Bildverarbeitung

Vision-Technologien für die Kreislaufwirtschaft von morgen

07.12.2023 - Bildverarbeitung in Recyclingprozessen

Für ein effektives Recycling spielt die Bildverarbeitung eine immer größere Rolle. Nur sie ermöglicht eine schnelle und berührungslose Erkennung und Charakterisierung von Materialien. Aber auch in allen anderen Stufen des Recyclingprozesses kommt die Bildverarbeitung zunehmend zum Einsatz. Ein Über- und Ausblick.

Recycling zählt nach der Abfallvermeidung, vor allem durch Reparatur und Umnutzung, zu den Kernprinzipien der Kreislaufwirtschaft. Beim Recycling werden Abfallprodukte wiederverwertet und deren Ausgangsmaterialien zu Sekundärrohstoffen umgewandelt, wodurch ihr ursprünglicher Wert erhalten und der Bedarf an neuen Rohstoffen gesenkt wird. Vision-Technologien gewinnen im Recyclingprozess an Bedeutung, um Abfallmaterialien effektiv zu sammeln, zu sortieren, zu verarbeiten und in neue Produkte zu transformieren. Neben den traditionellen manuellen und mechanischen Verfahren zur Abfallaufbereitung ermöglichen Vision-Technologien eine schnelle und berührungslose Erkennung und Charakterisierung von Materialien, die effektiv mit Automatisierungslösungen kombiniert werden können.

Vision-Technologien entlang der Recyclingkette 

Die Anwendungsbereiche von Vision-Technologien können entlang des Pfades des Abfalls, vom Entstehungsort bis hin zur endgültigen Verwendung der Sekundärrohstoffe in entsprechenden Produktionsprozesse, veranschaulicht werden. Diese Recyclingkette unterteilt sich in vier Stufen. Abhängig von der Art des Abfalls werden diese Stufen teilweise oder komplett durchlaufen. Sie sind eng miteinander verzahnt und stellen das technologische Herzstück des Recyclings dar:


1. Schritt: Sammlung und Vorsortierung

Der erste Schritt in der Verwertungskette besteht in der Sammlung von Abfällen von Haushalten, Unternehmen und Industrieanlagen, die in stark vermischten, eingeschränkt gemischten Sammelgruppen oder sortenreinen Abfallarten auftreten können. Ziel dabei ist, bereits durch den Abfallbesitzer einen Sortierschritt durchzuführen, um eine möglichst sortenreine Sammlung von Abfällen vornehmen zu können, welche die nachfolgenden Aufbereitungsprozesse vereinfacht. Dies können beispielsweise automatische Pfandrücknahmesysteme erleichtern, die Bildverarbeitungsverfahren für das Identifizieren von Gebinden wie Flaschen, Dosen oder Bechern einsetzen. Auch an den Sammelstellen können spektroskopische Analysegeräte basierend auf Röntgenfluoreszenz oder NIR-Spektroskopie die manuelle Vorsortierung unterstützen. 


2. Schritt: Vorbehandlung und Demontage

Eine Vorbehandlung von Abfallströmen hat das Ziel, Störstoffe und Schadstoffe zu entnehmen oder zu neutralisieren. Während Störstoffe die weiteren Behandlungsstufen des Verwertungsprozesses behindern, bergen Schadstoffe, wie beispielsweise Bauteile mit Asbest oder explosive Komponenten, wie Airbags und Lithium-Ionen-Akkus, ein erhebliches Risiko für Mensch und Umwelt. Heute werden dafür Röntgengensysteme erprobt, um Akkus und Batterien in Elektroaltgeräten frühzeitig zu detektieren. 

Bei großen und komplexen Altprodukten kann anstelle eines vollständigen mechanischen Aufschlusses eine Demontage als Vorbehandlung erforderlich sein. Die Entscheidung hierfür basiert auf den verfügbaren technischen Verfahren für Aufschluss und Sortierung sowie auf ökologischen und ökonomischen Überlegungen. In der Regel wird eine Demontage größtenteils manuell durchgeführt und ist daher mit einem hohen Personalaufwand verbunden. Aktuell werden Ansätze für eine automatisierte Demontage, beispielsweise für Batteriemodule und E-Motoren, auf Basis von KI-gestützter Bildauswertung und Robotik entwickelt und für den industriellen Einsatz getestet. 


3. Schritt: Mechanische und chemische Aufbereitung

Im Kern der Recyclingkette steht die Aufbereitung, um durch Aufschluss, Klassierung, Sortierung und spezielle verfahrenstechnische Prozesse Sekundärrohstoffe aus den vorbehandelten Abfällen zu gewinnen. Unterschiedliche Aufschlussverfahren haben dabei das Ziel, die in den Altprodukten enthaltenen Werkstoffe freizulegen und für eine Sortierung nach physikalischen und chemischen Eigenschaften zugänglich zu machen. Vision-Technologien kommen heute vielfach in der sensorgestützten Sortierung zum Einsatz, die im Vergleich zu den gängigen Massenstromsortierverfahren als einziges Verfahren eine individuelle Bewertung und Abtrennung von Partikeln ermöglicht. Zudem zeichnet sich die sensorgestützte Sortierung durch eine sehr hohe Flexibilität für verschiede Aufgabenstellungen aus, da sie mit unterschiedlichen Bildaufnahme- und Sensortechnologien betrieben werden kann. Im Einsatz sind heute unter anderem Farbzeilenkameras, Nahinfrarot-Spektroskopie, Induktionssensoren, 3D-Laserscanner, Röntgenmesstechnik und  laserinduzierte Plasmaspektroskopie. Besondere Bedeutung haben dabei hyperspektrale Bildaufnahmeverfahren, welche die Vorteile spektroskopischer Verfahren mit einer ortsauflösenden Bildgewinnung vereinen, und daher eine materialspezifische Sortierung ermöglichen.


4. Schritt: Herstellung von Werkstoffen und Grundstoffen

Im letzten Prozessschritt der Recyclingkette werden die gewonnenen Sekundärrohstoffe in bestehende Produktionsprozesse eingebracht. Idealerweise unterscheiden die Produktionsprozesse nicht zwischen der Verarbeitung von Sekundär- und Primärrohstoffen, und es kommt zu keinen Qualitätsunterschieden der hergestellten Grund- und Werkstoffe. Eine besondere Bedeutung kommt daher der Qualitätskontrolle dieser Grund- und Werkstoffe zu, aber auch der daraus gefertigten Endprodukte. Hierfür werden Verfahren der optischen Mess- und Prüftechnik, zum Beispiel Oberflächenprüfung oder 3D-Messtechnik, eingesetzt.

Zukünftige Herausforderungen und neue Potenziale für Vision-Technologien
Mit dem technologischen Fortschritt steigt die Komplexität von Produkten, vor allem durch die verstärkte Integration mehrerer verschiedener Technologien und Funktionen. Dies stellt den Recyclingprozess vor neue Herausforderungen. Oftmals müssen erst neue Recyclingmethoden entwickelt werden, um neuartige Verbundwerkstoffe und Funktionsmaterialien trennen und aufbereiten zu können. Dazu gehören Magnet- und Batteriematerialien aus Elektrofahrzeugen, Rotorblätter aus Glasfaserverbund für Windenergieanlagen, Mehrschichtverpackungen, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern, sowie neu aufkommende Materialströme aus dem Bausektor und der Textilbranche.

Für die Entwicklung neuer Recyclingprozesse spielt die sensorbasierte Sortierung eine stark zunehmende Rolle, da sie eine effiziente und präzise Trennung von Materialströmen ermöglicht. Mehrere Institute der Fraunhofer-Gesellschaft bündeln in diversen Projekten ihre Kompetenzen mit Partnern aus Industrie und Forschung, um innovative Vision-Lösungen für neue Recycling-Sortieraufgaben zu entwickeln. Dabei stehen die Entwicklung und Anwendung von Multi-Sensor-Systemen sowie KI-gestützten Methoden zur Sensordatenfusion und -analyse im Vordergrund.


Forschungsansätze für neue Recyclingprozesse

Im Fraunhofer-Leitprojekt Waste4Future liegt der Fokus auf der Gewinnung hochwertiger Rezyklate aus kunststoffhaltigen Abfällen. Unter anderem wird hierfür eine neuartige Terahertz-Sensortechnik für die Sortierung entwickelt und eingesetzt. Neben der Erfassung stofflicher Eigenschaften ermöglicht diese Technologie auch die Bewertung der eingetretenen Materialdegradation, die durch Alterungsprozesse der Kunststoffe entsteht. Dieser Parameter hat starken Einfluss auf die Recyclingqualität und wird für die Optimierung und Verbesserung der nachfolgenden Prozessschritte eingesetzt.

Neben der essenziellen Rolle des Kunststoffrecyclings gewinnt auch die Wiederverwertung von Altholz stark an Bedeutung. Durch fortschrittliche Materialtechnologien kann Altholz vermehrt in der Produktion moderner Hochleistungswerkstoffe genutzt werden, etwa in polymeren Verbundmaterialien oder als Zusatz in Beton. Das Projekt „Askivit“ adressiert die Rückgewinnung von Holz und Holzwerkstoffen aus Sperrmüll, von dem in Deutschland jährlich über zwei Millionen Tonnen anfallen. Davon bestehen bis zu 50 Prozent aus Holz, wobei der Großteil aus alten Möbeln stammt. „Askivit“ setzt für die automatische Sperrmüllsortierung auf einen Multisensoransatz, der verschiedene Vision-Technologien kombiniert. Ziel ist das präzise Erkennen von Holz, auch wenn es in Möbelkomponenten integriert oder beschichtet ist. Das Sensorsystem, das mit maschinellem Lernen und realen Sperrmüllmustern trainiert wird, soll bald in einem Entsorgungs- und Recyclingbetrieb praktisch getestet werden.

Vision-Technologien bieten ein immenses Potenzial, um Recycling-Lösungen für die Zukunft zu schaffen und eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zu etablieren. Dementsprechend ergeben sich neue und vielseitige Marktchancen für Entwickler von Bildverarbeitungs- und Sensorlösungen im Bereich der Abfall- und Recyclingwirtschaft.

Autor
Robin Gruna, Team Lead Spectral Imaging am Fraunhofer IOSB

Kontakt

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Fraunhoferstraße 1
76131 Karlsruhe
Baden-Württemberg, Deutschland

+49 721 6091-0

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