Fortgeschrittene technische Werkstoffe und Bauteile mit längerer Haltbarkeit in industriellen Anwendungen unter extremen Bedingungen
Die Entwicklung von Werkstoffen und Bauteilen mit längerer Lebensdauer, die hohen Temperaturen oder Temperaturwechseln – wiederholtes Erhitzen und Abkühlen, wodurch sich die Werkstoffe ausdehnen und zusammenziehen – standhalten, stellt eine Herausforderung dar. Der Einsatz weniger ressourcenintensiver Fertigungstechnologien bietet die Möglichkeit, Energie und Mineralvorkommen zu sparen und gleichzeitig einen neuen Standard für die effiziente Herstellung von Bauteilen für technische Geräte zu schaffen, die gegen hohe Temperaturen und Korrosion beständig sind.
Herausforderungen, die der Nachhaltigkeit beim Heißprägen entgegenstehen
Im Mittelpunkt des EU-finanzierten Projekts HIPERMAT stand ein Anwendungsfall, bei dem es um einen Rollbalkenofen ging, der im Heißprägeverfahren eingesetzt wird. Mit diesem Fertigungsverfahren, das unter anderem von der Automobilindustrie eingesetzt wird, werden Leichtbauteile für die Rohkarosserie in großen Mengen hergestellt. Der Ofen ist allerdings die Anlage in diesem Fertigungsverfahren, die am meisten Energie und Ressourcen verbraucht. Der Ofen arbeitet unter schwierigen Bedingungen: Die Temperaturen erreichen fast 1 000 Grad Celsius, das Gewicht der Balken und der Stahlplatten ist sehr hoch, und die hohen Temperaturen und die ständige Hitze im Inneren des Ofens schaffen eine korrosive Umgebung. Diese harten Arbeitsbedingungen führen zu unterschiedlichen Ausfallarten. Die häufige Wartung und der Austausch von Bauteilen für diese Öfen führen zu erheblichen Produktivitätsverlusten. Sie führen außerdem zu einem erhöhten Energie- und Ressourcenverbrauch, da für die Herstellung der Ofenbauteile kritische Werkstoffe benötigt werden.
Werkstoffinnovationen zur Bewältigung der Herausforderungen beim Heißprägen
In dem Bestreben, das Heißprägen nachhaltiger zu gestalten, nutzte HIPERMAT fortgeschrittene Gestaltungsinstrumente, um die Werkstoffauswahl und die Haltbarkeit der Bauteile zu optimieren. Diese Initiative führte zur Entwicklung und Validierung von hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Legierungen, einschließlich Varianten von feuerfestem Edelstahl und anderen Legierungen, die in Schutzlagen aufgetragen werden. „Herkömmliche hitzebeständige Edelstähle beinhalten eine breite Palette chemischer Standardelemente wie Kohlenstoff, Nickel und Chrom. Durch die Begrenzung des Verhältnisses dieser Elemente in der Legierung und die intelligente Kombination anderer Elemente wie Niob, Wolfram und Molybdän wird die Mikrostruktur der Legierung verändert, wodurch sich ihre Verschleiß- und Hochtemperatureigenschaften verbessern“, erklärt Projektkoordinator Fernando Santos.
Fortgeschrittene Fertigungsverfahren für leistungsstärkere Bauteile
Zur Herstellung von Endbauteilen aus diesen Hochleistungslegierungen setzte das Projektteam fortgeschrittene additive Fertigungsverfahren wie Laserauftragschweißen, Keramikbeschichtungen und Abtragtechnik ein. „Bei der Fertigung von Bauteilen für Hochtemperaturanlagen werden in der Regel Schüttgüter bearbeitet. Die Einführung von Laserauftragschweißen und Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Keramikbeschichtungen ermöglicht es jedoch, teure Legierungen nur an der Oberfläche zu verwenden, während die Grundlegierung nur den Kern des Teils bildet“, erläutert Santos. „Diese Methode, die äußere Schicht zu reparieren und zu restaurieren, anstatt das gesamte Teil zu ersetzen, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Ressourcennutzung dar.“ Die Abtragtechnik, die bei der Fertigung mit Schüttgut eingesetzt wird, verändert die heterogene Mikrostruktur, die bei herkömmlichen Stahlgussverfahren entsteht. Die daraus resultierenden Legierungen weisen daher dünnere, gleichmäßiger verteilte Karbide auf, die zu einer höheren Kriechbeständigkeit und einer Verdoppelung der Stromwerte führt. Nach gründlichen zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfungen wurden diese Bauteile in einen echten Heißprägeofen integriert, wo ihre Leistung über ein fortgeschrittenes Netzwerk von eingebetteten Sensoren und Datenverarbeitungsinstrumenten kontinuierlich überwacht wird. „Konventionell sind die Sensoren in den Wänden, der Decke und dem Boden des Ofens angebracht, aber nicht in der Nähe der zu bearbeitenden Teile.“ Die Möglichkeit, Sensoren mittels Laserauftragschweißen zu drucken und sie in funktionale Teile einzubetten, die sich in der Nähe der zu bearbeitenden Teile befinden, erleichtert eine strengere Prozesskontrolle und verbessert die Qualität des Endprodukts. „HIPERMAT zeichnet sich dadurch aus, dass es die datengestützte Analyse gegenüber den traditionellen physikalischen Simulationen bevorzugt. Dieser Ansatz generiert Algorithmen, die kritische Variablen identifizieren und so eine schnellere Entwicklung neuer Werkstoffe mit fortgeschrittenen Eigenschaften für raue Umgebungen fördern“, fasst Santos zusammen. Durch die Konzentration auf die Optimierung der Werkstoffauswahl und die Verbesserung der Fertigungsverfahren hat HIPERMAT die Entwicklung verbesserter Werkstoffe vorangetrieben, die das Potenzial bergen, den Energie- und Ressourcenverbrauch in industriellen Prozessen erheblich zu senken.
Schlüsselbegriffe
HIPERMAT, Legierungen, Heißprägen, hohe Temperaturen, Korrosion, Keramikbeschichtungen, Abtragen, Laserauftragschweißen, datengestützte Analyse, physikbasierte Simulationen, Prozessindustrie, energieintensive Industrien
