Kunststoffgebundene Dauermagnete werden meistens in Anwendungen der Sensortechnik und Aktuatorik sowie zur Informationsspeicherung bei elektronischen Baugruppen eingesetzt. Besonders im Automobilbereich hat sich der Einsatz von thermoplastisch gebundenen Magneten, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, etabliert und besitzt dort ein Gesamtvolumen von einigen hundert Millionen Magneten pro Jahr. Aktuelle Bestrebungen zeigen einen Einsatz kunststoffgebundener Dauermagnete im Antriebsmotor in der Elektromobilität durch die Integration in Elektroblechpakete unter der Ausnutzung vollständiger Geometriefreiheit. Hierdurch lassen sich auch neue Konzepte unter anderem im Bereich der fremderregten Asynchronmaschinen realisieren, die 2008 einen Marktanteil von 83 % unter den Motorarten in Deutschland eingenommen haben. Zahlen zwischen 2010 und 2020 zeigen eine stetig hohe Nachfrage an fremderregten Asynchronmaschinen, da diese über die letzten 10 Jahre jährlich zwischen 65 und 70 % der weltweiten Produktion an Elektromotoren eingenommen haben und somit eine bedeutende Rolle für die Industrie spielen. Zusätzlich können die neuen Konzepte auch im Bereich von Pumpensystemen und der Windkraft eingesetzt werden. Neben der Wahl des Antriebskonzeptes ist auch die Miniaturisierung des Bauteils und der ressourcenschonende Einsatz von Material wichtig, um den Energiebedarf eines Produktes in der Herstellung und Anwendung zu reduzieren. Es wird bis 2030 von einer Unterversorgung von 48 000 Tonnen NdFeB im Bereich der Elektromobilität ausgegangen, was in etwa 25 Millionen E-Autos entspricht. Diese Unterversorgung kann zum Teil durch den Einsatz von keramischen Materialien kompensiert werden, wodurch die Ressource der Seltenen Erde gleichermaßen geschützt wird. Allerdings erreichen keramische Materialien nur etwa ein Drittel der magnetischen Eigenschaften gegenüber Seltenen Erden. Daher müssen neue Strategien im Umgang und in der Wiederverwendung von kunststoffgebundenen Dauermagneten gefunden werden, um zum einen der Unterversorgung durch die begrenzte Ressource der Seltenen Erde entgegenzuwirken und zum anderen die Recyclingfähigkeit von hartmagnetischen Füllstoffen zu ermöglichen. Auch im Bereich der keramischen Füllstoffe spielt die Wiederverwendung eine entscheidende Rolle, da hierdurch aufwendige Herstellungsprozess vermieden werden können und Produkte durch eine ansprechende Ökobilanz attraktiver im Einsatz werden.
Ziel dieses Projekts stellt die Entwicklung verschiedener Recyclingstrategien für hartmagnetische Füllstoffe, im Speziellen NdFeB, dar, um eine erneute Verwendung dieser in kunststoffgebundenen Dauermagneten zu ermöglichen. Hierbei sollen als Prozessrouten eine chemische und werkstoffliche Recyclingmöglichkeit betrachtet werden. Aufgrund der Anwendungen sollen allgemein duroplastisch gebundene Magnete, die im Pressverfahren hergestellt werden, und thermoplastisch gebundene Magnete, die im Spritzgussverfahren gefertigt werden, im Projekt als in die Kreislaufwirtschaft zurückgeführte Post-Industrial Bauteile betrachtet werden. Die verschiedenen Prozessrouten sollen neben der technischen Bewertung auch unter wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten bewertet werden. Abschießend soll ein Konzept für eine Kreislaufwirtschaft von kunststoffgebundenen Dauermagneten entwickelt werden.
Grundlage des Vorhabens ist die Erschließung von spezifischen und innovativen Konzepten und Technologien für das Recycling von hartmagnetischen Füllstoffen aus kunststoffgebundenen Dauermagneten. Dabei sollen im Kern duroplastisch gebundene Magneten, die mittels Pressverfahren verarbeitet wurden, als Ausgangsbauteile herangezogen werden. Vergleichende Betrachtungen beziehen auch thermoplastisch gebundene Magnete, die im Spritzgussverfahren verarbeitet wurden, mit ein. Fokus liegt hierbei zunächst im Rahmen des Vorhabens auf Post-Industrial Produkten. Es ist explizit nicht Bestandteil des Vorhabens, Konzepte für die Demontage und die Entmagnetisierung von Post-Consumer Produkten zu entwickeln. Gleichzeitig soll durch eine gezielte Temperatur- und Zeitlagerung der Einfluss durch die Belastung innerhalb der Lebensdauer im Labormaßstab experimentell betrachtet werden. Hierbei soll explizit auch der Einfluss auf die Recyclingfähigkeit bewertet werden. Es soll eine Füllstoffrückgewinnung durch das Veraschen des Matrixmaterials unter geringer Oxidation der Füllstoffe sowie eine Aufbereitung der Partikel und damit ein chemisches Recycling an duroplastisch gebundenen Magneten erfolgen, die im Pressverfahren hergestellt wurden. Zusätzlich soll eine Wiederverwendung von regranuliertem Material an thermoplastisch gebundenen Magneten durch ein werkstoffliches Recycling betrachtet werden. Der auf den beiden verschiedenen Prozessrouten wiedergewonnene hartmagnetische Füllstoff bzw. Compound soll erneut primär in duroplastisch gebundenen Magneten, die im Pressverfahren hergestellt wer-den sollen, verarbeitet werden. Vergleichend soll hierbei auch die erneute Nutzung in thermoplastisch gebundenen Magneten, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden sollen, betrachtet werden. Zusätzlich soll neben der reinen Verarbeitung des recycelten Füllstoffes auch eine Verwertung anteilig mit Neupartikeln beziehungsweise Neucompound betrachtet werden, um eine sinnvolle Strategie hinsichtlich der zu erreichenden magnetischen Eigenschaften unter Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit und der Anwendung zu entwickeln. Fokus ist hierbei die Betrachtung des chemischen Recyclings an gebundenen Magneten, die im Pressverfahren hergestellt wurden, und damit die Rückgewinnung des reinen hartmagnetischen Füllstoffes Neodym-Eisen-Bor (NdFeB). Dieser soll entsprechend in beiden Verfahrensvarianten der gebundenen Magnete (Pressen, Spritzguss) erneut zum Einsatz kommen. Darüber hinaus sollen die verschiedenen Strategien entsprechend ihrer wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen bewertet und eine Analyse des Stoff- und Technologiestroms durchgeführt werden. Abschließend soll eine zukunftsfähige Kreislaufwirtschaftsstruktur unter Berücksichtigung der verschiedenen Prozessrouten und wirtschaftlicher sowie ökologischer Bilanzen entworfen werden.
Die Teilziele gliedern sich wie folgt:
- Entwicklung von Prozessrouten zur chemischen und werkstofflichen Recycling von kunststoffgebundenen Dauermagneten
- Herstellung von kunststoffgebundenen Dauermagneten auf Basis von recycelten hartmagnetischen Füllstoff oder Compound unter teilweiser Nutzung von Neumaterial bei Anwendungsoptimierten Eigenschaften
- Entwicklung eines Konzeptes zur Kreislaufwirtschaft für kunststoffgebundene Dauermagnete unter Berücksichtigung des aktuellen Bedarfs und Vorkommens sowie dem wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen der Prozessrouten
Im Rahmen des zweijährigen Projektes sind die folgenden Meilensteine angestrebt:
- M1: Bericht zu Stoff- und Technologieströmen inklusive Fließschema der Stoffströme [Q1.2]
- M2: Definition einer chemischen Recyclingroute [Q2.2]
- M3: Definition einer werkstofflichen Recyclingroute [Q2.2]
- M4: Erkenntnisse zur Fertigung und Anwendungseignung von recycelten hartmagnetischen Füllstoff an gepressten Magneten [Q2.3]
- M5: Erkenntnisse zur Fertigung und Anwendungseignung von recycelten hartmagnetischen Füllstoff und Compound an gespritzten Magneten [Q2.3]
- M6: Bewertung der Recyclingstrategien unter ökologischen und wirtschaftlichen Aspekten [Q2.3]
- M7: Definition einer möglichen Kreislaufwirtschaft von kunststoffgebundenen Dauermagneten [Q2.4]
Innerhalb der Projektlaufzeit wurden alle maßgeblichen Arbeitspakete entsprechend des Zeitplans eingehalten und die Meilensteine innerhalb des Projektes erreicht. Im Rahmen des Projektes wurde eine umfangreiche Analyse des Stoff- und Technologiestroms durchgeführt, der insbesondere eine Bewertung des wirtschaftlichen und ökologischen Aufwands durch die Abschätzung entsprechender Transportwege ermöglichte. Zudem wurde aufgezeigt, welche Aspekte aktuell als Hemmschwelle für die Etablierung einer Kreislaufwirtschaft an zu sehen sind. Weiterhin erfolgte - maßgeblich durch die Unterstützung des Projektpartners FIT-Umwelttechnik GmbH - eine Bilanzierung des wirtschaftlichen und öko-logischen Nutzens, wobei hierzu Daten aus der industriellen Fertigung durch den Projektpartner Magnetworld AG und aus der experimentellen Fertigung im Labormaßstab durch den LKT bereitgestellt wurden. Hierbei wurde die Fertigung von duroplastisch und thermoplastisch gebundenen Magneten separat betrachtet.
Weiterhin wurde die chemische Recyclingroute für duroplastisch gebundene Magnete und die werkstoffliche Recyclingroute für thermoplastisch gebundene Magnete betrachtet. Hierbei erfolgte eine Analyse der rückgewonnenen Füllstoffe, um die möglichen zu erreichenden Eigenschaften im Rezyklat abschätzen zu können. Weiterhin erfolgte eine umfangreiche Materialcharakterisierung im Bereich der thermoplastisch gebundenen Magnete, bei der zusätzlich die Möglichkeiten der magnetischen und mechanischen Eigenschaften auch in Abhängigkeit des Fließverhaltens bewertet wurden. Im Bereich der duroplastisch gebundenen Magnete wurde auf Basis der ersten Erkenntnisse und abweichend vom Projektantrag zusätzlich die werkstoffliche Recyclingroute betrachtet. Auf Basis der verschiedenen Möglichkeiten zur Rückgewinnung der Füllstoffe mit einem Fokus auf eine werkstoffliche Strategie ohne Differenzierung der beiden Matrixmaterialien wurden Rezyklaten vornehmlichen im Pressen wieder verarbeitet und die möglichen zu erreichenden magnetischen Eigenschaften charakterisiert. Dies bildete die Grundlage, um die Machbarkeit und die möglichen Anwendungsfelder von gebundenen Dauermagneten auf Basis von Rezyklaten zu definieren und abzugrenzen. Abschließend wurden die Erkenntnisse zu diesen Limitationen zusammen mit der Bilanzierung für einen Entwurf einer möglichen Kreislaufwirtschaft für gebundene Dauermagnete herangezogen.
Aktuelle Veröffentlichungen: Rösel, U. | Drummer, D. - Change of the material behaviour by the amount of recycled magnetic materials in polymer bonded magnets based on thermoplastics | Magnetism, 4, 1 (2024), S. 1-23.
Rösel, U. | Drummer, D. - Evaluation of a Recycling Strategy for Polymer-Bonded Magnets Based on Thermosets | Recycling, 9, 5 (2024), S. 81.
Rösel, U. | Drummer, D. - Influence of application conditions onto the magnetic properties of recycled polymer bonded magnets based on thermoplastics and ferrite based fillers | Pending decision.
Die im Rahmen des Vorhabens gewonnen Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Bewertung einer möglichen Kreislaufwirtschaft für hartmagnetische Füllstoffe und damit der ressourceneffiziente und schonende Umgang mit begrenzten Materialien sowie kunststoffgebundenen Dauermagneten. Dabei zeigt sich im Bereich des chemischen Recyclings die Notwendigkeit eine Pyrolyse unter Stickstoffatmosphäre, um die magnetischen Eigenschaften der hartmagnetischen Füllstoffe nicht zu stark zu reduzieren, sodass eine erneute Anwendung unmöglich wird. Die chemische Route wurde innerhalb des Projektkonsortiums als nicht zukunftsfähig für das Recycling von gebundenen Dauermagneten eingestuft. Die Erkenntnisse aus dem Projekt zeigen, dass die werkstoffliche Route nicht nur für Thermoplasten, sondern auch für Duroplasten im Rahmen von gebundenen Dauermagneten geeignet ist. Hierbei muss eine entsprechende Wahl der Prozessparameter bei einem möglichst feingemahlenen Trägermaterial getroffen werden,
Im Bereich der thermoplastisch basierten Magnete wurde gezeigt, dass die Wahl des Angusssystems einen erheblichen Einfluss auf die Fließbedingungen hat, wodurch der mögliche Rezyklatanteil, der verarbeitet werden kann, limitiert wird.
Ein genereller Übertrag der Erkenntnisse auf Post-Consumer Produkte wurde an Hand einer gerafften Alterung nachgewiesen.