Robot-based automated disassembly of mobile phone PCB components

Abstract

Recent studies have shown that electronics contribute to around 50 million tons of waste yearly. In this light, it is becoming increasingly important to focus on developing technologies and processes that are both economically efficient and capable of recovering end-of-life equipment (EOL). Investing in these solutions is crucial for moving towards a sustainable future and seizing new business opportunities. The disassembly stage plays a crucial role in the recovery process of a product. Its efficiency can significantly affect the success of the following process steps. According to recent literature, it has been found that the majority of disassembly work is carried out by hand. The amount of waste electrical and electronic equipment (WEEE) that will need to be recycled and dismantled is expected to grow significantly, which means that manual methods need to be more efficient to handle this increase. As electronic waste continues to increase, there is a greater demand for automated disassembly techniques and plans. The ``RECY-SMART - Sustainable approaches for recycling discarded mobile phones" project, which includes this thesis, aims to address this issue. Specifically, it seeks to provide a recycling process focusing on mobile phones, a significant contributor to electronic waste. The process includes all operations, beginning with the initial disassembly task and extending to chemical processes that ultimately sort waste and reusable materials. This study aims to implement a robotic system that automates the disassembly of cell phone printed circuit boards (PCBs) as much as possible. Extensive research was conducted to develop methods for separating components on PCBs while preserving their physical integrity. This involved defining robot paths and manipulation strategies, implementing robotic interaction force control, selecting appropriate desoldering methods, and designing robotic tools. Additive manufacturing was used to fabricate the tools whenever feasible, ensuring the required safety during the procedure. The system underwent testing in an actual real-life situation. The present thesis contains detailed information on various aspects, such as the extraction tool's design, disassembly operation strategy, and manipulation and force control techniques. It also includes a description of the designed extraction tool and the complete strategy for the disassembly operation, covering manipulation and force control. The tool prototypes and force data gathered during the disassembly tests give a complete understanding of the entire process. The transition from desoldering to grasping still poses several challenges and requires further investigation in future studies. Nevertheless, the obtained results are promising and validate the use of the proposed strategy for removing components from cell phone PCBs.

Estudos recentes mostram que os dispositivos de proveniência eletrónica produzem, aproximadamente, 50 milhões de toneladas de resíduos por ano. Neste contexto, torna-se cada vez mais necessário desenvolver tecnologias e processos que sejam economicamente eficientes e capazes de recuperar equipamentos no final da sua vida útil (EOL), contribuindo para a criação de um futuro mais sustentável. Dentro das fases associadas aos processos de tratamento de resíduos, a fase de desmontagem desempenha um papel crucial, uma vez que o sucesso da sua execução pode afetar significativamente o desempenho das etapas subsequentes. Segundo literatura recente, a maioria das operações de desmontagem ainda é realizada manualmente, o que se tornará cada vez mais inviável devido ao aumento significativo na quantidade de resíduos elétricos e eletrónicos (WEEE) que necessitam de ser reciclados e desmontados. Assim, têm surgido projetos com o objetivo de desenvolver mecanismos que permitam automatizar o processo de desmontagem. O projeto ``RECY-SMART - Sustainable approaches for recycling discarded mobile phones", do qual este estudo faz parte, é um desses casos. De forma geral, pretende implementar o processo de reciclagem completo aplicado aos telemóveis, um dos principais contribuintes para o lixo eletrónico. O processo engloba todas as operações, desde a tarefa inicial de desmontagem até aos processos químicos que, por fim, separam os resíduos dos materiais reutilizáveis. A presente tese tem como objetivo implementar um sistema robótico que automatize, na medida do possível, a operação de desmontagem das placas de circuito impresso (PCB) dos telemóveis. Para tal, foi realizada uma investigação intensiva com vista ao desenvolvimento de métodos destinados à extração dos componentes dos PCBs, preservando a sua integridade física. O estudo incluiu também a definição de trajetórias e estratégias de manipulação do robô, a utilização de mecanismos de controlo de força, a escolha dos métodos adequados de dessoldagem e o design de ferramentas robóticas. Sempre que possível, recorreu-se à manufatura aditiva para a fabricação de ferramentas. Posteriormente, o sistema foi testado em cenários reais. O presente documento apresenta informações detalhadas sobre vários aspetos, como arquitetura da ferramenta de extração e respetivo mecanismo, a estratégia da operação de desmontagem, as técnicas de manipulação e controlo de força. São também apresentados os protótipos da ferramenta e os dados de força recolhidos durante os testes de desmontagem, permitindo uma melhor compreensão de todo o processo. A partir destes resultados, concluiu-se que a transição da fase de dessoldagem para de manipulação ainda apresenta vários desafios e requer investigação adicional em estudos futuros. Todavia, os resultados obtidos são promissores e validam a utilização da estratégia proposta para a remoção dos componentes das PCB dos telemóveis.