Intelligente Demontage von Elektronik für Remanufacturing und Recycling (Projekt iDEAR)

Wir machen den Konsum von Elektrogeräten durch Recycling nachhaltig

Der technologische Fortschritt lässt Elektrogeräte schnell altern. Die kurze Lebensdauer von oft nur wenigen Monaten oder Jahren führt einerseits zu einem stetig wachsenden Bedarf an endlichen Rohstoffen und andererseits zu einem wachsenden Berg von Elektroschrott.

Dies ist ein globales Problem. In 2019 sind weltweit knapp 54 Millionen Tonnen Elektroschrott angefallen. Bis zum Jahr 2030 könnte die weltweite jährliche Elektroschrott-Produktion schon auf 74 Millionen Tonnen ansteigen. Recycelt wird nur ein Bruchteil aller Elektrogeräte. Ein Großteil – über 80 Prozent – des E-Waste landet auf Deponien oder in der Müllverbrennung. Und mit ihm die darin enthaltenen Materialien: Wertvolle Edelmetalle oder seltene Erden bleiben ungenutzt. Gefährliche Chemikalien und Schadstoffe können in die Umwelt gelangen.

Zu einem geringen Teil wird Elektroschrott von Hand zerlegt. Hohe Kosten und der zunehmende Mangel an Arbeitskräften machen dies jedoch immer unattraktiver.

Im Projekt iDEAR entwickeln wir Lösungen für die effiziente Demontage von Elektrogeräten und für die Wiederaufbereitung und Wiederverwertung von Materialien. Wir wollen sicherstellen, dass keine Rohstoffe verschwendet und wertvolle Ressourcen länger im Umlauf gehalten werden. So entsteht eine Kreislaufwirtschaft, die elementar ist für nachhaltigen Konsum.

Mit dem iDEAR-Projekt lösen wir die Herausforderung der Rückgewinnung wertvoller Materialien aus Elektrogeräten

Neben der kürzeren Lebensdauer und der weltweit steigenden Nachfrage nach Elektrogeräten werden die Produkte gleichzeitig immer komplexer und individueller. Sie enthalten eine größere Bandbreite an Materialien und es gibt eine fast unüberschaubare Variantenvielfalt. Hinzu kommt: Die Demontage gebrauchter Güter ist durch viele Unsicherheiten gekennzeichnet. So können Schrauben verrostet, Schraubköpfe verschlissen, Komponenten deformiert und beschädigt sein oder auch gänzlich fehlen. Gerade kleine und kompakte Elektronikgeräte sind meist auch nicht für die zerstörungsfreie Demontage konzipiert. Ihre Baugruppen bestehen aus Verbundwerkstoffen und sind über Schrauben, Hebel, Clips oder Verklebungen so miteinander verbunden, dass sie sich nur schwer voneinander trennen lassen.

Die Rückgewinnung von Materialien aus Elektronikgeräten ist nicht nur umweltfreundlich, sondern auch wirtschaftlich sinnvoll. Elektronikbauteile (Leiterplatten, Kontakte, Schalter) enthalten Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin und Palladium. In Magneten, Batterien oder Displays sind sogenannte Seltene Erden zu finden. Hier lohnt sich das Recycling besonders, denn Seltene Erden sind zwar weltweit ausreichend vorhanden, aber oft nur in geringen Mengen. Das macht den Abbau schwierig und die Metalle teuer. Für die Herstellung vieler Hightech-Produkte sind sie jedoch unverzichtbar. Lithium ist ein wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien, die in vielen elektronischen Geräten wie Smartphones und Laptops zum Einsatz kommen. Auch Kupfer und Aluminium werden häufig in elektronischen Geräten verbaut, z.B. in Kabeln und Steckern oder in Kühlkörpern und Rahmen. Das Recycling von Metallen erfordert in fast allen Fällen grundsätzlich weniger Energie im Vergleich zu Abbau und Verarbeitung von Primärrohstoffen. 

Die Rückgewinnung all dieser Materialien reduziert also nicht nur die Umweltbelastung durch Elektronikschrott, sondern auch die Umweltbelastung durch den Rohstoffabbau und stellt eine wertvolle Rohstoffquelle für neue Produkte dar.

Je besser die einzelnen Materialien bei der Demontage voneinander getrennt werden, desto hochwertiger können sie als sekundäre Rohstoffe weiterverwendet werden und desto geringer fällt der Energieaufwand für den jeweiligen Recyclingprozess aus. Gegenwärtig gibt es nur wenige spezialisierte Systeme, die mit hohem Engineeringaufwand eine sehr begrenzte Anzahl von Produkten automatisiert zerlegen können.

Genau hier setzt unser Projekt iDEAR an. Im Projekt iDEAR entwickeln wir Lösungen für die intelligente Demontage von Elektronikgeräten für Remanufacturing und Recycling. Wir entwickeln Verfahren für ein geordnetes, formelles Recycling unter Einsatz modernster Automatisierungstechnologien, bei dem wertvolle Materialien effizient zurückgewonnen und wiederverwendet werden können und sorgen für eine nachhaltigere Zukunft für die Elektronikindustrie.

Wir verbessern den Recyclingprozess von Elektrogeräten und erhöhen Effizienz, Präzision und Sicherheit von Demontagearbeiten.

Wir verbinden Materialwissenschaft, Messtechnik, Robotik und künstliche Intelligenz zu einem intelligenten System für automatisierte und zerstörungsfreie Demontageprozesse – die Grundlage für ein zertifizierbares und geschlossenes Abfallmanagementsystem.

• Automatisierte Identifikation von Baugruppen: Hochpräzise 3D-Kameras und optische Sensorsysteme erfassen Labels, Produktnummern, Bauteile und Verbindungselemente. Machine-Learning-Algorithmen und künstliche Intelligenz analysieren die Sensordaten, erkennen Materialien und bewerten den Zustand der Bauteile.
• Individuelle Bewertung und digitale Demontageplanung: Jedes Gerät wird individuell begutachtet. Auf Basis der gewonnenen Daten werden Demontagepläne erstellt, die den optimalen Ablauf festlegen. Diese Sequenzen können flexibel an unterschiedliche Produkttypen angepasst werden.
• Robotergestützte Demontage: Die hohe Präzision und Geschwindigkeit von Robotersystemen bei der Demontage führen zu einer verbesserten Rückgewinnung von Materialien und Bauteilen. Im Vergleich zu herkömmlichen Demontageverfahren können robotergestützte, rationalisierte Prozesse zur Materialgewinnung und -rückgewinnung Zeit, Geld und Ressourcen sparen. Der Fokus liegt dabei auf der Reduzierung des Engineeringaufwands für die Programmierung der Roboter. Ein speziell entwickelter Roboter entnimmt Bauteile durch adaptive Bewegungsstrategien. Die Kombination von Reinforcement Learning und Imitation Learning ermöglicht es, komplexe Aktionen wie das Entnehmen von Mainboards aus PC-Gehäusen präzise und effizient auszuführen.
• Datenbasierte Wissensplattform: Ein »Demontage-Hub« speichert Erfahrungswerte und Prozessdaten in einer digitalen Verwaltungsschale. So können Demontageprozesse optimiert und auf weitere Geräteklassen übertragen werden.
• Geschäftsmodelle, Ökosysteme und Versorgungsketten: Wir betrachten den Lebenszyklus von Elektroaltgeräten von der Sammlung bis zum Recycling, um die Transparenz von Elektroschrottströmen zu verbessern. Darüber hinaus untersuchen wir die energetischen Aspekte des Recyclings, um Reststoffe, die nicht in neuen Produkten wiederverwendet werden können, möglichst effizient energetisch zu nutzen.

Erste Ergebnisse und Meilensteine bei der automatisierten Demontage

Im ersten Schritt wurden bereits erfolgreiche Testdemontagen an PCs durchgeführt. Dabei konnten Geometrie, Material und Verbindungselemente der Geräte genau identifiziert und die Demontageprozesse durch den Roboter präzise ausgeführt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Weiterentwicklung der Methoden ein, die zukünftig auch auf größere Elektrogeräte übertragbar sein sollen.

Ziele und nächste Schritte

Der nächste Meilenstein im Projekt ist die Integration aller Teilprozesse in einen Demonstrator, der die Verkettung automatisierter Demontageprozesse realisiert. Damit soll gezeigt werden, wie Automatisierung und KI-basierte Entscheidungsfindung in der Praxis zusammenwirken können. Perspektivisch sollen die entwickelten Technologien in realen Industrieumgebungen erprobt und für verschiedene Produktklassen weiter optimiert werden.

Unser Beitrag zur Kreislaufwirtschaft

Unser Projekt iDEAR orientiert sich an den Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen. Mit unserer Forschungsarbeit erfüllen wir insbesondere die Sustainable Development Goals (SDGs) 12: Nachhaltige/r Konsum und Produktion und 8: Menschenwürdige Arbeit und Wirtschaftswachstum.

Erwartete Projektergebnisse

• Demonstrator für die Demontage von Elektroaltgeräten, bei dem alle technologischen Entwicklungen integriert sind. Dieser wird die Verkettung manueller und automatisierter Demontageprozesse darstellen.