Entwicklung und Validierung von innenbeschichteten Fittings aus Zinkknetlegierungen als energie- und ressourcenschonende Alternative zum Werkstoff Messing
Projektdurchführung
Stifterverband Metalle e. V.
Wallstr. 58/59
10179 Berlin
Zielsetzung
Messing ist seit Jahrzehnten der Standardwerkstoff für Fittings in der Trinkwasser- und Sanitärinstallation. Allein die vier größten deutschen Hersteller produzieren jährlich rund 500 Millionen Messingfittings, was einem Materialeinsatz von etwa 150.000 Tonnen entspricht. Die wirtschaftliche Bedeutung dieses Marktsegments ist enorm – ebenso wie die ökologischen und regulatorischen Herausforderungen.
Im Zentrum steht Blei: Als Bearbeitungshilfsstoff ist es in gängigen Legierungen wie CuZn40Pb2 (bis 2,2 % Pb) unverzichtbar für die wirtschaftliche Zerspanung, im Trinkwasserbereich jedoch zunehmend intolerierbar. Die EU-Trinkwasserrichtlinie (EU) 2020/2184 und die TrinkwV 2023 sehen ab dem 12. Januar 2028 einen verschärften Grenzwert von nur 5 µg/l Blei vor – ein Wert, den bleihaltige Standardlegierungen kaum einhalten können. Bleifreie Messingalternativen sind 30–50 % teurer und erhöhen den wirtschaftlichen Druck auf die Branche erheblich. Es besteht akuter Handlungsbedarf für eine tragfähige bleifreie Alternative.
Die Zinkknetlegierung ZnAl15Cu1Mg (ZEP1510) eröffnet hier eine vielversprechende Perspektive. Bereits im DBU-Vorprojekt EnerZINK (Az. 35420/01) wurde ihre umformtechnische Verarbeitbarkeit nachgewiesen. Gegenüber CuZn40Pb2 überzeugt der Werkstoff mit rund 33 % geringerem spezifischem Gewicht (5,7 vs. 8,47 g/cm³), deutlich niedrigeren Verarbeitungstemperaturen (250 °C statt über 750 °C) sowie einem erheblich kleineren Energie- und CO₂-Fußabdruck – rechnerisch bis zu 38 % CO₂-Einsparung pro verarbeitetem Volumen.
Eine werkstoffimmanente Einschränkung besteht jedoch: ZEP1510 enthält Aluminium, das in der TrinkwV mit einem Grenzwert von 200 µg/l reguliert ist, was eine direkte Trinkwasserzulassung des blanken Werkstoffs ausschließt. Der Gesetzgeber lässt jedoch zu, dass wasserberührende Innenflächen dauerhaft mit einer zugelassenen Schutzschicht versehen werden, die jeden direkten Kontakt zwischen Metall und Trinkwasser verhindert. Diesen Ansatz verfolgt das Vorhaben ZEP-Fittings: Ziel war die Entwicklung und Validierung innenbeschichteter Fittings aus ZEP1510 mit einer vollflächigen HDPE-Innenbeschichtung, eingebracht mittels Gasinnendrucktechnik (GIT). Das Ergebnis ist eine technisch robuste, wirtschaftlich attraktive und ökologisch überzeugende Alternative zu bleihaltigen Messingfittings.
Arbeitsschritte
Das Vorhaben war methodisch in eine übergeordnete Entwicklungsphase sowie die Bearbeitung zweier Modellgeometrien gegliedert, ergänzt durch Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit und eine Ökobilanzierung.
Entwicklungsphase
Die Potenzialanalyse basierte auf dem 5-Forces-Modell nach Porter, ergänzt um eine SWOT-Analyse und eine Risikobewertung. Anschließend erfolgte eine systematische Geometrieauswahl unter Berücksichtigung von Verbindungsarten, Nennweiten, Anwendungsfeldern und Recyclingfähigkeit. Für die Innenbeschichtung wurden ein Kriterienkatalog zur Werkstoffauswahl sowie ein Anforderungsprofil definiert. Aus dem Verfahrensvergleich ging die GIT als Favorit hervor.
Modellbauteil 1: Muffe
Die rotationssymmetrische Muffe bot die ideale Basis, um das GIT-Verfahren zu erproben und Prozessparameter zu ermitteln. Nach Konstruktion und FEM-Simulation baute Risse & Co. GmbH ein variables Pilotwerkzeug mit hydraulischen Schiebern, induktiver Heizung und zweiseitiger Gaseinleitung. Im Technikum von Wittmann Battenfeld folgten Abmusterungen mit systematischer Variation von Gasdruck, Maschinenparametern, Werkzeugtemperatur, Einlegerwerkstoff und Anschnittgeometrie. Da die klassische GIT-Teilfüllung keine reproduzierbar dünnen Restwanddicken erzielte, wurde die Projektiltechnik eingeführt: Ein Projektil aus gleichem Material wird per Gasinnendruck durch die plastische Schmelze geschossen und stellt die Wanddicke definiert ein.
Modellbauteil 2: T-Stück
Das T-Stück wurde als komplexere Geometrie gewählt, um die Übertragbarkeit des Verfahrens zu prüfen. Der Schmiedeprozess wurde per FEM mit temperatur- und dehnratenabhängigem Materialmodell für ZEP1510 ausgelegt. Die Versuche beim Metallpresswerk Hohenlimburg GmbH bestätigten bei rund 280 °C eine vollständige Formfüllung; ein 3D-Flächenvergleich mit der Messingreferenz belegte die maßliche Genauigkeit. Anschließend wurde ein Werkzeugeinsatz für die GIT-Innenbeschichtung gefertigt.
Recycling und Ökobilanz
Zur Trennbarkeit von HDPE und Zinkgrundkörper wurden thermische Trennversuche durchgeführt. In einem weiteren Versuch wurden ZEP1510 und HDPE gemeinsam bei 500 °C aufgeschmolzen, um die Werkstoffqualität des rückgewonnenen Metalls metallografisch zu beurteilen. Parallel wurde der CO₂-Fußabdruck nach ISO 14040/14044 berechnet. Auf Basis realer Halbzeugpreise (02/2026) entstand zudem eine Kostenabschätzung für eine Jahresproduktion von 75.000 Stück.
Ergebnisse
Markt- und Potenzialanalyse
Die Marktanalyse nach Porter bestätigte ein hohes Substitutionspotenzial für innenbeschichtete ZEP-Fittings. Der regulatorische Druck durch neue Bleigrenzwerte wirkt als Treiber, während volatile Kupferpreise und der wachsende Wettbewerb durch Kunststoffsysteme die wirtschaftliche Attraktivität der Hybridlösung unterstreichen. Die GIT-Innenbeschichtung schafft zugleich eine technologische Eintrittsbarriere gegen preisaggressive Importkonkurrenz.
Modellbauteil 1: Muffe
Zentrales verfahrenstechnisches Ergebnis ist eine vollflächige, lückenlose HDPE-Innenbeschichtung mit gleichmäßiger Wanddicke von 1,55–1,70 mm. Entscheidend war die Entwicklung der Projektiltechnik: Ein im Werkzeug eingelegtes Torpedo-Element wird per Gasinnendruck durch die plastische Schmelze geschossen und ermöglicht die reproduzierbare Einstellung dünner Restwanddicken. Mit klassischer GIT-Teilfüllung war dies trotz umfangreicher Parametervariation nicht erreichbar. Prüfungen bestätigten einen vollständigen, defektfreien Verbund über die gesamte Innenfläche.
Modellbauteil 2: T-Stück
Das Gesenkschmieden verlief erfolgreich: Simulation und Experiment stimmten gut überein, eine vollständige Kavitätsfüllung wurde bei 280 °C erreicht. Der 3D-Flächenvergleich mit der Messingreferenz zeigte nur geringe Abweichungen und bestätigt die maßliche Umsetzbarkeit. Bei den ersten Beschichtungsversuchen gelangen Formfüllung und Kernzugbewegung grundsätzlich; ein fehlender Gegendruck hinter dem Kernzugstempel verhinderte jedoch das planmäßige Zurückziehen. Eine zusätzliche Abdichtung an der identifizierten Stelle sollte in weiterführenden Arbeiten umgesetzt werden.
Recyclingfähigkeit
Im thermischen Trennversuch bei 230 °C/120 min konnten rund 70 % der HDPE-Masse vom ZEP-Grundkörper abgetrennt werden; Restablagerungen verblieben. Schmelzversuche bei 500 °C zeigten keine polymerbedingten Verunreinigungen im erstarrten Zinkgefüge. Die Ergebnisse deuten auf eine grundsätzliche Recyclingfähigkeit hin.
CO₂- und Kosteneinsparpotenzial
Der Product Carbon Footprint des T-Stücks beträgt 3,15 kg CO₂e für ZEP1510, gegenüber 5,41 kg CO₂e (CuZn40Pb2) und 6,30 kg CO₂e (CuZn21Si3). Treiber sind die niedrigere Dichte, die geringere Umformtemperatur und die energetisch günstigere Zinkgewinnung. Auch die Kostenanalyse bei 75.000 Stück/Jahr zeigt trotz Beschichtungsschritt einen klaren Vorteil: ZEP1510 ist rund 52 % günstiger als CuZn40Pb2 und 61 % günstiger als CuZn21Si3.
Öffentlichkeitsarbeit
1. Projektseite FH Südwestfalen: https://www.fh-swf.de/de/forschung___transfer_4/forschungsprojekte_1/forschungsprojekt.php
2. Pressemitteilung zur Auftaktveranstaltung (IDW Online): https://nachrichten.idw-online.de/2024/04/09/auftakt-zum-projekt-zep-fittings
3. Ergebnisvorstellung am 19.02.25 beim Netzwerk Produktionstechnologien HAW an der FH Südwestfalen: https://www.fh-swf.de/de/ueber_uns/presse/article_detail_preview_4245.php
4. Präsentation im AK „Werkstoffe" des Industrieverbands Massivumformung am 19.03.25: https://www.massivumformung.de/aktuelles/aktuelle-meldung/bericht-zum-treffen-des-ak-werkstoffe-am-19-maerz-2025-in-hagen
5. Fachartikel „Substitution von Messing durch Zink im Bereich der Sanitärindustrie mittels einer Kunststoffinnenbeschichtung", Trends der Kunststoffverarbeitung, Nr. 43, 04/2026, S. 11–14.
6. Öffentliche Abschlusskonferenz am 05.02.26 in Lüdenscheid (ca. 30 Teilnehmer): https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:7442525738194481152/
7. Veröffentlichung in Metals (MDPI), 27.03.2026: „Preliminary Investigations into Internally Coated Fittings Made from ZnAl15Cu1Mg (ZEP1510)", DOI: https://doi.org/10.3390/met16040372
8. Bewerbung um den Bundespreis Ecodesign 2026, Kategorie Konzept.
Fazit
Im Vorhaben ZEP-Fittings wurde ein hybrides Fittingkonzept aus der Zinkknetlegierung ZEP1510 und einer HDPE Innenbeschichtung als bleifreie Alternative zu Messingfittings für die Trinkwasserinstallation weiterentwickelt. Im Mittelpunkt stand, die wasserberührenden Innenflächen zuverlässig vom metallischen Grundwerkstoff zu trennen und die Umsetzbarkeit der Prozesskette zu belegen. Ergänzend wurden Recyclingaspekte betrachtet: Die Trennbarkeit von Grundkörper und Innenbeschichtung wurde als Grundlage für spätere Kreislaufpfade herausgearbeitet und zeigt einen Weg, das Konzept in Richtung Wiederverwendung bzw. stofflicher Rückgewinnung weiterzuentwickeln.
Auch Kosten, Energiebedarf und CO₂ relevante Größen wurden bewertet. Aus den werkstoff- und prozessbedingten Vorteilen ergab sich ein wirtschaftliches Einsparpotenzial gegenüber bleifreien Messingalternativen sowie eine deutliche Reduktion von Energieeinsatz und CO₂ Emissionen als wesentlicher Beitrag zur ökologischen Bewertung.
In der Sanitärindustrie besteht Bedarf an kostengünstigen bleifreien Lösungen, die zugleich Funktion, Dauerhaftigkeit und Zulassung erfüllen. Hybridsysteme mit innenbeschichteter Metallkomponente bieten hierfür großes Potenzial. Weiterer Forschungsbedarf besteht bei der Trinkwasserzulassung des Verbundsystems, bei Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit der Innenbeschichtung, vor allem bei komplexen Geometrien und Verbindungsbereichen, sowie bei der industriellen Qualifizierung der Recyclingpfade.