Kannettavan lähi-infrapunaskannerin suunnittelu muovimateriaalin tunnistusta varten

Abstract

Opinnäytetyö tehtiin toimeksiantajalle Head Recycle Systems Oy loppuvuoden 2020 ja alkuvuoden 2021 aikana. Työssä suunniteltiin kannettava ja ladattava skanneri, jonka tarkoituksena on pystyä tunnistamaan eri muovilaadut toisistaan. Skannaus perustuu lähi-infrapunaspektroskopiaan, jonka avulla voidaan lukea skannattavasta kohteesta heijastuvan valon spektri sensorin avulla. Tästä spektristä saatavan datan avulla on mahdollista tunnistaa muovipolymeerin sidostyypit ja sen avulla saada selville, mistä muovilaadusta skannattu materiaali on valmistettu.

Työssä tutustuttiin tuotekehitysteoriaan ja sen perusteelta luotiin skannerin kehitystyön pohja. Työ alkoi kartoittamalla toimeksiantajan määrittelemät vaatimukset, joista tärkeimmät olivat keveys, er-gonomisuus, toiminta liipaisimella, sensorin suojaaminen mekaaniselta vahingolta, kalibrointitela-kan suunnittelu, virranhallintajärjestelmän valinta ja sähköturvallisuus. Tämän jälkeen kehitystyö jatkui konseptisuunnittelulla, jossa määriteltiin käytettävät komponentit sekä vaihtoehdot skannerin elektroniikan jäähdytykseen ja virranhallintaan. Seuraavana vaiheena oli järjestelmätason suunnit-telu, jossa skanneri jaettiin toiminnallisiin alajärjestelmiin, joiden perusteella tehtiin alustavat hah-mottelut skannerin geometriasta ja kokoonpanosta. Tämän vaiheen jälkeen tehtiin yksityiskohtai-nen suunnittelu, jonka aikana geometria, valmistus ja kokoonpano määriteltiin yksityiskohtaisesti. Suunnittelu tehtiin paperille luonnoksina sekä 3D-mallina Solidworks-ohjelmalla.

Työn alkuperäisenä tarkoituksena oli kehittää Raspberry Pi 4 -tietokoneeseen pohjautuva tuotan-toversio, mutta tavoitteesta luovuttiin opinnäytetyön monimutkaisuuden ja taloudellisten rajoitteiden kasvaessa. Työn aikana kuitenkin syntyi Raspberry Pi Zeroa käyttävä esittelyprototyyppi, jonka avulla voidaan todistaa skannerin toimivuus ja käytännöllisyys eri sidosryhmille. Tämä prototyyppi valmistettiin käyttämällä FDM-tekniikkaan perustuvaa 3D-tulostinta Creality Ender 3. Työn aikana valmistettu skanneri testattiin toimeksiantajan tiloissa, ja se toimi luotettavasti testimateriaalien tun-nistamisessa. Skanneria myös onnistuttiin lataamaan, ja sen käyttö onnistui sekä latauksessa että akkuvirralla. Esittelyprototyypistä mitattiin myös kuormituksen aikaiset lämpötilat. Työn aikana ke-hitetyssä versiossa ei ole jäähdytystä, eikä se suhteellisen vähätehoista Raspberry Pi Zeroa käy-tettäessä olisi ollut tarpeellista. Lämpötilamittausten perusteella voidaan kuitenkin todeta, että mer-kittävästi suuritehoisempaa Rasberry Pi 4:ää käytettäessä kotelon sisäinen lämpötila nousisi hai-tallisen korkealle, joten jäähdytyselementin suunnittelu olisi tarpeen.