Future Sustainable Car Materials BMW und Partner untersuchen Kunststoffkreisläufe

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Wittmann Battenfeld GmbH

Anfang 2023 startete das Konsortialprojekt „Future Sustainable Car Materials” unter der Leitung von BMW. Das Ziel: Kreislaufsystem für Kunststoffe über die Automotive-Wertschöpfungskette hinweg stärken. Nun stellte der Automobilhersteller die Ergebnisse vor. 

Drei Jahre lang hat die BMW Group gemeinsam mit Unternehmen und Forschungsinstitutionen aus unterschiedlichen Industrien an neuen Materiallösungen für den Automobilbau gearbeitet. Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt „Future Sustainable Car Materials” (FSCM) entstanden in Zusammenarbeit mit Konsortialpartnern seriennahe Entwicklungen in den Arbeitsfeldern Kunststoffe, Metalle, Digitalisierung und Design for Circularity – mit dem Ziel, Materialkreisläufe zu schließen und den CO₂e-Fußabdruck langfristig zu senken.  

„Emissionen zu reduzieren und Materialkreisläufe zu schließen, reicht in der Forschung nicht aus. Entscheidend ist, dass neue Materialien später auch serienfähig sind“, sagt Martin Derks, Entwicklung Gesamtfahrzeug, Leiter Kunststoffe bei der BMW Group und Projektleiter von FSCM. Bis dahin brauche es viele Berechnungen, Simulationen und Versuche. Denn ein Werkstoff müsse nicht nur kreislauffähig sein, sondern auch die BMW-Qualitätsstandards erfüllen und später in der Serienproduktion wirtschaftlich sein.

Neue Chancen für die Kreislaufwirtschaft

Im Arbeitspaket Kunststoffe (Bild 1) untersuchten die Projektpartner, wie sich der CO₂e-Fußabdruck großer Bauteilgruppen im Fahrzeug senken lässt, unter anderen durch den gezielten Einsatz von Kunststoffrezyklaten – ohne Abstriche bei Sicherheit, Qualität und Funktionalität zu machen. Dafür entwickelten sie CO₂e-reduzierte Werkstoffe für Instrumententafelträger, Leuchten und Verkleidungsteile und verglichen diese im harten Praxistest mit bestehenden Serienbauteilen. 

Bild 1. Projektstruktur und -partner

Im Rahmen des Konsortialprojekts „Future Sustainable Car Materials” (FSCM) wurden Kreislaufsysteme für Metalle (AP Metalle) und Kunststoffe (AP Kunststoffe) über die Automotive-Wertschöpfungskette hinweg untersucht. Das Datenökosystem „Catena-X“ liefert das nötige Datenformat für den digitalen Fingerprint der Materialien sowie eine Plattform für kollaborative Zusammenarbeit. 

Zum Einsatz kamen sowohl Pre- und Post‑Consumer‑Kunststoffe – also Rezyklate, die aus bereits genutzten Produkten wie Kunststoffverpackungen oder ausgedienten Bauteilen aus der Haushaltsindustrie zurückgewonnen werden – als auch innovative Closed‑Loop‑Ansätze (PoC-A), bei denen Materialien nach dem Fahrzeuglebensende erneut in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden. 

Technisch machbar, wirtschaftlich tragbar

„Der Einsatz von Kunststoffrezyklaten im Automobilbereich hat mehrere Gründe“, erklärt BMW-Sprecher Jochen Diernberger. Zum einen verursachen sie in der Regel weniger CO₂e-Emissionen in der Lieferkette als Primärmaterialien und reduzieren so den CO₂-Fußabdruck der Fahrzeuge. 

Darüber hinaus tragen sie dazu bei, den Einsatz fossiler Rohstoffe zu verringern. „Das macht die Wertschöpfungskette unabhängiger von volatilen Rohstoffmärkten“, so Diernberger. Gleichzeitig gewinnen gesetzliche Anforderungen – etwa die Altautoverordnung auf EU-Ebene – zunehmend an Bedeutung und setzen klare Zielvorgaben für den Einsatz von Rezyklaten. 

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Kreislaufwirtschaft und E-Mobilität prägen das Auto

Damit einhergehen aber auch diverse Herausforderungen. Dazu zählen für den Automobilbauer vor allem die Verfügbarkeit und die Qualität. „Für den Serieneinsatz werden große Mengen an Rezyklaten in gleichbleibend hoher Qualität benötigt“, so der BMW-Sprecher.  Das gelte insbesondere für sicherheits- und funktionsrelevante Bauteile.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die technische Umsetzbarkeit. Zwar konnte BWM bereits zeigen, dass sich auch komplexe Bauteile grundsätzlich mit Rezyklaten realisieren lassen. Entscheidend sei jedoch, dies für verschiedene Fahrzeugprojekte robust in die Serienproduktion zu überführen. „Neben der technischen Machbarkeit müssen stabile Lieferketten aufgebaut und wirtschaftlich tragfähige Lösungen gefunden werden“, ergänzt Diernberger.

PA6-Rezyklat für Hochvolt-Speicher-Komponente

Die größte Herausforderung beim Einsatz von Rezyklaten in Hochvolt-Speicherkomponenten ist, dass Automobilbatterien gleichzeitig extrem sicher, langlebig, leistungsfähig und wirtschaftlich sein müssen. Rezyklate verändern genau an diesen Punkten die Randbedingungen.

Im Rahmen des FCSM wollte es BMW dennoch wissen. Im Fokus stand eine Relais-Box. Das Ziel: ein Rezyklat-Anteil von bis zu 30 Prozent. Was sich im ersten Moment nach wenig anhört, muss man in der Praxis erst einmal gewinnen. Denn bei Hochvolt-Batterien wirken sich schon kleine Verunreinigungen auf Zellalterung, Schnellladefähigkeit, thermische Stabilität und Sicherheitsverhalten aus. 

Damit fallen maritime Quellen (+) für den Serieneinsatz im Grunde aus. Das bestätigen auch die Ergebnisse des FCSM. So wurden die Anforderungen an die Kriechstromfestigkeit mit recycelten Polyamid (PA) aus alten Fischernetzen nicht erreicht. Gleiches gilt für die Anforderungen an den Halogenid-Gehalt. Anders ist die Situation, wenn man stattdessen Pre-Consumer-Rezyklate einsetzt, zum Beispiel Verschnittreste aus der Faser- und Textilproduktion (Bild 2). 

Bild 2. Ergebnisse Komponentenabsicherung

Rezyklate in Front- und Heckleuchten

Im Exterieurbereich von Automobilen sind Rezyklate grundsätzlich attraktiver als in Hochvolt-Batterien – aber die Anforderungen bleiben hoch. Die zentrale Herausforderung ist hier der Konflikt zwischen Nachhaltigkeit, Designqualität, Dauerhaltbarkeit und industrieller Prozesssicherheit.

Bei Leuchten ist der Einsatz von Rezyklaten besonders anspruchsvoll, weil hier Optik, Sicherheit, Thermik und Langzeitstabilität extrem hohe Anforderungen haben. Viele Probleme, die bei normalen Exterieurteilen tolerierbar wären, führen bei Scheinwerfern sofort zu Funktions- oder Zulassungsproblemen.

Frontleuchten

Bei Frontleuchten kommt hinzu, dass diese aus vielen verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen bestehen. „Die unterschiedlichen Komponenten müssen sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Dazu zählen beispielsweise hohe Transparenz für Lichtaustritte, gleichzeitig aber auch Beständigkeit gegenüber Hitze und Umwelteinflüssen“, so Diernberger. 

Für den Einsatz von Rezyklaten bedeute das: 

• Differenzierter Ansatz: Nicht jedes Material und jede Anwendung eignet sich gleichermaßen für Rezyklate – insbesondere bei hochtransparenten oder stark belasteten Bauteilen sind die Anforderungen extrem hoch.
• Fokus auf volumenstarke Bauteile: Dort, wo es technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist – insbesondere bei Bauteilen mit größerem Materialeinsatz – setzen wir gezielt auf Rezyklate, um die größten Hebelwirkungen zu erzielen.
• Weiterentwicklung der Lösungen: Für Anwendungen, in denen Rezyklate heute noch nicht einsetzbar sind, prüfen wir alternative Material- und Fertigungskonzepte, um perspektivisch auch hier nachhaltigere Lösungen zu ermöglichen.

Im Rahmen des Projekts (Bild 3) fertigte BMW unter anderem Dickwand-Optiken aus chemisch recycelten PMMA. Das Depolimerisationsverfahren wurde vom Partner Toray entwickelt. Damit werden Acrylglas-Abfälle wieder in ihre ursprünglichen Bausteine (Methylmethacrylat = MMA) für die Herstellung neuer PMMA-Materialien zurückverwandelt.

Bild 3. Frontleuchte mit Rezyklatanteilen

Zwar ist auch das mechanische Recycling von PMMA technisch möglich. Die Herausforderungen im Automobilbereich, insbesondere bei Fronteleuchten, liegen jedoch in der komplexen Materialzusammensetzung. Sie bestehen häufig aus mehrfarbigen und funktional integrierten PMMA-Verbundstrukturen. „Diese Farb- und Materialkombinationen lassen sich im mechanischen Recyclingprozess nur begrenzt trennen und führen zu Rezyklaten mit inhomogenen oder schwer steuerbaren Farbeigenschaften“, so Diernberger. 

Das habe direkte Auswirkungen auf die Wiederverwendung. Die resultierende Einfärbung des Rezyklats ist nicht beliebig anpassbar und muss bei der Folgeanwendung berücksichtigt werden. Das grenzt die Designflexibilität ein, bei optisch anspruchsvollen oder transparenten Bauteilen stoßen mechanisch recycelte Materialien dadurch an ihre Grenzen.

Heckleuchten

Heckleuchten sind deutlich einfacher aufgebaut (Bild 3). Im Projekt konzentrierte man sich vor allem auf das eingesetzte ABS. Das erklärte Ziel: ein PoC-Anteil von 30 Prozent. Dieser wurde ohne Abstriche bezüglich Temperaturwechsel, Schweißbarkeit, chemische Beständigkeit erreicht (Bild 4). Auch die Drehmomentprüfung mit Gewinde sowie lichttechnische Prüfung bestand die Heckleuchte mit Rezyklatanteil. 

Bild 4. Heckleuchte mit Rezyklatzanteilen

Rezyklateinsatz im lackierten Exterieur

Einfacher wird es bei Stoßfängern und Schwellern, zumindest was die Quantität angeht. Denn hier hat man pro Auto 14 bis 15 Kilogramm vom gleichen Werkstoff. In Kombination mit der leichten Demontierbarkeit bilden sie eine hervorragende Rezyklatquelle; auch mit Blick auf die kommenden Quoten. Wichtig ist aber das vollständige Entlacken. Denn selbst allerkleinste Leckeinschüsse im Kunststoff können zu großen Problemen führen. 

Im Ergebnis aus dem FSCM heißt das: Perspektivisch gesehen, ist bei unlackierten und lackierten Verkleidungsteilen eine PoC-A-Quote von 30 bis 50 Prozent technisch möglich. Höhre Quoten sind aufgrund von Eigenschaftsschwankungen (Mechanik, Schwindung), geringer Fließfähigkeit und Oberflächendefekten nicht zu empfehlen. Voraussetzung für die Erreichung einer PoC-A-Quote von 50 Prozent ist jedoch eine optimale Aufbereitung der Alt-Stoßfänger mittels Entlackung und Schmelzefilter.

Rezyklate im automobilen Innenraum

Zu guter Letzt untersuchte BWM den Einsatz von Kunststoffrezyklaten in crash-relevanten Bauteilen am Beispiel einer Instrumententafel (Bild 5). Ziele des FCSM:

• Erfüllung aller Lastenheftanforderungen
• Rezyklatanteil 20 bis 30 Prozent
• Steigerung der Recycling- und Kreislauffähigkeit
• Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks

Wichtig: Bei Bauteilen für den Innenraum kommen neben den mechanischen weiteren Anforderungen hinzu. Gerüche und Emissionen gilt es zu vermeiden; Haptik und Optik sollten stimmen. Erreicht wurde ein Rezyklatanteil von 18 Prozent, dafür serienreif. Denn zum Einsatz kommt die „Instrumententafel-Tragstruktur“ bereits im neuen iX3 (Titelbild). 

Bild 5. Martin Schneebauer, Projektleiter für Kunststoffe bei der BMW Group, präsentierte im Rahmen eines exklusiven Presseevents die FSCM-Ergebnisse aus dem Arbeitspaket Kunststoffe. 

Wie könnten die angepeilten 20 bis 30 Prozent doch noch erreicht werden? Das ist laut Diernberger für den Moment gar nicht das Ziel. Denn die aktuell erreichten 18 Prozent zeigen, was heute bereits möglich ist. „Sie stellen jedoch keine grundsätzliche Obergrenze dar“, betont der BMW-Sprecher. 

Der Automobilhersteller sieht dennoch weiteres Potenzial. Dieses zu erschließen, sei jedoch anspruchsvoll und erfordere ein noch tieferes Verständnis entlang der gesamten Wertschöpfungskette. „Bei den Rezyklatquellen müssen Qualität, Konsistenz und Rückverfolgbarkeit der Eingangsmaterialien weiter verbessert werden. Und bei der Materialaufbereitung und Compounding geht es darum, Rezyklate gezielt so einzustellen, dass sie die hohen mechanischen und sicherheitsrelevanten Anforderungen erfüllen“, zählt Diernberger auf.

Fazit & Ausblick

Die Ergebnisse zeigen, dass für ausgewählte Anwendungen wie Instrumententafelträger und Heckleuchten technische Lösungen mit deutlich erhöhten Rezyklatanteilen realisierbar sind. Gleichzeitig zeigte die Forschung klare Grenzen auf – etwa bei besonders sicherheits‑ oder optikrelevanten Bauteilen wie licht- oder stromführenden Komponenten. Hier sind die verfügbaren Recyclingkunststoffe noch nicht auf dem Niveau von Neuware. 

FSCM liefert damit nicht nur konkrete Lösungsansätze, sondern auch belastbare Entscheidungsgrundlagen dafür, wo der Einsatz von Kunststoffrezyklaten bereits heute sinnvoll ist – und in welchen Bereichen weiterer Forschungsbedarf besteht. 

Damit steht fest, der Einsatz von Kunststoffrezyklaten bleibt ein zentraler Bestandteil der BMW-Strategie. „Wir werden den Einsatz mechanischer Rezyklate dort weiter ausbauen, wo es technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist. Gleichzeitig arbeiten wir daran, weitere Anwendungen zu erschließen und die Kreislaufwirtschaft entlang der Lieferkette zu stärken“, so Diernberger abschließend.