3. Oblikovanje za recikliranje Design for recycling

Transkript

1 3. Design for recycling Problemi ograničenih prirodnih resursa te potrebe održivog razvoja proizvoda potiču i razvoj proizvoda pogodnih razgradnji i oporabi (recikliranju u nastavku će se koristiti uvriježeniji izraz recikliranje). Cilj je što veći dio proizvoda iskoristiti nakon kraja životnog vijeka proizvoda (EOL End of Life) kao gotov oblik ili kao sirovinu, koji će ponovo ući u proces proizvodnje istog ili novog proizvoda. Pri tome neuporabivi dio proizvoda za daljnju uporabu ili za okoliš štetni dio proizvoda treba smanjiti na što manju mjeru. Kako bi se ovaj proces i tehnički i ekonomski uspješno proveo na prvom mjestu je odgovoran konstruktor koji mora istražiti mogućnosti smanjenja broja dijelova, vrsta materijala, količine materijala, načine spajanja dijelova, povećanje efikasnosti demontaže (brzine, stupnja automatiziranosti, fleksibilnosti), snošljivosti materijala i slično. Zato treba proučiti metode razvoja proizvoda, konstruiranja, razgradnji podobnih proizvoda te: definirati pojam razgradnje (rastavljanja, demontaže) proizvoda sistematizirati preporuke za konstruiranje razgradnji podobnih proizvoda analizirati preporuke vrednovanja razgradljivosti proizvoda odrediti ili uvažiti kriterije vrednovanja razgradnji podobnih proizvoda evaluirati kriterije na odabranim primjerima gotovih proizvoda sistematizirati pravila konstruiranja i oblikovanja novih, razgradnji podobnih proizvoda. Recikliranje za vrijeme uporabe proizvoda je ponovna uporaba proizvoda ili dijelova proizvoda u novom stupnju uporabe kada se korištenjem zadržava oblik proizvoda, npr. već korišteni dijelovi. Recikliranje starih materijala ponovna uporaba već korištenih proizvoda, odnosno stari materijali u novom proizvodnom procesu, npr. pretvaranje auto otpada u nove materijale. Takvi sekundarni materijali ili dijelovi ne bi trebali zaostajati za kvalitetom novih materijala. Svi navedeni načini recikliranja mogu biti izvedeni procesom preoblikovanja i prerade sirovina i materijala. Određena količina materijala nastala recikliranjem završava na deponiju, odnosno biosferi. Oni bi se eventualno u budućnosti mogli koristiti kao resursi vrlo slabe iskoristivosti. 3.1 Osnovni pojmovi Nakon isteka životnog vijeka nekog proizvoda (EOL), s ciljem uštede i ponovne uporabe sirovina te ekološki svjesnog ponašanja, treba pokušati u što većoj mjeri taj proizvod ponovo iskoristiti, odnosno reciklirati. Stoga se još u fazi razvoja proizvoda mora misliti na to, tako da već u fazi konstruiranja i oblikovanja dolaze u obzir sljedeće glavne mjere [1, 2, 16, 17, 18, 19, 22, 23]: Smanjenje količine materijala boljim iskorištenjem materijala i s manje otpada prilikom obrade Supstitucija materijala, koji moraju biti proizvedeni od skupih sirovina, jeftinijim Ponovna uporaba recikliranih proizvoda ili dijelova proizvoda. VDI - smjernici 2243 razlikuju [2] (slika 3.1.): Recikliranje otpadaka u proizvodnji kao ponovne uporabe tvorničkog otpada u novom proizvodnom procesu, npr. otpaci koji nastanu rezanjem lima, strugotina, otpad od štancanja. Slika 3.1. Mogućnosti recikliranja prema [1, 2] Unutar kružnog toka recikliranja su mogući različiti oblici recikliranja: Primjena je označena zadržavanjem oblika proizvoda. Taj način recikliranja počinje na visokoj vrijednosnoj razini i zato treba težiti ovom načinu recikliranja. Ovisno da li kod nove primjene proizvod ispunjava istu ili drugu funkciju 11 12

2 razlikujemo ponovnu uporabu (npr. staklene boce) i daljnju uporabu (automobilske gume kao zaštita broda kada pristaje). Iskorištavanje uništava oblik proizvoda, što je u prvom redu povezano s većim gubitkom vrijednosti. Ovisno o tome hoće li se kod iskorištavanja proizvesti isti ili drugi proizvod razlikujemo ponovno iskorištavanje (auto otpad) i daljnje iskorištavanje (proizvodnja ulja od starih sirovina postupkom pirolize). materijala u kombinaciji s demontažom i pripremnih radnji. Pod demontažom se podrazumijeva rastavljanje proizvoda sa svim pomoćnim poslovima sa svrhom dovođenja u stanje prije montaže. Trošak i kvaliteta demontaže ovise o načinu i broju montažnih operacija kao i o njihovoj provedbi. Način i broj operacija ovise o strukturi stroja i načina izrade (pojedinačna i serijska proizvodnja) proizvoda. 3.2 Postupak recikliranja Priprema Iskorištavanje tvorničkog otpada i otpadnog materijala uopće, zavisi o postupcima pripreme koji mogu biti [1, 2, 21]: Zbijanje (tlačenje) otpada postiže se prešanjem. Ovaj postupak olakšava punjenje metalurške peći kod ponovne prerade, ali ne omogućava razdvajanje materijala iz mješavine različitog otpadnog materijala. Ovaj postupak je pogodan za recikliranje istovrsnog tvorničkog otpada i lima razvrstanog po vrstama (npr. limenke). Usitnjavanje teškog ili glomaznog otpada postiže se rezanjem ili taljenjem. Ovo su postupci pripreme već razvrstanog materijala. Razdvajanje postiže se tako da rotirajući čekići rascjepljuju dotrajale dijelove (mlinovi čekićari). Ovdje spadaju uređaji za uklanjanje prašine, magnetni uređaji koji izdvajaju magnetske komponente iz otpada, pokretne vrpce za ručno sortiranje metala, plastike i drugih materijala. Ovo su kvalitetne vrste otpadnog materijala koji se odlikuju velikom čistoćom. Na ovaj način reciklira se 80 % starih automobila i do 20 % kućanskih aparata. Uređaji na bazi razlike specifičnih težina služe za bolje razvrstavanje metalnih i nemetalnih komponenti, te za usitnjene otpatke. Slika 3.2. prikazuje kao primjer postupke i principe rada jednog postrojenja za usitnjavanje (šredanje) s prikazom realiziranog toka materijala [2, 3]. Recikliranje polimernog otpada ima veliko značenje [4, 5] zbog sve većeg nastanka takvog otpada. Općenito, pripremne radnje mogu se bez problema izvesti usitnjavanjem, pranjem, sušenjem i granuliranjem kad se radi o već sortiranom otpadu. Međutim, to je teško izvedivo kod kućnog otpada. Priprema pomiješanog polimernog otpada može se postići mehaničkim razdvajanjem, usitnjavanjem, sortiranjem, kao i postupkom elektrostatičkog razdvajanja. Ove tehnologije još su u fazi razvoja tako da je još uvijek nužno sakupljanje već sortiranog otpada. Za duroplaste i elastomere značajna je kemijska priprema [6]. Najbolja kvaliteta šrota i otpada s najboljim rezultatima prerade postiže se demontažom starih proizvoda. Na taj se način mogu sortirati istovrsni materijali i ili različiti materijali koji se međusobno podnose. Pretpostavka za ekonomski isplativu demontažu mora se postići tako da konstruktor pravilno izabere građevnu strukturu i tehnologiju za povezivanje dijelova. Ekonomski isplativa demontaža sastoji se od pripreme starih proizvoda i Slika 3.2. Postupci i principi rada s prikazom toka materijala jednog postrojenja za usitnjavanje (šredanje). Gdje je: a - usitjivač (šreder) (1 - odstranjivanje prašine, 2 pokretna traka za sortiranje), b - magnetni separator, c - uređaj na bazi razlike specifičnih težina i d rotacijska peć za sušenje [2, 3]

3 3.2.2 Obnova (remont) Ponovno i daljnje iskorištavanje proizvoda (za vrijeme korištenja proizvoda) sastoji se od [1, 2, 3]: potpune demontaže čišćenja kontrole ponovne uporabe dijelova, popravaka dijelova koji se troše, izrade dijelova prema uzorku, zamjene dijelova novima ponovne montaže i ispitivanja. Kod obnove u specijalnim pogonima ili kod proizvođača prakticiraju se dva načina. Jednu mogućnost predstavlja zadržavanje identiteta starog proizvoda, tj. zamjena ili izrada dijelova prema uzorku. Npr. da na taj način izrađeni motor zadrži svoj prijašnji serijski broj. Druga se mogućnost sastoji u tome da se tako izrađeni dijelovi tretiraju kao novi proizvodi. Ovakav način obnove trebao bi pripadati budućnosti. 3.3 Pravilno konstruiranje za recikliranje postrojenja Da bi se omogućili navedeni postupci pripreme i obnove, mora se predvidjeti mogućnost iskorištavanja starih dijelova već u fazi razvoja proizvoda. To mora biti usklađeno s ostalim postavljenim ciljevima i uvjetima tzv. Liste zahtjeva [3]. Posebno se mora paziti na ekonomičnost proizvodnje i uporabe proizvoda Orijentacija na recikliranje kod procesa konstruiranja Zadaci koji se odnose na recikliranje moraju se ispuniti u svim fazama procesa konstruiranja. Slika 3.3. prikazuje takve zadatke prema smjernicama VDI 2221 [7] Upute za pripremu konstrukcije proizvoda Sljedeće upute mogu se odnositi na cijeli proizvod ili na pojedine sastavne grupe. Primjenjive su pojedinačno ili u kombinaciji i služe za poboljšanje pripreme ili neposredno za iskorištavanje otpada. Podnošljivost (kompatibilnost) materijala: Rijetko je da se proizvod proizvodi od samo jedne vrste materijala koji se može lako iskoristiti. Češće se koriste razne kombinacije materijala spojenih u jednu neodvojivu cjelinu i zato je potrebno da se takvi materijali međusobno dobro podnose prilikom postupka iskorištavanja i da osiguraju visoku kvalitetu. Slika 3.3. Zadaci koji se odnose na recikliranje kod procesa razvoja i konstruiranj (prema smjernicama VDI 2221 [7, 20, 24])

4 Da bi se taj cilj ispunio moraju biti poznati tehnički zahtjevi postupka iskorištavanja. Od pomoći može biti i definicija takozvanih grupa starih i matričnih materijala. Dok se ne utvrdi primjenjivost takvih grupa starih materijala, mora se utvrditi podnošljivost materijala od strane konstruktora i odgovarajućih stručnih ljudi. To se pogotovu isplati kod serijski proizvedenih proizvoda koji su važni za recikliranje. Slika 3.4. prikazuje tablicu podnošljivosti ili spojivosti (kompatibilnosti) za polimerne materijale. Odvajanje materijala: Ako se neodvojivi dijelovi proizvoda i proizvodnih grupa ne podnose, onda je potrebno demontažom i razdvajanjem omogućiti odvajanje materijala koji nisu kompatibilni. Pravilna priprema mjesta spajanja (sklapanja): Mjesta spajanja moraju biti prilagođena ekonomičnijoj obnovi, lakšoj demontaži i boljoj pristupačnosti. Primjeri spojeva za lakšu demontažu dani su na slici 3.5. i slic 3.6. Takve konstrukcije zahtijevaju općenito i veće troškove recikliranja koje treba izbjeći. Za ekonomičnu demontažu treba omogućiti takove postupke i jednostavne uređaje, i/ili automatskie uređaje koje mogu biti opsluživane od strane manje educiranog osoblja. Ovo posljednje vrijedi pogotovu za demontažu na mjestima gdje se prikuplja otpad. Visokovrijedni materijali: Vrijedni materijali se moraju jako dobro raščlaniti i označiti. Opasni materijali: Materijali koji bi prilikom prerade predstavljali opasnost za ljude, uređaje i okolinu u svakom se slučaju moraju razdvojiti i označiti. Slika 3.4. Kompatibilnosti polimernih materijala [8, 2] Upute za preradu proizvoda Slika 3.6. Spojevi podesni za ponovnu uporabu [9, 10]. Slika 3.5. Mjesta spajanja koja omogućavanju lakšu demontažu (rastavljanje) [9, 10]. Gdje je: a - vijak, b 1/4 spone koja se zakreće, c - spona koja se pritisne i zakreće, d - stezaljka, e - tlačna spona, f - vrpca sa zatvaračem, g - spona sa čičkom, h - spona na škljocanje, i - zglobna spona, j - ekscentrična spona, k - sigurnosni prsten, l - spona i m - spona na škljocanje. Demontaža mora biti takva da ne uništi proizvod. Slika 3.7. prikazuje pravila za demontažu mjesta spajanja. Čišćenje je predviđeno za sve dijelove koji će se ponovno upotrijebiti i to tako da ne ošteti dijelove. Sortiranje treba omogućiti i olakšati samom konstrukcijom dijelova. Omogućiti ponovnu montažu s proizvodima proizvedenim pojedinačno ili maloserijski

5 Za smanjenje troškova novih dijelova mogu pomoći sljedeće mjere: usmjeriti trošenje na lako zamjenjive dijelove istrošeni dio učiniti lako uočljivim omogućiti stavljanje prilagođenih osnovnih materijala na istrošena mjesta zaštiti dijelove od korozije da bi se mogli ponovno upotrijebiti rastavljive dijelove učiniti uporabljivima u cijelom životnom vijeku proizvoda i da proizvod nakon rastavljanja bude izdržljiv. a) b) Slika 3.8. a) Simbol koji mora biti na e-uređajima radi posebnog sakupljanja b) Primjer za označavanje polimernih sastavnih dijelova prema DIN ISO 11469, DIN 7728 T.1 i DIN ISO Označavanje svojstava potrebnih za recikliranje Sklopovi, podsklopovi, dijelovi i ugradbene grupe mogu se označiti ovisno o njihovim svojstvima i postupcima recikliranja i ovisno o strategiji recikliranja koju je predvidio konstruktor. Na taj se način brže i sigurnije mogu izabrati potrebni procesi i postupci. Primjer za označavanje sastavnih elemenata izrađenih od polimernih materijala prikazuje slika Primjer pravilne konstrukcije za recikliranje Recikliranje materijala i proizvoda iz kućanskih aparata Slika 3.7. Upute za pravilnu demontažu proizvoda [9, 10]. Kućanski aparati kao što su perilice rublja, perilice posuđa i štednjaci su isplativi za recikliranje, jer se sastoje od visokovrijednih materijala. Slika 3.9. prikazuje udio masa pojedinih materijala u ukupnoj masi starije perilice posuđa. Zbog postojanja mnoštva nemetalnih materijala i legura čelika, nije pogodna bilo kakva prerada, jer se legure čelika ne mogu razdvojiti, a neželjezni metali (NM) smetnja su u procesu prerade i povećavaju troškove. Zbog toga je potrebno da struktura proizvoda bude takva da se materijali lako mogu razdvojiti, odnosno 19 20

6 demontirati da bi se mogli izvesti postupci usitnjavanja. Moguća je i ponovna uporaba pojedinih komponenti ili cijelog proizvoda. Varijanta konstrukcije perilice posuđa prilagođene recikliranju prikazana je na slici [3]. Kod nje su u jednom dijelu (1) postavljeni svi dodatni agregati kao što su pumpa (2), vrh pumpe (3), pumpa (4) i priključna tehnika (5). Pri tome je montažna podloga postavljena tako da nije potreban ni jedan element za učvršćivanje agregata, nego se agregat drži na podlozi kućišta. Kućište i podloga se mogu otvoriti i zatvoriti nagibanjem. Kada se kućište otvori nagibanjem svi agregati se mogu lako montirati ili uzeti za recikliranje. Slika Varijanta konstrukcije perilice posuđa prilagođene recikliranju [3] Slika 3.9. Prikaz udjela masa pojedinih materijala u ukupnoj masi starije perilice posuđa (AEG, Model 1997./80. [1, 3] 21 22

7 Daljnji primjer iz područja kućanskih aparata je perilica rublja, prikazana na slici Kod perilice rublja varirana je konstrukcija kućišta i raspored funkcijskih elemenata. Varijanta b pokazala se prema jednoj analizi kao najbolja, jer ima najmanji broj dijelova i najmanje troškove održavanja i demontaže [3]. 3.5 Vrednovanje ovisno o mogućnosti recikliranja Poželjno je još tijekom razvoja novog proizvoda vrednovati konstrukcijska rješenja i prema svojstvima recikljivosti proizvoda [9, 11]. To je moguće pomoću postupaka i kriterija vrednovanja usmjerenim na recikliranje. Slika prikazuje upravo kriterije za vrednovanje s obzirom na mogućnost recikliranja, kako materijala tako i proizvoda u cjelini. Recikliranje proizvoda - funkcionalna struktura proizvoda - stupnjevita struktura - kompleksnost - posao koji prethodi demontaži - demontiranje - demontaža bez uništavanja dijelova - mogućnost čišćenja - mogućnosti provjere - mogućnost identificiranja - mogućnost sortiranja - mogućnosti prerade - mogućnost ponovne montaže - mogućnost zamjene dijelova - prepoznavanje istrošenih dijelova - uporaba normiranih dijelova - automatizacija radnih koraka Recikliranje materijala Poslovi demontaže - broj operacija kod demontiranja - broj uputa za demontiranje - broj različitih operacija kod demontiranja - broj vezivnih elemenata - broj različitih vezivnih elemenata - pristupačnost - automatizacija poslova demontaže - rastavljanje - troškovi demontaže - broj potrebnih alata za demontiranje Razdvojivost - broj i trošak postupaka razdvajanja - mogućnost prepoznavanja materijala - broj materijala koji se mogu razdvojiti - broj materijala koji se ne mogu razdvojiti Iskoristivost - ponovna iskoristivost - daljnje iskorištavanje - potrebni procesi iskorištavanja - stupanj postignutih rezultata - smanjenje kvalitete - stupanj onečišćenja Slika Kriteriji za vrednovanje mogućnosti recikliranja proizvoda i materijala [9, 11]. Slika Struktura perilice rublja [3]. Gdje je: rezervoar, 2 - programator, 3 -.., 4 - vrata prostora za pranje, 5 - kutija za priključenje s osiguračima, 6 - upravljačka elektronika, 7 - lužinska pumpa, , i 10 - središnja električna jedinica. 23 Za procjenu ukupne ocjene, ocjena mogućnosti recikliranja mora biti integrirana s tehničko-ekonomskom ocjenom. Za jasno prikazivanje pojedinačnih ocjena i ukupne ocjene služe dijagrami vrednovanja i profilni grafovi ocjena koji prikazuju međusobna odstupanje različitih varijanti rješenja u odnosu na idealno rješenje [11, 12]. Ovakvi postupci vrednovanja mogu se primjeniti i na ocjenu ukupnog proizvoda [11, 13, 14, 15]. 24

8 Literatura Dijagram toka postupka analize mogućnosti recikliranja kod električnih uređaja prikazan je na slici [3]. Koristeći ocjene dobivene vrednovanjem u pojedinim koracima analize, može se dobiti i ukupna ocjena mogućnosti recikliranja. Ova ukupna ocjena pokazuje izvedivost i ekonomičnost sljedećih mogućnosti: predrastavljanje (predemontaža), rastavljanje (demontaža), raščlanba (odvajanje), ponovna uporaba i prerada. Slika Analiza proizvoda dijagram toka za vrednovanje mogućnosti recikliranja [3] [1] Meyer, H.: Recyclingorientierte Productgestaltung, VDI-Fortschrittsberichte Reihe 1, Nr. 98., VDI-Verlag, Düsseldorf, [2] ***: VDI-Rictlinie 2243: Konstruieren recyclinggerechter technisher Producte, VDI-Verlag, Düsseldorf, [3] Pahl, G.; Beitz, W.: Engineering Design A Systematic Approach, 2nd Ed. (Translated by Ken Wallace, Luciënne Blessing and Frank Bauert), Edited by Ken Wallace, Springer-Verlag London Ltd., London, [4] Birnkraut, H. W.: Wiederverwerten von Kunststoff-Abfällen. Kunststoffe 72 (1982) [5] Flemming, M.; Zigg, M.: Recycling von faserverstärkten Kunststoffen. Konstruktion 49 (1997) H. 5, [6] Menges, G.; Michaeli, W.; Bittner, M.: Recycling von Kunststoffen. München: C. Hauser [7] ***: VDI-Richtlinie 2221: Methodik zum Entwickeln technischer Systeme und Produkte, VDI-Verlag, Düsseldorf, [8] Käufer, H.: Recycling von Kunststoffen, integriert in Konstruction und Anwendungstechnik, Konstruktion 42 (1990) [9] Nickel, W. (Hrsg.): Recycling-Handbuch Strategien-Technologien, VDI- Verlag, Düsseldorf, [10] Schmidt-Kretschmer, M.: Untersuchungen an recyclingunterstützenden Bauteilver bindungen. (Diss. TU Berlin). Schriftenreihe Konstruktionstechnik (Hrsg. W. Beitz), H. 26, TU Berlin [11] Grieger, S.: Strategien zur Entwicklung recyclingfähiger Produkte,beispielhaft gezeigt an Elektrowerkzeugen. Diss. TU Berlin,VDI-Fortschritt-Berichte Nr.270, Reihe 1, VDI-Verlag, Düsseldorf [12] Beitz, W.; Grieger, S.: Günstige Recyclingeigenschaften erhöhen die Produktqualität. Konstruktion 45 (1993) [13] Spath, D.; Hartel, M.: Entwicklungsbegleitende Beurteilung der ökologischen Eignung technischer Produkte als Bestandteil des ganzheitlichen Gestaltens. Konstruktion 47 (1995) [14] Spath, D.; Trender, L.: Checklisten - Wissensspeicher und methodisches Werkzeug für die recyclinggerechte Konstruktion 48 (1996) [15] Wende, A.; Schierschke, V: Produktfolgenabschätzung als Bestandteil eines recycling-orienterten Produktmodells. Konstruktion 46 (1994) [16] Jorden, W: Recyclinggerechtes Konstruieren - Utopie oder Notwendigkeit. Schweizer Maschinenmarkt (1984) 23-25, [17] Jorden, W.: Recyclinggerechtes Konstruieren als vordringliche Aufgabe zum Einsparen von Rohstoffen. Maschinenmarkt 89 (1983) [18] Lindemann, U.; Mörtl, M.: Ganzheitliche Methodik zur umweltgerechten Produktent wicklung. Konstruktion (2001), Heft 11/12,

9 [19] Pourshirazi, M.: Recycling und Werkstoffsubstitution bei technischen Produkten als Beitrag zur Ressourcenschonung. Schriftenreihe Konstruktionstechnik Heft 12 (Hrsg. W. Beitz). Berlin: TU Berlin [20] Suhr, M.: Wissensbasierte Unterstützung recyclingorientierter Produktgestaltung. Schriftenreihe Konstruktionstechnik (Hrsg. W. Beitz), Nr. 33, TU Berlin 1996 (Diss.). [21] Thome-Kozmiensky, K.-J. (Hrsg.): Materialrecycling durch Abfallaufbereitung. Tagungsband TU Berlin [22] VDI-Richtlinie 2343, Recycling elektrischer und elektronischer Geräte Blatt l (Grund lagen und Begriffe), Blatt 2 (Externe und interne Logistik), Blatt 3, Entwurf (Demon tage und Aufbereitung), Blatt 4 (Vermarktung). Düsseldorf: VDI-Verlag [23] Weege,R.-D.: Recyclinggerechtes Konstruieren. Düsseldorf: VDI-Verlag 1981 [24] Wende, A.: Integration der recyclingorientierten Produktgestaltung in dem methodi schen Konstruktionsprozess. VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe l, Nr.239. Düsseldorf: VDI-Verlag 1994 (Diss. TU Berlin 1994). 27