Grant Rektorski – 33/32/SIGR/0005

Grant Rektorski – 33/32/SIGR/0005

Pracownicy Zakładu Urządzeń Mechatronicznych w składzie oraz brali czynny udział w interdyscyplinarnym Grancie Rektorskim (33/32/SIGR/0005) zatytułowanym:

(Development of complex utilization technology for mixed polymer waste from the automotive industry in Poznań and the surrounding area)

Okres realizacji projektu: 1.04.2020 – 30.11.2021

Kierownik projektu:

Głównym zadaniem naszego zespołu było opracowanie automatycznego stanowiska badawczego. W ramach projektu zbudowano eksperymentalny separator demonstracyjny, przeznaczony do badań procesu separacji w warunkach laboratoryjnych. W realizacji tego celu wykorzystano doświadczenie zespół ZUM w zakresie budowy maszyn i układów/systemów mechatronicznych, projektowania układów elektronicznych, modelowania i kontroli procesów, poparte realizacją licznych projektów o charakterze badawczo-rozwojowym we współpracy z partnerami przemysłowymi i innymi ośrodkami naukowo-badawczymi. Przykładami efektami prac tego zespołu są między innymi: zrobotyzowana stacja lutownicza, innowacyjna prostowarka blachy dla obróbki plastycznej, czy bezprzewodowy system kontroli zajętości miejsc w transporcie publicznym. Wiedza z zakresu mechatroniki, innowacyjność zespołu oraz jego bogate doświadczenie i umiejętności umożliwiły opracowanie i wykonanie konstrukcji mechanicznej urządzenia, w której wykorzystano opracowane dedykowane układy sterujące i pomiarowe oraz zaprojektowane i wdrożone układy napędowe. Zgromadzone w trakcie prowadzonych na opracowanym separatorze badań wiedza i doświadczenia umożliwiły zaprojektowanie urządzenia o dużo większej wydajności. Zaprojektowane i zbudowane urządzenie stało się bazą laboratoryjną i platformą badawczą do prowadzenia dalszych badań w zakresie efektywnej separacji tworzyw sztucznych.

Wykonany prototyp separatora eksperymentalnego pozwolił na zrealizowanie szeregu badań. Przeprowadzone badania umożliwiły zweryfikowanie: ilości podawanego materiału przez podajnik, nastaw prędkości obrotowej bębna, nastaw napięcia dostarczanego do elektrod oraz wpływu zmian tych parametrów na jakość separacji. Badania dokumentowano fotograficznie oraz za pomocą filmów video, a następnie je analizowano i wyciągano wnioski.  Wykonane eksperymenty dostarczyły potwierdzenie słuszności działania zaproponowanej koncepcji, co w rezultacie przyczyniło się do opracowania wytycznych docelowej konstrukcji laboratoryjnej stanowiska badawczego. Na rys.1 przedstawiono opracowaną w ramach projektu konstrukcję stanowiska badawczego do testów i badań elektrostatycznej separacji odpadów z tworzyw sztucznych. Dobrana szerokość konstrukcji i kółka jezdne pozwalają na swobodne przemieszczenie stanowiska przez typowe drzwi o świetle 900 mm. Długość całkowita separatora to ok 1200 mm.

Rys. 1. Widok boczny i izometryczny zaprojektowanego elektroseparatora: 1 – podajnik materiału, 2 – rama aluminiowa, 3 – transporter taśmowy, 4 – bęben obrotowy, 5 – elektroda koronowa, 6 – elektroda odchylająca, 7 – kolektory materiałów, 8 – szafka elektryczna

Szkielet konstrukcji (2) jest ramą wykonaną z prefabrykowanych profili aluminiowych i systemu dedykowanych łączników. Zastosowanie takiego rozwiązania pozwala na wprowadzenie poprawek i niezbędnych modyfikacji w trakcie prac rozwojowych. Główne części separatora zostały zaprojektowane w sposób modułowy. W założeniach podajnik zasypowy (1) można będzie zaadaptować również do roli podajnika wibracyjnego lub jako stół tryboładujący. Ilość materiału podawanego z leja jest regulowana za pomocą układu sterującego prędkością obrotową silnika. Materiał wsadowy za pomocą przenośnika taśmowego o szerokości 400 mm (3) jest transportowany do obracającego się bębna. Pas podajnika jest napędzany za pomocą silnika serwo z dodatkową przekładnią planetarną. Zastosowanie zaawansowanego przemysłowego serwonapędu pozwala na precyzyjne sterowanie prędkością liniową taśmy, którą można w łatwy sposób zmieniać.

System sterowania stanowiska testowego został opracowany przy użyciu środowiska Siemens Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal). Generalnie algorytm sterowania układem został opracowany równolegle z badaniami wstępnymi i na podstawie przeprowadzonych studiów literaturowych dotyczących procesu separacji elektrostatycznej. Schematyczny widok opracowanego systemu sterowania stanowiska badawczego przedstawiono na rys. 2. Opracowany system składa się z przemysłowego sterownika PLC wyposażonego w panel interfejsu człowiek-maszyna (HMI), czteroosiowych napędów, źródła zasilania WN, podstawowych zabezpieczeń system oraz dodatkowe elementy sterujące i czujniki (przekaźniki ogólnego przeznaczenia i wskaźniki świetlne). Do napędu bębna i podajnika zastosowano wysokiej klasy serwomotory przemysłowe. Do sterowania położeniem elektrody koronowej wykorzystano 2 osie napędzane silnikami krokowymi wyposażonymi w zintegrowaną elektronikę.

Rys. 2. Schemat poglądowy systemu sterowania

Proponowany system wyposażony jest we własny opracowany komputerowy system wizyjny do analizy wpływu parametrów procesu jak położenie elektrod, sterowanie polaryzacją i napięciem, zmienna prędkość podajnika i bębna oraz parametry pracy na skuteczność separacji tworzyw sztucznych. Zastosowanie systemu wizyjnego umożliwia szybką ocenę jakości separacji. Na rys. 3 pokazano efekty pracy separatora po jego wstępnym uruchomieniu.

Rys. 3. Wstępne badania doświadczalne podczas uruchamiania konstrukcji

W ramach projektu opracowano także nowatorską metodę oceny jakości separacji. Proponowana jest alternatywna metoda wykorzystująca dedykowany system wizyjny w badaniach nad separacją tworzyw sztucznych. Koncepcja ta opiera się na metodach wykorzystujących próbki materiałów o różnej barwie. Idea ta została schematycznie przedstawiona na rysunku 4. System składa się z segmentowego kolektora separowanego materiału, kamery, systemu oświetleniowego oraz komputera z opracowanym kodem komputerowym.

Rys. 4. Koncepcja systemu wizyjnego do oceny efektywności ES

Zadaniem proponowanego systemu wizyjnego jest ocena czystości materiału w każdym segmencie (rzędzie kolektora) na podstawie obrazu wykonanego przez kamerę. Opracowany kod komputerowy musi dostarczyć dane liczbowe o ilości każdego materiału w rzędzie. Dane te są następnie przetwarzane w celu obliczenia współczynnika efektywności separacji. Zalety systemów wizyjnych są wykorzystywane w szybkiej i wiarygodnej ocenie wielu procesów techno-logicznych. Koncepcja wykorzystania systemu wizyjnego do szybkiej oceny skuteczności separacji elektrostatycznej opiera się głównie na zastosowaniu dedykowanych materiałów próbnych różniących się kolorem. Mieszanina tych próbek jest wykorzystywana do badania wpływu parametrów procesu na jakość tej separacji. Taka szybka metoda oceny efektywności separacji, jaką daje system wizyjny, pozwala na określenie „optymalnych parametrów” w procesie separacji wybranych materiałów. Proponowany system wizyjny do szybkiej oceny efektywności separacji oparty jest na kamerze CMOS oraz autorskim oprogramowaniu działającym na standardowym komputerze PC. Rozdzielczość kamery wynosiła 1920 x 1080 px. Do kompresji wykorzystano kodek H.264. Kamera została zainstalowana na ramie wykonanej z profili aluminowych, dzięki czemu możliwe było dostosowanie jej pola widzenia. W celu zminimalizowania wpływu warunków oświetleniowych otoczenia, przestrzeń robocza została oświetlona za pomocą panelu LED o mocy 20W. Stanowisko badawcze miało następujące wymiary: c = 300 mm, a = 600 mm, b = 670 mm . Oddzielony materiał umieszczany był w szeregu kolektorów wykonanych z aluminiowych profili C tworzących podbierak materiałowy. Na potrzeby badań, w celu uniknięcia odbić, kolektory pomalowano czarną matową farbą. Stanowisko badawcze oraz elementy składowe opracowanego systemu wizyjnego zostały przedstawione na rysunku 5.

Rys. 5. Separator elektrostatyczny oraz system wizyjny wraz z materiałem separowanym

Zaprojektowany i opracowany separator elektrostatyczny oraz system wizyjny do oceny skuteczności separacji tworzyw sztucznych został wykorzystany m.in. w procesie separacji mieszanin rozdrobnionych cząstek tworzyw sztucznych zawierających drobiny poli(tereftalanu etylenu) (PET) i polietylenu o dużej gęstości (PE-HD). Przed przystąpieniem do procesu separacji i jej oceny dokonano analizy wpływu wybranych parametrów procesu tryboładowania mieszaniny PET i PE-HD na akumulowany ładunek elektryczny i na skuteczność separacji elektrostatycznej. Otrzymane wyniki prac zostały opublikowane w kilku publikacjach renomowanych wysoko punktowanych czasopism.

  • Pełny skład zespołu podczas pracy przy zadaniu:

, (ZUM – Wydział Inżynierii Mechanicznej)

(LMI – Wydział Inżynierii Mechanicznej)

(ZME – Wydział Automatyki, Robotyki i Elektrotechniki)

, – kierownik Grantu Rektorskiego (ZTS – Wydział Inżynierii Mechanicznej)

  • Interdyscyplinarność grantu

W realizacji wszystkich zadań Grantu Rektorskiego brali udział naukowcy z czterech wydziałów Politechniki Poznańskiej:

  1. Wydział Inżynierii Mechanicznej
  2. Wydział Technologii Chemicznej
  3. Wydział Automatyki, Robotyki i Elektrotechniki
  4. Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
  • Zapraszamy do lektury:

Strona Projektu – Research Gate

  • Publikacje uzyskane w ramach projektu:

2022

1.
Analysis of Triboelectrostatic Separation Process of Mixed Poly(ethylene terephthalate) and High-Density Polyethylene

Lyskawinski W; Baranski M; Jedryczka C; Mikolajewicz J; Regulski R; Rybarczyk D; Sedziak D

Analysis of Triboelectrostatic Separation Process of Mixed Poly(ethylene terephthalate) and High-Density Polyethylene Journal Article

In: Energies, vol. 15, no. 1, pp. 19, 2022.

Links | BibTeX

2.
Concept and Design of the Test Bench for Electrostatic Separation in Plastic Recycling Application

Czarnecka-Komorowska D; Jędryczka C; Sędziak D; Regulski R; Netter K; Rybarczyk D; Barański M; Barczewski M

Concept and Design of the Test Bench for Electrostatic Separation in Plastic Recycling Application Journal Article

In: MATEC Web Conf., vol. 357, pp. 04005, 2022.

Links | BibTeX

2021

3.
Recycling of Plastics from Cable Waste from Automotive Industry in Poland as an Approach to the Circular Economy

Czarnecka-Komorowska D; Kanciak W; Barczewski M; Barczewski R; Regulski R; Sędziak D; Jędryczka C

Recycling of Plastics from Cable Waste from Automotive Industry in Poland as an Approach to the Circular Economy Journal Article

In: Polymers, vol. 13, no. 21, pp. 3845, 2021.

Links | BibTeX

4.
Tribo-Electrostatic Separation Analysis of a Beneficial Solution in the Recycling of Mixed Poly(Ethylene Terephthalate) and High-Density Polyethylene

Lyskawinski W; Baranski M; Jedryczka C; Mikolajewicz J; Regulski R; Sedziak D; Netter K; Rybarczyk D; Czarnecka-Komorowska D; Barczewski M

Tribo-Electrostatic Separation Analysis of a Beneficial Solution in the Recycling of Mixed Poly(Ethylene Terephthalate) and High-Density Polyethylene Journal Article

In: Energies, vol. 14, no. 6, pp. 1755, 2021.

Links | BibTeX

5.
Automated test bench for research on electrostatic separation in plastic recycling application

Regulski R; Rybarczyk D; Jędryczka C; Regulski R; Barański M; Barczewski M; Czarnecka-Komorowska D; Sędziak D; Netter K

Automated test bench for research on electrostatic separation in plastic recycling application Journal Article

In: Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences, 2021.

Links | BibTeX

2020

6.
Assessment of the Electrostatic Separation Effectiveness of Plastic Waste Using a Vision System

Rybarczyk D; Jędryczka C; Regulski R; Sędziak D; Netter K; Czarnecka-Komorowska D; Barczewski M; Barański M

Assessment of the Electrostatic Separation Effectiveness of Plastic Waste Using a Vision System Journal Article

In: Sensors, vol. 20, no. 24, pp. 7201, 2020.

Links | BibTeX

7.
Przegląd technik recyklingu kabli elektrycznych i możliwości odzysku tworzyw sztucznych

Czarnecka-Komorowska D; Kanciak W; Regulski R; Jędryczka C; Sędziak D; Rybarczyk D

Przegląd technik recyklingu kabli elektrycznych i możliwości odzysku tworzyw sztucznych Conference

Kierunki modyfikacji i zastosowań tworzyw polimerowych : XIV Konferencja Naukowo-Techniczna, XXIII Warsztaty Profesorskie, online, 19-20 października 2020 r.: Divisia Sp. z o.o., 2020 - s. 128-132, 2020.

BibTeX

8.
Zautomatyzowane stanowisko do badania efektywności separacji elektrostatycznej tworzyw sztucznych

Regulski R; Czarnecka-Komorowska D; Sędziak D; Jędryczka C; Netter K; Rybarczyk D

Zautomatyzowane stanowisko do badania efektywności separacji elektrostatycznej tworzyw sztucznych Conference

Kierunki modyfikacji i zastosowań tworzyw polimerowych : XIV Konferencja Naukowo-Techniczna, XXIII Warsztaty Profesorskie, online, 19-20 października 2020 r.: Divisia Sp. z o.o., 2020 - s. 114-119, 2020.

BibTeX