PNNL、Magna は自動車部品に二次アルミニウムを使用した ShAPE の実現可能性を実証

エネルギー省のパシフィック・ノースウェスト国立研究所は、金属および金属合金から高強度構造物をよりコストとエネルギー効率よく製造できるようにするせん断支援加工および押出（ShAPE）プロセス（以前の投稿）を長年開発してきました。 、さまざまな金属に適用できます。

今回、PNNL は Magna と協力して、ShAPE を使用して二次アルミニウムからマルチセル押出成形品を製造する実現可能性を実証しました。 今年初めに発行された技術レポートの中で、PNNL と Magna のエンジニアは次のように述べています。

100% 二次アルミニウムで作られた自動車部品は、従来の押出成形と比較して、製造プロセス中に 50% を超えるエネルギー節約と 90% を超える CO2 削減を実現します。 原料として二次 Al を使用すると、環境に優しいだけでなく、部品コストも大幅に削減できます。 これは、Fe を一次 Al で希釈する必要がなくなり、一次アルミニウムの製造に関連するエネルギー、炭素、コストが削減できるためです。 さらに、Al 合金で作られた軽量自動車部品は、最先端の高張力鋼と比較して 25% の重量削減を実現します。 その結果、可能な場合には、鋼製部品が Al に置き換えられる対象となっています。

リサイクル可能性を向上させるために、パシフィック ノースウェスト国立研究所 (PNNL) とマグナ サービス オブ アメリカ (マグナ) の間のこの協力研究開発協定 (CRADA) は、Al 産業スクラップをサブスケールの自動車部品に直接変換する可能性を実証する ShAPE の開発を目的としていました。 。

すべての電気自動車 (EV) バッテリー構造は、従来の押出成形と比較してコストを削減しながら、同等または向上した性能に基づいて、1 つの可能な挿入機会を提供します。 100% 二次 Al からなる原料を使用することによる潜在的なコスト削減と環境上の利点は十分に確立されています。 しかし、一次 Al を添加しない二次スクラップの使用は、金属間の分散と均一な微細構造に関連する基本的な材料の課題のため、工業プロセスには発展していません。 これらのプロセスの制限は、等チャンネル角プレス (ECAP) などの厳しい塑性変形 (SPD) 技術を使用して克服されています。 ECAP やその他の SPD プロセスは、科学的な観点からは成功していますが、産業レベルに拡張することはできません。 ShaPE は、SPD の微細構造の利点と従来の押出成形プロセスの拡張性を組み合わせて、業界標準の特性要件を満たしながら、Al 二次スクラップを自動車部品に直接変換する独自の技術を提供します。

PNNL の ShaPE プロセスでは、機械を使用してバルク金属合金のビレットまたは塊を回転させ、摩擦によって十分な熱を発生させて材料を軟化させ、ダイから簡単に押し出してチューブ、ロッド、チャネルを形成できるようにします。 発熱の程度と変形ゾーンの深さは、回転速度、温度、ラム速度を制御することによって制御されます。

直線力と回転力を同時に使用することで、従来のプロセスで材料を金型に押し込むのに通常必要な力の 10% しか使用しません。

この大幅な力の削減により、生産機械の大幅な小型化が可能になり、設備投資と運用コストが削減されます。 エネルギー消費も同様に低いです。 長さ 1 フィート、直径 2 インチのチューブを製造するのに使用される電気量は、家庭用キッチンのオーブンをわずか 60 秒間稼働させるのに必要な電力とほぼ同じです。

ShaPE を二次アルミニウムでの使用に適応させるために、エンジニアは回転 ShaPE プロセス内にポートホール ダイ構成を統合しました。 Manufacturing Letters に掲載された論文の中で、チームはアルミニウム合金 6063 産業スクラップから円形、正方形、台形、および 2 セル台形のプロファイルを押し出したことを報告しています。

微細構造の特徴付けは、押出されたままの状態で平均粒径 6.7 μm の台形プロファイルについて示されました。 丸管は、業界標準を超える降伏強度 (246.9 ± 10.4 MPa)、極限引張強度 (270.8 ± 9.6 MPa)、均一伸び (16.5 ± 2.4%) を達成しました。

私たちは、ShAPE プロセスで形成されたアルミニウム部品が強度とエネルギー吸収に関して自動車業界の基準を満たしていることを示しました。 重要なのは、ShAPE プロセスは、エネルギーを大量に消費する熱処理ステップを必要とせずに、スクラップ中の金属不純物を分解することです。 これだけでもかなりの時間が節約され、新たな効率がもたらされます。

この技術レポートと研究出版物は、北米最大の自動車部品メーカーであるマグナとの 4 年間にわたるパートナーシップの集大成を表しています。 マグナは、DOE の車両技術局、軽量材料コンソーシアム (LightMAT) プログラムから共同研究への資金提供を受けました。

ShAPE によって AA6063 産業スクラップから作られた押出成形品。(a) 円形、(b) 正方形、(c) 台形、(d) 2 セル台形のプロファイルを生成します。 (画像提供: Scott Whalen | 太平洋岸北西部国立研究所)

結果は、ShAPE 製品は均一に強度があり、部品の故障を引き起こす可能性のある製造上の欠陥がないことを示しました。 特に、この製品には、材料の劣化を引き起こす可能性があり、二次リサイクルされたアルミニウムを使用して新しい製品を製造する取り組みを妨げる不純物である金属の大きなクラスターの兆候はありませんでした。

研究チームは現在、電気自動車のバッテリーエンクロージャーに通常使用されるさらに高強度のアルミニウム合金を調査している。

このイノベーションは、製造におけるリサイクルアルミニウムの循環経済を生み出すための最初の一歩にすぎません。 当社は現在、二次アルミニウムスクラップのまったく新しい市場を創出する可能性のある、消費後の廃棄物の流れを含めることに取り組んでいます。

PNNLの研究チームには、ホエーレン氏に加えて、ニコール・オーバーマン氏、ブランドン・スコット・テイソム氏、レザ・イー・ラビー医師、マーク・ボウデン氏、ティモシー・スクシェク氏が参加した。 DiCiano に加えて、Magna の寄稿者には、Vanni Garbin、Michael Miranda、Thomas Richter、Cangji Shi、Jay Mellis が含まれていました。 この研究は、DOE の車両技術局 LightMAT プログラムによって支援されました。

特許取得済みの ShAPE テクノロジーは、他のアプリケーションのライセンスに利用できます。

リソース

Scott Whalen、Brandon Scott Taysom、Nicole Overman、Md. Reza-E-Rabby、Yao Qiao、Thomas Richter、Timothy Skszek、Massimo DiCiano (2023) 「せん断支援加工および押出によるアルミニウム 6063 産業スクラップのポートホール ダイ押出」、製造手紙、第 36 巻 doi: 10.1016/j.mfglet.2023.01.005。

投稿日: 2023 年 4 月 19 日 カテゴリー: 製造, 市場背景, 材料, リサイクル | パーマリンク | コメント (0)