Enerji Bakanlığı’na (DOE) bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL), otomotiv kaporta hurdasını yüksek değerli yapısal parçalara dönüştüren RidgeAlloy adlı yenilikçi bir alüminyum alaşımı geliştirdi. Önümüzdeki on yılda hurda kurtarma sistemlerine girmesi beklenen büyük alüminyum kaporta dalgası, bugüne dek saflık sorunları nedeniyle çoğunlukla düşük değerli uygulamalara kayıyordu.
ORNL’nin çözümü, tüketici sonrası hurdayı yeniden eriterek mukavemet, süneklik ve darbeye dayanıklılık standartlarını karşılayan malzemeye dönüştürüyor; böylece kritik otomotiv parçalarında güvenle kullanım mümkün hale geliyor. Alüminyumun DOE’nin kritik malzemeler listesinde bulunması, enerjinin üretilmesi, iletilmesi, depolanması ve korunmasındaki rolünü teyit ediyor.
HURDA DALGASI GELİYOR
Alüminyum yoğun araçlar 2015 civarında ABD pazarına girdi; Ford F-150 serisi seri üretimde öncüler arasındaydı. 2030’ların başında bu araçların kullanım ömrü biterken, Kuzey Amerika’da yıllık 350.000 tona varan yüksek kaliteli alüminyum gövde sacı hurdası oluşması bekleniyor. Bu hacmin büyük kısmının düşük kaliteli dökümlere dönüşmesi ya da ihraç edilmesi, yerli değer yaratımı açısından kaçırılmış fırsat anlamına geliyordu. ORNL’nin hedef odaklı tasarım yaklaşımıyla hızlandırdığı inovasyon, bu tabloyu tersine çevirmeyi amaçlıyor.
TASARIMDAN PARÇAYA 15 AY
ORNL Hafif Metaller Temel Programı direktörü Allen Haynes, ekibin yalnızca 15 ayda kâğıt üzerindeki konseptten başarılı, tam ölçekli parça gösterimine geçtiğini belirterek, bunun karmaşık yapısal alaşımlarda eşi görülmemiş hız olduğunu vurguluyor.
Sorunun kökünde, parçalama süreçlerinin perçinler gibi bağlantı elemanlarından demir başta olmak üzere yabancı maddeleri hurdaya taşıması yatıyor. Bu da hurdanın kimyasını öngörülemez ve düşük performanslı kılıyor. Sonuç olarak hafif parçalar için birincil alüminyum (çoğu ithal ve enerji yoğun bir işlemle cevherden üretiliyor) tercih ediliyordu. Oysa ABD, araç parçalama ve hurda geri kazanımında dünyanın en güçlü altyapılarından birine sahip.
ENERJİ ETKİSİ AÇIK
ORNL Alaşım Davranış ve Tasarım Grubu lideri Amit Shyam, yeniden eritilmiş hurdanın birincil alüminyum yerine kullanılması halinde parça başına enerji gereksiniminin %95’e kadar azalabileceğini ifade ediyor. Bu kazanımın altını doldurmak için ekip; iki milyondan fazla hesaplama içeren yüksek verimli hesaplama, malzeme karakterizasyonu ve DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi Spallation Neutron Source’ta nötron kırınımı gibi dünya standartlarında araçlar kullandı. Nötronların, yoğun metallere hasar vermeden derinlemesine nüfuz ederek iç yapıları ve atom ölçeğindeki değişimleri görselleştirmesi, belirli safsızlıkların alaşım davranışını nasıl etkilediğini anlaşılır kıldı.
HIZLI HESAP, HIZLI DENEME
İstenen alaşım karışımı, hızlı hesaplamalı tahminler ve laboratuvar denemeleri ile belirlendikten sonra gerçek dünya koşullarında test edildi. PSW Group’un Trialco Aluminum şirketi (Chicago), karışık otomobil gövde sacı hurdasından dökülmüş ve RidgeAlloy teknik özelliklerine göre uyarlanmış geri dönüştürülmüş alüminyum külçeleri tedarik etti.
Külçeler Michigan’daki Falcon Lakeside Manufacturing’e gönderildi ve burada yüksek basınçlı kalıp döküm yöntemiyle başarıyla otomotiv parçalarına dönüştürüldü. ORNL Hesaplamalı Eşlenik Fizik grup lideri Alex Plotkowski, ilk seçimin orta boy, orta karmaşıklıkta bir parça olduğunu; hedefin daha büyük parçalar ve hatta otomotiv giga dökümleri olduğunu aktarıyor.
YAPISAL STANDARTLAR TAM
Döküm parçalar, alüminyum–magnezyum–silisyum–demir–manganez temelli RidgeAlloy’un, demir ve silisyum içeriği yüksek geri dönüştürülmüş karışımlardan üretildiğinde dahi yapısal araç dökümleri için gerekli mukavemet, korozyon direnci ve süneklik kombinasyonunu sağladığını doğruladı.
Böylece alt gövde, şasi bileşenleri ve diğer kritik parçalar için tüketici sonrası hurdanın yapısal döküme dönüşmesinin önü açıldı. Bu gelişme, Kuzey Amerika kaporta sacı hurdasının ayrıştırılıp yeniden kullanımı konusundaki değer denklemini yeniden yazma potansiyeli taşıyor.
YERLİ TAZE KAYNAK
RidgeAlloy’un etkisi, 2030’ların başında ABD’de yıllık birincil alüminyum üretiminin en az yarısına denk bir hacimde geri dönüştürülmüş yapısal dökümü mümkün kılma hedefiyle ölçülüyor. Bu; enerji kullanımını azaltma, maliyetleri düşürme ve yerel tedarik zincirini güçlendirme anlamına geliyor.
Haynes, “RidgeAlloy’un, hızla yaklaşan ve tarihsel olarak büyük bir yerli, yüksek kaliteli geri dönüştürülmüş otomotiv alüminyum sac alaşımları dalgasının değerini yeniden yakalayabilen ilk teknoloji olduğunu” vurguluyor; hedeflenen genel tedarik zinciri etkisinin altını çiziyor.
OTOMOTİVİN ÖTESİNDE
ORNL ekibi, çözümün endüstriyel makineler, tarım ekipmanları, havacılık ve uzay, mobil güç üretim ekipmanları, arazi araçları (kar motosikleti, motosiklet) ve deniz araçları (jet ski) gibi alanlarda gelecek uygulama potansiyeli taşıdığını belirtiyor. ABD’nin birincil alüminyumu büyük ölçüde ithal ettiği gerçeği ile uluslararası rekabet düşünüldüğünde, hurdanın yerinde değerlendirilmesi stratejik önem kazanıyor.
BÜTÜNCÜL BİLİM, HIZLI TİCARİLEŞME
Proje ekibinde Alex Plotkowski, Amit Shyam, Allen Haynes, Sunyong Kwon, Ying Yang, Sumit Bahl, Nick Richter, Severine Cambier ve Alice Perrin yer aldı. ORNL’nin hedef odaklı tasarım yaklaşımı, yüksek verimli hesaplama, nötron bilimleri ve endüstri ortaklarıyla yapılan tam ölçekli döküm denemeleri ile birleşince, hurda tabanlı yerli tedarik zinciri için hızlı bir teknoloji yol haritası ortaya çıkmış oldu.
