Forschen für die Unendlichkeit – Auf dem Weg zur Zirkularität

Professor Ulrich Krupp leitet das Institut für Eisenhüttenkunde an der RWTH Aachen und verantwortet dort den Bereich Werkstofftechnik der Metalle. stahl. sprach mit ihm über die derzeit auffälligsten Trends in der metallurgischen Forschung, über die neuen smarten Eigenschaften der Stähle der Zukunft und wie die Innovationsrallye hin zu immer mehr Nachhaltigkeit die Stahl-DNA grundlegend verändert.

stahl.: Der Wandel der Stahlindustrie hin zu einer klimaneutralen Stahlproduktion führt auch in der metallurgischen Forschung zu einem gewaltigen Umbruch. Wo werden gegenwärtig die größten Forschungsanstrengungen unternommen?

Prof. Krupp: Zurzeit herrscht in der Tat eine spürbare Aufbruchstimmung bei allem, was in Richtung Klimaneutralität weist. Allen ist klar, dass es jetzt zu einem Paradigmenwechsel kommen wird: von der traditionellen Koks-Kohle-Verhüttung zur wasserstoffbasierten Direktreduktion. Das ist zum einen sehr spannend. Zum anderen ist es aber auch ein großes Risiko, weil die Entwicklungen natürlich sehr stark von der Politik abhängen. Ebenfalls ist klar: Das kann die Stahlindustrie nicht allein bewältigen. Es müssen erneuerbarer Strom und Wasserstoff bereitgestellt werden. Und das heißt: Wir brauchen auch eine entsprechende Infrastruktur in Form von Hochleistungs-Stromtrassen, Elektrolyseuren und wasserstofftauglichen Stahl-Pipelines.

stahl.: Gilt denn schon als ausgemacht, dass mit der wasserstoffbasierten Stahlfertigung tatsächlich die gleichen Qualitätsstandards erreicht werden?

Prof. Krupp: Beim Stahlprodukt wird man sich bemühen, das hohe Qualitätsniveau der Automobiltechnik wie hochfeste Umformstähle oder Elektrobleche, mit völlig neuen intelligenten Technologien zu erreichen. Wie gut das gelingt, wird sich zeigen. Die Direktreduktion ist einerseits nicht wirklich neu, viele Länder haben bereits langjährige Erfahrung mit erdgasbasierten Midrex-Anlagen, mit denen bereits heute ca. hundert Millionen Tonnen jährlich hergestellt werden. Aber Wasserstoff ist dann noch einmal eine ganz andere Herausforderung: an die Anlagentechnik und die Anlagensicherheit.

stahl.: Bleiben wir beim Wasserstoff: Was sind im Zusammenhang mit wasserstoffbasiertem Stahl die auffälligsten Trends in der metallurgischen Forschung?

Prof. Krupp: Viele Unternehmen setzen darauf, das direktreduzierte Eisen im Lichtbogenofen zu verarbeiten, mit dem Problem, dass bei direktreduziertem Eisen die klassische Schlackenmetallurgie im Hochofen fehlt. Das heißt, die Sekundär-Metallurgie, wie z. B. die Einstellung geringster Phosphor- und Stickstoffgehalte, muss im Lichtbogenofen anders gelöst werden. Und das ist dann schon ein echter Paradigmenwechsel. Alternativ gibt es die Möglichkeit, dass man durch ein zusätzliches Einschmelz-Aggregat, den sogenannten Submerged-Arc Furnace, versucht, durch Zuführung von Kohlenstoff die bekannte Roheisen-Qualität zu erreichen. Auf dieser Basis kann man den bekannten Stahlwerks-Prozess, also das Sauerstoff-Aufblasverfahren der Konverter-Route, durchfahren und die Sekundär-Metallurgie entsprechend anpassen.

stahl.: Klingt smart. Ist die wasserstoffbasierte Stahlerzeugung somit die maßgebende Technologie der Zukunft?

Prof. Krupp: Es ist zunächst einmal aktuell der große Trend. Aber es schließen sich auch viele Fragen an: z. B., ob und wie man zu welchen Kosten die erforderlichen Qualitäts-Standards erreicht. Im Moment gibt es ein riesiges Interesse an grünem Stahl. Aber natürlich stellt sich auch die Frage, wie sich die Technologie auf der Kostenseite darstellt. Und wenn man im harten internationalen Wettbewerb Fahrzeuge verkaufen möchte, dann wird man sich fragen müssen, ob man dann tatsächlich dem Wunsch nach grünem Stahl auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nachkommen kann. Ungelöst ist außerdem noch die Frage, wie man im internationalen Markt den Nachweis von grünem Stahl mit entsprechenden Zertifikaten regeln kann. Das ist auch wirtschaftlich eine sehr komplexe Aufgabe.

stahl.: Welche weiteren wichtigen Trends gibt es noch in der Metallurgie?

Prof. Krupp: Der andere große Trend ist zweifellos die Kreislaufwirtschaft. Der Stahl, den wir in unseren Elektrostahlwerken produzieren – sofern regenerativer Strom zur Verfügung steht –, ist schon deshalb „grüner Stahl“, weil wir Schrott als Rohstoff nutzen. Doch hier zeigt sich das Problem der Verunreinigungen. Für viele Prozesse benötigen wir äußerst verunreinigungsarme Stähle, z. B. bei der Produktion von Feinblechen für die Automobilindustrie. Manche Verunreinigungen, wie z. B. Kupfer oder Zinn, bekommt man aber nur sehr schwer bzw. gar nicht aus der Schmelze heraus. Das bedeutet in der Regel, dass man mit Eisen aus der Primärproduktion oder verunreinigungsarmen Schrotten verdünnen muss, was natürlich einem konsequenten Kreislauf wiederspricht und zukünftig größere Herausforderungen an das automatisierte Sortieren von Schrotten stellt.

stahl.: Für die Forschung heißt das?

Prof. Krupp: Wir müssen eine Antwort auf die Frage zu finden versuchen: Wie gehen wir mit diesen Verunreinigungen um, wenn wir den Schrott-Anteil erhöhen wollen? Und daran anschließend stellt sich die Frage, kann man vielleicht in anderen Legierungskombinationen diese Verunreinigungslimits anders definieren? Oder kann der Schrott vielleicht besser vorsortiert werden? Es gibt ja inzwischen auch deutlich verbesserte Möglichkeiten, die Zusammensetzung von Schrott zu ermitteln. Die zentrale metallurgische Herausforderung dabei ist die Beantwortung der Frage, wie viel Verunreinigungen können wir erlauben, um die hohen Anforderungen der Weiterverarbeitung und die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Produkte sicher zu gewährleisten.

stahl.: Sehen Sie denn für Stahl grundsätzlich großes Potenzial in der Kreislaufwirtschaft?

Prof. Krupp: Unbedingt. Denn eigentlich ist Stahl ja ein Rohstoff mit im Grunde unendlicher Recyclingfähigkeit. Sicher gibt es minimale Verluste durch Korrosion oder Verschleiß. Aber ansonsten kann man ihn immer wieder verwenden. Allerdings, wenn man ein Automobil recycelt, dann kommen neben dem hochreinen Feinblech auch andere Teile wie z. B. kleine Motorenelemente, Kupferkabel, oder hybride Werkstoffverbindungen mit in die Schmelze. Und dann steigt auch schnell der Kupferanteil. In einem wirklichen Kreislauf muss die Kupferkonzentration folgerichtig immer weiter ansteigen. Oder wenn Weißblech dazukommt, mit Zinnanteilen, dann stellt sich die Frage, wie wirken die Verunreinigungen von Zinn und Kupfer miteinander. Und dann bewegen wir uns schnell auf Terra Incognita zu: Dann müssen wir experimentell im Labor verschiedene Schmelzen nachstellen, um das Zusammenwirken der Verunreinigungen zu studieren. Dies für die große Vielfalt der Stahlqualitäten zu leisten, darin sehen wir eine sehr große Herausforderung, die nur gemeinsam mit den Stahlwerken zu lösen ist.

stahl.: Sie forschen auch hinsichtlich der Qualitäten von Stählen und wie man diese weiter optimieren kann? Welche Trends sehen Sie hier, zum Beispiel in der additiven Fertigung?

Prof. Krupp: Einen wesentlichen Bedarf sehe ich hier im Werkzeugbau. Das ist schon sehr spannend. Denn Werkzeuge sind extrem teuer. Über additive Fertigung kann man die Dinge relativ schnell gestalten oder reparieren. Tatsächlich werden bei der BGH Edelstahl in Siegen nach diesem Verfahren auch schon Werkzeuge aufgearbeitet. Davon konnten sich die Mitglieder des Gemeinschaftsausschuss Werkstofftechnik Stahl im Juni dieses Jahres in einem Werksrundgang überzeugen. Dr. Frank Hippenstiel, technischer Geschäftsführer der BGH und gemeinsam mit mir Leiter des Fachausschusses, demonstrierte, wie die Verschleißflächen der Werkzeuge für die Radialschmiedemaschine mit einer großformatigen Laser Metal Deposition (LMD)-Anlage aufgebracht werden. Das ist ein Verfahren, dass auch wirklich einen wirtschaftlichen Vorteil bietet.

© V.l. Uwe Groß, Leitender Redakteur von stahl., mit Professor Ulrich Krupp. Im Hintergrund ein 1.000Hz Resonanzprüfsystem mit hochauflösender Thermographie zur zerstörungsfreien Detektion von Ermüdungsschädigung (Quelle: Vulkan Verlag)

stahl.: Handelt es sich denn nicht insbesondere bei den Pulverbettverfahren, wie LPBF, um sehr teure Verfahren?

Prof. Krupp: Das ist richtig, deswegen muss man sehen, dass man auch wirklich einen wirtschaftlichen Nutzen durch diese Technik herauszieht. Den sehe ich vor allem dort, wo eine hohe Produktindividualisierung gefordert ist, also bei Ersatzteilen, oder bei komplexen Bauteilen, die anders nicht realisierbar sind. Problematisch bei Werkzeugstählen ist allerdings die Wärmebehandlung. Grundsätzlich sind für die additive Fertigung Werkstoffe geeignet, die gut schweißbar sind. Das ist bei Werkzeugstählen nicht unbedingt der Fall. Das heißt also, Heißrisse und Poren spielen eine große Rolle. Wenn ein Werkzeug zigtausend- oder gar millionenfach belastet wird, und dann infolge Ermüdung vorzeitig ausfällt, weil Poren und Defekte auftreten, dann ist das ein Problem.

stahl.: Wie kann das Problem behoben werden?

Prof. Krupp: Wir fokussieren uns darauf, Werkstoffe zu entwickeln, die mit ihren Eigenschaften in besonderer Weise für die additive Fertigung geeignet sind. Auf der anderen Seite wollen wir auch die Prozesskette verstehen: Wie wirkt sich die chemische Zusammensetzung des Laser-Power-Bed-Fusion Prozesses auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Materials aus? Hier im Haus gibt es dazu eine große Arbeitsgruppe, die sich mit dem Thema ICME (Integrated Computational Materials Engineering) befasst, um die computergestützte Werkstoff- und Prozessentwicklung auf die additive Fertigung zu übertragen und solche Hochleistungs-Werkstoffe dann realisierbar zu machen.

stahl.: Welche Werkstoff-Anforderung ist aus Ihrer Sicht aktuell der stärkste Innovationstreiber?

Prof. Krupp: Sehr gefragt sind mehr denn je hochfeste Stähle für alle Bereiche. In der Automobilindustrie ist Presshärten ein zentrales Thema. An der RWTH Aachen gab es lange den Sonderforschungsbereich „Steel – ab Initio“, wo viel Grundlagenwissen zu Mittel- und Hoch-Manganstählen erarbeitet wurde. Im Zuge des nun laufenden Exzellenzclusters „Internet and Production“ der RWTH arbeiten wir jetzt daran, Mittel-Mangan-Stähle für Presshärten-Anwendungen zu optimieren. Da sprechen wir dann über Festigkeiten von über 1.600 MPa bei gleichzeitig hoher Duktilität. Darüber hinaus muss aber auch die Korrosionsbeständigkeit gewährleistet werden. Und das heißt: Es muss ein Korrosionsschutz aufgebracht werden. Das Verzinken dieser Stähle mit dem Presshärte-Prozess zu harmonisieren, ist eine große Herausforderung.

stahl.: Für welche Anwendungsfälle werden diese Stähle benötigt?

Prof. Krupp: Insbesondere für den PKW-Bereich, wo eine hohe Sicherheit gefordert ist, z. B. die Fahrgastzelle, die auf keinen Fall bei einem Crash einknicken darf. Batteriekästen sind ebenfalls ein interessanter Anwendungsfall. Die dürfen im Falle eines Unfalls nicht kollabieren, da die Batterie-Zellen feuergefährlich sind.

stahl.: Davon abgesehen bleibt der zentrale Innovationstreiber in der Metallurgie aber derzeit zweifellos die Nachhaltigkeit.

Prof. Krupp: Ja, die Entwicklung von Stählen mit optimalem CO2-Fußabdruck ist das Thema der Stunde. Viele Stähle erfordern eine mehrfache Wärmebehandlung, müssen also mehrfach aufgeheizt werden. Wir arbeiten verstärkt an Stählen, die man direkt aus der Schmiedehitze abkühlt und die ihre hohe Festigkeit erhalten, indem sie durch Luftabkühlen Martensit bilden und bereits kleine Karbide ausscheiden. Dies ist eine Stahlentwicklung, die wir schon seit vielen Jahren unter dem Namen LHD (lufthärtend duktil) verfolgen.

stahl.: Sie sprachen anfangs von Stahl als unendlichem Werkstoff. Das bezog sich auf seine Recyclingfähigkeit. Müsste es nicht auch für die Lebensdauer, sprich die Materialermüdung gelten?

Prof. Krupp: Stahlteile gehen irgendwann einmal kaputt. Im Idealfall gelingt es, von Ermüdung betroffene Bauteile vorher aus dem Betrieb zu nehmen, dass man z. B. eine Windkraftanlage oder Brücke abbaut, bevor sie einstürzt. Wir forschen daran, dass man schon im Vorfeld den Ermüdungszustand des Stahls erkennen kann. Dass man dem Stahl gewissermaßen ein Gedächtnis einpflanzt und man auslesen kann, wieviel Schädigung bereits erreicht ist. Das ist der eine Aspekt. Ein weiter Aspekt ist die Schadenstoleranz: Jeder Stahl hat natürlich Verunreinigungen – Einschlüsse, an denen Risse entstehen. Schadenstoleranz bedeutet nun, dass wenn sich dieser Riss ausbreitet, gewährleistet wird, dass er sich ab einem bestimmten Punkt nicht mehr weiter ausbreiten kann – oder sich quasi selbst repariert. Das kann so funktionieren: Wenn der Riss entsteht, kommt es an der Rissspitze zu einer Phasenumwandlung mit einer Erhöhung des spezifischen Volumens. Dies führt zu Rissschließeffekten, der Riss wird zusammengedrückt und wächst nicht weiter.

stahl.: Das hört sich nach Eingriff in die DNA der Metallurgie an. Wie genau gehen Sie da vor?

Prof. Krupp: Wir verwenden kleine Proben unserer Stahlentwicklungen, die in einen Resonanz- oder Ultraschallpulsator eingespannt und in Schwingung bei Frequenzen bis 20.000Hz versetzt werden, so dass ich in der Probe genau die Beanspruchung habe, die z. B. bei einer Windkraftanlage herrscht. So bilde ich aufgrund der hohen Prüffrequenz 20 Jahre Laufzeit in weniger als einem Tag ab.

stahl.: Das heißt, Sie simulieren im Labor die Materialeigenschaften, die z. B. für ein Windkraftrad benötigt werden, und produzieren auf dieser Basis den erforderlichen Stahl?

Prof. Krupp: Genau. Und dann kann man sehen: Wie findet die Schädigung statt? Funktioniert mein Schädigungsgedächtnis? Funktioniert die Selbstreparatur? Diese Dinge kann man dann natürlich weiterentwickeln.

stahl.: Kann man denn den Begriff „unendlich“ denn wirklich wörtlich nehmen?

Prof. Krupp: Das könnte man in diesem Falle durchaus. Die Risse, über die wir sprechen, finden im mikroskopischen Bereich statt. Aus Zugversuchen kennen wir die Mechanismen der Verfestigung: Wenn Stahl kalt umgeformt wird, dann erhöht sich die Festigkeit. Diese Mechanismen kann man auf Prozesse im Mikromaßstab zurückführen. Wenn also die Umformung lokal an einem mikrostrukturellen Defekt stattfindet, bspw.an einem Einschluss, wird an dieser Stelle der Stahl dann fester und kann dann die weitere Beanspruchung unbeschadet überstehen. Wenn man diese Art der Schadenstoleranz geschickt ausnutzt, wird die Lebensdauer ermüdungsbeanspruchter Teile deutlich gesteigert. Und wir können – das ist jetzt ein wenig in die Zukunft gedacht – die anfängliche Schädigung auch detektieren. Das funktioniert, wenn die lokale Umformung zu einer Phasenumwandlung führt, die anhand eines elektrischen oder mikromagnetischen Signals detektiert werden kann und so den Schädigungszustand widerspiegelt, z. B. dass der Stahl – sagen wir – 80 Prozent seiner Lebensdauer erreicht hat. „Unendlich“ bedeutet dann, dass man in diesem Fall eine weitere Walz- oder Öberflächenbehandlung vornimmt, die zu einer Eliminierung der Ermüdungsschädigung führt. Idealerweise bekäme der Werkstoff dann auch wieder 100 Prozent seiner ursprünglichen Lebensdauer. Wir sind deshalb der Meinung, dass Stahl aufgrund seiner unendlichen Verwertbarkeit der nachhaltigste Werkstoff überhaupt ist. Man muss allerdings gerade auch hinsichtlich von Beschichtungen und Legierungsvielfalt auf optimale Recyclingfähigkeit achten.

stahl.: Sie meinen einen reduzierteren Umgang mit Legierungen?

Prof. Krupp: Richtig. Man sollte eher schlank denken, es also möglichst bei Eisen, Kohlenstoff, Mangan und Chrom belassen und dann versuchen, über thermomechanische Behandlungsstrategien die erforderliche Differenzierung in den Qualitäten hinzubekommen. Denn durch die Wärmebehandlung habe ich einen sehr großen Spielraum, um die Werkstoffeigenschaften zu gestalten. Überspitzt hieße das, man könnte nur einen einzigen Stahl verwenden – und die Differenzierung erfolgt über die Prozesskette. Dadurch ist man dann auch viel flexibler beim Einsatz von Schrott als Rohstoff. Denn man reduziert den mühsamen Weg der Vorsortierung.

stahl.: Wenn man über Smart Steel nachdenkt, kommt einem gleich auch Künstliche Intelligenz in den Sinn? Welche Rolle spielt KI an Ihrem Institut?

Prof. Krupp: Wir haben hier in Aachen das Exzellenzcluster „Internet of Production“. Das ist ein fakultätsübergreifendes interdisziplinäres Forschungsprojekt mit weit über 100 Beteiligten. Ein ganz neues Konzept ist hier – angelehnt an den digitalen Zwilling – der „digitale Schatten“. Das ist ein Konzept, das auch einige Stahlunternehmen bereits erfolgreich umsetzen.

stahl.: Was ist damit gemeint?

Prof. Krupp: Stellen Sie sich vor, Sie haben einen sehr komplexen thermomechanischen Prozess – also Walzen, Abkühlen, Wärmebehandlung. Diese Prozesse sind stark von der Chemie und Mikrostruktur des Eingangsprodukts abhängig. Bei jeder Stahlcharge, die produziert wird, weichen diese ein wenig voneinander ab. Aber zum Schluss möchte man natürlich immer ein Produkt mit gleichbleibender Qualität haben. Der digitale Schatten kann nun – z. B. beim Walzen – die Temperaturen und die Kräfte, die benötigt werden, nachverfolgen. Und das sind natürlich Abbilder der jeweils vorliegenden Mikrostruktur des Materials: quasi ein Schattenwurf der Materialeigenschaften. Wenn ich die Fülle der verfügbaren Daten aus den Umformaggregaten, Wärmebehandlungs- und Abkühleinheiten einsammele, dann ergibt sich ein sehr gutes Bild, das dann mit den Eigenschaften des Werkstoffs verknüpft werden kann. Diese Verknüpfung anhand digitaler Schatten lässt sich über maschinelles Lernen und physikalisch-informierte neuronale Netzwerke (PINN) trainieren. So können dann Prozesse in Echtzeit an die durch die KI ermittelten Werte angepasst werden, sodass unter allen Bedingungen eine gleichbleibend hohe Qualität sichergestellt ist. Man könnte also meinen, man bräuchte keine metallurgischen Vorkennnisse. Smart wird es aus meiner Sicht aber erst, wenn man die KI-Methoden nutzt, um möglichst rasch und effizient jüngste Forschungserkenntnisse in industrielle Produktionsprozesse umzusetzen. Das geht nur mit exzellent ausgebildeten Fachkräften auf allen Ebenen.

stahl.: Herr Prof. Krupp, danke für das Gespräch.

INFO

Professor Ulrich Krupp, Leiter des Instituts für Eisenhüttenkunde an der RWTH Aachen, verantwortlich für den Bereich Werkstofftechnik der Metalle.

Am 1. September 2018 hat Herr Prof. Ulrich Krupp die Universitätsprofessur „Werkstofftechnik der Metalle“ und die Leitung des Instituts für Eisenhüttenkunde übernommen. Herr Prof. Krupp war zuvor seit 12 Jahren Inhaber der Professur für Metallische Konstruktions- und Leichtbauwerkstoffe und Leiter des Labors für Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit an der Hochschule Osnabrück. Er wird neben den traditionellen Aufgabenfeldern des IEHK insbesondere die Institutsaktivitäten im Bereich der nanostrukturierten Werkstoffe verstärken und neue Akzente im Bereich der Hochtemperaturkorrosion und der zyklischen Werkstoffprüfung setzen.