Razvoj recikliranih materialov za tehnično zahtevnejše izdelke

Razvoj recikliranih materialov za tehnično zahtevnejše izdelke

Razvoj recikliranih materialov za tehnično zahtevnejše izdelke 1000 1000 ideja21

Dr. Branka Viltužnik, Vodja raziskav in inovacij 

Razvoj na področju polimerov in polimerne industrije gre v skladu z načeli krožnega gospodarstva, trajnostnega razvoja in nizkoogljične družbe v smeri vedno večje uporabe recikliranih materialov oz. reciklatov. Zaradi količinsko velike potrošnje prispevajo polimerni materiali k vedno večji količini odpadkov, ki pa jih še vedno recikliramo v premajhnem obsegu. Potrebno bi bilo zagotoviti proizvodne sisteme, ki bi zagotavljali racionalno porabo surovinskih in energetskih virov ter sočasno omejevali nastajanje odpadkov, hkrati pa bi takšni sistemi omogočili ponovno uporabo odpadkov oz. njihovo recikliranje. 

Krožno gospodarstvo je sistemski in celovit instrument, ki kar najdlje omogoča zadržati različne vire v potrošnem ciklu, pri čemer je recikliranje le ena od faz in še to zadnja v ciklu. Pri tem gre za spremenjen način načrtovanja produktov, za upoštevanje omejenosti virov in s tem povezanih stroškov. Za krožno gospodarstvo je spreminjanje odpadkov v vir surovine, ključnega pomena.

Pri krožnem gospodarstvu nosimo odgovornost vsi, od potrošnikov, ki odslužene izdelke pravilno ločujejo, do proizvajalcev materialov, ki zagotavljajo predelavo odpadkov v nov material, do proizvajalcev izdelkov, ki že v fazi načrtovanja mislijo na ves cikel od izdelave do uporabe izdelka in kaj bomo z njim po koncu uporabe. Prav tako proizvajalci izdelkov lahko zagotovimo čim večjo uporabo recikliranih materialov in tako odpadkom damo nov videz in novo uporabo.

Pri uporabi recikliranih materialov moramo biti še posebej pozorni na vhodne lastnosti materiala, saj lahko le-te variirajo. Ravno zaradi tega je potrebno posebno pozornost nameniti odkrivanju nepravilnosti v materialu, zlasti če želimo reciklat uporabiti za zahtevne tehnične izdelke.

V podjetju Skaza smo se poleg posebnih zahtev izdelka, ki ga želimo izdelovati iz reciklata med drugim posvetili tudi transparentnosti tega izdelka. Da bi zagotovili vse mehanske in hkrati optične lastnosti izdelka, je potrebno vložiti določen trud že, ko uporabljamo svež material na naftni osnovi, če pa želimo izdelek narediti iz reciklata to postane poseben izziv, ki zahteva veliko raziskav. Odkrivanje nepravilnosti v materialu je pomembno zato, da zagotovimo čim boljšo kvaliteto in hkrati vizualno ustreznost izdelka, kljub uporabi reciklata. Z ločevanjem tudi zmanjšamo kasnejše obdelave in s tem prihranimo na energiji in surovinah, saj ni potrebna večkratna predelava in ni potrebna tako izrazita oz. lahko, da sploh ni potrebna kemična modifikacija oz. uporaba aditivov. Lotili smo se razvoja sistema strojnega vida, ki zazna nepravilnosti na materialu, ne glede na njegovo obliko (granule, mlevec), med katerimi so najpogostejše nečistoče v materialu (pikice), barvne anomalije, degradacija materiala (mlečnost) in zažganine. Nepravilnosti na transparentnem materialu so slabo vidne, še posebej, kadar gre za manjše degradacije ali pike majhnih dimenzij, kar je težko zaznati na podlagi prehoda svetlobe, s človeškim očesom pa so praktično nezaznavne.

Tehnologija strojnega vida prinaša vrsto pozitivnih učinkov v industrijsko proizvodnjo, kot so izboljšana kakovost, večja zanesljivost, večja varnost, stroškovna učinkovitost in dodana vrednosti, ki so ključnega pomena. V kolikor se nepravilnosti na delcu zaznajo, se morajo takšni delci izločiti, da ne preidejo v nadaljnjo uporabo. Naprava s pomočjo optičnih analiz, združuje te funkcije za razvrščanje delcev. Na ta način se lahko vizualno, s pomočjo strojnega vida, ki temelji na umetni inteligenci, določi, kateri delci ne ustrezajo vnaprej določenim zahtevam, prilagaja pa se lahko tudi kriterije glede na kasnejšo uporabo materiala oziroma končnega produkta narejenega iz tega materiala. 

Za odkrivanje napak v materialu se najpogosteje uporabljata dve vrsti kamer, in sicer linijske ter area kamere, v kombinaciji s primernim objektivom, ki so primerne za snemanje objektov, kateri se hitro premikajo s konstantno hitrostjo. Omenjene kamere imajo tudi različne senzorje, in sicer CCD in CMOS, ki so lahko monokromatski ali barvni.

Pomemben dejavnik pri odkrivanju napak transparentnih objektov je osvetlitev, saj se lahko uporabljajo različne metode osvetlitve: direktna osvetlitev, razpršena svetloba, bočna osvetlitev, osvetlitev temnih področij, osvetlitev iz ozadja in osvetlitev za linijsko kamero. Način osvetlitve pa bistveno vpliva na zajeto sliko oz. na zaznane napake, zato robustnih in univerzalnih rešitev za optično pregledovanje transparentnih objektov, ki so naključnih in nepravilnih oblik še ni in je bila to stvar razvoja v podjetju Skaza. Celotna naprava je bila razvita v podjetju Skaza v sodelovanju s Fakulteto za strojništvo v Mariboru, bistvo naprave pa je razvrščanje transparentnega, sipkega materiala, da pridobimo kakovosten material brez napak. 

Sistem strojnega vida je v grobem sestavljen iz dveh faz, in sicer sistema za detekcijo delcev na prozornem tekočem traku ter izračun masnega središča vsakega zaznanega delca, ki je implementiran na primernem vmesniku, procesorju ali vezju, prednostno na FPGA (angl. field-programmable gate array, FPGA). Drugi del sistema strojnega vida pa predstavlja klasifikator za razvrščanje zaznanih delcev s postopkom strojnega učenja, kar lahko opravlja primeren procesor ali vezje, lahko tudi isti kot opravlja detekcijo lokacije delcev, prednostno pa ta del opravlja klasični procesor (CPU-angl. Central Processing Unit). Klasifikator prepozna posamezne delce in morebitne napake na njih. Strojno učenje klasifikatorja je izvedeno tako, da učenje poteka na podlagi izkušenj. Po tekočem traku se najprej dozira dober material in na podlagi tega, se klasifikator nauči kaj so dobri primerki. Nato se dozirajo delci z zelo različnimi napakami, s čemer se klasifikator uči katere delce je potrebno izločiti. To je faza učenja in se izvede enkrat. Ne gre za učenje na pamet, ampak za iskanje pravil v učnih podatkih. Ko je klasifikator naučen, ga je možno uporabljati pri ločevanju delcev na dobre in slabe. Takšen sistem je precej bolj robusten in manj občutljiv na motnje.

Z razvitim sistemom za ločevanje, strojnim vidom, ki temelji na principu umetne inteligence, lahko zanesljivo in učinkovito ločimo material, ki pa ga je potrebno pred uporabo tudi kemijsko oplemeniti, da bo primeren za nov, mehansko obremenjen, transparenten izdelek. Pri tem je seveda dodaten izziv, da z dodatki kljub izboljšanju lastnosti, obdržimo transparentnost materiala. Rezultat bo estetsko in kakovostno dovršen izdelek iz recikliranega materiala. Prav zaradi zahtev končnega izdelka je optimizacija potrebna tudi pri razvoju recepture materiala. Pri tem smo spremljali kemijske, mehanske in optične lastnosti materiala, pridobljenega na naftni osnovi in recikliranega materiala, kateremu smo dodajali različne dodatke. Glavna zahteva je seveda, da ohranimo mehanske lastnosti in transparentnost izdelka, torej smo v prvi fazi spremljali optične lastnosti materiala zaradi dodanih aditivov, v drugi pa degradacijo materiala. Termično degradacijo razpada materiala smo določili s pomočjo FTIR in UV-Vis spektrofotometra v kombinaciji s TGA. S poskusi smo poleg same degradacije določili tudi katere komponente izhajajo in se tvorijo pri razpadu materiala in kar je še pomembneje, kdaj izhajajo. Z vsemi temi analizami smo podrobno spoznali material in obnašanje materiala po različnih ciklih recikliranja. Po podrobnem preučevanju materiala, smo se lotili dodatkov in preučevanja vpliva dodatkov na te lastnosti. Kar smo opazili pri degradaciji je porumenelost materialov.

Na novo razvit sistem strojnega vida se lahko tudi prilagodi in na novo nauči sortiranja drugih vrst, barv in oblik materialov, kar predstavlja prednost tudi pri drugih projektih in izzivih, ki si jih postavljamo v podjetju. Eden izmed takšnih, ki potrebuje posebno razvojno pot je tudi projekt, kjer razvijamo recikliran material, ki bo v kombinaciji z bio osnovo. Torej bomo kombinirali dve trajnostni veji, ki sta vsaka zase v podjetju že uveljavljeni.

pastedGraphic.png

Material bo primeren za tehnično zahtevne izdelke, ki prenašajo večje obremenitve, so izpostavljenih različnim vremenskim vplivom in zadostijo še dodatnim uporabniškim izkušnjam. Da bi to dosegli, smo se skupaj s partnerjem odločili za kombinacijo recikliranih polimerov in naravnih vlaken, medtem ko bomo mehanske bremenitve rešili z inteligentno zasnovo in konstrukcijo, ki bo v skladu z eko dizajnom. Glede na to, da gre za večkomponentne materiale oz. kompozite, bomo že pri samem snovanju izdelka pozorni tako na njegovo podaljšano uporabno vrednost, kot tudi na to, kaj se bo zgodilo po koncu uporabe in kako bomo izdelek na čim bolj ekološki in ekonomski način reciklirali. 

Kljub temu, da bomo razviti material in proces ločevanja uporabljali v proizvodnji in v bistvu poskrbeli za krožno gospodarstvo, v smislu porabe odpadnega materiala tudi za tehnično bolj zahtevne izdelke, želimo vseeno upoštevati vse vidike vpliva materiala na okolje in na ljudi. Zato v podjetju za nove izdelke ali nove materiale opravimo LCA (Life-cycle assessment) analizo, kjer pogledamo celoten vpliv na okolje od materiala do končnega izdelka. Tako že pri zasnovi izdelka pogledamo in upoštevamo vse spremenljivke, na katere lahko vplivamo, da zmanjšamo okoljski odtis. Prav tako pri izbiri in/ali menjavi materiala na trajnostnega ne gledamo več samo na to, da je osnova bio osnovana ali iz reciklata, ampak pogledamo vse vidike, ki kakorkoli vplivajo na okolje, od proizvodnje materiala, do transportov in parametrov brizganja, ki jih takšen material zahteva. To postaja pri nas poleg spremljanja vplivov na zdravje standard, pri katerem ne sprejemamo več kompromisov in kjer sami sebi postavljamo stroga merila.

Tanja z veseljem odgovori na tvoje vprašanje