Wie Kreislaufwirtschaft für Elektromotoren und Batterien gelingen kann
Bereits seit 2021 beschäftigten sich in dem Projekt die Partner Volkswagen, Liebherr-Verzahntechnik Automationssysteme, Deckel Maho Pfronten, Ascon Systems, Arxum, Synergeticon, Fraunhofer IWU, Fraunhofer IST sowie federführend die TU Braunschweig mit der Frage, wie Elektroautos und deren Batteriesysteme möglichst vollständig zerlegt werden können. Ziel: Die dabei zurückgewonnenen Materialien den vier Prinzipien der Kreislaufwirtschaft zuzuführen, nämlich reparieren (repair), überholen (refurbish), wiederaufbereiten (remanufacture) und recyclen.
Bereits vor zwei Jahren haben wir eine Pilotanlage von Liebherr vorgestellt, die im Rahmen von ZIRKEL entwickelt wurde und der Demontage von Traktionsbatterien von E-Autos dient. Doch nun, wo das Projekt ausgelaufen ist, werden noch weitere Ergebnisse von ZIRKEL bekannt. Zentrale Erkenntnis: Schon ein Produktdesign, in dem eine spätere Zerlegung bereits mitgedacht wird, ist entscheidend. Außerdem benötigt es automatisierte, hocheffiziente Demontageprozesse zur Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe.
Ein Bereich, dem sich das Fraunhofer IWU in dem Projekt gewidmet hat, sind Elektromotoren. Sie bestehen 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 wichtiger.
Doch wie lassen sich gebrauchte Elektromotoren gut demontieren? Dafür entwickelte das Fraunhofer IWU einen adaptiven, robotergestützten Demonstrator für das automatisierte Lösen von Schraubverbindungen. Anstatt eines klassischen Industrieroboters kommt dabei ein Portalroboter zum Einsatz. Dieser kann mithilfe von Kameras und künstlicher Intelligenz Schrauben erkennen und lösen – auch wenn diese schmutzig oder abgenutzt sind. Das spart Zeit und Geld.
Demontage von VW-Motoren zur Entwicklung des Verfahrens
Um diesen robotergestützten Demonstrator zu entwickeln, wurden zunächst in einem mehrstufigen Workshop am Fraunhofer IWU in Chemnitz Hinterachs- und Vorderachsmotoren aus dem VW-Konzern demontiert, analysiert und die Prozessschritte dokumentiert. Dabei entstand eine detaillierte Demontageanleitung, die als Grundlage für die Definition automatisierter Prozesse diente. Die Erkenntnisse aus dem Workshop flossen im Anschluss in konkrete Designempfehlungen für kreislaufgerechte Konstruktionen ein – etwa zur Vereinheitlichung von Schraubverbindungen oder zur verbesserten Zugänglichkeit von Verbindungselementen im Demontagefall.
Ein besonderer Fokus galt dabei den im Rotor verbauten Neodym-Magneten, die mit dem Element Neodym einen der wertvollsten Rohstoffe für die Elektromobilität enthalten. Neodym-Magnete werden in Elektromotoren verwendet, weil sie eine hohe magnetische Leistung bei geringem Gewicht bieten. Diese Eigenschaft ermöglicht es, Elektromotoren kompakter, leichter und effizienter zu gestalten. Insbesondere in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und Windkraftanlagen, wo hohe Leistung und Effizienz wichtig sind, spielen Neodym-Magnete eine entscheidende Rolle.
Methode zur beschädigungsfreien Rückgewinnung von Neodym erarbeitet
Im Projekt wurden verschiedene Remanufacturing-Verfahren für das Neodym erprobt, etwa die mechanische Entnahme nach vorheriger Trennung des Blechpakets oder der gezielte Ausbau mittels hydraulischer Pressen. Dabei ist laut dem Fraunhofer IWU eine praxistaugliche Methodik zur möglichst beschädigungsfreien Rückgewinnung und Wiederverwendung der Magnete entstanden.
Zahlreiche im ZIRKEL-Projekt entwickelten Prozesse und Arbeitsschritte beschreiben nun den Weg von der CAD-gestützten Demontageplanung über eine automatisierte Schraubenerkennung bis hin zur experimentellen Wiederaufbereitung von Magnetmaterialien. Und wie bereits oben erwähnt: „Design for Recycling“ sollte ein integraler Bestandteil der Produktentwicklung sein, um Kreisläufe technologisch und wirtschaftlich schließen zu können.
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