Revolutionäre Sortierung von schwarzen Kunststoffen in der Industrie mit der Hyperspektralkamera Specim FX50 MWIR

Kunststoffe sind aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken, und ihre weltweite Produktion beläuft sich auf über 380 Millionen Tonnen pro Jahr. Einen bedeutenden Teil dieser Produktion machen schwarze Kunststoffe aus, die aufgrund ihrer ästhetischen und funktionalen Eigenschaften besonders in Branchen mit hoher Nachfrage beliebt sind, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, bei Gehäusen und Chassis für Elektronik oder bei Lebensmittelverpackungen.

Derzeit ist die Recyclingquote bei schwarzen Kunststoffen nach wie vor sehr gering, was vor allem auf Probleme im Zusammenhang mit herkömmlichen Sortiertechnologien zurückzuführen ist. Nahinfrarot-Bildgeber (NIR), die üblicherweise zur Sortierung von Kunststoffen eingesetzt werden, haben Schwierigkeiten bei der Erkennung schwarzer Kunststoffe, da deren Pigmentierung aus Ruß das Licht eher absorbiert als reflektiert. Infolgedessen werden schwarze Kunststoffe häufig falsch identifiziert, was zu einer fehlerhaften Sortierung, einer Verringerung der Recyclingquote und einer Zunahme der auf Deponien gelagerten Abfallmengen führt.

In vielen Regionen werden strengere Vorschriften erlassen, die von den Herstellern verlangen, einen bestimmten Anteil an recycelten Kunststoffen in neue Produkte einzubauen. Um diese Ziele zu erreichen, sind effektive Methoden zur Sortierung schwarzer Kunststoffe erforderlich.

Die hyperspektrale Bildgebung (HSI) im mittleren Infrarotbereich (MWIR) bietet eine Lösung, die die Einschränkungen von Systemen auf Basis der Nahinfrarot-Bildgebung (NIR) überwindet und die Genauigkeit sowie Effizienz der Sortierung schwarzer Kunststoffe deutlich verbessert. Die optische Sortierung schwarzer Kunststoffe bietet eine effiziente Lösung, die es Kunden ermöglicht, schwarze Kunststoffe präzise zu sortieren und sich von schwerkraftbasierten Sortierverfahren zu lösen, die auf großen Mengen an Wasser, Salz und anderen Ressourcen beruhen, die zur Umweltverschmutzung beitragen.

Dieser Anwendungsbericht zeigt die Möglichkeiten von MWIR-HSI – insbesondere der Specim FX50-Kamera – auf und erläutert, wie diese in industrielle Sortiersysteme integriert werden kann, um diese Herausforderung zu bewältigen. Ziel ist es, Entscheidungsträgern in der Industrie und technischen Experten, die ihre Sortierprozesse verbessern und eine höhere Materialeffizienz erzielen möchten – insbesondere im Zusammenhang mit der Sortierung von schwarzen Kunststoffen –, einen umfassenden Überblick zu bieten.

Einführung in die Hyperspektralbildgebung (HSI) und ihre Vorteile bei der Materialsortierung

HSI ist eine fortschrittliche Technologie, die Materialien scannt und ein breites Lichtspektrum in vielen schmalen Wellenlängenbereichen erfasst und analysiert – weit über die Grenzen dessen hinaus, was das menschliche Auge oder herkömmliche Kameras erkennen können.

Diese Daten bilden einen einzigartigen „spektralen Fingerabdruck“ jedes Materials, der mithilfe ausgefeilter Algorithmen analysiert werden kann, um verschiedene Materialien mit hoher Genauigkeit zu identifizieren und zu unterscheiden.

HSI ermöglicht die Unterscheidung von Materialien, die bei Verwendung anderer Bildgebungstechnologien ansonsten ähnlich erscheinen würden. Darüber hinaus unterstützt HSI die Echtzeitverarbeitung, was eine schnelle, präzise und automatisierte Sortierung ermöglicht, und ist somit besonders wertvoll für die industrielle Sortierung.

Überwindung der Herausforderungen bei der Sortierung schwarzer Kunststoffe mithilfe von MWIR-HSI

Bis vor kurzem gab es keine zuverlässige Sensortechnologie, die die Sortierung schwarzer Kunststoffe zur Wiederverwertung ermöglichte. Herkömmliche Sortiertechnologien im nahen Infrarotbereich (NIR) stützen sich bei der Identifizierung und Sortierung von Kunststoffen auf die Reflexion von Infrarotlicht. Die meisten schwarzen Kunststoffe sind jedoch mit Ruß eingefärbt, der Infrarotlicht eher absorbiert als reflektiert, sodass sie für NIR-Sensoren „unsichtbar“ sind. Dies führt häufig zu Fehlidentifikationen oder zum Ausschluss aus dem Recyclingprozess.

MWIR-HSI ändert diese Situation jedoch. Während der Nahinfrarotbereich (NIR) spektrale Informationen im Bereich von etwa 0,9 bis 2,5 Mikrometer (µm) erfasst, erfasst die MWIR-Hyperspektralbildgebung detaillierte Spektralinformationen über den gesamten MWIR-Wellenlängenbereich von 3 bis 5 Mikrometer (µm).

In diesem Bereich weisen verschiedene Kunststoffe aufgrund ihrer molekularen Zusammensetzung einzigartige spektrale Eigenschaften auf (siehe Abbildung 3 unten). Daher kann HSI im MWIR-Bereich zwischen verschiedenen Arten schwarzer Kunststoffe unterscheiden, unabhängig von ihrer Farbe.

Specim FX50 – ein Durchbruch bei der Sortierung von schwarzem Kunststoff

Die Specim FX50 MWIR löst das Problem der „unsichtbaren“ schwarzen Kunststoffe, indem sie im mittleren Infrarotbereich (MWIR) arbeitet. Es handelt sich um die erste Hyperspektralkamera auf dem Markt, die den gesamten MWIR-Spektralbereich von 2,7 bis 5,3 μm abdeckt, der für die Sortierung von schwarzen Kunststoffen entscheidend ist. Dadurch kann sie spektrale Merkmale erkennen, die herkömmliche NIR-Kameras einfach nicht sehen.

Die Specim FX50 wurde speziell für industrielle Sortieranwendungen entwickelt und bietet die Geschwindigkeit, Auflösung, Empfindlichkeit und Robustheit, die für eine zuverlässige Inline-Sortierung erforderlich sind. Dank ihrer MWIR-Fähigkeiten kann die Specim FX50 schwarze Kunststoffe, Gummi und die Zusammensetzung anderer als schwarzer Kunststoffe effektiv identifizieren.

Die Specim FX50 ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Sortierung:

• Schwarze Kunststoffe

• Gummi

• Nicht-schwarzer Kunststoffe und Gummi

Die Specim FX50 nutzt die Push-Broom-Technologie, die sich besonders gut für industrielle Sortieranwendungen eignet. Ihre schnellen Aufnahme- und Erkennungsfähigkeiten ermöglichen die präzise Identifizierung sich bewegender Objekte auf Förderbändern in Echtzeit, was die durch Identifikationsfehler verursachten Kosten senkt. Beispielsweise ermöglichen die hohe Bildfrequenz und die hohe räumliche Auflösung der Specim FX50-Kamera das Sortieren von 300 kg Kunststoffflocken mit den Abmessungen 2 × 2 cm pro Minute auf einem 1 Meter breiten Förderband, das mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s läuft, mit einer Genauigkeit von nahezu 99 %.*

Die hohe Leistung und Genauigkeit machen die Specim FX50 zu einer äußerst wettbewerbsfähigen Wahl für die Recyclingindustrie, in der Geschwindigkeit, Genauigkeit und Kosteneffizienz entscheidend sind.

*Die endgültige Geschwindigkeit und Leistung können je nach Betriebsbedingungen und Art der sortierten Kunststoffe variieren.

Kombination aus HSI und Röntgensensor zur Sortierung von Flammschutzmitteln (FR)

Flammschutzmittel (FR) können die Erkennung von Kunststoffen beeinflussen, da sie bestimmte Materialeigenschaften verändern. Das Vorhandensein von FR verhindert jedoch nicht die Identifizierung von Kunststoffen. Flammschutzmittel können bei der Erkennung sichtbar sein oder auch nicht; in den meisten Fällen sind sie nicht sichtbar.

Der Specim FX50 ist in der Lage, verschiedene Kunststoffarten zu erkennen, sogar solche, die bestimmte flammhemmende Verbindungen enthalten. Auch wenn er die Flammschutzmittel selbst nicht immer erkennen kann, lässt sich diese Einschränkung durch eine Sensorfusion aus Hyperspektralbildgebung (HSI) und Röntgentechnologie abmildern. Während der FX50-Sensor Kunststoffe präzise identifiziert, ergänzt die Röntgentechnologie dies, indem sie das Vorhandensein von Flammschutzmitteln anhand von Unterschieden in der Materialdichte feststellt. Dieser integrierte Ansatz bietet eine umfassendere Lösung für die Sortierung von schwarzen Kunststoffen, insbesondere in Branchen, in denen flammhemmende Verbindungen zunehmend zum Einsatz kommen, wie beispielsweise in der Automobilindustrie.

So integrieren Sie den FX50 in Sortiersysteme

Das Specim FX50 lässt sich auf zwei grundlegende Arten in ein industrielles Sortiersystem integrieren: über die SpecimONE-Plattform oder über ein SDK (Software Development Kit), je nach den Anforderungen und Ressourcen des Kunden.

1. Integration in die SpecimONE-Plattform

Die SpecimONE-Plattform bietet eine Komplettlösung für die Integration der Specim FX50-Kamera in Sortiersysteme, von der Datenerfassung bis hin zur Echtzeitverarbeitung.

Datenanalyse und -klassifizierung mit SpecimINSIGHT:

Zur Analyse der von der FX50-Kamera erfassten Spektraldaten kann die Software SpecimINSIGHT verwendet werden. Diese Software ermöglicht es Anwendern, die einzigartigen spektralen Signaturen verschiedener Materialien zu untersuchen und auf der Grundlage dieser Daten Klassifizierungsmodelle zu erstellen.

Echtzeitverarbeitung mit SpecimCUBE:

Sobald die Klassifizierungsmodelle mit SpecimINSIGHT erstellt wurden, werden sie an die Echtzeit-Verarbeitungsplattform SpecimCUBE übertragen. SpecimCUBE ist für die Hochgeschwindigkeits-Inline-Verarbeitung ausgelegt und wandelt die Spektraldaten der Specim FX50 in Echtzeit in Sortierentscheidungen um. Diese Plattform gewährleistet eine schnelle und präzise Sortierung in anspruchsvollen industriellen Umgebungen. SpecimCUBE ist kompatibel mit GigE Vision, dem globalen Standard für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Bilddaten, was eine nahtlose Integration des Specim FX50 in eine Vielzahl von Sortiermaschinen und industriellen Automatisierungssystemen ermöglicht.

2. Integration mithilfe des SDK (Software Development Kit)

Eine zweite Möglichkeit ist die Integration der Specim FX50-Kamera über das SDK, das Kunden, die die Entwicklung eigener Verarbeitungshardware und -software bevorzugen, mehr Flexibilität bietet. Mit dem SDK erhalten Kunden die notwendigen Werkzeuge, um auf die Rohdaten der Kamera zuzugreifen und eigene Algorithmen für die Materialsortierung zu entwickeln. Bei diesem Ansatz ist der Kunde dafür verantwortlich, die gesamte Verarbeitungskette – von der Datenerfassung bis zur Echtzeitverarbeitung – unter Verwendung eigener Hardware- und Software-Schnittstellen aufzubauen. Diese Option eignet sich ideal für Anwender mit spezifischen oder hochgradig angepassten Anforderungen und fundierten Kenntnissen im Bereich HSI.

MROI-Funktion zur Optimierung der Sortierung

Die MROI-Funktion (Multiple Regions of Interest), die Teil der Specim FX50-Kamera ist, ermöglicht es Anwendern, bestimmte Bereiche der Spektraldaten auszuwählen, die für ihre Anwendung am wichtigsten sind. Das bedeutet, dass Sie die Rechenleistung der Kamera auf bestimmte Wellenlängenbereiche konzentrieren können, die für die Identifizierung bestimmter Materialien wichtig sind, und gleichzeitig andere, irrelevante Teile des Spektrums ignorieren können.

Beispielsweise beeinflusst CO₂-Interferenz die Spektraldaten im mittleren Infrarotbereich (MWIR), typischerweise bei Wellenlängen von 4,2 bis 4,4 Mikrometer (µm). CO₂ absorbiert in diesem Bereich starkes Infrarotlicht, was bei der Sortierung von Materialien wie Kunststoffen zu Verfälschungen der Spektraldaten führen kann.

Durch das Entfernen dieser irrelevanten Daten reduziert das System mögliche Unstimmigkeiten in der Analyse und sorgt für ein präziseres Hyperspektralbild. Der Sortierprozess wird dadurch in mehrfacher Hinsicht effizienter:

• Schnellere Verarbeitung: Dank der geringeren Anzahl an Spektralbändern kann die Kamera die Daten schneller verarbeiten.

• Reduzierung der Datenlast: Das System verarbeitet nur relevante Daten und senkt dadurch die Anforderungen an den Arbeitsspeicher.

• Verbesserte Robustheit: Durch die Konzentration ausschließlich auf aussagekräftige Spektraldaten ist der Algorithmus robuster und weniger anfällig für Fehler, die durch irrelevante Spektralinformationen verursacht werden.

MROI steigert insgesamt die Leistungsfähigkeit von Sortiersystemen, indem es die Datenverarbeitung optimiert und eine präzisere sowie effizientere Sortierung gewährleistet.

Konsistente Ergebnisse über alle Kameras hinweg dank einheitlicher spektraler Kalibrierung

Unabhängig von der Art der Integration ist einer der entscheidenden Vorteile der Specim FX50 ihre einheitliche spektrale Kalibrierung. Alle Specim FX50-Kameras werden bei der Herstellung nach präzisen Spezifikationen kalibriert. Diese standardisierte Kalibrierung macht Softwareanpassungen aufgrund von Wellenlängenvariabilitäten überflüssig und gewährleistet konsistente Spektraldaten über alle Geräte hinweg.

Diese einheitliche spektrale Kalibrierung bedeutet, dass Anwender Sortiermodelle mit einer einzigen Specim FX50-Kamera erstellen und diese ohne erneute Kalibrierung auf andere FX50-Kameras (oder beliebige andere Specim FX-Modelle) übertragen, ohne dass eine erneute Kalibrierung erforderlich ist. Dies spart Zeit und gewährleistet konsistente Ergebnisse in verschiedenen Systemen.

Empfohlene Betriebsbedingungen

Anforderungen an die Beleuchtung

Die Beleuchtung spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung der Hyperspektralkamera Specim FX50 MWIR. Die Kamera benötigt eine starke, gleichmäßige und stabile Wärmelichtquelle. Die richtige Beleuchtung stellt sicher, dass die spektralen Eigenschaften der Materialien auch bei hohen Förderbandgeschwindigkeiten deutlich sichtbar sind. Das Beleuchtungssystem muss Licht im MWIR-Bereich (3 bis 5 Mikrometer) ausstrahlen.

Tipps zur Optimierung der Beleuchtung

• In der Regel wird eine Wärmebeleuchtungsquelle mit einem Temperaturbereich von 900–1000 Kelvin verwendet, die eine ausreichende Intensität liefert, damit die Kamera präzise spektrale Daten erfassen kann.

• Wir empfehlen die Verwendung eines Heizelements aus einer Legierung, das sicherstellt, dass die Lichtquelle über einen langen Zeitraum hinweg widerstandsfähig und stabil bleibt und eine gleichmäßige Wärmestrahlung liefert.

• Specim bietet verschiedene Beleuchtungsoptionen an und kann Ihnen auf Grundlage Ihrer spezifischen Anforderungen und Anwendungsbedingungen auch geeignete Lösungen von Drittanbietern empfehlen.

Betriebstemperatur und Vibrationen

Die Aufrechterhaltung einer stabilen Betriebstemperatur und die Kontrolle von Vibrationen sind entscheidend für die Maximierung der Leistung und Lebensdauer der Specim FX50-Kamera. Sie können die Leistung und Lebensdauer der FX50 durch die folgenden Maßnahmen optimieren.

Empfindlichkeit und Stabilisierung der Wärmeabgabe

• Betriebstemperatur: Um die Stabilität der Kamerakomponenten, einschließlich der Optik, sowie eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten, sollte die Umgebungstemperatur im Bereich von 5 bis 25 °C liegen.

• Temperaturstabilität: Für möglichst genaue Spektralmessungen sollte die Optik der Kamera Temperaturschwankungen im Bereich von +/- 1 °C halten, da größere Abweichungen die Genauigkeit der Materialidentifizierung beeinträchtigen können.

• Temperaturstabilisierte Optik: Die Specim FX50 ist mit einer temperaturstabilisierten Optik ausgestattet, bei der die Innentemperatur der optischen Komponenten streng geregelt wird. Dies minimiert die Temperaturdrift und liefert konsistente und zuverlässige hyperspektrale Bilder.

• Fortschrittliche Kühlung:Der FX50 verfügt außerdem über ein fortschrittliches Kühlsystem, das die optimale Sensortemperatur aufrechterhält, das Dunkelrauschen (Störsignale) reduziert und eine hohe Empfindlichkeit für klare und präzise Spektralmessungen gewährleistet.

• Temperaturstabilisierte Schutzhülle: Wir empfehlen die Verwendung einer temperaturstabilisierten Schutzhülle, die die Kamera vor Temperaturschwankungen, Staub und Verschmutzungen schützt. Kunden entwerfen in der Regel ihre eigenen Gehäuse gemäß unseren Empfehlungen, es gibt jedoch auch spezialisierte Gehäuseanbieter, die maßgeschneiderte Lösungen anbieten können.

Vibrationskontrolle

Vibrationen sind ein häufiges Problem in industriellen Umgebungen, insbesondere in Fördersystemen, die zur Sortierung eingesetzt werden. Übermäßige Vibrationen können nicht nur die Stabilität der Kamera beeinträchtigen und die Genauigkeit der Spektraldaten gefährden, sondern mit der Zeit auch die Lebensdauer der Kamera verkürzen; daher müssen sie reduziert werden.

Um die Auswirkungen von Vibrationen zu minimieren und die Lebensdauer der Kamera zu verlängern, empfehlen wir, die Kamera getrennt vom Fördersystem zu montieren. Der Einsatz von Schwingungsdämpfern an den Gerätefüßen kann die Übertragung von Schwingungen zusätzlich reduzieren, was zum Schutz der Kamera beiträgt und eine konstante Genauigkeit der Daten gewährleistet.

Zusammenfassung und Fazit

Die Hyperspektralkamera Specim FX50 löst eine der größten Herausforderungen der modernen Recyclingindustrie: die Sortierung schwarzer Kunststoffe. Im Gegensatz zu herkömmlichen NIR-basierten Systemen nutzt die FX50 einzigartige spektrale Signaturen im MWIR-Bereich, was eine präzise Identifizierung verschiedener Kunststoffe – selbst der schwierigsten schwarzen Kunststoffe – und von Kautschuk ermöglicht.

Dank der Hochgeschwindigkeitsverarbeitung und einer Sortiergenauigkeit von nahezu 99 % bietet die Specim FX50 eine zuverlässige Inline-Lösung für die industrielle Sortierung. Ihr Design gewährleistet eine reibungslose Integration in bestehende Systeme, die für den Hochleistungsbetrieb optimiert sind.

Durch den Einsatz des Specim FX50 können Industrieunternehmen ihre Recyclingquote deutlich steigern und gesetzliche Anforderungen erfüllen.

Kontaktieren Sie uns noch heute, um weitere Informationen oder technische Details zu erhalten. Unsere Experten stehen bereit, Sie bei der Einführung dieser fortschrittlichen Technologie in Ihren Betrieben zu unterstützen.

Quelle: specim.com