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Metall ist der König für eine nachhaltige (und profitable) Zukunft

Oct 20, 2023Oct 20, 2023

James D. Blythe

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Vom Schreibtisch von James Blythe –

Okay, Zuhörer, holt eure dicksten Colaflaschengläser und Taschenschützer raus. Lassen Sie uns zum Auftakt Ihrer Woche über etwas Materialwissenschaft sprechen.

Die Metallurgie (die Wissenschaft der Metalle und Metalllegierungen) war lange Zeit nicht besonders sexy. „Meine Güte, Mr. Blythe, haben wir nicht alle Metalle entdeckt, die es gibt? Was könnte übrig bleiben? Wir machen immer noch alles aus Stahl, wie langweilig! Haben Sie von diesem neuesten Graphen-Nanopunkt-Mikroröhren-Verbundwerkstoff gehört?“ Ich kann dieses Gefühl verstehen.

Doch in einer Welt voller Supermaterialien ist Metall das Nonplusultra.

Wenn eine Arbeit unbedingt erledigt werden muss, nennt man Metalle. Wenn ein Gebäude gebaut oder eine Autostruktur hergestellt werden muss, spricht man von Metallen. Wenn Sie Festigkeit, Haltbarkeit und Bearbeitbarkeit benötigen, rufen Sie Metalle an.

Ständig werden neue Metalllegierungen erfunden. Ein paar Punkte weniger Kohlenstoff hier, ein paar Punkte mehr Scandium dort, so etwas in der Art. Die großen Durchbrüche in der Metallurgie waren jedoch nicht so auffällig oder weltbewegend wie in den 1960er Jahren. Was jedoch zurückgeblieben ist, ist nicht die Forschung und Entwicklung neuer Legierungen, sondern die Implementierung und Übernahme bestehender Legierungen. Schlimmer noch: Die amerikanische Infrastruktur zur Unterstützung dieser kritischen Materialien ist aufgrund des wirtschaftlichen Drucks aus Asien und der alternden Infrastruktur kontinuierlich zusammengebrochen.

Sicher, es ist nicht so ausdrucksstark wie eine Schlagzeile für Popular Mechanics wie „Wissenschaftler erfinden Unobtanium!“ Billiger als Toilettenpapier, stärker als Stahl!“ Aber es ist viel wichtiger für unsere reale Zukunft.

Die Menschen beklagen die Fixierung der modernen Gesellschaft auf Kunststoffe, aber es gibt einen Grund, warum diese technischen Materialien in Gebrauchsgütern so weit verbreitet sind. Doch in einer kreislauforientierten, nachhaltigen Wirtschaft haben Kunststoffe und Verbundwerkstoffe Schwierigkeiten, einen guten Lebensraum zu finden. In einer Kreislaufwirtschaft müssen wir über das Ende der Lebensdauer unserer Geräte nachdenken. Wenn ein Produkt oder Gerät veraltet ist, wie können wir es wieder aufbereiten oder wiederverwenden? Bei der Wiederaufbereitung von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen sind Ihre Möglichkeiten begrenzt (sofern Sie überhaupt welche haben).

Was steht also als nächstes am Horizont?

Leichtmetalllegierungen wie Aluminium und Titan sind die Zukunft. Diese Hardcore-Herstellungsmaterialien sind nicht neu, werden jedoch oft zugunsten herkömmlicher Stahlprodukte übersehen. Metalle sind unbegrenzt recycelbar und da immer mehr Unternehmen neue Designansätze verfolgen, besteht für diese Legierungen das Potenzial, uns in eine profitablere und nachhaltigere Zukunft zu führen.

Das größte Hindernis? Kosten und Abhängigkeit von ausländischen Exporten. Lassen Sie uns darüber diskutieren, ja?

Ihr Hardcore-Metallurgen da draußen habt das wahrscheinlich schon einmal gehört. Für die Uneingeweihten unter Ihnen: Sie haben wahrscheinlich keine Ahnung, wovon ich spreche.

In der Bau- und Fertigungsindustrie sowie in vielen anderen Branchen gibt es eine lange Geschichte von Ingenieuren und Wissenschaftlern, die das „Neue“ außer Acht lassen. Daher glauben viele Hersteller, Designer und Lohnfertiger immer noch, dass altmodischer Baustahl das A und O ist und dass jedes andere Metall, das es gibt, nicht verarbeitbar ist.

Es ist falsch, aber ich verstehe das Gefühl.

Stahl treibt einen Großteil unserer industriellen Welt an. Als Material der Wahl dominiert es in der Transport- und Bauindustrie. Stark, günstig, leicht verfügbar und gut bearbeitbar; Das sind die Markenzeichen guter Stahlprodukte. Es ist auch schwer.

Gewicht verringert die Kraftstoffeffizienz und schränkt die Leistung von Kraftfahrzeugen erheblich ein. Teile verschleißen schneller und müssen häufiger ausgetauscht werden.

In der Bauindustrie wird Stahl zur Verstärkung von Beton, zur Strukturierung von Tragwerken und sogar zu leichten Häuten für den Wetterschutz verarbeitet. Einigen Schätzungen zufolge ist der Stahlverbrauch im Baugewerbe – auf der Grundlage des technischen Entwurfs – übermäßig hoch, um Arbeitseinsparungen oder zusätzliche Sicherheitsfaktoren zu erzielen. [1] Das bedeutet Übergewicht und Verschwendung in der Produktion. Um dieses Gewicht zu reduzieren, werden neue Techniken entwickelt.

Das Baugewerbe ist nicht die einzige Branche, die den Einsatz der Stahlproduktion neu überdenkt. In der Automobilindustrie arbeiten Ingenieure ständig an höher legierten und leichteren Stahlprodukten. Wir arbeiten daran, sie effizienter zu nutzen, um Gewicht und Kosten zu reduzieren.

Trotz Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen der Schwerfertigung auf die Umwelt liegen die Recyclingquoten für Stahl zwischen 70 und 90 %, je nachdem, wen Sie fragen. Das ist ein Gewinn für die Nachhaltigkeit. Das ist ein Gewinn für höhere Produktivität und Kostensenkung (Möglichkeit, Schrott und Abfallprodukte zurückzuverkaufen).

Das Problem bei Stahl ist, dass er schwer ist und rostet. Rost lässt sich nicht einfach wiederaufbereiten. So kehrt Ihr Auto, Ihr Damm oder Ihr Maschendrahtzaun mit der Zeit zur Erde zurück. Aus Staub ist es entstanden und zu Staub wird es zurückkehren.

Durch Korrosion werden kritische Komponenten langsam beschädigt, was zu unerwarteten Ausfällen führen und die Gesamtlebensdauer des Produkts verkürzen kann. Es ist immer gut, Materialien zu finden, die leicht und korrosionsbeständiger sind.

Schließlich lieben wir Stahl. Das Problem bei Stahllegierungen besteht darin, dass sie trotz ihrer zahlreichen Herstellungsvorteile erhebliche Probleme im Lebenszyklus gefertigter Produkte darstellen. Ob Flugzeuge, Züge oder Autos: Stahl ist Gewicht. Das Gewicht beeinträchtigt die Kraftstoffeffizienz. Das Gewicht belastet Verschleißteile stark. Kombiniert man dies mit der geringen Korrosionsbeständigkeit von Stahl, tauschen Sie wichtige Komponenten häufiger aus, als Sie sollten.

Das ist verlorenes Geld. Das ist übermäßige Verschwendung. Wie beheben wir das Problem?

Haben Sie jemals gehört: „Neues Material X ist stärker als Stahl“? Wenn Sie einen Artikel mit dieser Überschrift sehen, lesen Sie das Kleingedruckte. Oft sind sie nicht wirklich stärker, sondern in einem bestimmten Kontext stärker. Hier ist ein Beispiel. Tabelle 1 enthält drei gängige Metalle – A36-Baustahl, 5083-Aluminium und Ti-6Al-4V (Titan) – und wir betrachten einige ihrer grundlegenden Materialeigenschaften; Dichte (bezogen auf das Gewicht), Streckgrenze (definiert, wie viel Last das Material aushalten kann, bevor es sich plastisch verformt) und Zugfestigkeit (definiert, wie viel Last das Material aushalten kann, bevor es bricht).

Oft sehe ich Marketingmaterialien mit der Aufschrift „Aluminium in Luft- und Raumfahrtqualität!“ Stärker als Stahl!“ Basierend auf dieser Grafik kann das auf keinen Fall wahr sein. Denken Sie auch daran, dass ich hier ein Beispiel für einen sehr verbreiteten, niedriglegierten Stahl mit geringer Festigkeit verwende. Es gibt Stahlsorten, die diese Eigenschaften übertreffen und in der Tabelle sogar mit Titan konkurrieren können.

Was wir hier jedoch tatsächlich zeigen, ist, dass dies ungefähr die erwartete Leistung für Stäbe mit der gleichen Dicke (allgemeine Größe) ist. Sie sehen also, dass Aluminium zwar eine geringere Festigkeit aufweist, aber auch leichter ist. Bezeichnenderweise. Aber was wäre, wenn wir das Design eines Teils ändern könnten, um die einzigartigen Eigenschaften von Leichtmetalllegierungen zu berücksichtigen? Mal sehen, wie sich Stangen mit dem gleichen Gewicht verhalten würden.

Jetzt kochen wir mit Öl.

Sie können sehen, dass sowohl Titan als auch Aluminium bei gleichem Materialgewicht Stahl aus dem Wasser blasen. Interessant, nicht wahr? Tatsächlich kann ich bei gleichem Gewicht eine Aluminiumstange haben, die fast dreimal so dick ist wie der entsprechende Stahl. Bei dieser Größe gibt es erhebliche Leistungsvorteile. Man kann sich also vorstellen, dass man durch das Spiel mit der Geometrie eines Teils im Design die Leistung durch den geeigneten Einsatz von Leichtmetallen optimieren kann.

Dies ist der Schlüssel zur Ermöglichung leichterer, nachhaltiger gefertigter Produkte vom Automobil bis zum Bauwesen. Darüber hinaus sind Aluminium und Titan äußerst korrosionsbeständig.

Tesla versteht es. In den letzten Jahren haben auch andere Automobilunternehmen damit begonnen, es zu nutzen. In diese Änderung sind einige gute Überlegungen eingeflossen. Da immer mehr Unternehmen diese leichten Materialien verwenden, wird es sicherlich eine Lernkurve in der Fertigung geben, aber letztendlich werden die Vorteile des Erfolgs erheblich sein.

Noch etwas zu beachten. Es wird hier nicht angezeigt, aber die Steifigkeit eines Elements hängt von der dritten Potenz seiner Dicke ab. Daher ist Aluminium für wirklich steife Strukturen eines der besten Materialien, die Sie in der Welt der Metalle treffen können – vorausgesetzt, Sie können für die dickeren Elemente entwerfen.

Dicke, leicht zu bearbeitende Abschnitte können Ihnen viel Schmerz und Kopfschmerzen bei der Herstellung ersparen, wenn wellige Stahlelemente möglicherweise eine zusätzliche Befestigung und Verformungskontrolle benötigen.

Amerika ist tatsächlich sehr gut darin, den Design- und Verwendungskonflikt zwischen diesen Leichtmetallen und herkömmlichen Stahlprodukten zu verstehen. Es ist bekannt, dass leichtere Strukturen im Transportwesen und in anderen Branchen zu Kraftstoffeinsparungen führen. Das ist ein nachhaltigeres Produkt. Das bedeutet geringere Kosten für Dienstleister. Die Luftfahrt berücksichtigt diesen Kompromiss in ihren Design- und Beschaffungsstrategien und verfügt über Zahlen dafür, „was wir pro eingespartem Pfund Gewicht zu zahlen bereit sind“. Dies ist ein wichtiger Grund, warum in Flugzeugen und Raketen so viel Aluminium und Titan verwendet werden.

Andere Branchen sind nicht so gut gerüstet. Die Entwicklung dieses Verständnisses ist der Schlüssel, um mehr Ingenieure und Hersteller für den Einsatz von Leichtmetallen zu gewinnen.

Es gibt Denker innerhalb der Armee, die verstehen, dass die Verwendung von Leichtmetallen eine ernsthafte Überlegung für die nationale Sicherheit darstellt. Die meisten übernehmen dieses systemische Denken jedoch nur langsam.

Amerika verwendet viel Aluminium und Titan. [2] Das Problem besteht darin, dass wir Nettoimporteure dieser Materialien sind. Ratet mal, wer die meisten dieser Leichtmetalle herstellt? China und Russland. Die Aluminiumproduktion in den Vereinigten Staaten ist in den letzten Jahren trotz Rekordverbrauchs stark zurückgegangen. In ähnlicher Weise wurde durch den Krieg in der Ukraine die Titanversorgung für den Rest der Welt eingeschränkt, wobei Japan daran arbeitet, den Unterschied auszugleichen. Dies ist in einer Zukunft, die wahrscheinlich von leichteren Metallen bestimmt wird, nicht nachhaltig.

Iperion X glaubt, dass sie mit ihrem neuen Unternehmen in Tennessee die Titanprobleme der USA lösen können. Im Moment scheint nicht viel daran gearbeitet zu werden, die Aluminiumproduktion im Inland in Angriff zu nehmen, aber es besteht für die USA das Potenzial, mit den richtigen Investitionen weltweit führend zu werden. Wenn sich das Land dazu entschließt, diese Aufgabe zu übernehmen, muss es ernsthaft über den „richtigen Weg“ der Umsetzung nachdenken. Eine der Herausforderungen besteht darin, dass Länder wie China in der Lage sind, riesige Mengen an Humankapital mit fragwürdigen ethischen Praktiken zu nutzen, um billige und reichlich vorhandene Produkte zu erhalten. Die USA müssen darüber nachdenken, wie sie dieser Herausforderung auf nachhaltigere Weise begegnen können.

Angesichts der unendlichen Recyclingfähigkeit dieser Ressourcen hat die heimische Nutzung und Produktion von Titan und Aluminium das Potenzial, uns bei richtiger Nutzung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft näher zu bringen.

Bleibt nur noch die Frage: „Wie kommen wir dorthin?“ Um diese Frage zu beantworten, werden in den kommenden Jahren klügere Köpfe als ich benötigt. Das Potenzial der Leichtmetallproduktion in den USA hat das Potenzial, technische Produkte und Märkte zum Besseren zu verändern. Vor allem für diejenigen, die die Gelegenheit nutzen können.

Waidmanns Heil.

[1] Bei dem Artikel, auf den verwiesen wird, handelt es sich eigentlich um eine Untersuchung der Reduzierung des Stahlverbrauchs in Gebäuden als Möglichkeit zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen, die für die Herstellung dieses Materials erforderlich sind. Es enthält auch einige nützliche Fakten über die Verwendung von Stahl und allgemeine Designprinzipien, die für den Leser als relevanter Hintergrund erscheinen.

[2] Es ist wichtig anzumerken, dass bei weitem die häufigste Verwendung von Titanmaterialien Titanoxid ist – eine Keramik, die zur Pigmentierung für die Weißfärbung in Farben und anderen Beschichtungen verwendet wird – und nicht als leichtes Strukturmetall.