NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021

MAGAZINE

NICKEL

DIE FACHZEITSCHRIF T FÜR NICKEL UND SEINE ANWENDUNGEN NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021

Nickel: ein soziales Produkt für das gesellschaftliche Zusammenleben Mit Minikondensatoren bleiben wir verbunden

Impfstoffproduktion trägt zu sozialen Kontakten bei

Nickel: kontaktfreudig und kommt mit allen gut aus

REMKO DE WAAL EPA-EFE

FALLSTUDIE 23 3-D-DRUCK-FUSSGÄNGERBRÜCKE IN AMSTERDAM

MX3D

In den Niederlanden wurde die weltweit erste im 3D-Druck-Verfahren hergestellte Edelstahlbrücke eröffnet. Die Designer nutzten die additive Fertigung, mit der praktisch jedes Design schnell mit wenig Ausschuss hergestellt werden kann, und die Optionen für die Herstellung vor Ort oder im Werk bietet. In diesem Fall wurde die 12 m lange Brücke nicht am späteren Standort hergestellt.

Edelstahl: Arcelor Mittal Architekten: Joris Laarman Lab Leitende Ingenieure: Arup Hersteller: MX3D, ein niederländisches Unternehmen, das sich auf die drahtbasierte additive Lichtbogenfertigung (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) per Roboter im großen Umfang spezialisiert hat Standort: Oudezijds Achterburgwal, einer der ältesten und berühmtesten Kanäle im Zentrum Amsterdams Länge: 12,2 m Breite: 6,3 m Höhe: 2,1 m Getestet unter einer Last von 17 Tonnen.

Es wurden 4500 kg Edelstahl des Typs 308LSi verbaut.

Druckdauer: 6 Monate

NICKEL, JHRG. JHRG. 36, 36, Nr. Nr. 3, 3, 2021 2021 22 || NICKEL,

Die Brücke wurde aus 4500 kg EdelstahlSchweißdraht vom Typ 308LSI (UNS S30888) hergestellt. Dabei kamen vier sechsachsige, mit Schweißbrennern ausgestattete Industrieroboter zum Einsatz, die das Bauwerk per 3D-Druck herstellten. Unter Rückgriff auf einen komplexen Schichtungsprozess erzeugen diese Maschinen die einzelnen Brückenabschnitte und schaffen einen attraktiven Rohstahl-Look. Durch Nickel wird Edelstahl der Serie 300 schweißfähig, fest und hart und kann dadurch in 3D-Druckkonstruktionen verwendet werden.

Die Designer nutzten zwei Methoden des 3D-Drucks: Direct Energy Deposition (DED) und Powder Bed Fusion (PBF).

Bei DED führt der Drucker Material (in der Regel in Pulver- oder Drahtform)

über eine stiftähnliche Düse zu. Eine starke Wärmequelle schmilzt das Metall dann bei Kontakt. PBF funktioniert ähnlich, ermöglicht aber eine höhere Auflösung, sodass die Designer und Architekten ihre Vorstellungen präziser umsetzen können.

Für das Zusammenschweißen der im 3D-Druck-Verfahren hergestellten Brücke durch große Roboter kam ein als digitales Laserschmelzen bekanntes Verfahren zum Einsatz. Die Brücke wurde mit Sensoren ausgestattet, um während des Einsatzes Daten zu erfassen, mit denen sich die Leistung der Brücke überwachen lässt.

Am 15. Juli 2021 wurde die Brücke offiziell von Königin Máxima enthüllt, unterstützt durch einen Roboter, der das Band durchtrennte – ist doch klar!

EDITORIAL NICKEL: EIN SOZIALES PRODUKT FÜR DAS GESELLSCHAFTLICHE ZUSAMMENLEBEN Nickel ist ein soziales Metall – eine vielleicht seltsame Aussage, aber wenn man es sich genau überlegt, ist sie die Grundlage dessen, was Nickel so nützlich macht.

In dieser Ausgabe von Nickel untersuchen wir den sozialen Charakter von Nickel, von seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften bis hin zur Art und Weise, wie das Material Anwendungen ermöglicht, mit denen Menschen Verbindungen untereinander herstellen und aufrechterhalten können.

Nickel lässt sich sehr gut mit den meisten anderen Metallen mischen. Auf diese Weise entsteht eine Vielzahl von hitze- und korrosionsbeständigen, festen, harten, leit- und schweißfähigen Legierungen mit verschiedenen nützlichen und oft sogar kritischen physikalischen Eigenschaften. Außerdem können Metalle mithilfe von Nickel in Oberflächenbearbeitungen von Metallen und Kunststoffen zusammenwirken. Alle diese „sozialen“ Eigenschaften tragen dazu bei, Probleme in fast allen Aspekten des Lebens zu lösen.

Und wie verhält es sich mit Nickelanwendungen, die unser eigenes Social Networking erleichtern? Wir werfen einen Blick auf die Rolle von Nickel in Miniatur-Kondensatoren, wie sie in unseren Smartphones verwendet werden – dem unverzichtbaren Tool für alle Social-Media-Nutzer.

Was geschieht mit den Elektronikkomponenten, die uns untereinander verbinden, am Ende ihrer Nutzungsdauer? Wir erörtern das zunehmend an Bedeutung gewinnende Problem von Nickel im Elektroschrott und erklären, wie es zur Wiederverwendung aus seinen diversen Anwendungen wiedergewonnen wird. Wiedergewonnenes Nickel wird oft in Legierungen wie Edelstahl wiederverwendet, wo Hersteller seine sozialen Eigenschaften erneut vorteilhaft nutzen können.

Wir untersuchen auch, wie nickelhaltiger Edelstahl den Pharmasektor in seinen Bemühungen unterstützt hat, die Impfstoffe zu produzieren, die für die Bekämpfung von Krankheiten wie Covid-19 dringend benötigt werden, sodass wir wieder die Gesellschaft unserer Mitmenschen suchen können.

Nickel ermöglicht dank seiner chemischen und physischen Eigenschaften Anwendungen, mit denen Menschen Verbindungen herstellen und aufrechterhalten können.

In dieser Ausgabe würdigen wir die zahlreichen und vielfältigen Anwendungen, zu denen Nickel wichtige Beiträge leistet. Selbst eine minimale Menge von Nickel in derart vielen Anwendungen macht kollektiv einen enormen Unterschied aus. Und genau das sollten wir beherzigen, wenn wir hoffentlich bald schon wieder öfter zusammenkommen: Es kommt oft auf die kleinsten Dinge an!

Clare Richardson Chefredakteurin, Nickel

NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021 | 3

03 04 06 08 10 12 13 14 15 15 16

Fallstudie Nr. 23 Im 3D-Druck-Verfahren gebaute Brücke Editorial Nickel: ein soziales Produkt für das gesellschaftliche Leben

NICKEL

Beachtenswertes zum Thema Nickel In der Tasche Minikondensatoren Wiederverwertung von Elektroschrott Ein neues Leben für Altmetalle Lebensrettendes Nickel Impfstoff herstellung Nickel Das soziale Metall Nickellegierungen Invar

Strom aus Beton Eisenbeschichtetes Karbonfasergewebe ANODENSCHICHT

Technische Fragen und Antworten Unterirdische Edelstahl-Rohrleitungen Neue Publikationen

Leitfähiges Gemisch auf Zementbasis

UNS-Details LUMA Arles Tower Von van Gogh inspiriert

KATHODENSCHICHT

Das Nickel Magazine ist eine Publikation des Nickel Institute. www.nickelinstitute.org Dr. Hudson Bates, Verbandspräsident Clare Richardson, Chefredakteurin communications@nickelinstitute.org

Nickelbeschichtetes Karbonfasergewebe

Autoren und Mitarbeiter: Gary Coates, Jim Fritz, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Odette Ziezold Design: Constructive Communications Das Textmaterial wurde zur allgemeinen Information des Lesers erstellt und sollte nicht als Grundlage für spezifische Anwendungen verwendet werden, ohne dass vorher fachmännische Beratung eingeholt wurde. Obwohl das Textmaterial nach unserem besten Wissen korrekt ist, garantieren das Nickel Institute, seine Mitglieder, Mitarbeiter und Berater nicht seine Eignung für eine allgemeine oder spezifische Anwendung und übernehmen keine Haftung oder Verantwortung irgendeiner Art im Zusammenhang mit den hierin enthaltenen Informationen.

ISSN 0829-8351 In Kanada von der Hayes Print Group auf Recyclingpapier gedruckt Cover: istock©coffeekai Bildnachweise: S. 3 iStock©Orbon Alija S. 6 Shutterstock©OlegDoroshin S. 8 iStock©Lya_Cattel, S. 9 iStock©pagadesign S. 10 iStock©SDI Productions, S. 11 iStock©Drazen Zigic, S. 12 iStock©maki_shmaki

4 | NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021

Kann man aus einer Wohnung eine Art Riesenakku machen? Dr. Emma Zhang und Prof. Luping Tang, zwei Forscher an der Technischen Hochschule Chalmers in Schweden, haben einen Prototyp eines wiederaufladbaren Akkus auf Zementbasis entwickelt. Bei dieser Innovation wurden kurze Karbonfasern, ein eisenbeschichtetes Karbonfasergewebe sowie ein nickelbeschichtetes Gewebe in eine Betonmischung eingebettet, wobei Eisen als Anode und Nickel als Kathode dient.

Bei den Forschungsarbeiten wurde eine durchschnittliche Energiedichte von 7 Wattstunden pro Quadratmeter erzielt. Auch wenn das im Vergleich zu kommerziellen Akkus recht wenig ist, kann mit dem Verfahren dank des enormen Volumens eine erhebliche Menge an Energie gespeichert und zugespeist werden.

Beton ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Baumaterial. Die Integration des zementbasierten Akkus in Gebäuden, Brücken und Gehsteigen der Zukunft könnte sich im Baugewerbe als bahnbrechende Neuerung im Sinne der Nachhaltigkeit erweisen.

YEN STRANDQVIST/TECHNISCHE HOCHSCHULE CHALMERS

02

N I C K E L

INHALT

CHINA ARCHITECTURE DESIGN & RESEARCH GROUP FOTO: ZHANG GUANGYUAN

Garten der Zukunft Ein futuristischer Wald, in dem skurrile Architektur auf technische Genialität trifft: Der Future Garden in Nanjing in China ist Teil der Jiangsu Garden Expo und umfasst 42 Edelstahlbäume, die als Regenschirme fungieren und das Dach abstützen. Jeder Baum ist gleich und alle sind miteinander verbunden. Eine weltweit einmalige Acrylplatte bildet die Oberseite eines Lotusblattes. Die Anlage, die ursprünglich für den Bergbau und ein aufgegebenes Zementwerk genutzt wurde, ist ungeachtet der komplexen Bodenbedingungen und baulichen Herausforderungen eine wahre Augenfreude. Sie wurde mithilfe von 1000 Tonnen nickelhaltigen Edelstahls des Typs 316L (UNS S31603) fertiggestellt.

Elektrisch fliegen

Gary Freedman, Gründer von ElectricAir, brach den bisherigen Rekord für den weltweit längsten Flug über Wasser mit einem rein elektrisch betriebenen Flugzeug – ein signifikanter Schritt zu einer umweltfreundlicheren Luftfahrt. In 40 Minuten überquerte er die Cookstraße, die Meerenge zwischen den beiden Hauptinseln von Neuseeland. Der Elektromotor wurde mit zwei nickelhaltigen Lithium-Akkupacks betrieben, die bis zu 90 Minuten Leistung bieten und in weniger als einer Stunde aufgeladen werden können. Der Soloflug folgte 101 Jahre auf den ersten konventionellen Flug über die Straße und fiel mit der Eröffnung des UN-Klimagipfels im Oktober 2021 in Schottland zusammen. „Das ist der Beginn von etwas radikal Neuem“, sagte Freedman. „Größere Elektro-

ELECTRICAIR

flugzeuge mit längerer Reichweite, die sich ideal für Kurzflugstrecken eignen, sind heute in der Entwicklung.“

Das Süße im Schweiß messen Wissenschaftler an der Pennsylvania State University haben in

wurde. „Wir erforschen jetzt, wie wir diese Technologie bei

Biosensors and Bioelectronics Details zu einem innovativen,

der täglichen Überwachung von Patienten einsetzen können“,

nicht invasiven und kostengünstigen Sensor veröffentlicht, der

so Cheng.

Glucose im Schweiß feststellen kann. Der anfangs aus laserinduziertem Graphen (LIG) konstruierte Sensor war „Glucose gegenüber völlig unempfindlich“. Daher entschieden sich die Forscher wegen seiner „robusten Glucosesensitivität“ für PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY

Nickel. Der wiederverwendbare Sensor wurde zuerst eine Stunde und dann drei Stunden nach einer Mahlzeit am Arm eines Testpatienten angebracht, der dann kurz Sport trieb.

Obwohl die Konzentration von Glucose im Schweiß ca. 100-mal geringer ist als in Blut, maß das neue Gerät die Glucose präzise, was mit kommerziell verfügbaren Monitoren nachgewiesen

NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021 | 5

NICKEL IN DER TASCHE MIT MINIATUR-KONDENSATOREN BLEIBEN WIR VERBUNDEN Dank Nickel können MLCCs geschrumpft werden, indem die Stärke der dielektrischen Schicht reduziert wird, während dieselben Kondensatorkapazitätswerte beibehalten werden.

Das Smartphone in Ihrer Tasche ist ein komplexes Elektroniksystem mit vielen verschiedenen Funktionen, die alle mit demselben integrierten Akku betrieben werden. Eine elektronische Schaltung besteht aus einzelnen Elektronikkomponenten wie Widerständen, Transistoren, Kondensatoren, Induktoren und Dioden, die mit leitfähigen Drähten oder Leiterbahnen verbunden sind, durch die der elektrische Strom fließen kann.

Der Kondensator kann, ähnlich wie ein kleiner wiederaufladbarer Akku, Energie in Form einer elektrischen Ladung speichern.

Kondensatoren sind für die Funktion einer

sie nicht von Ungleichmäßigkeiten in der

elektronischen Schaltung unabdingbar.

Stromversorgung betroffen sind, die durch

Wenn die Stromversorgung unabhängig

Aktivitäten in einem anderen Unter-

von der Stromaufnahme eine konstante

schaltkreis entstehen.

Spannung bereitstellen könnte und es keine Komponenten gäbe, die elektrisches Rauschen verursachen, bräuchte man keine Kondensatoren. Spannungsschwankungen sind aber nun einmal Realität und müssen ausgeglichen werden. Der Kondensator stellt eine Pufferspannung bereit, mit der sichergestellt wird, dass an allen Komponenten stets genug Strom

6 | NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021

Die Anatomie eines MLCC In seiner Grundform besteht ein MLCC aus zwei oder mehr parallelen Metallplatten (Elektroden), die von einem Isoliermaterial (einem Dielektrikum) elektrisch getrennt werden. Derzeit können MLCCs 600 parallele Elektroden aufweisen, die weniger als einen Mikrometer dick sind.

anliegt. Rauschen wird ausgefiltert, damit

MLCCs wurden vor mehr als 40 Jahren als

die verschiedenen elektronischen Unter-

Ersatz für scheibenförmige Keramikkon-

stromkreise wie vorgesehen funktionieren.

densatoren erfunden. Scheibenförmige

In Verbraucherelektronik-Geräten gibt es

Keramikkondensatoren verfügten über

Hunderte und im Falle von High-End-

zwei alleinstehende Leiter, die in der Regel

Smartphones (wie beispielsweise dem

durch Löcher in der Leiterplatte montiert

iPhone) über tausend Miniatur-Konden-

wurden. Sie ermöglichten weder eine

satoren. Diese werden als Keramikviel-

schnelle Installation noch eine Miniaturi-

schicht-Chipkondensatoren (engl.

sierung der elektronischen Komponenten.

Multi-Layer Ceramic Capacitors, MLCCs)

Die rechteckige Form des MLCC ermög-

bezeichnet und sind mitunter so klein wie

licht eine Hochgeschwindigkeits-Ober-

ein Sandkorn an Ihrem Lieblingsstrand.

flächenmontage. Bei MLCCs wurde zunächst

Ihre Aufgabe besteht darin, Unterschalt-

Silber-Palladium (Ag-Pd) als Elektrode

kreise voneinander zu entkoppeln, sodass

verwendet, das Anfang der 2000er Jahre

TAIYO YUDEN EUROPE GMBH

2020 wurden 4800 Tonnen Nickel für die Herstellung von KeramikvielschichtChipkondensatoren verwendet, die so klein wie ein Sandkorn sein können.

dann durch Nickel ersetzt wurde.

und Fitnessbändern, Luft- und Raum-

Nickelelektroden bieten im Vergleich zu

fahrtsystemen sowie Smart Cars einge-

Ag-Pd mehrere Vorteile, darunter:

setzt, insbesondere in Fahrzeugen mit

• dünnere dielektrische Schichten

fortgeschrittenen Fahrerassistenz-

• höhere Kapazitätswerte (bessere

systemen (ADAS). MLCCs sind überall dort

Volumeneffizienz)

zu finden, wo Elektronik miniaturisiert

• niedrigere Kosten

wird. Jährlich werden bis zu vier Billionen

Nickel ist bei der Herstellung von MLCCs

MLCCs hergestellt, von denen 40 % in

jetzt das Material erster Wahl. Dank Nickel

Smartphones verbaut werden. 2020

können MLCCs geschrumpft werden,

wurden für die Herstellung von MLCCs

indem die Stärke der dielektrischen

4800 Tonnen Nickel verwendet. Damit

Schicht unter Beibehaltung derselben

werden die winzigen Komponenten

Kondensatorkapazitätswerte reduziert

hergestellt, mit denen wir verbunden

wird. Nickelhaltige MLCCs werden in

bleiben und ohne die unsere Elektronik-

Smartphones,Wearables wie Smartwatches

geräte nicht funktionieren würden.

NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021 | 7

WIEDERVERWERTUNG VON ELEKTROSCHROTT EIN NEUES LEBEN FÜR ALTMETALLE „Unsere Verfahren basieren auf einer komplexen Blei/Kupfer/NickelMetallurgie. Dabei werden die Basismetalle als Kollektoren für Edel- und andere Metalle eingesetzt, sog. ‚Unreinheiten‘ wie Antimon, Wismut, Zinn, Selen, Tellurium und Indium.“ —Umicore

„Elektroschrott einschließlich LIB-Müll gelangt nach der Vorbehandlung in einen Kupferverhüttungskonverter.“ Danach wird er mittels Elektrolyse in Rohnickelsulfat getrennt und in eine Nickelraffinerie befördert, um reines Nickelsulfat zu erhalten, das dann als Rohmaterial für Batterien verwendet wird.“ —Sumitomo Metal Mining

„Dank dem modularen Aufbau unserer neuen Recyclingsysteme können wir sehr flexibel auf den Markt und die Anforderungen reagieren und dadurch mehr und mehr metallhaltige Materialien in den Materialzyklus zurückführen.“ —Aurubis

8 | NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021

Stellen Sie sich ein riesiges Kreuzfahrtschiff vor und wie viel es wiegt, nämlich mehr als 100.000 Tonnen. Und jetzt stellen Sie sich 500 dieser Schiffe mit diesem Gewicht vor. Das ist die unglaubliche Menge an neuem Elektroschrott, die wir Jahr für Jahr erzeugen.

Laut dem Global E-waste Monitor waren

Vorverarbeitung, denn Elektroschrott

das allein 2020 53 Millionen Tonnen. Und

enthält große Mengen an Kunststoff,

jedes Jahr werden es mehr. Für das Jahr

Keramikteilen und anderen Nichtmetall-

2030 werden sage und schreibe 74 Millio-

Materialien, die separat wiederaufbereitet

nen Tonnen prognostiziert. Heutzutage

werden. Der eigentliche Fokus gilt aber

werden aber nur 10 Millionen Tonnen

dem Metallanteil. Stahl in Haushalts-

Elektroschrott wirklich wiederverwertet,

geräten kann magnetisch getrennt und in

d. h. die Metalle und andere wertvolle

Stahlwerken direkt wiederverwertet

Materialien wie Nickel werden zurück-

werden. Zerkleinerungstechniken, z. B.

gewonnen. Die restlichen 43 Millionen

beim Umgang mit Leiterplatten oder

Tonnen Elektroschrott, die schätzungs-

ganzen Handys, können diesen Tren-

weise wiedergewinnbares Material im

nungsprozess unterstützen. Manche

Wert von ca. 55 Milliarden US-Dollar

Unternehmen haben eine separate

enthalten, werden nicht dem Recycling zugeführt, sondern landen auf der Mülldeponie. Das Lebensende von Handys, Computer, Fernsehern, Haushaltsgeräten und anderen Elektronikkomponenten, die wir täglich verwenden, ist somit alles andere als befriedigend.

Komplexe Rückgewinnung Elektroschrott enthält Nickel. Der genaue Anteil hängt von den recycelten Elektronikkomponenten ab. Die Rückgewinnung ist recht komplex, weil es sich bei Nickel um ein „soziales Metall“ handelt, das gerne Verbindungen mit den meisten anderen Metallen eingeht. In der Regel beträgt der Nickelanteil zwischen 0,5 und 2 % des Gesamtgewichts einer Komponente, ist

Recycling-Straße für die verschiedenen Akkutypen, deren Recyclingbedarf mit dem Ende der Lebensdauer der ersten Akkugeneration für Elektroautos stark zunehmen wird.

Die bei der Rückgewinnung von Metallen, Kupfer, Nickel und Edelmetallen zur Anwendung kommenden Verfahren sind die Pyrometallurgie (Hochtemperatur), die

„Vale hat Recycling-Materialien traditionell auf pyrometallurgischem Weg verarbeitet, evaluiert jetzt aber auch hydrometallurgische Verfahren.

Wir verfügen über ein robustes Flussschema mit mehreren Optionen zur Verarbeitung dieses Materials und werden unsere Fähigkeiten zur Verarbeitung der schwarzen Masse weiter ausbauen.“ —Vale

Hydrometallurgie (Auflösung in Säuren) oder beides. Manche Unternehmen können auch andere in Elektronikprodukten verwendete Metalle wie Indium, Selen oder Wismut, aber auch Metalle zurückgewinnen, die in noch kleineren Mengen vorhanden sind.

also weitaus geringer als der Kupfer- und

Wichtiger Rohstoff

Eisenanteil. Nickel wird aufgrund seiner

Manche unserer Mitglieder arbeiten

Schlüsseleigenschaften in elektronischen

schon seit mehr als 30 Jahren mit Elektro-

Geräten eingesetzt, so auch in MLCCs

schrott. Weil das ein wichtiger Rohstoff

(siehe Seite 6). Die Edelmetalle (Gold,

ist, sind sie gewillt, ihn in Zukunft in noch

Palladium und Silber) liegen zwar in viel

größeren Mengen zu verarbeiten. Dieses

kleineren Mengen vor, haben aber mögli-

Material, das jetzt einfach nur noch Schrott

cherweise einen höheren finanziellen

ist, aber vor vielen Jahren mühsam

Wert. In einer Kreislaufwirtschaft müssen

abgebaut werden musste, kann zu neuen

wir aber so viel wie möglich zurück-

und wesentlichen elektronischen Kom-

gewinnen, und die Mitglieder des Nickel

ponenten verarbeitet werden, an denen

Institute leisten dazu ihren Beitrag.

wir alle unsere Freude haben. Obgleich

Proprietäre Verarbeitung

der Nickelanteil am Elektroschrott recht

Jeder am Recycling beteiligte Nickel-

klein ist, ist die Nickelindustrie ein

hersteller hat seinen eigenen, oft

wichtiger Partner der Gesellschaft in

proprietären Verarbeitungsweg für

deren Bemühen, die Ziele einer Kreis-

Elektroschrott. Der beginnt mit der

laufwirtschaft zu erreichen.

„Unser Hüttenwerk Rönnskär in Nordschweden ist weltweit eines der größten Recyclingwerke für Metall aus Elektronikmaterial. Die Emissionen der Anlage werden ebenfalls minimiert und aus dem elektronischen Material wird Fernwärme erzeugt.“ —Boliden

„Wir haben seit den 1990er Jahren mehr als eine Million Tonnen Elektroschrott wiederverwertet.“ —Glencore

NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021 | 9

LEBENSRETTENDES NICKEL IN DER IMPFSTOFFHERSTELLUNG

Tangentialflussfiltrations-Skid in der Impfstoffproduktion

Auch wenn wir in den Jahren 2020 und 2021 im Zeichen der Coronapandemie eine Flut schlechter Nachrichten wegstecken mussten, gab es doch auch einen Lichtblick, der die Hoffnung am Leben erhält, dass die Pandemie unter Kontrolle gebracht werden kann: die Entwicklung von Impfstoffen. Die erfolgreiche Arbeit an hochwirksamen Vakzinen durch Pharmaunternehmen, Wissenschaftler und staatliche Stellen wird sicherlich als einer der größten Erfolge unserer Zeit in Erinnerung bleiben.

COTTER BROTHERS CORP

Nach der Entwicklung dieser Impfstoffe besteht die nächste Herausforderung darin, Hunderte von Millionen Dosen so schnell wie möglich zu produzieren.

Traditionelle pharmazeutische Impfstoffproduktionskapazitäten stehen aber nicht einfach so auf Abruf zur Verfügung. Bis zur Baugenehmigung und Inbetriebnahme eines neuen pharmazeutischen Werks mit Bioreaktoren und unterstützenden Systemen wie „Wasser für Injektionszwecke“ (WFI) und Clean-in-PlaceReinigungssystemen können 18 Monate oder mehr vergehen. Mitten in einer Pandemie ist das einfach zu lange.

10 | NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021

Um die Vakzinproduktion zu beschleunigen, setzt die Branche zunehmend auf Einwegtechnologien. Bei diesem Ansatz werden Polymermaterialien für die Bioreaktoren verwendet, die mit Gammastrahlen desinfiziert und nach einer einmaligen Verwendung entsorgt werden.

Somit sind keine unterstützenden WFI- und CIP-Systeme erforderlich und die Produktion kann in viel kürzerer Zeit aufgenommen werden.

Das beim Bau herkömmlicher Pharmawerke am meisten verwendete Material ist nickelhaltiger Edelstahl des Typs 316L (UNS S31603). Wenn eine höhere

Beim Einwegansatz dient ein Polymerbeutel als Bioreaktor. Auf diese Weise werden weniger Edelstahl und andere korrosionsbeständige Legierungen verwendet als bei konventionellen Produktionsmethoden.

Während die Einweg-Produktion bestimmte Edelstähle unnötig macht, spielen nickelhaltige austenitische Edelstähle bei der Impfstofferzeugung weiterhin eine wichtige Rolle. Die Polymer-Bioreaktorbeutel müssen zur mechanischen Stütze und Temperaturregelung in Metallbehälter gegeben werden. Diese bestehen aus poliertem Edelstahl des Typs 304L (S30403), der die Hygiene und Reinigungsfähigkeit der Produktionsumgebung gewährleistet.

Die Aufreinigung des Impfstoffprodukts ist ein wichtiger und notwendiger Bestandteil des Herstellungsprozesses. Bei der Einwegproduktion erfolgt die Aufreinigung mittels der Tangentialflussfiltration (TFF).

Bei diesem Verfahren wird ein Zufuhrstrom, der parallel zu einer Membranfläche fließt, per Membranfiltration gereinigt. Ein Teil des Stroms passiert die Membran (das

Permeat); der Rest des Stroms (das Retentat) wird zur Zufuhr zurückgeleitet.

Bei der Impfstoffherstellung findet dieser Prozess in einem sog. Aufreinigungsprozess-Skid statt. Der strukturelle Rahmen des Skids besteht aus poliertem Edelstahl des Typs 304L; die Rohrleitungen, die mit dem Produkt in Kontakt kommen, bestehen aus elektropoliertem Edelstahl des Typs 316L.

Große rechteckige Metallbehälter für die Impfstoffherstellung

Ausrüstungen in der Pharmaindustrie werden oft gemäß dem Standard ASME BPE (Bioprocessing Equipment) konstruiert. Diese Norm spezifiziert Materialien, Konstruktion, Herstellung, Inspektionen, Tests und Zertifizierungen, wenn hohe Hygienestufen erforderlich sind.

Die weltweite Nachfrage nach COVID-19Impfstoffen wird auf absehbare Zeit anhalten und letztendlich zum Bau großer, konventioneller Produktionsanlagen führen. Bis dahin werden die Vakzine weiterhin mit den Verfahren der Einwegproduktion hergestellt werden, um diese lebensrettenden Stoffe möglichst schnell produzieren zu können. In allen Fällen werden nickelhaltige Legierungen unverzichtbar bleiben.

COTTER BROTHERS CORP

Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, werden höher legierte Edelstähle oder Nickellegierungen gewählt.

NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021 | 11

NICKEL DAS SOZIALE METALL Nickel vermischt sich gern mit Eisen, Kupfer, Chrom, Molybden, Titan, Kobalt und Wolfram und erzeugt nützliche und oft kritische technische Legierungen.

Erinnern Sie sich noch an Ihre Schulzeit, als die Lehrerin im Zeugnis Kommentare wie „kommt mit allen gut aus“ eintrug? Diese Aussage trifft auch gut auf Nickel zu, ein vielseitiges Element, das mit den meisten Metallen legiert werden kann. Die Vielfalt nickelhaltiger Legierungen und ihrer Anwendungen ist einzigartig.

Nickel bildet binäre (aus zwei Elementen bestehende) Legierungen mit Kupfer, Molybden, Titan, Eisen und Chrom. Es bildet außerdem tertiäre Legierungen, bei denen Eisen das dritte Element ist, weil Eisen entweder für die Eigenschaften der Legierung entscheidend ist oder die Anwesenheit von Eisen die Eigenschaften der Legierung nicht beeinträchtigt und zur Kostensenkung beiträgt.

Dann wären da noch Multi-Element-Legierungen, die viele der oben genannten Elemente enthalten können. Dazu zählen insbesondere die korrosionsbeständigen Edelstähle und nickelbasierten Legierungen. Die Anwesenheit von Chrom, Molybden und anderen Elementen erhöht

Name Binäre Elementlegierungen

Tertiäre Elementlegierungen Multielementlegierungen Korrosionsbeständige Edelstähle und nickelbasierte Legierungen

Legierung 400 Cu-Ni 70-30 Legierung B-2 Nitinol Legierung 36 Nickelchrom 80-20 Kovar ® Legierung 80 Legierung 600 Legierung 33 MP35N® Legierung 188 Legierung 617 316 6 % Mo Edelst.

Legierung 625 Legierung C-276 Legierung 718 310 330

UNS N04400 C71500 N10665 N01555 K93600 N06003 K94610 N14080 N06600 R20033 R30035 R30188 N06617 S31600 S31254 N06625 N10276 N07718 S31000 N08330

Zusammensetzung, Gew.-% Ni Sonstiges 66 30 72 55 36 80 29 80 75 32 35 22 54 10 18 60 58 52 20 35

* Ungefähre Zusammensetzung signifikanter Elemente

12 | NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021

32 Cu 70 Cu 28 Mo 45 Ti 64 Fe 20 Cr 17 Co, 54 Fe 5 Mo, 14 Fe 15 Cr, 8 Fe 33 Cr, 34 Fe 35 Co, 20 Cr, 10 Mo 40 Co, 22 Cr, 14 W 12,5 Co, 22 Cr, 9 Mo 16 Cr, 2 Mo, 70 Fe 20 Cr, 6 Mo, 55 Fe 21 Cr, 8 Mo, 3,5 Nb, 4 Fe 15 Cr, 16 Mo, 5 Fe, 3,5 W 19 Cr, 5 Nb, 3 Mo 25 Cr, 52 Fe 19 Cr, 1,2 Si, 44 Fe

die Korrosionsbeständigkeit. Nickel ist aber für die Aufrechterhaltung einer austenitischen Mikrostruktur von grundlegender Bedeutung, die für die hervorragenden Herstellungs- und Schweißmerkmale dieser Legierungen verantwortlich ist. Wenn die Anteile dieser anderen Elemente erhöht werden, sind höhere Nickelkonzentrationen erforderlich. Dank der „sozialen“ Fähigkeiten von Nickel sind viele korrosionsbeständige Legierungen überhaupt erst möglich.

Ohne sie wäre die Herstellung der meisten von der Industrie eingesetzten Chemikalien viel schwieriger und teurer, und es müssten weniger gut geeignete Metalle verwendet werden.

Merkmale Korrosionsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit Formgedächtnis und hervorragende Elastizität Geringe Ausdehnung Elektrische Heizelemente Geringe Ausdehnung Hohe magnetische Permeabilität Korrosionsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit Hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit Einsatz bei hohen Temperaturen Einsatz bei hohen Temperaturen Korrosionsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit Hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit Einsatz bei hohen Temperaturen Einsatz bei hohen Temperaturen

INVAR – EINE EDLE LEGIERUNG

Steigt der Nickelanteil von 36 auf 50 %, nimmt die Wärmedehnungsrate zu. Dies hat zur Entwicklung einer ganzen Familie von Eisen-Nickel-Legierungen geführt, deren Wärmedehnungsraten für spezifische Temperaturbereiche optimiert sind und die kollektiv als Legierungen mit kontrollierter Ausdehnung bezeichnet werden.

Produktion von Verbundstoffmaterialien

Diese Legierungen ermöglichen es, Ausdehnungsraten denen verschiedener Glas- und Keramikarten anzupassen, um hermetisch verschlossene Glas-Metallund Keramik-Metall-Dichtungen zum Schutz elektronischer Komponenten vor Gasen und Flüssigkeiten herstellen zu können. Damit können unter Berücksichtigung engster Toleranzen Formen für die

und wird zur Herstellung von Membranen

für die Luft- und Raumfahrt hergestellt werden. Bimetallstreifen mit einer

EMILIO SEGRÈ VISUAL ARCHIVES

Im Temperaturbereich von der Zimmertemperatur bis zur Höchsttemperatur des Backofens Ihres Küchenherdes von ca. 260 °C (500 °F) dehnt sich Stahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, aus. In der Regel macht sich diese Expansion nicht ausreichend bemerkbar, um Schwierigkeiten zu verursachen. Für bestimmte Geräte, z. B. Präzisionsmessgeräte und mechanische Uhren, ist die Wärmedehnung in diesem Temperaturbereich aber ein erhebliches Problem. 1895 entdeckte der Schweizer Physiker Charles Edouard Guillaume den einzigartig niedrigen Dehnungskoeffizienten einer Eisen-Nickel-Legierung mit 64 % Eisen und 36 % Nickel. Dafür wurde er 1920 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Diese Legierung wurde als Invar bezeichnet.

Der Name leitet sich vom Wort „invariabel“ ab und bezieht sich auf die relativ geringe Expansion oder Kontraktion in diesem Temperaturbereich. Zwischen 20 °C und 100 °C (68 °F bis 212 °F) beträgt die Wärmedehnungsrate von Invar etwa ein Zehntel der von herkömmlichem Stahl.

Der Schweizer Physiker und Nobelpreisträger Charles Edouard Guillaume

Legierung mit niedriger Ausdehnung auf einer Seite und einer Legierung mit hoher Ausdehnung auf der anderen fungieren als thermisch aktivierte Schalter. Invar behält auch bei Tiefsttemperaturen gute Festigkeits- und Härteeigenschaften bei

Invar ® kann als Membranschicht für den Transport von LNG auf Schiffen eingesetzt werden.

für den Einschluss von Flüssigerdgas (LNG) eingesetzt.

Dieses Eisen-Nickel-Legierungssystem ist für die Herstellung von Präzisionsmessinstrumenten und Thermoschaltern und zum Schutz von elektronischen Komponenten von kritischer Bedeutung.

Legierungen mit kontrollierter Ausdehnung Fe

K93600

36

Rest

Kovar®

K94610

29

Rest

Legierung 42

K94100

41

Rest

Legierung 52

N14052

52

Rest

Co ROLAND MOURON CUVE

Ni Invar 36 ®

17

NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021 | 13

FRAGEN AN EXPERTEN FAQ VON DER TECHNISCHEN BERATUNGS-HOTLINE DES NICKEL INSTITUTE

NICKEL

O N L I N E

Geir Moe P.Eng. ist der Technical Inquiry Service Coordinator beim Nickel Institute. Zusammen mit anderen Werkstoffexperten in aller Welt hilft Geir Moe Endanwendern und Spezifikateuren von nickelhaltigen Materialien, die technische Unterstützung benötigen. Das Team steht bereit, um kostenlose technische Beratungsleistungen zu einer breiten Palette von Anwendungen wie Edelstahl, Nickellegierungen und Vernickelung anzubieten, damit Nickel bedenkenlos eingesetzt werden kann. https://inquiries.nickelinstitute.org/

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG

ABONNIEREN Sie das Nickel Magazine kostenlos und erhalten Sie eine Druckversion oder eine Ankündigung per E-Mail, wenn eine neue Ausgabe online verfügbar ist. www.nickelinstitute.org LESEN Sie das Nickel Magazine online in verschiedenen Sprachen. www.nickelinstitute.org/library/ DURCHSUCHEN Sie ältere Ausgaben des Nickel Magazine in unserem Online-Archiv, das Exemplare enthält, die bis ins Jahr 2009 zurückreichen. www.nickelinstitute.org/library/ FOLGEN SIE UNS auf Twitter @NickelInstitute BESUCHEN SIE UNS auf der LinkedIn-Seite des Nickel Institute SCHAUEN Sie sich Videos zum Thema „Nickel“ auf dem YouTube-Kanal des Nickel Institute an. www.youtube.com/user/NickelInstitute

14 | NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021

F A

F: Ich würde gerne wissen, ob für unterirdisch verlegte Edelstahlrohre Korrosionsschutzmaßnahmen an den Rohraußenseiten (der Bodenseite) erforderlich sind.

A: Diese Frage ist nicht leicht zu beantworten, weil die Bodentypen hinsichtlich der Korrosivität stark variieren und diese von der jeweiligen Jahreszeit abhängt. In der Regel korrodieren unterirdische Rohrleitungen und Tanks, wenn der Boden eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:

• • • •

Hoher Feuchtigkeitsgehalt pH-Wert unter 4,5 Widerstand unter 1000 Ω-cm Anwesenheit von Chloriden, Sulfiden und Bakterien • Anwesenheit von Streuströmen Bei einem Boden, der so stark verdichtet ist, dass Sauerstoff ausgeschlossen wird, kann es nicht zu einer Korrosion kommen.

Böden mit guter Drainage, bei denen der Wassergehalt schnell gesenkt wird (in der Regel oberhalb des Grundwasserspiegels), sind weniger korrosiv als solche, die Feuchtigkeit lange speichern. Chloride in Böden in Meeresnähe oder neben Straßen, die im Winter mit Salz enteist werden, können ebenfalls problematisch sein. Organische Stoffe oder Sulfide können als Nährstoffe für Mikroben dienen, die wiederum eine mikrobiologisch induzierte Korrosion (MIC) verursachen können.

In den meisten Fällen ist Typ 316L (UNS S31603) eine geeignete Legierung.

Können sehr korrosive Bodenbedingungen aber nicht durch Schüttmaterial mit guter Drainage verbessert werden

oder sind korrosive Stoffe wie Chlorid vorhanden, sollte ein Edelstahl mit besserer Korrosionsbeständigkeit eingesetzt werden, z. B. 2205 (S32205), 2507 (S32750) oder 6Mo (S31254), oder die unterirdischen Komponenten sollten mit Petrolatumband umwickelt werden.

Beschichtungen sind wegen der Wahrscheinlichkeit einer mechanischen Beschädigung eher wenig geeignet.

Hier einige Referenzdokumente zu diesem Thema: Soil Corrosion Test for Stainless Steel Pipes – 10-year Burial Test Result Report, kann kostenlos heruntergeladen werden unter: www.nickelinstitute.org Corrosion Resistance of Stainless Steels in Soils and Concrete von Pierre-Jean Cunat, kostenloser Download unter: www.worldstainless.org

Neue Publikationen Veröffentlichung von zwei neuen

Edelstahl in Bau- und großen Infra-

AISC-Edelstahlnormen

strukturprojekten wie Brücken vollum-

Das AISC (American Institute of Steel

fänglich nutzen. Diese Normen sind

Construction) hat zwei neue Edel-

wichtig, weil sie die ersten US-Spezifi-

stahlnormen veröffentlicht. Die Normen

kationen für den Baueinsatz von heiß-

ANSI/AISC 370-21 Specification for

gewalzten und geschweißten, stärkeren

Structural Stainless Steel Buildings

Edelstahlabschnitten darstellen. Die

und ANSI/AISC 313-21 Code of

AISC-Normen werden auch von Statikern

Standard Practice for Structural

in vielen anderen Regionen weltweit

Stainless Steel Buildings stehen zum

verwendet.

kostenlosen Download zur Verfügung

Die Nickel Institute- und Team Stainless-

unter: www.aisc.org/publications/

Beraterinnen Nancy Baddoo (Steel

steel-standards/

Construction Institute, UK) und Catherine

Durch die Verfügbarkeit dieser lange

Houska sowie Stahl- und Produkther-

erwarteten Normen können Ingenieure,

steller haben in den letzten drei Jahren

Materialspezifikateure und Konstrukteure

eng an der Entwicklung dieser wichtigen

die herausragenden Eigenschaften von

neuen Normen zusammengearbeitet.

Neues Video: Nickel ermöglicht saubere Energie

dem Video wird eine Industrie vorgestellt,

bestätigt, dass mehr getan werden muss – und die ein Produkt herstellt, das für Technologien für saubere Energie eine wichtige Rolle spielt. Das Video ist auf dem YouTube-Channel und der Website des Nickel Institute abrufbar.

die sich ihrer Verantwortung stellt und

nickelinstitute.org

Das Nickel Institute hat ein kurzes, interessantes und dynamisches Video produziert, in dem gezeigt wird, welche Beiträge Nickel zu Technologien für den Kampf gegen den Klimawandel leistet. In

UNS-DETAILS UNS

Chemische Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) der Legierungen und Edelstahltypen in dieser Ausgabe von Nickel.

C

Cr

Cu

Fe

Mn

Mo

N

Ni

P

S

Si

S30403 S. 11

0,03 max.

18,020,0

-

Rest

2,00 max.

-

-

8,012,0

0,045 max.

0,030 max.

1,00 max.

S30888 S. 2

0,03 max.

19,522,0

0,50 max.

Rest

1,02,5

0,75 max.

9,011,0

0,03 max.

0,03 max.

0,65 1,00

S31254 S. 14

0,020 max.

19,520,5

0,501,00

Rest

1,00 max.

6,06,5

0,180,22

17,518,5

0,030 max.

0,010 max.

0,80 max.

S31603 S. 5,10,11,14,16

0,030 max.

16,018,0

-

Rest

2,00 max.

2,003,00

-

10,014,0

0,045 max.

0,030 max.

1,00 max.

S32205 S. 14

0,030 max.

22,023,0

-

Rest

2,00 max.

3,003,50

0,140,20

4,506,50

0,030 max.

0,020 max.

1,00 max.

S32750 S. 14

0,030 max.

24,026,0

-

Rest

1,20 max.

3,05,0

0,240,32

6,08,0

0,035 max.

0,020 max.

0,80 max.

NICKEL, JHRG. 36, Nr. 3, 2021 | 15

Die französische Stadt Arles hat mit diesem 56 Meter hohen Turm ein beeindruckendes neues Wahrzeichen. Die verdrehte Fassade besteht aus 11.000 unregelmäßig angeordneten Edelstahl-Paneelen, die mit vorstehenden Glasfensteraussparungen durchsetzt sind. Das Oberteil des Bauwerks ragt aus einer runden Glastrommel hervor. Der Luma Arles Tower wurde vom mit dem Pritzker-Preis ausgezeichneten Stararchitekten Frank Gehry entworfen und zollt der umliegenden Landschaft und den wohl berühmtesten ehemaligen Bewohnern von Arles Tribut: den Römern und Vincent van Gogh. Diese „Zentrale“ des Kulturzentrums befindet sich auf einer ehemaligen Gleisanlage, die seit 1986 ungenutzt war.

© ADRIAN DEWEERDT

© IWAN BAAN

EIN SYMBOL MIT LEUCHTKRAFT LUMA ARLES TOWER

Gehry beschrieb seine künstlerische Vision für den Turm so: „Die Fassade des Der zylindrische Sockel erinnert an das zweistöckige römische Amphitheater von Arles aus dem Jahr 90 n.

Chr. Die glänzenden und edelstahlumhüllten oberen Stockwerke wurden von Vincent van Goghs Gemälde „Sternennacht“ inspiriert, das er 1889 während seines Aufenthalts in der Nervenheilanstalt Saint-Paul-deMausole schuf.

16 NICKEL, | NICKEL,JHRG. JHRG.36,36,Nr.Nr.3,3,2021 2021

neuen Gebäudes wurde von den Gipfeln der nahe gelegenen Alpilles-Kalksteinkette inspiriert. Das Gebäude sieht von jedem Betrachtungswinkel aus anders aus, weil jedes der Paneele das Licht anders reflektiert. Die Edelstahl-Paneele des Gebäudes verweisen gleichzeitig auf das traditionelle Mauerwerk der Region und

das industrielle Erbe seines spezifischen Standorts.“ Das Gebäude ist mit 220 Tonnen mustergewalzten Edelstahls des Typs 316L (UNS S31603) umhüllt. Das Musterwalzen ist ein Kaltwalzverfahren, bei dem ein spezifisches Muster in das Stahlblech eingeprägt wird. Das Prägeverfahren setzt Spannung aus den Paneelen frei, um eine einzigartige Lichtreflektivität zu erzielen.