Im Forschungsprojekt Return II haben Mitarbeitende des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover in Zusammenarbeit mit einem Konsortium aus Unternehmen eine neuartige Prozesskette entwickelt und erforscht, die Titanspäne zu Pulver aufbereitet. „Unsere im Projekt erforschte Prozesskette schließt den Werkstoffkreislauf zwischen subtraktiver und additiver Fertigung. Hierdurch wird eine ressourcenschonende Herstellung von Titanpulver ermöglicht, was den Energieaufwand um bis zu 70 Prozent im Vergleich zu Primärpulver senkt“, sagt IFW-Mitarbeiter Simon Kettelmann. Primärpulver beschreibt Pulver, das aus Primärrohstoffen hergestellt wird, also nicht aus Recycling-Material.
„Eine große Herausforderung für uns war die Vorgabe, dass unser aus Titanspänen hergestelltesPulver die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie erfüllen und für den 3D-Druck hochwertiger Bauteile nutzbar sein sollte“, erläutert Kettelmann. Vor allem die Einhaltung des Grade 5-Standards stand im Fokus, der die chemischen Eigenschaften des Werkstoffs limitiert. Im Vorgängerprojekt „Return“ konnte bereits gezeigt werden, dass sich die Verunreinigungen der Titanspäne durch gezieltes Einstellen der Prozessgrößen deutlich reduzieren lassen. Die Späne wurden jedoch nicht zu Pulver für die additive Fertigung recycelt, sondern wieder in Vollmaterial umgewandelt.
Für den Recyclingprozess der Späne für die additive Fertigung werden die Späne zunächst in eine zylindrische Form gepresst und zu Elektroden verarbeitet. Die Elektroden werden anschließend mithilfe einer Spule aufgeschmolzen und zu Pulver zerstäubt. Mit diesem Pulver werden in additiven Verfahren neue Bauteile gefertigt, die durch spanende Verfahren nachbearbeitet werden können. Beim Zerstäuben, auch Verdüsen genannt, entsteht auch Ausschusspulver, dessen Korngröße zu groß für einige additive Fertigungsverfahren ist. „Der grobkörnige Teil des Pulvers wird jedoch nicht entsorgt, sondern zurückgeführt und zum Pressen der Elektroden eingesetzt“, erläutert Kettelmann.
Im Projekt konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Konsortiums zeigen, dass der limitierende Faktor beim Recycling der Titanspäne die Kontamination der Späne durch Kohlenstoff und Sauerstoff ist. Sowohl hohe Schnittgeschwindigkeiten als auch fortschreitender Werkzeugverschleiß führte zu einer stärkeren Oxidierung, was die Recyclingfähigkeit negativ beeinflusste. Zusätzlich konnte bei hohen Schnittgeschwindigkeiten ein vermehrtes Auftreten von Werkzeugausbrüchen in den Spänen nachgewiesen werden, was ebenfalls zu ungewollter Kontamination der Späne führt. Ein wesentliches Ergebnis der Forschungen ist, dass vor allem Späne aus der Schruppbearbeitung mit moderaten Schnittgeschwindigkeiten und hohem Vorschub ein hochwertiges Recycling ermöglichen.
Für die Sicherstellung einer kosten- und ressourceneffizienten Prozesskette entwickelten die Projektmitarbeitenden eine Planungsmethode, die ein Abstimmen der Prozesse aufeinander erlaubt, selbst wenn die Prozesse unternehmensübergreifend verteilt vorliegen. Mithilfe von Prozessmodellen werden die Werkstoffeigenschaften abhängig von der Prozessdurchführung prognostiziert und den Folgeprozessen bereitgestellt. Kettelmann: „So ist es möglich, die Auswirkungen von einzelnen Fertigungsprozessen auf die gesamte Prozesskette abzuschätzen und den Prozess entsprechend auszulegen.“
Das IFW dankt dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die finanzielle Förderung des Forschungsprojekts.
