Die Herausforderungen in der Fertigung von Titanbauteilen sind nicht nur technischer, sondern auch ökologischer Natur. Bei der spanenden Fertigung, die Verfahren wie Fräsen, Drehen und Schleifen umfasst, geht ein erheblicher Teil des Titanrohstoffs als Späne verloren. Schätzungen zufolge können diese Zerspanraten bei der Bearbeitung großer Flugzeugbauteile bis zu 90 Prozent erreichen. Diese abfallenden Späne, die oft als wertloser Abfall betrachtet werden, könnten jedoch einer neuen, vielversprechenden Nutzung zugeführt werden. Dies verfolgt das Forschungsprojekt Return II der Leibniz Universität Hannover, dessen Ziel ein geschlossener Werkstoffkreislauf für Titanbauteile ist. Die Federführung des Projekts liegt beim Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), in Kooperation mit vier Industriepartnern. Das zentrale Anliegen besteht darin, die bei der Bearbeitung anfallenden Späne in hochwertiges Titanpulver umzuwandeln, um sowohl die Ressourcen- als auch die Energieeffizienz signifikant zu steigern und darüber hinaus die CO2-Emissionen drastisch zu reduzieren.
Die gegenwärtige Prozesskette zeigt deutliche Defizite in Sachen Wirtschaftlichkeit und Ressourcenschonung. Titanspäne sind häufig durch Oxidation, Kühlschmierstoffrückstände und Werkzeugpartikel verunreinigt, was das Recycling erheblich erschwert. Grundlagenuntersuchungen im Rahmen von Return II haben jedoch gezeigt, dass durch gezielte Anpassung der Prozessgrößen diese Verunreinigungen verringert werden können. Durch innovative Verfahren könnte hochwertiges Titan-Vollmaterial aus recycelten Spänen hergestellt werden, wodurch der herkömmliche, energieaufwändige Einschmelzprozess umgangen wird. Stattdessen wird angestrebt, die Späne direkt in moderne Pulverherstellungsverfahren wie Verdüsungsverfahren einzuführen, was nicht nur den Energieaufwand, sondern auch den CO2-Ausstoß um bis zu 80 Prozent senken könnte.
Recyclingstrategie und additive Fertigung
Das Projekt Return II hat die Herausforderung, eine Recyclingstrategie für Flugzeugbauteile aus Titan zu entwickeln und verfolgt dabei das Ziel, mindestens 70 Prozent recyceltes Material in der Herstellung zu verwenden. Diese Strategie könnte in Deutschland eine Einsparung von etwa 87,7 GWh Energie und 42 Kilotonnen CO2 ermöglichen. Darüber hinaus wird die Übertragbarkeit dieser Strategie auf andere Materialien untersucht, um zusätzliche Einsparungen von rund 16 GWh zu erzielen. Die Reinheit des Titanmaterials spielt eine entscheidende Rolle, insbesondere in der Luftfahrt, wo meist der Gütegrad „Grade 5“ gefordert wird. Die integrierte additive Fertigungsmethode, wie das selektive Laserschmelzen (SLM), stellt sich als vielversprechend dar. Das Konsortium, das an diesem Projekt arbeitet, setzt sich aus mehreren Forschungseinrichtungen und Unternehmen zusammen, darunter die Leibniz Universität Hannover und DMG MORI Additive.
Ein weiterer wichtiger Akteur in der Verschmelzung von innovativen Fertigungsmethoden ist Premium AEROTEC. Dieses Unternehmen hat bereits Pionierarbeit in der 3D-serielle Produktion von komplexen Titan-Flugzeugbauteilen geleistet. Am 11. April 2019 Abschluss eines industriellen Prozessaudits durch Airbus hat den Weg geebnet für die Gesamtprozessqualifikation additiver Verfahren auf Multilaser-Anlagen. Dies bedeutet, dass teure Prozessbegleitproben nun entfallen können, was die metallische additive Fertigung kostengünstiger macht und zu einer breiteren Anwendung in der Luftfahrt führt. Seit 2013 erkannten die Verantwortlichen die Möglichkeiten der additiven Fertigung und unternahmen intensive Forschungsanstrengungen, um den Prozess der „Laser-Pulverbettschmelzen“ zu optimieren.
Der Weg zur Energieeffizienz
Die additiven Verfahren ermöglichen nicht nur neue Möglichkeiten im Leichtbau, sondern auch die Herstellung bionischer Strukturen, die die Effizienz weiter steigern. Die enge Zusammenarbeit interdisziplinärer Teams war entscheidend für die erfolgreiche Qualifikation der neuen Technologie. Vor der Implementierung in der zivilen Luftfahrt mussten hohe Standards bezüglich Prozesssicherheit, Reproduzierbarkeit und Materialgüte erfüllt werden. Mehrere tausend Materialproben wurden im Rahmen intensiver Untersuchungen getestet, um die Qualität und Wirtschaftlichkeit der neuen Verfahren zu gewährleisten. Mit dem Fokus auf Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit könnte die Kombination aus Rückführung von Titanspänen in den Produktionszyklus und der kontinuierlichen Verbesserung der additiven Fertigungsmethoden ein entscheidender Schritt in eine umweltfreundlichere Zukunft der Luftfahrtindustrie darstellen.
