Automatisierte Demontagesysteme und recyclinggerechte Produktgestaltung elektronischer Baugruppen

dc.contributorFeldmann, Klaus
dc.contributorMeerkamm, Harald
dc.contributor.advisorFeldmann, Klaus
dc.contributor.authorScheller, Herbert
dc.contributor.editorGeiger, Manfred
dc.contributor.editorFeldmann, Klaus
dc.date.accessioned2020-05-28
dc.date.available2020-05-27
dc.date.created1998
dc.date.issued2020-05-28
dc.description.abstractGermany's current waste economic system is primarily based on the principle of the final disposal of disused economic goods in waste incineration plants or landfills. The disposal methods that are still used today imply considerable ecological problems and cause a social polarization that has triggered a national rethink in waste law. The Law to Promote the Circular Economy and Ensure the Environmentally Sound Disposal of Waste (Circular Economy and Waste Act) came into force on October 7, 1996 and defines industrial material flows as cycles. Although there is still no primary obligation to restructure the economic system from the law due to the lack of specific regulations in the individual product areas, trend-setting impulses can be derived for the development of an industrial circular economy system. The constant miniaturization of electronic assemblies enables the realization of increasingly complex functions and leads to a growing penetration of our environment with electronics. Shortened innovation cycles of electronic products reduce their real useful life. These currents cause an increased amount of waste from unused electronic products that are still 'stored' in households or disposed of with household waste. As part of the desired economic restructuring of the disposal systems for electronic products in material cycles, it is therefore primarily the electronic assembly that needs to be checked for its viability. The aim of the present work was to develop methodical and technological solutions that make it possible to analyze, evaluate and optimize industrial cycles. The methodological approaches and technological developments were developed using the example of assembled circuit boards. The starting point of the work was the technological and material-oriented analysis of the components of electronic circuits. The overview obtained made it possible to estimate the economic (material value, technology) and ecological (resource scarcity, toxicology) potential of electronic printed circuit boards in recycling. The detailed description and methodical analysis of the state of the art in the recycling of circuit boards made it possible to quantify the untapped economic potential and ecological risks. Based on existing material recycling principles, a recycling system was designed, which makes a significant contribution to exploiting the unused potentials of recyclables and at the same time enabling ecological improvements. The core process of this new recycling chain is the automated dismantling of electronic assemblies with the aim of gentle separation of reusable and hazardous components and the subsequent classification of the remaining circuit board scrap into material fractions. In a detailed concept, the system structure and the requirement profiles of selective or simultaneously detachable processes were defined. The selective disassembly is based on a sensor and software system for the detection of reusable components. The circuit board images obtained by triangulation processes are processed with the aid of a parser for the analysis of structural grammars, which as a result determines the type designation of the interesting components, their coordinates and their orientation. The data are transferred to a mechanical disassembly unit developed in the course of this work. The design of the extractor is based on a four-axis handling system, which allows the integrated hot gas / vacuum nozzles, which are made available with the help of a tool storage as required, to be positioned over the component to be separated. The tool is then brought into engagement, the hot spots melted by the escaping hot gas and the component is lifted off the circuit board. The task of the simultaneous disassembly unit is to completely evacuate the circuit board and to assign the pile of electronic components generated to recycling process-related material fractions. In the absence of simultaneous extraction processes, dismantling principles were systematically derived, analyzed and developed based on engineering methods. To classify the disassembled and isolated components, a sensor structure was implemented that generates one-dimensional voltage signals for pattern classification. An implemented software system makes it possible to transform the measurement signals of individual components into methodically selected feature vectors and to use these with the help of a neural network to assign the components to material fractions. By using the developed automated dismantling systems in the industrial recycling system of electronic assemblies, large parts of unused value creation potential can be mobilized through the extended use and utilization of components. Additional optimization options only exist when recycling-related design rules are taken into account during construction. For this reason, rules for 'Design for Recycling' were derived in the course of further work based on the recycling cycles. Due to the complexity of the analyzes, the data volumes and the degree of linkage of the design rules, their implementation in the product requires computer-aided aids. In the following, the evaluation systems known from the literature were analyzed, their weak points worked out and based on this, a specification for the development of an optimized computer-aided system for evaluating the recycling suitability of electronic products was derived. Building on this, a software system (Recycling Graph Editor, REGRED) was developed and implemented as a prototype, which allows the product structure to be assessed as part of the overall design, taking into account recycling-oriented framework conditions, using economic indicators. In a user interface, the product designer can map his product as an abstract network structure of components and connections and record recycling-relevant product data. The evaluation algorithm transforms the graph, which is partially oriented through priority relationships, into an AND / OR graph, which enables all technically feasible dismantling sequences and the derive material mixtures generated in the process. In further analyzes, their recyclability is examined on the basis of economic and ecological criteria. A number of recycling process templates are available for this purpose, which evaluate the processability of defined material fractions and enable statements to be made about recycling costs or revenues and recovered resources. The performance of the evaluation system was demonstrated in a product example by comparing the economic effects of various design changes.en
dc.description.abstractDeutschlands gegenwärtiges Abfall-Wirtschaftssystem beruht primär auf dem Prinzip der finalen Entsorgung ausgedienter Wirtschaftsgüter in Müllverbrennungsanlagen oder auf Deponien. Die bis heute gebräuchlichen Entsorgungswege implizieren erhebliche ökologische Probleme und verursachen eine gesellschaftliche Polarisierung, die eine nationales Umdenken im Abfallrecht ausgelöst hat. Das Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz) ist am 7. Oktober 1996 in Kraft getreten und definiert industrielle Stofflüsse als Kreisläufe. Obwohl durch fehlende konkretisierende Verordnungen in den einzelnen Produktbereichen bis heute kein primärer Zwang zum Umbau des Wirtschaftssystems aus dem Gesetz vorliegt, sind jedoch richtungsweisende Impulse zum Aufbau eines industriellen Kreislaufwirtschaftssystems abzuleiten. Die stetige Miniaturisierung elektronischer Baugruppen ermöglicht die Realisierung zunehmend komplexer Funktionen und führt zu einer wachsenden Durchdringung unseres Umfelds mit Elektronik. Durch verkürzte Innovationszyklen elektronischer Produkte sinkt deren reale Nutzungsdauer. Diese Strömungen verursachen ein erhöhtes Abfallaufkommen ungenutzter elektronischer Produkte, die bis heute in den Haushalten 'gespeichert’ oder durch den Hausmüll entsorgt werden. Im Rahmen der angestrebten wirtschaftlichen Umstrukturierung der Entsorgungssysteme elektronischer Produkte in Stoffkreisläufe muß deshalb vornehmlich die elektronische Baugruppe auf deren Kreislaufwirtschaftsfähigkeit überprüft werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, methodische und technologische Lösungen zu entwik- keln, die es ermöglichen, industrielle Kreisläufe zu analysieren, zu bewerten und zu optimieren. Die methodischen Ansätze und technologischen Entwicklungen wurden am Beispiel bestückter Schaltungsträger erarbeitet. Ausgangspunkt der Arbeit war die technologische und materialorientierte Analyse der Komponenten elektronischer Schaltungen. Die gewonnene Übersicht ermöglichte eine Abschätzung der ökonomischen (Materialwert, Technologie) und ökologischen (Ressourcenknappheit, Toxikologie) Potentiale elektronischer Flachbaugruppen im Recycling. Die detaillierte Darstellung und methodische Analyse des Stands der Technik im Recycling von Platinen ermöglichte eine Quantifizierung der unausgeschöpften ökonomischen Potentiale und der ökologischen Risiken. Aufbauend auf vorhandene werkstoffliche Verwertungsprinzipien wurde ein Recycling System konzipiert, welches erhebliche Beiträge leistet, die ungenutzten Wertstoffpotentiale auszuschöpfen und gleichzeitig ökologische Verbesserungen zu ermöglichen. Kernprozeß dieser neuen Recycling kette ist die automatisierte Demontage elektronischer Baugruppen mit dem Ziel der schonenden Separierung wiederverwendbarer und gefahrstoffhaltiger Bauelemente und der anschließenden Klassifikation des verbleibenden Leiterplattenschrotts zu Materialfraktionen. In einem detaillierten Konzept wurde Anlagenstruktur sowie die Anforderungsprofile selektiv bzw. simultan entstückender Prozesse definiert. Die selektive Demontage beruht auf einem Sensor- und Softwaresystem zur Erkennung wiederverwendbarer Bauelemente. Die durch Triangulationsverfahren gewonnenen Leiterplattenabbilder werden mit Hilfe eines Parsers zur Analyse von Strukturgrammatiken verarbeitet, welcher als Ergebnis die Typenbezeichnung der interessanten Bauelemente, deren Koordinaten und deren Orientierung bestimmt. Die Daten werden an eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte mechanische Demontageeinheit übergeben. Der Aufbau des Entstük- kers beruht auf einem vierachsigen Handhabungssystems, welches es erlaubt, die integrierten Heißgas/Vakuumdüsen, die mit Hilfe eines Werkzeugspeichers nach Bedarf zur Verfügung gestellt werden, über dem zu separierenden Bauelements zu positionieren. Das Werkzeug wird dann in Eingriff gebracht, durch das ausströmende Heißgas die Lötstellen aufgeschmolzen und das Bauelement von der Leiterplatte abgehoben. Aufgabe der simultanen Demontageeinheit ist es, die Leiterplatte vollständig zu evakuieren und das erzeugte Haufwerk elektronischer Bauelemente recyclingprozeßbezogenen Materialfraktionen zuzuordnen. Mangels simultaner Entstückprozesse wurden auf Basis ingenieurwissenschaftlicher Methoden Demontageprinzipien systematisch hergeleitet, analysiert und exemplarisch entwickelt. Zur Klassifikation der entstückten und vereinzelten Bauelemente wurde ein Sensoraufbau realisiert, der eindimensionale Spannungssignale zur Musterklassifikation erzeugt. Ein realisiertes Softwaresystem ermöglicht es, die Meßsignale einzelner Bauelemente in methodisch ausgewählte Merkmalvektoren zu transformieren und diese mit Hilfe eines Neuronalen Netzes zur Zuordnung der Bauelemente zu Materialfraktionen zu nutzen. Durch den Einsatz der entwickelten automatisierten Demontagesysteme im industriellen Recyclingsystem elektronischer Baugruppen können große Teile ungenutzter Wertschöpfungspotentiale durch die erweiterte Bauteilverwendung und -Verwertung mobilisiert werden. Zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten bestehen nur unter Berücksichtigung von recyclingbezogenen Gestaltungsregeln während der Konstruktion. Aus diesem Grund wurden im Verlauf der weiteren Arbeit auf Basis der Recyclingkreisläufe Regeln zum 'Design for Recycling’ hergeleitet. Ihre Umsetzung im Produkt erfordert aus Gründen der Komplexität der Analysen, der auftretenden Datenvolumina und des Verknüpfungsgrads der Gestaltungsregeln rechnerunterstützte Hilfsmittel. Es wurden im folgenden die aus der Literatur bekannten Bewertungssysteme analysiert, deren Schwachstellen herausgearbeitet und darauf aufbauend ein Pflichtenheft zur Entwicklung eines optimierten rechnerunterstützten Systems zur Bewertung der Recyclinggerechtheit elektronischer Produkte hergeleitet. Darauf aufbauend wurde im folgenden ein Softwaresystem (Recycling Graph Editor, REGRED) entwickelt und prototypisch realisiert, welches es erlaubt, den Produktaufbau im Rahmen der Gesamtkonstruktion unter Berücksichtigung recyclingorientierten Rahmenbedingungen mit Hilfe ökonomischer Kennzahlen zu bewerten. In einer Benutzeroberfläche kann der Produktgestalter sein Produkt als abstrakte Netzstruktur von Bauteilen und Verbindungen abbilden und recyclingrelevante Produktdaten erfassen. Der Bewertungsalgorithmus transformiert den durch Vorrangbeziehungen teilgerichteten Graphen in einen AND/OR Graphen, der es ermöglicht alle technisch realisierbaren Demontagesequenzen und die dabei erzeugten Materialgemische abzuleiten. In weiteren Analysen wird deren Recyclingfähigkeit auf Basis ökonomischer und ökologischer Kriterien untersucht. Dazu stehen eine Reihe von Recyclingprozeß-Templates zur Verfügung, die die Verarbeitbarkeit definierter Materialfraktion bewerten und Aussagen über Recycling kosten bzw. -erlöse und wiedergewonnene Ressourcen ermöglichen. An einem Produktbeispiel wurde die Leistungsfähigkeit des Bewertungssystems nachgewiesen, indem die ökonomischen Auswirkungen verschiedener konstruktiver Änderungen miteinander verglichen wurden.de
dc.format.extent184 Seiten, 104 Bilder, 17 Tabellen
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.25593/3-87525-099-0
dc.identifier.isbn3-87525-099-0
dc.identifier.opus-id13805
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/13805
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-138058
dc.language.isode
dc.publisherMeisenbach
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.de
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 60 Technik :: 600 Technik, Technologie
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
dc.titleAutomatisierte Demontagesysteme und recyclinggerechte Produktgestaltung elektronischer Baugruppende
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted1997-05-28
local.notesOpusNach 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
local.publisherplaceBamberg
local.sendToDnbfree*
local.series.id32
local.series.nameFertigungstechnik - Erlangen
local.series.number74
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
local.subject.gndIngenieurwissenschaften
local.subject.gndMaschinenbau
local.subject.gndProduktionstechnik
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 74
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