Ultraschall-Technologie setzt neue Maßstäbe für die Aluminiumproduktion

Die Bedeutung von Aluminium für nachhaltige Produktionsprozesse und Umweltschutz wächst stetig. Aufgrund seiner besonderen physikalischen Eigenschaften ist Aluminium ein zentraler Werkstoff für die Kreislaufwirtschaft. Doch die Qualität des Metalls hängt maßgeblich von der Reinheit der Aluminiumschmelze ab. Selbst kleine Verunreinigungen können die Stabilität und Lebensdauer von Bauteilen erheblich beeinträchtigen. Das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) hat mit dem ultraschallbasierten System »AloX« eine Methode entwickelt, die Einschlüsse in der Schmelze schnell, präzise und kostengünstig aufspürt. Dafür erhielt das Team den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2025.

Die Bedingungen in Gießereien stellen Menschen und Maschinen vor große Herausforderungen. Hohe Temperaturen und schwer zugängliche Anlagen erfordern robuste und flexible Lösungen. Gerade bei der Arbeit mit flüssigem Aluminium ist ein verlässliches System zur Überwachung der Materialqualität unverzichtbar. Das Fraunhofer IZFP entwickelte daher für die Aluminiumindustrie ein Messsystem, das direkt im Produktionsprozess eingesetzt werden kann. Ziel war es, Verunreinigungen in der Metallschmelze zuverlässig zu erkennen und damit die Sicherheit und Qualität der Endprodukte zu gewährleisten.

Sicherheitsrisiko: Einschlüsse in der Aluminiumschmelze

Die Reinheit der Aluminiumschmelze ist entscheidend für die spätere Produktqualität. Dr. Thomas Waschkies, Chief Scientist Sensorphysik am Fraunhofer IZFP, beschreibt die Problematik so: „Die in der Schmelze vorhandenen keramischen Partikel beispielsweise verflüssigen sich erst oberhalb von 2000 Grad Celsius und bleiben als Einschlüsse im fertigen Bauteil erhalten, wenn sie nicht gezielt entfernt werden. Das kann zu Rissen und Löchern und damit, im schlimmsten Fall, zum Versagen von Bauteilen führen.“ Gemeinsam mit Andrea Mroß leitete er das Projekt, das sich genau dieser Herausforderung widmete.

Aluminium zählt nach Stahl zu den meistverwendeten Metallen weltweit. Besonders im Leichtbau leistet es einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von Emissionen und zur Schonung von Ressourcen. Aluminium lässt sich mit vergleichsweise geringem Energieaufwand recyceln, was es zu einem Schlüsselmaterial für die Kreislaufwirtschaft macht. Die bestehenden Kontrollsysteme für Aluminiumschmelzen sind jedoch oft teuer, benötigen speziell geschultes Personal oder liefern Ergebnisse nur mit erheblicher Verzögerung.

Ultraschall: Innovation für die Qualitätskontrolle

Vor diesem Hintergrund entwickelte das Fraunhofer IZFP das mobile Ultraschallsystem »AloX«. Die Funktionsweise lässt sich mit einem bekannten Alltagsgerät vergleichen: „Das System funktioniert analog zu einem Parksensor im Auto: Das in die Schmelze eingetauchte System sendet Signale, die von einem Reflektor zurückgeworfen werden. Schwimmen Partikel vorbei, also Verunreinigungen, entstehen Störsignale“, erläutert Andrea Mroß. So kann die Qualität der Aluminiumschmelze direkt vor Ort überwacht werden.

Die Entwicklung des Systems stellte das Team vor technische Herausforderungen: Die extremen Bedingungen in Gießereien, wie hohe Temperaturen und die aggressive Aluminiumschmelze, erforderten innovative Lösungen. Die Messeinheit des Prototyps verfügt deshalb über spezielle Ultraschallwellenleiter aus Titan, eine integrierte Kühlung und eine eigens entwickelte Software mit patentiertem Auswertealgorithmus.

Aluminiumproduktion der Zukunft mit AloX 2.0

Das Fraunhofer-Team arbeitet aktuell an einer weiterentwickelten Version des Systems, genannt »AloX 2.0«. Andrea Mroß: „Von den Ultraschallsensoren über die Auswertungssoftware und Elektronik bis zur Mechanik des Gehäuses: AloX ist ein Gesamtpaket aus einer Hand.“ Die nächste Etappe ist die breite Anwendung in der industriellen Aluminiumproduktion. Darüber hinaus könnte das System künftig auch zur Kontrolle anderer Metallschmelzen oder sogar in der Lebensmittel- und Klebstoffproduktion eingesetzt werden.

Seit 1978 vergibt die Fraunhofer-Gesellschaft jährlich Auszeichnungen für herausragende wissenschaftliche Leistungen, die praxisnahe Lösungen bieten. Im Jahr 2025 wurden drei Teams mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis geehrt. Die Auszeichnung unterstreicht die Bedeutung von Innovationen wie »AloX«, die nicht nur die Aluminiumindustrie, sondern auch andere Branchen nachhaltig beeinflussen könnten.