Rohstoffe

Effizienter Einsatz seltener Erden

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Forscher der Fraunhofer-Institute entwickelten Lösungen, um den Bedarf an wertvollen Rohstoffen zu senken. Bild: Fraunhofer IFAM
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Als Ergebnis des Leitprojekts „Kritikalität Seltener Erden“ haben Fraunhofer-Forscher Lösungen entwickelt, wie sich etwa der Bedarf seltener Erden auf ein Fünftel reduzieren lässt.

Im 2013 gestarteten Leitprojekt „Kritikalität Seltener Erden“ haben acht Fraunhofer-Institute Lösungen für einen effizienteren Einsatz seltener Erden entwickelt. Auslöser war ein Exportstopp für die Rohstoffe vonseiten Chinas. Ziel des Projekts war, Ersatzmaterialien vor allem für die Elemente Dysprosium und Neodym zu finden, die etwa für Magnete in Elektromotoren benötigt werden.

Recycling von seltenen Erden bereits beim Design von E-Motoren bedenken

Durch eine Analyse der Rohstoffmärkte für seltene Erden haben die Forscher Konzepte entwickelt, wie bereits beim Design von E-Motoren die spätere Wiederverwendung oder das Recycling von seltenen Erden mitgedacht werden kann. Am Beispiel von Elektromotoren zeigten die Experten, dass sich der Bedarf von Dysprosium und Neodym auf 20 % des heutigen Wertes senken lässt. Außerdem fanden sie Lösungen, wie durch Spritzgussverfahren weniger Ausschuss bei den Herstellungsprozessen von Magneten entsteht.

Möglich wird das durch Spritzgussverfahren, bei dem das Magnetmaterial gemeinsam mit einem Kunststoff-Binder direkt in die gewünschte Form gebracht und anschließend gesintert wird. So entfallen zugleich aufwendige Nachbearbeitungen.

„Das Ziel, den Bedarf an seltenen Erden zu halbieren, haben wir deutlich übertroffen“

„Unser Ziel war, den Bedarf an seltenen Erden an diesen Benchmark-Motoren zu halbieren. Das haben wir deutlich übertroffen, indem wir verschiedene technische Ansätze kombiniert haben“, sagt Prof. Ralf Wehrspohn, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und Sprecher des Leitprojekts. Er betont die Relevanz der gewählten Beispiele: „In einem durchschnittlichen Auto sind heute Dutzende solcher Motoren enthalten, die Fensterheber, Scheibenwischer oder Ölpumpe bewegen. Sehr viele dieser Motoren funktionieren mit Permanentmagneten, in denen Seltene Erden stecken. Durch immer neue Assistenzsysteme und nicht zuletzt durch den Trend zur Elektromobilität wird ihre Zahl künftig deutlich steigen. All das zeigt, wie wichtig ein effizienter Umgang mit diesen wertvollen Rohstoffen ist.“

In einem weiteren Teilprojekt wurde ein Verfahren entwickelt, um Permanentmagnete etwa aus Elektroschrott, Windrädern oder Autos wiederverwerten zu können. Sie zerfallen dabei durch die Behandlung mit reinem Wasserstoff in kleinste Partikel und werden dann erneut gegossen oder gesintert. Die recycelten Magnete erreichen 96 %der Leistungsfähigkeit von neuen Magneten. Weltweit einzigartig ist das im Leitprojekt entwickelte Verfahren, Dysprosium durch eine Kombination aus Spark-Plasma-Sintering (SPS) und Heißpressen in Korngrenzenphasen einzubringen und somit anisotrope Magnete für vielfältige Anwendungen bei Elektromotoren herzustellen.

Einsatz von Magneten mit geringerer Temperaturstabilität reduziert Dysprosium-Anteil

Auch das Design der Referenz-Elektromotoren wurde optimiert: Wenn die Motoren im Betrieb nicht so heiß werden, können Magnete mit geringerer Temperaturstabilität und damit mit geringerem Dysprosium-Anteil eingesetzt werden. Nicht zuletzt wurden Materialien gesucht und gefunden, die ebenfalls als Magnete dienen können, aber keine seltenen Erden enthalten. In Hochdurchsatzverfahren haben die Forscher zahlreiche Materialkombinationen getestet und neue Legierungen nachgewiesen, die statt seltener Erden unter anderem Cer enthalten, das bei der Förderung von Neodym anfällt. Als Flakes weisen die neuen Verbindungen bereits sehr gute magnetische Leistungen auf. Alle identifizierten Substitutionsmaterialien wurden zudem hinsichtlich ihrer gegenwärtigen und erwarteten Versorgungssicherheit analysiert.

„Wir haben das Thema von der quantenphysikalischen Computersimulation von Magnetmaterialien über die endformnahe Fertigung von Magneten bis hin zur Rückgewinnung der eingesetzten Seltenerdmetalle nach der Nutzungsphase in den Blick genommen. Durch die auch im internationalen Maßstab einzigartige Breite und Tiefe der Kompetenzen haben wir sehr konkrete Fortschritte erzielt und weitere Ansatzpunkte für einen effizienteren Einsatz von Seltenen Erden und die Substitution identifiziert. Diese Ergebnisse wollen wir nun mit Unternehmen in den Markt bringen“, gibt Wehrspohn als Ausblick.

Acht Fraunhofer-Institute am Leitprojekt „Kritikalität Seltener Erden“ beteiligt

Beteiligt am Leitprojekt waren das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC mit der Projektgruppe IWKS, das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.

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