Materials Frontier | Pilotanlage für horizontales Stranggießen im 2-Tonnen-Maßstab ist in Betrieb: Die Notwendigkeit und der professionelle Wert der Validierung im Pilotmaßstab werden deutlich.

Kürzlich wurde die Pilotanlage für das horizontale Stranggießen im Maßstab von 2 Tonnen am Xinbo Alloy Materials Research Institute erfolgreich installiert, in Betrieb genommen und die Probeproduktion validiert, womit der offizielle Übergang in den operativen Betrieb markiert wurde.

In der Forschung und Entwicklung fortschrittlicher Aluminiumlegierungen stellen Laborrezepturen lediglich den Ausgangspunkt dar. Bevor ein neues Material in ein Produktportfolio aufgenommen werden kann, muss es mehrere kritische Phasen durchlaufen, darunter die Musterherstellung, die Validierung im Pilotmaßstab, die Optimierung des Herstellungsprozesses und die nachfolgenden Fertigungsprozesse.

Bei vielen Materialentwicklungsprojekten besteht die Herausforderung nicht nur darin, ob ein Material erfolgreich hergestellt werden kann, sondern auch darin, ob es konsistent hergestellt, effizient skaliert und in realen Produktionsumgebungen stabil betrieben werden kann.

Genau darin liegt der Wert von Testplattformen im Pilotmaßstab.

Mehrgüte für Aluminiumlegierungen zur Unterstützung kundenspezifischer und differenzierter Forschung und Entwicklung

Die neu in Betrieb genommene Pilotanlage für horizontales Stranggießen im 2-Tonnen-Maßstab ist primär auf die Entwicklungsbedürfnisse von Aluminiumlegierungen für Zukunftsbranchen wie Elektrofahrzeuge, Photovoltaik, High-End-Ausrüstung und Industrieroboter ausgerichtet. Die Anlage ermöglicht Kleinversuche, die Entwicklung von Mehrkomponentenlegierungen, die Validierung differenzierter Zusammensetzungen und schnelle Prozessiterationen und bietet somit eine flexible Plattform zur Beschleunigung von Innovationen im Bereich fortschrittlicher Werkstoffe.

Eine präzise Zusammensetzungskontrolle bildet die Grundlage für die Materialleistung.

Die Produktionslinie ist mit einem Induktionsschmelzofen im 2-Tonnen-Maßstab und einem Warmhalteofen ausgestattet, der ein flexibles Umschalten zwischen verschiedenen Aluminiumlegierungen ermöglicht, darunter Aluminiumbasis-, Al-Mg- und Al-Cu-Legierungen. Das System erreicht eine Legierungsgenauigkeit von bis zu ±0,01 % und gewährleistet so eine präzise Kontrolle der Materialzusammensetzung. Für die Entwicklung kundenspezifischer Legierungen gilt: Je höher die Präzision der Zusammensetzungskontrolle, desto besser die Grundlage für die anschließende Leistungsprüfung und -optimierung.

Eine dichtere Mikrostruktur des Gussrohlings erhöht die Materialstabilität an der Quelle.

Während des Gießprozesses verfügt die Produktionslinie über eine abgedichtete Gießrinne, die direkt mit dem Kristallisator verbunden ist, sowie über eine Auskleidung aus hochreinem Graphit und eine mehrstufige Gradientenkühlung. Diese Technologien tragen zur Stabilisierung des Schmelzflusses und der Erstarrungsprozesse bei, verbessern das Mikrogefüge des Gussblocks und erhöhen dessen Dichte und Oberflächenqualität.

Für die Materialforschung und -entwicklung befasst sich dieser Schritt mit der entscheidenden Grundlage: der Sicherstellung einer präzisen Zusammensetzungskontrolle, einer stabilen Gussblockqualität und zuverlässiger Proben für die anschließende Leistungsvalidierung.

Klein angelegte Versuche geben die Richtung vor, während Validierungsstudien im Pilotmaßstab die Stabilität überprüfen.

Laborproben können die Richtung der Materialentwicklung mitbestimmen, doch das wahre Anwendungspotenzial eines Materials zeigt sich erst in seiner Stabilität nach der Prozessskalierung. Die Pilotanlage für horizontales Stranggießen im 2-Tonnen-Maßstab schließt die Lücke zwischen Laborforschung und Serienproduktion und ermöglicht Versuche im kleinen Maßstab sowie Tests im mittleren Produktionsmaßstab. Sie liefert praxisnahe Daten für die Materialoptimierung und die abschließende Validierung.

Intelligente Regelungstechnik ermöglicht Prozessdatenoptimierung

Die Produktionslinie ist mit einem intelligenten, industrietauglichen SPS-basierten Servoregelungssystem ausgestattet, das eine Schmelztemperaturgenauigkeit von ±1 °C und eine präzise Einstellung der Gießgeschwindigkeit im Bereich von 0,5–200 mm/min ermöglicht. Wichtige Prozessdaten, die während der Produktion anfallen, werden automatisch erfasst und gespeichert und unterstützen die nachfolgende Optimierung der Legierungsrezeptur, die Parameteranalyse und die Prozessiteration.

Übergang von ergebnisorientierter Bewertung zu regelbasierter Optimierung

Das bedeutet, dass die Materialentwicklung nicht mehr einfach ein Prozess des „einmaligen Testens und Überprüfens des Ergebnisses“ ist. Stattdessen kann ein systematischerer Datenkreislauf aufgebaut werden, indem die Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Temperatur, Gießgeschwindigkeit, Struktur und Materialeigenschaften untersucht werden.

Die Qualitätssicherung wurde in vorgelagerte Produktionsprozesse verlagert, um die Risiken in nachgelagerten Prozessen zu reduzieren.

Der Wert von Aluminiumlegierungen zeigt sich letztendlich in ihren Endanwendungen. Ist das Gefüge des Gussblocks instabil oder der Gasgehalt nicht ausreichend kontrolliert, können nachfolgende Prozesse wie Extrusion, Weiterverarbeitung und Prüfung beeinträchtigt werden. Daher dient die Validierung im Pilotmaßstab nicht nur der Überprüfung der Machbarkeit der Legierungsrezeptur, sondern auch der Sicherstellung, dass das Material die Anforderungen nachfolgender Verarbeitungstechnologien erfüllt.

Die Schmelzereinigung verbessert die Zuverlässigkeit der Gussrohlinge

Durch Schmelzereinigung und stabile Stranggießverfahren erreicht die Produktionslinie einen minimalen Wasserstoffgehalt von 0,12 ml/100 g in Aluminiumlegierungen. Dies reduziert das Risiko von Defekten wie Porosität und Schwindung und bildet eine solide Grundlage für die nachfolgende Extrusion, die präzise Weiterverarbeitung und die gleichbleibende Qualität der Endprodukte.

Horizontales Stranggießen: Ausbalancieren von Sicherheit und umweltfreundlicher Produktion

Das horizontale Stranggießverfahren macht Tiefbrunneninfrastruktur überflüssig und reduziert so die mit dem herkömmlichen Tiefbrunnengießen verbundenen Sicherheitsrisiken an der Quelle. Ausgestattet mit einem geschlossenen Rauchgasreinigungssystem erfüllt der Forschungs- und Entwicklungsprozess sowie die Testproduktion zudem die Anforderungen einer umweltfreundlichen Fertigung besser.

Pilotversuche als Brücke zwischen Laborforschung und industrieller Produktion

Pilotversuche stellen nicht das Ende der Forschung und Entwicklung dar, sondern sind ein entscheidendes Bindeglied zwischen Laborforschung und industrieller Produktion. Mithilfe der Pilotanlage für horizontales Stranggießen im 2-Tonnen-Maßstab wird das Xinbo Alloy Materials Research Institute die Entwicklung und Prozessvalidierung von Hochleistungs-Aluminiumlegierungen für Anwendungen wie Strukturbauteile für Elektrofahrzeuge, Photovoltaikprofile und High-End-Ausrüstung weiter vorantreiben.

Integration von Fertigungskapazitäten zur Beschleunigung des Transfers von F&E-Ergebnissen in Anwendungen

Gleichzeitig kann die Plattform mit den bestehenden Fertigungskapazitäten von Xinbo integriert werden, einschließlich Profilextrusion und präziser Weiterverarbeitung, wodurch Synergien zwischen Materialentwicklung, Mustervalidierung, Prozessanpassung und anschließender Fertigung ermöglicht werden.

Von der Materialvalidierung zu Produktanwendungen

Dadurch kann die Materialentwicklung über die Laborforschung hinausgehen und schneller in Richtung Produktvalidierung, Prozessintegration und Anwendung im industriellen Maßstab schreiten.

Aktuell nutzt das Forschungsinstitut diese Plattform zur Zusammenarbeit mit mehreren führenden Universitäten in China, darunter die Central South University und die Hefei University of Technology, und führt Forschungs- und Entwicklungsprojekte in Bereichen wie neue Energiefahrzeuge, Robotik und Tiefflug durch.

Zukünftig wird das Forschungsinstitut von Xinbo diese Plattform weiter nutzen, um Industriepartnern im gesamten Jangtse-Delta maßgeschneiderte Dienstleistungen in den Bereichen Materialentwicklung für Aluminiumlegierungen, Prototypenerprobung, Validierung von Mehrkomponentenlegierungen, Prozessoptimierung und Materialprüfung anzubieten. Ziel ist es, die Überführung von Materiallösungen aus dem Labor in die Produktion und von der Musterentwicklung zur Anwendung zu beschleunigen.

Aufbauend auf dieser Plattform bietet das Forschungsinstitut von Xinbo seinen Partnern entlang der Wertschöpfungskette eine Reihe von Dienstleistungen an, darunter kundenspezifische Forschung und Entwicklung von Aluminiumlegierungen, die Testproduktion neuer Produktmuster, die Überprüfung von Mehrkomponenten-Rezepturen, Prozessoptimierung und Materialprüfung. Wenn Ihr Unternehmen Bedarf an der Entwicklung neuer Aluminiumlegierungen, der Pilotierung oder der Anwendungsvalidierung hat, kontaktieren Sie uns gerne.