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BlackValue

Das Recycling von Kunststoffabfällen ist ein wesentlicher Schlüssel für eine ressourcensparende Produktion. Eine besondere Bedeutung kommt dabei Verfahren zu, die in der Lage sind, schwarze Kunststoffe sortenrein zu trennen.

Sortierung schwarzer Kunststoffe für Recycling

Schwarze Kunststoffe können nach heutigem Stand der Technik nicht zufriedenstellend recycelt werden. Der zum Schwärzen eingesetzte Ruß im Kunststoff absorbiert sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Wellenlängenbereich einen Großteil der elektromagnetischen Strahlung. In der Folge lassen sich schwarze Kunststoffe mit herkömmlicher Sensorik kaum unterscheiden und damit nicht sortenrein trennen. Dies beeinträchtigt nicht nur die Qualität aus Rezyklat hergestellter Produkte, sondern in der Folge auch den Wert pro Tonne Rezyklat. Für Unternehmen birgt die sortenreine Sortierung schwarzer Kunststoffe somit also weiteres Gewinnpotenzial.

Mit dem Einsatz von Terahertz-Technologie wollen wir dieses technische Problem überwinden. Das Absorptionsverhalten im Terahertz-Bereich erlaubt eine sortenreine Sortierung des Rezyklats, insbesondere gilt dies auch für schwarze Kunststoffe. Problematisch ist dabei der hohe Aufwand einer abbildenden vollspektroskopischen Terahertz-Sensorik, der bislang eine industrielle Anwendung verhindert.

Diese Herausforderungen sind das Fraunhofer FHR und das Fraunhofer IOSB gemeinsam angegangen. Durch die Kombination einer Terahertz-Kamera mit optischer Sensorik ist es möglich eine vollständige Materialcharakterisierung mittels ausgewählter Frequenzbänder im niedrigen Terahertz-Bereich durchzuführen und die entstandenen Daten mithilfe neuer Analysealgorithmen auszuwerten. Unsere Vision ist eine kostengünstige und echtzeitfähige Multisensor-Suite mit einer Sortiergenauigkeit schwarzer Kunststoffe von über 90%.

Die Ziele von BlackValue sind:

Ein System zu entwickeln, in dem Sensorik und Algorithmik integriert sind
Nachrüstbarkeit
Hohe Trenngüte
Anwendbarkeit auf Kunststoff-Flakes (insbesondere schwarze)
Kapazitäten von bis zu fünf Tonnen pro Stunde
Kostengünstige wirtschaftliche Umsetzung

Die hiermit erzielbare sortenreine Trennung bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit erlaubt das Recycling schwarzer Kunststoffe im industriellen Maßstab. Damit eröffnen sich den beteiligten Fraunhofer-Instituten und ihren Industriekunden neue Marktsegmente.

Zurzeit befindet sich der technologische Ansatz des Systems in Validierung und vertiefender Erprobung. Wir gehen davon aus, dass mittelfristig geeignete Frequenzen und Verfahren gefunden und implementiert werden können, um unsere ambitionierten Ziele zu erreichen.

Mit Ihnen als Vorreiter, Entscheider oder Bedarfsträger der Recyclingbranche oder zugehöriger Unternehmen freuen wir uns, wenn Sie sich mit uns für BlackValue ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt vorstellen können.

Über BlackValue

Motivation und Konsortium

Beim Recycling von Kunststoffen wird im Wesentlichen zwischen der werkstofflichen Verwertung, der rohstofflichen Verwertung sowie der thermischen Verwertung unterschieden. Aktuell werden ca. 50% der Kunststoffabfälle in Europa verwertet. Die häufigste Verwertungsmethode ist dabei die thermische Verwertung, bei der die Abfälle verbrannt werden, um Energie zu gewinnen. Bei der werkstofflichen Verwertung wird aus dem sogenannten Recyklat wieder ein neues Produkt hergestellt. Die Vielzahl an Kunststoffen sowie die die unterschiedlichen Additiven wie Farbstoffe, Weichmacher, Flammschutzmittel oder UV-Blocker erschweren dabei die Verwertung. Aus nicht sortenreinem Recyclat hergestellte Produkte weisen schlechtere Materialeigenschaften auf als Produkte aus neuen Kunststoffen. Daher müssen materialerkennende Sortiersysteme für das Kunststoffrecycling in der Lage sein, Stoffsorten unabhängig von verwendeten Additiven korrekt zu klassifizieren.

Die am Markt vorhandenen Sensorsysteme haben enorme Schwierigkeiten, diesen Anforderungen bei der Sortierung schwarzer Kunststoffe auf Grund des spezifischen Absorptionsverhaltens zu genügen. Genau diese Klasse von Kunststoffen wird jedoch in Zukunft eine immer größere Rolle spielen, da insbesondere bei der Wiederverwertung von Automobilen das Recycling schwarzer Kunststoffe ein Schlüsselfaktor für die Einhaltung der vereinbarten EU-Grenzwerte darstellt. Diese am Markt vorhandene Lücke im Recyclingkreislauf soll durch neue Technologien zur Sortierung schwarzer Kunststoffe geschlossen werden. Für dieses Ziel wurde eine strategische Allianz gebildet, bestehend aus dem Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Karlsruhe und dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR, Wachtberg.

Projektziele

Der als Recycling bezeichnete Prozess gliedert sich in mehrere Teilschritte, wie z. B. Vorsortieren, Zerkleinern, Sieben, Trennen, Verwerten. Das Projekt setzt am technologischen Kernproblem der Sortierung farbiger bzw. schwarzer Kunststoffe an, der Sensorik. Mit Hilfe der Terahertz-Technik wird dieses Problem industrietauglich gelöst. Dazu wird die Sensorik nicht isoliert entwickelt, sondern samt Signalauswertung in moderne Sortiertechnik integriert. Es wird ein industrietaugliches Verfahren zum Sortieren schwarzer Kunststoffe vorgestellt.

Ziel dieses Projekts ist die Erforschung eines Sortiersystems für insbesondere schwarze Kunststoffe, welches die Separierung von schwarzen Kunststoffen in der Recyclingindustrie erlaubt. Dabei liegen besonders die Kosteneffizienz und der flexible Einsatz des Systems im Fokus. Um die Vorteile der spektroskopischen Untersuchung zwischen 0,1 bis 1 Terahertz in einem Recyclingprozess integrieren zu können, müssen vor allem geeignete Messdaten-Reduktionen erfolgen, um die Messgeschwindigkeit zu maximieren. Diese Datenreduktion wird dadurch erreicht, dass keine vollständigen spektroskopischen Untersuchungen im kompletten Frequenzbereich von 0,1 bis 1 Terahertz als Grundlage der Sortierung dienen, sondern nur gezielt einzelne Frequenzen oder kleine Frequenzbänder zur Separation der Kunststoffe genutzt werden. Diese Datenreduktion, kombiniert mit der Submillimeterwellen-Technologie, bietet dabei einen neuartigen Lösungsansatz bei der Konzeption eines Messinstrumentes für den flexiblen Einsatz zur Separierung unterschiedlicher schwarzer Kunststoffe im Recyclingbereich. Weiterhin erlaubt der Einsatz dieser Technologie durch geeignete Algorithmen eine Rückschätzung von Materialparametern wie z. B. der Dielektrizitätskonstante durchzuführen, die zur Bestimmung der Kunststoffsorte genutzt werden kann.

Durch die Auswertung unterschiedlicher stoffspezifischer Eigenschaften der Proben, wie der Dämpfung, dem spektralen »Fingerprint« und den dielektrischen Eigenschaften soll innerhalb der Projektlaufzeit ein geeigneter und kostengünstiger Ansatz für die Separierung unterschiedlichster optisch intransparenter Kunststoffe (schwarzer Kunststoffe) eruiert und validiert werden. Eine der wesentlichsten Herausforderungen beim Aufbau eines solchen Systems liegt in der gezielten Auswahl der Frequenzen, um die erzeugten Datenmengen und die damit verbundenen Kosten des Systems möglichst gering zu halten. Diese Idee wurde vom Fraunhofer IOSB bereits für die Sortierung von Colemanit in der Türkei erfolgreich angewandt. Weiterhin ist es wichtig, einen mehrstufigen Differenzierungsalgorithmus zu entwickeln, der zum einen die charakteristische Absorption der Proben mit einbezieht und zum anderen die dielektrischen Eigenschaften berücksichtigt. Da die Rückschätzung der dielektrischen Eigenschaften einen wesentlichen Bestandteil des Sortieralgorithmus darstellt, müssen unterschiedliche Ansätze der Extraktion unter realitätsnahen Gegebenheiten untersucht werden. Dabei sind zwei Verfahren besonders hervorzuheben. Zum einen besteht die Möglichkeit, die Dicke der Probe mithilfe eines zusätzlichen optischen Sensors zu ermitteln, um danach mit Hilfe dieser Höheninformation und der Phasenverschiebung der implizierten Submillimeterwelle die Berechnung der dielektrischen Eigenschaften durchzuführen. Eine weitere Möglichkeit der Materialparameterextraktion bietet die Verwendung der Reflexionsgeometrie eines Messaufbaus. Dabei werden gezielt Sprünge des Wellenwiderstandes, welche durch die Grenzschichten Luft/Probe und Probe/Luft entstehen, im Rohdatensatz ermittelt, um somit die nötigen Parameter der Rückschätzung zu gewinnen.

Die Partner im Überblick

In blackValue® bündeln zwei Fraunhofer-Institute ihre umfassenden Fähigkeiten und Kompetenzen, um gemeinsam eine zuverlässige Lösung zur sortenreinen Sortierung schwarzer Kunststoffe zu entwickeln. Jedes der Institute verfügt über jahrzehntelange Erfahrung auf seinem Arbeitsgebiet, sodass ein marktgerechtes System entsteht.

Fraunhofer IOSB

Optronik, Systemtechnik, Bildauswertung

Wir erforschen und entwickeln multisensorielle Systeme, die den Menschen bei der Wahrnehmung seiner Umwelt und der Interaktion unterstützen. Das beginnt bei der Erzeugung und automatisierten Auswertung von Luft- und Satellitenbildern, z.B. eines Katastrophengebiets und reicht bis hin zur Sortierung und Qualitätskontrolle von Schüttgütern wie Kaffeebohnen oder Mineralien.

Immer wenn es für den Menschen zu schnell, unzugänglich oder zu gefährlich wird, wie z. B. unter Wasser oder in verseuchten Gebieten, helfen mobile Roboter als Sensorträger bei der Erfassung der aktuellen Lage. Transparente und interaktive Videosysteme sorgen für mehr Schutz und Sicherheit. Verbunden sind all diese Systeme mittels modernster Informationstechnologien, für die wir ebenfalls Cyber Security Lösungen entwickeln und anbieten.

Wir entwickeln Software zur Planung, Steuerung und dem Betrieb von industriellen Produktionsprozessen, verfügen über Webtechnologien für Informationsmanagement in komplexen Datenbanksystemen wie z. B. der Erfassung von Umweltdaten oder für das Energiemanagement, deren intelligenten Verknüpfung und Auswertung.

Die Abteilung Sichtprüfsysteme (SPR) entwickelt und liefert Systeme für Aufgaben der automatischen Sichtprüfung in der Industrie. SPR gehört zum Geschäftsfeld Inspektion und Sichtprüfung und zu den Kernkompetenzen Optronik. Die wichtigsten Anwendungsgebiete sind derzeit die automatische Inspektion von Blistern in der Pharma-Industrie, die automatische Sortierung von Schüttgütern, die Inspektion von Oberflächen, die Farbmessung an Granulaten und die Druckbildprüfung. Alle Anwendungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Inspektion bei hohem Durchsatz schritthaltend mit dem Herstellungsprozess erfolgt. Dementsprechend hoch ist die Verarbeitungsleistung der eingesetzten Bildauswertungssysteme. Als bildgebende Sensoren dienen ausschließlich hochauflösende Zeilenkameras unterschiedlichen Typs (Farbe und Grauton). Die Einrichtungen zur Bildaufnahme sind für die jeweilige Aufgabe maßgeschneidert, insbesondere werden gefaltete Strahlengänge und geblitzte LED-Beleuchtungen eingesetzt. Die Produkte der Abteilung sind weltweit im industriellen Einsatz. Vermarktung und Service erfolgen im Wesentlichen über Partnerfirmen. Zum Teil entwickelt das Geschäftsfeld aber auch direkt für Endanwender und übernimmt dabei Installation und Service.

Fraunhofer IOSB - Business Unit Visual Inspection

Fraunhofer FHR

Das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR entwickelt Konzepte, Verfahren und Systeme für elektromagnetische Sensorik, insbesondere im Bereich Radar, verbunden mit neuartigen Methoden der Signalverarbeitung und innovativen Technologien vom Mikrowellen- bis zum unteren Terahertzbereich. Seine international anerkannte und geschätzte Kompetenz erstreckt sich über nahezu alle Teilgebiete moderner Radarverfahren. Mit einem Budget von rund 29 Mio. Euro (2014) und rund 285 Mitarbeitern ist das Fraunhofer FHR eines der größten Radarforschungsinstitute in Europa.

Radar und verwandte Hochfrequenzsysteme bilden eine Schlüsseltechnologie im Bereich Verteidigung und Sicherheit, insbesondere im Bereich Aufklärung und Überwachung. Das Fraunhofer FHR unterstützt das Bundesministerium für Verteidigung in diesem Bereich seit der Institutsgründung im Jahre 1957. Es war in Deutschland in zahlreichen Anwendungen der Vorreiter neuer Technologien: z. B. bei der Weltraumbeobachtung mit Radar, Multifunktionsradaren mit phasengesteuerten Gruppenantennen, adaptiven Störunterdrückung, Millimeterwellentechnik, höchstauflösenden Radar-Bildgebung, Bewegtzielerkennung mit Raum-Zeit-Filterung, Zielklassifizierung und Passiv-Radar.

Die Alleinstellungsmerkmale und Kompetenzen des Instituts fördern unter den neuen Rahmenbedingungen der Fraunhofer-Gesellschaft zusätzlich die Betätigung auf zivilen Märkten. Die Umsetzung in den neuen Geschäftsfeldern Luft- und raumgestützte Radarsysteme, Land- und seegestützte Aufklärung, Systeme für Sicherheit und Schutz, Sensoren für Fahrzeuge und Verkehr, Sensoren für die Qualitätssicherung, Energie und Umwelt sowie Elektromagnetische Simulation und Antennentechnologie liefern jeweils konkrete Beispiele für innovative Anwendungen in vielen Bereichen der Gesellschaft.

Das Fraunhofer FHR arbeitet seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Entwicklung von Radarsystemen und Hochfrequenzsensoren. Neben dem Aufbau von leistungsstarken Gruppenantennen werden breitbandige Radarsensoren für abbildende Systeme entwickelt. Das Fraunhofer FHR hat dabei einige der leistungsstärksten Radarsysteme weltweit entwickelt, darunter das PAMIR System, die COBRA Serie oder mit MIRANDA das erste Radarsystem weltweit bei 300 GHz mit 40 GHz Bandbreite. Im Rahmen des Aufbaus ziviler Geschäftsfelder werden Techniken und Verfahren für den Bereich der industriellen Qualitätssicherung erforscht. Hierzu gehören Hochfrequenzsensoren für industrielle Anwendungen wie bei der Stahlproduktion sowie abbildende Systemen wie SAMMI, die zur Qualitätssicherung oder für Sicherheitsanwendungen entwickelt werden. Das Fraunhofer FHR bringt dabei seine Expertise im Bereich der Millimeterwellensensorik und Radarsignalverarbeitung ein. Hierbei werden die Fertigungskapazitäten des Fraunhofer FHR für den Aufbau kostengünstiger und effizienter Radarsysteme eingesetzt und neue Verfahren zur Signalverarbeitung wie MIMO-Systeme und multifrequente, tomografische Verfahren entwickelt. Die Flexibilität eigene Zeilenkameras herzustellen sowie Verfahren zur Signalverarbeitung anzupassen erlaubt es, individuelle kundenspezifische Lösungen zu realisieren und den Entwicklungsprozess flexibel zu gestalten.

Fraunhofer FHR - Geschäftsfeld Produktion

Fraunhofer FHR - Projektseite blackValue

Wissenswertes zu Radar und Terahertz-Technologie

Fotoähnliche Luftbilder, hochgenaue Vermessung von Satellitenbahnen, ein Blick unter die Erdoberfläche, Darstellung der Luftlage durch Nutzung von Fernseh- und Radiosendern – auch dies und vieles anderes mehr bedeutet heute Radar. Aufgrund seiner einzigartigen Fähigkeiten – der Unabhängigkeit vom Wetter und Tageslicht, der großen Reichweite, der hohen Empfindlichkeit gegenüber Entfernungsänderungen und der Erzeugung hoch aufgelöster Bilder – ist Radar zum unentbehrlichen Werkzeug für militärische und zivile Anwendungen geworden.

Was ist Radar?

Radar arbeitet mit elektromagnetischen Wellen, ähnlich wie Radiowellen. Mit Radar lassen sich vielfältige Informationen sowie Bilder generieren.

Mit Radiowellen sehen

Ein Radargerät ist ein Gerät, das elektromagnetische Wellen gebündelt als sogenanntes Primärsignal aussendet. Anschließend empfängt es die von Objekten reflektierten »Echos« als Sekundärsignal und wertet sie nach verschiedenen Kriterien aus. Der Begriff »Radar« ist eigentlich eine Abkürzung für Radio Detection and Ranging (frei übersetzt: »Funkortung und -abstandsmessung«) und hat hierzulande den Ausdruck »Funkmess« abgelöst.

Aus den Echos können beispielsweise folgende Informationen gewonnen werden:

der Winkel bzw. die Richtung zum Objekt
die Entfernung zum Objekt (ergibt sich aus der Zeitverschiebung zwischen Senden und Empfangen des Signals)
die Relativbewegung zwischen Sender und Objekt – sie kann durch den Doppler-Effekt aus der Verschiebung der Frequenz des reflektierten Signals berechnet werden
das Aneinanderreihen einzelner Messungen (Pulsen) liefert die Wegstrecke und die Absolutgeschwindigkeit des Objektes
bei guter Auflösung des Radars können Konturen des Objektes erkannt werden (z. B. der Flugzeugtyp) oder sogar Bilder gewonnen werden (Erd- und Planetenerkundung).

Die Entwicklung der Radartechnik

Entwickelt wurde Radar von Christian Hülsmeyer basierend auf Versuchen von Heinrich Hertz. Radar findet heute in vielen Bereichen des Alltags…

Entdeckung des Radars

Den Grundstein für die Entwicklung des Radars legte Heinrich Hertz: Er stellte 1886 beim experimentellen Nachweis von elektromagnetischen Wellen fest, dass Radiowellen von metallischen Gegenständen reflektiert werden. Er nutzte dafür spezielle Spiegel. 1904 führte der deutsche Hochfrequenztechniker Christian Hülsmeyer die ersten Versuche zur Ortung mittels Radarwellen durch. Er bemerkte beim Experimentieren mit den Hertz’schen Spiegelversuchen, dass von einem Sender ausgesandte und von Metallflächen zurückgeworfene elektrische Wellen zur Ermittlung entfernter metallischer Objekte verwendet werden können. Er entwickelte ein Gerät, das die die Laufzeit von reflektierten Wellen messen konnte: das sogenannte Telemobiloskop. Am 30. April 1904 meldete er das Verfahren zum Patent an und ist somit der Erfinder des Radars.

Eine weitere wichtige Entdeckung bei der Entwicklung des Radars war der Nachweis des sogenannten Doppler-Effekts. Dieser Effekt ermöglicht es, mittels Radar festzustellen, ob sich ein entdecktes (»detektiertes«) Objekt bewegt. Benannt ist er nach dem österreichischen Physiker und Mathematiker Christian Doppler, der ihn 1842 voraussagte.

Anwendungen heute

Die Radar- und Hochfrequenztechnik findet in vielen Bereichen des täglichen Lebens Anwendung. Die bekanntesten Beispiele sind sicherlich das Radar auf Schiffen sowie im Luftverkehr zur Überwachung und Navigation. Daneben kann Radar aber auch vielfältig für wissenschaftliche Zwecke, z. B. in den Bereichen Geodäsie und Archäologie sowie Meteorologie (»Wetterradar«), eingesetzt werden. Hinzu kommt die Vermessung des erdnahen Orbits, um neue Erkenntnisse zu gewinnen, aber auch zum Schutz der Raumfahrt durch Erfassung der Weltraumlage. Weitere Branchen, die auf Radartechnik setzen, sind die Automobilindustrie (z. B. Fahrerassistenzsysteme), die produzierende Industrie (bildgebendes Radar zum Qualitätsmanagement) sowie der Umwelt- und Energiesektor (z. B. bedarfsgesteuertes Ein- und Ausschalten der Warnbefeuerung an Windkraftanlagen). Neben diesen produktorientierten Anwendungsfeldern wird Radar auch zum Schutz ziviler und militärischer Einrichtungen, zur Aufklärung und zur Detektion verborgener gefährlicher Objekte oder instabiler Strukturen (Abhänge nach Unwettern oder im Tagebau, beschädigte Häuser, Schneebretter im Gebirge, etc.) verwendet.

Fraunhofer FHR - Projektbeispiel Automotive-Radar

Fraunhofer FHR - Projektbeispiel Sensoren für Roboter

Allgemeines zur Terahertz-Technologie

Terahertz bezeichnet ein Frequenzspektrum innerhalb der Radartechnik. Dank seines guten Auflösevermögen ist es eine gute Alternative zu optischen…

Terahertz-Wellen: Vielfältiger Einsatz in der Sicherheitstechnologie

Der Terahertz (Terahertz)-Bereich ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums zwischen Mikrowellen und Infrarot mit einer Frequenz von einer Billion Schwingungen pro Sekunde. Lange Zeit sprach man von der Terahertz-Lücke, da es bis in die 1990er Jahre keine praktikablen Strahlungsquellen für diesen Teil des Spektrums gab. Die Terahertz-Strahlung ist wegen ihrer besonderen Eigenschaften zu einer wichtigen Zukunftstechnologie geworden: Mit ihrer Hilfe kann man versteckte Sprengstoffe oder Drogen erkennen oder sie verrät, welche Stoffe durch ein Plastikrohr fließen. Und sie kann zerstörungsfrei die Dicke einer Schicht kontrollieren und Materialfehler in Keramik oder Kunststoff sichtbar machen. Terahertz-Strahlung ist aufgrund ihrer niedrigen Energie für Menschen und Lebewesen ungefährlich. Es gibt für die Praxis kaum Einschränkungen der möglichen Einsatzorte.

Nah- oder Ferndetektion von Gefahrstoffen

Anders als UV- oder Röntgenstrahlung lösen Terahertz-Wellen keine Veränderung in der chemischen Struktur der untersuchten Substanzen aus. Sie sind für den Menschen folglich unbedenklich und damit grundsätzlich auch zur Personenkontrolle geeignet. Viele Gefahrstoffe lassen sich mittels Terahertz-Spektroskopie durch zahlreiche gängige Verpackungsmaterialien oder Kleidung hindurch spezifisch nachweisen. Dies kann aus Entfernungen von bis zu einigen Metern ohne Probennahme erfolgen. Durch die geringe Wellenlänge ergeben sich deutlich bessere räumliche Auflösungen als im Mikrowellenbereich. Das Material eines verdächtigen Gegenstands kann durch das Spektrum der Strahlung analysiert werden.

Aktive oder passive Methode

Terahertz-Scanner funktionieren entweder nach der aktiven oder der passiven Methode. Bei der passiven Methode wird nur die natürliche Terahertzstrahlung, die der menschliche Körper abstrahlt, gescannt. Bei der aktiven Methode kommt zusätzlich eine künstliche Bestrahlung durch Terahertzstrahlung hinzu. Das System rekonstruiert durch Variation der Wellenlänge aus der Rückstreuung ein Bild.

Viele Einsatzmöglichkeiten

Wissenschaftler haben praxistaugliche, handhabbare Terahertz-Strahler und Detektoren entwickelt. Terahertz-Strahlung kann neben der Sicherheitstechnologie auch in der Laboranalytik, Prozessmesstechnik und in der Qualitätssicherung angewendet werden.

Anwendungsbeispiel: Integrierte Radarsysteme für Werkzeugmaschinen