Reparieren (repair), überholen (refurbish), wiederaufbereiten (remanufacture) und recyclen sind Kernprinzipien der Kreislaufwirtschaft. Für einen schonenden Umgang mit Ressourcen sollten möglichst viele Rohstoffe und Bauteile in Produkten weiter- oder wiederverwendet werden. In der Praxis scheitert das oft daran, dass die Verfahren aufwändig und entsprechend teuer ist.
Wie es besser geht, zeigt das Industriekonsortium ZIRKEL am Beispiel von Elektromotoren und Hochvoltspeichern in Automobilen. Dazu gehören ein Produktdesign, in dem eine spätere Zerlegung bereits mitgedacht wird, und mit automatisierten, effizienten Demontageprozessen zur Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe.
Elektromotoren sind zentrale Komponenten der Elektromobilität. Ihr Innenleben besteht zu einem hohen Anteil aus gefragten Metallen wie Kupfer und Aluminium und Seltenen Erden wie Neodym. Deren Rückgewinnung wird angesichts wachsender Ressourcenknappheit und geopolitischer Abhängigkeiten immer essenzieller wird. Das vom Bund geförderte Projekt ZIRKEL entwickelte in den vergangenen dreieinhalb Jahren praxisnahe Lösungen für eine automatisierte Demontage und eine stoffliche Verwertung hochintegrierter Komponenten aus batterieelektrischen Fahrzeugen.
Ziel des Vorhabens war es, Demontage- und Remanufacturingprozesse technologisch so weiterzuentwickeln, dass selbst komplex aufgebaute Batteriespeichersysteme und Elektromotoren weitgehend automatisiert und damit wirtschaftlich rückgebaut werden können. Während ein Teil des Konsortiums sich dabei auf Hochvoltbatteriespeichersysteme konzentrierte, stand für das Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) der Elektromotor und seine stoffliche Wiederverwertung im Fokus. Dort wurde ein adaptiver, robotergestützter Demonstrator für das automatisierte Lösen von Schraubverbindungen verwendet. Statt eines klassischen Industrieroboters kommt ein Portalroboter zum Einsatz. Mithilfe maschineller Bildverarbeitung und KI-Algorithmen gelingt es dem System, Position und Zustand von Schraubverbindungen zu erkennen und gezielt zu lösen, was auch bei stark verschmutzten oder abgenutzten Komponenten funktioniert.
Den Ausgangspunkt bildete ein mehrstufiger Demontageworkshop am Fraunhofer IWU, bei dem Hinterachs- und Vorderachsmotoren aus dem Volkswagen-Konzern demontiert, analysiert und die Prozessschritte dokumentiert wurden. Dabei entstand eine detaillierte Demontageanleitung, die als Grundlage für die Definition automatisierter Prozesse diente. Die gewonnenen Erkenntnisse flossen direkt in konkrete Designempfehlungen für kreislaufgerechte Konstruktionen ein – etwa zur Vereinheitlichung von Schraubverbindungen oder zur verbesserten Zugänglichkeit von Verbindungselementen im Demontagefall.
Besonderes Augenmerk galt den im Rotor eingebauten Neodym-Magneten, die mit dem Element Neodym einen der wertvollsten Rohstoffe für die Elektromobilität enthalten. Im Projekt wurden verschiedene Remanufacturing-Verfahren erprobt, etwa die mechanische Entnahme nach vorheriger Trennung des Blechpakets oder der gezielte Ausbau mittels hydraulischer Pressen. Das Ergebnis ist eine praxistaugliche Methodik zur möglichst beschädigungsfreien Rückgewinnung und Wiederverwendung der Magnete. Zu den ZIRKEL-Partnern zählen unter anderem die Volkswagen AG, die Liebherr-Verzahntechnik GmbH Automationssysteme, das Fraunhofer Institut und federführend die TU Braunschweig.
Schon gewusst?
Die Gesamtmenge an Kupfer, die in einem typischen Elektrofahrzeug mit Batterie verwendet wird, beträgt rund 83 kg – etwa das Vierfache der Menge, die in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor verwendet wird.
