Forschungsteam des Fraunhofer IZFP erhält den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2025

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Aluminiumproduktion – Einschlüsse sicher erkennen mit Ultraschall: Dank
seiner physikalischen Eigenschaften spielt Aluminium eine große Rolle für
die Kreislaufwirtschaft und das Erreichen der Klimaneutralität. Bei der
Verarbeitung entscheidend ist eine hohe Materialgüte: Verunreinigungen in
der Aluminiumschmelze verringern die Qualität fertiger Bauteile.

Anders
als bisherige Analysemethoden kann das ultraschallbasierte Messsystem
»AloX« des Fraunhofer IZFP vorhandene Einschlüsse gleichermaßen
zuverlässig, schnell und kostengünstig aufspüren. Für die Entwicklung des
innovativen Werkzeugs erhielt das Forschungsteam den Joseph-von-
Fraunhofer-Preis 2025.

Große, schwer zugängliche Gerätschaften und hohe Temperaturen: Die
Bedingungen in Gießereien sind extrem. Für die Arbeit mit flüssigem Metall
braucht es bei Mensch und Maschine Flexibilität und Widerstandskraft. Mit
Blick auf diese herausfordernde Umgebung sollte ein Forschungsteam des
Fraunhofer IZFP für Kunden aus der Aluminiumbranche ein neues Messsystem
für Verunreinigungen in der Metallschmelze entwickeln – ein wichtiges
Werkzeug während des Produktionsprozesses.

Sicherheitsrisiko Verunreinigungen
»Die Reinheit der Schmelze, deren Temperatur zwischen 600 und 800 Grad
Celsius beträgt, ist enorm wichtig für das spätere Endprodukt. Die in der
Schmelze vorhandenen keramischen Partikel beispielsweise verflüssigen sich
erst oberhalb von 2000 Grad Celsius und bleiben als Einschlüsse im
fertigen Bauteil erhalten, wenn sie nicht gezielt entfernt werden. Das
kann zu Rissen und Löchern und damit, im schlimmsten Fall, zum Versagen
von Bauteilen führen«, so Dr. Thomas Waschkies, Chief Scientist
Sensorphysik am Fraunhofer IZFP. Von Beginn an leitete er das Projekt
gemeinsam mit seiner Kollegin Andrea Mroß, die heute an dem Saarbrücker
Institut im Bereich Strategie und Forschungsprogrammatik tätig ist.

Aluminium: Zentral für Kreislaufwirtschaft und Klimaneutralität
Aluminium ist nach Stahl das am häufigsten verwendete Metall weltweit und
spielt unter anderem durch seinen Einsatz im Leichtbau eine große Rolle
für die Klimaneutralität. Zudem lässt es sich mit geringem Energieaufwand
wiederaufbereiten und leistet so einen hohen Beitrag für die
Kreislaufwirtschaft. Zur Qualitätskontrolle von Aluminiumschmelze gibt es
auf dem Markt bereits unterschiedliche Messsysteme, die allerdings
entweder teuer, nur durch eigens geschulte Fachkräfte bedienbar oder
höchst zeitaufwändig sind und daher nur eine stichprobenartige Kontrolle
erlauben. Die Industrie benötigt also ein günstiges, ohne Spezialwissen
bedienbares System, das ein schnelles Endergebnis liefert und flexibel in
Gießereien einsetzbar ist.

Ein ultraschallbasiertes Messsystem für die Aluminiumproduktion
Vor diesem Hintergrund entstand am Fraunhofer IZFP die Idee eines mobilen,
ultraschallbasierten Messsystems für die Aluminiumschmelze. Die
Funktionsweise von »AloX« – der Projektname setzt sich zusammen aus den
Begriffen »Aluminiumschmelze« und »Oxideinschlüsse« – lässt sich anhand
eines Alltagsbeispiels erklären: »Das System funktioniert analog zu einem
Parksensor im Auto: Das in die Schmelze eingetauchte System sendet
Signale, die von einem Reflektor zurückgeworfen werden. Schwimmen Partikel
vorbei, also Verunreinigungen, entstehen Störsignale«, so Andrea Mroß.
Diese ermöglichen es, direkt vor Ort in die Produktion einzugreifen und so
die Qualität zu sichern.

Die Herausforderung bei der Entwicklung des Systems lag vor allem in den
extremen Bedingungen am Einsatzort Gießerei: Die heiße Schmelze erzeugt
eine sehr hohe Wärmestrahlung, von der neben dem System selbst auch die
gesamte tragende Einheit betroffen ist. Darüber hinaus ist
Aluminiumschmelze stark korrosiv und greift metallische Werkstoffe an. Im
engen Austausch mit der Industrie entwickelte das Team schließlich einen
ersten Prototyp: Der Messwagen verfügt über eine Messeinheit mit
speziellen Ultraschallwellenleitern und integrierter Kühlung sowie über
eine eigens entwickelte Software mit patentiertem Auswertealgorithmus.
Auch der Wechselmechanismus für die aus Titan bestehenden
Ultraschallwellenleiter ist inzwischen patentiert.

Weiterentwicklung für den industriellen Einsatz
Aktuell arbeitet das Team an »AloX 2.0«, das im Vergleich zum ersten
weiter optimiert wurde. Ein Faktor ist jedoch gleich geblieben: Nahezu
alle Komponenten sind Eigenentwicklungen des Fraunhofer IZFP. »Von den
Ultraschallsensoren über die Auswertungssoftware und Elektronik bis zur
Mechanik des Gehäuses: AloX ist ein Gesamtpaket aus einer Hand«, fasst
Andrea Mroß zusammen. Im nächsten Schritt steht für die Forschenden die
breite industrielle Anwendung des Systems bevor – zunächst in der
Aluminiumherstellung. Doch auch weitere Einsatzzwecke sind denkbar, etwa
zur Qualitätskontrolle anderer Metallschmelzen oder bei der Produktion von
Klebstoffen und Lebensmitteln.