Im geplanten Vorhaben soll ein innovativer, mehrstufiger Prozess zur Raffination von Aluminium aus sekundären Rohstoffen – insbesondere post-industriellen Schrotten – entwickelt und validiert werden. Ziel ist es, Verunreinigungen durch eine Kombination aus Boridbildung/Filtration, Vakuumdestillation, additive-gestützter Sedimentation sowie fraktionierter Kristallisation gezielt zu entfernen. Dadurch kann Aluminium mit einer Endreinheit von bis zu 4N gewonnen werden. Das so erzeugte hochreine Aluminium dient als Ausgangsmaterial für die Weiterraffination durch Multizonenreinigungsverfahren und anschließend die Herstellung von Einkristallen, die in High-Tech-Anwendungen benötigt werden. Gleichzeitig entstehen Zwischenprodukte mit Qualitäten, die Primäraluminium entsprechen und direkt als Einsatzmaterial für Knetlegierungen eingesetzt werden können. Damit wird durch die erstmalige Verknüpfung und Anpassung teilweise bestehender Verfahren zu einer durchgängigen Prozesskette ein industriell relevanter Upcycling-Ansatz geschaffen, der die Abhängigkeit von primärem Aluminium reduziert und einen wesentlichen Beitrag zur Aluminiumkreislaufwirtschaft und Emissionsminderung leistet.

IME Projektleitung Semiramis Friedrich

The project aims to research an alternative method for the synthesis of ultrapure metals. The core element is fractional crystallization, implemented with an internally cooled rotating crystallizer (in short “Cooled-Finger”), on which the ultrapure metal grows from an impure melt. This method has the potential to replace the current zone melting process. However, the understanding for an effective application of this process, especially the process controlling parameters as well as a description of the mechanisms effective in the process, is currently not available. As a result, the process window for efficient cleaning and the associated parameters for controlling the solidification front dynamics will be developed. The collaboration of three working groups (IME, IOB, and ACCESS) with different research focuses will provide a quantitative understanding of the potential of this hitherto unexplored crystallization process. The physically based simulation models, developed by IOB and ACCESS, will allow a simplified transfer to other alloying systems.

Im Rahmen dieses Projektes sollen die Grundlagen für ein energie- und ressourcenschonendes Recycling von Tellur-haltigen thermoelektrischen Materialien gelegt werden. In dem am IME/RWTH geleiteten und durchgeführten Teilprojekt werden die von den Konsortium-Partnern hergestellten Tellurverbindungen durch eine kohlenstofffreie und umweltfreundliche Reduktionsmethodik bis zu einem nahezu reinen metallischen Tellur reduziert. Dieses wird dann durch auf fraktionierter Kristallisation basierende Techniken zu einem hoch- und ultrahochreinen Tellur weiter veredelt.

Der Cooled-Finger, eine fraktionierte Kristallisation-basierte Methode als Alternative zur Vakuumdestillation, wird zur Reinigung von Magnesium eingesetzt. Dieselbe Technik wird für die Herstellung eines biologisch abbaubaren Materials unter Verwendung von Zink und Calcium als Legierungselemente untersucht. In diesem Projekt werden die Herausforderungen bei der Herstellung von ultrahochreinem Magnesium sowie der Herstellung einer Mg-Ca-Zn-Legierung durch fraktionierte Kristallisation erforscht. In Zusammenarbeit KKS werden die Entwicklungen hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, chemischen Zusammensetzung und ihres Korrosionsverhaltens bewertet.

Das Zonenschmelzen kann auf jede kristalline Substanz angewendet werden, die sicher geschmolzen werden kann und die einen Unterschied in der Verunreinigungskonzentration zwischen flüssiger und fester Phase aufweist. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Reinigung von intermetallischen Verbindungen durch Zonenschmelzen zu untersuchen und zu validieren. Die Forschung untersucht die technologische Machbarkeit, den Mechanismus der Verunreinigungsmigration, die Kristallmorphologie und das Wachstumsverhalten, um eine theoretische Grundlage und technische Anleitung für die breite Anwendung intermetallischer Verbindungen und die Gewinnung sekundärer Ressourcen für intermetallische Verbindungen bereitzustellen. Diese Studie konzentriert sich auf die Optimierung experimenteller Parameter, den Änderungsmechanismus von Verunreinigungen in intermetallischen Phasen und die Korrelation des Kristallverhaltens mit der Reinigung intermetallischer Verbindungen. Die Anwendung dieses Verfahrens auf andere intermetallische Verbindungssysteme ist ebenfalls vorgesehen.

Multikristalline Silizium(Si)-Blöcke sind das Ausgangsmaterial für energieeffiziente Solarzellen. Sie werden heute in Öfen mit Kohlenstofffaser-Isolierungen und Graphit-Heizelementen hergestellt, Schutzgas und Vakuum unterbinden dabei die Oxidation. Ziel des Projektes ist ein im Vergleich zu graphitischen Öfen kostengünstigeres System für die Herstellung fehlstellenfreier Si-Blöcke (Ingots), das auf Basis einer wissenschaftlich untermauerten Prozessführung mit Molybdän-Disilizid-(MoSi2)-Heizelementen und Isolierungen aus polykristalliner Aluminiumoxid-Wolle als Komponenten arbeitet. Die M.E. Schupp GmbH & Co. KG will MoSi2-Heizelemente und eine Isolierung entwickeln, die erstmals die Herstellung hochreiner Schmelzen bis 1800 °C ermöglicht. Die Thermo-Star GmbH will damit einen Hochtemperaturofen mit besonders feinfühlig regelbarem Temperaturgradienten über der Schmelztiegelhöhe als Voraussetzung für die gerichtete Erstarrung der Kristalle bei Ingots entwickeln. Das IME der RWTH Aachen wird das Ofenkonzept verifizieren und damit den Schmelz- und gerichteten Erstarrungsprozess gezielt wissenschaftlich untersuchen. Reduzierte Herstellkosten für Photovoltaikzellen werden erwartet.

Das Projekt hat die Entwicklung und Validierung eines innovativen Verfahrens zur kostengünstigen und umweltschonenden Herstellung höchst reiner Metalle zum Ziel. Mittels fraktionierter Kristallisation, umgesetzt durch Kombination eines neuartigen rotierenden Kühlfingers, einer optimierten Multizonenreinigung und abschließender Kristallzucht soll eine robuste Produktionstechnologie für Elektronikmetalle bereitgestellt werden. Durch dieses Verbundprojekt wird die technologische Machbarkeit einer Schmelzreinigung, die Produktionstauglichkeit der Anlagentechnik wie auch die Wirtschaftlichkeit erforscht und damit die Basis für eine industrielle Umsetzung geschaffen. Forschungsschwerpunkte im Bereich des Kühlfingers liegen im Design, der Materialwahl und der effizienten Anordnung der Kernkomponenten sowie der Bestimmung des Prozessfensters exemplarisch für Germanium.

Ultra-reine Magnesium ist ein vielversprechendes Material für technische Anwendungen vor allem für fortgeschrittene biologisch abbaubare Implantate. Das Ziel dieses Projektes ist die Herstellung hochreinen Magnesiums. Dabei wird ein Raffinationsverfahren basiert auf das Prinzip fraktioneller Kristallisation und umgesetzt in einer innovativen Methodik in einer statischen Kristallisation-Anlage ausgenutzt. Dieses Verfahren wird im Vergleich gesetzt mit dem herkömmlichen Verdampfungsverfahren, aber durch eine innovative Multi-stufige Destillation/Kondensation. Design und Konstruktion diesen Vakuumdestillationsreaktors sowie die Realisierung der optimalen Prozessparameter in beiden Kristallisation und Destillation/Kondensationsverfahren bis zum Erreichen eines (6-7N)-Mg sind die Haupt-Schwerpunkte dieses Projektes.

Ziel dieses Projektes ist die Verbesserung der Effizienz der Verunreinigungentfernung sowie der Produktionausbeute bei der Herstellung ultrareinen (6-7N)-Al und -Sb, indem eine industrielle Zonenschmelzen-Anlage verwendet wird. Das Zonenschmelzen ist ein weitverbreiteter Raffinationsprozess, um hochreine Metalle herzustellen, die im Wesentlichen mit dem gleichen Mechanismus wie die fraktionelle Kristallisation arbeiten. Das Projekt konzentriert sich auf die Parameteroptimierung, einschließlich Zonenlänge, Zonendurchlaufgeschwindigkeit, Anzahl der Durchläufe sowie die Ausgangsreinheit. Dabei werden ebenfalls wissenschaftliche Faktoren wie Wechselwirkung zwischen Verunreinigungen und Kristallqualität für das Zonenschmelzen- Raffination beider Al und Sb untersucht.