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Schock-Datenlogger messen Belastungen bei Falltests
Im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Sicherheit von Elektroaltgeräten entlang der Recyclingkette zeichnen MSR175 Datenlogger Beschleunigungskräfte bei Falltests auf.
Bei der Entsorgung von Elektro(nik)altgeräten (EAG) wirken komplexe mechanische Belastungen auf die Geräte ein. Kommt es dabei zu Beschädigungen, kann dies zu schwerwiegenden umwelt- oder sicherheitstechnischen Problemen führen. In einem Forschungsprojekt wurden Falltest-Belastungen mittels Schock-Datenlogger aufgezeichnet und analysiert.
Autoren: Dr. Ralf Brüning (Geschäftsführer), Florian Piehl (wissenschaftlicher Mitarbeiter Dr. Brüning Engineering UG), Julia Wolf (wissenschaftliche Mitarbeiterin Dr. Brüning Engineering UG), Thomas Nigl (wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft, Montanuniversität Leoben)
Elektro(nik)altgeräte (EAG) sind Geräte, die ihr Lebensende erreicht haben und entsorgt werden. Eine grosse Anzahl wird an kommunalen Recyclinghöfen abgegeben und anschliessend in Containern zu Recyclingbetrieben transportiert. Entlang der Logistikkette wirken komplexe mechanische Belastungen auf die EAG ein und können sie beschädigen. Wenn EAG schwerer beschädigt werden, kann dies zu umwelt- oder sicherheitstechnischen Problemen führen. Zum einen können in den Altgeräten vielfältige gefährliche Stoffe enthalten sein, wie z.B. Quecksilber, Schwermetalle, Tonerstaub etc., die ggfs. austreten können. Zum anderen enthalten viele Elektrogeräte heute Lithiumbatterien, die bei ungünstigen Beschädigungen ein Brandrisiko darstellen können. Aus der Praxis ist bekannt, dass EAG entlang der Logistikkette aus verschiedenen Höhen abgekippt werden.
In einem Forschungsprojekt wurden von der Dr. Brüning Engineering UG (DrBE), einem unabhängig beratenden Dienstleistungsunternehmen mit Sitz in Brake, Niedersachsen (Deutschland), Falltests aus verschiedenen Höhen mit EAG durchgeführt. Ziel war es die Belastungen zu messen, die beim Fall auf die Altgeräte einwirken und zu dokumentieren zu welchen Beschädigungen es kommt. Für die Versuche wurden Schock-Datenlogger vom Typ MSR175 des Schweizer Technologieunternehmens MSR Electronics GmbH eingesetzt.
Durchführung der Falltests
Ziel des Forschungsprojekts war, die Bestimmung von mechanischen Belastungen, die auf EAG (z.B. Haushaltskleingeräte, EDV-Geräte, Sport- und Spielzeug, Werkzeug) beim Fall aus verschiedenen Fallhöhen einwirken. Die Altgeräte wurden von einem kommunalen Recyclinghof zur Verfügung gestellt und waren zuvor dort von Verbraucher*innen entsorgt worden.
Für die Messungen wurden die speziell für die Überwachung von Stossbelastungen im Rahmen von Logistikprozessen konzipierten MSR175 Datenlogger eingesetzt. Die Mini-Logger sind mit zwei Beschleunigungssensoren (±15 g und ±200 g) ausgestattet und in der Lage, auftretende Beschleunigungen in allen drei Achsen aufzuzeichnen. Die Speicherkapazität von über 2 Millionen Messwerten reicht je nach Typvariante zur Aufzeichnung von mind. 1’000 Schocks.
Sämtliche untersuchten EAG mussten für die Versuche präpariert werden. Dazu wurden die Datenlogger in ein Schutzgehäuse gesetzt und anschliessend in jeweils ein EAG eingebaut. Die Datenlogger in dem Gehäuse wurden in den EAG fest verschraubt. Wenn notwendig, wurden zuvor die Batterien und Akkumulatoren aus dem Altgeräten entnommen und der Datenlogger an ihrer Stelle eingebracht. Dabei wurden, wo notwendig, Ausgleichsgewichte eingebracht, so dass das Originalgewicht der EAG wieder erreicht wurde. In den nachfolgenden Abbildungen sind der Einbau eines Datenloggers in das Schutzgehäuse sowie der Einbau des Schutzgehäuses mit einem Datenlogger in ein EAG dargestellt.
Alle Falltests erfolgten in einer geschlossenen Halle, um Einflüsse durch Wind oder durch Nässe an der Aufprallstelle auszuschliessen. Als Aufprallfläche wurde ein Stahlblech (ST 37) von 900 x 900 mm ausgewählt. Der Untergrund darunter war ein acht Zentimeter dickes Betonpflaster. Als Schutz vor Splittern wurde die Aufprallstelle von drei Seiten mit einer Einhausung versehen. Die Fallhöhe wurde durch eine lotrecht angebrachte Latte, auf der eine Höhe von bis zu vier Meter markiert war, bestimmt. Die Angabe der Fallhöhe bezieht sich immer auf die Unterkante des jeweiligen Gerätes. Die Altgeräte wurden zunächst aus einem, dann zwei und dann vier Metern fallen gelassen. Diese gewählten Höhen entsprechen in etwa dem Einwurf eines Gerätes in eine leere Gitterbox, in einen halb gefüllten bzw. leeren Standardcontainer und in eine halb gefüllte bzw. leere Outputbox in einer Recyclinganlage. Die Abbildung 3) zeigt beispielhaft die Beschädigung eines Notebooks aus einer Höhe von 4 Metern.
Auswertung der Falltests
Die Belastungen, die auf die EAG beim Fall wirken, wurden von den Datenloggern aufgezeichnet. Jeweils unmittelbar nach einem Fallversuch erfolgte der Ausbau des Datenloggers und das Auslesen der Daten der Hilfe eines USB-Anschlusses und Notebooks.
Bei den Fallversuchen zeigte sich, dass die gemessenen Peak-Intensitäten bei einem Fall aus 1m Höhe bei bis zu 2.185 (g*ms), bei einem Fall aus 2m Höhe bei bis zum 3.306 (g*ms) und bei einem Fall aus 4m Höhe bei bis zu 6.791 (g*ms) lagen. Die Messergebnisse zeigten sich allerdings in Abhängigkeit der jeweils getesteten EAG und der zunehmenden Fallhöhen als nicht immer stringent. Während sich bei der Hälfte der EAG die Ergebnisse hinsichtlich einer erwarteten Steigerung der Intensität in Abhängigkeit von der Fallhöhe als stetig beschreiben lassen, ist dies bei anderen nicht der Fall. Ursache dafür ist wahrscheinlich das Auftreten von Beschädigungen und der damit verbundenen Aufnahme von kinetischer Energie. Ein ähnlicher Effekt ist bei der plastischen Verformbarkeit unterhalb des Niveaus einer dauerhaften Beschädigung zu beobachten.
Die gemessenen Peak Intensitäten liegen zum Teil deutlich über 110g und damit über üblichen Referenzwerten für die Empfindlichkeit von Akkumulatoren. Der Paketdienst UPS stuft Akkumulatoren z.B. als „mässig robust“ ein und geht damit davon aus, dass Beschädigungen in etwa ab 80-110g auftreten können. Neben den Messungen, wurden die Beschädigungen optisch klassifiziert und dokumentiert. Teilweise waren auch schon bei der Fallhöhe von zwei Metern erhebliche Beschädigungen festzustellen.
Fazit
Die eingesetzten Datenlogger haben sich für die Durchführung der Versuche als sehr gut geeignet erwiesen. Die Fallversuche haben damit gezeigt, dass EAG durch typische mechanische Belastungen, denen sie entlang der Recyclingkette ausgesetzt sind, beschädigt werden können. Die enthaltenen Batterien und Akkus sind Belastungen ausgesetzt, durch die sie beschädigt werden und damit zu einem Brandrisiko entlang der Recyclingkette werden können. Logistikprozesse entlang der Recyclingkette von EAG sollten daher zukünftig optimiert und der Empfindlichkeit von Elektr(on)ikgeräten und insbesondere auch Batterien und Akkumulatoren angepasst werden.