Design and testing of a system for fine copper wire separation in printed circuit boards

Printed circuit boards (PCBs) are the most valuable component in many modern electronic devices, being rich in precious metals as copper, silver, gold, palladium. The most established route for PCB recycling requires a thermal pretreatment of the board to simplify the core chemical stage, but a novel approach is to substitute heat treatments with mechanical processes. These techniques are all based on the comminution of the boards and on the sorting between metal and nonmetal fraction. Mechanical routes are more clean, cheap and sustainable than thermal ones, but they are compromised by inner complexity. To face this complexity, a huge research effort is needed to understand and optimize the particular behaviors of mechanical processes. Some boards are provided with peculiar electric components whose copper bobbin shatters in the shredding phase and creates big copper bundles which block the downstream mechanical processes. The precise scope of the thesis is to investigate and evaluate the feasibility to implement a simple but effective system to isolate these bundles and free the rest of the material to allow a leaner recycling process. Since no attempt has never been done to solve this peculiar problem, the thesis has to start with a theoretical evaluation of the most suitable alternatives which can provide an effective solution to the established issue. A mathematical model is exploited to allow an efficient and mindful comparison of possible options. The second part of the work then regards the prototyping and experimental evaluation of the two most suitable alternatives come out from the previous analysis. The ITIA-CNR mechanical recycling pilot plan supplied all the needed resource to implement a concrete experimental campaign and provide strong results which can be exploited for a future industrial implementation of the proposed solutions. The thesis goal doesn’t limit to solve a process problem, but also wants to transform this problem in a new opportunity of efficiency. The isolated copper bundles represent a very purified resource of precious metal which can be low-cost recycled, improving overall chain profitability.

Contesto La tesi analizza una problematica molto specifica legata ai moderni modelli di business basati sul concetto di de-manufacturing. Il de-manufacturing è un approccio industriale finalizzato al recupero e rivalorizzazione di prodotti a fine vita. In accordo con il più esteso concetto di economia circolare e in alternativa al consolidato modello lineare di creazione-uso-smaltimento dei prodotti, il de-manufacturing prevede che i prodotti a fine vita, siano essi rotti o funzionanti ma obsoleti, vengano collezionati tramite una rete organizzata di recupero e raccolta e trattati da aziende specializzate, con la finalità di recuperare tutto il valore intrinseco ancora presente nei prodotti stessi, legato alla possibilità di riutilizzare parte del prodotto e dei suoi componenti e/o alla presenza all’interno del prodotto di materiali di alto valore che possono essere isolati e riciclati. Ogni processo di de-manufacturing comincia con il disassemblaggio del prodotto e la sua ispezione, per capire se e quali parti del prodotto stesso siano riutilizzabili e quante invece sia troppo compromesse per essere ricondizionate. I componenti intatti o non gravemente danneggiati vengono isolati e lavorati per ripristinarne le condizioni estetiche e funzionali. Alla fine di un processo di de-manufacturing i componenti o interi prodotti ricondizionati devono garantire le stesse prestazioni di un equivalente prodotto nuovo. Le parti del prodotto che hanno irreversibilmente perso le loro funzionalità, se possibile, subiscono un dedicato processo di riciclo, in modo da minimizzare la quantità di materiale perso durante il processo e massimizzare il valore recuperato dal prodotto. Oggigiorno, le maggiori implementazioni a livello industriale di processi di de-manufacturing sono finalizzate al recupero di prodotti complessi, soprattutto meccatronici o elettronici. Questo perché queste categorie di prodotti sono caratterizzate da alto valore intrinseco, dovuto alla presenza di materiali preziosi e all’alto costo dei processi di produzione. Un efficace processo di recupero quindi può ricondizionare componenti molto complessi e costosi da produrre, sia in termini di materie prime che in termini di costi di processo. Costi che ovviamente non si devono affrontare nel caso in cui il prodotto sia già costruito e solo da rivitalizzare. Reinserire sul mercato prodotti di alto valore con bassi costi di lavorazione e materie prime è il semplice meccanismo che rende i processi di de-manufacturing profittevoli e implementabili a livello industriale. Il de-manufacturing tuttavia, è per sua natura un ramo industriale molto complesso a livello operativo. A differenza dei processi di produzione in linea implementati su larga scala, estremamente efficienti ma standardizzati e inflessibili, il de-manufacturing lavora su prodotti in ingresso sempre diversi fra loro e per essere attuato ha bisogno di infrastrutture e risorse riconfigurabili e personale qualificato. Scopo della tesi Il lavoro di ricerca è iniziato con uno scopo molto preciso e definito. I moderni prodotti elettronici, ormai parte della vita di tutti i giorni e in continuo sviluppo, sono tutti accomunati dalla presenza al loro interno di una PCB, una scheda composta da un laminato di fibra di vetro rinforzata con particolari resine che fa da scheletro su cui si staglia una fitta rete di componenti elettronici, che comunicano tra loro attraverso sottili e ravvicinati collegamenti di rame. La PCB è molto spesso il componente di maggior valore all’interno del prodotto, perché al suo interno è alta la concentrazione di metalli preziosi, fra cui rame, argento e oro. Per questo motivo, già da molti anni l’industria si è interessata al riciclo delle schede madri. Il processo attualmente più utilizzato per riciclare la scheda prevede un pretrattamento termico chiamato pirolisi per degradare la frazione non metallica seguito da un trattamento chimico per isolare i diversi metalli. Richiedendo alte temperature (200 °C – 600 °C), la pirolisi è un processo sì efficace ma molto dispendioso a livello economico e di risorse. In alternativa, un nuovo promettente approccio per preparare le schede alla fase chimica è il pretrattamento meccanico. Il pretrattamento meccanico prevede la frantumazione della scheda in parti molto fini (0,1mm – 5mm), in modo da liberare i diversi materiali, e la successiva separazione della frazione metallica da quella non metallica. Questa separazione viene effettuata automaticamente sfruttando, tramite appositi macchinari, le differenze tra i due materiali quali magnetismo, conduttività, densità, morfologia delle particelle. L’output ideale di un processo di pretrattamento meccanico sono due frazioni distinte di particelle, una completamente formata da metalli e l’altra da non metalli. I processi meccanici sono molto più economici e puliti di quelli termici, ma anche molto più complessi. Nel 2013 l’Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione, parte del Consiglio Nazionale delle Ricerche, ha fondato in collaborazione col Politecnico di Milano un impianto pilota dedicato al de-manufacturing e riciclo di componenti meccatronici. Una delle tre celle dell’impianto è completamente dedicata al pretrattamento meccanico delle schede madri da riciclare. Questa realtà ha lo scopo preciso di cooperare col mondo industriale e, mettendo a disposizione conoscenze e tecnologie all’avanguardia, fornire soluzioni concrete per aiutare le aziende nell’implementazione di nuovi processi di recupero e riciclo. Una peculiarità emersa dall’attività dell’impianto è la formazione, dopo il primo stadio di frantumazione delle schede, di particolari agglomerati di rame, molto grandi (diametro di qualche centimetro, grande se paragonato a particelle che possono essere anche più piccole di un millimetro) e fastidiosi nelle successive fasi del processo di riciclo. Dato che attualmente non esistono soluzioni in commercio che possano risolvere questo problema, la tesi ha il preciso scopo di trovare un metodo efficace per separare meccanicamente le matasse dal resto delle particelle, consentendo poi un più semplice svolgimento delle attività successive alla frantumazione. La soluzione proposta deve essere semplice ma efficiente e deve essere poi implementabile in un contesto industriale. Svolgimento Dato che non esiste nessuna soluzione compatibile con le esigenze della tesi, la prima fase di ricerca è concentrata sul capire, fra tutte le possibili alternative che potrebbero essere adottate per risolvere il problema, quali sono quelle più promettenti e che quindi ha senso investigare più nel dettaglio. Il processo decisionale deve tener conto di molti fattori che concorrono alla valutazione finale, come prestazioni tecniche, costi operativi, costi di investimento, flessibilità del sistema, eccetera. Per questo motivo, è stata adottata una strategia strutturata per analizzare le alternative, basata sull’implementazione del metodo AHP (Processo Analitico Gerarchico). Lo strumento permette di creare una gerarchia fra i diversi fattori che concorrono alla caratterizzazione delle alternative, sfruttata poi assegnando diverse valutazioni a ciascuna alternativa per tutti gli indicatori proposti. Il modello restituisce una classifica in cui ad ogni alternativa viene assegnato un voto complessivo calcolato rispetto all’importanza gerarchica dei diversi indicatori di prestazione analizzati. Un modello decisionale solido e concreto, ma basato su valutazioni teoriche, non è sufficiente per decidere quale soluzione sia la migliore per risolvere il problema proposto. Per questo motivo la seconda parte della tesi è dedicata alla creazione di prototipi basati sulle due alternative valutate come le migliori nella fase precedente. Questo prototipi sono poi sfruttati per implementare una campagna sperimentale e testare realmente la bontà delle soluzioni proposte. La strutturazione precisa della campagna e l’analisi dei dati ottenuti fatta usando adeguati modelli statistici permettono importanti considerazioni riguardanti le prestazioni dei due separatori e la correlazione fra diverse configurazioni operative e risultati ottenuti. La tesi è completata da una semplice analisi economica dei costi e benefici che l’implementazione del sistema può apportare a un impianto di riciclo. Risultati ottenuti La tesi ha ottenuto risultati importanti in quanto non solo è riuscita a proporre un metodo per risolvere concretamente il problema derivante dagli agglomerati di rame, ma ha anche dimostrato che se adeguatamente sfruttato questo problema può diventare una opportunità. Questi agglomerati infatti, se isolati, diventano una fonte di rame molto puro che essendo già stato recuperato meccanicamente viene sottratto ai costosi processi chimici successivi, risultando in un risparmio tangibile in termini monetari e di risorse utilizzate.