Innovationen im Herstellungsprozess: Ein „Bessemer-Moment“ für Titan?

IperionX-Pilot-Titananlage in Salt Lake City, Utah, gebaut mit Mitteln der USA ... [+] ARPA-E-Programm des Energieministeriums.

Ich habe immer ein Auge auf wichtige Innovationen im Herstellungsprozess, da diese für etablierte Unternehmen äußerst störend sein können. Sie verändern oft die Wirtschaftlichkeit, indem sie kleinere oder kostengünstigere Produktionsmethoden zulassen, vielleicht indem sie weniger Energie verbrauchen oder weniger unerwünschte Nebenprodukte produzieren. Der andere Grund, warum Prozessinnovationen besonders spannend sein können, liegt darin, dass etablierte Hersteller die neuen Prozesse normalerweise nur langsam einführen, oft weil sie über vorhandene Produktionsanlagen verfügen, die möglicherweise noch nicht vollständig abgeschrieben sind. Oder sie könnten vollständig abgeschrieben werden und die Grenzkosten ihrer Nutzung wären daher sehr niedrig. Dadurch bleibt das Feld für Emporkömmlinge offen, die ihnen Schmerz und Leid bereiten können, da die Neuankömmlinge keine vorhandenen Vermögenswerte schützen können, die ihr Urteilsvermögen trüben könnten. Wird das bei der Produktion des strategischen Metalls Titan passieren?

Ich hatte kürzlich die Gelegenheit, mit Anastasios „Taso“ Arima zu sprechen, dem Gründer und CEO des Titan-Start-ups IperionX, der einen neuen Produktionsprozess weiterentwickelt. Arima begann unsere Diskussion mit einem Beispiel für die Bedeutung von Prozessinnovationen. Er erklärte, dass es Stahl schon seit 3.000 Jahren gibt, aber bis 1856 war er ein Nischenprodukt, weil seine Herstellung sehr teuer war. Normalerweise waren es Militärs auf der ganzen Welt, die es sich leisten konnten, es zur Herstellung von Schwertern und Rüstungen zu verwenden, obwohl die Menschen es auch für Schneidwerkzeuge wie Messer, Äxte und Sägen verwendeten. Im 18. und frühen 19. Jahrhundert machte die Erfindung der Puddelöfen England zur Stahlhauptstadt der Welt, wenn auch auf sehr arbeits- und energieintensive Weise. Im Jahr 1854 stellte Henry Bessemer, der bei Ausbruch des Krimkrieges für militärische Zwecke arbeitete, fest, dass das Einblasen von Luft in geschmolzenes Eisen dieses schnell in Stahl umwandelte. Es war jedoch ein heftiger Prozess, und Bessemer löste das Problem, indem er ihn in einem zylindrischen Stahltopf laufen ließ, den er Konverter nannte. Dies führte zu einer siebenfachen Produktivitätssteigerung und einer drastischen Senkung der Stahlkosten. Der eigentliche Aufschwung erfolgte jedoch in Amerika, als der Eisenbahnbau nach dem Ende des Bürgerkriegs zu einer boomenden Nachfrage nach Stahl führte. Zwischen 1864 und 1876 wurden in den USA 13 Bessemer-Prozessfabriken gebaut, als die amerikanische Stahlproduktion um das 87-fache expandierte. Und als der Preis für Stahl sank, wurde dieses wunderbare Material immer häufiger eingesetzt.

Der Bessemer Steel-Prozess – Entleeren eines Konverters. Illustration aus dem Bettmann-Archiv.

Ich hatte Taso angerufen, um über ihre Prozessinnovation zur Herstellung von Titan zu sprechen. Es handelt sich um eine neue Methode, die Wasserstoff anstelle von Kohlenstoff verwendet: die wasserstoffunterstützte metallothermische Reduktion (HAMR). HAMR verspricht sowohl umweltfreundlich als auch wesentlich kostengünstiger zu sein, was Arima als den „Bessemer-Moment“ von Titan bezeichnet. Das Verfahren wurde vom Metallurgen und Professor für Metallurgietechnik an der University of Utah, Dr. Z. Zak Fang, unter der Schirmherrschaft des ARPA-E-Programms des US-Energieministeriums, ihrer Version von DARPA, entwickelt. „Unsere Pilotanlage produziert sechs Tonnen pro Jahr“, erklärte Arima über seine Prototypenanlage in Utah. „Aber dieser Ofen ist alt und hat keine aktive Kühlung. Für die neuen wollen wir nicht nur die Kapazität verdreifachen, sondern auch die Zykluszeit von drei Tagen auf einen Tag verkürzen.“ Der neue Ofen wird 125 Tonnen pro Jahr produzieren, und die Skalierungsstrategie besteht lediglich darin, parallel weitere Öfen hinzuzufügen. Diese einfache Skalierbarkeit ist wichtig, da das Unternehmen die Kapazität je nach Bedarf erweitern kann, anstatt in den Bau einer riesigen Fabrik zu investieren und dann Kunden für den Betrieb finden zu müssen.

Wie ich kürzlich schrieb, nachdem Russland (von wo wir viel Titan bezogen) in die Ukraine einmarschiert war, ist Titan ein ziemlich einzigartiges Metall. Es und seine Legierungen sind leicht, sehr korrosionsbeständig, temperaturbeständig und weisen ein sehr gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf. Dies macht es in der Luft- und Raumfahrtindustrie sehr beliebt, aber im Allgemeinen ist es viel zu teuer, um es in Verbraucherprodukten zu verwenden. Der Grund dafür, dass die konventionelle Produktion teuer ist, liegt darin, dass das Kroll-Verfahren verwendet wird, um Titanerze zunächst mithilfe von Koks (aus Hüttenkohle) und Chlor in Titantetrachlorid (TiCl4) umzuwandeln. Das TiCl4 muss dann zur Reinigung vakuumdestilliert werden, und der Dampf wird in ein Reaktionsgefäß eingespeist, das geschmolzenes Magnesium enthält, überdeckt mit inertem Argongas und etwa zwei Tage lang auf 800–1000 °C erhitzt. Dabei entsteht ein Titanschwamm, der zerkleinert werden muss, um die Magnesiumsalze zu entfernen. Im Gegensatz dazu verbraucht der HAMR-Prozess die Hälfte der Energie und reduziert die Emissionen um mehr als 30 % (und möglicherweise sogar auf Null, wenn erneuerbare Energien genutzt werden), um die Öfen anzutreiben. Es reduziert die Kosten für die Herstellung von Titan erheblich. Der Großteil der Einsparungen ergibt sich aus dem Wegfall sowohl des Chlorierungsschritts als auch der Vakuumdestillation.

Als Rohstoff kann das Unternehmen auch Titanschrott verwenden. Die Luft- und Raumfahrtindustrie stellt Titanlegierungsteile aus geschmiedeten Barren her, wobei ein großer Teil der Materialien durch maschinelle Bearbeitung abgetragen wird und zu Schrott wird. Einer Schätzung zufolge waren von den 90 bis 120 Tonnen Titanlegierungsteilen, die bei der Produktion einer Boeing 787 verwendet wurden, 85 % davon „Späne“ – die Metallspäne, die von Schneidwerkzeugen entfernt wurden. Die Späne werden gesammelt und gereinigt und können anschließend wieder eingeschmolzen werden. Da die Sauerstoffkonzentration jedoch zwangsläufig zu hoch ist, ist es schwierig, hochwertiges Titan aus Schrott herzustellen. Das HAMR-Verfahren ändert dies, da es den Sauerstoffgehalt im Schrott während der Verarbeitung reduzieren kann.

Das sphärische Titanpulver von IperionX kann in der additiven Laserschmelzfertigung verwendet werden.

Das kugelförmige Titanpulver, das im HAMR-Verfahren hergestellte Material, kann direkt in der additiven Fertigung verwendet werden. Laut Arima wird es normalerweise für 150 bis 250 US-Dollar pro Kilogramm verkauft. Er glaubt, dass sie die Herstellungskosten um über 75 % senken können. Interessanterweise zielt das Unternehmen nicht auf Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ab. „Es dauert zu lange, sich für Flugbewerbungen zu qualifizieren“, sagte er mir. Sie blicken stattdessen auf Leichtbauanwendungen im Automobilsektor und bei Konsumgütern. Ich mag diese Strategie sehr, weil sie bedeutet, dass sie ihre Prozesse für weniger anspruchsvolle Kunden „üben“ und verfeinern können, die für sie „ihre Studiengebühren bezahlen“, während sie lernen. Wenn sie dann besser werden, können sie sich vielleicht der Luft- und Raumfahrt widmen. Ich habe immer noch mein mit Titan ummanteltes Mac PowerBook G4 aus dem Jahr 2005, aber Apple AAPL ist auf Aluminium umgestiegen, wahrscheinlich weil Titan damals viel zu teuer war. Vielleicht ändert IperionX das alles und macht es wieder praxistauglich. Ich sagte Taso, dass ich unbedingt Seitenverkleidungen aus Titan für mein Auto wollte. Auf diese Weise würde ich mich beim Fahren im Bostoner Verkehr belastbarer fühlen.