„Aluminium ist ein gefragter Leichtbauwerkstoff und wird in vielen Branchen eingesetzt. Er lässt sich einfach verarbeiten und hat eine hohe Festigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht.“ – Das stimmt, denn mit einer spezifischen Dichte von nur 2,7 g / cm3 ist es nur etwa ein Drittel so schwer wie beispielsweise Stahl, Messing oder Kupfer.
In der Artikelserie „Werkstoffe im Leichtbau“ stellen wir die im Leichtbau verwendeten Werkstoffe vor, beschreiben ihre Eigenschaften und Anwendungen, ihre Verfügbarkeit und Verbreitung. Wir schauen uns in verschiedenen Beiträgen an, wie sie verarbeitet werden können und was sie für den Leichtbau auszeichnet – aber auch welche Nachteile mit ihrem Einsatz verbunden sind. Ebenso wollen wir ihr Potenzial für die Zukunft, ihren CO2-Footprint und die Recyclingfähigkeit bewerten. Metallische Leichtbauwerkstoffe sind z. B. Aluminium, Magnesium, hochfeste Stähle und Titan. Daneben gelten Faserverbundwerkstoffe als klassische Leichtbaumaterialien.
Allerdings ist Aluminium nicht gleich Aluminium. In der Beitragsreihe zu Aluminium nehemn wir alle Aspektes dieses Leichtmetalls unter die Lupe und beginnen mit den Grundlagen:
Was Aluminium zum Leichtbauwerkstoff macht
Schauen wir uns „Aluminium“ genauer an: Reines Aluminium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Al. Es ist ein silbrig-weißes Leichtmetall mit einem Schmelzpunkt von 660 ° Celsius. In der Erdhülle ist es, nach Sauerstoff und Silicium, das dritthäufigste Element und in der Erdkruste das häufigste Metall. Aluminium ist ein sogenanntes unedles Metall, weshalb es selten in seiner reinen Form vorkommt. Reines Aluminium oder Reinstaluminium besitzt nur eine geringe Festigkeit.
Die Festigkeit, die für den Leichtbau so wichtig ist, erhält das Aluminium durch Legierungsbestandteile. In der Werkstofftechnik und damit auch im Leichtbau bezeichnet man daher mit „Aluminium“ in der Regel Legierungen auf Basis reinen Aluminiums. Diese zeichnen sich durch ein geringes Gewicht bei hoher Festigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit aus. Als Werkstoffgruppe sind diese Legierungen elektrisch leitfähig, korrosionsbeständig und recyclingfähig. Für hohe Festigkeiten werden beispielsweise Zink – zusammen mit Magnesium – und Kupfer genutzt. Für mittlere Festigkeiten setzt man eher Mangan, Magnesium und Silicium ein. Generell sind als Legierungsbestandteile aber sowohl metallische als auch nichtmetallische Elemente möglich.
In der Metallurgie ist eine Legierung ein Gemenge mit metallischem Charakter aus zwei oder mehr chemischen Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist. Das Verb legieren stammt ursprünglich aus dem lateinischen ligare und bedeutet zusammenbinden, verbinden oder auch vereinigen. Im 17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte legare (von gleicher Bedeutung) ins Deutsche übernommen.
(Quelle: chemie.de)
Der Name einer Legierung setzt sich in der Regel aus ihren Bestandteilen zusammen. So ist beispielsweise AlMg4,5Mn0,7 eine Legierung aus Aluminium mit 4,5 Prozent Magnesium und 0,7 Prozent Mangan.
Bei der Herstellung der Legierungen unterscheidet man zwischen Aluminiumknetlegierungen und -gusslegierungen. Als Aluminiumknetlegierung werden alle Aluminiumlegierungen bezeichnet, die mehrheitlich durch Umformen verarbeitet werden. Für den Leichtbau mindestens ebenso bedeutend sind die Aluminiumgusslegierungen, die für das Gießen, beziehungsweise den Druckguss verwendet werden.
Welche Aluminiumlegierung eignet sich ?
Die Aluminiumlegierungen sind nach EN 573-3/4 in Gruppen unterteilt. Man spricht dann beispielsweise von einer 1000er Legierung, wenn der Werkstoff mind. 99 Prozent reines Aluminium enthält.
| Gruppe | Hauptlegierungselement der Knetlegierung | Hauptlegierungselement der Gusslegierung | härtbar? | Festigkeit in N/mm2 | Eigenschaften |
| 1xxx | mind. 99% Aluminium | Reinaluminiumqualitäten | nicht aushärtbar | 70 bis 190 |
|
| 2xxx | Kupfer | Kupfer (AlCu) | aushärtbar | 190 bis 570 |
|
| 3xxx | Mangan | Silicium-Kupfer/Magnesium (s. auch AlSi) | nicht aushärtbar | 100 bis 350 |
|
| 4xxx | Silizium | Silicium (AlSi) | aushärtbare und nicht aushärtbare Mischungen | 170 bis 380 |
|
| 5xxx | Magnesium (ohne Silizium) | Magnesium (AlMg) | nicht aushärtbar | 100 bis 450 |
|
| 6xxx | Magnesium und Silizium | aushärtbar | 100 bis 450 |
|
|
| 7xxx | Zink | Zink | aushärtbar | 220 bis 700 |
|
| 8xxx | andere Elemente | Zinn | unterschiedlich | unterschiedlich |
|
| 9xxx | Vorlegierungen |
Marktdaten: Der Aluminiumbedarf im Leichtbau ist hoch
Nach dem gebräuchlichsten metallischen Werkstoff Stahl ist Aluminium im Leichtbau das am häufigsten verwendete Metall. 2019 ging allein 47 Prozent des Aluminiums in den Verkehrssektor. 1,2 Millionen Tonnen Rohaluminium wurden 2019 in Deutschland produziert, der Bedarf liegt jedoch bei mehr als dem Doppelten. Die größten Importmengen an Aluminium stammen aus China. (Quelle: Aluinfo). Die deutsche Aluminiumindustrie musste allerdings im ersten Quartal 2022 einen Dämpfer verkraften, denn die Produktion von Primäraluminium hierzulande ist bedingt durch die hohen Energiekosten teils deutlich gesunken.
Wie Aluminium verarbeitet wird
Aluminium wird heute überwiegend in Walz- und Presswerken sowie durch Formguss verarbeitet. Die spätere Anwendung bestimmt dabei das Verarbeitungsverfahren. Ausgehend von Blechen lässt sich Aluminium beispielsweise mit geringem Kraftaufwand verformen.
Für Leichtbauteile wird Aluminium vor allem im Druckguss verarbeitet. Ein Trend der letzten Jahre ist das Megacasting.
Additive Fertigungsverfahren für kleinere Serienbauteile sind derzeit Gegenstand intensiver Forschung.
Knapp eine Million Tonnen Aluminium werden im Formguss verarbeitet. Aus ungefähr 2,5 Millionen Tonnen werden gewalzte Halbzeuge hergestellt – zum Beispiel Bleche – und etwa eine halbe Million Tonnen wird zu Profilen verarbeitet.
Aluminium lässt sich meist gut schweißen und ebenso fest verkleben.
Mehr zum Thema Aluminium im Leichtbau gibt’s hier: „Aluminium“ auf Leichtbauwelt
Aluminium und der Green-Deal
Die Herstellung von Rohaluminium aus Bauxit ist sehr energieintensiv und daher auch mit einem hohen CO2-Footprint behaftet. Doch das Material kann gut recycelt werden, wobei je nach Qualität des Aluminiumschrotts mit einer leichten Verminderung der Werkstoffqualität gerechnet werden muss. Entscheidend ist, wie auch beim Kunststoffrecycling, die Kenntnis über die Herkunft und Sortenreinheit. Abfälle aus Gießereien sind dabei das hochwertigste Ausgangsprodukt für das Recycling und können in der Regel direkt wiederverwendet werden. Postconsumer-Abfälle hingegen enthalten häufiger Verunreinigungen oder Beimengungen und bedürfen eines aufwendigeren Recyclingprozesses, bevor sie – vermengt mit Primäraluminium – wieder dem Produktionsprozess zugeführt werden können.
Dem Werkstoff werden – auch dank dieser Recyclingfähigkeit – jedoch gute Zukunftsaussichten eingeräumt, da immer mehr Leichtbauteile insbesondere im Mobilitätssektor aus Aluminium gefertigt werden (können) und so durch Leichtbau zu einem niedrigeren CO2-Footprint der Mobilität beitragen. Dies gilt nicht nur für Automobile, Nutzfahrzeuge und Schienenfahrzeuge. Auch der Flugzeugbau und der Schiffbau setzen vielfach auf Aluminium. Windenergie, Solartechnik und das Bauwesen benötigen den Werkstoff ebenfalls. Zwar ist der Werkstoff teurer, im Gegensatz zu Stahl kann man bei der richtigen Aluminiumlegierung vollkommen auf Korrosionsschutz verzichten und so in der Fertigung wieder Kosten einsparen.
In den folgenden Beiträgen zu Aluminium werden wir auf die einzelnen Aspekte zu Rohstoffherstellung und Recycling, CO2-Footprint sowie die Anwendung in den einzelnen Branchen genauer eingehen.
Für diesen Beitrag verwendete Quellen: Aluinfo, Wikipedia, LeichtbauBW, Chemie.de
Autor: Christine Koblmiller, Redakteurin, Gründerin, Fachjournalistin aus Leidenschaft, überzeugter Leichtbau-Fan.
Mit dem Metamagazin Leichtbauwelt.de habe ich 2018 den Schritt in die Selbständigkeit gewagt und mit Leichtbauwelt ein neues Medienformat im B2B-Umfeld geschaffen. Seit etwa 25 Jahren bin ich Redakteurin für technische B2B-Fachzeitschriften. Für verschiedene führende Fachmagazine habe ich als eBusiness-Projektmanager Industrie schon 2001 crossmediale Angebote eingeführt, denn die Digitalisierung aller Lebensbereiche hat Einfluss auf unser Informationsverhalten. Deshalb bin ich mir sicher, dass sich die Medienbranche wandeln muss. Mehr über mich finden Sie unter Conkomm, auf Xing oder LinkedIn.
„Leichtbau fasziniert und begeistert. Eine Zukunft ohne Leichtbau ist nicht denkbar. Deshalb bin ich sicher, dass Leichtbauwelt.de Inspiration für Ihren Fortschritt ist.“
Comments are closed, but trackbacks and pingbacks are open.