Könnte Bildgebung

Von den 8,3 Milliarden Tonnen Plastikmüll, die seit den 1950er Jahren produziert wurden, wurden nur neun Prozent wiederverwendet1.

Das Problem des Plastikmülls hat in den letzten Jahren immer wieder Schlagzeilen gemacht, und es wurde berichtet, dass Plastik Ökosysteme in einigen der entlegensten Gebiete unseres Planeten, einschließlich der Arktis, stört.

Regierungen auf der ganzen Welt erkennen die Notwendigkeit, dies zu ändern, und führen Gesetze zur Verbesserung der Recyclingquoten ein. Die vorgeschlagene EU-Gesetzgebung legt beispielsweise Mindestziele für den Recyclinganteil in Kunststoffverpackungen fest, beispielsweise 30 % für Getränkeflaschen bis 2030 und 65 % bis 2040.

Abfall wird daher zu einem wichtigen Rohstoff, wenn Unternehmen darum kämpfen, diese kritischen Ziele zu erreichen. Und da der Preis für Rohöl – und damit für Neukunststoff – aufgrund der steigenden Rohölkosten steigt, wird recyceltes Material noch attraktiver.

Aber es gibt einen Grund, warum Kunststoffe nicht im gleichen Maße recycelt werden wie Papier, Glas oder Metalle: Die schiere Menge an unterschiedlichen Verpackungsprodukten auf dem Markt macht es schwierig, sie zu identifizieren, zu trennen und zu sortieren.

Bildgebungstechnologien wie Infrarot-, Hyperspektral- und CCD-Zeilenkameras waren für die zuverlässige Erkennung und Sortierung von Kunststoffabfällen von entscheidender Bedeutung, doch die Recyclingindustrie steht bei Kunststoffen vor besonderen Herausforderungen, bei deren Bewältigung die Bildgebungsindustrie weiterhin helfen könnte.

Schwarzes Kunststoffrecycling

Sesotec ist ein OEM, der Sortiersysteme für das Recycling entwickelt und heute weltweit mehr als 2.300 Geräte installiert hat.

Die Maschinen des Unternehmens verfügen über eine Reihe von Kameras und Sensoren, die auf die Art des zu sortierenden Materials zugeschnitten sind. Ein Material, das die technologischen Grenzen überschreitet – und das laut Sesotec von der Photonikindustrie unterstützt werden könnte – ist schwarzer Kunststoff.

„Schwarzer Kunststoff ist eines der größten Probleme beim Recycling“, sagte Tobias Eder, Manager Application Engineering & Technology bei Sesotec, während eines kürzlichen EPIC-Online-Technologietreffens zum Thema Kunststoffsortierung, Recycling und Abfallmanagement.

Die meisten schwarzen Kunststoffverpackungen – die häufig in Elektronikartikeln, Lebensmittelbehältern, Plastiktüten und der Automobilindustrie verwendet werden – sind mit Rußpigmenten gefärbt, die typische Technologien, die in Sortiergeräten eingesetzt werden, wie Nahinfrarotsensoren (NIR) oder CCD-Zeilenkameras, verhindern es zuverlässig erkennen.

Das Unternehmen suche nach einer zuverlässigen Technologie, die schwarze Polymere erkennen kann, mit einer Erkennungsgenauigkeit, die mit der des nahen Infrarots vergleichbar sei, sagte Eder. „Im Moment verfügen wir nur über gewisse Möglichkeiten, Sensoren im mittleren Infrarotbereich zu verwenden, aber sie erreichen nicht das gleiche NIR-Niveau, und sie müssen in Kombination mit anderen Sensoren verwendet werden.“ Er fügte hinzu, dass es zwar Forschungs-/Industrieprojekte gibt, die sich auf diese Anwendung konzentrieren, „es aber keine wirklichen Ergebnisse gibt, die im industriellen Maßstab mit den Reinheiten möglich sind, die unsere Kunden benötigen“.

Neben Sensoren sucht das Unternehmen nach Hochleistungs-LEDs im Wellenlängenbereich von 1.300 bis 1.900 nm, um die Erkennung dunklerer Kunststoffe zu ermöglichen, aber auch um Halogenlampen zu ersetzen und den Stromverbrauch seiner Maschinen zu senken.

Sesotec setzt in seinen Maschinen sowohl CCD-Zeilenkameras als auch NIR-Sensoren ein. Die CCD-Kameras können anhand von Form und Farbe erkennen und farbige Materialien aus einer klaren Fraktion trennen. Sie haben eine Auflösung von bis zu 0,075 mm und können in Kombination mit verschiedenen Beleuchtungsoptiken das Lesen von rund 17 Millionen Farben erlernen. Je nach Anwendung können unterschiedliche Beleuchtungsmöglichkeiten zum Einsatz kommen – beispielsweise erkennt Durchlicht die Transmission in einem transparenten Material oder ein Auflicht die Reflexion von undurchsichtigem Material.

Zur NIR-Detektion nutzt das Unternehmen eine selbst entwickelte Kamera. Mit NIR lassen sich Flammschutzmittel und PET-Schalen erkennen; es kann LDPE und HDPE unterscheiden; Erkennen Sie verschiedene „Flaschen-/Etikett-Kombinationen“ oder unterscheiden Sie zwischen PET und PETG (Flaschen und Flocken). Eine „Kunststoffbibliothek“ kann an bestimmte Anwendungen und Kunststoffarten angepasst werden.

Sesotec hofft, in Zukunft mehr KI integrieren zu können, benötigt jedoch mehr Rechenleistung, um dies zu einem vernünftigen Preis zu integrieren. Eder hofft, dass die integrierte Photonik dabei helfen könnte. KI-gestützte Erkennungs- und Sortierprozesse würden die Zeit zwischen Erkennung und Sortierung des Materials verkürzen und so den Output steigern. „Ich weiß, dass derzeit alle darüber reden, aber KI wird einen enormen Nutzen bringen“, sagte Eder.

Das Unternehmen bietet Organisationen mit Fähigkeiten, die ihren Anforderungen entsprechen, die Möglichkeit, ihre Produkte in einer industriellen Umgebung zu testen, entweder im Testzentrum des Unternehmens oder am Standort eines Kunden. „Sie erhalten ein detailliertes Feedback zu unseren Erkenntnissen, was verbessert werden muss und was gut war“, sagte Eder. Auch Unternehmen könnten bei Forschungsprojekten kooperieren, fügte er hinzu.

Verbesserung der Reinheit von recyceltem Kunststoff

Neben der Erkennung von schwarzem Kunststoff besteht eine weitere Herausforderung beim Kunststoffrecycling darin, einen ausreichend hohen Reinheitsgrad zu erreichen, damit der recycelte Inhalt in hochwertige Produkte umgewandelt werden kann, die die Leistungs- und Funktionalitätsanforderungen erfüllen.

Der heute verwendete Mix unterschiedlicher Polymertypen erschwert dies, da sie unterschiedliche chemische Zusammensetzungen sowie unterschiedliche Zusatzstoffe wie Farbstoffe und Flammschutzmittel enthalten, die einem Kunststoffprodukt seine spezifischen Eigenschaften verleihen.

Das Sortieren dieser verschiedenen Kunststoffe und das Entfernen von Verunreinigungen ist wichtig, da Produkte, die aus recycelten Kunststoffen hergestellt werden, sonst möglicherweise nicht die gewünschte Leistung erbringen.

Ein dänisches Forschungs-/Industrieprojekt namens New Hyperspectral Camera Technology for Material Identification (NewHC) entwickelt eine Hyperspektralkamera, die das Recycling von Kunststoffmaterialien erheblich erleichtern wird. Die spektrale Auflösung und Reichweite der Technologie wird höher sein als bei bestehenden Produkten auf dem Markt, um unerwünschte Flammschutzmittel und Pigmente im Kunststoff aufzudecken, die möglicherweise verboten oder schädlich sind, sodass sie vor dem Recycling entfernt werden können.

„Es ist wichtig, dass wir Kunststoffe in möglichst reine Fraktionen trennen, um die Recyclingquote zu erhöhen. Derzeit ist eine Reinheit der Kunststofffraktionen von mindestens 95 % erforderlich, vorzugsweise höher. Aus diesem Grund streben wir eine schnelle Automatisierung an.“ und effiziente Kunststofferkennung mit dieser Technologie. Wir hoffen, dass wir damit die Grenzen für das zukünftige Recycling von Kunststoffabfällen verschieben und dadurch die Notwendigkeit der Herstellung neuer Kunststoffe verringern können“, sagte Bjarke Jørgensen, Leiter Forschung und Entwicklung bei Newtec Engineering.

Die Aarhus University (AU), die University of Southern Denmark (SDU) und Newtec Engineering streben die Entwicklung der Hyperspektralkamera mit einem Spektralbereich von etwa 400 nm bis 1.900 nm und einer gewünschten Auflösung von 2 nm an.

„Das ist ein äußerst ehrgeiziges Ziel dieser Technologie und stellt hohe Anforderungen an die optischen Komponenten der Kameratechnik. Neben einer einzigartig hohen Auflösung wollen wir die Kameraoptik auch für Lichtspektren optimieren, die für die Analyse von Kunststoffen entscheidend sind.“ ", sagte außerordentlicher Professor Mogens Hinge vom Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen der Universität Aarhus.

Sobald die Technologie entwickelt ist, wird sie in Zusammenarbeit mit Newtec Engineering in einer eigens errichteten Mülltrennungsanlage installiert.

„Wir haben jetzt den ersten Kameraprototyp in unserem Labor und sind gespannt, was wir daraus machen können“, sagte Professor Hinge gegenüber Imaging and Machine Vision Europe. „Wir hoffen aufrichtig, dass auch andere Kamerahersteller und Forscher daran arbeiten, bessere Kameras für die Kunststoffsortierung herzustellen. Aber meines Wissens gibt es keine Kameras auf dem Markt, die die von uns angestrebten Spezifikationen erfüllen.“

Eine der anspruchsvollen technischen Aufgaben ist die Entwicklung der Bildfrequenz, also wie viele Bilder pro Sekunde aufgenommen werden können und wie schnell die Bilder verarbeitet und auf der Grundlage der Daten Entscheidungen getroffen werden können. Geschwindigkeit ist entscheidend, da in Recyclinganlagen täglich tonnenweise Material verarbeitet wird, von dem jeder Quadratmeter analysiert werden muss. „In der aktuellen Konfiguration erhalten wir beispielsweise 1,3 Millionen Spektren pro 10–12 cm Förderbandbewegung. Daher ist die schnelle Verarbeitung dieser Datenmengen neben der Optik und Sensorik der Schlüssel zum Erfolg. Je schneller wir die Daten verarbeiten können, desto schneller kann das Förderband laufen und desto höher ist der Durchsatz an recyceltem Kunststoff“, sagte Hinge. Das Team plant, KI zur Analyse der räumlich-spektralen Signale einzusetzen.

Der Sensor kann Licht von 415 bis 1.850 nm erkennen, und ein so breiter Spektralbereich stellt eine Herausforderung für die aktuelle Optik dar, erklärte Hinge, da die meisten Materialien sowohl im UV- über den visuellen als auch im Infrarot-Spektralbereich nicht transparent sind. „Dies ist auch beim Kameraprototyp zu spüren, da die aktuelle Optik (Objektive usw.) nicht optimal ist und wir noch keine vollständige Ausleuchtung des Sensors haben“, bemerkte Hine. „Dies ist jedoch eine der Aufgaben, die wir mit diesem Projekt lösen wollen.“

Das NewHC-Projekt wird vom Innovation Fund Denmark (Fördernummer: 2105-00002B), Newtec, der University of Southern Denmark und der Universität Aarhus unterstützt. Das Gesamtbudget beträgt 11,3 Millionen DKK und die Laufzeit beträgt drei Jahre.

Den Kreis schließen

Ein Trend in der Kunststoffindustrie sei die Entwicklung hin zum Recycling im geschlossenen Kreislauf, sagte Eder von Sesotec während des EPIC-Treffens. Viele Unternehmen wie Coca Cola streben beispielsweise an, aus ihren alten Flaschen neue Flaschen herzustellen, fügte Eder hinzu. Der Getränkehersteller hofft, seine Flaschen bis 2025 zu 100 % recycelbar zu machen.

Eine Möglichkeit für Unternehmen, den Kreislauf von Kunststoffverpackungen zu schließen, sind digitale Wasserzeichen – unsichtbare, briefmarkengroße Codes, die auf Kunststoffverpackungen aufgedruckt sind –, die Informationen über das Verpackungsmaterial enthalten, die von Kameras erkannt werden können. Dies ist insbesondere bei Flaschen und Lebensmittelverpackungen von Vorteil, für die strengere Anforderungen gelten. Die einfache Identifizierung dieser Kunststoffe führt zu einer besseren Recyclingrate. Die Wasserzeichen ermöglichen es Unternehmen außerdem, ihre Produkte über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu verfolgen und so dabei zu helfen, die Recyclingrate zu verfolgen und ihre Position innerhalb der Kreislaufwirtschaft zu analysieren.

Ein Projekt namens HolyGrail 2.0 testet die Implementierung der digitalen Wasserzeichentechnologie zunächst im halbindustriellen und später im industriellen Maßstab.

Dabei werden neue Prototypen von Maschinen installiert, die mit hochauflösenden Kameras ausgestattet sind, um die Informationen der digitalen Wasserzeichen in Sortier- und Recyclingzentren zu erkennen und zu entschlüsseln.

Das Team, dem AIM, die European Brands Association, und The Alliance to End Plastic Waste angehören, wird bewerten, wie schnell und wie genau die Wasserzeichen mit vorhandener Technologie getestet werden können und wie dies die Effizienz der Sortierung verbessert.

Es besteht die Hoffnung, dass Kunststoffabfälle dann in andere Recyclingströme gelangen können, beispielsweise in mechanisches oder chemisches Recycling, wenn durch intelligente Sortierung die Reinheit des Recyclingrohstoffs erhöht wird. Dies führt letztendlich zu größeren Mengen an recyceltem Kunststoffabfall und verbessert die Gesamtqualität der Rezyklate.

Zusätzlich zur Kennzeichnung von Kunststoffen, die in die Kunststofflieferkette gelangen, könnte eine Änderung der Chemie von schwarzem Kunststoff die Recyclingrate verbessern.

Lanxess, ein Spezialchemieunternehmen mit Sitz in Köln, Deutschland, stellt ein schwarzes Pigment zum Einfärben von schwarzem Kunststoff her, das 20 % der Nahinfrarotstrahlung reflektiert. Dies ermöglicht eine effiziente und kostengünstige Identifizierung von Kunststoffen mit Hilfe von NIR-Detektoren, wie sie bei der Abfallsortierung zum Einsatz kommen. Mit Ruß eingefärbte Kunststoffverpackungen, die heute zu einem großen Teil verwendet werden, reflektieren keine Strahlung und können daher in Sortieranlagen nicht erkannt werden. Das Unternehmen hofft, dass das neue Eisenoxidpigment einen entscheidenden Beitrag zum Recycling schwarzer Kunststoffverpackungen leisten könnte.

Verweise

1 Roland Geyer et al., Produktion, Verwendung und Schicksal aller jemals hergestellten Kunststoffe.Sci. Adv.3,e1700782(2017).DOI:10.1126/sciadv.1700782