汽车行业，特别是电动汽车行业正在开拓一种创新工艺，收集废铝并将其转化为新的汽车零部件。美国能源部的西北太平洋国家实验室与顶级移动技术公司麦格纳合作，刚刚揭示了一种新的制造方法，通过消除提取和加工相同数量的原铝矿石的需要，可减少50%以上的内含能源，并减少90%以上的二氧化碳排放。此外，使用轻质铝还可以提高电动汽车的行驶里程。
梯形铝内部的微观结构显示出高度精细和均匀的晶粒大小，这是实现强大和可靠产品的关键。资料来源：图片由Nicole Overman提供;由Cortland Johnson改进|太平洋西北国家实验室
这种获得专利和奖项的剪切辅助加工和挤压(ShAPE)工艺收集了汽车制造中的废旧碎片和剩余的铝边角料，并将其直接转化为适合新汽车部件的材料。它现在正被扩大规模，用于制造电动车的轻质铝部件。
在一份新的报告和《制造业通讯》的研究文章中详细描述了最近的进展，在将其用于新零件之前，不需要将新开采的铝添加到材料中。通过降低铝的回收成本，制造商可能能够降低铝部件的整体成本，更好地使其取代钢铁。
汽车制造商的废铝通过PNNL专利的ShAPE制造工艺转变为新的汽车部件。热量和摩擦使铝软化，并将其从粗糙的金属转化为光滑、坚固的统一产品，而无需熔化步骤。
"研究表明，用ShAPE工艺形成的铝零件符合汽车工业的强度和能量吸收标准，"PNNL材料科学家和首席研究员Scott Whalen说。"关键是ShAPE工艺打破了废料中的金属杂质，而不需要一个能源密集型的热处理步骤。仅此一点就能节省大量时间，并引入新的效率"。
新的报告和研究出版物标志着与北美最大的汽车零部件制造商麦格纳公司为期四年的合作达到了巅峰，麦格纳从能源部的车辆技术办公室、轻质材料联盟(LightMAT)计划获得了合作研究的资金。
麦格纳材料科学经理Massimo DiCiano说："可持续发展是我们在麦格纳所做的一切的首要任务。从我们的制造工艺到我们使用的材料，ShAPE工艺是一个很好的证明，说明我们正在寻求发展，并为我们的客户创造新的可持续解决方案。"
除了钢铁，铝是汽车工业中使用最多的材料。铝的优势特性使其成为有吸引力的汽车部件。铝更轻、更强，是制造轻量级汽车以提高效率的战略中的一种关键材料，无论是延长电动车的续航能力还是减少电池容量大小。虽然目前汽车行业确实回收了大部分的铝，但在重新使用之前，它通常会将新开采的原铝加入其中，以稀释杂质。
金属制造商还依赖一种有百年历史的预热工艺，将铝砖，或业内所称的"铝坯"，在超过1,000华氏度(550摄氏度)的温度下加热数小时。预热步骤可以溶解原始金属中的硅、镁或铁等杂质团，并通过一个被称为均质化的过程将它们均匀地分布在钢坯中。
ShAPE用AA6063工业废料制成的挤压件，生产出(a)圆形，(b)方形，(c)梯形，和(d)双室梯形的型材。资料来源：Scott Whalen | 太平洋西北国家实验室
相比之下，ShAPE工艺在不到一秒钟的时间内完成了同样的均质化步骤，然后在几分钟内将固体铝转化为成品，不需要预热步骤。
"与我们在麦格纳的合作伙伴一起，我们已经达到了ShAPE工艺发展中的一个关键里程碑，"Whalen说。"我们通过创造方形、梯形和多单元零件，显示了它的多功能性，这些零件都符合强度和延展性的质量基准。"
在这些实验中，研究小组使用了一种被称为6063的铝合金，或建筑铝。这种合金被用于各种汽车部件，如发动机支架、保险杠组件、车架导轨和外部装饰。PNNL研究小组使用扫描电子显微镜和电子反向散射衍射法检查了挤压的形状，这种方法可以创建成品中每个金属颗粒的位置和微观结构的图像。结果显示，ShAPE产品具有均匀的强度，并且缺乏可能导致部件故障的制造缺陷。特别是这些产品没有大团的金属杂质的迹象，这些杂质会导致材料变质，并阻碍了使用二次回收铝制造新产品的努力。
该研究小组现在正在研究通常用于电动汽车电池外壳的更高强度的铝合金。
