An efficient algorithm to support recycling systems design

Circular economy principles introduced new challenges, moving from traditional “take, make, dispose” concept to a new paradigm, in which wastes re-enter in the loop as raw materials, with the final purpose of reduce waste, increase environmental friendly processes and create new adaptable and resilient manufacturing and de-manufacturing systems. Waste from Electric and Electronic Equipment (WEEE) is the fastest growing waste in European Union. Their recycling is interesting since approximately 30% of their composition is made of valuable materials, such as precious metals and rare earths. The major challenge in this process is the high End-of-Life (EoL) products variability (both in design and materials). In EU, recycling is performed by Small and Medium Enterprises (SMEs) through linear and monolithic lines, with long set-up times and loss of time and material when products under treatment change. In parallel, a relevant set of technologies (from different industrial sectors) for recycling is available. As a consequence, a proper system design is required. This work focuses on the development of a computerized tool to support the design phase of recycling systems. Starting from state of the art model for recycling systems, two different algorithms for buffer allocation and machine choice developed for manufacturing processes have been adapted to de-manufacturing systems, implementing a software to support design phase in relatively short times. This IT tool has been tested and validated on a proper recycling line, comparing it with an extensive, time consuming research, giving as result the best machines combination (from a machine set) and the optimal buffer capacities that maximize the profit. Finally, the developed software has been used on a real case, the recycling cell of the De- and Remanufacturing pilot plant at Institute of Industrial Technologies and Automation of National Research Council (ITIA-CNR) in Milan.

L'Economia Circolare rappresenta una nuova frontiera per i sistemi industriali, passando dal tradizionale modello di "take-make-dispose" ("prendi-produci-scarta") a un nuovo paradigma, in cui i rifiuti rientrano nel ciclo come materie prime, con lo scopo finale di ridurre gli sprechi, ridurre l'impatto ambientale dei processi di produzione e creare nuovi sistemi di produzione e de-manufacturing adattabili e flessibili. I rifiuti provenienti dalle apparecchiature elettriche ed elettroniche (RAEE) sono i rifiuti con la più rapida crescita nell'Unione europea. Di particolare interesse è il riciclo di questi rifiuti, poiché circa il 30% della loro composizione è fatto di materiali preziosi, come metalli preziosi e terre rare principale problema di questo processo è l'elevata variabilità dei prodotti a fine vita (sia nel design che nei materiali). Nell'UE, il riciclo viene eseguito da piccole e medie imprese (PMI) attraverso sistemi lineari e monolitici, con tempi di installazione lunghi e perdite di tempo e di materiali alla fase di cambiamento dei prodotti sottoposti a trattamento. D'altro canto, è disponibile un'importante serie di tecnologie (provenienti da diversi settori industriali) per il riciclo dei rifiuti. Di conseguenza, è richiesto un design di sistema adeguato. Partendo da un modello esistente per i sistemi di riciclo, due diversi algoritmi per l'allocazione del buffer e la scelta delle macchine, sviluppati in origine per i sistemi di manufacturing, sono stati adattati ai sistemi di de-manufacturing, nella creazione di un software che supporti la fase di design in tempi brevi. Questo strumento IT è stato testato e convalidato su una appropriata linea di riciclo: è stato messo a confronto con un programma di Ricerca Esaustiva - dispendioso in termini di tempo -, che fornisce i risultati della migliore combinazione di macchine (da un set di macchine) e delle capacità di buffer ottimali che massimizzano il profitto. Infine, il software sviluppato è stato utilizzato su un caso reale, la cella di riciclo dell'impianto pilota di De- e Remanufacturing presso l'Istituto di Tecnologie Industriali e dell'Automazione del Consiglio Nazionale delle Ricerche (ITIA-CNR) di Milano.