Fachhochschule Aschaffenburg - University of Applied Sciences

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1 Fachhochschule Aschaffenburg - University of Applied Sciences Korbach Würzburger Straße Aschaffenburg 06021/314-5 Aschaffenburg Fachbereich Ingenieurwissenschaften Elektro- und Informationstechnik Wirtschaftsingenieurwesen Mechatronik Fachbereich Wirtschaft und Recht Betriebswirtschaft Betriebswirtschaft und Recht 1

2 Labore für Werkstoff- und Verbindungstechnik Steinbeis-Transferzentrum Werkstoff- und Verbindungstechnik Schwerpunkte Elektronikfertigung Werkstoffe der Elektrotechnik Verbindungstechnik Materialuntersuchungen Prozessoptimierung Gutachten, Beratung Weiterbildung Kontakt: Prof. Dr. 2

3 - Wege zu umweltfreundlicheren Elektronikprodukten ALS Akademie Korbach, 17. Januar

4 1. Einführung 2. Problem Elektronikschrott 3. Gesetzliche Regelungen in der EU 4. Vermeidung von Schadstoffen in Elektronikprodukten 5. Recycling ausgedienter Elektrogeräte 6. Ausblick 4

5 1. Einführung Siegeszug der Elektronik Bardeen Brattain Shockley 1947 Erfindung des Transistors Physik-Nobelpreis

6 1. Einführung Siegeszug der Elektronik 1958 Erster Integrierter Schaltkreis (Integrated Circuit, IC) Kilby, Noyce, Fa. Texas Instruments Foto: TI Physik-Nobelpreis 2000 Dieser Schaltkreis enthielt 6 Komponenten. 6

7 1. Einführung Siegeszug der Elektronik Jahr Transistoren / Chip Millionen 2005: 200 Millionen Quelle: Intel 7

8 1. Einführung Siegeszug der Elektronik Sandia National Labs Auf einem IC: (1) Elektronischer Schaltkreis (2) Beschleunigungssensor (3) Drehratensensor 8

9 1. Einführung Siegeszug der Elektronik Elektronik im Automobil Motorelektronik Komfortfunktionen Fahrdynamik Zukünftig: Drive-by-wire 9

10 1. Einführung Siegeszug der Elektronik Steuergerät Airbag (Quelle: Bosch) Elektronik Getriebesteuerung (Quelle: Bosch) 10

11 1. Einführung Siegeszug der Elektronik Die Leistung von Computerchips verdoppelt sich etwa alle 18 bis 24 Monate. (Gordon Moore) Kurze Produktzyklen bei Elektronikprodukten 11

12 1. Einführung Siegeszug der Elektronik Elektronik soll leistungsstark und innovativ zuverlässig kostengünstig sein. 12

13 2. Problem Elektronikschrott Definition Elektronikschrott Ausrangierte Computer, Fernseher, Elektrische/elektronische Haushaltsgeräte, etc. Geräte, deren Funktion auf elektrischen Strömen oder elektromagnetischen Feldern beruht. Fachliteratur: Waste of Electric and Electronic Equipment (WEEE) 13

14 2. Problem Elektronikschrott Wieviele Elektro-/Elektronikgeräte haben Sie in Ihrem Haushalt? 4-Personen-Haushalt Haushaltsgroßgeräte Haushaltskleingeräte IT-, TK-Geräte Unterhaltungselektronik Elektrowerkzeuge Spiel, Freizeit-, Sportgeräte Summe

15 2. Problem Elektronikschrott Wieviel E-Schrott fällt an? Abfallmengen in Deutschland (1998) Abfallmenge in Mio. t 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Jahr Prognostizierte Entwicklung der Abfallmengen (4 % Wachstum p.a.) Quelle [1] 15

16 2. Problem Elektronikschrott Zusammensetzung E-Schrott Beispiel Computer-Festplattenlaufwerk Baujahr

17 2. Problem Elektronikschrott Zusammensetzung E-Schrott Elektronische Flachbaugruppe 17

18 2. Problem Elektronikschrott Zusammensetzung PC-Boards Quelle: [5] 18

19 2. Problem Elektronikschrott Zusammensetzung Mobiltelefon Siemens C35 (2000) 19

20 2. Problem Elektronikschrott Zusammensetzung Mobiltelefon Quelle: [5] 20

21 2. Problem Elektronikschrott Zusammensetzung Eisenmetalle 38% Nichteisenmetalle 28% Kunststoffe 19% Glas 4% Holz 1% sonstiges 10% Quelle: [2] 21

22 2. Problem Elektronikschrott Besonderheiten des E-Schrott Komplexer Materialmix E-Schrott enthält erhebliche Menge von Schadstoffen, z.b. Hg, Pb, Cd, Cr 6+, As, bromhaltige Flammschutzmittel. Bespiel Blei: ca. 40% der Bleibelastung in Deponien stammt aus E-Schrott. Bisher wird der größte Teil des E-Schrotts ohne Vorbehandlung beseitigt. Deutschland: von den ca. 2 Mio. t p.a. werden 0,4 Mio. t p.a. getrennt gesammelt. 22

23 3. Gesetzliche Regelungen in der EU ab 2005 EU-Richtlinie 2002/96/EG Vorgabe von Sammel-, Verwertungs- und Recyclingquoten ab EU-Richtlinie 2002/95/EG Verbot bestimmter Schadstoffe Pb, Cd, Hg,... ab Elektro- und Elektronikgerätegesetz ElektroG 23

24 3. Gesetzliche Regelungen in der EU ab 2005 Produktkategorien und Verwertungsquoten gemäß ElektroG Wiederverwendung + stoffl. Verwertung Energetische Verwertung Beseitigung Haushaltsgroßgeräte 75 % 5 % 20 % Haushaltskleingeräte 50 % 20 % 30 % IT-, TK-Geräte 65 % 10 % 25 % Unterhaltungselektronik 65 % 10 % 25 % Beleuchtungskörper 50 % 20 % 30 % Elektrowerkzeuge 50 % 20 % 30 % Spiel, Freizeit-, Sportgeräte 50 % 20 % 30 % Überwachungs- Kontrollg. 50 % 20 % 30 % Medizinische Geräte Keine Zielvorgabe bis zum Ausgabeautomaten 75 % 5 % 20 % Gasentladungslampen 80 % 24

25 3. Gesetzliche Regelungen in der EU ab 2005 Verwertungsquoten / Beispiel Spielzeug ElektroG: Mind. 50 % stoffliche Verwertung. 25

26 3. Gesetzliche Regelungen in der EU ab 2005 Aufgabenteilung Besitzer von Altgeräten Trennung Getrennt vom unsortierten Siedlungsabfall Öffentlich-rechtliche Entsorgungsträger Sammlung (mind. 4 kg/einw. u. Jahr) getrennt nach 6 Kategorien aus privaten Haushalten Hersteller Importeure Rücknahmepflicht Wiederverwendung Verwertung 26

27 3. Gesetzliche Regelungen in der EU ab 2005 Verbot von Schadstoffen Liste der ab verbotenen Schadstoffe Schadstoff max. Gehalt** Pb Blei 0,1 % Hg Quecksilber 0,1 % Cd Cadmium 0,01 % Cr +6 sechswertiges Chrom 0,1 % PBB* polybromierte Biphenyle 0,1 % PBDE * polybromierte Diphenylether 0,1 % * Flammschutzmittel, ** je homogenem Werkstoff (Es gibt Ausnahmen!) 27

28 4. Vermeidung von Schadstoffen Umstellung auf bleifreie Löt-Technik Verteilung von Blei in einer typischen Lötstelle 28

29 4. Vermeidung von Schadstoffen Umstellung auf bleifreie Löt-Technik Quelle: Fraunhofer Institut für Silizium Technology 29

30 4. Vermeidung von Schadstoffen Umstellung auf bleifreie Löt-Technik / Alternativen zu SnPb Alternativmaterialien haben höhere Schmelzpunkte! 30

31 4. Vermeidung von Schadstoffen Umstellung auf bleifreie Löt-Technik Fertigungslinie für elektronische Flachbaugruppen Lötung Baugruppe Auftrag Lotpaste Bestückung Bauteile 31

32 4. Vermeidung von Schadstoffen Umstellung auf bleifreie Löt-Technik ( C) 260 Temperaturverlauf beim Löten für Bleilote Vorheizung auf ca. 150 C Aufschmelzen 183 C SnPb (217 C SnAgCu) 110 sec min. 60 sec. 50 t / min. - 2:00,0 0:00,0 2:00,0 4:00,0 6:00,0 32

33 4. Vermeidung von Schadstoffen Umstellung auf bleifreie Löt-Technik Die wichtigsten Maßnahmen Einsatz bleifreier Lotwerkstoffe (z.b. Sn95,8Ag3,5Cu0,7) Einsatz bleifreier Bauteile Umrüstung der Fertigungslinien (geeignete Öfen) Lötung unter Schutzgasatmosphäre (Stickstoff) Kosten! 33

34 4. Vermeidung von Schadstoffen Umstellung auf bleifreie Löt-Technik Ungeklärte Fragen der Umstellung Auswirkungen der erhöhten Löttemperaturen auf Bauteile? Zuverlässigkeit bleifreier Lote? Ausfall einer Lötstelle durch Temperaturwechselbelastung 34

35 5. Recycling Übersicht Sammeln Sortierung nach Gerätekategorien Demontage Aussondern von Schadstoffen oder wiederverwendbaren Teilen Upgrading Zerkleinern, Trennung z.b. Metalle, Nichtmetalle, Eisen/Nichteisen Refining Erzeugung hochreinen Materials Einschmelzen, Elektrolyse 35

36 5. Recycling Demontage Hoher Lohnanteil, Personalkosten liegen bei ca. 50 % der Recyclingkosten! Automatisierung schwierig Produkte sind bisher extrem demontageunfreundlich 36

37 5. Recycling Upgrading Aufschließen der Materialien durch Zerkleinern (mm-abmessungen) Sortierung der Materialien durch physikalische Trennverfahren, z.b. Quelle: Fa. Hamos Magnetische Trennung Elektrostatische Trennung Wirbelstromtrennung Dichtetrennung 37

38 5. Recycling Upgrading / Magnetische Trennung Inprosys Magnetic Dry Drum Separator Trommel: 41 cm, Edelstahl Partikelgröße: 0, mm Quelle: Outokumpu Technology 38

39 5. Recycling Upgrading / Wirbelstrom-Trennung elektrisch leitfähig Magnet nicht elektrisch leitfähig Prinzip Induktionsgesetz U ind = Φ Stromfluss in leitfähigen Partikeln Magnetfeld Lenzsche Regel: Magnetfeld wirkt Induktionsursache entgegen. 39

40 5. Recycling Upgrading / Wirbelstrom-Trennung 40

41 5. Recycling Upgrading / Elektrostatische Trennung Prinzip Aufladung der Partikel über eine Corona- Entladung Entladung der leitfähigen Partikel über die Trommel (geerdet) Nichtleitende Partikel haften an der Trommel 41

42 5. Recycling Upgrading / Dichtetrennung Kunststoff PVC Polyvinylchlorid PE Polyethylen PA Polyamid PP Polypropylen Elastomere z.b. Neopren, Silikon Dichte in g/cm 3 1,16 1,38 0,91 1,06 1,14 0,90 0,85 1,25 42

43 5. Recycling Upgrading / Dichtetrennung / Hydrozyklon Quelle [6] 43

44 5. Recycling Upgrading Quelle: 6 44

45 6. Zusammenfassung & Ausblick Menge des E-Schrotts wächst, Zusammensetzung von WEEE ist komplex (Schadstoffe!). Gesetzliche Regelungen treten 2005 bzw in Kraft (Verbot von Schadstoffen, Recyclingquoten). Industrie muss diese Vorgaben nun umsetzen. 45

46 6. Zusammenfassung & Ausblick Elektroindustrie Recyclinggerecht konstruierte Produkte Demontagefreundlich Weniger Schadstoffe Modularer Aufbau, erweiterungsfähig längere Lebensdauer Rücknahmesysteme Recyclingindustrie Verwertungsverfahren verbessern (Standort D) Verbraucher Trennen! Längere Nutzungsdauer 46

47 Literatur [1] H. Berg, A.. van Dillen, Hersteller und Nutzer in der Bringschuld [2] J. Cui, E. Forssberg, Journal of Hazardous Materials, B99 (2003), [3] D. Oetiker, Abfall-Management von Elektronikprodukten, ETH Zürich, 2002 [4] S. Ganesan, M. Pecht, Lead-free Electronics, Ed [5] HDP User Group Inc. [6] Use of Recovered Plastics in the Manufacture of Automobiles, Appliances & Electronic Equipment (Recycling of Mixed Plastics), MBA Polymers Richmond, California 47