Gusstough

Materialien für eine ressourceneffiziente Industrie und Gesellschaft – MatRessource

Die Rohstoffknappheit zwingt eine Industriegesellschaft wie Deutschland dazu, Innovationen für mehr Ressourceneffizienz voranzutreiben. Während viele Bau- und Massenrohstoffe wie Kiese und Sande aus heimischen Lagerstätten gewonnen werden können, müssen energetische und metallische Rohstoffe in großem Umfang aus dem Ausland importiert werden. Vor diesem Hintergrund hat das BMBF Ende 2010 den Ideen-Wettbewerb „MatRessource“ im Rahmenprogramm WING gestartet. Zielsetzung dieser Bekanntmachung ist neben der Substitution von strategischen Metallen und der Steigerung von Materialeffizienz auch die effizientere Nutzung von katalytischen Rohstoffen. Außerdem stehen verbesserte Korrosionsschutzkonzepte zur Verlängerung der Lebensdauer von Bauteilen und Anlagen im Fokus.

Die Erhöhung der Ressourceneffizienz durch Materialinnovationen soll dazu beitragen, die Abhängigkeit von Rohstoffimporten dauerhaft zu verringern, die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie durch Senkung der Energie- und Materialkosten zu verbessern und die Umwelt zu entlasten.

Ressourcenunabhängigkeit für Mobilität und Energie

Duktiles Gusseisen wird seit vielen Jahren für die Herstellung hochbelasteter Bauteile im Maschinen- und Fahrzeugbau verwendet. Bauteile, die aus diesen Werkstoffen gefertigt werden, bieten ein hervorragend ausbalanciertes Verhältnis zwischen Werkstoff- und Bauteil-Eigenschaften sowie Kosten. Die Einstellung der hier geforderten Materialeigenschaften erfordert den Einsatz von Cer. Cer gehört als Selten-Erd-Metall bezüglich Marktverfügbarkeit und wirtschaftlicher Bedeutung zu den von der EU als extrem kritisch eingestuften Rohstoffen. Ohne den Einsatz von Cer ist es nach derzeitigem Stand der Technik jedoch nicht denkbar, den wirtschaftlichen und technischen Anforderungen entsprechende Gussteile zu fertigen. Hochbelastete Fahrwerksteile für die Verkehrstechnik wären nicht herstellbar, die Produktion alternativer Energie mit Windkraftanlagen, deren Weiterentwicklung in Leistungsklassen höherer Energiedichte wäre gefährdet und auch der in Deutschland höchst kompetente Industriezweig Werkzeugmaschinen könnte seine technologische Kompetenz und seine weltweite Marktstellung nicht weiter entwickeln und absichern.

Schmelzprozess

Perfekt aufeinander abgestimmte Entwicklungs- und Fertigungsprozesse bilden die Grundlage für ressourcen- und energieeffiziente Anlagentechnik: Im Bild: Schmelzprozess bei HegerGuss GmbH.

Windenergieanalage

Wesentliche Elemente einer Windenergieanlage sind als Gussteile ausgeführt. Im Bild: Gondelquerschnitt Enercon E-126 / 7.580 kW.

Die zentrale Zielsetzung des Verbundforschungsvorhabens GussTough ist die Substitution von Seltenen Erden im Herstellprozess für Bauteile aus duktilen Gusseisenwerkstoffen. Dies erfordert eine Neudefinition keimbildungs- und wachstumswirksamer Elemente, die sich in ihrer Funktionalität mindestens gleichwertig verhalten. Mit Hilfe thermodynamischer und kinetischer Modellrechnungen werden alternative Elementkonfigurationen ausgewählt. Gleichzeitig wird eine geschlossene Wertschöpfungskette entwickelt, die die mit dieser Substitution unmittelbar verknüpften Potenziale einer bisher nicht realisierbaren Werkstoffoptimierung erschließt.

Das Projekt GussTough legt zur Problemlösung einen ganzheitlichen Forschungsansatz zugrunde. Die Grundforderung nach ökologischer und ökonomischer Effizienz hinsichtlich der verwendeten Einsatzmaterialien muss über die Entwicklung einer optimal angepassten stofflichen Verwertung der Prozessabfälle gewährleistet werden. GussTough umfasst so die vollständige Wertschöpfungskette für die neuen Gusseisenwerkstoffe: Werkstoffherstellung – Bauteilherstellung und Eigenschaftscharakterisierung – Bauteilkonstruktion – Werkstoffkreislauf und Recycling.

Projektpartner und ihre Aufgaben im Projekt:

HegerGuss GmbH: Herstellung von Demonstratoren mit modifizierten Gusseisenwerkstoffen sowie deren stoffliche Wiederverwertung

Technische Universität Clausthal: Auswahl der in Frage kommenden Substitutionsmaterialien auf Basis von thermodynamisch-kinetischen Berechnungen, Durchführung von Pilotversuchen

WRD Wobben Research and Development GmbH: Weiterentwicklung von Methoden zur Lebensdauerabschätzung und Implementierung in Richtlinien mit Schwerpunkt Windenergie-Gusskomponenten

Claas Guss GmbH: Herstellung von Demonstratoren mit modifizierten Gusseisenwerkstoffen sowie deren stoffliche Wiederverwertung

MAGMA Gießereitechnologie Gesellschaft für Gießerei-, Simulations- und Regeltechnik mbH: Entwicklung angepasster Fertigungsprozesse über gießereispezifische Prozessoptimierungssoftware, Modellerweiterung sowie Validierung

Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten: Charakterisierung der hergestellten Proben, Integration der Ergebnisse in Prüf- und Qualifizierungsverfahren

 ZF Friedrichshafen AG: Bauteildesign und -prüfung aus Sicht eines Automobilzulieferers

 

Verbundprojekt: GussTough – Substitution von Seltenen Erd-Metallen zur Entwicklung kaltzäher duktiler Gusseisenwerkstoffe
Koordinator: Dipl.-Ing. Hartwig Haurand
HegerGuss GmbH
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Dierk Hartmann
Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten
Projektlaufzeit: 01.08.2014 – 31.07.2017

 

Träger:

BMBF_300x300

Programm: Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft – WING
Projektträger: Projektträger Jülich
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Ulrike Mohr
Tel.: 02461 – 613216
E-Mail: u.mohr@fz-juelich.de