FlexCycle und die Green Factory: Wie KI und Robotik die Kreislaufwirtschaft revolutionieren

Recycling flexibler Materialien: Das europäische FlexCycle-Projekt

Das automatisierte Recycling flexibler Materialien wie Textilien, Kabel und Brennstoffzellenmembranen stellt die moderne Abfallwirtschaft vor erhebliche Herausforderungen. Während das Handling starrer Objekte in der Industrie bereits weit fortgeschritten ist, lassen sich weiche und verformbare Strukturen aufgrund ihrer flexiblen Beschaffenheit nur schwer mit herkömmlichen Robotern verarbeiten. Das EU-Forschungsprojekt FlexCycle (Flexible Robotic Automation Techniques for Soft Materials Recycling) adressiert diese Problematik mit einem Budget von 7,5 Millionen Euro und zwölf Partnern aus sechs Ländern über eine Laufzeit von vier Jahren.

Koordiniert vom Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) und gefördert im Rahmen von Horizon Europe entwickelt das Konsortium autonome Systeme, die flexible Strukturen identifizieren, handhaben und demontieren können.

Anwendungsbereiche und technologische Ansätze

Das Projekt adressiert drei spezifische Use-Cases mit maßgeschneiderten Robotik- und KI-Lösungen:

• Brennstoffzellen: Die empfindlichen Membranen in PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane) enthalten gesundheitsschädliche Substanzen und edelmetallhaltige Katalysatormaterialien wie Platin. Roboter ermöglichen die sichere Extraktion und Rückgewinnung dieser wertvollen Ressourcen sowie die Kreislaufführung PFAS-haltiger Materialien wie Nafion.
• Textilien: KI-Systeme werden trainiert, spezifische Merkmale wie Nähte zu erkennen, um Zubehörteile wie Knöpfe und Reißverschlüsse präzise zu entfernen und die Stoffe für die Wiederverwendung zurückzugewinnen.
• Kabel: Häufig als verhedderte Bündel in der Entsorgung auftretend, müssen die Roboter lernen, durch das Drahtgewirr zu navigieren, ein Zielkabel zu isolieren und die Isolierschichten automatisiert zu entfernen, um wertvolle Metalle wie Kupfer effizient zurückzugewinnen.

Fraunhofer-Expertise für technische Membranen

Innerhalb des Konsortiums übernehmen die Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS sowie das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entscheidende Rollen. Das Fraunhofer IWKS konzentriert sich auf die hocheffiziente Rückgewinnung edelmetallhaltiger Katalysatormaterialien aus Brennstoffzellen. Das Fraunhofer LBF erforscht die Kreislaufführung fluorhaltiger Membranen (PFAS) durch chemische Auflösung in speziellen Lösungsmittelsystemen mit anschließendem Recasting oder Depolymerisation, um ökologische Risiken zu minimieren.

Der technologische Ansatz basiert auf der Kombination flexibler Roboterwerkzeuge (Endeffektoren) und KI-basierter Modellierung. Adaptive Hard- und Softwarekomponenten sollen die Methoden auf verschiedene industrielle Sektoren übertragbar machen.

Von Industrie 4.0 zu Industrie 5.0: Mensch-Roboter-Kollaboration und Nachhaltigkeit

Die vierte industrielle Revolution prägt die globale Wirtschaft durch die umfassende Digitalisierung und Vernetzung industrieller Produktion. Industrie 4.0 bezeichnet die Integration von Informationstechnologie (IT) und Operationstechnologie (OT) sowie den Einsatz von Internet of Things (IoT), Cloud Computing, Big Data und künstlicher Intelligenz. Im Vergleich zu Industrie 3.0 zeichnet sich diese Epoche durch die nahtlose Kommunikation und Koordination vernetzter Systeme aus.

Industrie 5.0: Der Mensch im Mittelpunkt

Während Industrie 4.0 auf Effizienzsteigerung durch Technologie fokussiert, rückt Industrie 5.0 den Menschen und die Nachhaltigkeit in den Vordergrund. Das Konzept betont die kollaborative Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine, um nachhaltige Produkte und Dienstleistungen zu schaffen. Ziel ist es, menschliche Kreativität und fortschrittliche Technologie zu verbinden, während Roboter körperlich anstrengende oder gefährliche Arbeiten übernehmen.

Diese Entwicklung adressiert die Herausforderungen des demografischen Wandels und des Fachkräftemangels. Cobots (kollaborierende Roboter) arbeiten als Assistenten des Menschen, ermöglichen eine direkte Zusammenarbeit ohne umfangreiche Schutzvorrichtungen und können ihre Fähigkeiten selbstständig erlernen und an andere Roboter weitergeben.

Digitale Zwillinge und Exoskelette

Im Kontext des Sondermaschinenbaus ermöglichen digitale Zwillinge – virtuelle Repräsentationen physischer Maschinen – eine umfassende Simulation vor der realen Inbetriebnahme. Dies verkürzt Entwicklungszeiten und optimiert die Wartung. Zusätzlich entlasten Exoskelette, die bereits in der Medizin eingesetzt werden, Menschen bei schwierigen Tätigkeiten im Arbeitsalltag.

Energieeffizienz und Kreislaufwirtschaft in der Robotik

Die Robotik selbst trägt durch verschiedene Ansätze zur Ressourceneffizienz und Energieeinsparung bei. Die International Federation of Robotics (IFR) hat erörtert, dass Roboter bei dreizehn der siebzehn UN-Nachhaltigkeitsziele (SDGs) unterstützen können.

Active Energy Management und modulare Systeme

Der Einsatz aktiver Energiemanagementgeräte wie der Pxt-Familie von Koch kann den Energieverbrauch elektrischer Roboterantriebe um durchschnittlich 15 Prozent senken (Messbereich 7 bis 21 Prozent), während gleichzeitig die Produktivität durch höhere Geschwindigkeiten und geringere Taktzeiten gesteigert wird. Die Geräte reduzieren Netzlastspitzen und stabilisieren das Stromnetz, was besonders bei schwachen Netzen von Vorteil ist.

Modulare Robotiklösungen, wie sie Anbieter Robco anbieten, ermöglichen die Wiederverwendung einzelner Komponenten. Bei technischen Störungen können Module statt kompletter Systeme ausgetauscht werden, was Produktionsausfallzeiten minimiert, Abfall reduziert und die Lebensdauer der Technologie verlängert.

Refurbishment und Second-Life-Roboter

ABB betreibt ein weltweites Netz von Wiederaufbereitungszentren in Ostrava, Auburn Hills und Shanghai, wo gebrauchte Roboter generalüberholt werden. Über 400 Second-Life-Roboter stehen permanent zum Verkauf bereit. Jede Einheit durchläuft strenge Prüfungen und 16-stündige Funktionstests und erhält eine zweijährige Garantie. Die Aufrüstung älterer Roboter mit neuesten Steuerungen verlängert deren Lebensdauer und maximiert die Kapitalrendite.

Beitrag zu den UN-Nachhaltigkeitszielen

Unternehmen wie Energy Robotics setzen autonome Inspektionsroboter ein, um zu fünf SDGs beizutragen: Gesundheit und Wohlbefinden (SDG 3) durch Vermeidung menschlicher Einsätze in gefährlichen Umgebungen, bezahlbare und saubere Energie (SDG 7) durch Unterstützung erneuerbarer Energien, menschenwürdige Arbeit (SDG 8), Industrie und Innovation (SDG 9) sowie Klimaschutzmaßnahmen (SDG 13) durch Früherkennung von Gaslecks und Reduzierung von Pendelwegen zu abgelegenen Industriestandorten.

In der Landwirtschaft ermöglichen Roboter präzise Bewässerung und gezielte Unkrautbekämpfung mit Lasern, wodurch chemische Herbizide reduziert werden. Im industriellen Bereich optimieren Roboter wie ABBs PixelPaint-Lackiersystem den Farbauftrag auf 100 Prozent und minimieren so Verschwendung gegenüber herkömmlichen Verfahren mit 20 bis 30 Prozent Overspray.