Tagungsband zum Pforzheimer Werkstofftag 2018: 27. September 2018, CongressCentrum Pforzheim

Jost, Norbert (Ed.); Kött, Simon (Ed.) Proceedings Tagungsband zum Pforzheimer Werkstofftag 2018: 27. September 2018, CongressCentrum Pforzheim Beiträge der Hochschule Pforzheim, No. 168 Provided in Cooperation with: Hochschule Pforzheim Suggested Citation: Jost, Norbert (Ed.); Kött, Simon (Ed.) (2018) : Tagungsband zum Pforzheimer Werkstofftag 2018: 27. September 2018, CongressCentrum Pforzheim, Beiträge der Hochschule Pforzheim, No. 168, Hochschule Pforzheim, Pforzheim, https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:951-opus-1057 This Version is available at: https://hdl.handle.net/10419/191015 Standard-Nutzungsbedingungen: Die Dokumente auf EconStor dürfen zu eigenen wissenschaftlichen Zwecken und zum Privatgebrauch gespeichert und kopiert werden. Sie dürfen die Dokumente nicht für öffentliche oder kommerzielle Zwecke vervielfältigen, öffentlich ausstellen, öffentlich zugänglich machen, vertreiben oder anderweitig nutzen. Sofern die Verfasser die Dokumente unter Open-Content-Lizenzen (insbesondere CC-Lizenzen) zur Verfügung gestellt haben sollten, gelten abweichend von diesen Nutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte. Terms of use: Documents in EconStor may be saved and copied for your personal and scholarly purposes. You are not to copy documents for public or commercial purposes, to exhibit the documents publicly, to make them publicly available on the internet, or to distribute or otherwise use the documents in public. If the documents have been made available under an Open Content Licence (especially Creative Commons Licences), you may exercise further usage rights as specified in the indicated licence. https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de TAGUNGSBAND Pforzheimer Werkstofftag 2018 27. September 2018 CongressCentrum Pforzheim www.pforzheimer-werkstofftag.de www.hochform-pforzheim.de Unterstützt durch: Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien Impressum Herausgeber: Prof. Dr. Ansgar Häfner, Prof. Dr. Norbert Jost, Prof. Dr. Karl-Heinz Rau, Prof. Dr. Roland Scherr, Prof. Dr. Christa Wehner, Prof. Dr. Hanno Beck (geschäftsführend; [email protected]) Ausgabe: Oktober 2018 ISSN-Nr.: 0946-3755 Pforzheimer Werkstofftag 2018 1 TAGUNGSBAND ZUM PFORZHEIMER WERKSTOFFTAG 2018 Norbert Jost, Simon Kött (Hrsg.) Band 168 der Publikationsserie „Focus Werkstoffe“ Pforzheimer Werkstofftag 2018 2 Der Werkstofftag wird unterstützt durch: Die CRONIMET Holding Gruppe ist weltweiter Spezialist für Edelstahlschrott, Ferrolegierungen und Primärmetalle. Seit fast vier Jahrzehnten liefert das Unternehmen Rohstoffe für die Edelstahl produzierende Industrie. Der Fokus liegt dabei auf Handel & Vertrieb, Recycling und Produktion & Services. Die CRONIMET Holding Gruppe wurde 1980 gegründet und ist heute weltweit mit mehr als 1500 Mitarbeitern an über 60 Standorten präsent. Die CRONIMET Holding Gruppe mit Sitz in Karlsruhe ist gemeinsam mit den Unternehmen der Schwestergesellschaft CRONIMET Mining AG Teil der zu 100 % in Familienbesitz befindlichen CRONIMET Gruppe. Die gesamte CRONIMET Gruppe beschäftigt derzeit weltweit über 5600 Mitarbeiter. Im Jahr 1950 als Josef Weick Schrottgroßhandlung gegründet, verfügt die heutige WEICK Recycling GmbH über jahrzehntelange Erfahrung im Schrottund NEMetallhandel. Als Familienunternehmen sind wir regional in Pforzheim und im Enzkreis tätig, aber beim Handel international vernetzt. Unsere flachen Hierarchien gewährleisten kurze Entscheidungswege, direkte Kommunikation, motivierte Mitarbeiter und unser Hauptanliegen – zufriedene Kunden. Unser Schrottportfolio ist sehr umfangreich und vielseitig und erstreckt sich vom „normalen Schrott“ und Metallspänen, über zahlreiche Buntmetalllegierungen, legierte Schrotte sowie Superalloys, bis hin zu Formgedächtnislegierungen und Seltenmetallen. Wir arbeiten nach den neuesten Umweltund Qualitätsstandards und sind als Entsorgungsfachbetrieb gemäß § 56 KrWG sowie nach DIN EN ISO 9001 und DIN EN ISO 14001 zertifiziert. Pforzheimer Werkstofftag 2018 3 Inhaltsverzeichnis Natürliche Ressourcen – Wie knapp ist was? Prof. Dr. rer. nat. Mario Schmidt, Leiter des Instituts für Industrial Ecology, Hochschule Pforzheim 5 Recycling und Handel von legierten Metallschrotten Dipl.-Wirt.-Ing. Martin Geisler, CRONIMET Ferroleg. GmbH 17 Untersuchung zwischenbetrieblicher Schnittstellen am Beispiel von Sekundärmetallen Paul Roodakker, Dipl.-Ing. Roman Schweitzer, Wirtschaftsingenieurwesen, General Management, Hochschule Pforzheim, WEICK Recycling GmbH 27 Leichtbau durch höchstfeste Stähle der "3. Generation": Minimierung der Legierungsgehalte durch innovative Wärmebehandlungskonzepte M.Sc. Jan Frömert, Dr.-Ing. Alexander Martin Matz, Prof. Dr.Ing. Norbert Jost, Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien, Hochschule Pforzheim 35 Innovationen bei der Identifikation von Werkstoffen Prof. Dr.-Ing. Jörn Woidasky, Prof. Dr.-Ing. Kai Oßwald, Prof. Dr.-Ing. Claus Lang-Koetz, Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien, Institut für Industrial Ecology, Hochschule Pforzheim 48 Stand der Technik und industrielle Anwendungen in der Ultraschallprüfung Roger Marhöfer, GE Sensing & Inspection Technologies GmbH 61 Pforzheimer Werkstofftag 2018 4 Energieeffiziente Variothermie im Kunststoffspritzguss Dipl.-Ing. Michael Däbritz, B. Eng. Daniel Koch, F&E, Varioplast Konrad Däbritz GmbH 73 Neue Materialkonzepte und Funktionalisierung im Dialog für intelligente Strukturen und Ressourceneffizienz! Prof. Dr.-Ing. Ingolf Müller, Philipp Bauer M.Sc., Hochschule Pforzheim, LCT – Lightweight & Composite Technologies, Eriskirch 78 Modern times need energy efficient modern materials Dr.-Ing. Aron Kneer, M. Wirtz, S. Yurtsever-Kneer, S. Barbe, A. August, TinniT Technologies GmbH, Faculty of Applied Natural Sciences, Institute of Applied Materials, Institut für Digitale Marktforschung, Hochschule Karlsruhe 90 Effizientes Trennen mit High Speed Wire EDM Prof. Dr. Kai Oßwald, Institut für Werkstoffe und Werktstofftechnologien, Hochschule Pforzheim 104 Einsatz der Röntgenfluoreszenzanalyse im modernen Werkstoffrecycling Prof. Dr.-Ing. Andreas Zilly, B.Eng. Ruben Krampulz, M.Sc. Tom Kurdewan, Duale Hochschule Baden-Württemberg, Stuttgart 116 Zelluläre Aluminiummatrix-Verbundswerkstoffe – Stand der Technik und Recycling von zellulären partikulär verstärkten Al-Basis Legierungen für den effizienten Leichtbau M. Eng. Pierre Kubelka, Dr.-Ing. Alexander Martin Matz, Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost, Institut für Werkstoffe und Werktstofftechnologien, Hochschule Pforzheim 127 Pforzheimer Werkstofftag 2018 11 Tantal, über 800 Billionen t Phosphor und 74 Milliarden t Indium (Werte nach Wedepohl 1995). Diese Mengen sind enorm, aber die Werte sagen freilich nichts über die Abbauwürdigkeit aus. Dazu müssen Erzanreicherungen vorliegen, die weit über den durchschnittlichen Konzentrationen in der Erdkruste liegen. Die Konzentrationsverteilung der Rohstoffe in der Erdkruste wird seit den Arbeiten von Skinner (1976) intensiv diskutiert. Er vermutete eine bimodale Verteilung mit einem kleinen Neben-Maximum bei hohen abbauwürdigen Konzentrationen. Die größten Rohstoffmengen, so befürchtete er, lägen aber isomorph in Silikatgesteinen und bei niedrigen Konzentrationen vor, die einen Abbau unmöglich machen. Normalerweise werden die ertragreichen Lagerstätten mit hohem Erzgehalt zuerst ausgebeutet, so dass mit der Zeit nur noch Vorkommen mit immer geringerer Konzentration verfügbar sind. Es ist unklar, wo man sich beim Abbau derzeit weltweit befindet und welche abbauwürdigen Mengen sich noch dahinter verbergen. Als Indiz für diese Vermutung wird eine seit Jahren sinkende Konzentration der Erzgehalte in Bergwerken angeführt (Mudd 2009). So sank der Kupfergehalt in Kupferminen von einigen Prozent zu Beginn des 19. Jahrhunderts auf inzwischen ca. 0,5 % in den heutigen Minen. Ähnliches zeigt sich auch für andere Metalle. Ungeachtet der Frage, ob die Metallvorkommen zur Neige gehen, ist damit verbunden, dass ein immer größerer Aufwand zur Gewinnung einer bestimmten Metallmenge erforderlich ist. Doch auch diese Analysen lassen wirtschaftliche Aspekte außer Acht. So wird heute mehr Kupfer denn je gefördert – wahrscheinlich liegt darin sogar ein Grund für den Trend zu Minen mit niedrigem Erzgehalt. Denn große Vorkommen – z. B. in porphyrischen Lagerstätten – sind häufiger mit niedrigerem Erzgehalt verbunden (Rötzer & Schmidt 2018). Minenbetreiber wollen aber lieber in große Vorkommen investieren. Zudem ermöglichen technische Innovationen, insbesondere im Tagebau, den wirtschaftlichen Abbau von geringeren Erzgehalten. So bleibt die Frage, wie viel Rohstoffe weltweit noch zur Verfügung stehen, weitgehend unbeantwortet. In Zukunft werden vermutlich verstärkt tieferliegende Vorkommen erkundet und ausgebeutet (Acatech 2016). Der Kostenund Energieaufwand für solche Minen wird mit Sicherheit zunehmen. Andererseits sind Skaleneffekte und technische Innovationen nur schwer vorherzusagen. In der Ressourcenund Rohstoffpolitik konzentriert man sich deshalb auf die naheliegende Frage, für welche Rohstoffe in absehbarer Zeit eine kritische Versorgungslage vorliegt. Diese „Kritikalität“ wird inzwischen auf nationaler und internationaler Ebene kontinuierlich verfolgt. Sie wird aber hauptsächlich durch politische und wirtschaftliche Faktoren bestimmt, weniger von geologischen. Einen gewissen Einfluss Pforzheimer Werkstofftag 2018 12 hat der verstärkte Abbau vergesellschafteter Metalle, da hier eine Kuppelproduktion vorliegt, die wenig flexibel auf unterschiedliche Nachfrage-Signale reagieren kann. Der US-National Science and Technology Council (NSTC) veröffentlichte 2016 einen Bericht, der eine systematische Methodik zum Screening potenziell kritischer Mineralien lieferte. Die "potenzielle Kritikalität" basiert auf drei grundlegenden Indikatoren: Angebotsrisiko, Produktionswachstum und Marktdynamik. Das Screening wurde für jedes Jahr von 1996 bis 2013 auf 78 Mineralien oder mineralische Rohstoffe angewandt. Diese Studie definiert kritische Mineralien als "solche, die eine Lieferkette haben, die für Störungen anfällig ist und die eine wesentliche Funktion bei der Herstellung eines Produkts erfüllen, deren Fehlen erhebliche wirtschaftliche oder sicherheitstechnische Folgen hätte" (NSTC 2016). In absteigender Reihenfolge der potentiellen Kritikalität wurden identifiziert: Ferromolybdän (FeMo), Yttrium (Y) und die Seltenen Erden (La-Lu), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Quecksilber (Hg), Monazit, Wolfram (W), Siliciummangan (SiMn), Glimmer, Iridium (Ir), Magnesit, Germanium (Ge), Vanadium (V), Wismut (Bi), Antimon (Sb) und Kobalt (Co). Ein weiterer ausführlicher Report wurde vom US-amerikanischen Geologischen Dienst 2017 herausgegeben (USGS 2017). In Europa wird eine entsprechende Liste von der Europäischen Kommission herausgegeben. Die erste Liste von „Critical Raw Materials“ wurde 2010 erstellt; Aktualisierungen erfolgten 2014 und 2017 (EU 2010, EU 2014, EU 2017). Zuletzt umfasste die Bewertung 2017 insgesamt 78 Einzelmaterialien. Die Methodik basiert zweidimensional auf dem Supply Risk (SR) und der Economic Importance (EI). Dabei werden u. a. berücksichtigt: • systematisches Screening der kritischsten Punkte der Rohstoffproduktionsstufen in der Lieferkette (Bergbau/Extraktion und Verarbeitung/Raffination) • die Einbeziehung der Substitution in die Berechnungen der wirtschaftlichen Bedeutung • Einbeziehung des Parameters Import Reliance (IR) • Berücksichtigung der Anteile der globalen Versorgung und der tatsächlichen Beschaffung des Materials in die EU (Inlandsproduktion plus Importe) • Einbeziehung handelsbezogener Parameter auf der Grundlage von Ausfuhrbeschränkungen und EU-Handelsabkommen • Leitlinien zur Verbesserung der End-of-Life Recycling Input Rate (EOLRIR) Ergebnisse unter Verwendung hochwertiger EU-basierter Daten. Als Ergebnis wurden 26 Rohstoffe und Rohstoffgruppen als kritisch identifiziert: darunter Antimon, Kobalt, Gallium, Germanium, Indium, Seltene Erden, Magnesi- Pforzheimer Werkstofftag 2018 13 um, Niob, Phosphor, Tantal und Wolfram. Das heißt nicht, dass diese Stoffe knapp sind, nur, dass die Versorgungslage kritisch sein oder werden könnte. Nachteil dieser Darstellungen ist, dass sie nur kurzbis mittelfristig ausgerichtet sind, also nicht die langfristige Versorgungslage berücksichtigen – aus den naheliegenden und o.g. Gründen. Weiterhin ist sie rein ökonomisch ausgerichtet, ökologische Aspekte fehlen weitgehend. Graedel et al. (2015) haben eine dreidimensionale Kritikalität unter Einbeziehung der Umweltauswirkungen verwendet. Auch UBA (2017) hat eine Methodik zur Klassifizierung der Umweltbelastungen durch die Rohstoffbereitstellung entwickeln lassen. Sie wird derzeit auf eine Vielzahl von chemischen Elementen angewendet. Ergebnisse können für nächstes Jahr erwartet werden. Jedoch zeigt sich schon jetzt, dass die Umweltbelastungen, die mit der Gewinnung und Verarbeitung von Rohstoffen verbunden sind, kaum mit kardinalen Skalen beschrieben werden können, wie man es etwa aus dem Life Cycle Assessment kennt. Hierzu sind zu viele standortspezifische qualitative Aspekte, etwa an den Bergbaustandorten, zu berücksichtigen. Das macht eine spätere Anwendung, Vergleiche und Produktbewertungen schwierig. Es bietet sich eine Alternative an, um die Knappheit, aber auch den ökologischen Aufwand der Rohstoffbereitstellung zu beschreiben: der Energieaufwand (genauer eigentlich der Exergie, also die arbeitsfähige Energie), der erforderlich ist, um eine bestimmte Menge eines Rohstoffes zur Verfügung zu stellen. Viele Umweltbelastungen (z. B. Emissionen) korrelieren sehr stark mit dem Energieeinsatz. Vor allem ist der Energieeinsatz aber auch ein Indikator dafür, wie hoch oder niedrig der Erzgehalt ist. Bei niedrigem Erzgehalt müssen sehr viel größere Mengen Erz bewegt werden. Der Trend zu niedrigerem Erzgehalt (x) schlägt sich also in einem starken Anstieg des Energiebedarfs nieder, und zwar mit einer 1/x-Kurve. Gleichzeitig führt ein steigender Energiebedarf auch zu einem Kostenanstieg. Vor allem erlaubt die Energiebilanz auch einen Vergleich zwischen Primärund Sekundärgewinnung von Rohstoffen. Denn das Recycling vieler Stoffe scheitert an den stark dissipativen Prozessen bei Konsum und Entsorgung. Auch hier ist meistens die Energie (und die Kosten) die relevante Größe, um eine Aufkonzentration der gewünschten Sekundärstoffe zu erzielen, damit sie dann Recyclingprozessen zugeführt werden können. Dieser Bewertungsansatz ist derzeit Gegenstand des Forschungsprojektes NEXUS an der Hochschule Pforzheim, dessen Ergebnisse im Dezember 2018 präsentiert werden. Pforzheimer Werkstofftag 2018 14 Literatur [1] Acatech (2016): Rohstoffe für die Energieversorgung der Zukunft. Geologie – Märkte – Umwelteinflüsse. Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, acatech – Deutsche Akademie derTechnikwissenschaften, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften. [2] Barnett, H., Morse, C. (1963): Scarcity and Growth: The Economics of Natural Resource Availability. Baltimore: Johns Hopkins University Press for Resources for the Future. [3] Ehrlich, P. R. (1968): The Population Bomb. New York: Sierra Club–Ballantine Books. [4] EU Commission (2010): Report of the Ad-hoc Working Group on defining critical raw materials. June 2010 [5] EU Commission (2014): Report on Critical Raw Materials for the EU. Report of the Ad hoc Working Group on defining critical raw materials. Luxembourg. May 2014 [6] EU Commission (2017): Study on the review of the list of Critical Raw Materials. Criticality Assessments. Luxembourg. June 2017 [7] Gerling, J. P., Wellmer, F.-W. (2005): Reserven, Ressourcen und Reichweiten Wie lange gibt es noch Erdöl und Erdgas? Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 236 – 245 [8] Gilbert, N. (2009): The disappearing nutrient. Nature Vol. 461, 8. Oct. 2009, 716-718 [9] Graedel, T.E. et al. (2015): Criticality of metals and metalloids. PNAS, Vol. 112, No. 14, 4257–4262 [10] House of Representatives (1952): Resources for Freedom. Foundations for Growth and Security. A Report to the President by the President’s Materials Policy Commission. Washington D.C. [11] Hubbert, M. K. (1949): Energy from Fossil Fuels. Science 109, 2823 (February 4): 103–109. Pforzheimer Werkstofftag 2018 15 [12] Jevons, S. W. (1965): The Coal Question. 3nd Edition, Reprints of Economic Classics, New York. [13] Meadows, D. H., Meadows, D. L. (1974): Das globale Gleichgewicht. Modellstudien zur Wachstumskrise. Stuttgart: Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart. [14] Meadows, D. H., Meadows, D. L., Randers, J., Behrens, W. W. (1972): Limits to Growth. New York: Potomac Associates. [15] Mudd (2009): The Sustainability of Mining in Australia: Key Production Trends and Their Environmental Implications for the Future. Department of Civil Engineering, Monash University and Mineral Policy Institute. [16] NAS (1969): Resources and Man: A Study and Recommendations, edited by the Committee on Resources and Man, National Academy of Sciences, National Research Council. San Francisco: W.H. Freeman and Company. [17] NSTC (2016): Assessment of critical minerals—Screening methodology and initial application: Washington, D.C., Subcommittee on Critical and Strategic Mineral Supply Chains of the Committee on Environment, Natural Resources, and Sustainability of the National Science and Technology Council. [18] Pinchot, G. (1911): The Fight for Conservation. New York. [19] Riegraf, H. (1961): Ausgewählte Kapitel aus der Geographie der Rohstoffwirtschaft der Erde. Dt. Verlag d. Wissenschaften Berlin. [20] Rötzer, N., Schmidt, M. (2018): Sind Erzgehalte ein geeigneter Indikator für die Rohstoffverfügbarkeit? unveröffentlicht. [21] Selmeier, F. (1984): Eisen, Kohle und Dampf. Die Schrittmacher der industriellen Revolution. Deutsches Museum München. [22] Smith, V.K. (1979): Scarcity and Growth Reconsidered. Baltimore: Johns Hopkins University Press for Resources for the Future. [23] Spicer, L. G. (1950): Stock piling of strategic materials. Boston University [24] UBA (2017): Erörterung ökologischer Grenzen der Primärrohstoffgewinnung und Entwicklung einer Methode zur Bewertung der ökologischen Rohstoffverfügbarkeit zur Weiterentwicklung des Kritikalitätskonzeptes (ÖkoRess I). Umweltbundesamt Texte 87/2017. Dessau. Pforzheimer Werkstofftag 2018 16 [25] U.S. GS (2017): Critical Mineral Resources of the United States Economic and Environmental Geology and Prospects for Future Supply. Professional Paper 1802 [26] U.S. Senate (1949): Mineral Resources Development, Washington D.C. [27] Wedepohl, K.-H. (1995): The composition of the continental crust. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 59, No. 7, pp. 1217-1232 [28] Wellmer, F.-W. (2016): Nachhaltigkeit und Rohstoffgewinnung – ein Widerspruch? ERDÖL ERDGAS KOHLE 132. Jg. 2016, Heft 2, S. 46 ff. [29] White House (1908): Proceedings of a Conference of Governors in the White House. No. 48489. Washington D.C. Der Beitrag entstand im Rahmen des Projektes NEXUS (L75 16001), gefördert vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes BadenWürttemberg. Pforzheimer Werkstofftag 2018 17 Recycling und Handel von legierten Metallschrotten Martin Geisler CRONIMET Ferroleg. GmbH Pforzheimer Werkstofftag 2018 18 Abstract Der Handel mit legierten Metallschrotten ist ein globales Geschäft. Die Warenströme umspannen die ganze Welt, um Industrieund Schwellenländer mit kritischen Rohstoffen zu versorgen. Der Schrott ist dabei ein knappes Gut und das Recycling durch die Wertigkeit der Materialien selbsttragend. Der vorliegende Beitrag zeigt die Besonderheiten im Handel und Recycling legierter Schrotte auf. Die Preisbildung der gehandelten Ware steht unter dem Einfluss immer volatilerer Rohstoffmärkte an die sich die Recyclingunternehmen anpassen müssen. Um die geforderten Qualitäten einhalten zu können, kommen modernste Technologien zur Erkennung und Sortierung von Legierungen zum Einsatz. Pforzheimer Werkstofftag 2018 19 Legierter Metallschrott Rohstoffe sind ein entscheidender Faktor zur Wohlstandssicherung im Industrieland Deutschland. Seit Jahrzehnten sind insbesondere Energierohstoffe wie Öl und Gas Themen der öffentlichen Debatte. Die Energiewende, der Ausstieg aus Kernenergie und fossilen Energieträgern, hat die Diskussionen in den letzten Jahren immer wieder befeuert. Daneben spielt die Versorgung der deutschen Wirtschaft mit Industriemetallen eine untergeordnete Rolle in der Öffentlichkeit. Es schien als handele es sich um Märkte, die sich über Angebot und Nachfrage sehr ausgewogen selbst regulieren. Erst als die Preise begannen sich extrem volatil zu verhalten, setzte ein Umdenken ein. Abbildung 1 zeigt hier beispielhaft die Preisentwicklung von Nickel aus dem Jahre 2007. Zahlreiche Initiativen wurden von der Politik ins Leben gerufen und die Beschaffung kritischer nichtenergetischer mineralischer Rohstoffe rückte bei Unternehmen in den Fokus [Pilarsky 2014]. Abbildung 1: Nickelpreisentwicklung 2007 in $ pro Tonne [LME 2018] Pforzheimer Werkstofftag 2018 20 Für die Versorgungssicherheit mit Metallen ist das Recycling ein bedeutender Faktor, da Metalle ohne Qualitätsverlust immer wieder eingeschmolzen und wiederverwendet werden können. Die deutsche Industrie ist auch deshalb auf das Recycling angewiesen, da Deutschland dahingehend selbst keine bedeutenden Bodenschätze besitzt und somit die Förderung von Primärmetall in Deutschland keine Rolle spielt. Selten liegen dabei die Metalle für das Recycling in ihrer reinen Form vor. In der Regel werden Metalle in Gemischen verwendet, den sogenannten Legierungen. Eine Legierung in der Metallurgie ist ein Gemenge mit metallischem Charakter aus zwei oder mehr Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist. Aus der Vielfalt an Elementen und deren Kombination zu verschiedenen Legierungen hat sich im Laufe der Jahrzehnte eine enorme Materialkomplexität ergeben. Diese lässt sich im Bereich der technisch genutzten Metalle wie folgt kategorisieren [Martens 2016]: - Eisen (Fe) und Eisenlegierungselemente (Mn, Si, Cr, Ni, etc.) - Nichteisenmetalle (NE-Metalle) (Cu, Pb, Sn, etc.) - Leichtmetalle (Al, Mg, Ti) - Edelmetalle (Au, Ag, Pt, etc.) - Refraktärmetalle (W, Mo, Ta) - Hochtechnologiemetalle (Li, Ga, In, etc.) - Seltenerdmetalle (Sc, Y, Ce, etc.) Den größten Anteil am Recyclingstrom haben dabei die Eisen-KohlenstoffLegierungen. Nach DIN EN 10020 gelten Eisenwerkstoffe mit einem Kohlenstoffanteil über zwei Prozent als Gusswerkstoffe, darunter spricht man von Stahl. Stähle wiederum werden in drei Klassen eingeteilt: die unlegierten Stähle, die nichtrostenden Stähle und andere legierte Stähle. Sowohl unlegierte als auch legierte Stähle lassen sich in Qualitätsund Edelstähle einteilen. Die Edelstähle zeichnen sich durch eine höhere Reinheit und höhere Festigkeitswerte aus. Schwefelund Phosphorgehalt dürfen maximal 0,025 Prozent betragen. Die Gleichsetzung von Edelstahl und rostfreiem Stahl aus der Umgangssprache ist damit nach dieser Definition nicht richtig. Die Verfügbarkeit legierter Metallschrotte ist begrenzt. Die zur Verfügung stehende Menge hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Lebensdauer der Produkte, in denen die Legierungen eingesetzt werden, bestimmen die Zeitspanne bis zum Rücklauf. Anschließend bestimmen die Sammelquote, Verluste im Prozess und die technische Recyclingfähigkeit die erzielbaren Recyclingquoten [Pilarsky 2014]. Wie die zur Verfügung stehenden Schrotte nach der Wiedergewinnung gehandelt werden, wird im nächsten Abschnitt erläutert. Pforzheimer Werkstofftag 2018 27 Untersuchung zwischenbetrieblicher Schnittstellen am Beispiel von Sekundärmetallen Paul Roodakker Wirtschaftsingenieurwesen / General Management HOCHSCHULE PFORZHEIM - Fakultät für Technik Dipl.-Ing. Roman Schweitzer WEICK Recycling GmbH Pforzheimer Werkstofftag 2018 28 Abstract Der nachhaltige Umgang und die Sicherung von Rohstoffressourcen und deren Qualität, sind eine Grundvoraussetzung für den Bestand und Erfolg eines Industrielandes wie Deutschland. Die Abhängigkeit von Drittstaaten, die immer knapper werdenden primären Ressourcen sowie die erhebliche Einsparung von CO2Emissionen, sprechen deutlich für das Recycling von Sekundärressourcen. Bei metallverarbeitenden Betrieben fallen gewaltige Mengen an Sekundärressourcen in Form von Eisenund Nichteisenschrotten an. Auch wenn Schrotte unendlich oft in Stahlwerken, Gießereien und Metallhütten einsetzbar sind, sollte bereits bei der Entstehung der Schrotte auf eine nachhaltige Sortierung und Handhabung geachtet werden, um diese weitgehend ohne Qualitätsverluste wieder in den Stoffkreislauf zurückführen zu können und um die innerbetrieblichen Abläufe sowie Erlöse zu optimieren. In diesem Beitrag wird eine Möglichkeit der Zusammenarbeit zwischen Produktionsbetrieben und Recyclingbetrieben aufgezeigt, um eine optimale inner-, zwischenund überbetriebliche Lenkung von Schrotten zu erreichen. Der Beitrag schließt mit einem Ausblick auf zukünftige Entwicklungen und gibt weitere Handlungsempfehlungen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 29 Einleitung Die Zukunft der Industrie baut auf die Optimierung der Prozessabläufe, von der Beschaffung über die Produktion, bis hin zur Entsorgung. Im Zuge des Zukunftsprojekts Industrie 4.0, liegt der Fokus auch auf der Erfassung und Auswertung von Daten zu betrieblichen Ressourcenverbräuchen, um die damit verbundenen nachgelagerten Aktionen im vornherein zu steuern und zu optimieren. Für einen hochwertigen Wiedereinsatz von Schrotten ist eine abgestimmte Erfassungslogistik bei den Produktionsbetrieben als Entfallstelle, in Verbindung mit den nachgelagerten Schritten der Schrottsortierung und -verwertung, unabdingbar. Die Recyclingbetriebe fungieren hier als Schnittstelle zwischen den Produktionsbetrieben und den Stahlwerken, Gießereien und Metallhütten. Sie entsorgen einerseits die Produktionsbetriebe und versorgen andererseits die Stahlund Metallhersteller mit Sekundärrohstoffen. Die Schrottund Metallhändler stellen dabei durch die Sortierung, Aufbereitung und Qualifizierung der Schrotte sicher, dass die Stahlwerke, Gießereien und Metallhütten mit Sekundärrohstoffen versorgt werden, die deren Anforderungen entsprechen. Oftmals sind die innerbetrieblichen Abläufe in Bezug auf die Erfassung und Sortierung von Schrotten bei den Produktionsbetrieben in die „Jahre“ gekommen oder es wird diesen zu wenig Bedeutung beigemessen. Auch ist es mit nicht unerheblichem Aufwand verbunden, neue Prozesse einzuführen und das Bewusstsein bei den Mitarbeitern hierfür zu entwickeln. Darüber hinaus sollten die zwischenbetrieblichen Schnittstellen zwischen den Produktionsund Recyclingbetrieben untersucht und aufeinander abgestimmt werden, um einerseits ein optimales innerbetriebliches Prozessergebnis in Bezug auf die Entsorgungslogistik, die Erlössituation und den Abwicklungsaufwand und einen optimalen überbetrieblichen Recyclingprozess andererseits, zu erreichen. Im Zuge der Einführung des Industrie 4.0 Standards soll durch die Nutzung von ERP-Systemen (Enterprise-Resource-Planning) eine Verbesserung der innersowie zwischenbetrieblichen Prozesse von der Stoffstromlenkung, bis hin zur Abrechnung erreicht werden. Pforzheimer Werkstofftag 2018 30 Kreislaufprozess Die nachfolgende Abbildung zeigt den Kreislaufprozess vom Schrottanfall, über den Schrotthandel bis hin zum Endverwerter (Stahlwerk, Gießerei, Metallhütte). Die Qualität der Schrotte/ Sekundärrohstoffe im Kreislaufprozess ist durch die unterschiedlichen Pfeilstärken dargestellt. Nahezu alle metallverarbeitenden Betriebe sammeln sortenreine Schrotte und Legierungen separat und verbringen diese direkt in die Umarbeitung zu ihren Materiallieferanten, da bei dieser Vorgehensweise die größte wirtschaftliche Wertschöpfung gegeben ist. Gleichzeitig bleibt die Qualität dieser Sekundärrohstoffe im gesamten Kreislaufprozess auf dem gleichen hohen Qualitätsniveau. In der Praxis treten jedoch gelegentlich Prozessstörungen in Form von Vermischungen auf. Neben Fehlwürfen können selbst automatisierte Prozesse zu Qualitätsverlusten bei den Schrotten führen. Häufige Ursachen für Vermischungen sind nicht gereinigte Behältnisse, fehlende Kennzeichnungen und nicht ausreichend geschultes Personal. Ferner können bei automatisierten Schrottausbringungssystemen, z. B. durch die falsche Anordnung von Behältern, Vermischungen durch herabfallende Teile entstehen. Abbildung 1: Kreislaufprozess Pforzheimer Werkstofftag 2018 31 Vermischte Schrotte können aus technischen und/oder wirtschaftlichen Gründen oftmals nicht mehr ausreichend separiert werden, wodurch ein dauerhafter Qualitätsverlust in der Rohstoffkette entstehen kann. Bei vielen Produktionsprozessen kommen jedoch unterschiedliche, kombinierte Werkstoffe oder Halbzeuge mit Oberflächen zum Einsatz. Die einzelnen Schrotte fallen zudem in unterschiedlichen Mengen an. Hier zeigt sich in der Praxis oftmals, dass die innerbetrieblichen Erfassungs-, Sammlungsund Logistikprozesse der Schrotte oftmals nicht oder auf Grund von neuen Produktionsabläufen nicht mehr optimal auf den Recyclingprozess abgestimmt sind. Dies führt nicht nur zu einer unzureichenden Ausschöpfung der Erlössituation für die Schrotte, sondern zu einer dauerhaften Qualitätsminderung der Sekundärrohstoffkette. Pforzheimer Werkstofftag 2018 32 Zwischenbetriebliche Schnittstelle Produktionsbetrieb – Recyclingpartner Um die innerbetrieblichen Erfassungs-, Sammlungsund Logistikprozesse der Schrotte zu optimieren und zudem auf die überbetrieblichen Anforderungen der Recyclingwirtschaft abzustimmen, hat sich aus unserer Erfahrung die Etablierung einer zwischenbetrieblichen Schnittstelle zwischen dem Produktionsbetrieb und seinem Recyclingpartner bewährt. Hierbei wird gemeinsam die aktuelle Prozesslandschaft des Produktionsbetriebes in Bezug auf den Schrottanfall untersucht. Dies erfolgt durch die Auswertung der vorhandenen Informationen, beispielsweise anhand von Arbeitsanweisungen und Schrottlisten sowie durch Betriebsbegehungen und Gespräche mit der Betriebs- /Produktionsleitung, dem Einkauf und gegebenenfalls mit der Geschäftsleitung. Als Recyclingpartner sind wir dann in der Lage, die aktuelle Entsorgungssituation des Betriebes zu verstehen und diesem Optimierungspotentiale aufzuzeigen. Auf Basis der Analyse des internen Entsorgungsprozesses werden die Schrotte in Bezug auf die jeweiligen Mengen und den optimalen Recyclingweg gruppiert und Betriebsanweisungen für die einzelnen Standorte oder Abteilungen erstellt. Nach der Freigabe der Betriebsanweisungen durch die Verantwortlichen, werden die Füllhinweise für die einzelnen Sammelbehälter erstellt und die Mitarbeiter geschult. Abbildung 2: Analyse des internen Entsorgungsprozesses Pforzheimer Werkstofftag 2018 33 Unsere Vorschläge greifen bereits in einer sehr frühen Phase, so dass die Nachfolgeprozesse, bis hin zur Abrechnung optimal gelenkt werden können. Die Gruppierungen der Schrotte sind auf die innerbetrieblichen Gegebenheiten des Produktionsbetriebs, als auch auf die überbetrieblichen Anforderungen der Recyclingwirtschaft abgestimmt. Die Schrotte haben bereits nach der direkten Entstehung ein hohes Qualitätsniveau und der Qualitätsverlust in der Rohstoffkette wird deutlich reduziert. Die Erfassungsund Logistikprozesse sind eindeutig definiert und für jedermann übersichtlich veranschaulicht. Die Gefahr von ungewollten Vermischungen wird deutlich reduziert und der interne Handhabungsaufwand sowie der Platzbedarf deutlich minimiert. Für die einzelnen Gruppen können zudem transparente Preisvereinbarungen, in Abhängigkeit von der Entwicklung der Rohstoffpreise, getroffen werden, wodurch der Abrechnungsaufwand deutlich vereinfacht wird. Abbildung 3: Betriebsanweisung und Füllhinweis Pforzheimer Werkstofftag 2018 34 Ausblick und Handlungsempfehlung Durch nachhaltiges Schrottund Metallrecycling werden nicht nur natürliche Ressourcen geschont, sondern auch die Umwelt erheblich von schädlichen Rückständen bei der Gewinnung von Primärmetallen, wie z. B. giftigen Rotschlämmen, entlastet und immense Kohlendioxid-Emissionen vermieden. Alleine durch das Recycling von NE-Metallen werden die jährlichen CO2-Emissionen in Deutschland um rund 8,4 Millionen Tonnen reduziert. 1 Durch den Einsatz von Stahlschrott werden in Deutschland nahezu weitere 24 Millionen Tonnen Kohlendioxid-Emissionen pro Jahr vermieden. 2 Es ist daher wichtig, dass bestehende Recyclingprozesse fortlaufend optimiert und angewendet werden. Die Wirtschaftlichkeit von Sekundärressourcen sowie die Auswirkungen auf die Umwelt stehen in Abhängigkeit mit der Sorgfalt bei der Sammlung sowie Verwertung. Es ist daher wichtig, eine kommunikative Schnittstelle zwischen den Produktionsbetrieben als Entfallstelle und dem Recyclingpartner einzurichten. Diese Schnittstelle ermöglicht den regen Austausch über sämtliche Prozessänderungen, die auch Änderungen im Recyclingablauf mit sich ziehen können. Nur dann ist ein nachhaltiger Recyclingprozess möglich, welcher sich letztendlich auch finanziell bemerkbar macht. 1 Quelle: VDM Verband Deutscher Metallhändler e.V. 2 Quelle: BDSV - Bundesvereinigung Deutscher Stahlrecyclingund Entsorgungsunternehmen e.V. Pforzheimer Werkstofftag 2018 35 Leichtbau durch höchstfeste Stähle der “3.Generation“: Minimierung der Legierungsgehalte durch innovative Wärmebehandlungskonzepte M.Sc. Jan Frömert Dr.-Ing. Alexander Martin Matz Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien (IWWT), Hochschule Pforzheim Pforzheimer Werkstofftag 2018 36 Abstract Die erhöhte Nachfrage nach hochfesten Stählen hat zur Entwicklung von Legierungen mit „transformation induced plasticity“ (TRIP) und „twinning induced plasticity“ (TWIP) geführt. Die in diesem Zusammenhang entwickelten Werkstoffe mit erhöhter Festigkeit werden unter dem Namen „advanced high strength steels” (AHSS) in drei Generationen zusammengefasst. Das wichtigste Legierungselement der ersten beiden Generationen ist Mangan, welches effektiv die oben genannten Effekte begünstigt. Derzeit ist der Abbau von Manganerzen und die Herstellung von Mangan im benötigten Reinheitsgrad noch nicht ökologisch und ökonomisch möglich.!Um Ressourcen zu schonen und Legierungskosten zu sparen, wird aktuell an Stählen mit niedrigeren Legierungsgehalten geforscht. Diese stellen aussichtsreiche Kandidaten für die „dritte Generation“ der AHSS dar. Hierbei werden die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht nur durch Anpassung der Legierungselemente und -gehalte realisiert, sondern der Stahl als komplexes System aus Werkstoff und Wärmebehandlung betrachtet. Durch die „Quenching and Partitioning“-Wärmebehandlung (Q&P) wird Austenit bis auf Raumtemperatur stabilisiert, welcher bei mechanischer Belastung martensitisch umwandelt (TRIP). Angewendet auf korrosionsbeständige martensitische Stähle, können die hohen Festigkeiten durch eine gute Duktilität ergänzt werden.! Pforzheimer Werkstofftag 2018 43 nit. Die Austenitgehalte sinken in der Folge bis auf den Wert für direktes Abschrecken auf RT (38 %). Grundsätzlich lassen sich zwei Bereiche unterscheiden. Für QT < 100 °C besteht das Gefüge aus bis zu 85 % Austenit und angelassenem Martensit. Höhere QT bis zu MS führen zu einem Gefüge aus angelassenem Martensit, stabilisiertem Austenit und frischem Martensit aus dem zweiten Abschrecken. Austenitgehalte und Morphologie Im Vergleich zu den berechneten Austenitgehalten, ist der Einfluss der Abschrecktemperatur auf die experimentellen Gehalte marginal. Es werden mit 50 % (XRD) bzw. 60 % (LIMI) deutlich niedrigere maximale Austenitgehalte als berechnet erreicht. Zudem findet eine Verschiebung des Austenitmaximums zu QT = 65 °C statt. Auch wenn der Einfluss von QT auf die globalen Austenitgehalte nur marginal ist, sind deutliche Veränderungen in der Morphologie der austenitischen Phase festzustellen. Abbildung 5 zeigt Lichtmikroskopie-Aufnahmen von charakteristischen Gefügen bei der Erhöhung von QT. Beim Abschrecken auf Raumtemperatur und nachfolgendem Partitionieren dominiert der feine lamellare Austenit (hell) zwischen den Martensitlanzetten im Gefüge. Dieser bildet sich nach Yuan et al. [3] während des Partitionierens an Austenit-Martensitund Martensit-MartensitKorngrenzen und führt zu einem Ansteigen der Austenitgehalte von 11% auf 41% (XRD), bzw. 33 % (LIMI). Bei dem als „kinetic freezing“ bezeichneten Effekt diffundiert Kohlenstoff schnell aus dem übersättigten Martensit in Richtung Austenit. Da die Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff im Austenit deutlich geringer ist, kann er sich nicht schnell genug in diesem verteilen [8]. Es kommt zu Anreicherungen von Kohlenstoff an den Korngrenzen, wodurch eine Austenit-Reversion stattfindet. Dieser feine, lamellare Austenit kann eine Dicke von wenigen Nanometer erreichen, was einen Nachweis mittels lichtmikroskopischer Methoden verhindert. Abbildung 5: Lichtmikroskopieaufnahmen (500x) nach Ätzung Mittels Beraha II: (a) QT = 25 °C, (b) QT = 65 °C (c) QT = 90 °C. Austenit – weiß, angelassener Martensit – schwarz, frischer Martensit – braun. (a) (b) (c) Pforzheimer Werkstofftag 2018 44 Durch das Erhöhen der Abschrecktemperatur bildet sich weniger Martensit im ersten Abschreckvorgang. Als Folge sind auch im finalen Gefüge große, globulare Austenitgebiete die dominierenden Phasenbestandteile. Da weniger AustenitMartensitund Martensit-Martensit-Korngrenzen vorhanden sind, nimmt der Einfluss der Austenit-Reversion an den Korngrenzen auf die finalen Austenitgehalte ab und die Stabilisierung von Restaustenit dominiert. Jedoch werden auch die Diffusionswege des Kohlenstoffs bei steigender Austenitkorngröße größer. Dies und der niedriger werdende, zur Verfügung stehende Kohlenstoff erschwert die Stabilisierung von Austenit bei erhöhter QT. Auch die in Abbildung 6 dargestellten Karbidausscheidungen während des Anlassens verringern zusätzlich den globalen Kohlenstoffgehalt im Gefüge. Ein vollständiges Unterdrücken von konkurrierenden Reaktionen ist somit nicht möglich, wodurch die Stabilisierung des Austenits zusätzlich verringert wird. Abbildung 6: Differentielle Längenänderung einer auf Raumtemperatur abgeschreckten Probe: Ausscheidung von Karbiden in der 1. und 3. Anlassstufe beim Aufheizen auf 450 °C. Pforzheimer Werkstofftag 2018 45 Zusammenfassung und Ausblick • Bei der Anwendung der Q&P-Wärmebehandlung auf den martensitischen Stahl 1.4034 hat die Abschrecktemperatur auf die finalen Austenitgehalte einen geringen Einfluss. • Es findet eine Überlagerung von Austenit-Reversion und Stabilisierung von Restaustenit statt. Bei niedrigeren Abschrecktemperaturen dominieren die Austenit-Reversion und die Bildung von feinem, lamellarem Austenit an den Korngrenzen. Höhere Austenitgehalte führen zu größeren Restaustenitkörnern, weniger Korngrenzen und längeren Diffusionswegen des Kohlenstoffs. • Der globale Kohlenstoffgehalt wird zusätzlich durch die Ausscheidung von Karbiden während des Partitionierens reduziert. In zukünftigen Untersuchungen sollen die Auswirkungen von QT < Raumtemperatur und zusätzlichen Legierungselementen auf die Reversion und Stabilisierung von Austenit untersucht werden. Pforzheimer Werkstofftag 2018 46 Danksagung Die Arbeiten innerhalb des ZAFH InSeL wurden durch die Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg finanziell unterstützt, wofür wir uns an dieser Stelle herzlich bedanken. Pforzheimer Werkstofftag 2018 47 Literatur [1] T. Hickel, S. Sandlöbes, R.K.W. Marceau, A. Dick, I. Bleskov, J. Neugebauer, D. Raabe, Impact of nanodiffusion on the stacking fault energy in highstrength steels, Acta Materialia 75 (2014) 147–155. [2] R. Elliott, K. Coley, S. Mostaghel, M. Barati, Review of Manganese Processing for Production of TRIP/TWIP Steels, Part 1: Current Practice and Processing Fundamentals, JOM 70 (5) (2018) 680–690. [3] L. Yuan, D. Ponge, J. Wittig, P. Choi, J.A. Jiménez, D. Raabe, Nanoscale austenite reversion through partitioning, segregation and kinetic freezing: Example of a ductile 2GPa Fe–Cr–C steel, Acta Materialia 60 (6-7) (2012) 2790– 2804. [4] J. Speer, D.K. Matlock, B.C. de Cooman, J.G. Schroth, Carbon partitioning into austenite after martensite transformation, Acta Materialia 51 (9) (2003) 2611–2622. [5] D.K. Matlock, J.G. Speer, Third Generation of AHSS: Microstructure Design Concepts, in: A. Haldar (Ed.), Proceedings of the International Conference on Microstructure and texture in steels: And other materials, February 5-7, 2008, Jamshedpur, India, Springer-Verlag London Ltd, Guildford, Surrey, 2009, pp. 185–205. [6] D.V. Edmonds, K. He, F.C. Rizzo, B.C. de Cooman, D.K. Matlock, J.G. Speer, Quenching and partitioning martensite—A novel steel heat treatment, Materials Science and Engineering: A 438-440 (2006) 25–34. [7] C.F. Jatczak, Retained Austenite and its Measurement by X-ray Diffraction, SAE Transactions (1980) 1657–1676. [8] J.G. Speer, D.V. Edmonds, F.C. Rizzo, D.K. Matlock, Partitioning of carbon from supersaturated plates of ferrite, with application to steel processing and fundamentals of the bainite transformation, Current Opinion in Solid State and Materials Science 8 (3-4) (2004) 219–237. Pforzheimer Werkstofftag 2018 48 Innovationen bei der Identifikation von Werkstoffen Prof. Dr.-Ing. Jörg Woidasky°* Prof. Dr.-Ing. Kai Oßwald° Prof. Dr.-Ing. Claus Lang-Koetz* °Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien *Institut für Industrial Ecology Hochschule Pforzheim Pforzheimer Werkstofftag 2018 49 Abstract Die genaue Bestimmung von Werkstoffen ist sowohl für produzierende als auch für Unternehmen der Entsorgungswirtschaft von hoher Relevanz. Der Vortrag stellt neue Ansätze aus den Forschungsund Entwicklungsarbeiten der Hochschule Pforzheim vor: Das für metallische Werkstoffe bewährte Verfahren der Funkenidentifikation wurde mit Hilfe moderner Messtechnik so modifiziert, dass nun ein schnelles, genaues und vergleichsweise preiswertes Verfahren bereitsteht. Dieser Ansatz kann z. B. zur Teilautomatisierung manueller Sortierarbeitsplätze der Schrottwirtschaft dienen. Für Polymerwerkstoffe wird ein Markierungssystem auf Basis anorganischer Additive vorgestellt. Diese in ppm-Konzentrationen zugemischten Additive emittieren nach Anregung im Infraroten sichtbares Licht („AntiStokes“-Fluoreszenz) und stellen so neben den konventionellen, produktoder werkstoffabhängigen Trennmerkmalen ein werkstoffunabhängiges Trennmerkmal bereit. Erste Erfahrungen mit dieser Technik für Verkaufsverpackungen liegen bereits vor. Pforzheimer Werkstofftag 2018 50 Innovationen bei der Identifikation von Werkstoffen Die Kreislaufführung von Werkstoffen generiert in Deutschland einen relevanten Beitrag zur Volkswirtschaft: Im Jahr 2016 lag der Umsatz der (umsatzsteuerpflichtigen) Entsorgungswirtschaft mit insgesamt 28.000 Beschäftigten bei etwa 31 Mrd. Euro. Davon machte die Recyclingwirtschaft mit 10,9 Mrd. Euro einen Anteil von 35 % aus [Destatis 2017]. Die wichtigsten Stoffströme der Recyclingwirtschaft sind dabei neben den Fe-Metallen (ca. 20 Mio Mg) und NE-Metallen (ca. 1,2 Mio Mg) auch Kunststoffe (ca. 6 Mio Mg), Papier (ca. 15 Mio Mg), Glas (ca. 2 Mio Mg), aber auch Textilen (ca. 1,3 Mio Mg) und Holz (ca. 7,7 Mio Mg) sind relevante Abfallströme. Hinzu kommen ca. 0,8 Mio Mg Elektroaltgeräte und ca. 0,25 Mio Mg Batterien und Akkumulatoren sowie ca. 0,5 Mio Mg Altfahrzeuge und 250 Mio Mg mineralische Abfälle [BDE 2018]. Insgesamt gelangten so in 2015 knapp 400 Mio Mg Abfälle in die Entsorgungswirtschaft, aus denen mit 195 Mio Mg Sekundärrohstoffen und (Ersatz)Brennstoffen knapp die Hälfte im Inland genutzt wurde (Abbildung 1). Abbildung 1: Stoffströme in der Abfallwirtschaft in Deutschland 2015 [BDE 2018] Pforzheimer Werkstofftag 2018 51 Die Verwertungsquoten der Stoffströme erfüllen derzeit formal sowohl die deutschen als auch die europäischen Anforderungen an die Kreislaufwirtschaft (Abbildung 2). Allerdings werden die derzeitigen Verfahren zur Bestimmung der (derzeit rein massenbezogenen) Verwertungsquoten als auch deren Höhen diskutiert und hinterfragt. Ein wichtiger Treiber ist die Europäische Union, die mit ihrem „Kreislaufwirtschaftspaket“ (Circular Economy Package) eine Intensivierung kreislaufwirtschaftlicher Ansätze vorantreiben will. Abbildung 2: Verwertungsquoten der wichtigsten Abfallarten in Deutschland [UBA 2018] Die Europäische Kommission sieht das Ziel der Kreislaufwirtschaft darin, „[…] den Wert von Produkten, Stoffen und Ressourcen innerhalb der Wirtschaft so lange wie möglich zu erhalten und möglichst wenig Abfall zu erzeugen.“ Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Überwachung und Quantifizierung der derzeitigen Stoffströme gefordert, um auf dieser Grundlage neue Prioritäten festlegen zu können. Insgesamt werden zehn Indikatoren für die Kreislaufwirtschaft definiert, von der Selbstversorgung der EU mit Rohstoffen bis hin zur Anzahl kreislaufwirtschaftsrelevanter Patente. Als ein wichtiges Element wird die Materialflussbetrachtung angesehen, die alle Rohstoffe (nach Materialkategorien aggregiert) und ihre Bewegung von ihrer Gewinnung bis zur endgültigen Beseitigung im europäischen Wirtschaftsraum beschreibt (vgl. Abbildung). Vorläufige Zahlen (für EU28 in 2014) liegen bei etwa 8 Mrd. Mg Rohstoffen auf der Input-Seite, die zur Produktion und Energieerzeugung dienen, und 2,2 Mrd. Mg Abfällen in Europa, von de- Pforzheimer Werkstofftag 2018 52 nen 0,6 Mrd. Mg als Sekundärrohstoffe erneut Einsatz finden. Die Kommission schließt daraus: „Diese Aspekte weisen auf ein erhebliches Verbesserungspotenzial hin, das genutzt werden kann, indem insbesondere der Anteil der Materialien, die zu Sekundärrohstoffen recycelt werden, erhöht und das Abfallaufkommen verringert wird.“ [COM 2018]. Auch in anderen Veröffentlichungen wird diese Diskrepanz zwischen Abfallaufkommen und erneut eingesetzten (Sekundär-) Rohstoffen diskutiert, hierfür wird der Begriff „Circularity gap“ verwendet und eine globale Recyclingrate von 9,1 % über alle Werkstoffe abgeschätzt [de Wit et al. 2018]. Die Europäische Union verfolgt derzeit in ihrem „Circular economy package“ einen sehr wirtschaftsund wertschöpfungsorientierten Ansatz und adressiert neben den Themenbereichen Produktion und Konsum vor allem die Abfallund Sekundärrohstoffwirtschaft: Es ist die Erhöhung der Recyclingquoten auf 65 % bei Hausmüll und auf 75 % bei Verpackungsabfällen bis 2030 vorgesehen. Auch sollen Qualitätsstandards für Sekundärrohstoffe geschaffen und Harmonisierungen der rechtlichen Regelungen an der Schnittstelle zwischen Chemikalien-, Abfallund Produktrecht vorgenommen werden. Als prioritäre Handlungsfelder der Kreislaufwirtschaft werden auf europäischer Ebene die Stoffströme Kunststoffe, Lebensmittelabfälle, Kritische Rohstoffe, Bauund Abbruchabfälle sowie Biomasse/biobasierte Produkte genannt [COM 2018a]. Die Entsorgungswirtschaft reagiert auf solche Ankündigungen und formuliert in einem Bericht des Bundesverbandes der Deutschen Entsorgungswirtschaft: „Die Kreislaufwirtschaft stellt sich zunehmend darauf ein, dass sich die Anforderungen und Spezifikationen von Abnehmern der Materialien weiter differenzieren und damit die Trenntiefe und Qualität dieser Materialien erhöht werden müssen. Die Materialvielfalt und neue Materialien auf Produktseite erfordern einen deutlich steigenden Sortierund Aufbereitungsaufwand. Daraus leitet sich die Notwendigkeit einer noch engeren Verzahnung von Produktionsund Kreislaufwirtschaft ab.“ [BDE 2018, S. 90] Aus Sicht der Aufbereitungstechnik bestehen für die Bereitstellung von sekundären, wie auch von primären Rohstoffen grundsätzlich die Aufgaben der der Anreicherung der Wertkomponente in einem Haufwerk (Änderung der Stoffzusammensetzung) sowie die Einstellung der auf die nachfolgenden Verfahren abgestimmten physikalischen Eigenschaften, insbesondere der Korngröße (Änderung der Stoffeigenschaften). Für die Anreicherung sind insbesondere die Sortierung (nach Dichte, magnetischen, elektrischen, Benetzungsoder optischen Eigenschaften) und Löse-/Laugeprozesse relevant. [Schubert 1989]. Im Folgenden werden Forschungsansätze und -ergebnisse für die Sortierung von Eisenlegierungen und von Kunststoffen vorgestellt Pforzheimer Werkstofftag 2018 59 Danksagung und Quellenangaben Die Autoren danken den Fördermittelgebern Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg (Vorhaben „AMIKA“) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung mit der Projektträgerschaft PTJ („MaReK“). Dank gilt auch den Projektpartnern Cronimet Ferroleg., v. a. Martin Geisler, Neyir Sevilmis vom Fraunhofer IGD und den Mitarbeitenden der Hochschule an diesen Vorhaben, darunter Christian Klinke, Alexander Becker, Ingo Lochmahr, Benjamin Fritz, Markus Schleicher und Christian Schober. Die Verantwortung für diese Veröffentlichung liegt bei den Autoren. [BDE 2018] Bundesverband der Deutschen Entsorgungs-, Wasserund Rohstoffwirtschaft e. V. (BDE, Hrsg.): Statusbericht der deutschen Kreislaufwirtschaft 2018 – Einblicke und Aussichten. Berlin, 2018 [COM 2018] Europäische Kommission (Hrsg.): MITTEILUNG DER KOMMISSION AN DAS EUROPÄISCHE PARLAMENT, DEN RAT, DEN EUROPÄISCHEN WIRTSCHAFTSUND SOZIALAUSSCHUSS UND DEN AUSSCHUSS DER REGIONEN über einen Überwachungsrahmen für die Kreislaufwirtschaft. COM (2018) 29 final, Straßburg, 16.1.2018 [COM 2018a] Europäische Kommission (Hrsg.): Circular Economy – Implementation oft he Circular Economy Action Plan – 2018 Circular Economy Package. http://ec.europa.eu/environment/circular-economy/index_en.htm, aufgerufen 30.7.2018 [de Wit et al. 2018] de Wit, M.; Hoogzaad, J., Ramkumar, S., Friedl, H.; Douma, A.: The circularity gap report. Januar 2018, https://www.circularitygap.world/report, aufgerufen am 30.7.2018 [Destatis 2017] Statistisches Bundesamt (Hrsg.): Umsätze in der Energie-, Wasserund Entsorgungswirtschaft 2016 um9,8% neidriger als 2015. Pressemeldung Nr. 472 vom 21.12.2017. https://www.destatis.de/DE/PresseService/Presse/Pressemitteilungen/2017/12 /PD17_472_432.html, aufgerufen am 30.7.2018 Pforzheimer Werkstofftag 2018 60 [Fritz 2018] Fritz, Benjamin (2018): Entwicklung eines Arbeitsplatzes zur Identifikation von Metallen im Recyclingprozess. Masterthesis vorlegt an der Hochschule Pforzheim, April 2018. [Habich 2014] Habich, U., Beel, H.: Modifizierung von Recyclingverfahren durch sensorbasierte Sortierung. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Goldmann, D.: Recycling und Rohstoffe. Band 7. TK-Verlag, Neuruppin, 2014, S. 471–482 [Hiebel 2016 Hiebel, M.; Nühlen, J.: Technische, ökonomische, ökologische und gesellschaft-liche Faktoren von Stahlschrott (Zukunft Stahlschrott), Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheitsund Energietechnik UMSICHT (Hrsg.), Onlinefassung der Kurzstudie im Auftrag der Bundesvereinigung Deutscher Stahlrecyclingund Entsorgungsunternehmen e.V. [Martens 2016] Martens, H,: Goldmann, D.: Recyclingtechnik. 2. Auflage. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2016, S. 57f. [Schubert 1989] Schubert, H.: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe. Band I. 4. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 1989 [UBA 2018] Umweltbundesamt (Hrsg.): Verwertungsquoten der wichtigsten Abfallarten in Deuschland. https://www.umweltbundesamt.de/daten/ressourcenabfall/verwertungsquoten-der-wichtigsten-abfallarten; aufgerufen am 30.7.2018 [Woidasky 2017] Woidasky, Jörg; Heyde, Michael; Sander, Immo; Moesslein, Jochen; Fahr, Martin; Richards, Bryce; Turshatov, Andrey; Lang-Koetz, Claus: Hochwertiges Recycling durch Tracer-Nutzung. Mit dem „Tracer-BasedSorting“-Ansatz sollen Verkaufsverpackungen zielgerichtet aus dem Abfallstrom abgetrennt werden. In: ReSource, 30. Jahrgang 2017, Heft 4, 2017, S. 24–28. Rhombos-Verlag, Berlin, ISSN: 1868-9531. Pforzheimer Werkstofftag 2018 61 Stand der Technik und industrielle Anwendungen in der Ultraschallprüfung Roger Marhöfer GE Sensing & Inspection Technologies GmbH Pforzheimer Werkstofftag 2018 62 Das Unternehmen Die Firma GE Sensing & Inspection Technologies GmbH mit ihrem deutschen Hauptsitz in Hürth bei Köln stellt Ultraschallanlagen und Tragbare Ultraschallgeräte her. Das Angebot umfasst ca. 5000 Standard-Ultraschallprüfköpfe, aber natürlich auch Prüfköpfe, die nach Kundenwunsch gefertigt werden. Weiterhin umfasst der Standort Hürth ein Servicecenter für Ultraschallgeräte und Endoskope. Weiterhin gibt es in Deutschland Standorte in Hannover und in Ahrensburg werden Röntgen-CT-Anlagen für die Industrie entwickelt und gefertigt. In Ahrensburg werden sowohl Durchleuchtungsanlagen als auch tragbare Röntgenanlagen für die Industrie gefertigt. Pforzheimer Werkstofftag 2018 63 Die konventionelle Ultraschallprüfung Mittlerweile ist die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall mehr als 60 Jahre alt. Aus den ersten Versuchen, mit Hilfe von Ultraschall-Schwingungen in den verschiedensten Materialien Fehler aufzuspüren, ist ein klassisches Prüfverfahren geworden, das auf Messungen beruht, die unter Berücksichtigung aller wesentlichen Einflussgrößen durchgeführt werden. Heute verlangt man von der Ultraschallprüfung, unterstützt durch die enormen Fortschritte in der Gerätetechnik, reproduzierbare Prüfergebnisse innerhalb enger Grenzen. Das setzt die genaue Kenntnis der Einflussgrößen voraus und die Fähigkeit, sie exakt in die Prüftechnik einfließen zu lassen. Nicht immer sind alle Einflüsse so gravierend, dass der Prüfer sie berücksichtigen muss. In vielen Fällen kann der eine oder andere Einfluss vernachlässigt werden, ohne dass die Messtoleranzen die erlaubten Grenzen überschreiten. Dadurch vereinfacht sich der Prüfablauf und die Prüfzeit wird reduziert. Trotzdem gehört die Zukunft dem qualifizierten Ultraschallprüfer, der seine Aufgaben verantwortungsbewusst durchführt und ständig bemüht ist, sein Wissen auf den neuesten Stand der Technik zu bringen. Warum „Ultraschall“ zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung? Neben den Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstückoberflächen, dem Farbeindringund Magnetstreuflussverfahren, kannte der Praktiker bis zum Anfang der fünfziger Jahre nur die Durchstrahlungsprüfung (mit Röntgengerät oder radioaktiven Isotopen) als Verfahren zum Nachweis von inneren Fehlern. Nach dem zweiten Weltkrieg wurde das von Sokolov 1935 erstmals beschriebene und von Firestone 1940 angewandte Ultraschallverfahren weiterentwickelt, so dass schon bald brauchbare Geräte für die Werkstoffprüfung mit Ultraschall zur Verfügung standen. Das Prinzip der Ultraschallprüfung beruht auf der Tatsache, dass insbesondere feste Stoffe Schallwellen gut weiterleiten. Dabei wird die Welle nicht nur an den Begrenzungsflächen eines Werkstückes reflektiert, sondern auch an inneren Fehlstellen (Materialtrennungen, Einschlüssen, usw.). Die Wechselwirkung der Schallwelle mit dem Material ist umso stärker, je kleiner die Wellenlänge, also je höher die Frequenz der Welle ist. Pforzheimer Werkstofftag 2018 64 Funktionsweise Auffinden von Ungänzen Das eigentliche „Werkzeug“ des Ultraschallprüfers ist der Prüfkopf Senkrechtprüfkopf (Schnitt) Quelle: Grundlagen der Ultraschallprüfung Sonderdruck KK 218 Flächiger Fehler – Senkrechtprüfkopf Quelle: Grundlagen der Ultraschallprüfung Sonderdruck KK 218 Winkelprüfkopf (Schnitt) Quelle: Grundlagen der Ultraschallprüfung Sonderdruck KK 218 Pforzheimer Werkstofftag 2018 65 Flächiger Fehler – Winkelprüfkopf Quelle: Grundlagen der Ultraschallprüfung Sonderdruck KK 218 Der piezoelektrische Wandler, angeregt durch eine extrem kurze, elektrische Entladung, sendet einen Ultraschallimpuls aus. Der gleiche Wandler erzeugt andererseits wieder ein elektrisches Signal, wenn er durch ein ankommendes Schallsignal zu schwingen beginnt. Der Prüfkopf wird mit einer Flüssigkeit oder einer Koppelpaste an die Werkstückoberfläche angekoppelt, damit die Schallwellen vom Prüfkopf in das Werkstück übertragen werden können. Dann tastet der Prüfer das Werkstück ab, d.h. er bewegt den Prüfkopf gleichmäßig auf der Oberfläche hin und her. Dabei achtet er auf Signale, die durch Reflexion von inneren Ungänzen oder wie im Bild unten durch eine planparallele Rückwand kommen könnten. Jeder Prüfkopf hat eine bestimmte Richtwirkung, d. h. die Ultraschallwellen erfassen nur einen bestimmten Ausschnitt des Prüfstücks. Der für die Ultraschallprüfung wirksame Bereich heißt das Schallbündel, das charakteristisch für den benutzten Prüfkopf und den Werkstoff ist, in dem sich die Schallwellen ausbreiten. Ein Schallbündel lässt sich grob in einen konvergenten (fokussierenden) Bereich, dem Nahfeld, und einen divergenten (auseinanderlaufenden) Bereich, dem Fernfeld, unterteilen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 66 Rückwandecho bei Skt.8 Quelle: Grundlagen der Ultraschallprüfung Sonderdruck KK 218 Schallbündel Quelle: Grundlagen der Ultraschallprüfung Sonderdruck KK 218 Die Länge N des Nahfeldes (Nahfeldlänge) und der Öffnungsoder Divergenzwinkel hängen vom Durchmesser des Wandlers, seiner Frequenz und der Schallgeschwindigkeit des Ausbreitungsmediums ab. Den Mittelstrahl bezeichnet man als die akustische Achse. Bei der Auswahl eines Prüfkopfes zur Lösung einer bestimmten Prüfaufgabe, spielt die Form des verwendeten Schallbündels natürlich eine wichtige Rolle. Oft reicht es jedoch aus, nur die akustische Achse zu zeichnen, um zu zeigen, wie die Lösung einer Prüfaufgabe aussieht. Pforzheimer Werkstofftag 2018 67 Wellenarten, die für die Ultraschallprüfung interessant sind Die meisten Standard-Senkrechtprüfköpfe senden und empfangen Longitutinalwellen (Druckwellen) Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sich die Schwingungen in Form von Verdichtungen und Verdünnungen in allen Materialien (Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen) ausbreiten. Senkrechtprüfköpfe gibt es in großer Auswahl in den unterschiedlichsten Größen mit Frequenzen von ca. 0,5 MHz bis 25 Mhz. Man kann mit ihnen Reichweiten bis 10 m und mehr erzielen und somit auch die größten Werkstücke prüfen. Die meisten Standard-Winkelprüfköpfe senden und empfangen aus technischen Gründen Transversalwellen oder Scherwellen. Bei einer Transversalwelle schwingen die Atome (Moleküle) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle, da die Anregung durch Scherkräfte (quer zur Ausbreitungsrichtung gerichtete Kräfte) erfolgt. Transversalwellen haben außerdem die Eigenschaft, dass sie nur in festen Stoffen auftreten können, also niemals in Flüssigkeiten und Gasen, da diese keinen Schermodul besitzen, also hier auch keine Scherkräfte wirken können. Darüber hinaus breiten sie sich wesentlich langsamer aus, als die Longitudinalwellen im gleichen Werkstoff. Pforzheimer Werkstofftag 2018 68 Die Phased Array Technik Das Prinzip der Phased Array Technik Wir vergleichen einen konventionellen Schwinger mit einem Array. In diesem Array sind 64 einzelne Elemente vereint. Jedes der einzelnen Elemente stellt einen eigenen Ultraschallschwinger mit seiner definierten Größe dar. Die einzelnen Elemente des Arrays werden zeitlich versetzt angesteuert. Es ist auch möglich einzelne Gruppen innerhalb eines Arrays nacheinander anzusteuern. Sie bilden mit ihrer Gesamtgröße die Größe des einzelnen Schwingers ab. Pforzheimer Werkstofftag 2018 75 Variothermie 4.0 – Turbotherm® Verfahren zur dynamischen Werkzeugtemperierung im Spritzzyklus sind schon seit längerer Zeit bekannt und im Einsatz. Die bisher entwickelten Verfahren unterscheiden sich teilweise stark in ihrem jeweiligen Wirkprinzip und ihrer Handhabung. Das von Varioplast in Zusammenarbeit mit der Hochschule Pforzheim entwickelte neue Verfahren ist in die Gruppe der externen Systeme einzuordnen, d. h. es kann auch nachträglich an jedem bestehenden Werkzeug ohne weiteres eingesetzt werden. Neu ist hierbei das verwendete Medium zur Wärmeübertragung, nämlich gewöhnliche Luft mit einer Temperatur von bis zu 900°C. Diese wird unter definierten Pforzheimer Werkstofftag 2018 76 geometrischen Bedingungen über eine formspezifische Düse, bei größtmöglicher Turbulenz, auf den erforderlichen Bereich der Kavitätsoberfläche aufgebracht. Durch die große Temperaturdifferenz zwischen Luft (bis 900°C) und Stahloberfläche der Kavität (i. d. R. 30-150°C), hoher Strömungsgeschwindigkeit und dadurch hohem Grad an Turbulenz, wird ein optimaler Wärmeübergang erreicht. Dies resultiert in einer kurzen Zeitspanne zum Erreichen der erforderlichen Oberflächentemperatur an der Kavität. Es wird aktuell ein Temperaturanstieg von 5-12 K/sec erreicht. Die erforderliche Heizdauer ist somit anwendungsabhängig und hängt im Wesentlichen von der Ausgangstemperatur der Kavität, der erforderlichen, werkstoffabhängigen Zieltemperatur und der Oberflächenstruktur im Erwärmbereich ab. So erhöht sich mit steigender Rauheit auch der übertragbare Wärmestrom. Pforzheimer Werkstofftag 2018 77 Eigenschaften des Turbotherm® Verfahrens Die Vorteile des neuen Verfahrens sind umfangreich. Zum einen wird durch die Kombination unterschiedlicher Maßnahmen ein durchschnittlicher Leistungsbedarf von nur ca. 1,4 kW beim 3,6 kW-650°C-Modul erreicht, welches ideal geeignet ist um in kurzer Zeit den optischen Effekt z. B. einer Bindenaht zu beseitigen. Die Einflusszone beträgt hier Ø 50-70 mm. Wird eine kleinere bzw. größere Fläche benötigt, kann die Leistung entsprechend skaliert werden. Verfügbare Leistungen liegen zwischen 400 W und 40 kW, aufgeteilt in fünf Baugrößen. Dabei können Lufttemperaturen von bis zu 900°C erzeugt werden: bei Volumenströmen von 203000 L/min am Düsenausgang. Jedoch ist auch hier der durchschnittliche Bedarf aus dem Druckluftnetz aufgrund technischer Maßnahmen um ein Vielfaches geringer (ca. 2 bis 200 L/min bei 6 bar). Abbildung 2: Bindenaht aus konventionellem Verfahren Abbildung 3: Bindenaht optimiert durch Turbotherm® 70 80 90 100 110 120 130 140 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 Temperaturen °C Energieverbrauch KW Zeit s Energieverbrauch Temperaturen 0 3 2 1 Abbildung 1: Verlauf von Werkzeugtemperatur und elektrischer Leistung Pforzheimer Werkstofftag 2018 78 Neue Materialkonzepte und Funktionalisierung im Dialog für intelligente Strukturen und Ressourceneffizienz Prof. Dr.-Ing. Ingolf Müller 1) Philipp Bauer M.Sc. 1) 2) 1) Hochschule Pforzheim, Fakultät für Technik, Bereich Maschinenbau Professur für Festigkeitslehre und Leichtbau 2) LCT – Lightweight & Composite Technologies, Eriskirch (Bodensee) Pforzheimer Werkstofftag 2018 79 Kurzfassung Ressourceneffizienz, Reduktion der CO2-Emissionen und Erhöhung von Nutzlasten bei gleichzeitig hoher Sicherheit, gesteigerter Wirtschaftlichkeit, intelligenter Funktionalität und zunehmendem Komfort – das sind die zentralen Herausforderungen, denen sich der Maschinenbau und insbesondere die Automobilindustrie derzeit gegenübersieht. Zur Erreichung dieser Ziele, auch mit Blick auf das angestrebte autonome Fahren, haben neue Materialkonzepte eine Schlüsselstellung. Hierbei liegt der Fokus nicht nur auf dem Einsatz neuer oder alternativer Werkstoffsysteme, sondern – im besten Falle – auf der Verknüpfung dieser Materialen mit der Elektrotechnik, der Informatik und der Adaptronik, um leichte, lastoptimierte Bauteile mit neuartigen, intelligenten Funktionen zu ermöglichen. Besonders gut lassen sich solche neuen Materiallösungen auf der Basis von speziell angepassten endlosfaserverstärkten Kunststoffen erschaffen. Auf der anderen Seite steht eine Reihe von traditionellen und modernen Werkstoffsystemen wie hochfeste Stähle, Leichtmetalle, Kunststoffe und faserverstärkte Kunststoffe im Wettbewerb zueinander. In Abhängigkeit der wesentlichen Konzeptparameter – mechanische/thermische Anforderungen, Kosten, Stückzahl, Bauweise, etc. – muss eine systematische Werkstoffauswahl des am besten geeigneten Materials erfolgen. Die jeweilige konkrete Anwendung und Bauweise gibt das optimale Materialkonzept vor. Dementsprechend sind für zukünftige Konzepte häufig Mischbauweisen zu erwarten, die für spezielle Funktionen die Eigenschaften bestimmter Werkstoffe gezielt zur Funktionsdarstellung nutzen. Hieraus ergeben sich neben den zu erwartenden Vorteilen eine Reihe von Herausforderungen wie Fügetechnik (Auslegung, Automation und Handhabung), physikalische/chemische Unterschiede („Delta Alpha“-Problematik, Korrosion), etc., die detaillierte Betrachtungen und zweifellos weitere Entwicklungen, gerade auch im Bereich der numerischen Simulation und Produktionstechnik, erfordern. Im Folgenden sollen überblicksartig grundlegende Thesen zur Entwicklung von Materialsystemen für den intelligenten Leichtbau diskutiert werden, die im Rahmen des Vortrages erweitert und mit Beispielen veranschaulicht werden. Pforzheimer Werkstofftag 2018 80 Status Quo Die Bedeutung von Leichtbau hat sowohl im Automobilbau als auch im allgemeinen Maschinenbau in den vergangenen Jahren erheblich gewonnen. Der starke Trend ergibt sich einerseits aus dem Kundenwunsch nach geringerem Energieverbrauch und damit Kostenreduktion, ist aber auch im Automobilbereich verbunden mit den vor der Tür stehenden Strafzahlungen der Hersteller bei Nichteinhaltung der Grenzwerte von CO2-Emissionen. Dazu kommt das Umdenken der Gesellschaft hinsichtlich eines nachhaltigen Umgangs mit vorhandenen Energieressourcen. Abbildung 1: Typische werkstofftechnische Herausforderungen zur Reduktion von CO2Emissionen im Automobilbau Bei aktuellen Leichtbaustrukturen werden häufig mit Blick auf die Ressourceneffizienz bislang noch keine optimalen Ergebnisse erzielt. Hier werden zumeist verhältnismäßig teure Leichtbauwerkstoffe eingesetzt, deren Strukturund Fertigungskonzepte längst nicht komplett entwickelt und optimal umgesetzt sind. Folgende Punkte lassen sich gerade im Automobilbereich beobachten: § hoher Materialeinsatz/geringe Materialausnutzung o durch nicht lastgerechten Einsatz von anisotropen Materialien o häufig werden subtraktive Fertigungsprozesse angewendet, bei denen sich eine große Menge der hochwertigen Leichtbauwerkstoffe (beispielsweise hoher Verschnitt bei Faserverbundwerkstoffen) nicht im finalen Produkt wiederfindet, sondern als Abfall entsorgt werden muss Pforzheimer Werkstofftag 2018 81 § häufig sind Leichtbaukonzepte für Massenanwendungen noch unwirtschaftlich o gerade im Pkw-Segment sind Kunden in der Regel nicht bereit einen Mehrpreis für Leichtbau zu zahlen o fehlende Prozesssicherheit und Fertigungseffizienz sind Kostentreiber § Leichtbauansätze, insbesondere mit Faserverbunden, scheitern teilweise an fehlender Kundenakzeptanz o wenig hochbelastete Strukturbauteile aus Faserverbunden o Faserverbund als Sicherheitsbauteil im Fahrwerk bislang kaum im Einsatz bei Großserien Der zukünftig noch zunehmende Kostendruck durch steigende Kundenerwartungen an Einsparungseffekte auf der einen Seite und an die Integration eines Mehrwertes durch Funktionsintegration, Weiterentwicklung, Ressourceneffizienz auf der anderen Seite verlangt zukünftig weitere Entwicklungen hin zu einem intelligenten und systematischen Leichtbau, der bereits grundlegend durch die Werkstoffund Konzeptauswahl gestaltet wird. Bereits heute lassen sich eine Reihe von Trends für diese Entwicklungen erkennen, die im Folgenden kurz dargestellt werden sollen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 82 These #1: Leichtbau wird Wettbewerb der Werkstoffe Eine weitere Verbesserung von Komponenten mit dem Ziel einer Performancesteigerung oder der Massereduktion des Gesamtsystems ist häufig allein mit metallischen Werkstoffen nicht mehr wirtschaftlich darstellbar. Mit Kurzoder Endlosfasern verstärkte Kunststoffe stehen daher in vielen Bereichen, wie der massebezogenen Steifigkeit oder Festigkeit sowie der Designund Gestaltungsvielfalt, in verschärftem Wettbewerb zu den metallischen Leichtbauwerkstoffen. Folglich erhält in letzter Zeit der Einsatz von faserbasierten Leichtbauwerkstoffen für automobile Serienanwendungen mit größeren Stückzahlen zunehmende Aufmerksamkeit, insbesondere für Anwendungen im Bereich der Karosserie. Für die hochbelasteten Bauteile von Fahrwerksstrukturen sowie die speziellen Anforderungen in Getrieben hingegen haben sich bislang nur vereinzelt Anwendungen von Faserverbundwerkstoffen durchsetzen können. Hierbei gelten vor allem fehlende oder ungenaue Materialkennwerte, aufwendige Auslegungs-, Erprobungsund Freigabeprozesse, sehr lange Taktzeiten und damit verbundene hohe Fertigungskosten sowie mangelnde Prozesssicherheit für hohe Bauteilqualitäten immer noch als Hemmnis für den substanziellen Einsatz dieser Werkstoffe. Aber auch im Bereich der Stahlwerkstoffe werden erhebliche Potenziale für Leichtbauanwendungen entwickelt. Beispielsweise lassen sich durch den Einsatz von Presshärten, d. h. Umformen und Härten in einem Schritt, präzise und hochfeste Produkte aus sehr dünnem Stahlblech herstellen. Auch die Anwendung von Sonder-Carbonitrier-Behandlungen zeigt ein deutliches Potential für Festigkeitssteigerungen beim Abwälzen, was eine geringere Baugröße zulassen würde. Die Werkstoffauswahl spielt eine Schlüsselrolle für die Wirtschaftlichkeit und Funktionalität eines Produkts. Einerseits machen die Aufwendungen für den Werkstoff und dessen Verarbeitung einen wesentlichen Anteil der Produktkosten aus und andererseits muss der Werkstoff die Beanspruchungen sicher abtragen können. Diese beiden Werkstoffanforderungen reichen in der Regel nicht aus, um heute ein wettbewerbsfähiges Produkt zu entwickeln. Hinzu kommt eine Reihe von Anforderungen, welche sehr stark durch die aktuellen Trends in der Gesellschaft und im Unternehmensumfeld geprägt werden. Dies sind beispielsweise Anforderungen an die Masse, an die Nachhaltigkeit oder an die Individualisierungsmöglichkeit eines Werkstoffs. Hinzu kommen Anforderungen aus der Gesetzgebung, aus der Umweltverantwortung und der fortschreitenden Globalisierung der Märkte. Pforzheimer Werkstofftag 2018 83 Insofern ist einer ganzheitlichen Potenzialanalyse sowie einer systematischen Werkstoffund Konzeptauswahl große Bedeutung für den späteren Produkterfolg beizumessen. Bei der grundlegenden Konzeptentwicklung stellt sich dabei häufig die Frage, welcher Werkstoff oder welches Werkstoffsystem am besten für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Dies ist insofern nicht selten eine komplexe Aufgabe, da schätzungsweise 40.000 metallische und noch einmal so viele nichtmetallische Werkstoffe [1] als potentielle Konstruktionswerkstoffe zur Verfügung stehen und kommerziell verfügbar sind. Eine systematische Materialauswahl, beispielsweise anhand der Ashby-Systematik [1], bietet hier ein effektives Werkzeug, um das richtige Materialkonzept für ein Produkt zu finden. Pforzheimer Werkstofftag 2018 84 These #2: Leichtbau wird Multi-Material-Design (MMD) In den meisten Fällen führt die intelligente Kombination unterschiedlicher Werkstoffe im Produkt zu innovativen und zukunftsweisenden Lösungen, welche sowohl bei Leichtbau, Performance, Funktionsintegration und Wirtschaftlichkeit besondere Wirkung erzielen kann. Dieser sogenannte hybride Leichtbau – unter Einbeziehung faserverstärkter Materialien – steht momentan noch in den Anfängen seiner Anwendung und kann derzeit noch nicht sein volles Potenzial ausschöpfen. Eine Hybridisierung kann hierbei in vielerlei Hinsicht erfolgen: werkstoffhybride Strukturen, Material-Mix-Strukturen, fertigungshybride Strukturen etc. Allen diesen Ansätzen ist gemein, dass erhebliche Anforderungen an den Anwender gestellt werden – insbesondere auch bei der Auswahl eines geeigneten Konzeptes. Es herrscht für jede Komponente bzw. an jeder Stelle eines Produktes der oben beschriebene Wettbewerb der Werkstoffe, um eine wettbewerbsfähige Lösung hinsichtlich Eignung, Performance, Lebensdauer, Kosten, Ökologie etc. zu erzielen. Falls dies gelingt entstehen Strukturen mit dem optimalen Werkstoff an jeder Stelle des Produktes. Eine Multi-Material-Bauweise wirft neben den genannten Vorteilen auch eine Reihe von Problemen wie Fügetechnologien, unterschiedliche Wärmedehnungen der Werkstoffe („Delta Alpha“-Problematik), Kontaktkorrosion, Automatisierbarkeit, Recycling etc. auf. Ein wesentlicher Aspekt ist außerdem die Entscheidung wie viele unterschiedliche Werkstoffe in einer Struktur vereinigt werden sollen. Dieser Aspekt beschreibt das Spannungsfeld zwischen einem optimalen Materialeinsatz an jedem Ort einerseits und einer wirtschaftlichen Bauweise andererseits. Es hat sich gezeigt, dass in der Regel eine Zwei-Material-Struktur den Viel-MaterialKonzepten vorzuziehen ist. Neben der derzeitigen Problematik von hohen Werkstoffund Fertigungskosten bei einer Multi-Material-Bauweise, verhindert insbesondere auch die mangelnde Integrationsfähigkeit der Fertigung in bestehende Prozesse aktuell noch einen breiten Einsatz. Dennoch sind derartige Konzepte als Schlüsseltechnologie für die zukünftige Produktentwicklung zu sehen und müssen entsprechend in allen relevanten Aspekten untersucht und beherrscht werden. Pforzheimer Werkstofftag 2018 91 Abstract Als Charlie Chaplin sich in seinem Film "Modern Times" mit der industriellen Produktion und den damit verbundenen Arbeitsbedingungen auseinandersetzte, wurde neben den sozialkritischen Aspekten einer modernen Produktion deutlich, dass Energiefragen für die Automatisierung von Anlagenund Anlagenkomponenten weit im Hintergrund standen. Im Vordergrund des 1936 entstandenen Films stand der Bezug von Mensch zur Maschine. Inzwischen, nach mehr als einem dreiviertel Jahrhundert, nachdem die Automatisierung längst allgegenwärtig in der industriellen Praxis zu finden ist, werden Energieund Ressourceneffizienz als wesentliche Merkmale einer nachhaltigen Produktion gesehen. Die Erkenntnis ist, dass nur eine umweltschonende Produktion und damit eine ressourcenschonende Produktion mit innovativen und energieeffizienten Materialien zukünftigen Generationen eine Klimakatastrophe ersparen kann. Die aktuellen Diskussionen um Industrie 4.0 lassen die automatisierte Produktion in einem digitalisierten Umfeld in einem neuen Licht erscheinen. Gleichzeitig wird im Zusammenhang mit diesen Diskussionen deutlich, dass neben den Aufgaben um effiziente Abläufe auch in den Materialien selbst ein wesentliches Potential für die Energieeinsparung gesehen wird. Wir befinden uns im Jahr 2036, "Modern Times" hat seinen hundertsten Geburtstag gefeiert. Materialien werden erdacht und als digitale Materialien produziert, die die Anforderungen an eine zu realisierende Physik, sei es Festigkeit, Wärmeund Stoffübertragung oder auch Elektromechanik zu erfüllen haben. Durch die additive Fertigung wie den 3D-Druck werden diese Materialien bedarfsgerecht hergestellt. Materialkomposite werden durch Algorithmen synthetisch als Druckvorlage hergestellt, so können Materialien direkt an den Bedarf angepasst werden. Wachstumsund Optimierungs-Algorithmen sorgen für eine dynamische Anpassung der Strukturen an geänderte Bedingungen: ein selbstregulierender Prozess für High-TechMaterialien. Fiktion oder zukünftige Realität? In dieser Abhandlung wollen wir auf dieses Thema näher eingehen und verschiedene synthetische Materialentwürfe für unterschiedliche Prozesse vorstellen. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie aus unterschiedlichen Geometrien, die aus völlig andersartigen Disziplinen entliehen sind, durch Kombination, Modifikation und Optimierung völlig neuartige Materialien geschaffen werden können. Darüber hinaus werden wir zeigen, wie digitale Modelle für numerische Berechnungen aufbereitet und einer Bewertung für unterschiedliche physikalische Prozesse unterworfen werden können - und dies geschieht lange im Vorfeld von experimentellen Untersuchungen. Welcome to modern times. Pforzheimer Werkstofftag 2018 92 gestern - heute - morgen „Gestern oder früher war die Welt noch in Ordnung“. Dies oder Ähnliches hört man bei diversen Gesprächen mit älteren Leuten, die oftmals im Geschwindigkeitsrausch der technologischen Errungenschaften ihren Platz verloren haben. Sie erinnern sich an eine Welt im wirtschaftlichen Wachstum, die Umwelt weitgehend intakt, das Klima lädt zum Urlaub ein, die soziale Marktwirtschaft schafft ein fragiles Gleichgewicht zwischen Ökonomie, Gesellschaft und Sozialem. Als der Club of Rome im Jahre 1972 durch den Bericht „Grenzen des Wachstums“ [1] ins Scheinwerferlicht der Weltöffentlichkeit geriet und zwar mit der zentralen Aussage, dass schwindende Rohstoffe und massive Verschmutzung bei gleichbleibendem Wachstum zu einem Kollaps der globalen Systeme führen würde, war man schockiert. Inzwischen wird in diesem Zusammenhang vom ökologischen Fußabdruck der Menschheit gesprochen, den diese auf der Erde hinterlässt. Die Autoren des Berichts "Grenzen des Wachstums" vom Massachusetts Institute of Technology beschäftigten sich mit den Themen Bevölkerungswachstum, Rohstoffverbrauch, Rohstoffressourcen und Umweltverschmutzung. Sie legten bereits 1972 Hochrechnungen auf Basis des World3-Modells vor, die insbesondere die Parameter Bevölkerungswachstum, industrielles Wachstum, Nahrungsmittelproduktion und Grenzen des Ökosystems der Erde miteinander kombinieren. Die Ergebnisse dieser Studie sind jetzt nach fast 50 Jahren durchaus plausibel, wenn auch das Computermodell durch statische Parameter die komplexen und dynamischen Zusammenhänge nicht genau genug erfassen konnte. Charlie Chaplin als Fabrikarbeiter in seinem Film "Modern Times" wirkt in diesem als Verlierer und mehr noch als Opfer technischer Entwicklungen. Durch die Situationskomik im Zusammenhang mit der automatischen „Füttermaschine“ (siehe Abb. 1) werden die technischen Fortschritte zudem in Frage gestellt. Im Zentrum der Kritik steht die seit der industriellen Revolution bedeutende Frage wie die Interaktion von Mensch und Maschine „menschlicher“ gestaltet werden kann. Energieund Umweltfragen stehen hierbei noch im Hintergrund. Wie konnte er auch wissen, dass 36 Jahre später zusätzliche und zudem globale Probleme als ernstzuAbb. 1: Charlie Chaplin in "Modern Times" als Versuchskandidat für einen Essautomaten [2]. Pforzheimer Werkstofftag 2018 93 nehmende Prognose aufgezeigt werden. Wenn wir nun einen Bogen von "Modern Times" nach heute spannen, dann müssen wir feststellen, dass die Welt von heute an Komplexität derart zugenommen hat, dass die verschiedenen Parameter, die das Weltklima beeinflussen nur schwer erfasst werden können. Neben dem Bevölkerungswachstum, das eine industrialisierte Landwirtschaft nach sich zieht, können wir eine enorme Zunahme an globaler Mobilität auf dem wirtschaftlichen wie auch privaten Sektor beobachten. Weltweit vernetzte Konzerne mit global verteilten Produktionsstätten für die Herstellung von Maschinen, Komponenten, Konsumgütern etc. benötigen Energieund Materialressourcen (Rohstoffe), Umweltressourcen (Wasser, Luft, Boden) sowie umfängliche Transportressourcen. Die Konsumenten, wir Menschen, zumindest in den reichen Industrienationen, haben uns an einen Energiestandard gewöhnt, der es uns erlaubt nahezu an jedem Ort Energieressourcen zu nutzen und wir sehen dies als selbstverständlich an. Die Finanzmärkte dominieren den weltweiten Handel und stellen ein nicht unerhebliches Risiko im globalen Wirtschaftssystem dar (siehe Finanzkrise 2008). Der Weltenergieverbrauch, sowie der Verbrauch an Ressourcen nimmt weiter zu und damit verbunden ist die Produktion von CO2 (u. a.) als Treibhausgas. Abb. 2 zeigt den weltweiten Energieverbrauch in Abhängigkeit der Energieträger und eine Prognose für die nächsten Jahrzehnte. Der Anteil der erneuerbaren Energieträger ist weltweit gesehen noch sehr gering. Im Zusammenhang mit dem Heute ist die notwendige Energiewende zu nennen, die inzwischen bei international geführten Klimagesprächen, wie z. B. auf dem Pariser Klima-Gipfel 2015 [3] als Maßnahme zur Eindämmung der Erderwärmung gesehen wird. Gleichwohl können die zugesagten Grenzen für den CO2-Ausstoß nur dann erreicht werden, wenn CO2-neutrale Energiequellen eingesetzt werden, erneuerbare Energien einen wesentlichen Anteil an dem Energiemix einnehmen, Energiespeicher zur erhöhten flexiblen Nutzung von Energie, Energieeinsparung Abbildung 2: Weltenergieverbrauch nach Energieträgern [4] Pforzheimer Werkstofftag 2018 94 und effizientere Produktionsverfahren und Materialien weltweit zum Einsatz kommen. Eine enorme Herausforderung, da die Energiewende hohe Investitionen benötigt, die von ärmeren Ländern nur schwer aufgebracht werden können. Es bedarf des Aufbaus einer dezentralen Energieerzeugung durch erneuerbare Energien und erfordert Speicherkonzepte, um den Zeitshift zwischen der Energieproduktion und dem Energieverbrauch zu überbrücken. Ein wichtiger Faktor wird oftmals bei den Diskussionen um die Energieerzeugung und den Energieverbrauch vernachlässigt. Ein wesentliches Element, das unabhängig vom CO2Ausstoß Klimaveränderungen nach sich ziehen kann, ist die massive Umweltverschmutzung, die die Biodiversität zerstört, Trinkwasser-Reservoire beschädigt, Böden kontaminiert und somit langfristig die landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion gefährdet, und dies bei dem aktuell prognostizierten Bevölkerungswachstum. Durch den Wegfall von natürlichen Grünflächen entfallen wesentliche CO2Absorber wie die Pflanzen. Dies betrifft auch die Korallenriffe, die exzellente CO2Absorber sind. Der vollständige Ersatz von fossilen Energieträgern durch erneuerbare Energiequellen ist aktuell undenkbar, da hierfür nicht hinreichend globale Konzepte existieren. Während viele Länder nach dem Vorbild Deutschlands Gesetze zur Einspeisevergütung eingeführt haben, lassen sich insbesondere in China enorme Entwicklungen hin zu den erneuerbaren Energien beobachten. China hat bereits 2009 ein green-transition-Programm verabschiedet, das dazu verpflichtet die Luft in seinen Städten zu säubern und die CO2-Intensität bis 2020 um 40 % gegenüber dem Niveau von 2005 zu senken [5]. Dieses Ziel wurde bereits 2017 erreicht [6]. Ein weiteres Beispiel für einen innovativen Energieansatz eines Unternehmens zeigt Tesla. Tesla als ursprünglicher Batteriehersteller bietet neben E-Fahrzeugen auch Solaranlagen und Stromspeicher für die Käufer von Tesla’s an [7]. Dies sind innovative Wendungen, die durchaus neben vielen anderen Beispielen aufzeigen, dass Lösungen für die CO2-Reduktion existieren. Eine Studie der Universitäten Stanford und UC Berkeley [8] behauptet, dass es möglich sei, bis 2050 einen totalen Ausstieg für 139 Länder der Welt aus fossilen Brennstoffen zu erreichen. Die zentrale Frage, die sich uns stellt ist, ob die zur Verfügung stehende Zeit ausreicht, um den Klimawandel hinreichend zu begrenzen. Durch die moderne und umfangreiche globale Erfassung von meteorologischen Daten und detaillierte Analysen dieser Daten lassen sich verfeinerte Modelle entwickeln, um Klimaentwicklungen vorherzusagen. Diese wiederum können allen Staaten der Welt helfen geeignete Strategien zu entwickeln, die systemischen Parameter (Interaktion zwischen Gesellschaft, Wirtschaft und Ökologie) mit zu berücksichtigen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 95 Bei allen Energiekonzepten werden Materialien eingesetzt, die im Falle von z. B. Li-Ionen-Batterien die Elektroden und das Elektrolyt oder im Falle von Wärmeüberträgern und Wärmespeichern wärmeleitende Strukturen betreffen. Diese grundlegende Erkenntnis, dass Materialien als Grundbaustein von komplexen Systemen eingesetzt werden, ist evident. Welche Rolle spielen nun bei den Energiefragestellungen von heute die Materialien und welche Materialien werden für das Morgen benötigt, um energieeffizient, nachhaltig und ökologisch verträglich die energetische Zukunft zu gestalten? Welche Rolle spielt hierbei der Innovationsgedanke und welche Ansätze für modern times im Jahre 2036 sind denkbar? Im nächsten Abschnitt widmen wir uns der Fragestellung der Innovation und der Materialeffizienz, um dann im darauffolgenden Abschnitt die Ansätze für zellulare, aus der Natur entliehenen Materialentwürfe der Zukunft vorzustellen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 96 Innovation von heute und morgen Innovation allein als Element für das Wirtschaftswachstum zu sehen ist sicherlich in Anbetracht der Komplexität von Energieverbrauch, Umwelt und Entwicklung der Weltbevölkerung zu kurz gedacht. Abb. 3, linke Abbildung, zeigt den klassischen Innovationsansatz, der als Schnittstelle zu Gesellschaft, Industrie und Universität angesiedelt ist, und den Markt, die Bedarfe und die Erfindung vereinigt, um somit neue Produkte, Verfahren etc. etablieren zu können [9]. Es ist sicherlich richtig, dass hierbei die Gesellschaft als wesentliches Element des Innovationsgedankens in Form von Bedarfen integriert ist. Allerdings fehlt die Natur als wesentliche Basis unserer Existenz. Wir müssen den Innovationsgedanken revolutionieren und die Ökologie in den Innovationsansatz integrieren. Inspirationen aus der Natur nutzen, um gleichberechtigt Synergien zwischen den wirtschaftlichen Prozessen, den eingesetzten Materialien, der landwirtschaftlichen Nahrungsproduktion und der Nutzung von Umweltressourcen herzustellen. Der klassische Innovationsbegriff geht davon aus, dass eine Idee durch Wissensinstanzen validiert und durch Ökonomen hinsichtlich der gesellschaftlichen Bedarfe und auf Marktfähigkeit überprüft wird. Die neue Innovation – nennen wir diese die „aufgeklärte Innovation“ ("enlightened innovation") – benötigt ein weiteres Standbein. Dieses können wir Umwelt, Ökologie oder Natur nennen. Dieser erweiterte Innovationsbegriff ermöglicht bei der Validierung einer Idee den Einfluss der daraus möglichen Technologie auf die Ökologie. Im Falle von Kernreaktoren z. B. würden durch den Ökonom nicht nur die wirtschaftliche Verwertbarkeit untersucht, sondern auch die Kosten der Gesundheitsund Umweltschäden, die durch einen Kernreaktorunfall entstehen können Abbildung 3: Klassischer Innovationsansatz (links), Aufgeklärter Innovationsansatz unter Einbeziehung der Umwelt (rechts) [9, Kneer]. Pforzheimer Werkstofftag 2018 97 bzw. welche Kosten beim Abbau dersselben entstehen, in Betracht gezogen. Wir nennen diesen neuen Innovationsgedanken „aufgeklärte Innovation“, da es einer Aufklärung bedarf, um diese neue Innovation in das Heute und Morgen in Lehre, Forschung, Industrie und Gesellschaft zu integrieren. Abb. 3, rechte Abbildung zeigt das erweiterte Innovationssystem durch den Baustein Umwelt. Die aufgeklärte Innovation als zentrales Bindeglied zwischen den einzelnen Bereichen berücksichtigt die Umweltaspekte einer neuen Technologie. Dadurch werden potentielle Schäden an der Umwelt und somit auch an dem Menschen vorab analysiert und nur derartige Technologien, die alle Bewertungskriterien erfüllen, können weiterentwickelt werden. Im Zusammenhang mit den „energy efficient modern materials“ die im Abschnitt behandelt werden, sind diese Kriterien ebenso umfänglich anhand des aufgeklärten Innovationsprinzips zu untersuchen. Eine detaillierte Analyse der „modern materials“ ist im Rahmen des hier vorgestellten Artikels allerdings nicht vollumfänglich nicht möglich, soll aber zumindest als anregende Inspiration dienen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 98 Energy efficient materials - virtual material design Wenn über energieeffiziente Materialien gesprochen wird, ist es oftmals nicht eindeutig was damit gemeint ist. Hilfreich hierbei ist zwischen der Herstellung und der Anwendung von Materialien zu unterscheiden. Eine energieeffiziente Herstellung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Energieaufwand zur Bereitstellung von Rohmaterial wie z. B. Stahl, Kupfer, Aluminium, Benzin etc. gering im Vergleich zu den Vorteilen des erzeugten Materials ist. Im Falle z. B. von Aluminium ist bekannt, dass der Herstellprozess sehr energiereich ist und somit große Mengen an „verstecktem“ CO2 (durch die Herstellung) entstehen. Allerdings hat Aluminium extrem gute thermische Eigenschaften und ist nahezu ideal als thermischer Leiter geeignet. Gleichzeitig ist die spezifische Dichte und Wärmekapazität gering, wodurch der Energieaufwand zur Aufheizung von Aluminium im Vergleich zu Stahl um einen Faktor von 3-4 geringer ausfällt. Im Bereich des Leichtbaus und der Wärmeübertragung kann Aluminium sicherlich als energieeffizientes Material eingestuft werden, jedoch muss der Herstellprozess bei der Bewertung mit einfließen. Als weiterer Aspekt für energieeffiziente Materialien ist neben dem Grundmaterial die Formgebung zu nennen. Träger z. B. werden als T-Träger ausgeführt und nicht als quadratischer Vollkörper. Dies bedeutet eine gravierende Materialeinsparung allein durch die Formgebung. Wenn nun durch die Formgebung ein essentieller Vorteil hinsichtlich der Energieeffizienz von Prozessen zu erwarten ist, könnte auch hier von einem energieeffizienten Material gesprochen werden. Baum Schwamm Knochen Abbildung 4: Beispiel für zellulare Strukturen aus der Natur Pforzheimer Werkstofftag 2018 99 Beispiele aus der Natur (siehe Abb. 4) lehren uns, dass eine Vielzahl an Materialien und biologischen Strukturen grundsätzlich Material einsparen und zellulare Systeme also für den Leichtbau oder den optimierten Wassertransport (Kapillare) wie auch für den thermischen Haushalt optimiert sind. Zellulare Strukturen aus einem Grundmaterial oder auch als Verbundsystem aus verschiedenen Grundmaterialien sind daher für eine Vielzahl an physikalischen Prozessen interessante Kandidaten. Abb. 5 zeigt drei verschiedene Vertreter an zellularen (porösen) Materialien, die künstlich hergestellt sind und eine unterschiedliche Porenskala aufweisen. Die Membrane sind essentielle Materialien, die in der Medizinund Umwelttechnik eingesetzt werden. Diese sind für den kapillaren Flüssigkeitstransport geeignet (Medizindiagnostik) und benötigen daher für den Flüssigkeitstransport keine anliegende äußere Druckdifferenz. Bei der Herstellung lässt sich die Porenverteilung und -größe durch Prozessparameter einigermaßen steuern. Allerdings sind ähnliche Membranstrukturen denkbar, die gegebenenfalls besser für den Flüssigkeitstransport funktionieren. Im Heute können nahezu beliebige zellulare Strukturen durch mathematische Algorithmen die auf den Mathematiker Voronoi zurückgehen virtuell hergestellt werden. Durch experimentelle Charakterisierungsmaßnahmen von zellularen Strukturen lassen sich diese sehr genau nachbilden. Abb. 6 verdeutlicht schematisch den Modellierungsprozess zur Herstellung einer zellularen Struktur anhand des Beispiels einer Membran. Membran (µm) Metallschaum (mm) Abstandsgewirke (cm) Abbildung 5: Am Markt erhältliche zellulare Strukturen (Quelle: TinniT Technologies GmbH). Abbildung 6: Erzeugung einer synthetischen Membranstruktur (Quelle: IDM). Pforzheimer Werkstofftag 2018 100 Abbildung 7: Erzeugung einer Schaumstruktur auf Basis eines digitalen Entwurfs (IDM) Wenn nun Parameter zur Generierung einer Membran derart geändert werden, dass der Kapillarprozess erheblich besser vonstatten geht, dann würde man ein Membrandesign virtuell entwerfen, durch numerische Berechnungen qualifizieren und für die Herstellung vorschlagen. Allerdings ist im Falle der mikroporösen Membran die Entwurfsmethodik durchaus qualifiziert, leider lassen sich aktuell diese Entwürfe noch nicht herstellen, da 3D-Druckverfahren in der Auflösung und mit Flüssigmaterialien derzeit noch nicht hinreichend erforscht existieren. Im Falle von Schaumstrukturen, die nach einem ähnlichen Schema synthetisch hergestellt werden können, zeichnet sich die Zukunft virtuell erzeugter Materialien bereits heute ab. Auf Basis von virtuellen Schaumentwürfen, die gradiert sein können oder auch als Komposite verschiedener Schaumentwürfe zusammengesetzt sein können, lassen sich triangulierte Modelle ableiten, die im 3D-Druck (Kunststoff) herstellbar sind. Die Kunststoffschäume lassen sich dann im Platzhalterverfahren (Hochschule Pforzheim) als metallischer Schaum herstellen. Natürlich erst nachdem numerische Analysen den virtuellen Entwurf für die angedachte physikalische Anwendung qualifiziert haben. Pforzheimer Werkstofftag 2018 107 Maschinentechnologie Ein wesentlicher Unterschied der HSWEDM-Technologie zur konventionellen Drahtfunkenerosion besteht in der Bewegung der Drahtelektrode. Der Draht wird nicht nur einmalig durch den Arbeitsspalt bewegt, sondern kontinuierlich hinund hergespult. Dabei wird er üblicherweise mit Geschwindigkeiten von ca. 10 m/s (bei Yueqin et al., 2017 [9] werden 8-12 m/s genannt) bewegt und somit etwa eine Größenordnung schneller als beim konventionellen Prozess. Ein Beispiel für eine HSWEDM-Maschine, wie sie in Deutschland erworben werden kann und einen seitlichen Einblick in ihre Drahtführung sind in Abbildung 1 gezeigt. Als Drahtmaterial kommt nahezu reines Molybdän zum Einsatz, da es sowohl hochschmelzend als auch duktil ist und somit zu Drähten verarbeitet werden kann. a b Abbildung 1: a) Typische HSWEDM-Maschine, hier ein importiertes Exemplar b) Seitlicher Blick auf Arbeitsraum, Drahtspannvorrichtung und Drahttrommel (vrnl) Das Drahtspannund spulsystem, wie es für gewöhnlich bei HSWEDM-Maschinen Verwendung findet, ist in Abbildung 2 skizziert. Neben dem rein mechanischen Spannmechanismus ist die Drahttrommel die zentrale Komponente auf die der Draht zunächst aufgespult und dann in einer Schleife herausgeführt wird, während die rotierende Trommel in axialer Richtung bewegt wird, um den Draht in einer konstanten Flucht zu halten. Pforzheimer Werkstofftag 2018 108 Abbildung 2: HSWEDM-Drahtspannund Spulsystem Zur Pulserzeugung kommt ein einfach aufgebauter statischer Impulsgenerator auf MOSFET-Basis zum Einsatz. Bei dem Modell, das in der HS PF eingesetzt wird, arbeitet er bei einer unveränderlichen Leerlaufspannung von 75 V. Weitere wesentliche Einstellgrößen sind der Pulsstrom, die Pulssowie die Pausendauer. Über die Prozessregelung sind nur wenige Informationen verfügbar. Sie scheint auf der Mittelspannung als Messgröße zu basieren und lässt sich lediglich über ein Potentiometer (das vermutlich die Regelverstärkung beeinflusst) parametrisieren. Es sind andere Modelle von HSWEDM-Maschinen bekannt, deren Regelung auf Fuzzy Logic beruhen soll. Pforzheimer Werkstofftag 2018 109 Merkmale des HSWEDM-Prozesses Das für HSWEDM-Prozess eingesetzte Medium unterscheidet sich deutlich von den in der konventionellen Funkenerosion üblichen Dielektrika. Es weist üblicherweise einen Leitwert von 3-5 mS/cm auf und enthält in wässriger Lösung Bestandteile zur Verdickung, Tenside, „Schmiermittel“ und Salz, offensichtlich zur Einstellung des Leitwerts [2]. Die Entwicklung leistungsfähiger Prozessmedien nach europäischen Standards wird sicherlich Gegenstand zukünftiger Forschung sein. Wie der in Abbildung 3 skizzierte Vergleich mit den Leitwerten konventioneller funkenerosiver und elektrochemischer Bearbeitungen auf einer logarithmischen Skala zeigt, wird das HSWEDM zwischen diesen beiden „Extremen“ betrieben, was bereits ein Hinweis auf den hybriden Charakter dieses Prozesses ist. Abbildung 3: Leitwerte unterschiedlicher Medien abtragender Prozesse im Vergleich zu alltäglichen Flüssigkeiten. Untersuchungen der Verläufe von Strom und Spannung im HSWEDM wurde im Rahmen eines öffentlich geförderten Projekts in der Arbeitsgruppe Abtragende Fertigungsverfahren am IWWT der HS PF vorgenommen. Hierbei konnten fünf unterschiedliche Pulstypen unterschieden werden, wie sie in Abbildung 4 dargestellt sind. Pforzheimer Werkstofftag 2018 110 Abbildung 4: Spannungsund Stromverläufe von Pulstypen, die typischerweise bei HSWEDM auftreten und ihre Interpretation [3]. Typ 1-Pulse entsprechen hierbei einem Felddurchschlag mit Zündverzögerungszeit (td), wie er typisch für die funkenerosive Bearbeitung ist. Eine Besonderheit des HSWEDM-Prozesses stellt der Pulstyp 2 dar, in dem bereits während td ein nennenswerter Strom zu beobachten ist. Ähnliche Verläufe von Spannung und Strom sind zuvor bei anderen hybriden Prozessen beobachtet und als „electrochemical discharge“ bezeichnet worden [5]. Dies ist insofern zutreffend, als während der Zündverzögerungszeit ein elektrochemischer Abtrag stattfinden dürfte und in der Folge eine Entladung entsteht. In [3] wird dieser Pulstyp als thermischer Durchschlag interpretiert. Ein Modell der Vorgänge beim thermischen Durchschlag zeigt Abbildung 5: bereits während der Zündverzögerungszeit findet ein Stromfluss durch das Prozessmedium statt (und somit auch in einem unbekannten Ausmaß elektrochemischer Abtrag). An Rauigkeitsspitzen oder Stellen lokal erhöhten Leitwerts treten erhöhte Stromdichten auf, die zu einer Erwärmung des Prozessmediums und schließlich zum Durchschlag führen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 111 Abbildung 5: Modell des thermischen Durchschlags Pulstyp 3 entspricht klassischen Lichtbögen mit hohen Strömen und geringen Spannungen, während Pulstyp 4 – je nach auftretendem Entladungsstrom – einen fließenden Übergang von Leerlaufpulsen (mit vernachlässigbarer Abtragwirkung) zu Pulsen mit elektrochemischem Abtrag darstellt. Typ 5 entspricht klassischen Kurzschlusspulsen mit maximalem Strom und kollabierender Spannung. Die Pulstypen treten je nach Prozessbedingungen und -parametrierung in sehr unterschiedlichen Anteilen auf. Diese Zusammenhänge wurden von der Arbeitsgruppe untersucht und in [3] veröffentlicht. Pforzheimer Werkstofftag 2018 112 a b Abbildung 6: a) „Zebraeffekt“ auf HSWEDM-getrennten Bauteilen b) Querschliff einer Randzone eines HSWEDM-getrennten Bauteils mit „Zebrastreifen“ und weißer Schicht Ein weiteres Merkmal des HSWEDM-Prozesses stellt in vielen Prozessfenstern eine dunkle Verfärbung der Werkstückoberfläche [6] dar, die sich stets in Bewegungsrichtung der Drahtelektrode verstärkt. Durch die alternierende Drahtbewegung kommt der Eindruck eines „Zebramusters“ zustande (vgl. Abbildung 6). Wie im Querschliff zu erkennen, handelt es sich um Material, das sich auf der Oberfläche aufbaut, bestehend aus Zersetzungssprodukten des Prozessmediums. Die Beläge lassen sich problemlos mit üblichen (chemisch/mechanischen) Maßnahmen reinigen. Dennoch wäre die Verhinderung der Entstehung dieser Ablagerungen eine Anforderung an zukünftig zu entwickelnde Prozessmedien. Pforzheimer Werkstofftag 2018 113 Vorteile und Anwendungsfelder Die potenziellen Anwendungsfelder ergeben sich aus den spezifischen Vorteilen der HSWEDM-Technologie. Neben den vergleichsweise geringen Investitionskosten sind dies insbesondere: • nahezu kräftefreie Bearbeitung „filigraner“ Bauteile und Materialien (metallische Schäume, Filter etc.), • Trennen schwer zerspanbarer Werkstücke und Halbzeuge, • Bearbeitung hoher Werkstücke mit komplexen (2½ D) Geometrien jenseits der Prozessfenster von Laserschneiden und Wasserabrasivstrahlschneiden, • gratfreie Bearbeitung mit kleinen Schnittspalten (Drahtdicke plus ca. 20-40 µm Bearbeitungsspalt). Zwei konkrete Beispielanwendungen von WSWEDM sind in Abbildung 7 gezeigt. a b Abbildung 7: Aktuelle HSWEDM-Anwendungen: a) Abtrennen lasergesinterter Bauteile von der Grundplatte b) Ablängen von Nitinol-Röhrchen für die Medizintechnik Das Abtrennen von metallischen Bauteilen, die mit dem additiven Verfahren „Selective Laser Melting“ (SLM) gefertigt wurden, stellt noch in vielen Fällen eine Herausforderung dar. Während der Einsatz von Sägen oder gar Hammer und Meißel wegen der auftretenden Kräfte für viele Bauteile unangebracht ist, ist die konventionelle Drahtfunkenerosion mit hohen Investitionskosten verbunden. Die HSWEDM-Techologie stellt hier eine interessante Alternative dar. Bereits seit Jahren im industriellen Einsatz ist das Ablängen von dünnwandigen Röhrchen aus der Formgedächtnislegierung Nitinol. Hier sind die Vorteile einer kräfteund gratfreien Bearbeitung die entscheidenden Vorteile des HSWEDM-Trennens. Pforzheimer Werkstofftag 2018 114 Fazit Trotz zahlreicher Gemeinsamkeiten stellt das High Speed Wire EDM ein eigenes Fertigungsverfahren dar, das sich in Hardware, Prozess und Prozessregelung substanziell vom konventionellen Drahterodieren unterscheidet. Das Verständnis des Abtrags beim HSWEDM-Prozess konnte in jüngster Vergangenheit vertieft werden. Aktuelle Erkenntnisse über die auftretenden Pulstypen werden in der Zukunft eine effizientere und produktivere Prozessregelung ermöglichen. Dies und die möglichen Weiterentwicklungen im Bereich des Prozessmediums wird die Potenziale der Technologie noch erweitern, die diese fraglos auch in den sogenannten westlichen Industrienationen hat. Neben zahlreichen anderen denkbaren Anwendungen eines günstigen, kräfteund gratfreien Abtragsverfahrens ist hier vor allem das Abtrennen lasergeschmolzener Werkstücke von ihrer Grundplatte zu nennen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 115 Literatur 1. Mingqi L, Minghui L, Guangyao X (2005) Study on the Variations of Form and Position of the Wire Electrode in WEDM-HS. Int J Adv Manuf Technol 25(910):929–934. doi:10.1007/s00170-003-1915-4 2. Oßwald K, Murnberger D, Kappler T, Sedlmayr G (2016) High Speed Wire Electrical Discharge Machining. Explorative Untersuchung eines hybriden elektrischen Abtragsprozesses. Werkstattstechnik 106(6):430–438 3. Oßwald K, Lochmahr I, Schulze H-P, Kröning O (2018) Automated Analysis of Pulse Types in High Speed Wire EDM. Procedia CIRP 68:796–801. doi:10.1016/j.procir.2017.12.157 4. Pan H, Liu Z, Li C, Zhang Y, Qiu M (2017) Enhanced debris expelling in highspeed wire electrical discharge machining. Int J Adv Manuf Technol 76:329. doi:10.1007/s00170-017-0716-0 5. Schöpf M (2001) Electro Chemical Discharge Machining (ECDM): Neue Möglichkeit zum Abrichten metallgebundener Diamantschleifscheiben. PhD Thesis, DISS. ETH Nr. 14120 6. Wei W, Zhidong L, Wentai S, Yueqin Z, Zongjun T (2016) Surface burning of high-speed reciprocating wire electrical discharge machining under large cutting energy. Int J Adv Manuf Technol. doi:10.1007/s00170-016-8604-6 7. Wentai S, Zhidong L, Mingbong Q, Zongjun T (2016) Wire tension in highspeed wire electrical discharge machining. Int J Adv Manuf Technol 82(14):379–389. doi:10.1007/s00170-015-7352-3 8. Yuan J, Wang K, Yu T, Fang M (2008) Reliable multi-objective optimization of high-speed WEDM process based on Gaussian process regression. International Journal of Machine Tools and Manufacture 48(1):47–60. doi:10.1016/j.ijmachtools.2007.07.011 9. Yueqin Z, Zhidong L, Hongwei P, Mingbo Q (2017) Dielectric fluid lifespan detection based on pulse discharge probability in wire electrical discharge machining. Int J Adv Manuf Technol 92(1-4):1481–1491. doi:10.1007/s00170017-0211-7 Pforzheimer Werkstofftag 2018 116 Einsatz der Röntgenfluoreszenzanalyse im modernen Werkstoffrecycling Prof. Dr.-Ing. Andreas Zilly B.Eng. Ruben Krampulz M.Sc. Tom Kurdewan Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Duale Hochschule Baden-Württemberg (DHBW), Stuttgart Pforzheimer Werkstofftag 2018 123 Anwendungsbeispiele Edelstahlrecycling Am Beispiel des Recyclings von Edelstählen und rostfreien Stählen soll der Einsatz der mobilen RFA demonstriert werden. Hier ist eine genaue Quantifizierung in der Regel nicht erforderlich. In der Abbildung 3 ist ein Handheld-Gerät dargestellt, welches bei einem Recyclingbetrieb im Einsatz ist. Abbildung 3: Schrottsortierung mit mobiler RFA bei der RPS Siegen GmbH /4/ Edelstahl ist nach der DIN EN 10020 eine Bezeichnung für legierte oder unlegierte Stähle, deren Schwefelund Phosphorgehalt 0,035 Gew.-% nicht übersteigen darf. /4/ Die Bezeichnung „Edelstahl Rostfrei“ ist ein Sammelbegriff für die nichtrostenden korrosionsbeständigen Stähle. Sie enthalten mindestens 10,5 % Chrom (Cr) und weisen gegenüber unlegierten Stählen eine deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf. /6/ Ein konkretes Beispiel für den Einsatz rostfreier Edelstähle sind Tafelbesteckteile. Hierzu wurden exemplarisch zwei Teile unterschiedlicher Hersteller geprüft. Bei dem einem handelte es sich um das Produkt eines schwäbischen Traditionsunternehmens und bei dem anderen um Importware des untersten Preissegments. In der Tabelle 1 ist die Zusammensetzung der relevanten Elemente dargestellt. Pforzheimer Werkstofftag 2018 124 Tabelle 1: Messdaten einer RFA-Messung von hochlegierten Stählen Wie sehr gut zu erkennen ist, unterscheiden sich die Stähle in Bezug auf Ihre Legierungselemente deutlich. Der 1.4301 (X5CrNi18-10), welcher als typischer nichtrostender, austenitischer Stahl bekannt ist und wie durch die Besteckprägung 18/10 auch zu erwarten war, weist einen Ni-Gehalt von knapp oberhalb 8,5 Gew.- % auf. Dieser Wert liegt zwar noch innerhalb des nach DIN EN 10088-3 zulässigen Bereichs von 8,0-10,5 Gew.-%, zeigt aber auch wie die Stahlhersteller vor allem teure Legierungselemente gezielt an den unteren Rand der Skala drängen. Hingegen überrascht der Materialvorschlag mit der Bezeichnung 1.2080 (X210Cr12) für das günstige Besteckteil. Dieser Stahl mit einem relativ hohen Kohlenstoffanteil kommt normalerweise bei hochbeanspruchten Schnittund Stanzwerkzeugen zum Einsatz. Eine Vergleichsmessung mit einem, hinsichtlich der Messbarkeit von leichteren Elementen, genaueren Funkenspektroskop (Optische Emissionsspektrometrie – OES), auf dessen Funktionsweise im folgenden Abschnitt kurz eingegangen werden soll, liefert bezüglich der Zusammensetzung zwar ein ähnliches Ergebnis, schlägt als Werkstoff aber einen 1.4000 (X6Cr13) vor. Dieser ferritische nichtrostende Stahl mit seiner Beständigkeit in mäßig aggressivem Umfeld erscheint in diesem Kontext wesentlich plausibler. Type General Metals General Metals Units % % Alloy1 1.2080 1.4301 Spalte1 Konz. 1 Konz. 2 Fe 86,661 70,662 Cr 12,057 18,195 Si 0,635 0,588 Mn 0,264 1,151 Ni 0,186 8,538 V0,074 0,105 Cu 0,000 0,316 Mo 0,000 0,171 Ti 0,000 0,053 Sn 0,000 0,027 Pforzheimer Werkstofftag 2018 125 4. Fazit und Ausblick In diesem Beitrag wurden die Wirkungsweise sowie konkrete Anwendungsbeispiele der mobilen Röntgenfluoreszenzanalyse beschrieben. Dabei wurde sowohl die Vielseitigkeit dieses Verfahrens, aber auch dessen Grenzen aufgezeigt. Bei der Analyse der Besteckteile hat in dem einen Fall offensichtlich der verhältnismäßig geringe Mnund Si-Anteil in Kombination mit der fehlenden Möglichkeit einer Kohlenstoffanalyse (aufgrund der zu niedrigen Ordnungszahl 6), welcher mit der OES im Gegensatz zur RFA bestimmt werden kann, zu einem falschen Werkstoffvorschlag geführt. Dies ist auch der Grund warum in der Stahlmetallurgie die Funkenspektrometrie zur genauen Analyse überwiegt. Die Funktionsweise ist ähnlich wie die der RFA. Hierbei werden, vereinfacht erklärt, Atome durch Zuführen von Energie angeregt Lichtstrahlen abzugeben. Die Lichtspektren werden ausgewertet und bei bekannten Wellenlängen der Lichtteilchen (Photonen) kann die jeweilige Atomart bestimmt werden. Da die Lichtmenge näherungsweise proportional zum Gehalt des zugehörigen Elements ist, kann somit aus der Strahlungsintensität der Gehalt eines Elements im Prüfling bestimmt werden. Ihren Ursprung hat die Funkenspektrometrie in der Schleiffunkenprüfung. Da die Anregung der Atome über einen Lichtbogen geschieht, weist die Probe nach der Prüfung einen Brennfleck auf, der das Bauteil hinsichtlich seiner technischen Eigenschaften in der Regel nur wenig beeinflusst, sich aber optisch durchaus nachteilig auswirken kann. Aufgrund der hohen Temperatur des Lichtbogens muss der Prüfbereich mit Schutzgas abgeschirmt werden. Zudem sind nur leitende Matrixwerkstoffe prüfbar und es ist eine aufwendigere Oberflächenvorbereitung erforderlich. Dieses einfache Beispiel hat gezeigt, dass mit dem Verfahren der RFA sehr schnell ermittelt werden kann, wie ein Werkstoff zusammengesetzt ist, ob sich die Zusammensetzung gegebenenfalls chargenübergreifend verändert hat und inwieweit diese Modifikation noch innerhalb der zulässigen Grenzen liegt. Diese Aussagen sind in vielen Fällen in der Praxis vollkommen ausreichend. Darin liegt die anfangs erwähnte Häufigkeit dieser Prüfmethode vor allem in der Qualitätssicherung und im Recycling begründet. Ein neues mobiles Messverfahren alternativ zur RFA zur besseren Bestimmung leichterer Elemente soll abschließend noch erwähnt werden. Dabei handelt es sich um die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS – laser-induced breakdown spectroscopy) welche derzeit noch einige Nachteile hinsichtlich der Kalibration und Messgenauigkeit aufweist. Dem Anwender in den genannten Bereichen wird empfohlen, die Entwicklung dieses Verfahrens in den nächsten Jahren im Auge zu behalten. Pforzheimer Werkstofftag 2018 126 Literatur /1/ Bauch, J.; Rosenkranz, R.: Physikalische Werkstoffdiagnostik. Springer Vieweg Verlag, 2017. /2/ Haschke, M.; Flock, J.: Röntgenfluoreszenzanalyse in der Laborpraxis. WileyVCH Verlag, 2017. /3/ https://www.analyticon.eu/de/rfa.html /4/ Schlegel, J.: Kleine Stahlkunde – Einblicke in der Welt der Edelstähle. Rommert Verlag, 2015. /5/ Thermo Scientific Niton XL3t GOLDD Alloy Analyzers – Elemental Limits of Detection in Titanium/Iron/Copper-based Alloys. Produktdatenblatt, 2008. /6/ https://www.edelstahl-rostfrei.de/downloads/iser/MB_821.pdf Pforzheimer Werkstofftag 2018 127 Nachfolgender Beitrag war/ist als „Ersatzbeitrag“ vorgesehen, für den Fall, dass ein anderer Beitrag kurzfristig ausfällt. Die Herausgeber des Tagungsbandes haben sich nun dafür entschieden, auch diesen Beitrag in den Tagungsband aufzunehmen. Pforzheimer Werkstofftag 2018 128 Zelluläre Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe - Stand der Technik und Recycling von zellulären partikulär verstärkten Al-Basis Legierungen für den effizienten Leichtbau M. Eng. Pierre Kubelka Dr.-Ing. Alexander Martin Matz Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien (IWWT), Hochschule Pforzheim Pforzheimer Werkstofftag 2018 129 Abstract Unter den Aspekten der ansteigenden Rohstoffknappheit in Verbindung mit hohen Rohstoffund Energiepreisen, wird die Forderung nach effizienteren Leichtbaulösungen in metallverarbeitenden Industriezweigen immer deutlicher. So werden unter anderem immer mehr Leichtbaumaterialien im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt, um den Energieverbrauch weiter zu senken. Dies nimmt bspw. bei der Elektromobilität eine wichtige und auch übergeordnete Rolle ein. Durch die Verminderung der Fahrzeugmasse und durch eine effizientere Nutzung der Materialien, kann mit einem stetigen Anstieg der Reichweite von E-Fahrzeugen gerechnet werden. Neben den klassischen Leichtbaumaterialien aus Al-Legierungen, Mg-Legierungen und den Kohlefaserverstärkten Kunststoffen, können unter anderem Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe mit einer diskontinuierlich partikulären Verstärkung eingesetzt werden. Es können so Festigkeiten erreicht werden, die das Dreibis Fünffache von konventionellen Al-Legierungen betragen. Um dieses Leichtbaupotenzial noch weiter erhöhen zu können, kann die Applikation auf eine zelluläre Struktur von Nutzen sein. Dadurch kann die für den Leichtbau wichtige Eigenschaft der spezifischen Festigkeit noch weiter gesteigert werden. Mit dem vorliegenden Beitrag wird ein Überblick über den Stand der Technik/Forschung von Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen, deren Potentiale für die Anwendung als zelluläre Struktur und die Möglichkeiten zum Recycling gegeben. Es wird aufgezeigt, dass der Einsatz von diskontinuierlich verstärkten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen als offenporiger Schaum eine Lücke und ein somit kaum Beachtung gefundenes Forschungsfeld darstellt. Damit diese dennoch nutzbar gemacht werden können, muss insbesondere Forschung in den Bereichen der Herstellung und Charakterisierung betrieben werden. Pforzheimer Werkstofftag 2018 130 Einleitung Verbundwerkstoffe spielen im modernen Leichtbau eine wichtige Rolle. Sie kombinieren unterschiedliche mechanische Materialeigenschaften, um aus materieller Sicht die Anforderungen der Gewichtsreduzierung erfüllen zu können. Speziell Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe (engl.: Aluminum Matrix Composites, AMCs) mit einer diskontinuierlichen Verstärkung haben hier einen wichtigen Stellenwert. AMCs beschreiben, durch die Kombination einer duktilen und zähen AluminiumBasis-Legierung mit einer hochfesten Verstärkung (in Form von Keramik, Kohlefaser, etc.), eine Materialklasse, die äußerst hohen mechanischen Belastungen standhält. Nebst diesen positiven Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, sind auch auf der ökologischen und ökonomischen Ebene Vorteile zu finden. Die hohe Verfügbarkeit der infrage kommenden Materialien sowie die Wiedergewinnung und -verwendung ohne sonderlich großen (Energie-)Aufwand schonen die Umwelt und zugleich den Kostenhaushalt. AMCs werden in der Industrie in den meisten Fällen bereits als pulvermetallurgische Erzeugnisse für abrasive Anwendungen genutzt. Die schmelzmetallurgische Herstellung von Produkten aus AMCs wird teils zwar angeboten, jedoch kommerziell, aufgrund der höheren Kosten und schwierigeren Handhabung der Prozesse, deutlich weniger genutzt. Um diesen Bereich zugänglich zu machen, soll die Applikation der AMCs auf eine zelluläre Schaumstruktur helfen. Diese bringt eine verbesserte spezifische Festigkeit ggü. einem Vollkörper mit sich, da das eingesetzte Material weitaus effizienter und gezielter genutzt werden kann. Pforzheimer Werkstofftag 2018 131 Stand der Technik Eine geringe Dichte und eine gleichzeitig hohe Festigkeit sind wichtige Eigenschaften für den Leichtbau. Sie werden maßgeblich durch die Auswahl des Werkstoffes selbst, sowie durch dessen Behandlung zur Veränderung der Gefügestruktur festgelegt. Die Dichte kann insoweit nur dadurch verändert werden, dass z. B. durch die Einbringung von Hohlräumen eine geringere spezifische Dichte pro eingenommenen Volumen vorliegt. Hierfür können im Allgemeinen zelluläre Materialstrukturen angewandt werden. Über die Festigkeit des Materials kann in erster Linie keine direkte Aussage getroffen werden. Diese hängt stark vom Behandlungszustand sowie der Zusammensetzung des Materials ab. Um die Festigkeit wesentlich zu beeinflussen, gibt es mehrere Maßnahmen, welche nachfolgend aufgeführt sind: • Behinderung der elasto-plastischen Verformung durch die Erhöhung der Anzahl der Korngrenzen mittels Minimierung der kristallographischen Korngröße bzw. Ausscheidung von Teilchen im Werkstoff selbst (Wärmebehandlung zur Feinkornund Teilchenhärtung) • Verzerrung des kristallographischen Gitters und daraus resultierende Steigerung der Eigenspannungen durch Zugabe von Fremdatomen (Veränderung der Werkstoffzusammensetzung, Mischkristallverfestigung) • Steigerung der Eigenspannungen durch plastische Verformung, um die Versetzungsdichte zu erhöhen (Plastisches Verformen des Werkstoffs, Kaltverfestigung) Bei zellulären Strukturen sind diese Maßnahmen allerdings weitestgehend nicht anwendbar. Ein feinkörniges Gefüge lässt sich durch Wärmebehandlungen nur unter speziellen Voraussetzungen erreichen. Das Zulegieren von Fremdatomen und die somit hervorgerufene Mischkristallverfestigung führen nur zu einer geringen Festigkeitssteigerung und sind eher als unterstützende Maßnahme anzusehen. Maßgeblich an der Festigkeitssteigerung sind die Erhöhung der Versetzungsdichte und die Anzahl an Gitterstörungen im Gefüge beteiligt. Als Maßnahme kann hier die externe Einbringung einer Zweitphase in das Gefüge genannt werden. Diese erzeugt, aufgrund der unmittelbaren Erhöhung der Anzahl an Korngrenzen im Zusammenspiel mit einer Verzerrung des Kristallgitters der Ursprungsphase durch divergente Eigenschaften, eine Festigkeitssteigerung. An dieser Stelle treten Pforzheimer Werkstofftag 2018 132 insbesondere AMCs in Erscheinung, da deren außerordentlichen Festigkeiten genau auf diesen Mechanismen basieren. Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe AMCs zählen seit den letzten Jahrzehnten zu den aussichtsreichsten Strukturwerkstoffen im Bereich des Leichtbaus. Im Grunde sind AMCs ein Phasengemisch aus zwei verschiedenen Materialien. Die erste Phase beschreibt die Al-BasisMatrix, während die zweite Phase durch eine Verstärkungsmatrix beschrieben wird. Der Werkstoff der Verstärkungsphase besitzt differenzierbare physikalische Eigenschaften gegenüber der Basis-Matrix. Dazu zählen abweichende metallische Legierungen/Elemente, Kunststoffe, Kohlenstoffverbindungen oder Keramiken [1,2]. Diese interagieren so miteinander, dass makroskopisch ein neuer Werkstoff mit angepassten physikalischen Eigenschaften entsteht [3–5]. Durch die Kombination der unterschiedlichen Materialklassen kann z. B. ein Werkstoff erzeugt werden, der duktil und zugleich hochfest ist. Aus diesem Grund lassen sich für AMCs Festigkeiten erreichen, die dreibis fünfmal so hoch im Vergleich zu reinen AlLegierungen sind [6]. Auch die Form der verstärkenden Phase ist von Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften. Diese kann als Partikel, Kurzfaser, Endlosfaser oder als Platte vorliegen. Im Falle des Einsatzes in zellulären Strukturen, werden primär diskontinuierliche Verstärkungen in Form von Partikeln betrachtet, da diese für den makroskopischen Werkstoff isotrope Eigenschaften bereitstellen. In Abbildung 1 ist beispielhaft eine diskontinuierliche partikuläre Verstärkung dargestellt. Abbildung 1: Gefügestruktur eines Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffes aus reinem Al (helle Bereiche) mit einer diskontinuierlich partikulären Verstärkung aus WC (dunkle Bereiche) Pforzheimer Werkstofftag 2018 139 Zusammenfassung und Ausblick AMCs als offenporige Schäume bringen einzigartige Eigenschaften mit sich. Insbesondere die Kombination aus hochfestem AMC-Material mit einer offenporigen Struktur führt zu einer hohen spezifischen Festigkeit mit einer zugleich ausgeprägten Funktionalisierbarkeit. Damit die eigenschaftsinduzierten Zusammenhänge zwischen der offenporigen Struktur und des Gefüges der AMC-Matrix begreifbar werden, bedarf es noch einiger Forschungsarbeit in den Bereichen der Herstellung, Charakterisierung und des Recyclings. Pforzheimer Werkstofftag 2018 140 Danksagung Ermöglicht wurde dieser Beitrag im Rahmen des Teilprojekts „Festigkeitsoptimierte Al-Basis-Schäume durch gezielte Partikelverstärkung für Leichtbau in Mobilität und Fertigung“ des ZAFH „Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau (InSeL)“. Die Autoren möchten hierfür der Europäischen Union Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und dem Land Baden-Württemberg für die finanzielle Unterstützung danken. Pforzheimer Werkstofftag 2018 141 Literatur [1] R.S. Rana, R. Purohit, S. Das, Review of recent Studies in Al matrix composites, International Journal of Scientific & Engineering Research 3 (2012) 1–16. [2] M.K. Surappa, Aluminium matrix composites, Sadhana 28 (2003) 319–334. [3] A. Evans, C. San Marchi, A. Mortensen, Metal Matrix Composites in Industry: An Introduction and a Survey, 2003. [4] N. Chawla, K.K. Chawla, Metal Matrix Composites, 2nd ed., Springer New York, New York NY, 2013. [5] Y. Nishida, Introduction to Metal Matrix Composites: Fabrication and Recycling, Springer, Tokyo, 2013. [6] O. Beffort, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe: Eigenschaften, Anwendungen und Bearbeitung, Feinstbearbeitung technischer Oberflächen - 6. Internationales IWF-Kolloquium (2002). [7] E. Ghasali, R. Yazdani-rad, K. Asadian, T. Ebadzadeh, Production of Al-SiC-TiC hybrid composites using pure and 1056 aluminum powders prepared through microwave and conventional heating methods, Journal of Alloys and Compounds 690 (2017) 512–518. [8] R. Casati, M. Vedani, Metal Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles—A Review, Metals 4 (2014) 65–83. [9] D. Weaire, R. Phelan, Cellular Structures in Three Dimensions, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 354 (1996) 1989–1997. [10] AlCarbon Technologie UG, ALUSION Metallschaumplatten. www.alcarbon.de/images/ALUSION/web_ALUSIONB.Cell%20Golden.JPG. [11] A.M. Matz, D. Kammerer, N. Jost, K. Oßwald, Machining of Metal Foams with Varying Mesostructure Using Wire EDM, Procedia CIRP 42 (2016) 263–267. [12] A. Aldoshan, S. Khanna, Effect of relative density on the dynamic compressive behavior of carbon nanotube reinforced aluminum foam, Materials Science and Engineering: A 689 (2017) 17–24. Pforzheimer Werkstofftag 2018 142 [13] L. Licitra, D.D. Luong, O.M. Strbik, N. Gupta, Dynamic properties of alumina hollow particle filled aluminum alloy A356 matrix syntactic foams, Materials & Design 66 (2015) 504–515. [14] G.J. Davies, S. Zhen, Metallic foams, Journal of Materials Science 18 (1983) 1899–1911. [15] R. Taherzadeh Mousavian, R. Azari Khosroshahi, S. Yazdani, D. Brabazon, A.F. Boostani, Fabrication of aluminum matrix composites reinforced with nanoto micrometer-sized SiC particles, Materials & Design 89 (2016) 58–70. [16] S. Gangolu, A.G. Rao, N. Prabhu, V.P. Deshmukh, B.P. Kashyap, Hot Workability and Flow Characteristics of Aluminum-5 wt.% B4C Composite, Journal of Materials Engineering and Performance 23 (2014) 1366– 1373. [17] P. Shen, H. Fujii, T. Matsumoto, K. Nogi, The influence of surface structure on wetting of α-Al2O3 by aluminum in a reduced atmosphere, Acta Materialia 51 (2003) 4897–4906. [18] Y. Yang, R. Boom, B. Irion, D.-J. van Heerden, P. Kuiper, H. de Wit, Recycling of composite materials, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 51 (2012) 53–68. [19] D.B. Miracle, Composites, 2nd ed., ASM International, Materials Park, Ohio, 2002. [20] D.J. Nestler, Verbundwerkstoffe - Werkstoffverbunde: Status quo und Forschungsansätze. Habilitationsschrift, 2012. Pforzheimer Werkstofftag 2018 143 VERZEICHNIS DER BISHER ERSCHIENENEN BEITRÄGE DER HOCHSCHULE PFORZHEIM 52. Werner Pepels Aug. 1990 Integrierte Kommunikation 53. Martin Dettinger-Klemm Aug. 1990 Grenzen der Wissenschaftsfreiheit. Überlegungen zum Thema: Freiheit und Verantwortung des Wissenschaftlers 54. Werner Pepels Sept. 1990 Mediaplanung – Über den Einsatz von Werbegeldern in Medien 55. Dieter Pflaum Sept. 1990 Werbeausbildung und Werbemöglichkeiten in der DDR 56. Rudi Kurz (Hrsg.) Nov. 1990 Ökologische Unternehmensführung – Herausforderung und Chance 57. Werner Pepels Jan. 1991 Verkaufsförderung – Versuch einer Systematisierung 58. Rupert Huth, Ulrich Wagner (Hrsg.) Aug. 1991 Volksund betriebswirtschaftliche Abhandlungen. Prof. Dr. Dr. h. c. Tibor Karpati (Universität Osijek in Kroatien) zum siebzigsten Geburtstag. Mit einem Vorwort von R. Huth und Beiträgen von H.-J. Hof, H. Löffler, D. Pflaum, B. Runzheimer und U. Wagner 59. Hartmut Eisenmann Okt. 1991 Dokumentation über die Tätigkeit einer Industrie und Handelskammer – Dargestellt am Beispiel der IHK Nordschwarzwald 60. Ursula Hoffmann-Lange Dez. 1991 Eliten und Demokratie: Unvereinbarkeit oder notwendiges Spannungsverhältnis? 61. Werner Pepels Dez. 1991 Elemente der Verkaufsgesprächsführung 62. Wolfgang Berger Dez. 1991 Qualifikationen und Kompetenzen eines Europamanagers 63. Günter Staub Jan. 1992 Der Begriff „Made in Germany“ – Seine Beurteilungskriterien 64. Martin W. Knöll, Hieronymus M. Lorenz Mai 1992 Gegenstandsbereich und Instrumente der Organisationsdiagnose im Rahmen von Organisationsentwicklungs (OE)-Maßnahmen 65. Werner Lachmann Juni 1992 Ethikversagen – Marktversagen 66. Paul Banfield Juni 1993 Observations On The Use Of Science As A Source Of Legitimation In Personnel Management 67. Bernd Noll Aug. 1993 Gemeinwohl und Eigennutz. Wirtschaftliches Handeln in Verantwortung für die Zukunft – Anmerkungen zur gleichnamigen Denkschrift der Evangelischen Kirche in Deutschland aus dem Jahre 1991 68. Siegfried Kreutzer, Regina Moczadlo Aug. 1993 Die Entdeckung der Wirklichkeit – Integrierte Projektstudien in der Hochschulausbildung 69. Sybil Gräfin Schönfeldt Aug. 1993 Von Menschen und Manieren. Über den Wandel des sozialen Verhaltens in unserer Zeit. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Wintersemester 1992/93 70. Hartmut Löffler Dez. 1993 Geldund währungspolitische Grundsatzüberlegungen für ein Land auf dem Weg zur Marktwirtschaft. Das Beispiel Kroatien 71. Hans-Georg Köglmayr, Kurt H. Porkert Nov. 1994 Festlegen und Ausführen von Geschäftsprozessen mit Hilfe von SAP-Software 72. Alexa Mohl Febr. 1995 NLP-Methode zwischen Zauberei und Wissenschaft. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Wintersemester 1994/95 73. Bernd Noll Mai 1995 Marktwirtschaft und Gerechtigkeit: Anmerkungen zu einer langen Debatte 74. Rudi Kurz, Rolf-Werner Weber Nov. 1995 Ökobilanz der Hochschule Pforzheim. 2. Geänderte Auflage, Jan. 1996 75. Hans Lenk Mai 1996 Fairness in Sport und Wirtschaft. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Wintersemester 1995/96 Pforzheimer Werkstofftag 2018 144 76. Barbara Burkhardt-Reich, Hans-Joachim Hof, Bernd Noll Juni 1996 Herausforderungen an die Sozialstaatlichkeit der Bundesrepublik 77. Helmut Wienert März 1997 Perspektiven der Weltstahlindustrie und einige Konsequenzen für den Anlagenbau 78. Norbert Jost Mai 1997 Innovative Ingenieur-Werkstoffe 79. Rudi Kurz, Christoph Hubig, Ortwin Renn, Hans Diefenbacher Sept. 1997 Ansprüche in der Gegenwart zu Lasten der Lebenschancen zukünftiger Generationen 80. Björn Engholm Okt. 1997 Ökonomie und Ästhetik. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Wintersemester 1996/97 2. Geänderte Auflage. Jan. 1998 81. Lutz Goertz Sept. 1998 Multimedia quo vadis? – Wirkungen, Chancen, Gefahren. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Fachhochschule Pforzheim, Wintersemester 1996/97 82. Eckhard Keßler Nov. 1998 Der Humanismus und die Entstehung der modernen Wissenschaft. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Wintersemester 1996/97 83. Heinrich Hornef Febr. 1998 Aufbau Ost – Eine Herausforderung für Politik und Wirtschaft. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Fachhochschule Pforzheim, Wintersemester 1997/98 84. Helmut Wienert Juli 1998 50 Jahre Soziale Marktwirtschaft – Auslaufmodell oder Zukunftskonzept? Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Sommersemester 1998 85. Bernd Noll Sept. 1998 Die Gesetzliche Rentenversicherung in der Krise 86. Hartmut Löffler Jan. 1999 Geldpolitische Konzeptionen – Alternativen für die Europäische Zentralbank und für die Kroatische Nationalbank 87. Erich Hoppmann Juni 1999 Globalisierung. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Sommersemester 1999 88. Helmut Wienert (Hrsg.) Dez. 1999 Wettbewerbspolitische und strukturpolitische Konsequenzen der Globalisierung. Mit Beiträgen von Hartmut Löffler und Bernd Noll 89. Ansgar Häfner u. a. (Hrsg.) Jan. 2000 Konsequenzen der Globalisierung für das internationale Marketing. Mit Beiträgen von Dieter Pflaum und Klaus-Peter Reuthal 90. Ulrich Wagner Febr. 2000 Reform des Tarifvertragsrechts und Änderung der Verhaltensweisen der Tarifpartner als Voraussetzungen für eine wirksame Bekämpfung der Arbeitslosigkeit 91. Helmut Wienert April 2000 Probleme des sektoralen und regionalen Wandels am Beispiel des Ruhrgebiets 92. Barbara Burkhardt-Reich Nov. 2000 Der Blick über den Tellerrand – Zur Konzeption und Durchführung eines „Studium Generale“ an Fachhochschulen 93. Helmut Wienert Dez. 2000 Konjunktur in Deutschland – Zur Einschätzung der Lage durch den Sachverständigenrat im Jahresgutachten 2000/2001 94. Jürgen Wertheimer Febr. 2001 Geklonte Dummheit: Der infantile Menschenpark. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Wintersemester 2000/01 95. Konrad Zerr März 2001 Erscheinungsformen des Online-Research – Klassifikation und kritische Betrachtung 96. Daniela Kirchner April 2001 Theorie und praktische Umsetzung eines Risikomanagementsystems nach KontraG am Beispiel einer mittelständischen Versicherung 97. Bernd Noll Mai 2001 Die EU-Kommission als Hüterin des Wettbewerbs und Kontrolleur von sektoralen und regionalen Beihilfen Peter Frankenfeld EU Regionalpolitik und Konsequenzen der Osterweiterung 98. Hans Joachim Grupp Juni 2001 Prozessurale Probleme bei Beschlussmängelstreitigkeiten in Personengesellschaften 99. Norbert Jost (Hrsg.) Juli 2001 Technik Forum 2000: Prozessinnovationen bei der Herstellung kaltgewalzter Drähte. Mit Beiträgen von Peter Kern, Wilhelm Bauer, Rolf Ilg; Heiko Dreyer; Johannes Wößner und Rainer Menge Pforzheimer Werkstofftag 2018 145 100. Urban Bacher, Mikolaj Specht Dez. 2001 Optionen – Grundlagen, Funktionsweisen und deren professioneller Einsatz im Bankgeschäft 101. Constanze Oberle Okt. 2001 Chancen, Risiken und Grenzen des MCommerce 102. Ulrich Wagner Jan. 2002 Beschäftigungshemmende Reformstaus und wie man sie auflösen könnte Jürgen Volkert Flexibilisierung durch Kombi-Einkommen? Die Perspektive der Neuen Politischen Ökonomie 103. Mario Schmidt, René Keil März 2002 Stoffstromnetze und ihre Nutzung für mehr Kostentransparenz sowie die Analyse der Umweltwirkung betrieblicher Stoffströme 104. Kurt Porkert Mai 2002 Web-Services – mehr als eine neue Illusion? 105. Helmut Wienert Juni 2002 Der internationale Warenhandel im Spiegel von Handelsmatrizen 106. Robert Wessolly, Helmut Wienert Aug. 2002 Die argentinische Währungskrise 107. Roland Wahl (Hrsg.) Sept. 2002 Technik-Forum 2001: Weiterentwicklungen an Umformwerkzeugen und Walzdrähten. Mit Beiträgen von Roland Wahl, Thomas Dolny u. a., Heiko Pinkawa, Rainer Menge und Helmut Wienert. 108. Thomas Gulden April 2003 Risikoberichterstattung in den Geschäftsberichten der deutschen Automobilindustrie 109. Günter Altner Mai 2003 Lasset uns Menschen machen – Der biotechnische Fortschritt zwischen Manipulation und Therapie. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Sommersemester 2003 110. Norbert Jost (Hrsg.) Juni 2003 Technik-Forum 2002: Innovative Verfahren zur Materialoptimierung. Mit Beiträgen von Norbert Jost, Sascha Kunz, Rainer Menge/Ursula Christian und Berthold Leibinger 111. Christoph Wüterich Feb. 2004 Professionalisierung und Doping im Sport. Vortrag gehalten im Rahmen des Studium Generale der Hochschule Pforzheim, Sommersemester 2003 112. Sabine Schmidt Mai 2004 Korruption in Unternehmen – Typologie und Prävention 113. Helmut Wienert Aug. 2004 Lohn, Zins, Preise und Beschäftigung – Eine empirische Analyse gesamtwirtschaftlicher Zusammenhänge in Deutschland 114. Roland Wahl (Hrsg.) Sept. 2004 Technik-Forum 2003: Materialentwicklung für die Kaltumformtechnik. Mit Beiträgen von Andreas Baum, Ursula Christian, Steffen Nowotny, Norbert Jost, Rainer Menge und HansEberhard Koch 115. Dirk Wenzel Nov. 2004 The European Legislation on the New Media: An Appropriate Framework for the Information Economy? 116. Frank Morelli, Alexander Mekyska, Stefan Mühlberger Dez. 2004 Produktund prozessorientiertes Controlling als Instrument eines erfolgreichen Informationstechnologie-Managements 117. Stephan Thesmann, Martin Frick, Dominik Konrad Dez. 2004 E-Learning an der Hochschule Pforzheim 118. Norbert Jost (Hrsg.) Juni 2005 Technik-Forum 2004: Innovative Werkstoffaspekte und Laserbehandlungstechnologien für Werkzeuge der Umformtechnik 119. Rainer Gildeggen Juni 2005 Internationale Produkthaftung 120. Helmut Wienert Okt. 2005 Qualifikationsspezifische Einkommensunterschiede in Deutschland unter besonderer Berücksichtigung von Universitätsund Fachhochschulabsolventen 121. Andreas Beisswenger, Bernd Noll Nov. 2005 Ethik in der Unternehmensberatung – ein vermintes Gelände? 122. Helmut Wienert Juli 2006 Wie lohnend ist Lernen? Ertragsraten und Kapitalendwerte von unterschiedlichen Bildungswegen 123. Roland Wahl (Hrsg.) Sept. 2006 Technik-Forum 2005: Umformwerkzeuge – Anforderungen und neue Anwendungen. Mit Beiträgen von Edmund Böhm, Eckhard Meiners, Andreas Baum, Ursula Christian und Jörg Menno Harms 124. Mario Schmidt Dez. 2006 Der Einsatz von Sankey-Diagrammen im Stoffstrommanagement Pforzheimer Werkstofftag 2018 146 125. Norbert Jost (Hrsg.) Okt. 2007 Technik-Forum 2006: Innovative neue Techniken für Werkzeuge der Kaltverformung. Mit Beiträgen von Franz Wendl, Horst Bürkle, Rainer Menge, Michael Schiller, Andreas Baum, Ursula Christian, Manfred Moik und Erwin Staudt 126. Roland Wahl (Hrsg.) Okt. 2008 Technik-Forum 2007: Fortschrittsberichte und Umfeldbetrachtungen zur Entwicklung verschleißreduzierter Umformwerkzeuge. Mit Beiträgen von Klaus Löffler, Andreas Zilly, Andreas Baum und Paul Kirchhoff 127. Julia Tokai, Christa Wehner Okt. 2008 Konzept und Resultate einer Online Befragung von Marketing-Professoren an deutschen Fachhochschulen zum BolognaProzess 128. Thomas Cleff, Lisa Luppold, Gabriele Naderer, Jürgen Volkert Dez. 2008 Tätermotivation in der Wirtschaftskriminalität 129. Frank Thuselt Juni 2009 Das Arbeiten mit Numerik-Programmen. MAT-LAB, Scilab und Octave in der Anwendung 130. Helmut Wienert Aug. 2009 Wachstumsmotor Industrie? Zur Bedeutung des verarbeitenden Gewerbes für die Entwicklung des Bruttoinlandsprodukts 131. Sebastian Schulz Sept. 2009 Nutzung thermodynamischer Datensätze zur Simulation von Werkstoffgefügen (aus der Reihe „Focus Werkstoffe“, Hrsg. Norbert Jost) 132. Hanno Beck; Kirsten Wüst Sept. 2009 Gescheiterte Diäten, Wucherzinsen und Warteprämien: Die neue ökonomische Theorie der Zeit 133. Helmut Wienert Sept. 2009 Was riet der Rat? Eine kommentierte Zusammenstellung von Aussagen des Sachverständigenrats zur Regulierung der Finanzmärkte und zugleich eine Chronik der Entstehung der Krise 134. Norbert Jost (Hrsg.) Nov. 2010 Technik-Forum 2008: Werkstoffe und Technologien zur Kaltverformung 135. Frank Morelli Jan. 2010 Geschäftsprozessmodellierung ist tot – lang lebe die Geschäftsprozessmodellierung! 136. T. Cleff, L. Fischer, C. Sepúlveda, N. Walter Jan. 2010 How global are global brands? An empirical brand equity analysis 137. Kim Neuer Juni 2010 Achieving Lisbon – The EU’s R&D Challenge The role of the public sector and implications of US best practice on regional policymaking in Europe 138. Bernd Noll Sept. 2010 Zehn Thesen zur Corporate Governance 139. Pforzheim University März 2011 Communication on progress. PRME Report 2008 140. Rainer Maurer März 2011 Unternehmensverantwortung für soziale und ökologische Nachhaltigkeit – darf man auch anderer Meinung sein? Einige kritische Anmerkungen zum PRME-Report der Hochschule 141. Barbara Reeb, Malte Krome Okt. 2011 Arm trotz Arbeit? Zum Für und Wider von Mindestlöhnen 142. B. Eng. Daniel Wyn Müller Mai 2012 Titanschäume als Knochenimplantat. Aus der Reihe „Focus Werkstoffe“, Hrsg.: N. Jost 143. Alexander Martin Matz, Norbert Jost Mai 2012 Fouling an offenporigen zellulären Werkstoffen auf Al-Basis unter beheizten wässrigen Bedingungen; Aus der Reihe „Focus Werkstoffe“, Hrsg.: N. Jost 144. Norbert Jost, Roman Klink (Hrsg.) Sept. 2012 Tagungsband zum 1. Pforzheimer Werkstofftag (12.09.2012), aus der Reihe „Focus Werkstoffe“ der Pforzheimer Hochschulberichte, Hrsg.: N. Jost 145. Norbert Jost, Roman Klink (Hrsg.) Sept. 2013 Tagungsband zum 2. Pforzheimer Werkstofftag (26.09.2013), aus der Reihe „Focus Werkstoffe“ der Pforzheimer Hochschulberichte, Hrsg.: N. Jost 146. Helmut Wienert Feb. 2014 Zur Entwicklung der Hochschulen für Angewandte Wissenschaften (Fachhochschulen) in Deutschland 147. Jürgen Antony April 2014 Technical Change and the Elasticity of Factor Substitution, Hrsg.: N. Jost, K-H. Rau, R. Scherr, C. Wehner, H. Beck 148. Stephanie Görlach April 2014 Ressourceneffizienz in Deutschland, Hrsg.: N. Jost, K-H. Rau, R. Scherr, C. Wehner, H. Beck 149. Norbert Jost, Roman Klink (Hrsg.) Sept. 2014 Tagungsband zum Pforzheimer Werkstofftag 2014 (25.09.2014), aus der Reihe „Focus Werkstoffe“ der Pforzheimer Hochschulberichte, Hrsg.: N. Jost Pforzheimer Werkstofftag 2018 147 150. Bernd Noll August 2014 Unternehmenskulturen – entscheidender Ansatzpunkt für wirtschaftsethisches Handeln? 151. Human Ressources Competence Center April 2015 50 Jahre Personalmanagement an der Hochschule – Jubiläumsband 152. Rainer Maurer Mai 2015 Auf dem Weg zur weltanschaulichen Bekenntnisschule: Das wirtschaftspolitische Leitbild der Hochschule Pforzheim 153. Norbert Jost Okt. 2015 Tagungsband zum Pforzheimer Werkstofftag 2015 (01.10.2015), aus der Reihe „Focus Werkstoffe“ der Pforzheimer Hochschulberichte, Hrsg.: N. Jost 154. Jessica Elena Balzer Nov. 2015 Spielen mit guten Gewissen: Ein Vorschlag zur Zertifizierung der deutschen Spielwarenindustrie und ein Schritt näher zum Schachmatt des Greenwashing 155. Jaqueline Paasche Jan. 2016 Kopieren, transformieren, kombinieren – Ideenklau und Plagiarismus in der Werbung 156. Vanessa Zeiler Jan. 2016 Mobile User Experience – Der Einfluss von kognitivem Entertainment auf die Nutzung mobiler Anwendungen 157. Mario Kotzab, Maximilian Pflug Jan. 2016 Das bedingungslose Grundeinkommen 158. Marco C. Melle Jan 2016 Harmonisierung der heterogenen Unternehmensteuern in Europa? Plädoyer für einen Mittelweg 159. Klaus Möller, Julian Gabel, Frank Bertagnolli Aug. 2016 fischer Befestigungssysteme: Change Management in der Distributionslogistik – eine Fallstudie 160. Rainer Gildeggen; Andreas Willburger Sept. 2016 What constitutes a compensation free regulation of foreign-owned property in international law? 161. Wolfgang Heinz Okt. 2016 Die Ethik des Strafens 162. Norbert Jost, Simon Kött (Hrsg.) Okt. 2016 Tagungsband zum Pforzheimer Werkstofftag 2016 (29.09.2016), aus der Reihe „Focus Werkstoffe“ der Pforzheimer Hochschulberichte, Hrsg.: N.Jost. 163. Bettina C.K. Binder März 2017 Kennzahlenmanagement und –controlling Prozessorientiertes Performance Management in internationalen Unternehmen 164. Stefan Walz, Jonas Tritschler, Reinhard Rupp Mai 2017 Erweitertes Management Reporting mit SAP S/4HANA auf Basis des Universal Journals 165. Simone Harriehausen Aug. 2017 Wenn ich zwanzig Ziegen will und Du mir keine geben magst – Ein Überblick über die Möglichkeiten und Methoden der Streitbeilegung 166. Norbert Jost, Simon Kött (Hrsg.) Sept. 2017 Tagungsband zum Pforzheimer Werkstofftag 2017 (28.09.2017), aus der Reihe „Focus Werkstoffe“ der Pforzheimer Hochschulberichte, Hrsg.: N.Jost. 167. Helmut Wienert Dez. 2017 Pforzheim: Alles Schuckstadt – oder was? 168. Norbert Jost, Simon Kött (Hrsg.) Sept. 2018 Tagungsband zum Pforzheimer Werkstofftag 2018 (27.09.2018), aus der Reihe „Focus Werkstoffe“ der Pforzheimer Hochschulberichte, Hrsg.: N.Jost.