Prozesskette zur geschlossenen additiv-subtraktiven Fertigung von Titanbauteilen mit Recyclingmaterial

Titanbauteile werden heute vorwiegend spanend aus Vollmaterial hergestellt. Insbesondere die in der Luftfahrt anzutreffenden großen Bauteile für die Flugzeugstruktur weisen dabei oft hohe Zerspanraten von bis zu 95 % auf. Anfallendes Spanmaterial wird im Anschluss üblicherweise nicht hochwertig recycelt, sondern weniger anspruchsvollen Prozessketten (z.B. als Zuschlagsstoff in der Stahlindustrie) zugeführt. Das wesentliche Hemmnis beim Recycling der Titanspäne ist die durch die Zerspanung erfahrene Veränderung der Werkstoffzusammensetzung aufgrund von Oxidation und Kontamination mit Kohlenstoff, da diese Elemente die Eigenschaften von Titan negativ beeinflussen können. Zudem weist die aktuelle Prozesskette der Titanbauteilherstellung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und Ressourcenschonung deutliche Defizite auf. Die Schaffung eines geschlossenen Werkstoffkreislaufs, bei dem ein Großteil der anfallenden Titanspäne für den Wiedereinsatz verwendet wird, birgt ein beträchtliches ökologisches und ökonomisches Potenzial.

In Grundlagenuntersuchungen konnte bereits gezeigt werden, dass durch gezieltes Einstellen der Prozessgrößen die Verunreinigungen in den Titanspänen deutlich reduziert werden konnten. Durch einen erneuten Einschmelzprozess konnte so Titanvollmaterial aus recycelten Spänen in hoher Qualität für Luftfahrt-Anwendungen hergestellt werden.

In diesem von dem BMWi geförderten Projekt wird untersucht, ob und in welcher Weise sich die Ergebnisse aus den bisherigen Untersuchungen auf die Herstellung von Titanpulver für die additive Fertigung beziehen lassen. Dabei soll versucht werden, den energieintensiven Einschmelzprozess zu umgehen und die Späne direkt einem Verdüsungsverfahren zur Herstellung von feinstem Pulver zuzuführen. Durch eine Verwendung von Spänen als Eingangsmaterial in der Pulverherstellung wird eine Reduktion des Energieaufwandes und des CO₂-Ausstoßes um bis zu 80% erwartet. Dies entspricht etwa 90 kg CO₂/kg Titanpulver sowie 170 kWh/kg. Durch die so zu erwartende Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung und der daraus zu erwartenden Steigerungen des Bauteilspektrums, ergeben sich weitere Potenziale für CO₂-/Energiereduktionen sowie Möglichkeiten hinsichtlich Leichtbaus und bionischer Strukturen, die die Effizienz des Endprodukts erhöhen. Anhand einer anschließenden Analyse von Zerspanbarkeit und Randzoneneigenschaften der additiv hergestellten Bauteile wird darüber hinaus Wissen zur spezifischen Werkzeugentwicklung und Herstellung additiver Bauteile generiert sowie der Kreislauf zum Ausgangsprodukt Titanspan geschlossen. Die so mit den Projektpartnern entwickelte Prozesskette soll es ermöglichen, Titanbauteile aus bisher nicht recyceltem Titan ökologisch und kostengünstig herzustellen sowie neue Erkenntnisse zur Prozesskette der additiven Fertigung von Titanbauteilen zu generieren.