KI macht aus altem Metallschrott bessere Werkstoffe – und senkt die Herstellungskosten
KI entwickelt aus Metallschrott neue Eisenlegierungen: Sie sind teils belastbarer und kosten in der Herstellung 8,1 Prozent weniger.
Auf Schrottplätzen landen die unterschiedlichsten Metallteile. Ihre wechselnde Zusammensetzung macht es schwierig, daraus Werkstoffe mit gleichbleibender Qualität herzustellen. © Pexels
Aus alten Autos, Maschinen und abgerissenen Gebäuden stammen jedes Jahr Millionen Tonnen Metallschrott. Vieles davon lässt sich einschmelzen und wiederverwenden. Doch beim Recycling gibt es ein Problem: Fremde Metalle wie Kupfer oder Nickel können die Eigenschaften des neuen Werkstoffs verschlechtern. Deshalb müssen Hersteller häufig frisches Metall beimischen. Ein internationales Forschungsteam hat nun mithilfe künstlicher Intelligenz einen anderen Weg gefunden: Die Wissenschaftler nutzen solche Verunreinigungen gezielt, um leistungsfähigere Eisenlegierungen herzustellen.
An der Entwicklung war das Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien in Düsseldorf beteiligt. Von 17 neu entwickelten Gusseisenlegierungen übertrafen 14 die bisherigen Vergleichswerkstoffe in der Kombination aus Festigkeit und Dehnbarkeit. Bei vergleichbarer Zugfestigkeit ließ sich das Material um bis zu 73,2 Prozent weiter dehnen, bevor es brach. Zugleich lagen die berechneten Herstellungskosten 8,1 Prozent unter denen des untersuchten konventionellen Verfahrens. Die Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler im Fachjournal Science Advances.
KI stimmt die Zusammensetzung des Metalls neu ab
Bei der Herstellung von Gusseisen entscheiden bereits kleine Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung über die Belastbarkeit. Auch die Temperatur beim Gießen beeinflusst, welche Strukturen sich beim Abkühlen bilden. Das deutsch-chinesische Forschungsteam kombinierte deshalb die vorhandenen Fremdelemente mit gezielt abgestimmten Herstellungsbedingungen.
Als Ausgangsmaterial diente duktiles Gusseisen. Es enthält kleine, kugelförmige Graphitteilchen und kann sich unter Zugbelastung verformen, bevor es bricht. Solches Gusseisen eignet sich unter anderem für stark beanspruchte Bauteile in Maschinen und Fahrzeugen. Die Wissenschaftler nutzten die im Schrott vorhandenen Elemente, um seine Eigenschaften weiter zu verbessern.
Verunreinigungen können Gusseisen überraschend fester machen
Kupfer und Silizium können die Festigkeit von Eisen erhöhen. Andere Fremdelemente begünstigen unter geeigneten Bedingungen die Entstehung winziger Partikel im Metall. Diese erschweren die Bewegung der Kristallstruktur bei Belastung und machen das Material widerstandsfähiger. Allerdings kommt es auf ihre Menge und Verteilung an. Ungünstig angeordnete Partikel können auch Risse begünstigen.
Künstliche Intelligenz half dabei, günstige Kombinationen zu finden. Dafür entwickelte das Team ein System namens DAS-DAO. Es nutzte 330 Datensätze zu recyceltem Gusseisen und rund 2400 weitere zu herkömmlichen Legierungen. Darin waren Informationen zur Zusammensetzung, Herstellung und Belastbarkeit der Werkstoffe enthalten.
KI berechnet neue Rezepturen für Metallschrott
Das Programm berücksichtigte mehrere Einflussgrößen gleichzeitig:
- Zusammensetzung: Wie viel Kohlenstoff, Silizium, Mangan und Kupfer das Eisen enthält.
- Temperatur: Wie heiß das Metall beim Schmelzen und Gießen ist.
- Verarbeitung: Wie lange einzelne Behandlungsschritte und das Gießen dauern.
Neuronale Netze berechneten daraus geeignete Kombinationen. Die Wissenschaftler stellten ausgewählte Legierungen anschließend auf einer automatisierten Gießanlage her und prüften ihre Belastbarkeit. Die Messergebnisse nutzte das System für weitere Verbesserungen.
Neues Gusseisen hält höheren Zugkräften stand
Neben der bereits genannten Verbesserung der Dehnbarkeit erreichten andere Legierungen eine um bis zu 15,2 Prozent höhere Zugfestigkeit bei vergleichbarer Bruchdehnung. Beide Höchstwerte stammen aus unterschiedlichen Vergleichen. Die KI konnte somit verschiedene Kombinationen aus hoher Festigkeit und guter Verformbarkeit entwickeln.
Eine besonders leistungsfähige Legierung erreichte rund 590 Megapascal Zugfestigkeit und 18,53 Prozent Bruchdehnung. Eine Vergleichslegierung mit anderer Zusammensetzung kam auf etwa 576 Megapascal und 15,45 Prozent. Das optimierte Material hielt damit höheren Zugkräften stand und konnte sich vor dem Bruch weiter verformen.
Kleine Graphitkugeln verteilen die Belastung gleichmäßiger
Mikroskopische Untersuchungen offenbarten Unterschiede im Inneren der Legierungen. Die optimierten Werkstoffe enthielten vergleichsweise kleine, gleichmäßig verteilte Graphitkugeln. Ihre runde Form verhinderte, dass sich mechanische Belastungen an einzelnen Stellen zu stark konzentrierten. Dadurch entstanden bei der Verformung weniger Bereiche, in denen Risse besonders leicht beginnen.
Auch das Verhältnis von Ferrit und Perlit beeinflusste die Eigenschaften. Ferrit macht Gusseisen vergleichsweise gut verformbar, während der härtere Perlit seine Festigkeit erhöht. Die KI half, beide Gefügebestandteile durch die Zusammensetzung und Verarbeitung günstig aufeinander abzustimmen.
Recycling spart neues Eisen und senkt den Rohstoffbedarf
Für die neuen Legierungen verwendeten die Wissenschaftler Metallschrott als metallischen Ausgangsrohstoff. Neues Roheisen war nicht erforderlich. Allerdings setzten sie weiterhin gezielt Kohlenstoff, Ferrosilizium und Kupfer zu, um die gewünschte Zusammensetzung einzustellen.
Das Verfahren könnte auch den Ressourcenverbrauch der Metallindustrie verringern. Weltweit werden jährlich mehr als zwei Milliarden Tonnen Metalle und Legierungen produziert. Die Gewinnung neuer Rohstoffe benötigt große Energiemengen und verursacht erhebliche CO₂-Emissionen. Beim Einsatz recycelter Metalle entfallen Teile dieser energieintensiven Produktionsschritte. Eine konkrete CO₂-Ersparnis für die neuen Legierungen wurde nicht beziffert.
Auch Stahl und Aluminium kommen für das Verfahren infrage
Bislang hat das Forschungsteam seine KI-Methode an duktilem Gusseisen erprobt. Wie die Wissenschaftler berichten, lässt sich das Verfahren grundsätzlich auch auf recycelten Stahl sowie Aluminium- und Kupferlegierungen übertragen.
Dafür benötigt die KI geeignete Daten zur Zusammensetzung und Verarbeitung der jeweiligen Metalle. Bei Werkstoffen mit besonders hohen Reinheitsanforderungen, etwa bestimmten medizinischen Implantaten, bleiben Fremdelemente dagegen problematisch. Bereits geringe Verunreinigungen können dort die geforderten Materialeigenschaften beeinträchtigen.
Kurz zusammengefasst:
- Metallschrott kann zu hochwertigen Werkstoffen werden: Mithilfe künstlicher Intelligenz lassen sich Verunreinigungen gezielt nutzen, statt sie durch die Zugabe von neuem Eisen zu verdünnen.
- Das recycelte Gusseisen wird belastbarer: Bei vergleichbarer Dehnbarkeit stieg die Zugfestigkeit um bis zu 15,2 Prozent, bei vergleichbarer Festigkeit die Bruchdehnung um bis zu 73,2 Prozent.
- Recycling spart Rohstoffe und Herstellungskosten: Die neuen Eisenlegierungen benötigen kein zusätzliches Roheisen und verursachten im untersuchten Herstellungsvergleich 8,1 Prozent geringere Kosten.
Übrigens: Auch beim Recycling von Silikon gibt es Fortschritte. Wissenschaftler der TU Berlin können gebrauchte Silikone bei nur 80 Grad Celsius in einen wichtigen Ausgangsstoff zerlegen. Bei einzelnen Produkten erreichten sie eine Ausbeute von bis zu 99 Prozent. Mehr dazu im Artikel über den Durchbruch beim Silikon-Recycling.
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