BrakeClean: Produkt- und Prozessentwicklung für nachhaltige ("clean") Bremsen im Automobilbereich; Teilvorhaben: "Entwicklung des Recycling- und Gießprozesses zur Aluminium-Rohlingherstellung"

Abstract

Im Rahmen des Projekts BrakeClean sollte die gießtechnologische Herstellung leichter, aluminium-basierter Bremsscheibenrohlinge untersucht werden. Ziel war es, Prozess- und Anlagentechnik zu entwickeln, mit der sowohl recycelte Aluminiumschrotte, Aluminium-Silizium-Legierungen sowie Siliziumcarbid- (SiC-) partikelverstärkte Aluminium-Matrix-Komposite zu entsprechenden Bremsscheibenrohlingen verarbeitet werden können. Die Relevanz des Vorhabens geht aus dem Bedarf an emissionsärmeren, ressourcenschonenderen und leichteren Bremssystemen hervor, insbesondere vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an Verschleiß- und Feinstaubemissionen. Zur Bearbeitung der Fragestellung wurde eine modulare Prototypenanlage installiert, bestehend aus Komponenten zum Schmelzen, zur Schmelzebehandlung und zur gießtechnologischen Verarbeitung der Schmelze zu endkonturnahen Gussteilen. Dabei kamen das Schwerkraftgießen, Impeller- und Rührtechnik, Technik für Ultraschallbehandlung, kontrollierte SiC-Partikelzuführung sowie thermische Partikelvorbehandlungen zum Einsatz. Begleitet wurden diese Entwicklungen von CFD- und FEM-Simulationen zur Auslegung von Gießform, Rührer, Strömungsführung und thermischen Prozessen zum Einsatz. Eine Open-Source-basierte digitale Prozessüberwachung ermöglichte die Echtzeiterfassung, teils -Steuerung relevanter Parameter wie bspw. der Schmelzetemperatur, der Energieverbräuche und der Ultraschallparameter. Die Ergebnisse zeigen, dass untereutektische AlSi-Bremsscheibenrohlinge nach Optimierung der Gießform zuverlässig hergestellt werden konnten. Die grundsätzliche Recyclingfähigkeit angelieferter Aluminiumschrotte wurde nachgewiesen, jedoch führten Verunreinigungen an den eingesetzten Schrotten und daraus resultierende Verbrennungsrückstände dazu, dass für die weitere Prozessentwicklung definierte Aluminiumhalbzeuge verwendet wurden. Als besonders erfolgreich hervorzuheben ist die Herstellung von AMC-Schmelzen mit einem Gehalt zwischen 15 und 20 Vol.-% SiC-Partikeln in industriell relevanter Größenordnung. Entscheidend hierfür war das Zusammenspiel aus speziell entwickeltem Grafitrührer, Ultraschallbehandlung und kontrollierter Partikelzugabe. Der Grafitrührer zeigte gegenüber Stahlvarianten und solchen mit Panzerplattierung eine deutlich höhere Verschleißbeständigkeit und Prozessstabilität. Ein zentrales Ergebnis betrifft das Sedimentationsverhalten der SiC-Partikel. Modellierungen und Versuche zeigten, dass die Partikelverteilung stark von Zeit, Temperatur, Viskosität und Zwischenrühren abhängt. Durch erneutes Aufrühren zwischen den Abgüssen konnte die Ausbringung von AMC-Gussteilen einer Charge gegenüber einem Prozess ohne Zwischenrühren von etwa 10 auf 22 Gussteile gesteigert werden. Die thermische Vorbehandlung der SiC-Partikel bei 1.100 °C zeigte zudem Hinweise auf eine erfolgreiche Oberflächenmodifikation, deren Einfluss auf die Schmelzeeinbindung jedoch weiter zu untersuchen ist. Zusammenfassend belegt das Projekt die grundsätzliche Möglichkeit der schmelzmetallurgischen Herstellung von Aluminium-Matrix-Kompositen auf Grundlage recycelter Aluminium-Schrotte im industriell relevanten Maßstab. Die entwickelten Anlagen- und Prozessansätze bilden eine belastbare Grundlage für weitere F&E-Arbeiten sowie für industrielle Anwendungen im Bereich leichter, verschleißbeständiger Bremsscheiben und anderer hochbelasteter Leichtbaukomponenten. Für die ENA ergibt sich daraus ein deutlicher Know-how-Zuwachs in der thermischen Prozessführung, der AMC-Herstellung und dem Sonderanlagenbau. Weiterer Entwicklungsbedarf besteht insbesondere bei einer weiteren Optimierung und Untersuchung des Einflusses der Ultraschallparameter auf die Schmelzequalität in einer derartigen Größenordnung, der Rührergeometrie, der Partikeleinbringung, der SiC-Vorbehandlung und der konturnahen gießtechnologischen Verarbeitung hochviskoser Schmelzen. The BrakeClean project investigated the use of casting technology to produce lightweight, aluminium-based brake disc blanks. The aim was to develop process and plant technology capable of processing recycled aluminium scrap as well as aluminium- silicon alloys and SiC-particle-reinforced aluminium matrix composites. The relevance of the project stems from the need for lower-emission, more resource-efficient and lighter braking systems, particularly against the backdrop of increasing requirements regarding wear and particulate emissions. To address this research question, a modular prototype plant was installed, comprising components for melting, melt treatment and the casting of the melt into castings with near-final contours. The process utilised gravity casting, impeller and stirring technology, ultrasonic treatment technology, controlled SiC particle feeding and thermal particle pre-treatment. These developments were supported by CFD and FEM simulations to design the mould, stirrer, flow guidance and thermal processes. An open-source-based digital process monitoring system enabled the real-time recording and, in some cases, control of relevant parameters such as melt temperature, energy consumption and ultrasonic parameters. The results show that sub-eutectic AlSi brake disc blanks could be reliably produced following optimisation of the casting mould. The fundamental recyclability of the aluminium scrap supplied was demonstrated; however, impurities in the scrap used and the resulting combustion residues meant that defined semi-finished aluminium products were used for further process development. Of particular note is the successful production of AMC melts containing between 15 and 20 vol.% SiC particles on an industrially relevant scale. Crucial to this was the combination of a specially developed graphite stirrer, ultrasonic treatment and controlled particle addition. Compared with steel variants and those with armour plating, the graphite stirrer demonstrated significantly higher wear resistance and process stability. A key finding concerns the sedimentation behaviour of the SiC particles. Modelling and experiments showed that the particle distribution depends heavily on time, temperature, viscosity and intermediate stirring. By re-stirring the melt between castings, the output of AMC castings from a single batch was increased from around 10 to 22 castings, compared with a process without intermediate stirring. Furthermore, the thermal pre-treatment of the SiC particles at 1,100 °C provided evidence of successful surface modification; however, its influence on integration into the melt requires further investigation. In summary, the project demonstrates that it is fundamentally possible to produce aluminium matrix composites using melt metallurgy on an industrially relevant scale, based on recycled aluminium scrap. The plant and process approaches developed provide a robust foundation for further R&D work as well as for industrial applications in the field of lightweight, wear-resistant brake discs and other high-load lightweight components. For ENA, this results in a significant increase in expertise in thermal process control, AMC production and the construction of specialised plant systems. Further development is required, in particular, to optimise and investigate the influence of ultrasonic parameters on melt quality at this scale, as well as the agitator geometry, particle introduction, SiC pre-treatment and the near-contour processing of highly viscous melts by casting.