Forschungsprojekte, Kooperationen

Metallische Werkstoffe wie Stahl werden durch Schmelzen und Legieren hergestellt und durch Verfahren wie Gießen, Schmieden oder Schweißen in Form gebracht. Ihre Produktion verursacht aktuell 40 Prozent aller industriellen Treibhausgasemissionen. Zusätzlich fallen bei ihrem Abbau große Mengen an schädlichen Nebenprodukten an. Die metallischen Werkstoffe der Zukunft müssen daher zwingend nachhaltiger werden.

Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Schwerpunktprogramm DaMic soll dafür die wissenschaftlichen Grundlagen legen. Im Mittelpunkt stehen digitale und datengesteuerte Methoden für das Materialdesign. Mit ihnen sollen sich zukünftig Werkstoffe entwickeln lassen, die ökologisch verträglicher, besser recycelbar und dennoch leistungsfähig sind. Zwei grundlegende Ansätze werden dabei verfolgt: Werkstoffe, die mit weniger chemischen Zusätzen (Legierungselementen) auskommen, sowie Legierungen, die gegenüber Verunreinigungen aus Sekundärrohstoffen, wie Stahl- und Eisenschrott, besonders tolerant sind.

Von der Bergischen Universität wirken Prof. Dr. Arne Röttger (Lehrstuhl für Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe), Dr. Silja Rittinghaus (Lehrstuhl für Werkstoffe für die Additive Fertigung) und Prof. Dr. Jaan-Willem Simon (Computational Applied Mechanics) an DaMic mit.

Mehr Hintergrund zu den BUW-Projekten

Recyclingfähigkeit und Nachhaltigkeit von Schnellarbeitsstählen

Neue Formen sogenannter Lean-Schnellarbeitsstähle (High Speed Steel, kurz HSS) hat das Teilprojekt unter Beteiligung von Prof. Dr. Arne Röttger im Visier. Diese werden vor allem für zerspanende Werkzeuge wie Bohrer, Fräser und Kreissägeblätter aus Metall eingesetzt. Konkret geht es im Projekt darum, Designmethoden basierend auf Computersimulationen und maschinellem Lernen zu entwickeln, um den komplexen Zusammenhang unter anderem zwischen chemischer Zusammensetzung, Mikrostruktur und Eigenschaften der Stähle automatisiert zu optimieren und in einem digitalen Werkstoffmodell abzubilden.

„Eine höhere Verschleißbeständigkeit oder verbesserte Eigenschaften wie zum Beispiel Festigkeit verlängern oft die Nutzungsdauer und ein mageres Legierungsdesign die Möglichkeit der einfacheren Rezyklierung dieser Stähle. Im Betrieb ist die Lebensdauer von HSS kurz. Das führt zu vielen Rezyklierzyklen und Mengen an jährlich recyceltem Material. Der potenzielle Nutzen neuer HSS ist damit erheblich“, betont Arne Röttger.

Der im Forschungsprozess identifizierte Werkzeugstahl wird hergestellt und getestet, um seine tatsächliche Leistung und mögliche Grenzen zu bewerten. Daraufhin werden weitere Optimierungen vorgenommen, bis das neue Legierungskonzept überzeugt.

Umweltfreundliche Aluminiumlegierungen für den 3D-Druck

Die nächste Generation leichter, umweltfreundlicher Aluminiumlegierungen für den 3D-Druck entwickelt das Teilprojekt, in dem Dr. Silja Rittinghaus forscht. Herkömmliche Hochleistungslegierungen verwenden oft seltene und teure Legierungselemente wie Scandium und Lithium. Das macht ihre Herstellung kostspielig und ihr Recycling schwierig. Der Ansatz im Projekt ist anders. Silja Rittinghaus: „Wir konzentrieren uns auf Aluminiumlegierungen mit leicht verfügbaren, unkritischen Legierungselementen, die leichter zu recyceln, nachhaltiger und dennoch stark genug für mechanisch anspruchsvolle Anwendungen sein können.“

Durch die Kombination moderner 3D-Drucktechnologien mit leistungsfähigen Computermodellen und künstlicher Intelligenz untersucht das Projekt, wie sich Legierungsrezepte und Mikrostrukturen schnell und effizient optimieren lassen. Langfristig verfolgt das Team nicht nur das Ziel, umweltfreundlichere Metalle bereitzustellen, sondern auch einen Fahrplan für die beschleunigte Legierungsentwicklung zu schaffen und dadurch den Weg zu einer zirkulären, ressourceneffizienten Wirtschaft zu ebnen.

Crossover-Stähle auf der Basis von Schrottrecycling

Crossover-Stähle sind Mischungen verschiedener Sorten rostfreien Stahls, die durch hohe Schrottanteile eine Herstellung aus einhundert Prozent Recyclingmaterial ermöglichen. Diese Stähle müssen aber noch grundlegend untersucht werden. Ihre chemische Zusammensetzung wird stark von den herkömmlichen, genormten Sorten abweichen und der Anteil an Begleitelementen wie Phosphor, Schwefel und Kupfer wird durch die Schrottanteile zwangsläufig erhöht. Sie können zu problematischen Verunreinigungen und damit zu Schäden im Material führen.

Das Projekt, in dem Prof. Dr. Jaan-Willem Simon mitwirkt, untersucht daher, wie Stahl fester und langlebiger gemacht werden kann und welche Rolle dabei kleinste Schäden im Inneren des Materials spielen. „Mithilfe von Hochdurchsatz‑Versuchen, bei denen sehr viele Varianten gleichzeitig statt nacheinander getestet werden, und künstlicher Intelligenz analysieren wir viele verschiedene Schrottmischungen, um zu verstehen, wie Verunreinigungen die Stahleigenschaften beeinflussen und wie sich Recyclingstahl trotzdem gezielt für Hochleistungsanwendungen einsetzen lässt“, erklärt Prof. Simon.

Mehr Hintergrund zu DaMic

Ziel von DaMic – Datengetriebenes Legierungs- und Mikrostrukturdesign nachhaltiger metallischer Konstruktionswerkstoffe (SPP 2489) ist es, digitale Methoden zum sogenannten inversen Materialdesign zu erforschen und zur Entwicklung neuer, nachhaltiger und recyclingangepasster metallischer Konstruktionswerkstoffe einzusetzen. Inverses Materialdesign heißt, dass die Forschenden nicht beim Werkstoff starten, sondern bei den gewünschten Eigenschaften. Sie definieren Zielgrößen wie Festigkeit und Leitfähigkeit, modellieren das Material danach computergestützt und ebnen damit den Weg zur Herstellung eines neuen Werkstoffs.

Angesichts der Komplexität und der interagierenden Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe eröffnet insbesondere die Kombination von Experiment und digitalen Methoden die Möglichkeit, geeignete Konstellationen in Bezug auf Legierungszusammensetzung, Mikrostruktur und Eigenschaften zu identifizieren.

Die insgesamt elf Teilprojekte wollen einen Beitrag zur Etablierung eines neuen Forschungsfeldes an der Schnittstelle von Digitalisierung und Nachhaltigkeit leisten.

Weiterführende Informationen gibt es auf der Webseite des Schwerpunktprogramms DaMic: https://tu-dresden.de/ing/forschung/dfg-schwerpunktprogramme/spp-2489

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Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Arne Röttger
Lehrstuhl für Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe
E-Mail roettger@uni-wuppertal.de

Dr. Silja-Katharina Rittinghaus
Lehrstuhl Werkstoffe für die additive Fertigung
E-Mail rittinghaus@uni-wuppertal.de

Prof. Dr. Jaan-Willem Simon
Lehrstuhl Computational Applied Mechanics
E-Mail jaan.simon@uni-wuppertal.de