Es ist leichter als Aluminium. Trotzdem wurde Magnesium bislang von der Industrie kaum genutzt, da seine Verarbeitung zu Bauteilen als komplex und energieintensiv gilt. Nach drei Jahren Forschungsarbeit entwickelte und erprobte ein Team verschiedener Fachbereiche der TU Bergakademie Freiberg gemeinsam mit Industriepartnern eine durchgängige Prozesskette für Magnesium-Leichtbauteile – von der Schmelze bis zum funktionsfähigen Prototyp. Über alle Prozessschritte hinweg konnten Energiebedarf und CO₂-Emissionen reduziert werden – unter anderem durch den Einsatz von Wasserstoff in der Schmelz- und Anwärmtechnik, verkürzte Prozesse und eine kaltumformbare Magnesiumlegierung. Im Forschungsverbund entstanden so unter anderem Magnesium-Leichtbau-Computergehäuse, Rücksitzwände für Hochgeschwindigkeitszüge wie den TGV, Scharnierteile für Transportcontainer sowie ein Luftstromkanal für ein Hovercraft-Rettungsfahrzeug.
„Unser Ziel war es, Magnesium durch neue, kürzere Herstellungswege als industriellen Leichtbauwerkstoff nutzbar zu machen“, sagt Prof. Ulrich Prahl vom Institut für Metallformung der TU Bergakademie Freiberg. Beginnend mit der Blechherstellung setzt das Team am Institut für Metallformung dafür auf innovative Verfahren: „Das eingesetzte Gießwalzen ermöglicht bereits die Erzeugung von Magnesiumblechen mit Dicken von rund fünf Millimetern. Dadurch können nachgeschaltete Umformschritte reduziert werden.“ Das Ergebnis sind Magnesiumbauteile, die bei vergleichbarer Festigkeit rund ein Drittel leichter sind als verbreitete Aluminiumlösungen. Damit kann das Potenzial von Magnesium als Leichtbauwerkstoff künftig besser ausgeschöpft werden – etwa in der E-Mobilität, im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der Medizintechnik.
Drei Bausteine für eine effizientere und klimafreundlichere Magnesiumverarbeitung
Als ersten Bestandteil des neuen Herstellungsprozesses entwickelten die Forschenden Technologien, die fossile Brennstoffe durch bis zu 100 % klimaneutralen Wasserstoff ersetzen können. „Die Umstellung der Schmelz- und Anwärmprozesse auf Wasserstoff und deren energieeffiziente Gestaltung ist ein zentraler Schritt, um Magnesium perspektivisch klimaneutral und kostengünstiger herzustellen“, sagt Prof. Hartmut Krause vom Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen der TU Bergakademie Freiberg. „Dazu helfen uns digitale Zwillinge, die Prozesse besser zu verstehen und vor allem im Betrieb zu verbessern“.
Ein zweiter Hebel liegt in der deutlich verkürzten Prozessroute. Für die schnelle Umwandlung der flüssigen Magnesiumschmelze in ein Vorprodukt setzt das Team auf das am Institut für Metallformung integrierte Gießwalzverfahren. Dabei wird die Wärme aus der Gießhitze direkt für die Umformung genutzt, sodass Bleche oder Drähte entstehen, die bereits fast die gewünschte Bauteilform besitzen. Energie- und zeitaufwendige nachgeschaltete Prozessschritte können dadurch reduziert werden.
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Für die Drahtproduktion entwickelte das Forschungsteam zusätzlich das „GieWaCon“-Verfahren, das das Drahtgießwalzen mit dem „Conform“-Verfahren kombiniert. Letzteres ist für Werkstoffe wie Kupfer bereits etabliert und wurde im Projekt erstmals auf Magnesium übertragen. Da das Conform-Verfahren bei Raumtemperatur arbeitet, kann die im Gießprozess vorhandene Wärme genutzt werden, um in wenigen Prozessschritten direkt ein Drahtprodukt herzustellen. Die im Projekt hergestellten Magnesiumdrähte erreichten einen finalen Durchmesser von 1,6 mm – entweder direkt über das Conform-Verfahren oder durch anschließendes Drahtziehen.
Prinzip auf weitere Umformverfahren übertragbar
Darüber hinaus zeigt das Projekt, dass sich das Prinzip der verkürzten Prozessroute auch auf weitere Umformverfahren übertragen lässt. So wurde die eingesetzte Magnesiumlegierung erfolgreich geschmiedet; die dabei entstandenen Bauteile wurden unmittelbar nach der Umformung nachbearbeitet, etwa durch Entgraten oder Fräsen. Ergänzend entwickelte ein Industriepartner ein Strangpressverfahren, bei dem zunächst Bolzen gegossen und anschließend noch aus der Gießhitze heraus stranggepresst werden. Das entstehende Rohr wird aufgetrennt und aufgebogen, sodass verarbeitbare Bleche erzeugt werden können – ebenfalls ohne zusätzliche Erwärmungsschritte.
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Als dritter Baustein kommt die calciumhaltige Magnesiumlegierung ZAX210 zum Einsatz. Sie lässt sich bereits bei vergleichsweise niedrigen Umformtemperaturen von etwa 200 °C gut verarbeiten und gewährleistet dennoch stabile mechanische Eigenschaften. „Die Magnesiumlegierung erlaubt es uns, Umformprozesse bei deutlich geringeren Temperaturen zu realisieren, ohne Abstriche bei den Bauteileigenschaften zu machen“, erklärt Prahl.
Ergänzend wurden für alle Prototypen geeignete Oberflächenbeschichtungen untersucht, um Korrosionsbeständigkeit und Einsatzfähigkeit der Magnesiumbauteile unter realen Bedingungen sicherzustellen. Darüber hinaus analysierte und optimierte das Projektteam verschiedene Schweißverfahren, die gezielt an die eingesetzte Magnesiumlegierung angepasst und für die jeweiligen Demonstratoren weiterentwickelt wurden.
Gemeinsam mit den Industriepartnern aus dem Projekt will das Team die entwickelten Herstellungsrouten auch künftig weiter voranbringen und auf weitere Bauteile und Formgebungsverfahren anwenden. Ein CO₂-Rechner, mit dem sich Unternehmen mögliche Prozessketten für die Umformung von Magnesium zusammenstellen und vergleichen können, ist dafür eigens im Projekt entwickelt worden.
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