das neue Herstellungsverfahren entstehen hochfeste Fahrzeugkomponenten aus Aluminium, die sowohl kostengünstiger als auch umweltfreundlicher sind.

Die Automobilindustrie, insbesondere für Elektrofahrzeuge, ist Vorreiter bei einem innovativen Verfahren zur Sammlung und Umwandlung von Altaluminium in neue Fahrzeugteile. Das Pacific Northwest National Laboratory des DOE hat in Zusammenarbeit mit dem führenden Mobilitätstechnologieunternehmen Magna gerade eine neue Herstellungsmethode vorgestellt, die die graue Energie um über 50 % reduziert und die Kohlendioxidemissionen um mehr als 90 % senkt, indem die Notwendigkeit der Gewinnung und Verarbeitung entfällt gleiche Menge Rohaluminiumerz. Darüber hinaus kann die Verwendung von leichtem Aluminium auch die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen.

Dieses patentierte und preisgekrönte ShAPE™-Verfahren (Shear Assisted Processing and Extrusion) sammelt Schrottteile und übrig gebliebene Aluminiumreste aus der Automobilherstellung und wandelt sie direkt in geeignetes Material für neue Fahrzeugteile um. Es wird nun skaliert, um leichte Aluminiumteile für Elektrofahrzeuge herzustellen.

Der jüngste Fortschritt, der ausführlich in einem neuen Bericht und in einem Forschungsartikel von Manufacturing Letters beschrieben wird, macht es überflüssig, dem Material neu gewonnenes Aluminium hinzuzufügen, bevor es für neue Teile verwendet wird. Durch die Reduzierung der Kosten für das Recycling von Aluminium können Hersteller möglicherweise die Gesamtkosten für Aluminiumkomponenten senken und sie so besser in die Lage versetzen, Stahl zu ersetzen.

Der Aluminiumschrott der Autohersteller wird mit dem von PNNL patentierten ShAPE-Herstellungsverfahren in neue Fahrzeugteile umgewandelt. Hitze und Reibung erweichen das Aluminium und verwandeln es vom rauen Metall in ein glattes, festes, gleichmäßiges Produkt ohne einen Schmelzschritt. Bildnachweis: Animation von Sara Levine | Pacific Northwest National Laboratory

„Wir haben gezeigt, dass mit dem ShAPE-Verfahren geformte Aluminiumteile den Standards der Automobilindustrie hinsichtlich Festigkeit und Energieabsorption entsprechen“, sagte Scott Whalen, ein PNNL-Materialwissenschaftler und leitender Forscher. „Der Schlüssel liegt darin, dass der ShAPE-Prozess Metallverunreinigungen im Schrott aufbricht, ohne dass ein energieintensiver Wärmebehandlungsschritt erforderlich ist. Dies allein spart erheblich Zeit und führt zu neuen Effizienzsteigerungen.“

Der neue Bericht und die Forschungspublikationen markieren den Höhepunkt einer vierjährigen Partnerschaft mit Magna, dem größten Hersteller von Autoteilen in Nordamerika. Magna erhielt Fördermittel für die gemeinsame Forschung vom Vehicle Technologies Office, Lightweight Materials Consortium (LightMAT)-Programm des DOE.

„Nachhaltigkeit steht bei allem, was wir bei Magna tun, im Vordergrund“, sagte Massimo DiCiano, Manager Materials Science bei Magna. „Von unseren Herstellungsprozessen bis zu den von uns verwendeten Materialien ist der ShAPE-Prozess ein großartiger Beweis dafür, wie wir uns weiterentwickeln und neue nachhaltige Lösungen für unsere Kunden schaffen wollen.“

Neben Stahl ist Aluminium das am häufigsten verwendete Material in der Automobilindustrie. Die vorteilhaften Eigenschaften von Aluminium machen es zu einem attraktiven Automobilbauteil. Leichter und stabiler, Aluminium ist ein Schlüsselmaterial in der Strategie, leichte Fahrzeuge für eine verbesserte Effizienz herzustellen, sei es zur Vergrößerung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs oder zur Reduzierung der Batteriekapazität. Während die Automobilindustrie derzeit den Großteil ihres Aluminiums recycelt, fügt sie diesem vor der Wiederverwendung routinemäßig neu gewonnenes Primäraluminium hinzu, um Verunreinigungen zu verdünnen.

Metallhersteller verlassen sich auch auf ein jahrhundertealtes Verfahren, bei dem Ziegel oder „Knüppel“, wie sie in der Branche genannt werden, viele Stunden lang auf Temperaturen über 1.000 °F (550 °C) vorgewärmt werden. Der Vorwärmschritt löst Ansammlungen von Verunreinigungen wie Silizium, Magnesium oder Eisen im Rohmetall und verteilt sie durch einen als Homogenisierung bezeichneten Prozess gleichmäßig im Barren.

Strangpressteile aus AA6063-Industrieschrott von ShAPE zur Herstellung von (a) kreisförmigen, (b) quadratischen, (c) trapezförmigen und (d) zweizelligen trapezförmigen Profilen. Bildnachweis: Scott Whalen | Pacific Northwest National Laboratory

Im Gegensatz dazu führt das ShAPE-Verfahren den gleichen Homogenisierungsschritt in weniger als einer Sekunde durch und wandelt dann das feste Aluminium in wenigen Minuten in ein fertiges Produkt um, ohne dass ein Vorheizschritt erforderlich ist.

„Mit unseren Partnern bei Magna haben wir einen entscheidenden Meilenstein in der Entwicklung des ShAPE-Prozesses erreicht“, sagte Whalen. „Wir haben seine Vielseitigkeit unter Beweis gestellt, indem wir quadratische, trapezförmige und mehrzellige Teile hergestellt haben, die alle Qualitätsmaßstäbe für Festigkeit und Duktilität erfüllen.“

For these experiments, the research team worked with an aluminum alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Legierung bekannt als 6063 oder Architekturaluminium. Diese Legierung wird für eine Vielzahl von Automobilkomponenten verwendet, beispielsweise für Motorhalterungen, Stoßfängerbaugruppen, Rahmenträger und Außenverkleidungen. Das PNNL-Forschungsteam untersuchte die extrudierten Formen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung, wodurch ein Bild der Platzierung und Mikrostruktur jedes Metallpartikels im fertigen Produkt erstellt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die ShAPE-Produkte gleichmäßig stark sind und keine Herstellungsfehler aufweisen, die zum Ausfall von Teilen führen könnten. Insbesondere wiesen die Produkte keine Anzeichen großer Metallansammlungen auf – Verunreinigungen, die zu einer Materialverschlechterung führen können und die Bemühungen, sekundäres recyceltes Aluminium für die Herstellung neuer Produkte zu verwenden, behindert haben.

Jetzt untersucht das Forschungsteam noch höherfeste Aluminiumlegierungen, die typischerweise in Batteriegehäusen für Elektrofahrzeuge verwendet werden.

„Diese Innovation ist nur der erste Schritt zur Schaffung einer Kreislaufwirtschaft für recyceltes Aluminium in der Fertigung“, sagte Whalen. „Wir arbeiten derzeit an der Einbeziehung von Post-Consumer-Abfallströmen, wodurch ein völlig neuer Markt für Sekundäraluminiumschrott entstehen könnte.“

Referenz: „Bullaugendüsenextrusion von Industrieschrott aus Aluminium 6063 durch scherunterstützte Verarbeitung und Extrusion“ von Scott Whalen, Brandon Scott Taysom, Nicole Overman, Md. Reza-E-Rabby, Yao Qiao, Thomas Richter, Timothy Skszek und Massimo DiCiano, 28 März 2023, Manufacturing Letters.DOI: 10.1016/j.mfglet.2023.01.005

Zum PNNL-Forschungsteam gehörten neben Whalen auch Nicole Overman, Brandon Scott Taysom, Md. Reza-E-Rabby, Mark Bowden und Timothy Skszek. Zu den Magna-Mitwirkenden gehörten neben DiCiano auch Vanni Garbin, Michael Miranda, Thomas Richter, Cangji Shi und Jay Mellis. Diese Arbeit wurde vom Vehicle Technologies Office des DOE, LightMAT-Programm, unterstützt.

Für weitere Anwendungen steht die patentierte ShAPE-Technologie zur Lizenzierung zur Verfügung.