Siegfried Arneitz

3D-Druck ersetzt Seltene Erden

Forschung & Innovation

Es gibt fast nichts, das heute nicht digital und smart ist. Smartphone und Co. kommen aber – zumindest momentan – nicht ohne Seltene Erden aus, die in deren Magneten verbaut sind. In naher Zukunft soll das anders werden: Ein 3D-Drucker an der TU Graz zeigt schon heute, wie Magnete ganz ohne Umwelt-Raubbau produziert werden können. Auch beim Recycling von Seltenen Erden aus Elektroschrott tut sich einiges …

Man findet sie in Elektromotoren ebenso wie in Windkraftanlagen oder Smartphones. Dauermagneten werden durch die Digitalisierung zum immer wichtigeren Bauteil. Um diese herzustellen, benötigt man Seltene Erden. Bis zu 97 Prozent davon werden in China gefördert, immer wieder gerät der Abbau im Zusammenhang mit Menschenrechtsverstößen und Umweltzerstörung in Kritik. Umso mehr an Bedeutung gewinnen alternative Produktionsverfahren. Ein vielversprechendes Verfahre haben Forschende der TU Graz gemeinsam mit Joanneum Research, Universität Wien und Universität Erlangen-Nürnberg entwickelt: Sie stellen diese Magnete mittels laserbasiertem 3D-Druck her.

Und zwar direkt an der TU Graz, erläutert Siegfried Arneitz vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik: „Wir drucken einerseits eisen- und kobaltbasierte Magnete, sogenannte Fe-Co-Magnete. Das sind vielversprechende Alternativen zu den auf Seltenen Erden basierenden Neodym-Eisen-Bor-Magneten, kurz NdFeB-Magneten. Aber auch diese NdFeB-Magneten können wir im 3D-Drucker herstellen. Ein Teil des Basis-Materials wird dabei über Recycling aus Seltenerdmetallen gewonnen“, verrät Arneitz.

Siegfried Arneitz

Siegfried Arneitz und sein Team entwickeln ein 3D-Druck-Verfahren für Seltene Erden (Credit: IMAT/TU Graz)

Nähere Details zum Recyclingprozess, der gemeinsam mit einem Partnerinstitut in Frankreich entwickelt wurde, unterliegen derzeit noch der Geheimhaltung. Benötigt werden NdFeB-Magneten für Computer und Smartphones, aber auch für elektrische Bremsen, Magnetschalter und Elektromotorsysteme. Arneitz erläutert das 3D-Druckverfahren: „Wir tragen schichtweise Metallpulver auf, durch Schmelzen werden die Partikel miteinander verbunden. Das Ergebnis ist ein Bauteil, der zur Gänze aus Metall besteht.“

3D-Druck ermöglicht präzisere Strukturen

Der 3D-Druck von Fe-Co-basierten Magneten ist nicht nur deutlich nachhaltiger als die Verwendung von seltenerdhaltigen Magneten, sondern hat noch weitere Vorteile. „Seltenerdmetalle verlieren bei steigender Temperatur ihre magnetischen Eigenschaften. Fe-Co-Magnete behalten diese allerdings selbst bei 200 bis 400 Grad. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass sich die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien sogar noch um das Doppelte bis Dreifache steigern lassen. Das macht es möglich, dass man sehr präzise kleine Strukturen fertigen kann – auch das ist ein Vorteil gegenüber den seltenerdhaltigen Magneten, die nicht so gut formbar sind. Elektrogeräte werden immer kleiner und benötigen daher kleinere Bauteile, erläutert Arneitz. Noch befindet man sich mit dem 3D-Druck im Forschungsstadium. „Gerade in Bereichen, in denen komplexe Formen wichtig sind, hat der 3D-Druck aber großes Potenzial. Wir bekommen immer mehr Anfragen aus dem Computerbereich, weil sich moderne Kleinst-Bauteile mit herkömmlichen Methoden oft gar nicht mehr realisieren lassen.“

Zitat Arneitz

Recycling von Seltenen Erden

Auch das Recycling von Seltenerdmetallen gewinnt zunehmend an Bedeutung, neben der Montanuniversität Leoben und der TU Graz forscht unter anderem auch die Fachhochschule Krems daran. Im mit über einer Million Euro dotierten EFRE-Projekt mit dem Titel „REEagain“ wollen Forschende Seltene Erden mit Hilfe von Bakterien und Algen aus Elektronikschrott recyceln. „Auch wenn das Recycling von Seltenerdenmetallen noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es vielversprechende Ansätze. Da wird sich in den nächsten Jahren noch einiges tun. Genauso wie beim 3D-Druck – es zeichnet sich ab, dass wir in den nächsten Jahren erste größere Projekte für die Industrie umsetzen können“, blickt Arneitz optimistisch in die Zukunft.

Elektroschrott-Recycling
Je mehr Elektrogeräte sich im Einsatz befinden, desto mehr Elektroschrott fällt auch an. Hard Facts zum Elektroschrott-Recycling in Österreich

Recycling von Seltenen Erden:
Die Entwicklung einer anwendbaren Recycling- Technologie zur Wiedergewinnung von Seltenen Erden aus Elektronikabfällen und Abwässer steht im Fokus des Projekts REEgain. Dieses läuft noch bis 30. Jänner 2022.

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Nähere Infos: at-cz.eu/reegain

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