Werkzeuge und Methoden zur Verbesserung der automatisierten Demontage elektrischer Antriebsaggregate - Ein Beitrag zur Circular Economy im Elektromobilitätssektor

Durch die wachsende globale Bevölkerung und die immer größer werdende Nachfrage nach Ressourcen bedarf es neuer Möglichkeiten, vorhandene Ressourcen im Kreislauf zu führen. Eine Möglichkeit, die sich in den letzten Jahren immer weiter entwickelnde Elektromobilität noch ressourceneffizienter zu gestalten, ist die automatisierte Demontage der elektrischen Antriebsaggregate aus Elektrofahrzeugen. Dazu wurde ein interdisziplinärer Ansatz gewählt, der eine Industrieumfrage, die Entwicklung eines Demontagealgorithmus als auch die Konstruktion von Bauteilen und Werkzeugen nach Design-forRecycling und Design-for-Disassembly-Ansätzen sowie den Aufbau von Testständen umfasst. Um die automatisierte Demontage zu verbessern, wurde in der vorliegenden Dissertation unter anderem daran gearbeitet, optimale Demontagetiefen unter verschiedenen Gesichtspunkten zu identifizieren. Dazu wurde ein Demontagevorranggraph erstellt, in dem Knoten mit Werten und Demontageschritte (Kanten) mit Kosten versehen wurden. Der Demontagevorranggraph, eine Datenbasis sowie eine graphische Nutzeroberfläche und ein Algorithmus wurden in einem allgemein anwendbaren Programm implementiert. Hiermit konnte eine Sensitivitätsanalyse unter realitätsnahen Bedingungen durchgeführt werden, wobei optimale Demontagetiefen und -gewinne für unterschiedliche Szenarien ermittelt wurden. Weiterhin wurden basierend auf realen Problemstellungen Werkzeuge für Roboter konstruiert, mit denen unterschiedliche Handling-, Greif-, Schraub- und weitere Demontageoperationen durchgeführt werden konnten. Ebenso wurden iterativ Bauteile entworfen, die für eine vereinfachte automatisierte Demontage geeignet sind. Diese wurden sowohl simulativ untersucht als auch in skalierten Praxisversuchen an eigens gebauten Testvorrichtungen erprobt. Dabei wurden unterschiedliche Aspekte des Design-for-Recycling / Design-for-Disassembly für die robotergestützte Demontage berücksichtigt. Zur Einordnung der Ergebnisse und zur Darstellung des industrieseitigen Bedarfs der entwickelten Lösungen wurde eine Industrieumfrage mit Unternehmen des VDMA und des VDA sowie dessen Mitarbeitenden durchgeführt. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass tendenziell ein Zielkonflikt zwischen ökologischen und ökonomischen Aspekten der Baustruktur elektrischer Antriebsaggregate besteht. Weiterhin stellen laut Sensitivitätsanalyse besonders werthaltige Bauteilgruppen oftmals sogenannte Leuchtturmbauteilgruppen dar, die tendenziell häufiger als andere Bauteilgruppen demontiert werden sollten, sofern diese nicht als Trägerplattform für viele andere Bauteilgruppen fungieren.Due to the growing global population and the ever-increasing demand for resources, there is a need for new ways to recycle existing resources. One way of making electromobility, which has continued to develop in recent years, even more resource-efficient is the automated disassembly of electric drive units from electric vehicles. To do this, an interdisciplinary approach was chosen that includes an industry survey, the development of a disassembly algorithm and the design of components and tools according to design-for-recycling and design-for-disassembly methods as well as the construction of test benches. In order to improve automated disassembly, this dissertation focused, among other things, on identifying optimal disassembly depths from various perspectives. For this purpose, a disassembly precedence graph was created in which nodes were assigned values and disassembly steps (edges) were assigned costs. The dismantling priority graph, a database, a graphical user interface and an algorithm were implemented in a user-friendly program. This enabled a sensitivity analysis to be conducted under closeto-reality conditions, whereby optimum dismantling depths and profits were identified for different scenarios. Furthermore, tools for robots were developed based on real problems, with which different handling, gripping, screwing and other disassembly operations could be carried out. Components suitable for simplified automated disassembly were also designed iteratively. These were both simulatively examined and tested in scaled practical trials on specially built test systems. Different aspects of designfor-recycling / design-for-disassembly for robot-assisted disassembly were taken into account. An industry survey was carried out among VDMA and VDA companies and their employees in order to evaluate the findings and to illustrate the needs of the industry for the solutions developed. Overall, it was shown that there tends to be a conflict of objectives between ecological and economic aspects of the structure of electric drive units. Furthermore, according to the sensitivity analysis, particularly valuable component groups often represent so-called lighthouse component groups, which should tend to be disassembled more frequently than other component groups, unless they act as a carrier platform for many other component groups