Zink verspricht Leichtbau

Aluminium ist ein beliebtes Material für zahlreiche Leichtbauanwendungen im Automobilbereich. Doch der Wechsel von Aluminium- zu Zinklegierungen könnte die Langlebigkeit und Nachhaltigkeit vieler Arten von Autoteilen erheblich verbessern.

Ingenieure des Sustainable Manufacturing Systems Centre der Cranfield University im Vereinigten Königreich untersuchten kürzlich die Vorteile von drei verschiedenen Leichtbaulegierungen: Aluminium-A380, Magnesium-AZ91D und Zink-ZA8.

Zinklegierungen erwiesen sich als nachhaltigere und leistungsfähigere Option – insbesondere unter Berücksichtigung von Faktoren wie der Umweltbelastung durch die Gewinnung des Metalls und der Qualität der daraus hergestellten Teile.

Und trotz der Tatsache, dass Aluminiumlegierungen in der Regel günstiger sind, ergab die Studie, dass Zinklegierungen insgesamt einen besseren Wert bieten, da die daraus hergestellten Teile wahrscheinlich eine viel längere Lebensdauer haben als die anderen Legierungen.

Zinklegierungen werden aufgrund ihrer niedrigen Schmelztemperatur, Vielseitigkeit, Festigkeit und Haltbarkeit häufig als Gussmaterial verwendet. Traditionell wird das leichte Material für hochwertige Automobilanwendungen verwendet, die eine Alternative zu Kunststoff erfordern. Typische Beispiele sind Innenraumkomponenten wie Bedienknöpfe, Schalter und Hebel. Zink wird auch in Bremsteilen, Türschlossgehäusen, Sicherheitsgurtkomponenten und Scheibenwischern verwendet.

„In den letzten Jahren wurden Aluminiumlegierungen von Automobilingenieuren aufgrund ihrer leichten Eigenschaften und geringeren Kosten bevorzugt“, sagt Konstantinos Salonitis, Leiter des Sustainable Manufacturing Systems Centre. „Aluminium wird häufig anderen Legierungen vorgezogen, weil die Nachhaltigkeit des Endprodukts nicht vollständig berücksichtigt wird.“

„Die thermophysikalischen Eigenschaften von Zinklegierungen ermöglichen die Herstellung von Automobilteilen mit komplizierten Designs unter Verwendung strenger und enger Toleranzen mit hochwertiger Endbearbeitung direkt im Druckgussverfahren“, fügt Emanele Pagone, Ph.D., wissenschaftliche Mitarbeiterin in hinzu Modellierung nachhaltiger Fertigung an der Cranfield University. „Ein weiterer Vorteil von Zinklegierungen liegt in ihrem geringeren Energieverbrauch bei der Herstellung im Vergleich zu anderen typischen Druckgussmaterialien wie Aluminium und Magnesium.

„Dieser geringere Energieverbrauch ist eine Folge der niedrigeren Schmelztemperatur und des geringeren Wärmeeintrags, der zum Erreichen des Schmelzpunkts erforderlich ist“, erklärt Pagone. „Niedrigere Temperaturen begünstigen auch eine längere Werkzeuglebensdauer. Darüber hinaus sind Zinklegierungen korrosionsbeständig, eine Eigenschaft, die bei der Herstellung von Automobilaußenteilen wichtig sein kann.“

Laut Pagone ist Zink ein äußerst flüssiges Metall. Es ist einfacher zu verarbeiten als Aluminium und bietet Ingenieuren mehr Möglichkeiten beim Gießen von Teilen. Mit Zink können Sie Teile in komplexen Formen mit dünneren Wänden herstellen. Diese Fähigkeit gleicht die Tatsache aus, dass Aluminium leichter ist als Zink.

Allerdings birgt Zink zahlreiche Herausforderungen, die angegangen werden müssen, bevor es in der Automobilindustrie in größerem Umfang eingesetzt wird. Beispielsweise macht das relativ hohe Gewicht von Zinklegierungen (und der daraus resultierende höhere Kraftstoffverbrauch) sie für Automobilanwendungen weniger attraktiv. Darüber hinaus lassen sich mit Thermoplasten Bauteile, die keiner nennenswerten Belastung ausgesetzt sind, in Massenproduktion wirtschaftlicher herstellen.

„Die größte Herausforderung besteht im vergleichsweise höheren Gewicht von Zinklegierungen, das den Kraftstoffverbrauch und die Fahrqualität von Fahrzeugen verringert“, sagt Pagone.

Andererseits könnte bei Elektrofahrzeugen der Nachteil schwererer Materialien durch den Einsatz von regenerativem Bremsen verringert werden.

„Es ist jedoch schwer vorherzusagen, ob eine solche Reduzierung ausreichen würde, um eine deutliche Abkehr von der derzeitigen Dominanz von [Aluminium und anderen] Leichtbaumaterialien zu begünstigen“, bemerkt Pagone. „Mögliche zukünftige Gesetze, die die Gesamtenergiebelastung von Materialien berücksichtigen, könnten Zinklegierungen gegenüber Leichtbau-Konkurrenten begünstigen.

„Außerdem ist es schwierig, verlässliche Vorhersagen zu treffen, da die Hersteller derzeit versuchen, immer größere Einzelteile im Hochdruck-Druckgussverfahren herzustellen“, fügt Pagone hinzu. „Zum Beispiel könnte die Mega-Gussmaschine, die zur Herstellung von Rahmenkomponenten des Tesla Model Y verwendet wird, solche Überlegungen beeinflussen.“