Oamenii de știință de la Laboratorul Național Oak Ridge au creat un nou aliaj de aluminiu numit RidgeAlloy, care poate transforma aluminiul reciclat contaminat de pe caroseriile auto în piese structurale puternice pentru vehicule. În mod normal, impuritățile introduse în timpul reciclării fac ca acest material să nu fie potrivit pentru aplicații de înaltă performanță. RidgeAlloy depășește această provocare, permițând aluminiului reciclat să îndeplinească standardele de rezistență și durabilitate cerute pentru vehiculele moderne. Tehnologia ar putea reduce drastic consumul de energie, ar reduce importurile și ar debloca o nouă sursă uriașă de aluminiu intern.
În următorul deceniu, se așteaptă ca o cantitate mare de aluminiu de la panourile caroseriilor auto să intre în sistemele de reciclare și recuperare. O mare parte din acest material nu poate fi refolosită în prezent în componente auto critice, deoarece contaminarea îl face prea impur. Această limitare i-a redus valoarea. Cercetătorii de la Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL) al Departamentului Energiei (DOE) lucrează pentru a schimba acest lucru.
Echipa a creat un nou aliaj de aluminiu numit RidgeAlloy, care poate transforma aluminiul reciclat de valoare scăzută într-o sursă fiabilă de material pentru fabricarea pieselor auto structurale în Statele Unite. Aluminiul figurează pe lista materialelor critice a DOE, deoarece joacă un rol important în multe tehnologii energetice, inclusiv sisteme utilizate pentru a genera, transmite, stoca și conserva energie.
RidgeAlloy este fabricat prin retopirea aluminiului recuperat din produsele uzate și retopirea într-un nou aliaj, conceput pentru a îndeplini cerințele de rezistență, ductilitate și siguranță la impact ale componentelor structurale ale vehiculelor. Cercetătorii ORNL au dezvoltat o abordare de proiectare țintită a aliajului, care accelerează dezvoltarea de noi materiale.
"Echipa a avansat de la un concept pe hârtie la o demonstrație de succes, la scară largă, a unei piese realizate dintr-un nou aliaj în doar 15 luni", a declarat Allen Haynes, directorul programului Light Metals Core al ORNL. "Aceasta este o viteză nemaivăzută a inovației în dezvoltarea de aliaje structurale complexe."
Vehiculele care se bazează în mare măsură pe aluminiu au început să apară pe piața americană în jurul anului 2015, inclusiv seria de camioane Ford F-150, unul dintre primele modele intensive din aluminiu produse la scară largă. Se așteaptă ca multe dintre aceste vehicule să ajungă la sfârșitul duratei lor de viață utile până la începutul anilor 2030. Când se va întâmpla acest lucru, sistemele de reciclare ar putea primi până la 350.000 de tone de deșeuri de tablă de aluminiu în fiecare an în America de Nord. O mare parte din acest material ar putea ajunge să fie utilizat în produse turnate de valoare mai mică sau exportat în străinătate. Aceasta reprezintă o oportunitate pierdută de a reutiliza metalul ca sursă internă de aluminiu de înaltă calitate.
"Puteți reutiliza aluminiul post-consum în ceva non-structural, cum ar fi blocurile de motor", a declarat Alex Plotkowski, liderul grupului de Fizică Cuplată Computațională de la ORNL. "Dar nu va avea proprietățile necesare pentru aplicații de caroserie de valoare mai mare, structurale."
Principala provocare vine din contaminarea introdusă în timpul procesului de mărunțire a vehiculului. Cantități mici de fier din piese precum nituri și alte elemente de fixare se amestecă în metalul reciclat. Aceste impurități fac ca compoziția chimică să fie imprevizibilă și reduc performanța, ceea ce împiedică materialul să îndeplinească standardele stricte cerute pentru aliajele structurale auto. Din acest motiv, majoritatea pieselor ușoare ale vehiculelor sunt încă fabricate din aluminiu primar produs din minereu extras. Acest proces necesită cantități semnificative de energie.
Deși Statele Unite importă cea mai mare parte a aluminiului primar, țara are o rețea bine dezvoltată pentru mărunțirea vehiculelor și recuperarea deșeurilor de aluminiu. "Se estimează că utilizarea deșeurilor retopite în loc de aluminiu primar duce la o reducere de până la 95% a energiei necesare pentru procesarea unei piese", a declarat Amit Shyam, liderul grupului de Comportament și Proiectare a Aliajelor de la ORNL.
Pentru a crea RidgeAlloy, cercetătorii au folosit instrumente științifice avansate pentru a proiecta compoziția aliajului. Calculul de înaltă performanță a fost utilizat pentru a efectua peste două milioane de calcule care au prezis ce combinații de elemente ar oferi proprietățile mecanice dorite. Echipa a efectuat, de asemenea, analize detaliate ale materialelor și experimente de difracție de neutroni la Spallation Neutron Source a ORNL, o unitate de utilizare a Oficiului de Știință al DOE. Aceste experimente i-au ajutat pe oamenii de știință să înțeleagă modul în care diferite impurități influențează performanța aliajului. Neutronii sunt deosebit de utili pentru studierea metalelor, deoarece pot trece prin materiale dense fără a provoca daune, permițând cercetătorilor să observe structurile interne și modificările la scară atomică.
După identificarea formulei optime a aliajului prin simulări și teste de laborator, cercetătorii au evaluat RidgeAlloy în condiții reale de producție. Trialco Aluminum din PSW Group din Chicago a produs lingouri de aluminiu reciclat realizate din deșeuri amestecate de tablă de aluminiu pentru caroserii auto, care se potriveau cu designul RidgeAlloy. Aceste lingouri au fost apoi trimise către Falcon Lakeside Manufacturing din Michigan, unde au fost topite și turnate în componente auto folosind turnarea sub presiune înaltă.
"Partea pe care am ales-o era de dimensiuni medii și moderat de complexă", a spus Plotkowski. "Obiectivul final este de a turna în cele din urmă piese mai mari, poate chiar giga-turnări auto, dar acesta este primul pas."
Testarea a confirmat că RidgeAlloy conține combinația de aluminiu, magneziu, siliciu, fier și mangan necesară pentru turnările structurale ale vehiculelor, chiar și atunci când metalul reciclat include niveluri mai ridicate de fier și siliciu. Materialul oferă rezistența, rezistența la coroziune și ductilitatea necesare pentru aplicații solicitante, cum ar fi caroseriile inferioare ale vehiculelor, elementele de cadru și alte părți structurale cheie. Această capacitate ar putea schimba semnificativ modul în care deșeurile de aluminiu auto sunt sortate, evaluate și reutilizate în America de Nord.
"Această echipă a descoperit cum să profite la maximum de suita de capacități de clasă mondială a unui laborator național pentru a umple rapid un decalaj uriaș în înțelegerea noastră a materialelor ușoare pentru automobile", a spus Haynes.
Până la începutul anilor 2030, RidgeAlloy ar putea permite turnarea aluminiului structural reciclat la volume egale cu cel puțin jumătate din producția anuală actuală de aluminiu primar în Statele Unite. Această schimbare ar putea reduce consumul de energie, ar reduce costurile de producție și ar consolida lanțurile de aprovizionare interne.
"RidgeAlloy oferă prima tehnologie capabilă să recupereze valoarea unui val masiv și cu abordare rapidă a aliajelor reciclate de aluminiu de înaltă calitate pentru automobile", a spus Haynes. "Acesta este impactul lanțului de aprovizionare pe care echipa noastră l-a vizat."
Tehnologia poate găsi utilizări și dincolo de vehiculele de pasageri. Aplicațiile potențiale includ echipamente industriale, mașini agricole, sisteme aerospațiale, echipamente mobile de generare a energiei, vehicule off-road, cum ar fi snowmobile și motociclete, și vehicule marine, inclusiv jet ski-uri.
Echipa de cercetare ORNL a inclus Alex Plotkowski, Amit Shyam, Allen Haynes, Sunyong Kwon, Ying Yang, Sumit Bahl, Nick Richter, Severine Cambier, Alice Perrin și Gerry Knapp.
Proiectul a fost susținut de Oficiul pentru Eficiență Energetică și Energie Regenerabilă al DOE, Programul de bază pentru metale ușoare al Oficiului pentru Tehnologii ale Vehiculelor.