Ergebnisse der Demontage von Fahrradnabendynamos

Demontagefabrik im urbanen Raum – Konzeption und Planung

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Der Zugversuch ohne vorbehandelten Stator zeigt, dass ein enormer Kraftaufwand (spezifische Zugkraft von etwa 38 N/cm² Kontaktfläche) notwendig ist, um die Kupferwicklungen zu entfernen. Die Machbarkeit ist gegeben, jedoch ist eine effizientere Methode anzustreben – gerade auch im Hinblick auf die in der Demontagefabrik zu erwartenden größeren Elektromotoren.

Die Versuchsreihen zur thermischen Vorbehandlung haben gezeigt, dass eine Mindesttemperatur von 150 °C zu empfehlen ist. Unter dieser Bedingung scheint der Tränklack eine ausreichend niedrige Viskosität zu haben, um die erforderliche Zugkraft deutlich zu reduzieren. Durch die thermische Vorbehandlung konnte die notwendige Zugkraft so auf unter 2,5 N/cm² gesenkt werden.

Durch eine chemische Vorbehandlung konnte die notwendige Zugkraft zusätzlich reduziert werden. Um alle Kupferstränge gleichzeitig aus dem Blechpaket zu ziehen, wurde nach der Vorbehandlung mit 20 %iger Kalilauge eine spezifische Zugkraft von weniger als 3,5 N/cm² benötigt.

Sowohl nach der thermischen als auch nach der chemischen Vorbehandlung konnte das Kupfer mit deutlich geringerer Zugkraft aus dem Eisenkern separiert werden. Beide Verfahren haben daher das Potenzial, den Demontageprozess zu vereinfachen. Das Kupfer konnte erfolgreich aus dem Eisenkern entfernt werden ohne diesen zu zerstören und kann daher im Anschluss hochwertig pyrometallurgisch recycelt werden. Das Blechpaket kann unter Umständen direkt einer Wiederverwendung zugeführt werden oder aber in die Eisenfraktion gegeben werden.

Ein Nachteil der chemischen Vorbehandlung ist der notwendige Einsatz eines Lösemittels.

Nachfolgende Untersuchungen müssen klären, ob die Kalilauge regeneriert werden kann.

Diesbezüglich ist zukünftig auch der dafür erforderliche Aufwand (Wasser, Energie etc.) zu untersuchen. Erst danach kann ein ökologischer und ökonomischer Vergleich zwischen diesen beiden Verfahren getroffen werden. Die ermittelten Daten würden die Demontagezeit bei thermischer Vorbehandlung um etwa 15 und bei chemischer Vorbehandlung um etwa 60 Minuten erhöhen. Die Machbarkeit der Verfahren konnte bestätigt werden, weitere Prozessoptimierungen hinsichtlich des erforderlichen Zeitaufwandes sind jedoch zukünftig zu empfehlen.

Bezüglich der Zugversuche ist zu beachten, dass die verwendeten Klemmen aufgrund des begrenzten Platzes an den Kupferschlaufen keine optimale Kraftübertragung ermöglicht haben. Kleinere geeignete Zugklemmen waren nicht am Markt erhältlich. So konnte lediglich an einer kleinen Anzahl der Kupferstränge gleichzeitig gezogen werden. Für die praktische Umsetzung in einer Demontagefabrik wäre der Einsatz vieler kleiner Klemmen oder einer für diese Anwendung speziell konstruierten Klemme (für variierende Kreisdurchmesser einsetzbar) denkbar. So könnte eine zeitgleiche Entfernung aller Kupferstränge realisiert werden.

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Gesamtmassen der verschiedenen Modelltypen. Aufgrund des leicht möglichen Verlustes der bei einigen Modelltypen verbauten Schnellspanner wurden diese nicht in die Betrachtungen einbezogen

Tabelle 5-8: Masse der Nabendynamos nach Modelltyp

Typ Gesamtmasse [g]

Shimano DH-3D37-QR 683

Shimano DH-3N20 704

Shimano DH-3N31-QR 685

Shimano DH-3N80 575

Shimano DH-S701 492

Shimano Nexus HB-NX10 1003

Die Massen der untersuchten Nabendynamos decken einen Bereich von 492–1003 Gramm ab. Die Gesamtmassen der vergleichsweise teureren Modelltypen DH-s701 und DH-3N80 sind erwartungsgemäß deutlich niedriger, da Leichtbau im Fahrradbereich im Allgemeinen mit höheren Kosten verbunden ist.

Die bei der Demontage der Fahrradnabendynamos erhaltenen Fraktionen waren:

 Kupferdraht

 Eisenschrott

 Aluminiumschrott

 Mischschrott

 Kunststoffe

 Magnetmaterial.

Abbildung 5-18 zeigt die separierten Fraktionen. Die Abbildung zeigt zusätzlich zu den aus einem einzelnen Gerät entnommenen Teilen ein zweites Spulenmaterial. Bei einigen Dynamos wurde als Spulenmaterial nicht Kupfer-, sondern Aluminiumdraht verbaut. In allen demontierten Nabendynamos war Permanentmagnetmaterial in den Rotoren verbaut.

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Abbildung 5-18: Separierte Werkstoffgruppen aus demontierten Fahrradnabendynamos (Teile aus einem Exemplar plus Kupferspule aus einem weiteren Modell)

Aus den Demontageversuchen konnte sowohl die Massen- als auch die Zeitbilanz ermittelt werden. Abbildung 5-19 zeigt die Massenbilanzen der unterschiedlichen Fahrraddynamomodelle.

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Abbildung 5-19: Massenbilanzen der in den Demontageversuchen zerlegten Fahrraddynamo- Modelle des Herstellers Shimano

Die Eisen- und die Aluminiumfraktionen haben deutlich den stärksten Massenanteil. Lediglich bei zwei Modellen war Kupferdraht als Spulenmaterial verbaut. Tabelle 5-1 zeigt die Mittelwerte der Massen und der prozentualen Massenanteile der aus den Fahrradnabendynamos demontierten Werkstofffraktionen.

Tabelle 5-9: Mittelwerte der Massen und prozentualen Massenanteile der aus den Fahrradnabendynamos demontierten Werkstofffraktionen

Werkstoff-fraktion

Mittelwerte

Masse [g] Massenanteil [%]

Magnete 75 10,9

Kupfer 40 5,8

Aluminium 203 29,5

Eisen 334 48,7

Kunststoff 16 2,3

Mischschrott 19 2,7

Die Eisenfraktion bildet mit durchschnittlich etwa 47 Ma-% den größten Anteil der Gesamtmasse. Darauf folgt Aluminium mit durchschnittlich etwa 30 Ma-%. In den untersuchten Dynamos trugen die Magnete zu etwa 11 % zur Gesamtmasse bei. Deren Materialzusammensetzung ist in Kapitel 5.1.2.5 gegeben.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

DH-3N31-QR DH-s701 DH-3N80 DH-3N20 Nexus

HB-NX10

DH-3D37-QR

[Ma-%]

Modell

Eisen Magnete Kupfer Aluminium Elektroschrott Kunststoff

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Die untersuchten Geräte waren einander in Aufbau und Größe sehr ähnlich. Die eng beieinander liegenden Demontagezeiten stehen in direktem Zusammenhang dazu. Dies ermöglichte eine sicherere Bilanzierung der zu erwartenden Mengen im Hinblick auf die Planung einer Demontagefabrik. Die Demontagezeiten sind in Abbildung 5-20 graphisch, in Reihenfolge der durchgeführten Demontagen dargestellt.

Abbildung 5-20: Zeitbilanz der Demontageversuche an Fahrraddynamos

Die durchschnittliche Demontagezeit lag für die Versuche bei etwa 16 Minuten. Zwei Arbeitsschritte konnten als besonders zeitaufwendig identifiziert werden. In Arbeitsschritt 4 musste eine Mutter von der Welle geschraubt werden. Während der Demontageversuche wurde dazu ein Mutternschlüssel verwendet. An einem spezialisierten Demontageplatz sollte stattdessen ein Druckluftschrauber mit entsprechendem Aufsatz verwendet werden.

Der zweite zeitintensive Schritt ist die Zerlegung des Rotors. Die einzelnen Eisenwinkel wurden während der Demontage händisch aus dem Kunststoffhalter gelöst. Da die größten Unterschiede in der Konstruktionsweise des Rotors bestehen, ist an dieser Stelle eine Automatisierung der Demontage erschwert. Die Anwendbarkeit einer robotergestützten Lösung ist zukünftig zu prüfen. Die Demontage hat gegenüber der maschinellen Zerkleinerung den Vorteil, dass sowohl der Kunststoffhalter, als auch das Kabel Zerstörungsfrei demontiert werden können.

Im Dokument Demontagefabrik im urbanen Raum - Konzeption und Planung (Seite 104-108)