苹果公司:Liam手机回收预处理系统拆解生产线白皮书(附下载)

苹果公司Liam项目组——创新故事

1、前言

电子垃圾回收预处理工业最开始是依赖于废物的大体积切割粉碎,这就会限制回收之后的再生材料的规模与质量。Liam是一个苹果公司的研发项目,聚焦于新型的拆卸技术。它采用了自动化的、清洁的拆卸工艺,针对于特定的材料拆解和分离各个独立的组件。自动化拆解系统是为Iphone 6定制建设的,拥有每年拆卸120万部iphone的能力。Liam所拆解的组件将会用于研究电子垃圾回收最终处理阶段,致力于回收以现今的技术所无法回收的材料,并达到指定的规模和纯度。

2、概览

电子垃圾回收供应链有三大主要步骤构成:收集、预处理、最终处理。本报告将会聚焦于苹果Liam手机拆解系统的预处理阶段的创新。

本报告假设回收的目标是在进行修复和延长使用寿命的手段都被认定为不可行的电子设备。因此,材料还原再生是最终的目的。当前行业的惯用手法是大体积的粉碎技术,将全部或者部分需要拆解的设备投入工业碎片机中,将设备粉碎成更小的、更易于分解的碎片。此类的分解技术为改善再生材料的规模与纯度留下了巨大的提升空间。

大体积粉碎回收技术只有在废弃电子器件体积大、所含材料种类少的情况下才能发挥最大的作用。最初的电子器件只由塑料、铁、铜、铝构成,但是当前大部分电子器件已经由20世纪80年代的12种元素构成跃升为了当前超过60种元素构成。现如今的电子器件不仅具有小、轻、时效性,而且所含的材料种类更广,这已经远远超出了传统的粉碎回收技术所设计的可回收的材料的能力。所以目前大体积粉碎回收技术已经是一种低效的回收技术了。

目前的大体积粉碎回收技术只有对应的预处理后的材料可以被应用于最终处理阶段才有价值进行处理,而预处理后主要运用各种方式如磁、尾流、颜色分离等将预处理所得到的材料进行粗糙的分类以匹配最终回收。但是通常如果这样的预处理方式有一定的几率还掺杂着不同的物质,以至于无法匹配最终处理阶段。

例如,当回收富含铜元素的部件时,回收处理机器会首先将铜还原出来,通常还会将金元素还原出来,因为金具有金融价值,一些其他的贵金属例如,银、钯、铂等也可能被还原出来,但是像铝,铁,钴,镍等一些贱金属,由于其低效的分类方式而不得不全部丢弃掉。

其次另外一个例子,如果对富含铁元素的部件进行回收,传统回收系统只能还原出铁而其他金属(如在预处理阶段被误掺入的磁性材料)则会完全丢失。

3、一些如Liam的创新是如何改变这一现状的呢?

Liam是可以拆卸iphone 6 的机器人组合系统,其刚开始研发的目标就是为了改善对于已经过了使用寿命的苹果产品的材料回收与再生的效率。该项目聚焦于废料的预处理阶段,苹果已经探索到了可以更好地将材料拆解并合理分类实现还原更高质量和规模的材料的技术。

自动化技术为清洁的拆解技术提供了可能,利用自动化技术可以将独立的部件从手机上拆下来并且进行大致的分类以替代原先的粗犷式的粉碎并将所有材料混合到一起。

最终的结果就是被精细分类的已知所含成本部件被堆在一起送往所匹配的最终处理收回系统使材料回收再生率最大化。

Liam也给苹果提供了一个不再额外购买使用外来原材料的机会,因为所有苹果产品的零件都有所要求的规格、等级、纯度,所以使用Liam所还原出来的再生材料会具有与在产品上使用的零件的材料相似的规格。

4、Liam系统

在设计Liam系统的时候,有个绕不开的瓶颈,需要在固定单台设备上拆卸零件的数量和处理拆卸每个设备的时间做出选择,为了提高Liam的效率并且优化拆卸过程,团队评估了组件的环境、社会和供应链风险。最后苹果确定了Liam系统所感兴趣的关键部件。Liam将会拆卸Iphone 6的以下部分:玻璃盖板组件、电池、主板、接收器、扬声器、后置摄像头和外壳。

目前Liam已经有两套拆解线了,一套在美国加州另外一套在荷兰,11秒钟就可以将一台Iphone 6 拆解为8个主要部件,每一条拆解线一年可以拆解120万台Iphone 6。为了达成这样的拆解能力,Liam系统融合了29台机器人到21个单元中,在一些单元中使用了双机器人。

5、Liam设计

Liam工艺技术方面最大的挑战就是如何将机器人融入系统中使其可以正确应对多变的输入环境。目前为止,所有进入Liam拆解线的Iphone 6 都是被评估为无法修复的手机,即这些Iphone 6 都是有着多种多样的内部或者外部的损坏,因此每个单元和单元之间都有着高度的不确定性,这对机器人执行重复拆解任务提出了更高的要求,为了解决这些不可预测的变量,Liam团队分别开发了硬件和软件的解决方案,以提高组件拆卸的稳定性。该拆卸系统利用两类程序来拆卸组件单元:

(1)多工具机械臂,例如钻头、吸盘或改锥与被固定好的Iphone 相互作用。

(2)直接利用机器人配合外部动态的工具的复杂协调运动作用于Iphone上。

多工具机械臂与外部动态工具都是为liam拆解线定制而成,而其在各个拆解单元之间起到输送功能的输送系统也是如此。螺钉通过真空抽吸设备移除,以保证在工作区域没有任何碎屑,并且各个拆卸下来的组件被放入滑槽中,以起到组件分离并应用于不同的材料回收系统中。

电池拆解站是第一类多功能机械臂拆卸最复杂的部分,而扬声器拆解站是第二类动态外部工具拆卸最复杂的部分。为了开发这两个工作站,在融入机器人动作和工具之前,团队必须研究人工拆解工艺以发展维持高可重复性。不仅仅是因为处理速度和可重复性规范的高复杂程度,还必须要满足最高的环境、健康的电池安全标准,所以电池拆解工作站需要较长的研发小时时间,整个拆解过程还必须要在电池过热事故保护系统下运行,以确保可以检测和预防锂离子的电池过热事故。电池的拆解开始后,Iphone会被放置于一个叫做“沙盒”的钢制隔间内,其中CGA组件被移除并与iphone外壳分离,随后螺钉和连接电池与主板的柔性外壳也被移除。接下来,与电池轮廓一直的加热板加热铝制外壳5秒以软化电池粘合胶,以此同时真空吸盘开始向上拉电池就可以取下。

在这整个电池拆解的过程中,加热板块为了确保电池的安全性是恒温的,这样电池就可以保持在电池工程部门所要求的的安全温度以下。一旦电池被移除后,电池就会被放入冷却装置中直到其达到了EH&S所要求的标准安全温度,最后才会被工作人员从沙盒中取出并且放置在传送带上。

在沙盒中,电池温度也会被实时监控,一旦一块电池被探测出具有保守风险,沙盒中的沙子掩埋装置就会被启动以消除任何发生电池过热事故的可能性。沙子是符合EH&S标准可以防止锂电池过热事故,并且就算电池达到了所谓的“具有风险的”温度,这个温度也是在苹果手机电池可以运行的安全温度之内的。

因为扬声器组件被其他各种部件所包围,所以一个动态外部工具处理工艺就是为此而生。机器人会首先抓取iphone,并将该iphone放置在外部的固定器上,随后在扬声器下方放置一个楔形工具。然后机器人使iphone外壳进行旋转,并利用楔形工具钻切扬声器,使扬声器与周围的部件分离。最后,固定器会伸出第二个夹子夹在扬声器上,使iphone外壳与扬声器慢慢分离,最后将完全拆卸下来的扬声器放入收集箱。

6、Liam产出

传统的电子废品预回收只能还原少数的材料。这是因为在预回收系统处理更加复杂的电子废品时只能通过大体积切割粉碎技术使碎屑分类为少数的几种碎片堆,多种材料碎片混合的堆放到一起,降低了回收的效率。Liam可以让苹果公司将拆解出来的8种部件的材料分类,并且送往指定的最终处理系统。

其结果就是,最终处理系统可以以更高的效率还原出更加多元的材料。许多因为Liam的诞生而可以还原出来的材料都是被美国能源局或者其他国家的相关机构定义为关键金属的材料。

例如,钨是一种高致密金属,在传统回收工艺中是无法进行回收的。但是Liam从Iphone中拆解出来了警报模块,可以将该模块送往专业回收钨金属的公司进行回收,再生的钨可以应用在制造碳化钨工具、新的手机警报模块以及当做高温合金的原材料。Iphone中的声学模块包含由稀土金属钕制成的磁铁、镨、镝。在传统回收过程中,这些高磁性材料都被分解成粉末,无法进行回收。而Liam就可以让苹果公司将拆解下来的声学模块送往专业的回收稀土磁铁的公司以回收这些材料。

7、结论

作为一个研发项目,Liam是一个苹果公司可以完成建立一个供应链生态闭环的关键一步。这更令回收工业步入快速发展的高速路。我们Liam可以满足数量更多的材料被还原出来,使整个制造业更加可控、更加透明。相比于传统的分解还原技术,这些被分离出来的组件堆可以使苹果公司探索可以使还原效率和规模最大化的路径。最终,和苹果类似的公司可以使其这些被还原出来的材料应用于生产新的设备。

由于一些原因,制造商设计拆解系统生产线是很有意义的。虽然设计易于拆解的产品已经因为电子废品回收而引起了重视,但是如果传统的粉碎处理方法依然是唯一的回收处理方式,就无法获得设计易于拆解的产品而得到的好处了。并且目前,手动拆解的便利性和产品的耐用性之间存在着显著的博弈点。

Liam就可以挑战这些博弈和限制。Liam也可以使更多的换原材料进入市场,以减少人类从地球开采更多的原材料。例如稀土,目前还原稀土材料还没有完全形成市场,所以以Liam为代表的拆解线是还原的稀土材料市场建立的第一步。

Liam项目是苹果设计的挑战材料还原难题和增加新设备使用还原材料的新路径。自动化的拆解由于可以将部件分类为所含材料大致相等的部件堆而具有相当大的优势。这些“相似材料”可以直接被送往最终材料还原厂家。但是,自动化并不是改善拆解技术和回收技术的唯一路径。还仍然有其他更多的可以达成相同结果的发明需要被探索和挖掘以实现产品回收的价值最大化。

回收系统的最大的价值在于可以激励生产厂家和回收厂家去探索提高回收效率并优先考虑探索不会令有价值的材料浪费的技术。

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