Kreislauffähigkeit des Elektro-Antriebsstrangs durch intelligente Demontage und Nachverfolgung (ZirkulEA)

Problemstellung
Eine nachhaltige Elektromobilität erfordert, die im elektrischen Antriebsstrang gebundenen Ressourcen möglichst lange und hochwertig im Kreislauf zu halten. Besonders HV-Batterien und E-Achsen besitzen aufgrund ihres Materialwerts, ihrer technischen Komplexität und ihrer Relevanz für zukünftige Mobilität ein hohes Potenzial für zirkuläre Wertschöpfung. Gleichzeitig erschweren die Produktheterogenität, begrenzte Demontierbarkeit, unsichere Rücklaufmengen, unterschiedliche Produktzustände sowie fehlende Informationen über Nutzung und Historie der Komponenten eine wirtschaftliche industrielle Umsetzung von Reuse, Remanufacturing und Recycling. Zirkuläre Wertschöpfung erfordert daher nicht nur geeignete Demontageprozesse, sondern ein Zusammenspiel aus kreislaufgerechter Produktgestaltung, adaptiver Prozessführung, produktindividueller Nachverfolgung und organisationsübergreifendem Informationsaustausch.

Projektziel
Das Forschungsprojekt ZirkulEA verfolgte das Ziel, die Kreislauffähigkeit des elektrischen Antriebsstrangs durch intelligente Demontage, geeignete Planungs- und Steuerungsansätze sowie eine verbesserte Nachverfolgung von Produkten und Komponenten zu erhöhen. Hierzu wurden Produkt, Prozess und Ökosystem gemeinsam betrachtet. Im Mittelpunkt standen die Entwicklung demontagegerechter Gestaltungsgrundlagen, die prototypische Umsetzung automatisierter und manueller Demontagelösungen, die Erarbeitung von Entscheidungslogiken für geeignete Kreislaufstrategien sowie Konzepte für Traceability und Datenaustausch in zirkulären Wertschöpfungsnetzwerken.

Vorgehensweise
Im Projekt wurden automatisierte Demontageversuche an relevanten Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs durchgeführt und systematisch ausgewertet. Auf dieser Grundlage entstanden Demontagegraphen, Prozessanalysen und Anforderungen an zukünftige Produktgenerationen. Parallel wurden automatisierte und hybride Demontagekonzepte für Batterie und E-Achse entwickelt und anhand von Demonstratoren erprobt. Ergänzend wurden Assistenzsysteme und Mensch Technik Schnittstellen untersucht, um Mitarbeitende in komplexen Demontageprozessen gezielt mit Informationen zu unterstützen. Zur wirtschaftlichen Planung zirkulärer Prozesse wurden Entscheidungslogiken, Planungsansätze und simulationsbasierte Methoden entwickelt. Diese berücksichtigen typische Unsicherheiten der Kreislaufwirtschaft, insbesondere Menge, Zeitpunkt und Qualität von Rückläufern. Darüber hinaus wurden Datenbedarfe, Datenprodukte, Rollenmodelle und Anforderungen an Traceability Systeme abgeleitet. Data Spaces wurden als geeignete Infrastruktur für einen souveränen und kontrollierten Datenaustausch betrachtet und prototypisch erprobt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Das Projekt ZirkulEA zeigt auf, dass die Kreislauffähigkeit des elektrischen Antriebsstrangs nur durch eine integrierte Betrachtung von Produktgestaltung, Demontageprozess, Planung und Datenökosystem erreicht werden kann. Auf der Produktebene wurden bestehende Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs systematisch analysiert, Verbindungselemente und Demontagereihenfolgen dokumentiert sowie Demontagegraphen für die Bewertung der Prozessabfolge und Automatisierbarkeit erstellt. Daraus wurden Konstruktionsrichtlinien, Prozessrichtlinien und Werkzeugrichtlinien abgeleitet, die als Grundlage für ein demontagegerechtes Design zukünftiger EV-Komponenten dienen. Auf Prozessebene wurden verschiedene Demonstratoren für Batterie und E Achse aufgebaut, getestet und validiert. Für die Batteriedemontage wurden unter anderem Prozessmodule zum automatisierten Lösen ausgewählter Verbindungselemente entwickelt und in einen Demonstratorarbeitsplatz integriert. Für die E-Achse wurden manuelle, automatisierte und hybride Demontagekonzepte untersucht, bei denen Arbeitsinhalte zwischen Werker und Robotersystem aufgeteilt werden. Ergänzend wurden spezifische Werkzeuge und technische Lösungen entwickelt, beispielsweise für schwer zugängliche Verbindungselemente, das Handling von Bauteilen und die prozesssichere Entnahme einzelner Komponenten. Die Demonstratoren zeigen damit, welche Demontageschritte robust automatisierbar sind, in welchen Bereichen hybride Mensch Maschine Konzepte vorteilhaft sind und welche Anforderungen an Produktgestaltung, Werkzeugzugang, Prozessführung und Sicherheit bestehen. Ein weiterer wesentlicher Ergebnisbereich betrifft die Informationsbereitstellung im Demontageprozess. Im Projekt wurden Anforderungen an ein humanzentriertes Werkerassistenzsystem erarbeitet, das Mitarbeitende situationsabhängig mit relevanten Informationen unterstützt. Dazu zählen unter anderem die Identifikation des Produkts, die Bereitstellung passender Demontageanleitungen, die Erfassung von Prozessfortschritten, die Dokumentation von Zuständen und Schäden sowie die Visualisierung sicherheitsrelevanter Informationen. Damit wurde eine Grundlage geschaffen, um komplexe und variantenreiche Demontageprozesse effizienter, transparenter und prozesssicherer zu gestalten. Für die wirtschaftliche Planung und Steuerung zirkulärer Wertschöpfung wurden Entscheidungslogiken, simulationsbasierte Ansätze und Planungsmethoden entwickelt. Diese berücksichtigen zentrale Unsicherheiten der Kreislaufwirtschaft, insbesondere Rücklaufmenge, Rücklaufzeitpunkt und individuellen Produktzustand. Dadurch können Demontage und Folgeprozesse wie Reuse, Remanufacturing oder Recycling besser auf den tatsächlichen Zustand der Komponenten abgestimmt werden. Die Kopplung von Prozessdaten, Simulation und Planung ermöglicht es, unterschiedliche Szenarien zu bewerten und Demontagesysteme robuster auszulegen. Auf Ökosystemebene wurden Datenbedarfe, Datenprodukte und Rollenmodelle für den organisationsübergreifenden Informationsaustausch strukturiert. Ein Anforderungskatalog beschreibt zentrale Voraussetzungen für Traceability Lösungen in zirkulären Wertschöpfungsnetzwerken. Darüber hinaus wurden unterschiedliche Modelle des Datenaustauschs betrachtet und Data Spaces als technische Infrastruktur für einen souveränen, kontrollierten und interoperablen Informationsaustausch prototypisch erprobt. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund zukünftiger regulatorischer Anforderungen, etwa des Batteriepasses, relevant. Ergänzend entstanden Leitlinien, ein allgemein anwendbares Framework sowie eine Toolbox zur Gestaltung kreislauforientierter Wertschöpfungsnetzwerke. Diese unterstützen Unternehmen dabei, technische Anforderungen, Governance Strukturen, Anreizmechanismen und Geschäftsmodelllogiken systematisch miteinander zu verbinden. Das Anwendungspotenzial liegt damit nicht nur in der Automatisierung einzelner Demontageschritte, sondern in der industriellen Befähigung vollständiger Kreislaufsysteme: Unternehmen können Produktdesigns kreislauffähiger gestalten, Rückläufer zustandsabhängig bewerten, Demontageprozesse wirtschaftlich planen, produktindividuelle Informationen nutzbar machen und neue Geschäftsmodelle für Reuse, Remanufacturing und Recycling entwickeln. Die entwickelten Methoden, Demonstratoren und Leitlinien sind grundsätzlich auf weitere EV-Komponenten sowie auf andere komplexe technische Produkte übertragbar.

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