Experimentelle und numerische Untersuchung der Aufschlusszerkleinerung von Multi-Material-Strukturen zur Abschätzung der Recyclingfähigkeit

Im Rahmen einer ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft (engl. Circular Economy) hat das Recycling von Produkten am Ende ihrer Lebenszyklen das Potenzial, den Ressourcenverbrauch und klimaschädliche Umweltauswirkungen von Produktsystemen zu verringern. Für eine nachhaltige Etablierung von Recycling-Lösungen sind neben der Recyclingindustrie auch Produkthersteller bereits in der Konstruktionsphase mit einzubeziehen. Hierfür fehlt es derzeit jedoch meist an Methoden, um die Auswirkungen von Designentscheidungen auf die Recyclingfähigkeit abzuschätzen und zu optimieren (engl. Design-for-Recycling). Deshalb arbeiten wir an einem digitalen Modell, das die Bewertung der Recyclingfähigkeit schon im Produktentstehungsprozess ermöglichen soll. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Prozessschritt der Aufschlusszerkleinerung, da eine zunehmende Anzahl von Produkten, von Fahrzeugen bis Haushaltsgeräten, aus Multi-Material Strukturen bestehen. Hier müssen Verbindungen zwischen unterschiedlichen Materialien im Recycling meist wieder gelöst werden, um hohe Recyclingraten für alle verbauten Materialien zu erzielen. Dies erfolgt typischerweise mechanisch durch Zerkleinerungsprozesse.
Vor diesem Hintergrund wollen wir herausfinden, welche Parameter bereits während der Bauteilentwicklung beeinflussbar sind, um den Materialaufschluss bei der mechanischen Aufbereitung zu optimieren, ohne dabei Funktion und Lebensdauer der Struktur in der Nutzungsphase zu beeinträchtigen. Dazu haben wir zum einen Zerkleinerungsexperimente von Prüfkörpern aus der Automobilbranche in einem Rotorreißer durchgeführt. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand dabei insbesondere der Einfluss verschiedener Verbindungscharakteristika auf das Aufschlussverhalten. Da die experimentelle Datenerhebung aufgrund hoher Parametervariabilität im Produktdesign und des Zerkleinerungsprozesses aufwändig ist, entwickeln wir zum anderen ein physikalisch basiertes, numerisches Modell der Aufschlusszerkleinerung mithilfe der Finiten Elemente Methode. Hierzu nutzen wir die Software LS-DYNA, verwenden darin Materialmodelle, welche die Plastizität und das Versagen der beteiligten Werkstoffe sowie deren Interfaces berücksichtigen. Zudem wird die Simulation für verschiedene Lastfälle parametrisiert, wie beispielsweise unterschiedliche Orientierungen des Prüfkörpers im Rotorreißer. Neben dem experimentellen zeigen wir erste numerische Ergebnisse der Berechnungen am Beispiel einer Metall-Kunststoff-Hybridstruktur. Damit leistet unsere Arbeit einen Beitrag dazu, den Einfluss von Konstruktionsentscheidungen auf das Aufschlussverhalten abzuschätzen, sowie Erfahrungen bei der Erstellung einer durchgängigen digitalen Kette vom Design über Fertigung bis hin zum Recycling zu sammeln.