Produktion

blackValue: Schwarzsehen erwünscht

blackValue ist in kompakter SMD-Technologie realisiert.
© Foto Fraunhofer FHR

blackValue ist in kompakter SMD-Technologie realisiert.

Mit der am Fraunhofer FHR entwickelten Terahertz-Zeilenkamera können Kunststoffe nicht nur farblich, sondern auch schwarze Kunststoffe sortenrein sortiert werden.
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Mit der am Fraunhofer FHR entwickelten Terahertz-Zeilenkamera können Kunststoffe nicht nur farblich, sondern auch schwarze Kunststoffe sortenrein sortiert werden.

Die Mittelkonsole im Auto. Die Ablagekörbe im Büro. Das Laptop-Gehäuse. Das Telefon, der Monitor, die Tastatur. All diese Gegenstände bestehen aus schwarzem Kunststoff. Irgendwann sind auch ihre Tage gezählt. Was wird dann aus ihnen?

Aktuell werden ca. 50 % der Kunststoffabfälle in Europa verwertet. Die häufigste Verwertungsmethode ist dabei die thermische Verwertung bei der die Abfälle verbrannt werden, um Energie zu gewinnen. Bei der werkstofflichen Verwertung, wird aus dem sogenannten Recyklat wieder ein neues Produkt hergestellt. Doch die Vielzahl an Kunststoffen sowie die unterschiedlichen Additive wie Farbstoffe, Weichmacher, Flammschutzmittel oder UV-Blocker erschweren dabei die Verwertung: Aus nicht sortenreinem Recyklat hergestellte Produkte weisen schlechtere Materialeigenschaften auf als Produkte aus neuen Kunststoffen. Ein geschlossener Recyclingkreislauf erfordert aber ein gleichwertiges Endprodukt. Materialerkennende Sortiersysteme für das Kunststoffrecycling müssen also in der Lage sein, Stoffsorten korrekt zu klassifizieren.

Die aktuell leistungsfähigsten Verfahren bei der Kunststoffsortierung basieren auf Hyperspektralkameras. Bei der Sortierung schwarzer oder sehr dunkler Kunststoffe ist der reflektierte Anteil im sichtbaren als auch im infraroten Wellenlängenbereich jedoch zu gering, da Schwarz das Spektrum nahezu vollständig absorbiert. Auch der stärkere Einsatz von Verbundstoffen stellt die Qualitätskontrolle vor bisher ungelöste Probleme, da die Materialbestimmung nur auf der Oberfläche erfolgt.

Rohstoff aus dem Schrott

Der Tonnagepreis für möglichst reine Kunststoffabfälle liegt deutlich höher als für solche mit geringerer Reinheit. Verwerter versuchen daher mit technisch aufwändigen Methoden Kunststoffabfälle sortenrein zu sortieren, denn in schwarzen Kunststoffen steckt ein wirtschaftliches Potenzial von etwa einer Milliarde Euro. Um dieses Potenzial zu nutzen, hat die Fraunhofer-Gesellschaft eine strategische Allianz gebildet. Diese besteht aus den Fraunhofer-Instituten FHR, IAIS und IOSB. Die Forschungsaktivitäten der drei beteiligten Institute werden im Projekt blackValue® unter der Leitung des Fraunhofer FHR zusammengefasst. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines echtzeitfähigen Sensor- und Auswertesystems zur Materialbestimmung von Kunststoffen, insbesondere zur Wiederverwertung schwarzer Kunststoffe. Derzeit arbeitet das System bei bis zu 94 GHz. Im aktuellen Entwicklungsschritt wird die Frequenz auf 120 GHz erhöht, um noch bessere Ergebnisse zu erzielen. Dabei setzen die Forscher auf die Kombination einer neuartigen Radarkamera im Terahertz-Bereich mit herkömmlicher Sensorik. Basierend auf den Forschungsarbeiten des Fraunhofer FHR im Bereich der Radartechnik wie auch auf dem Gebiet des Chip-Designs entstanden kostengünstige, hochintegrierte Radare auf Silizium-Germanium-Basis.

Erfolgsgeheimnis: Teamwork

Eine vollspektroskopische Analyse über einen großen Terahertz-Bereich wäre sehr hardware-hungrig und ist somit wirtschaftlich nicht realisierbar. Daher greifen die Fraunhofer-Forscher auf einen Trick zurück: Sie werten einen Frequenzbereich mit sehr geringer Bandbreite im unteren Terahertz-Bereich aus und achten dabei auf die Verfügbarkeit von kommerziellen Systemkomponenten. Diese Optimierung stellt aber gleichzeitig besondere Anforderungen an die verwendeten Auswertealgorithmen.

Um diesen Bedingungen gerecht zu werden und eine sichere Zuordnung zu erreichen, setzt das Fraunhofer IAIS Algorithmen aus dem Bereich des Maschinellen Lernens ein. Bei diesem Teilgebiet der Informatik wird ein Algorithmus in einer ersten Phase trainiert. In der anschließenden Erkennungsphase zeigen die Entwickler dem System weitere Proben und das System muss diese entsprechend seines Trainings selbstständig den unterschiedlichen Sorten zuordnen. Derzeit erreicht der Algorithmus eine Genauigkeit von 94-99 %.

Ein entsprechender Prototyp zur Sortierung der Kunststoffabfälle entsteht am Fraunhofer IOSB. Die Kunststoffabfälle laufen auf einem Fließband mit zwei bis drei Metern pro Sekunde an der FHR-Kamera vorbei und binnen 35 Millisekunden entscheidet das System, ob das Teil ausgeblasen wird oder weiter laufen darf. Die Anlage kann mit zwei Personen be- und entladen werden. Sie erreicht einen Durchsatz von rund 30 Tonnen pro Stunde.

Die mit blackValue® erzielte sortenreine und bei Bedarf auch farbreine Trennung bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit erlaubt das Recycling schwarzer Kunststoffe im industriellen Maßstab.