Введение
Активный демонтаж (AD) — развивающаяся технология, тесно связанная с понятием активной разборки с применением интеллектуальных материалов (ADSM).
Контур
Умные материалы, такие как сплавы с памятью формы (SMA), сейчас открывают возможность легкой и потенциально экономичной разборки сложных изделий. К другим интеллектуальным материалам, используемым AD, относятся полимеры с памятью формы (SMP), умные слои, распыляемые покрытия, конструкционные полимеры и т.д. Развитие этой технологии может сделать переработку потребительских товаров более распространенной и, следовательно, способствовать охране окружающей среды.
Экодизайн и законодательные основы
Компании, проектирующие и производящие широкий спектр потребительских товаров, все чаще сталкиваются с законодательным и иным давлением, требующим от них учитывать последствия "конца жизненного цикла" (EoL) своей продукции. Например, европейская Директива ELV (End of Life Vehicle) устанавливает, что текущий уровень повторного использования и переработки в 75% (по весу) должен быть увеличен до 85% к 2015 году. Директива по утилизации отходов электро- и электронного оборудования (WEEE) направлена на искоренение захоронения на полигонах как способа утилизации опасных материалов, таких как мышьяк в светодиодах. Производители также обязаны разрабатывать стратегии разборки и включать их в конструкцию своей продукции. Ранее при проектировании таких изделий, как автомобили, редко учитывалось, что произойдет с ними после утилизации, хотя некоторые компании, например BMW, проявляли в этом отношении инициативу.
Исследования
Доктор Чиодо является изобретателем технологий AD и ADSM. Он сосредоточил свои исследования на термически инициированном демонтаже с использованием материалов с памятью формы. Его работа началась с проектных решений, связанных с переработкой, еще в конце 1980-х годов. В 1991 году его магистерская диссертация была посвящена разработке для разборки, что послужило стимулом для нового автоматизированного подхода к задаче, которая в то время была сложной и трудоемкой. Он проводил эксперименты, начиная с примитивных силовых методов и заканчивая высокоточными подходами, такими как температура, электрическое сопротивление, вибрация, объем, взрывчатые вещества, химические, индукционные и биологические методы демонтажа. С тех пор эта работа расширилась на различные технологии дематериализации, включая усовершенствованные механизмы инициирования, разнообразные иерархические параметры управления, расширенные температурные диапазоны и другие соображения, включая вышеупомянутые. Доктор Чиодо изобрел сотни механизмов AD, ADSM и других автоматизированных технологий с момента его первых изобретений в 1996 году. Его недавние работы включают в себя изоляцию отдельных компонентов и чистую сегрегацию конкретных элементов для повторного использования, включая ЖК-дисплеи. В 1996 году он проводил эксперименты по демонтажу и использованию материалов с памятью формы, используя типичные конструкционные полимеры, такие как PEEK, ABS, PC, Nylon и другие, манипулируя их свойствами памяти формы для потенциально более экономичных альтернатив активному демонтажу. Эта работа была рассмотрена Х. Хуссейн, доктором Марком Алленом и доктором Дэвидом Харрисоном в статье, опубликованной в 2009 году, с результатами совместной работы между доктором Чиодо, компаниями Motorola, Nokia, Sony, Gaiker, Indumetal, IKP и др., но пока принесла только предконкурентные результаты. С 1996 года эта область приобрела растущую популярность в промышленности, что привело к более обширным исследованиям. Доктор Ник Джонс проводил работы по ELV, а также по множеству других новых подходов к AD с использованием электрически инициируемых механизмов SMA. Доктор Джонс и доктор Чиодо недавно разработали механизм высвобождения SMA NiTi для ЖК-панелей, предназначенный для чистой и неразрушающей разборки макросборок дисплеев настольных компьютеров и ноутбуков. Он состоит из автоматизированной электрически инициируемой тонкой проволоки, которая остается неактивной до момента активации в конце срока службы. Доктор Джонс разработал ряд приложений для рынка ELV, включая устройства SMA для подушек безопасности, устройства SMP для удаления стекла и новый механизм высвобождения на основе липучки. Доктор Нойберт продолжил изучение области активного демонтажа, рассматривая другие методы инициирования демонтажа. Его концептуальные идеи об использовании увеличения объема замерзшей воды для отключения определенных частей продукта или использовании растворимых крепежных элементов описаны в его диссертации, опубликованной в 2000 году. Барбара Виллемс развила это исследование, сосредоточившись на "клетках давления", описанных Нойбертом. Она разработала математическую модель для определения оптимальной формы и размеров крепежного элемента, активируемого давлением. При внедрении в продукт эти защелкивающиеся крепежные элементы обеспечивают разборку при изменении окружающего давления. Поскольку колебания давления маловероятны в течение нормального срока службы электрического продукта, этот механизм инициирования обеспечивает более надежный способ разборки по сравнению с инициированием на основе температуры. В 2012 году было проведено отмеченное наградами исследование, опубликованное в 2013 году в журнале Assembly Automation: всемирный обзор умных материалов, используемых в активном демонтаже. Эта работа была выполнена доктором Чиодо и доктором Джонсом и в настоящее время упоминается в "Блоге активного демонтажа". Работа доктора Чиодо продолжает исследовать AD с использованием "умных" материалов. Некоторые области применения включают интерстициальные слои, модульные механизмы, функции разборки и другие стратегии экологического дизайна DfX. Некоторые из этих работ описаны в области циркулярной экономики, см. раздел "Циркулярная экономика" и оригинальную публикацию на веб-сайте Ellen MacArthur Foundation. В Японии, США и ЕС различные исследовательские отделы в университетах изучают различные направления этой технологии. Хотя в промышленности пока нет массового производства и внедрения приложений этой технологии, работа в этом направлении продолжается.
Исследования по переработке с АД
Доктор Ижома исследует применение технологии AD к повторному производству электронных продуктов. На данный момент работа проводилась совместно с доктором Чиодо, и по этой теме опубликовано несколько статей в различных журналах.
Преимущества АД
Большинство потребительских товаров состоит из большого количества деталей и широкого спектра материалов. Разборка в конце срока службы продукта неизбежно является сложной и трудоемкой операцией, необходимой для эффективного разделения всех компонентов с целью их последующего повторного использования или переработки. Технологии автоматизированной разборки (AD) позволяют автоматизировать или частично автоматизировать этот процесс, делая его более экономически целесообразным. Внедрение технологий AD и последствия возложения на компании ответственности за переработку их продукции по окончании срока службы повлекут за собой долгосрочные затраты для потребителей.
Препятствия в борьбе с АД
В настоящее время существуют значительные препятствия, мешающие успеху этой технологии на массовом рынке. (стоимость, переобучение, финансовые/правовые ограничения, арбитраж, законодательная практика – будет продолжено).
Использование интеллектуальных материалов
Разрабатывается широкий спектр методов для применения в области автономной деконструкции (АД). Эти методы, как правило, требуют использования интеллектуальных материалов, которые реагируют на стимул, изменяя свою форму или размер и тем самым облегчая высвобождение компонентов. К таким материалам относятся полимеры с памятью формы (SMP) и сплавы с памятью формы (SMA). Эти материалы демонстрируют значительные изменения формы в широком диапазоне температур перехода, достигаемых посредством инфракрасного излучения, микроволнового воздействия, глубокого охлаждения, химических реагентов и прямого нагрева. Разнообразие "температур активации" для различных интеллектуальных материалов позволяет размещать изделия в нагреваемой среде, где сначала отсоединяются внешние элементы, а затем перемещать их в зону с более высокой температурой для разборки внутренних частей и подсистем. Недавно доктор Чиодо продолжил исследования других материалов, используемых в АД, начатые им в 1996 году. Ассортимент "интеллектуальных материалов" и других подходов продолжает расширяться.
Примеры АД-фитингов
Винты, заклепки, ленты, стержни и зажимы, специально разработанные для облегчения отделения (AD), могут быть изготовлены из интеллектуальных материалов, таких как сплавы с памятью формы (SMA) и полимеры с памятью формы (SMP). Они будут активироваться при заранее заданной температуре, в зависимости от конкретного применения.