Additiv gefertigte Ersatzteile Wie E-Bike-Motoren ein zweites Leben erhalten

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Für defekte E-Bike-Komponenten wie Motoren oder Akkus gibt es oftmals keine Ersatzteile. Daher werden sie als Ganzes teuer getauscht. Das Fraunhofer IPA konnte zusammen mit Partnern in einer Studie zeigen, dass sich E-Bike-Motoren mittels 3D-gedruckter Bauteile aufarbeiten lassen.

Elektrofahrräder machten 2022 bereits 48 Prozent der Verkäufe am gesamten Fahrradmarkt aus. Doch eine Reparatur durch die Werkstatt ist insbesondere für Akkus und Motoren häufig technisch und wirtschaftlich nicht umsetzbar. So kann es sein, dass der Ausfall einer Komponente eines Elektrofahrrads zum Totalschaden führt. Warum die gebrauchten Elektrofahrradmotoren nicht industriell aufarbeiten? Diese Frage stellten sich Forschende des Fraunhofer IPA im Projekt „AddRE-Mo“. Gemeinsam mit den Partnern Cirp, Electric Bike Solutions, dem Trägerverein Umwelttechnologie-Cluster Bayern und dem Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie untersuchten sie die technische Machbarkeit der Refabrikation von Elektrofahrradmotoren.

Remanufacturing unter die Lupe genommen

Wie das Fraunhofer IPA mitteilt, wurde dazu die gesamte Prozesskette des Remanufacturing – von der zerstörungsfreien Demontage über die Reinigung, Prüfung, Aufarbeitung bzw. Ersatz durch Neuteile bis hin zur Remontage – unter die Lupe genommen und deren ökologisches und ökonomisches Potenzial analysiert. Darüber hinaus wurde der Einsatz additiver Fertigungsverfahren und geeignete Kombinationen aus Verfahren und Werkstoff zur Herstellung langlebiger und belastbarer Ersatzteile geprüft. Es sollte ein industrieller Prozess etabliert werden, bei dem eine Stückzahl von 50 bis 100 Motoren in die Aufarbeitung geht.

3D-Druck verschleißanfälliger Ersatzteile

Im ersten Schritt haben die Forschenden E-Bike-Motoren etablierter Hersteller auf ihre Ausfallwahrscheinlichkeit untersucht. Dann prüften sie, ob und unter welchen Bedingungen sich verschleißanfällige Ersatzteile wie Zahnräder und Drehmomentstützen additiv fertigen lassen. Die notwendigen Daten für den 3D-Druck gewannen die Wissenschaftler entweder durch 3D-Modellierung oder 3D-Digitalisierung. Anschließend wählten sie Werkstoffe und additive Verfahren aus. Zusammen mit den Unternehmen cirp und Electric Bike Solutions fertigte das Fraunhofer IPA schließlich die Komponenten und prüfte ihre Lebensdauer, Geräuschentwicklung und Temperaturbeständigkeit in eigens entwickelten Prüfständen und unter realen Belastungen. Insgesamt wurden über 120 Bauteile aus 20 verschiedenen Werkstoffen im 3D-Druck hergestellt. Als besonders vielversprechend erwies sich hier laut Fraunhofer IPA das Highspeed-Sintering, ein spezielles Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von Werkstoffen, in Kombination mit dem Kunststoff Polyamid 12 (PA12).

Machbarkeit und Haltbarkeit nachweisen

Mit der Remontage und dem Test unter realen Einsatzbedingungen konnten die Projektpartner die technische Machbarkeit und Haltbarkeit nachweisen. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass einzelne Bauteile wie Getriebezahnräder additiv gefertigt und nachhaltig eingesetzt werden können. Bei der ökologischen Bewertung des Refabrikationsprozesses bietet nach Angaben des Fraunhofer IPA die additive Fertigung das Potenzial, die Kreislauffähigkeit in der Elektrofahrradbranche zu steigern und die Verschwendung von Ressourcen zu mindern. 90 Prozent der Auswirkungen auf das Klima, berechnet in Kilogramm-CO2-Äquivalenten, ließen sich im Vergleich zur Neuproduktion einsparen. Das wirtschaftliche Einsparpotenzial hingegen sei stückzahlabhängig und liege bei vergleichbaren Komponenten in der Regel bei ungefähr 30 bis 40 Prozent im Vergleich zum Neukauf des Elektromotors.

Die Projektergebnisse sind in der Studie „Additive Refabrikation in der Elektrofahrradbranche“ zusammengefasst. Sie kann hier bestellt werden.

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