BlackValue - Sortieren schwarzer Kunststoffe im industriellen Maßstab

Keyvisual
© Fraunhofer IAIS
Der Recycling-Prozess unterteilt sich in zahlreiche Schritte.
© Fraunhofer FHR

Der Recycling-Prozess unterteilt sich in zahlreiche Schritte.

Materialerkennende Sortiersysteme für das Kunststoffrecycling müssen in der Lage sein, Stoffsorten unabhängig von verwendeten Additiven korrekt zu klassifizieren. Für das Wiederverwenden der zurücklaufenden Kunststoffe ist eine hohe Reinheit der einzelnen Kunststoffarten notwendig. Die am Markt vorhandenen Sensorsysteme haben enorme Schwierigkeiten, diesen Anforderungen bei der Sortierung schwarzer Kunststoffe auf Grund des spezifischen Absorptionsverhaltens zu genügen. Genau diese Klasse von Kunststoffen wird jedoch in Zukunft eine immer größere Rolle spielen, da insbesondere bei der Wiederverwertung von Automobilen das Recycling schwarzer Kunststoffe ein Schlüsselfaktor für die Einhaltung der vereinbarten EU-Grenzwerte darstellt. Diese am Markt vorhandene Lücke im Recyclingkreislauf soll durch neue Technologien zur Sortierung schwarzer Kunststoffe geschlossen werden. Für dieses Ziel wurde eine strategische Allianz gebildet, bestehend aus dem Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Karlsruhe, dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR, Wachtberg, und dem Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS, Sankt Augustin.

Der als Recycling bezeichnete Prozess gliedert sich in mehrere Teilschritte, wie z. B. Vorsortieren, Zerkleinern, Sieben, Trennen, Verwerten (s. Abbildung links). Das Projekt setzt am technologischen Kernproblem der Sortierung farbiger bzw. schwarzer Kunststoffe an, der Sensorik. Mithilfe der Terahertz(THz)-Technik wird dieses Problem industrietauglich gelöst. Dazu wird die Sensorik nicht isoliert entwickelt, sondern samt Signalauswertung in moderne Sortiertechnik integriert. Im Gegensatz zu bestehenden Sortieranlagen wird erstmalig ein industrietaugliches Verfahren zum Sortieren schwarzer Kunststoffe vorgestellt. Es existieren bereits verschiedene Verfahren zum Unterscheiden von schwarzen Kunststoffen, jedoch können diese nicht wirtschaftlich auf einen industriellen Sortierprozess umgesetzt werden.

Ziel dieses Projekts ist die Erforschung eines Sortiersystems (s. Abbildung unten) für insbesondere schwarze Kunststoffe, welches die Separierung von schwarzen Kunststoffen in der Recyclingindustrie erlaubt. Dabei liegen besonders die Kosteneffizienz und der flexible Einsatz des Systems im Fokus. Um die Vorteile der spektroskopischen Untersuchung zwischen 0,1-1 THz in einem Recyclingprozess integrieren zu können, müssen vor allem geeignete Messdaten-Reduktionen erfolgen, um die Messgeschwindigkeit zu maximieren. Diese Datenreduktion wird dadurch erreicht, dass keine vollständigen spektroskopischen Untersuchungen im kompletten Frequenzbereich von 0,1-1 THz als Grundlage der Sortierung dienen, sondern nur gezielt einzelne Frequenzen oder kleine Frequenzbänder zur Separation der Kunststoffe genutzt werden. Diese Datenreduktion, kombiniert mit der Submillimeterwellen-Technologie, bietet dabei einen neuartigen Lösungsansatz bei der Konzeption eines Messinstruments für den flexiblen Einsatz zur Separierung unterschiedlicher schwarzer Kunststoffe im Recyclingbereich. Weiterhin erlaubt der Einsatz dieser Technologie durch geeignete Algorithmen eine Rückschätzung von Materialparametern wie z. B. der Dielektrizitätskonstante durchzuführen, die zur Bestimmung der Kunststoffsorte genutzt werden kann.

Sortiersystem für schwarze Kunststoffe
© Fraunhofer FHR

Sortiersystem für schwarze Kunststoffe

Durch die Auswertung unterschiedlicher stoffspezifischer Eigenschaften der Proben, wie der Dämpfung, dem spektralen „Fingerprint“ und den dielektrischen Eigenschaften soll innerhalb der Projektlaufzeit ein geeigneter und kostengünstiger Ansatz für die Separierung unterschiedlichster optisch intransparenter Kunststoffe (schwarzer Kunststoffe) eruiert und validiert werden. Eine der wesentlichsten Herausforderungen beim Aufbau eines solchen Systems liegt in der gezielten Auswahl der Frequenzen, um die erzeugten Datenmengen und die damit verbundenen Kosten des Systems möglichst gering zu halten. Diese Idee wurde vom Fraunhofer IOSB bereits für die Sortierung von Colemanit in der Türkei erfolgreich angewandt. Weiterhin ist es wichtig, einen mehrstufigen Differenzierungsalgorithmus zu entwickeln, der zum einen die charakteristische Absorption der Proben mit einbezieht und zum anderen die dielektrischen Eigenschaften berücksichtigt. Da die Rückschätzung der dielektrischen Eigenschaften einen wesentlichen Bestandteil des Sortieralgorithmus darstellt, müssen unterschiedliche Ansätze der Extraktion unter realitätsnahen Gegebenheiten untersucht werden. Dabei sind zwei Verfahren besonders hervorzuheben. Zum einen besteht die Möglichkeit, die Dicke der Probe mithilfe eines zusätzlichen optischen Sensors zu ermitteln, um danach mithilfe dieser Höheninformation und der Phasenverschiebung der implizierten Submillimeterwelle die Berechnung der dielektrischen Eigenschaften durchzuführen. Eine weitere Möglichkeit der Materialparameterextraktion bietet die Verwendung der Reflexionsgeometrie eines Messaufbaus. Dabei werden gezielt Sprünge des Wellenwiderstandes, welche durch die Grenzschichten Luft/Probe und Probe/Luft entstehen, im Rohdatensatz ermittelt, um somit die nötigen Parameter der Rückschätzung zu gewinnen.