Effizienzsteigerung bei Demontage und Recycling durch flexible Demontagetechnologie und optimierte Produktgestaltung

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 83

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-05-04
Issue Year
1998
Authors
Meedt, Otto
Editor
Feldmann, Klaus
Geiger, Manfred
Publisher
Meisenbach
ISBN
3-87525-108-3
Abstract

In view of increasing environmental problems and the resulting legal regulations, the importance of recycling technical products is constantly increasing. The overarching goal of this work was to make a contribution to increasing efficiency in recycling and dismantling, in order to enable economical, yet high-quality recycling cycles. An analysis of the rationalization potential of the particularly recycling-relevant product groups (electronic and electrical devices as well as automobiles) has shown that decisive improvements are possible in three areas in particular: A recycling-friendly product design can facilitate a fundamental simplification of recycling and reuse in the medium and long term. In the case of products currently being recycled, however, a significant increase in efficiency can be achieved primarily through the optimization of dismantling processes and through improved dismantling planning. In order to optimize dismantling processes, the focus was placed on the development of new tools specially adapted to the requirements of dismantling, since these form the basis for efficient manual and automated dismantling concepts. By abstracting and structuring dismantling processes, previously unused development potential for increasing flexibility and shortening the process time was shown. Based on these results, six new dismantling tools could be designed. These tools, which provide solutions for the efficient transmission of torques and forces, were evaluated and compared with regard to the previously defined requirement. The tools with the greatest efficiency potential were selected for elaboration and prototypical implementation: • The drilling and unscrewing tool is able to transfer torques to a large number of current screw drives either via positive locking or via attack surfaces created in the process. Alternatively, this tool offers the option of destructive disassembly by drilling. • The expanding chisel is designed for the quick opening of plastic housings - regardless of the type of connection used. Thanks to a special lever system, an impulse-like input force is used to generate suitable contact surfaces and to separate the plastic elements. In the course of experimental investigations, the tool design and the process parameters were optimized on the one hand, and the performance of the prototypes on the other. In addition - as an example of the advantageous use of flexible tools in automated dismantling - a partially automated unscrewing module based on the drilling unscrewing tool was designed and implemented. A recycling-oriented product analysis is of crucial importance for disassembly planning and for optimized product design. For this purpose, a concept was developed based on current deficits, which includes a dismantling and recycling simulation of products as a central element. This system enables the optimal recycling and dismantling strategy for technical products to be determined, taking into account the product properties and the general conditions of recycling. The starting point for the analysis is the product mapping in a special connection structure graph, the so-called recycling graph. Alternative recycling and disposal process chains are modeled using a semantic process, regardless of the product. A particular challenge in product analysis was to include all potential dismantling alternatives with short, reasonable computing times. For this reason, a method was developed for this problem on the basic structure of the Branch and Bound optimization process, which considerably limits the solution space for the optimal dismantling and recycling strategy. Here, empirical parameters are used, which are based on both product data and data from available dismantling and recycling processes. In addition, various weak point analysis methods have been developed to support recycling-friendly product design. These relate to material compatibility, the arrangement and selection of connecting elements as well as the arrangement of components containing valuable and hazardous substances within the product structure. A systematic approach also developed in the context of this work allows the integrated use of these processes for product optimization. The described methods for product analysis and optimization were implemented in the DisPlay software and tested in industry. The integration of the extensive, recycling-related functionality of DisPlay in systems for comprehensive ecological product evaluation was demonstrated using the example of the industrially used software Green Design Advisor. The solutions developed as part of this work show possibilities for optimizing dismantling processes and procedures as well as for improving the recyclability of products. The increases in efficiency to be expected in the recycling of currently occurring and future technical products, if implemented accordingly, can significantly improve the efficiency of high-quality recycling cycles.

Abstract

Angesichts zunehmender Umweltprobleme und der daraus resultierenden gesetzlichenen Regelungen nimmt die Bedeutung des Recyclings technischer Produkte beständig zu. Übergreifendes Ziel dieser Arbeit war es, einen Beitrag zur Effizienzsteigerung bei Recycling und Demontage zu leisten, um wirtschaftliche und trotzdem hochwertige Recyclingkreisläufe zu ermöglichen. Eine Analyse der Rationalisierungspotentiale bei den besonders recyclingrelevanten Produktgruppen (elektronische und elektrische Geräte sowie Automobile) hat ergeben, daß vor allem in drei Bereichen entscheidende Verbesserungen möglich sind: Eine recyclinggerechte Produktgestaltung kann mittel- und langfristig eine grundlegende Vereinfachung der Verwertung und erneuten Verwendung ermöglichen. Bei aktuell zum Recycling anfallenden Produkten kann jedoch vorwiegend durch die Optimierung von Demontagevorgängen sowie durch eine verbesserte Demontageplanung eine erhebliche Effizienzsteigerung erreicht werden. Zur Optimierung von Demontagevorgängen wurde der Schwerpunkt auf die Entwicklung neuer, speziell an die Anforderungen der Demontage angepaßter Werkzeuge gelegt, da diese die Grundlage für effiziente manuelle und automatisierte Demontagekonzepte bilden. Hierzu wurden durch Abstrahierung und Strukturierung von Demontagevorgängen bisher kaum genutzte Entwicklungspotentiale zur Erhöhung der Flexibilität und Verkürzung der Verfahrensdauer aufgezeigt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse konnten sechs neue Demontagewerkzeuge konzipiert werden. Diese Werkzeuge, die Lösungen für das effiziente Übertragen von Drehmomenten und Kräften bereitstellen, wurden hinsichtlich der zuvor definierten Anforderung bewertet und verglichen. Für eine Ausarbeitung und prototypische Realisierung wurden die Werkzeuge mit dem größten Effizienzpotential ausgewählt: • Das Bohr-Entschraubwerkzeug ist in der Lage, Drehmomente auf eine Vielzahl aktueller Schraubenantriebe entweder über Formschluß oder über prozeßimmanent erzeugte Angriffsflächen zu übertragen. Alternativ dazu ist bei diesem Werkzeug die Möglichkeit zur zerstörenden Demontage durch Aufbohren gegeben. • Der Spreizmeißel ist für das schnelle Öffnen von Kunststoffgehäusen – unabhängig von den eingesetzten Verbindungsarten - konzipiert. Durch ein spezielles Hebelsystem wird hierbei eine impulsartige Eingangskraft gleichzeitig zur Generierung geeigneter Angriffsflächen und zum Trennen der Kunststoffelemente genutzt. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen konnten einerseits die Werkzeuggestaltung und die Prozeßparameter optimiert, andererseits aber auch die Leistungsfähigkeit der Prototypen nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde - als Beispiel für den vorteilhaften Einsatz flexibler Werkzeuge in der automatisierten Demontage - ein teilautomatisiertes Entschraubmodul auf der Basis des Bohr-Entschraubwerkzeugs entworfen und realisiert. Für die Demontageplanung und für die optimierte Produktgestaltung ist eine recyclingorientierte Produktanalyse von entscheidender Bedeutung. Hierzu wurde auf der Grundlage aktueller Defizite ein Konzept entwickelt, das als zentrales Element eine Demontage- und Recyclingsimulation von Produkten beinhaltet. Diese Systematik ermöglicht die Ermittlung der optimalen Recycling- und Demontagestrategie für technische Produkte, unter der gemeinsamen Berücksichtigung von Produkteigenschaften und Rahmenbedingungen des Recyclings. Ausgangspunkt für die Analyse ist die Produktabbildung in einem speziellen Verbindungsstrukturgraphen, dem sogenannten Recyclinggraphen. Die Modellierung alternativer Recycling- und Beseitigungsprozeßketten erfolgt produktunabhängig mit einem semantischen Verfahren. Eine besondere Herausforderung bei der Produktanalyse war es, alle potentiellen Demontagealternativen bei geringen, vertretbaren Rechenzeiten einzubeziehen. Deshalb wurden für diese Problemstellung auf der Grundstruktur des Branch and Bound-Optimierungsverfahrens eine Methode entwickelt, die den Lösungsraum für die optimale Demontage- und Recyclingstrategie erheblich einschränkt. Hierbei werden empirische Kennwerte eingesetzt, die sowohl auf Produktdaten als auch auf Daten verfügbarer Demontage- und Recyclingprozesse beruhen. Zusätzlich wurden für die Unterstützung der recyclinggerechten Produktgestaltung verschiedene Methoden zur Schwachstellenanalyse entwickelt. Diese betreffen die Materialkompatibilität, die Anordnung und Auswahl von Verbindungselementen sowie die Anordnung von wert- und gefahrstoffhaltigen Bauteilen innerhalb der Produktstruktur. Eine ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelte systematische Vorgehensweise erlaubt den integrierten Einsatz dieser Verfahren zur Produktoptimierung. Die geschilderten Methoden zur Produktanalyse und -optimierung wurden in die Software DisPlay umgesetzt und in der Industrie erprobt. Die Einbindung der umfangreichen, recyclingbezogenen Funktionalität von DisPlay in Systeme zur übergreifenden ökologischen Produktbewertung wurde am Beispiel der industriell eingesetzten Software Green Design Advisor demonstriert. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Lösungen zeigen Möglichkeiten zur Optimierung von Demontagevorgängen und -abläufen sowie für eine Verbesserung der Recyclingeignung von Produkten auf. Die bei einer entsprechenden Umsetzung zu erwartenden Effizienzsteigerungen beim Recycling aktuell anfallender und zukünftiger technischer Produkte können die Wirtschaftlichkeit hochwertiger Recyclingkreisläufe entscheidend verbessern.

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Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
83
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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