Cyber-physical system for the control of size-reduction processes to enable cross-sectorial circular economy

Economy is indicating the route for a new paradigm in which profits and sustainability are not in conflict, but they cooperate to improve and grow up each other. One of its pillars is to reduce or, if possible, avoid waste, extending products life or restoring functions and materials, preventing incineration and disposal. In this perspective, the last possible solution is recycling, which aims to recover materials from End-of-Life products. Several issues, as variability and market fluctuations, influence its complexity and economic sustainability. In addition, non-optimized processes lead to loss of money and time, in particular due to the rigid monolithic design of the current recycling lines. To overcome these problems, flexible systems are needed, working in feed-forward configuration, increasing the adaptability of recycling lines. In particular, size-reduction processes are fundamental components of recycling systems supporting the recovery and re-use of materials from post-consumer products, under a circular economy perspective. These technologies allow to obtain high liberation degree and suitable size of the material mixture prior to separation and re-use. However, their poor adaptability affects the capability to meet required material properties, thus preventing the systematic re-use of materials in high-added value applications. The first objective of this thesis work is to demonstrate the possibility to have recycling systems that are flexible and adaptable to different process flows through the use of Cyber-Physical Systems (CPSs). Relevant space has been dedicated to the analysis and formalization of CPSs in recycling field. Then, a 2-step approach to control size-reduction processes has been developed and implemented to meet desired demand-driven particle requirements, customized to the specific re-use application. Finally, the developed methodology has been applied to the glass fibers reinforced plastics case-study, validating its industrial benefits.

L’economia circolare sta indicando la strada verso un nuovo paradigma in cui profitto e sostenibilità non sono in conflitto ma cooperano per migliorarsi e crescere a vicenda. Uno dei suoi pilastri è quello di ridurre o, se possibile, evitare la produzione di rifiuti, estendendo la vita dei prodotti o rigenerando le funzioni ed i materiali, evitando in questo modo l’incenerimento e lo smaltimento in discarica. In quest’ottica, l’ultima soluzione possibile è il riciclo, il quale punta a recuperare i materiali dai prodotti a fine vita. La complessità e la sostenibilità economica di questo processo sono influenzate da diverse problematiche, come la variabilità e le fluttuazioni del mercato. In aggiunta, i processi non ottimizzati portano a perdita di soldi e tempo, in particolare a causa del design rigido e monolitico delle attuali linee di riciclo. Per superare questi ostacoli sono necessari processi flessibili che lavorano in configurazione feed-forward, aumentando l’adattabilità delle linee di riciclo. In particolare, i processi di frantumazione sono componenti fondamentali dei processi di riciclo, supportando il recupero ed il riuso dei materiali in ottica circolare da prodotti post-consumo. Queste tecnologie permettono di ottenere alti gradi di liberazione e dimensioni delle particelle ottimali per separazione e riuso. D’altra parte, la loro poca adattabilità inficia la capacità di incontrare le proprietà richieste dal materiale, prevenendo il riuso sistematico di questi materiali in applicazioni ad alto valore aggiunto. Il primo obiettivo di questo lavoro di tesi è di dimostrare la possibilità di avere sistemi di riciclo flessibili ed adattabili a diversi flussi di processo grazie all’uso di sistemi cyber-fisici (CPS). Largo spazio è stato dedicato all’analisi ed alla formalizzazione dei CPS nell’ambito del riciclo. Successivamente è stato sviluppato ed implementato un approccio a due step per controllare i processi di frantumazione, in modo da raggiungere i requisiti, dettati dalla domanda, delle particelle finali, customizzate per la specifica applicazione di riuso. Infine, la metodologia sviluppata è stata applicata al caso di studio dei materiali compositi rinforzati con fibra di vetro, validandone i benefici industriali.