Design for Circularity Wie BMW Kreislaufwirtschaft im Konstruktionsprozess verankert

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Der CO₂-Fußabdruck eines Fahrzeugs entscheidet sich maßgeblich in der frühen Konstruktionsphase. Im Forschungsprojekt „Future Sustainable Car Materials” (FSCM) zeigt ein Industriekonsortium unter Führung der BMW Group, wie sich nachhaltige Materialien methodisch, sicher und digital gestützt in den automobilen Entwicklungsprozess integrieren lassen.

Drei Jahre lang hat die BMW Group gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung im Rahmen des Projekts FSCM (gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz) daran gearbeitet, den Weg für zirkuläre Materiallösungen freizumachen. Die wichtigste Erkenntnis für Produktentwickler: Die Kreislaufwirtschaft ist keine reine Werkstofffrage, sondern erfordert ein Umdenken im gesamten Konstruktionsprozess.„Emissionen zu reduzieren und Materialkreisläufe zu schließen, reicht in der Forschung nicht aus. Entscheidend ist, dass neue Materialien später auch serienfähig sind“, erklärt Martin Derks, Entwicklung Gesamtfahrzeug, Leiter Kunststoffe bei der BMW Group und Projektleiter von FSCM. „Bis dahin braucht es viele Berechnungen, Simulationen und Versuche. Denn ein Werkstoff muss nicht nur kreislauffähig sein, sondern auch unsere Qualitätsstandards erfüllen.“

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Design for Circularity: Zirkularität als Konstruktionsvorgabe

Um dieses Ziel zu erreichen, setzten die Ingenieure früh im Entwicklungsprozess an. Im Arbeitspaket Design for Circularity wurden methodische Vorgaben entwickelt, um Bauteile von Beginn an kreislauffähig auszulegen. Im Fokus der Konstrukteure standen dabei Materialreduktion, Funktionsintegration und das sogenannte „Design for Disassembly“ – also die möglichst einfache Trenn- und Wiederverwertbarkeit am Ende des Fahrzeuglebens.Wie durch schlaue Geometrie und Bauteilzusammenlegung Material gespart werden kann, beweisen die im Projekt entwickelten Demonstratoren. So konstruierten die Entwickler beispielsweise eine neuartige Türverkleidung, die eine tragende Funktion für den Innengriff und die Armauflage übernimmt – bei gleichzeitig höchstem Insassenschutz durch hohe Energieabsorption im Crashfall. Auch ein Schalensitz-Konzept und ein Holz-Kork-Cockpit belegen, wie der gezielte Einsatz alternativer Werkstoffe in der frühen Konstruktionsphase gelingt.

Zirkuläres Engineering

Kreislaufwirtschaft beginnt in der Konstruktion

Digitale Werkzeuge: Die Datenbasis für frühe Entscheidungen

Die größte Hürde für Konstrukteure beim Einsatz von Rezyklaten sind oft schwankende Materialkennwerte, die für präzise FEM-Berechnungen und Simulationen benötigt werden. Um nachhaltige Materialien verlässlicher in die CAD- und PLM-Landschaft zu integrieren, wurde im Arbeitspaket Digitalisierung eine neue digitale Daten- und Informationsplattform entwickelt.Auf dieser Plattform werden Materialeigenschaften, Prüfergebnisse und Nachhaltigkeitskriterien gebündelt und vergleichbar gemacht. Für den Konstrukteur bedeutet das: Er kann Entscheidungen über neue Materialien – etwa im Hinblick auf Rezyklatquoten, mechanische Einsatzgrenzen oder Bauteilqualität – frühzeitig und auf einer belastbaren Datenbasis treffen.

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Der Schlüssel für den Erfolg eines Unternehmens liegt in Konstruktion und Entwicklung. Hier entstehen innovative Produkte, die die Wettbewerbsfähigkeit sichern. Das Konstruktionsleiter-Forum sensibilisiert für die Herausforderungen der Produktentwicklung des 21. Jahrhunderts, und zeigt praxisorientierte Lösungen auf. Dazu zählen Tools und Methoden, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess schlank und effizient zu gestalten.

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Konstruieren mit Rezyklaten: Kunststoffe und Metalle

Dass die neuen Konstruktionswerkzeuge in der Praxis funktionieren, validierte das Projektteam an konkreten Baugruppen: 

• Struktur & Crashsicherheit (Metalle): Bei zentralen Fahrzeugmaterialien wie Stahl und Aluminium erprobten die Ingenieure neue Bauteilkonzepte zur Materialeinsparung. Anhand von sicherheitsrelevanten Karosseriestrukturen wurde nachgewiesen, dass sich durch optimiertes Design und höhere Rezyklatanteile der ökologische Fußabdruck senken lässt, ohne die strengen Anforderungen an die Crashsicherheit zu beeinträchtigen.
• Sicht- und Funktionsteile (Kunststoffe): Für große Bauteilgruppen wie Instrumententafelträger und Heckleuchten wurden CO_2e-reduzierte Werkstoffe (Pre- und Post-Consumer-Kunststoffe) in harten Praxistests mit Serienbauteilen verglichen.

Die Forschungsergebnisse liefern Entwicklern nun belastbare Konstruktionsrichtlinien, die aufzeigen, wo Rezyklate heute schon problemlos einsetzbar sind und wo (etwa bei optik- und sicherheitsrelevanten oder stromführenden Komponenten) die technischen Grenzen liegen.

Der Sprung in die Serie

Die im FSCM-Projekt erarbeiteten Methodiken beschränken sich nicht auf die Theorie, sondern fließen direkt in die Serienentwicklung ein. Dass die kreislaufgerechte Konstruktion Realität wird, zeigt beispielsweise der neue BMW iX3 50: Das Fahrzeug besteht bereits zu rund einem Drittel aus sekundären Materialien. So weisen sicherheitskritische Aluguss-Komponenten wie Schwenklager und Radträger einen Sekundärmaterialanteil von 80 Prozent auf, die Aluminiumguss-Felgen liegen bei 70 Prozent.

Dass der Weg von Materialinnovationen aus der Forschung in die Serientauglichkeit gelingt, belegt die BMW Group unter anderem mit den Modellen der Neuen Klasse. So besteht der neue BMW iX3 50 zu rund einem Drittel aus sekundären Materialien.