Die Werkstoffe

Aluminium und Acrylglas gehören zu den vielseitigsten Werkstoffen der modernen Industrie. Aluminium überzeugt durch sein geringes Gewicht, seine gute Bearbeitbarkeit und seine Korrosionsbeständigkeit. Acrylglas, technisch Polymethylmethacrylat (PMMA), wird dagegen vor allem dort eingesetzt, wo Transparenz, geringes Gewicht und eine hochwertige Oberfläche gefragt sind. Beides können wir bei Schmid Frontplatten präzise und in verschiedenen Stärken bearbeiten.

Doch wie wird Aluminium eigentlich gewonnen? Welche Aluminiumarten und -legierungen gibt es? Und wie entsteht Plexiglas aus dem Ausgangsstoff Methylmethacrylat? Die Herstellungsprozesse unterscheiden sich grundlegend und bestimmen maßgeblich die späteren Eigenschaften der Werkstoffe.

Die Herstellung von Aluminium

Die industrielle Herstellung von Aluminium beginnt nicht mit dem Metall selbst, sondern mit dem Erz Bauxit. Bauxit enthält aluminiumhaltige Minerale und wird überwiegend im Tagebau gewonnen. Der erste große Verarbeitungsschritt ist die Herstellung von Aluminiumoxid, auch Aluminiumoxid oder Alumina (Al₂O₃) genannt. 

1. Gewinnung von Bauxit

Das abgebaute Bauxit wird zunächst zerkleinert und aufbereitet. Ziel ist es, die aluminiumhaltigen Bestandteile von anderen Mineralien zu trennen. Dabei entsteht noch kein metallisches Aluminium. Der Rohstoff muss zunächst zu möglichst reinem Aluminiumoxid verarbeitet werden.

2. Das Bayer-Verfahren

Zur Herstellung von Aluminiumoxid wird industriell hauptsächlich das Bayer-Verfahren eingesetzt. Das fein gemahlene Bauxit wird dabei mit Natronlauge unter erhöhtem Druck und bei erhöhter Temperatur behandelt. Das Aluminium wird in Lösung gebracht und anschließend als Aluminiumhydroxid wieder ausgefällt. Durch Erhitzen wird daraus Aluminiumoxid, ein weißes, pulverförmiges Material. 

Das Aluminiumoxid bildet anschließend den Ausgangsstoff für die eigentliche Gewinnung des Metalls.

3. Herstellung von Primäraluminium

Im nächsten Schritt kommt die Schmelzflusselektrolyse nach Hall-Héroult zum Einsatz. Dabei wird Aluminiumoxid in einem Elektrolyten gelöst und mithilfe eines starken elektrischen Stroms in Aluminium und Sauerstoffbestandteile aufgetrennt. Das flüssige Aluminium sammelt sich am Boden der Elektrolysezelle und wird anschließend abgestochen.  US Geological Survey+1

Die Primäraluminiumproduktion ist sehr energieintensiv. Deshalb spielen die verwendete Energiequelle, die Effizienz der Elektrolyse und die zunehmende Nutzung von recyceltem Aluminium eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Umweltbilanz.

4. Von Primäraluminium zum Halbzeug

Nach der Elektrolyse wird das flüssige Aluminium in Gießereien weiterverarbeitet. Je nach späterer Anwendung wird es beispielsweise zu Walzbarren, Pressbolzen oder Gusslegierungen verarbeitet. Daraus entstehen anschließend durch Walzen, Strangpressen oder Gießen verschiedene Halbzeuge wie Bleche, Platten, Profile und Bauteile.  European Aluminium

Für die industrielle Fertigung ist dabei nicht nur die Reinheit des Aluminiums entscheidend. Durch gezielte Zugabe weiterer Elemente lassen sich die Eigenschaften des Werkstoffs verändern.

Welche Arten von Aluminium gibt es?

Reines Aluminium wird nur für bestimmte Anwendungen eingesetzt. In der technischen Fertigung kommen überwiegend Aluminiumlegierungen zum Einsatz. Durch Zusätze wie Magnesium, Silizium, Kupfer, Mangan oder Zink lassen sich Festigkeit, Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Zerspanbarkeit gezielt beeinflussen.

Grundsätzlich wird zwischen Knetlegierungen und Gusslegierungen unterschieden. Knetlegierungen werden beispielsweise durch Walzen, Strangpressen oder Schmieden zu Halbzeugen verarbeitet. Gusslegierungen sind dagegen für die Herstellung von gegossenen Bauteilen optimiert.

Häufig verwendete Aluminiumlegierungen

• EN AW-1050A: Nahezu reines Aluminium mit guter Umformbarkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit. Es eignet sich beispielsweise für einfache technische Anwendungen und Bauteile mit vergleichsweise geringer mechanischer Belastung.
• EN AW-5754: Eine Aluminium-Magnesium-Legierung mit guter Korrosionsbeständigkeit und guter Schweißbarkeit. Sie wird unter anderem im Fahrzeug- und Behälterbau eingesetzt.
• EN AW-5083: Ebenfalls eine Aluminium-Magnesium-Legierung. Sie bietet eine hohe Korrosionsbeständigkeit und wird unter anderem im Schiffbau, Fahrzeugbau und Anlagenbau verwendet.
• EN AW-6060: Eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, die sich besonders gut für Strangpressprofile eignet und häufig im Maschinenbau, in der Architektur und bei Sichtteilen eingesetzt wird.
• EN AW-6082: Eine höherfeste Aluminiumlegierung für Konstruktionen und mechanisch stärker beanspruchte Bauteile. Sie lässt sich zudem gut spanend bearbeiten.
• EN AW-7075: Eine hochfeste Aluminium-Zink-Magnesium-Kupfer-Legierung. Sie kommt zum Einsatz, wenn eine besonders hohe Festigkeit bei geringem Gewicht gefragt ist. 

Die Wahl der passenden Aluminiumlegierung hängt daher immer von der konkreten Anwendung ab. Für eine Frontplatte können beispielsweise andere Eigenschaften entscheidend sein als für ein hochbelastetes Maschinenteil.

Wie wird Acrylglas hergestellt?

Der technische Werkstoff heißt Polymethylmethacrylat (PMMA) und wird häufig auch als Acrylglas bezeichnet. PMMA entsteht durch die Polymerisation des Ausgangsstoffs Methylmethacrylat (MMA).

Bei der Herstellung werden grundsätzlich zwei Verfahren unterschieden: Gießen und Extrudieren. Beide Verfahren führen zu Platten mit ähnlichen grundlegenden Eigenschaften, können  sich jedoch in bestimmten Produkteigenschaften unterscheiden. 

1. Gussverfahren

Beim Gussverfahren wird flüssiges MMA in eine formgebende Kammer eingebracht. Diese besteht typischerweise aus zwei Glasscheiben, die durch einen Abstandhalter voneinander getrennt sind. Die Höhe des Abstandhalters bestimmt dabei maßgeblich die spätere Plattendicke.

In der Kammer findet die Polymerisation statt. Das flüssige MMA wird dabei zu festem PMMA. Nach Abschluss der Reaktion werden die Glasscheiben entfernt. Die fertigen Platten können anschließend mit Schutzfolie versehen, zugeschnitten und weiterverarbeitet werden.  Plexiglas

2. Extrusion

Beim Extrusionsverfahren wird bereits polymerisiertes PMMA als Granulat oder Formmasse verarbeitet. Das Material wird in einem beheizten Zylinder aufgeschmolzen und mit einer Förderschnecke durch ein formgebendes Werkzeug gepresst.

Anschließend wird die Platte kalibriert. Mehrere temperierte Walzen bestimmen dabei unter anderem die Oberfläche und die endgültige Dicke. Neben Massivplatten können auf diese Weise auch Stegplatten, Wellplatten, Stäbe und Rohre hergestellt werden. 

Aluminium und Acrylglas in der technischen Fertigung

Aluminium und Acrylglas unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Herstellung und Materialeigenschaften deutlich, ergänzen sich aber in vielen technischen Anwendungen.

Aluminium eignet sich beispielsweises sind deshalb nicht nur Optik und Preis entscheidend. Auch mechanische Belastung, Transparenz, Oberflächenanforderungen, Temperaturbeständigkeit, Bearbeitungsverfahren und für Frontplatten, Gehäuse, Abdeckungen, Maschinenbauteile und Konstruktionen. Das Material kann gesägt, gebohrt, gefräst, gebogen, eloxiert und bedruckt werden.

Acrylglas kommt dagegen häufig für transparente Abdeckungen, Sichtfenster, Displays, Leuchtelemente und Designelemente zum Einsatz. Je nach Ausführung sind transparente, farbige, matte oder strukturierte Oberflächen möglich.

Für die Auswahl des geeigneten Werkstoffs sind deshalb nicht nur Optik und Preis entscheidend. Auch mechanische Belastung, Transparenz, Oberflächenanforderungen, Temperaturbeständigkeit, Bearbeitungsverfahren und Einsatzumgebung müssen berücksichtigt werden.

Recycling von Aluminium

Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen Primär- und Sekundäraluminium ist der Energiebedarf. Aluminium kann nach der Nutzung eingeschmolzen und erneut zu Halbzeugen verarbeitet werden. Dabei bleibt das Metall grundsätzlich erhalten und kann wiederholt recycelt werden.

Nach Angaben des International Aluminium Institute benötigt die Herstellung von recyceltem Aluminium aus Schrott global betrachtet rund 95 % weniger Primärenergie als die Herstellung von Primäraluminium. Damit ist Recycling ein wesentlicher Bestandteil einer ressourcenschonenden Aluminiumproduktion.