Aluminium in der Architektur - Ein Designguide für Architekten

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Allgemeines
2.1.1 Geschichte der Aluminiumgewinnung und -anwendung
2.1.2 Anwendungsbereiche von Aluminium heute
2.1.2.1 Transport- und Verkehrswesen
2.1.2.2 Verpackung
2.1.2.3 Elektrotechnik
2.1.2.4 Maschinenbau
2.1.2.5 Bauwesen
2.1.3 Anwendung von Aluminiumprodukten in Österreich
2.1.4 Geschichte des Aluminiums im Bauwesen, der Architektur und Kunst
2.2 Herstellung, ökologische Eigenschaften
2.2.1 Aluminiumkreislauf
2.2.2 Rohstoffvorräte
2.2.2.1 Bauxit
2.2.2.2 Alternative Aluminiumrohstoffe
2.2.3 Prozeß der Aluminiumgewinnung
2.2.3.1 Primäraluminium
2.2.3.2 Sekundäraluminium
2.2.4 Zusammensetzung verschiedener Legierungen
2.2.4.1 Physikalische Eigenschaften wichtiger Aluminiumwerkstoffe
2.2.4.2 Aluminiumwerkstoffe im Bauwesen
2.2.5 Ökobilanz
2.2.5.1 Wirkungskategorien (Ökoinventare)
2.2.5.2 MIPS (Materialinput pro Serviceeinheit)
2.2.5.3 KEA (Kumulierter Energieaufwand)
2.3 Umformen
2.3.1 Halbzeugherstellung
2.3.1.1 Strangpressen
2.3.1.2 Walzen
2.3.1.3 Schmieden
2.3.2 Teilefertigung
2.3.2.1 Blechumformung
2.3.2.2 Massivumformung
2.4 Gießen
2.4.1 Dauerformgießverfahren
2.4.2 Gießverfahren mit verlorener Form
2.5 Spanendes Verarbeiten
2.6 Verbinden und Fügen
2.6.1 Schweißen
2.6.1.1 Schmelzschweißen
2.6.1.2 Preßschweißen
2.6.2 Löten
2.6.3 Kleben
2.6.4 Nieten
2.6.5 Schrauben
2.6.6 Sonstige mechanische Fügeverfahren
2.7 Oberflächenbehandlung und Korrosionsschutz
2.7.1 Mechanische Oberflächenbehandlung
2.7.2 Chemische Oberflächenbehandlung
2.7.3 Anodische Oxidation (Eloxieren)
2.7.3.1 Verfahren zur Erzeugung farbloser Oxidschichten
2.7.3.2 Verfahren zur Erzeugung farbiger Oxidschichten
2.7.4 Organische Beschichtungen (Lackieren)
2.7.5 Sonstige Beschichtungsverfahren
2.8 Aluminium als Oberflächenmaterial
2.8.1 Aluminiumfarbe
2.8.2 Aluminium zum Schutz von Stahl
2.8.2.1 Beschichten von Stahl (Aluminieren)
2.8.2.2 Kathodischer Schutz von Stahl
2.8.3 Bedampfen und Beschichten mit Aluminium
2.9 Technische Eigenschaften von Aluminium
2.9.1 Typische Eigenschaften von Aluminium
2.9.2 Physikalische Eigenschaften von reinem Aluminium
2.9.3 Begriffe
2.9.4 Systematische Benennung
2.9.4.1 Reines Aluminium
2.9.4.2 Gußwerkstoffe
2.9.4.3 Knetwerkstoffe
2.9.5 Normen
2.9.6 Kriterien für die Verwendung von Aluminium

3 Konstruieren mit Aluminium
3.1 Vergleich zwischen Stahl und Aluminium
3.2 Profilkonstruktionen

4 Anwendung in der Architektur
4.1 Die Vorteile von Aluminium
4.2 Aluminium-Profilsysteme für Fenster und Türen
4.2.1 Ganzaluminium-Profilsysteme
4.2.2 Wärmedämmende Profilsysteme
4.2.3 Hochwärmedämmende Profilsysteme
4.2.4 Profilsysteme für den Brand- und Rauchschutz
4.3 Aluminium-Fassaden-Systeme
4.3.1 Fassadentypen - klassifiziert nach der Lage der Konstruktion zum Baukörper
4.3.1.1 Fassaden mit geschoßhohen Fensterwänden oder Fensterbändern
4.3.1.2 Vorhang-Fassaden (Curtain Walls)
4.3.2 Fassadentypen - klassifiziert nach ihrem konstruktiven Aufbau
4.3.2.1 Pfosten-Riegel-Fassade
4.3.2.2 Element-Fassade
4.3.2.3 Profil-Fassade
4.3.2.4 Ganzglas-Fassade (Structural-Glazing-Fassade)
4.3.3 Fassadentypen - klassifiziert nach der Lage von Regen- und Windbarriere
4.3.3.1 Kaltfassade
4.3.3.2 Warmfassade
4.3.3.3 Kalt-Warm-Fassade
4.3.4 Spezielle Fassaden-Systeme
4.4 Aluminium-Glas-Lichtdachkonstruktionen
4.5 Aluminium für Dach und Wand
4.5.1 Profilierte Bleche und Bänder
4.5.2 Wandverkleidung aus Strangpreß-Profilen
4.5.3 Formbleche
4.5.4 Glatte Aluminiumbleche und -bänder
4.5.5 Sandwich-Bauelemente (Panels, Verbundplatten)
4.5.5.1 Vollisolierende Fassaden- und Wandbauelemente
4.5.5.2 Verbundplatten ohne Isolierkern
4.5.6 Aluminiumgußplatten
4.5.6.1 Herdgußplatten
4.5.6.2 Formgußplatten
4.5.7 Paraschalen
4.5.8 Dachbauelemente
4.5.9 Dach- und Dichtungsbahnen, Dampfbremsen
4.5.9.1 Einseitig bituminierte Aluminiumbänder
4.5.9.2 Beidseitig bituminierte dünne Aluminiumbänder
4.5.9.3 Aluminiumfolie
4.6 Sonnen- und Wetterschutz
4.7 Systeme für den Ausstellungsbau
4.8 Möbel und Design
4.9 Diverses

5 Konstruktive Anwendungen
5.1 Konstruktionen mit Aluminium-Profilsystemen
5.1.1 Wohnhaus in Stuttgart / BRD
5.1.2 Anbau an eine Villa aus dem Jahr 1939 / BRD
5.1.3 Messeturm in Frankfurt am Main / BRD
5.1.4 Hochhauskomplex „Westendstraße 1“ in Frankfurt am Main / BRD
5.1.5 Flughafen Münster/Osnabrück: Neues Passagier-Terminal / BRD
5.1.6 Hafenbahnhof Altenwerder: Betriebsgebäude und Tower in Hamburg / BRD
5.1.7 E-Werk Minden-Ravensberg: Zentrale für Kommunikation und Technik in Bad Oeyenhausen / BRD
5.1.8 Ristorante Grandi Magazzini Rinascente: Restaurant in Mailand / Italien
5.1.9 WDR-Arkaden: Medien- und Geschäftshaus in Köln / BRD
5.2 Fassaden- und Dachverkleidungen aus Aluminium
5.2.1 Toyota Frey in Wien-Inzersdorf / Österreich
5.2.2 Flughafen Frankfurt: Terminal 2 / BRD
5.2.3 Audi Zentrum Ingolstadt / BRD
5.2.4 Dachausbau in Raasdorf / Österreich
5.2.5 Bankfiliale der Ersten Österreichischen Sparkasse in Wien 8 / Österreich
5.2.6 Merkur Markt in Deutsch-Wagram / Österreich
5.2.7 Wüstenrot Versicherungs-Center in Salzburg / Österrreich
5.2.8 Informationszentrum des Nationalparks Neusiedler See - Seewinkel in Illmitz / Österreich
5.2.9 Volksschule in Gänserndorf / Österreich
5.3 Individueller Entwurf mit Aluminium
5.3.1 Glashäuser des Botanischen Instituts der Universität Graz / Österreich
5.3.2 Freigelände-Set für Mercedes / BRD
5.3.3 Ausstellungspavillon / BRD
5.3.4 Ausstellungshaus eines Aluminiumprofilherstellers in Toulouse / Frankreich
5.3.5 Kunstwerk Reichstag-Verhüllung in Berlin / BRD

6 Zusammenfassung und Ausblick

7 Literatur

8 Firmen

1 Einleitung

Diese Arbeit setzt sich mit dem Werkstoff Aluminium und seiner Anwendung in der Architektur auseinander. Aluminium ist ein relativ junges Material, das erst Anfang des 19. Jhdts. entdeckt wurde. Daher hat die Anwendung dieses Leichtmetalls in der Architektur noch keine lange Tradition. Vielen Architekten ist zwar die eine oder andere Anwendung des Werkstoffs bekannt, sie kennen aber weder alle Vorteile von Aluminium noch seine sämtlichen Anwendungsbereiche.

Ziel dieser Arbeit ist es, Architekten einen Überblick über den Baustoff Aluminium und seine verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu geben. Sie macht deutlich, wann der Einsatz von Aluminium in der Architektur ökonomisch und ökologisch gerechtfertigt werden kann. Weiters werden die Möglichkeiten der Form- und Farbgebung mit Aluminium dargelegt.

Diese Arbeit soll einen Überblick über die Geschichte und die derzeitigen Anwendungsbereiche von Aluminium, über den Kreislauf von der Gewinnung des Primäraluminiums bis zu Wiederverwertung von Alt- und Reststoffen zum Sekundärmaterial sowie über das ökologische Verhalten geben. Dazu werden die verschiedenen Arten der Herstellung von Aluminiumprodukten, die dazu nötigen Legierungszusammensetzungen und Verarbeitungsmöglichkeiten, die Verbindungsmöglichkeiten, das Korrosionsverhalten, die vielfältigen Möglichkeiten der Oberflächengestaltung, sowie die technischen Eigenschaften erklärt. Auch die Verwendung von Aluminium als Oberflächenmaterial wird besprochen.

Kriterien für die Anwendung von Aluminium werden aufgezeigt, die Vorteile für die Einsatz in der Architektur werden hervorgehoben. Produkte aus Aluminium, die für diesen Bereich angeboten werden, werden angeführt und in Bezug auf ihre konstruktiven und bauphysikalischen Eigenheiten behandelt.

Die Sinnhaftigkeit von Tragwerkskonstruktionen aus Aluminium wird hinterfragt. Auch auf die Dimensionierung von Querschnitten in Hinsicht auf Ökonomie wird eingegangen.

Anhand von zahlreichen Beispielen werden verschiedenste Anwendungsvarianten von Aluminium in der Architektur von 1989 bis 1998 gezeigt. Sowohl Beispiele mit serienmäßig erhältlichen Produkten als auch solche mit individuellen Anfertigungen aus Aluminium zeigen die Vielseitigkeit der Anwendung des Leichtmetalls hinsichtlich Konstruktion, Form und Farbe.

2 Grundlagen

2.1 Allgemeines

2.1.1 Geschichte der Aluminiumgewinnung und -anwendung

Seit den Anfängen der Menschheit kommt der Herstellung und Nutzung von Metallen bei der Entwicklung der Zivilisation entscheidende Bedeutung zu. Seit mehr als 3000 Jahren sind Eisen, Kupfer, Blei, Zinn, Silber und Gold bekannt, Aluminium erst seit Anfang des 19. Jhdt.

Tabelle 2-1 gibt einen Überblick über die Geschichte und die ersten Anwendungen von Aluminium (Aluminium-Fenster-Institut (Hrsg.), S.6 /1/; Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.4 ff /2/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-1: Überblick über die Geschichte und die ersten Anwendungen von Aluminium

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-1 (Fortsetzung): Überblick über die Geschichte und die ersten Anwendungen von Aluminium

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-1 (Fortsetzung): Überblick über die Geschichte und die ersten Anwendungen von Aluminium

1950 Erster Ganzaluminium-Gliedertriebzug, konstruiert in Spanien, gebaut in

USA

1951/52 Im ersten amerikanischen 53000-t-Schiff „ United States “ werden 2000 t

Aluminium verbaut (Aufbauten genietet).

2.1.2 Anwendungsbereiche von Aluminium heute

Die wichtigsten Anwendungsbereiche des leichten und korrosionsbeständigen Werkstoffes Aluminium sind heute der Verkehr (Automobile, Luft- und Raumfahrt, Waggonbau), das Bauwesen, der Maschinenbau, die Elektrotechnik und das Verpackungswesen, vor allem die Verpackung von Lebensmitteln und Pharmaka.

Bei allen Beispielen bzw. Anwendungen ist die Masseeinsparung von größter Bedeutung, einerseits bedingt durch die Notwendigkeit eines ökonomischen Betriebes im Verkehrswesen, andererseits durch die Möglichkeit sekundärer Einsparungen bei der Montage oder der Entlastung der Unterkonstruktion. Die Wartungsfreiheit durch Korrosionsbeständigkeit und rationelle Fertigung mit speziell dafür entwickelten Strangpreßprofilen sind weitere wichtige Argumente für den Einsatz von Aluminiumbauteilen. Der Werkstoff zeichnet sich überdies auch durch seine hervorragende Recyclierbarkeit aus. Ein Beispiel für die positive Gesamtenergiebilanz von Aluminium wird am Beispiel Fahrzeug in Abbildung 2-1 gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Positive Gesmtenergiebilanz von Aluminium am Beispiel Fahrzeug

Die nachfolgende Tabelle 2-2 gibt einen Überblick, welche typischen Aluminiumeigenschaften für die einzelnen Hauptanwendungsgebiete besonders relevant sind (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.12, S.146 /3/;

Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S. 550f, 569, 599f, 688ff /4/; Aluminium Zentrale (Hrsg.), S 617f /5/; Koser J., S.52ff /7/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-2: Typische Eigenschaften von Aluminium, die für die einzelnen Hauptanwendungsgebiete besonders relevant sind

- Gießbarkeit
- Spanbarkeit

Schweiß- und Lötbarkeit Reflexionsvermögen

In den nächsten Abschnitten werden die speziellen Einsatzgebiete von Aluminium entsprechend Tabelle 2-2 näher erläutert, wobei dem Transport- und Verkehrswesen besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird, da Aluminium in diesem Anwendungsbereich zunehmend auch in der Konstruktion zum Einsatz kommt.

sehr wichtig
erwünscht

2.1.2.1 Transport- und Verkehrswesen

Die Anwendungsbereiche von Aluminium im Transport- und Verkehrswesen sind Personenkraftwagen, PKW-Anhänger, Zweiradfahrzeuge (u.a. Fahrradkomponenten), Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Schiffund Bootsbau sowie die Luft- und Raumfahrt.

Automobilbau

Durch den Einsatz von Aluminium im Automobilbau (z.B. in Form von Aluminium-Motoren, -Zylinderköpfen, -Kolben oder -Karosserie) kann durch die damit verbundene Gewichtsersparnis eine bessere

Fahrleistung, weniger Treibstoffverbrauch und dadurch ein geringerer Schadstoffausstoß erreicht werden. Als Mittelwert wird für die vorhandene Aluminiummenge in europäischen Pkws im Produktionsjahr 1995 60 bis 65 kg angegeben, das sind je nach Größe des Pkw zwischen 2% und 15% der Leermasse. Das bedeutet eine Steigerung des mittleren Aluminiumverbrauchs von etwa 10 kg pro Pkw in den letzten 5 Jahren. Aluminium wird in Pkws hauptsächlich in Form von Gußteilen verwendet (zu 82%), einen geringeren Anteil haben Bleche und Strangpreßprofile (zu je 8%) und Schmiedeteile (zu 2%).

Der „ Porsche 928 “ (Abbildung 2-2) war ein Vorreiter der Aluminiumanwendung in der Serienfertigung. Der Aluminiumanteil entspricht mit 300 kg rund 20% der Wagenleermasse.

Das erste Ganzaluminiumauto ist das Modell „ Audi A8 “ (Abbildung 2-3) vom deutschen Hersteller Audi. Der Aluminiumanteil macht mit 550 kg annähernd 35% der Wagenleermasse aus. Bei diesem Modell kommt das sogenannte Space-Frame-Konzept zur Anwendung, bei dem ein räumlicher Rahmen aus Aluminium-Strangpreßprofilen mit Gußknoten an den Verbindungsstellen als tragende Struktur eingesetzt wird (Abbildung 2-4). Bei vergleichbarer Steifigkeit ist diese Aluminium Karosserie gegenüber der aus Stahl um 38,5% leichter.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-2: Beim Porsche 928 entspricht der Aluminiumanteil rund 20% der Wagenleermasse (Porsche /22/)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-3: Beim Audi A8 entspricht der Aluminiumanteil rund 35% der Wagenleermasse (Audi /23/)

Abbildung 2-4: Space- Frame-Konzept: Aluminium-Karosserie des Audi A8 (Audi /23/)

Luft- und Raumfahrt

Längerfristig ist abzusehen, daß Leichtmetall (neben Aluminium auch Titan) der wichtigste Werkstoff für die Flugzeugzelle bleibt, obwohl die massesparenden kohlefaserverstärkten Kunststoffe, die jedoch mit Mehrkosten verbunden sind, zunehmend Aluminium ersetzen, und zwar sowohl in Sekundärstrukturen (wie z.B. Höhen-, Seitenruder und Fahrwerksklappen) als auch in Primärstrukturen (wie Landeklappen, Höhen- und Seitenleitwerken). Der Leichtbau mit spezifisch leichten Werkstoffen der Flugzeugzelle ist sowohl eine technische als auch wirtschaftliche Notwendigkeit.

Am Beispiel des Airbus A 310 (Abbildung 2-5, Abbildung 2-6) wird die Zellenbauweise moderner Großraumflugzeuge deutlich: Für ermüdungskritische Baugruppen (Flügelunterseite und Rumpfbeplankung) werden schadenstolerante und für Flügeloberseite und Versteifungen hochfeste Legierungen der Gattungen AlCuMg und AlZnMgCu verwendet. Flügelkästen und Teile der Flügel- und Rumpfhaut werden einschließlich ihrer Aussteifungen aus Platten oder Freiformschmiedestücken herausgefräst, ebenso Spanten und Verstärkungsteile. Weite Teile des Rumpfs bestehen aus Blechen, die mit den Aussteifungen teils vernietet, teils verklebt sind. Aluminium- Schmiedestücke werden in unterschiedlichen Größen für Rumpfspante, Fenstereinfassungen, Anschlußknoten, Fahrwerksteile, aber auch für die Räder des Fahrwerks verwendet. Gesenkschmiedestücke werden noch spanend „verjüngt“; das Verhältnis zwischen der für den Bau des Flugzeugs insgesamt benötigten Halbzeugmasse und der tatsächlich eingebauten Aluminiummasse kann sehr groß sein (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S. 599f /4/).

Am Beispiel des Airbus A 310 (Abbildung 2-5, Abbildung 2-6) wird die Zellenbauweise moderner Großraumflugzeuge deutlich: Für ermüdungskritische Baugruppen (Flügelunterseite und Rumpfbeplankung) werden schadenstolerante und für Flügeloberseite und Versteifungen hochfeste Legierungen der Gattungen AlCuMg und AlZnMgCu verwendet. Flügelkästen und Teile der Flügel- und Rumpfhaut werden einschließlich ihrer Aussteifungen aus Platten oder Freiformschmiedestücken herausgefräst, ebenso Spanten und Verstärkungsteile. Weite Teile des Rumpfs bestehen aus Blechen, die mit den Aussteifungen teils vernietet, teils verklebt sind. Aluminium- Schmiedestücke werden in unterschiedlichen Größen für Rumpfspante, Fenstereinfassungen, Anschlußknoten, Fahrwerksteile, aber auch für die Räder des Fahrwerks verwendet. Gesenkschmiedestücke werden noch spanend „verjüngt“; das Verhältnis zwischen der für den Bau des Flugzeugs insgesamt benötigten Halbzeugmasse und der tatsächlich eingebauten Aluminiummasse kann sehr groß sein (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S. 599f /4/).

Auch in der Raumfahrt hat sich Aluminium als bedeutender Werkstoff bewährt, sowohl bei Raumfahrzeugen (Satelliten, Raumstationen, Experimentiergerät) selbst als auch bei deren Trägerraketen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-5 : Airbus A 310 (Lufthansa /24/)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-6: Baugruppen der tragenden Struktur des Airbus A 310

Ein Beispiel dafür ist der in der USA entwickelte wiedereinsetzbare Raumtransporter „ Space Shuttle “ (Abbildung 2-7) mit dem in Europa entwickelten Raumlabor „ Space Lab “ an Bord, das für Forschungen in der Erdumlaufbahn vorgesehen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-7: Raumfähre „Space Shuttle“ mit dem Raumlabor „Space Lab“ an Bord

Schienenfahrzeugbau

Der Vorteil des Einsatzes von Aluminium aus Gründen der Gewichtsersparnis für den Nahverkehr liegt in höherer möglicher Geschwindigkeit, besserer Beschleunigung und kürzerem Bremsweg. Für U-Bahn und Nahverkehrsprojekte werden Aluminiumwagenkästen in dafür optimal gestalteter Großstrangpreßprofilbauweise hergestellt, womit Fertigungsarbeit eingespart wird.

Besser für den Fernverkehr ist der spantenlose Wagenkasten. Diese Konstruktion ist deshalb möglich, weil nicht viele Türen notwendig sind. Sie besteht vollständig aus längslaufenden Profilen, der Fertigungsaufwand ist gegenüber herkömmlichen Wagenkästen nochmals deutlich gesenkt. Vertreter dieser Bauart sind zum Beispiel TGV Duplex, Pendolino oder ICE 2 (Abbildung 2-8).

Schiff- und Bootsbau

Im Schiffbau können durch den Einsatz von Aluminium-Werkstoffen durch die Gewichtsersparnis hohe Geschwindigkeiten erreicht werden. Sie werden z.B. bei Luftkissenfahrzeugen und „schnellen Fähren“ verwendet. Aufbauten und Deckshäuser aus Aluminium werden wegen des Stabilitätsgewinnes häufig bevorzugt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-8: ICE 2: Konstruktion mit spantenlosem Wagenkasten (DB /25/)

Ganz aus Aluminium konstruiert werden unter anderem Seenotrettungs-
und Zollkreuzer, Wasserschutzpolizei- und Lotsenboote, Motor- und Segelyachten sowie Tragflügelboote (jeweils zwischen 30 und 60 m). In großen Passagierschiffen, die in den 50er und 60er Jahren gebaut wurden, z.B. in der „ United States “ (Abbildung 2-9) „ Norway “ und „ Queen Elisabeth II “, wurden bis zu 2000 t Aluminium in den

Decksaufbauten eingesetzt. Bei der„ United States “ konnte dadurch ohne Stabilitätsverlust ein zusätzliches Passagierdeck eingebaut werden. Ähnliche Größenordnungen erreichen die Ein- und Aufbauten in amerikanischen und französischen Flugzeugträgern.

Im Bootsbau gewinnt Aluminium für den Einsatz im Rumpf bei Einzel- und Serienanfertigungen zunehmend an Bedeutung, weil die mögliche Leichtbauweise, die hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Seewasser und somit auch der geringe Wartungsaufwand den Einsatz von Aluminium rechtfertigen. Anodisch oxidierte Aluminiumsegelmasten und -bäume haben solche aus Holz schon fast völlig verdrängt. Üblich sind z.B. auch Aluminiumfenster und -türrahmen auf Kajütenbooten, Handläufe, Relings, Leisten, Badeleitern und Beschläge aller Art (Aluminium- Zentrale (Hrsg.), S. S. 550f, 569f, 589ff; 597 ff /4/; Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S. 625 /5/).

2.1.2.2 Verpackung

Die heutigen Anforderungen an einen Verpackungswerkstoff werden von Aluminium erfüllt. Sie bestehen im wesentlichen aus ökonomischen Herstellungskosten, dem Verpackungsnutzen und der ökologischen Vertretbarkeit, die die Bedeutung der Wiederverwertbarkeit von Aluminium unterstreichen. Aluminium ist wegen seiner günstigen Eigenschaften ein unentbehrlicher Verpackungswerkstoff vor allem für Lebensmittel und Pharmaka geworden, aber auch für Getränke, Kosmetika, Tabakwaren, Laborchemikalien, agrochemische Produkte, Dichtungsmassen und Kleber.

Es kommt in Form von dünnen Bändern und Folien, Kapseln und Schraubverschlüssen, Nahrungsmittel- und Getränkedosen (Abbildung 2-10), Tuben und Aerosoldosen zur Anwendung (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S. 688ff /4/; Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S. 615, 617f /5/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-9: Im ersten amerikanischen 53000-t- Schiff „ United States “ wurden 2000 t Aluminium in den Decksaufbauten eingesetzt (Popp, S. 77 /6/)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-10: Getränkedosen aus Aluminium (EAA /26/)

2.1.2.3 Elektrotechnik

Aluminium und seine Legierungen werden in der Elektrotechnik als Leitmaterial vor allem wegen ihrer elektrischen und thermischen Leitfähigkeit verwendet. Als Konstruktionswerkstoff werden sie z.B. für Schaltanlagen, Freileitungsmasten, Gehäuse für Motoren und Schalter usw. eingesetzt (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S. 612 /4/).

2.1.2.4 Maschinenbau

Der Maschinenbau stellt einen der wichtigsten Industriezweige dar. Es werden Maschinen für die Herstellung, Verarbeitung, Verpackung und den Transport von Waren aller Art aus Aluminium erzeugt. Eine klare Abgrenzung zu maschinenbaulichen Teilen im Fahrzeugbau, der Verfahrenstechnik oder der Elektrotechnik ist nicht immer möglich.

2.1.2.5 Bauwesen

In den letzten Jahren ist der Verbrauch von Aluminium im Bauwesen ständig gestiegen. Es wird im Bauwesen hauptsächlich in Form von Strangpreßprofilen verwendet, den geringeren Anteil haben Walzprodukte und Gußteile.

Die vielfältigen Verwendungsbereiche von Aluminium im Bauwesen sind in Tabelle 2-3 aufgelistet. Stark verbreitet sind Bausysteme für Fenster, Türen, Fassaden und Wandbekleidungen, also Produkte, die unter den Sammelbegriff Aluminium in der Architektur fallen. Diese werden in Kapitel 4 (Anwendung in der Architektur) genauer behandelt (Koser J., S.52ff /7/).

Tabelle 2-3: Verwendungsbereiche von Aluminium im Bauwesen (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S. 655ff /4/)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-11 zeigt die Entwicklung des Aluminiumverbrauchs im Bauwesen am Beispiel der Bundesrepublik Deutschland im Zeitraum von 1960 bis 1996. In der BRD betrug der Anteil des Bausektors am Gesamtaluminiumverbrauch 1996 15%. Insgesamt wurden 2,1 Mio. Tonnen Aluminium verbraucht, das entspricht einem Verbrauch von 24,0 kg pro Einwohner (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.655 /4/; Aluminium-Zentrale, S.1032 /27/; EAA /83/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-11: Aluminiumverbrauch im Bauwesen in der BRD von 1960 bis 1996

2.1.3 Anwendung von Aluminiumprodukten in Österreich

Die Verteilung der Anwendung von Produkten aus Aluminium in Österreich ist in Tabelle 2-4 erkennbar. Der Aluminiumverbrauch lag in Österreich 1996 bei 21,3 kg pro Einwohner (Aluminium-Fenster-Institut (Hrsg.), S.18 /1/; EAA /83/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-4: Verteilung der Anwendung von Produkten aus Aluminium in Österreich

2.1.4 Geschichte des Aluminiums im Bauwesen, der Architektur und Kunst

Die Verwendung von Aluminium im Bauwesen begann mit Ende des 19. Jahrhunderts. So wurden z.B. 1884 die Spitze des Washington- Monuments und 1893 die Eros-Statue auf dem Picadelly-Circus in London (Abbildung 2-12) als Gußstücke aus Aluminium gefertigt.

Das wesentliche Anwendungsgebiet war ab diesem Zeitpunkt jedoch die Dachdeckung. Die ersten Beispiele dafür sind die Kuppeln der Kirche San Gioacchino von 1897 (Abbildung 2-13) und das Dach des Tempio Israelitico von 1903 in Rom, die heute noch intakt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-12: Gußstück aus Aluminium: Eros-Statue in London, 1893 (Foto: Die erste Aluminium-Fassade wurde 1893 an einem Stahlskelett— Jakob Edlbacher)

Hochhaus in Chicago montiert (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.5 ff /2/). Zu den ersten österreichischen Anwendungsbeispielen zählt die Fassade der Postsparkasse Georg-Coch-Platz 2 in Wien von Otto Wagner (Abbildung 2-14), die 1911 mit Einsatz von damals modernsten Materialien, nämlich Aluminium und Glasbaustein, gestaltet wurde (Magistrat der Stadt Wien (Hrsg.), S.74 /10/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-13: Kuppel aus Aluminium für die Kirche San Gioacchino in Rom, 1897

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-14: Otto Wagner, Österreichisches Postsparkassenamt in Wien, 1903-1912: Fassade mit Aluminium (Foto: Silvia Edlbacher)

E.H. Burnett, H. Burnham und J.A. Holabird planten 1933 das „Travel and Transport Building“ (Abbildung 2-15) für die Ausstellung „A Century of Progress“ in Chicago, bei dem diese ebenso wie die anderen Entwerfer von Chicagos Jahrhundertausstellung Aluminium, farbiges

Glas und andere technische Neuerungen des Bauwesens (z.B. Bakelit) verwendeten.

Seit der Entwicklung des Verfahrens der anodischen Oxidation in den vierziger Jahren wurden auch Schaufensterrahmen, Eingangstüren, Gitter, Geländer und Beschläge für Fenster und Türen aus Aluminium gefertigt. Erst seit dem Zweiten Weltkrieg wurde Aluminium zu einem Baustoff, der in der Architektur größeren Stellenwert findet, nicht zuletzt wegen seiner vielseitigen Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich Form, Farbe und Struktur.

Richard Neutra verwendete 1946 beim Haus Kaufmann in Palm Springs in Kalifornien unter anderem drehbare Lamellen aus Aluminium (Abbildung 2-16, Abbildung 2-17), die den Sitzplatz im Freien vor Sonne und Sand schützen (G ö ssel/ Leuth ä user, S. 222 /9/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-15: E.H. Burnett, H. Burnham und J.A. Holabird, Travel and Transport Building auf der Ausstellung „A Century of Progress“ in Chicago, 1933: Aluminiumprofile als technische Neuerung (G ö ssel/ Leuth ä user, S. 211 /9/)

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Abbildung 2-16: Richard Neutra, Haus Kaufmann in Palm Springs, California: Aluminiumlamellen als Sonnenschutz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-17: Richard Neutra, Haus Kaufmann in Palm Springs, California: Ansicht vom Pool

Anläßlich des 100. Geburtstages von Aluminium entwarf der Franzose Jean Prouve 1954 einen Ausstellungspavillon für den linken Seine-Quai in Paris (Abbildung 2-18). Mit diesem Bau wollte die französische Regierung die wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten für den Werkstoff zeigen, nämlich Blechumformung, Strangpressen und Gießen. Der Pavillon entstand in enger Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum der Aluminiumindustrie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-18: Jean Prouve, Ausstellungspavillon anläßlich des 100. Geburtstages von Aluminium in Paris, 1954: elementierte Konstruktion aus Aluminium (Forsthuber, S.41 /11/)

Die elementierte Dachkonstruktion (Spannweite ca.15m) besteht aus 114 Trägern aus Aluminiumblech, die über Formteile aus Aluminiumguß miteinander verbunden sind. Diese Träger bilden zugleich Regenrinnen (Abbildung 2-19).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-19: Jean Prouve, Ausstellungspavillon anläßlich des 100. Geburtstages von Aluminium in Paris, 1954: Detail der Konstruktion aus Aluminium

1954-58 wurde das Seagram Building von Mies van der Rohe und Philip Johnson in New York errichtet (Abbildung 2-20), dessen Fassade aus einer Kombination von Rauchglas und schwarzem Aluminium besteht (Carstens und Ollrogge, S.383 /12/).

Hans Hollein gestaltete 1964/65 ein Kerzengeschäft am Kohlmarkt 8-10 in Wien (Abbildung 2-21) hauptsächlich aus Aluminium. Er verzichtete hierbei auf sämtliche organische Materialien (Magistrat der Stadt Wien (Hrsg.), S.79 /10/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-20: Mies van der Rohe mit Philip Johnson, Seagram Building, New York, 1954-58

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-21: Hans Hollein, Kerzengeschäft in Wien, 1964/65: Aluminiumfassade (Foto: Silvia Edlbacher)

Mit einem 330 Meter langen Baukörper am Fuß der Rocky Mountains, dessen Fassaden mit Aluminium-Platten und verspiegelten Scheiben verkleidet sind (Abbildung 2-22), gewannen The Architects Collaborative Inc. den Wettbewerb für die Hauptverwaltung der

Weltfirma Johns-Mainville in Jefferson County, Colorado Leuth ä user,(Gössel/ S. 304 /9/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-22: The Architects Collaborative Inc., Hauptverwaltung von Johns-Mainville in Jefferson County, Colorado, 1973-76: Fassade aus Aluminiumplatten

Architects Collaborative Inc., Hauptverwaltung von Johns-Mainville in Jefferson County, Colorado, 1973-76: Fassade aus Aluminiumplatten Außergewöhnliche Aluminiumtore für die Westfassade eines Fabriksgebäudes der Firma Ernsting in Coesfeld/Lette (Abbildung 2-23) gestalteten Santiago Calatrava, Bruno Reichlin und Fabio Reinhart. Diese jeweils dreizehn mal fünf Meter großen Aluminiumtore werden beim Öffnen durch die kurvenförmige Anordnung der Scharniere zu eigenwillig geformten Vordächern (G ö ssel/ Leuth ä user, S. 336 /9/).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-23: Santiago Calatrava, Bruno Reichlin und Fabio Reinhart, Fabriksgebäude der Firma Ernsting in Coesfeld/Lette, 1980-1986: Aluminiumtore in der Westfassade

1984 entwarfen Arup Associates die „International Garden Festival Hall“ für eine Gartenbauausstellung in Liverpool, deren halbkugelförmige Kuppeln an den Schmalseiten mit Aluminium gedeckt sind (Abbildung 2-24, Abbildung 2-25). Diese Halle sollte später ohne Schwierigkeiten in ein Sportzentrum mit Schwimmbad umzuwandeln sein Leuth ä user, S. 336f /9/). (G ö ssel/

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Abbildung 2-24: Arup Associates, International Garden Festival Hall in Liverpool, 1984: halbkugelförmige Aluminiumkuppeln an den Schmalseiten

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Abbildung 2-25: Arup Associates, International Garden Festival Hall in Liverpool, 1984: Ansicht

2.2 Herstellung, ökologische Eigenschaften

In den folgenden Abschnitten wird der Lebenszyklus von Aluminium von den Rohstoffvorkommen, dem Prozeß der Gewinnung, dem Aufbau verschiedener Legierungen bis zur Wiederverwertung von Alt- bzw. Reststoffen und -produkten behandelt. Weiters wird ein Überblick über die ökologischen Eigenschaften von Aluminium gegeben.

2.2.1 Aluminiumkreislauf

Bauxit ist das Ausgangsmaterial für die Produktion von Aluminium. Es hat etwa folgende Zusammensetzung: bis 60% Aluminiumoxid (Tonerde Al2O3), bis 25% Eisenoxid (Fe2O3), bis 7% Siliziumoxid (Kieselsäure SiO2), bis 8% diverse Verunreinigungen (z.B. Titanoxid TiO2). In der Aluminiumhütte wird Aluminiumoxid mittels Schmelzflußelektrolyse zu Hüttenaluminium reduziert. In der Hüttengießerei wird das Hüttenaluminium entweder legiert oder unlegiert zu Formaten (Walzbarren und Preßbolzen) und Masseln gegossen. Die Formate werden im Halbzeugwerk zu Halbzeugen umgeformt (z.B. durch Strangpressen, Ziehen, Walzen), die Masseln werden in der Formgießerei eingeschmolzen und zu Gußteilen weiterverarbeitet.

Halbzeuge (Profile, Bänder, Bleche, Folien) werden schließlich zu Aluminiumprodukten weiterverarbeitet.

Bei jeder Produktionsstufe von Aluminium fallen Reststoffe an. Sie werden ebenso wie Altprodukte im Umschmelzwerk wiederverwertet. Dieses umgeschmolzene Aluminium wird als Knet- oder Gußlegierung ins Halbzeugwerk bzw. in die Formgießerei transportiert und wie das Primärmaterial verarbeitet.

Abbildung 2-26 zeigt den geschlossenen Aluminiumkreislauf.

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Abbildung 2-26: Der geschlossene Aluminiumkreislauf (Aluminium-Fenster-Institut (Hrsg.), S.103f /1/)

2.2.2 Rohstoffvorräte

Aluminium ist mit 8% das dritthäufigste Element der Erdkruste, und somit nach Silizium das zweithäufigste Metall (Abbildung 2-27).

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Abbildung 2-27: Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste (Aluminium Initiative Austria (Hrsg.), S.3 /8/)

Da Aluminium eine starke Neigung hat sich mit anderen Elementen zu verbinden, kommt es in der Natur nur gebunden vor. Die wichtigste Ausgangsverbindung aus der Reinaluminium gewonnen werden kann, ist die Sauerstoffverbindung Al2O3 - Aluminiumoxid. Als Rohstoff für die industrielle Produktion von Aluminium dient das Gestein Bauxit, dessen Aluminiumoxid-Anteil häufig mehr als 50% beträgt (Aluminium Initiative Austria (Hrsg.), S.3 /4/; Koser, S.14 /7/).

2.2.2.1 Bauxit

Bauxite sind aluminiumreiche Verwitterungsprodukte

aluminiumsilikatischer Muttergesteine. Sie kommen dort vor, wo in früheren geologischen Zeiträumen hohe Temperaturen und starke Regenfälle das Klima bestimmten. Die Weltvorräte an Bauxit sind außerordentlich groß. Nach einer Schätzung von 1994 liegen sie bei etwa 140 Mrd. Tonnen. Alle bedeutenden Bauxitlagerstätten - zu etwa 90% - befinden sich in der Nähe des Äquators. Hauptfördergebiete sind Australien, Afrika, Jamaika und Brasilien (Abbildung 2-28, Tabelle 2-5). Neue Bauxitvorkommen wurden beispielsweise in China und Pakistan gefunden (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.14ff /3/; Aluminium Initiative Austria (Hrsg.), S.3 /4/).

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Abbildung 2-28: Regionale Verteilung der abbauwürdigen Bauxitvorkommen (Stand 1994, Angaben in Mio. t)

Weltproduktion von in 1000 t in % Bauxit

Tabelle 2-5: Abbau von Bauxit nach Ländern 1995

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In Europa gibt es auch heute noch Bauxit-Abbaugebiete (das Bauxiterz ist nach dem französischen Ort Les Baux benannt, wo es 1821 entdeckt wurde). Sie liegen in Griechenland, Ungarn, Frankreich und der Türkei. Während in Europa früher hauptsächlich schwerer aufschließbare französische und südosteuropäische Bauxite verarbeitet wurden, versorgen sich die westeuropäischen Bauxitfabriken überwiegend mit importierten, leichter aufschließbaren tropischen Bauxiten.

Die jährliche Produktion 1996 von Aluminiumoxid nach Ländern nach Schätzung der IPAI (International Primary Aluminium Institute), London, ist in der Tabelle 2-6 ablesbar (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.6f /3/).

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Tabelle 2-6: Jährliche Produktion von Aluminiumoxid nach Ländern 1996 nach Schätzung der IPAI

2.2.2.2 Alternative Aluminiumrohstoffe

Die westlichen Industriestaaten, die über keine oder nur unzureichende eigene Bauxitvorkommen verfügen, haben als Ausweichmöglichkeit riesige einheimische Vorkommen an potentiellen alternativen Aluminiumrohstoffen aufzuweisen, vornehmlich in Form von Aluminiumsilikaten (Tone, Steinkohle-Waschberge, Anorthosit). Die Gewinnung von Aluminiumoxid aus diesen Armerzen mit 10 bis 20 Masse-% Aluminium, die ein Rohstoffpotential für die Zukunft darstellen, ist technisch möglich, bis heute aber nicht wirtschaftlich durchführbar.

2.2.3 Prozeß der Aluminiumgewinnung

2.2.3.1 Primäraluminium

Aluminium, das mit einem Reinheitsgrad von 99,5 bis 99,9 % in Aluminiumhütten durch Schmelzflußelektrolyse oder andere Verfahren in Form von Masseln, Granalien oder Grieß gewonnen wird, nennt man Primär- oder Hüttenaluminium. Es wird heute weltweit in einem zweistufigen Prozeß erzeugt (Abbildung 2-29).

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Abbildung 2-29: Einsatzstoffe und Prozeßschema für die elektrolytische Aluminiumgewinnung (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.13 f /3/)

In der Oxidfabrik wird aus Bauxit durch Aufschluß des Rohstoffes mit aluminathaltiger Natronlauge (NaOH) und Fällung von Aluminiumhydroxid [Al(OH)3] aus der Lösung durch Impfkristallisation reines Aluminiumhydroxid isoliert. Dieses wird durch Glühen bei 1200!C in wasserfreies Aluminiumoxid verwandelt (Bayer-Verfahren). II.Stufe:

In der Aluminiumhütte erfolgt die Gewinnung des Hüttenaluminiums durch Schmelzflußelektrolyse des in einer Schmelze aus Kryolith (Na3AlF6) gelösten reinen Aluminiumoxids (nach dem Hall-Heroult- Prinzip).

Für besondere Anwendungen wird eine höhere Metallreinheit gefordert. Hüttenaluminium hat aber nur einen Reinheitsgrad von 99,5 bis 99,9 %. Durch die sogenannte Dreischichten-Raffinationselektrolyse kann unmittelbar aus Hütten- oder Rücklaufaluminium Aluminium mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99,98 % gewonnen werden, das sogenannte Reinstaluminium. Durch horizontales Zonenschmelzen sind noch höhere Reinheiten erzielbar (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.28ff /3/; Wesche, S.187 /14/; Holleman & Wiberg /82/).

2.2.3.2 Sekundäraluminium

Aluminium-Legierungen, die in Schmelzwerken aus Abfällen und Schrott hergestellt werden, werden als Sekundäraluminium, Standardlegierungen, Blockmetall oder Umschmelzlegierungen bezeichnet.

Das Umschmelzen und Aufarbeiten von Alt- und Produktionsreststoffen ist von zunehmender Bedeutung. Sekundärlegierungen benötigen zu ihrer Herstellung nur 5% der zur Primäraluminiumerzeugung notwendigen Energie. Derzeit decken sie 30% des Gesamtbedarfs an Aluminium (Abbildung 2-30), vorwiegend als Gußlegierungen für Aluminiumformgußstücke, zunehmend auch in Form von Knetlegierungen für Halbzeuge. Produkte sind Masseln, Barren, Granalien, Grieß (Wesche, S.187 /14/; Koser, S.28 /19/).

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Abbildung 2-30: Abdeckung des Gesamtaluminiumbedarfs durch Primär- und Sekundäraluminium (weltweit)

2.2.4 Zusammensetzung verschiedener Legierungen

Die technologischen bzw. mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Aluminium können durch Legierungszusätze, Kaltverfestigung und Wärmebehandlungen gezielt verändert werden. Dabei wird in Kauf genommen, daß durch die Verbesserung einer bestimmten Eigenschaft eine oder mehrere andere Eigenschaften verschlechtert werden können. Die richtige Werkstoffauswahl für einen bestimmten Einsatzzweck ist deshalb eine Optimierungsaufgabe.

Legierungen unterscheidet man gemäß der Weiterverarbeitung (Umformmethode) nach Guß- und Knetlegierungen. Die Knetlegierungen werden durch Walzen, Strangpressen und Ziehen zu Halbzeugen weiterverarbeitet. Daher ist für ihre Zusammensetzung besonders die Warm- und Kaltverformbarkeit bestimmend. Die Gußlegierungen werden durch Sand-, Kokillen- oder Druckguß zu Werkstücken geformt. Somit ist für ihre Zusammensetzung die Verbesserung von Gießbarkeit und Formfüllungsvermögen entscheidend. Gußlegierungen weisen mit ca. 10-12% deutlich höhere Legierungsgehalte auf als Knetlegierungen (1-2%).

Innerhalb dieser zwei Kategorien gibt es noch den Unterschied zwischen naturharten, aushärtbaren und nicht aushärtbaren Legierungen. Die Aushärtung der Aluminiumlegierungen besteht aus drei Stufen, nämlich Glühen, Abschrecken und Altern. Anders als beim Stahl setzt die Härtezunahme erst ein, wenn der abgeschreckte Werkstoff eine Zeit lang lagert. Die Kaltaushärtung ist eine Auslagerung bei Raumtemperatur, die Warmaushärtung erfolgt bei etwa 150!C. Die Aushärtung kann beliebig oft wiederholt werden.

Hauptlegierungselemente sind Kupfer (Cu), Silicium (Si), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Mangan (Mn). In kleineren Mengen sind oft Verunreinigungen oder Zusätze enthalten, z.B. Eisen (Fe), Chrom (Cr), Titan (Ti) (Abbildung 2-31). Für Sonderlegierungen werden z.B. Silber (Ag) oder Kobalt (Co) zugesetzt (Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.79,115,435 /3/; Koser, S.11 /7/; Wendehorst, S.96f /20/).

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Abbildung 2-31: Schematischer Aufbau der Aluminiumknet- und Gußlegierungen

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