DE102011012592A1

DE102011012592A1 - Verfahren und Vorrichtung zum automatisierten Identifizieren, Abtrennen, Vereinzeln und Sortieren von Komponenten elektronischer Baugruppen und Geräte

Info

Publication number: DE102011012592A1
Application number: DE102011012592A
Authority: DE
Inventors: Dr. Noll Reinhard; Dr. Fricke-Begemann Cord
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: DE102011012592B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur automatisierten Identifikation, Abtrennung, Vereinzelung und Sortierung von Komponenten elektronischer Baugruppen und Geräte. Die Baugruppe wird dabei in einer Halterung fixiert und mit einer Bildverarbeitungseinrichtung optisch erfasst. Das Bildverarbeitungssystem enthält Kameras oder Lasersensoren. Mit diesem werden einzelne Komponenten identifiziert und deren Konturen und Positionen in zumindest zwei Raumrichtungen bestimmt. Die einzelnen Komponenten werden dann auf Basis der bestimmten Positionen und Konturen mit einer Laserbearbeitungseinrichtung von der Baugruppe abgetrennt. Die abgetrennten Komponenten gelangen in eine Sortiereinrichtung, die synchronisiert zur Laserbearbeitungseinrichtung so gesteuert wird, dass die abgetrennten Komponenten in Sortierbehältnisse gelangen, die den jeweiligen Komponenten zugeordnet sind. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung erlauben die schnelle Identifizierung, Demontage und Sortierung von Bauteilen und Komponenten elektronischer Geräte zur Gewinnung von Sortierfraktionen mit hohen Anteilen strategischer Rohstoffe.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatisierten Identifizieren, Abtrennen, Vereinzeln und Sortieren von Komponenten elektronischer Baugruppen und Geräte für das werkstoffliche Recycling.
Beim Recycling von Elektroschrott werden heutzutage unterschiedliche Verwertungskanäle genutzt. So können elektronische Baugruppen und Geräte z. B. zum Teil repariert und funktionell weiter genutzt werden. In anderen Fällen erfolgt eine händische Zerlegung zur Trennung von z. B. Gehäusen und Elektronikplatinen, ein anschließendes Schreddern der Elektronikplatinen sowie ein Aufschmelzen der geschredderten Platinenteile zur metallurgischen Gewinnung von vorzugsweise Kupfer, Silber, Gold, Platingruppenmetallen, Nickel und anderen Wertstoffen. Die Prozesse sind nur zum Teil automatisiert und erschließen bislang für die Industrieländer lediglich die größeren Massenanteile wie Kupfer, Gold und Silber. Strategische Rohstoffe wie Tantal, Palladium, Gallium, Indium, Antimon, Magnesium, Yttrium, Kobalt, Lithium, Wolfram, Titan, Niob u. a. gehen dabei verloren. Die Verknappung dieser Rohstoffe führt zu erheblichen Preisanstiegen, so dass deren Gewinnung aus hochtechnisierten Produkten wie bspw.
Mobiltelefonen mit automatisierten Verfahren kurz- bis mittelfristig wirtschaftlich erschließbar ist.
Stand der Technik
Aus der DE 42 39 642 C2 sind ein Verfahren zur automatischen Entstückung von mit elektronischen Bauelementen bestückten Leiterplatten sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Durch ein Bildverarbeitungssystem werden die Koordinaten der Konturen und die Typen der Bauteile ermittelt und deren Merkmale aus einer Datenbank entnommen. Anschließend werden die Lötstellen der auf diese Weise identifizierten Bauteile lokal erwärmt und die Bauteile auf Basis der vom Bildverarbeitungssystem ermittelten Daten mit einem Greifer entfernt. Der Greifer muss hierbei zumindest mit drei Achsen dem zu entnehmenden Bauteil genähert werden und einen Greifvorgang ausführen. Bei sehr kleinen Bauteilen, wie bspw. SMD-Bauteilen (SMD: Surface-Mounted Devices) wird die Handhabungsdauer mit einem derartigen Greifer jedoch unzulässig lang, so dass das Verfahren dann nicht wirtschaftlich einsetzbar ist.
Die WO 2010/105583 A1 offenbart ein weiteres Verfahren zum Recycling von Elektronikschrott. Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe einer rotierenden Trommel mit Mitnehmern (Smasher) der zu recycelnde Elektronikschrott durch Aufprall ohne Quetschung zum Zerbersten gebracht. Nachgeschaltet erfolgen verschiedene Sortiervorgänge und eine weitere Zerkleinerung, bis schließlich NE-Metalle in einer Sichtanlage nach Werkstoffarten, insbesondere Al, Ni, Cr, Ag oder Au, getrennt werden sollen. Bei diesem Verfahren werden jedoch die Bauteile der elektronischen Baugruppe nicht selektiv im Hinblick auf ihre wertstoffliche Zusammensetzung gewonnen. Prinzipbedingt tritt zunächst eine Vermischung auf, die erst wieder durch Sortierung zu verwertbaren Trennfraktionen führt, sofern dies dann noch möglich ist.
Aus der DE 102 31 228 B4 ist ein Verfahren zur Gewinnung metallischer Sekundärrohstoffe aus gebrauchten Zündkerzen bekannt. Bei diesem Verfahren werden einzelne Komponentenfraktionen aufgearbeitet, die z. B. die edelmetallhaltigen brennraumseitigen Stirnseiten der Zündkerzen umfassen. Hierbei kommen bspw. Zonenschmelzverfahren zum Einsatz, mit denen stabförmige Rohlinge aufgereinigter Edelmetalle, wie Gold, Platin, Silber und Kupfer, gewonnen werden. Mit Laservorrichtungen können die Zündkerzen in einzelne Komponenten zerlegt werden. Wie die selektive Erkennung und Trennung der Komponenten in automatisierter Weise erfolgen soll, wird nicht dargestellt. Weiterhin wird nicht angegeben, wie eine Demontage automatisiert und hinreichend schnell erfolgen kann, um einen wirtschaftlich interessanten Durchsatz zu erzielen.
Aus der DE 195 12 183 A1 ist ein Verfahren zum Aufarbeiten von elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen bekannt, bei denen alle Bauelemente in einer Bearbeitungsstation von einem Grundkörper abgetrennt werden und in einen Auffangbehälter fallen. Zur Abtrennung wird ein Laser- oder Wasserstrahl eingesetzt. Die Druckschrift befasst sich nicht mit der selektiven Demontage von einzelnen Bauteilen oder mit einer Sortierung dieser Bauteile.
Die DE 44 24 385 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Recyceln von Elektronikplatinen und Bauteilen. Bei dem Verfahren werden nach der Identifizierung einer Platine die Lötstellen erwärmt, die Platine einer Druck-Vakuum-Behandlung unterzogen und schließlich die Bauteile programmgesteuert herausgezogen. Das programmgesteuerte Herausziehen erfolgt durch einen Bestückungsautomaten. Ziel ist die Wiederverwendung der Bauteile in ihrer Ursprungsfunktion. Alle Prozessschritte müssen darauf abgestimmt sein. Der Durchsatz ist daher für eine Sortierung zur werkstofflichen und nicht funktionsorientierten Verwertung zu gering.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit denen werkstofflich interessante Komponenten elektronischer Baugruppen und Geräte schnell identifiziert, selektiv abgetrennt, vereinzelt und sortiert werden können, um die Sortierfraktionen einem werkstofflichen Recycling zuzuführen. Unter dem Begriff Vereinzeln ist hierbei die selektive Demontage oder Abtrennung der jeweiligen Komponente von der elektronischen Baugruppe bzw. dem elektronischen Gerät zu verstehen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Baugruppe oder das Gerät jeweils in einer Halterung fixiert und mit einer Bildverarbeitungseinrichtung, die einen oder mehrere optische Sensoren aufweist, in der Halterung optisch erfasst. Durch die optischen Sensoren, insbesondere eine oder mehrere Kameras und/oder Laserlichtschnitt- und/oder Lasertriangulationssensoren – im weiteren kurz als Lasersensoren bezeichnet – werden ein oder mehrere Bilder und/oder 2D- und/oder 3D-Datensätze der Baugruppe bzw. des Geräts ermittelt. Mit einem Datenauswertesystem, das ein Bildverarbeitungssystem und/oder ein System zur Auswertung der Messdaten der Lasersensoren umfasst, werden automatisiert einzelne Komponenten in den Bildern bzw. 2D- und/oder 3D-Datensätzen erkannt und über eine angeschlossene Datenbank identifiziert. Das Bildverarbeitungssystem – im Folgenden umfasst dies auch die Auswertung der Daten der Lasersensoren – bestimmt auch die Konturen, evtl. Projektionsflächen und/oder Volumina, und Positionen der identifizierten Komponenten in zumindest zwei Raumrichtungen. Auf Basis dieser Daten, insbesondere der Positionen und Konturen der Komponenten, wird dann eine Laserbearbeitungseinrichtung angesteuert, die mindestens einen Bearbeitungslaser und einen Scanner umfasst, mit dem der Bearbeitungslaserstrahl über das Gerät bzw. die elektronische Baugruppe gelenkt werden kann. Die Laserbearbeitungseinrichtung wird so angesteuert, dass die jeweilige Komponente mit Hilfe des Lasers von der Baugruppe oder dem Gerät abgetrennt wird. Dies kann durch Erhitzen von Lötstellen oder durch direktes Abtrennen in einem Schneidprozess erfolgen. Die abgetrennten Komponenten gelangen in eine Sortiereinrichtung, die synchronisiert zur Laserbearbeitungseinrichtung so gesteuert wird, dass jede abgetrennte Komponente in ein Sortierbehältnis gelangt, das jeweils dieser Komponente, insbesondere aufgrund der darin enthaltenen Wertstoffe, zugeordnet ist. Für die unterschiedlichen Wertstofffraktionen sind dabei unterschiedliche Sortierbehältnisse vorgesehen. Vorzugsweise ist die Sortiereinrichtung unterhalb der Halterung angeordnet, wobei die abgetrennten Komponenten aufgrund der Schwerkraft in die Sortiereinrichtung fallen.
Die Sortiereinrichtung kann dabei auch über eigene Transportsysteme verfügen, über die die Komponenten in die jeweiligen Sortierbehältnisse gelangen. Die Sortiereinrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass sie jeweils das Sortierbehältnis für die Komponente unter der Halterung positioniert, die gerade mit der Laserbearbeitungseinrichtung abgetrennt wird. Die abgetrennte Komponente fällt dann direkt in dieses Sortierbehältnis.
In Abhängigkeit von der elektronischen Baugruppe bzw. dem elektronischen Gerät können die vorgenannten Schritte einschließlich der optischen Erfassung, Identifikation und Bestimmung der Konturen und Positionen auch wiederholt durchgeführt werden, da möglicherweise weitere Komponenten erst nach Entfernung anderer Komponenten sichtbar und zugänglich werden. Als Beispiel für eine Abfolge wird angegeben: Öffnen der Gehäusevorder- und -rückseite, Abtrennung des Displays, Abtrennung des Akkumulators, Abtrennung von Abschirmblechen, Abtrennung von elektronischen Bauteilen, wie SMD-Tantalkondensatoren, Chips, etc.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung können elektronische Geräte und Baugruppen, wie bspw. Mobiltelefone oder Elektronikplatinen, schnell selektiv zerlegt und die einzelnen Komponenten in schneller Folge – soweit möglich auch parallel laufend – sortiert werden, um die Sortierfraktionen anschließend einem werkstofflichen Recycling zuzuführen. Sämtliche Schritte von der Bilderfassung, 2D-, 3D-Messung mit den Lasersensoren bis zur Sortierung erfolgen automatisiert. Damit lassen sich sehr schnell Sortierfraktionen mit hohen Anteilen strategischer Rohstoffe gewinnen, wie bspw. der Elemente Antimon, Gallium, Germanium, Indium, Magnesium, Tantal oder Platin.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die einzelnen Komponenten bei der Abtrennung zusätzlich mit einer gerichteten Gasströmung aus mindestens einer Düse beaufschlagt, durch die die Komponente von der Baugruppe oder dem Gerät abgelöst wird und in die Sortiereinrichtung gelangt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Komponente durch die Gasströmung direkt in die Sortiereinrichtung geblasen. Vorzugsweise wird eine Düsenleiste mit separat ansteuerbaren Düsen eingesetzt, die automatisiert an unterschiedliche Positionen über der Halterung bzw. über der in der Halterung fixierten elektronischen Baugruppe oder dem in der Halterung fixierten Gerät bewegt werden kann. Die einzelnen Düsen werden in Abhängigkeit von der Größe und Lage der abzutrennenden Komponente angesteuert.
Der Einsatz einer zusätzlichen lokalen Gasströmung beschleunigt die Loslösung der mit dem Bearbeitungslaser abzutrennenden Komponente, so dass der gesamte Vereinzelungsvorgang damit beschleunigt wird. Die Gasströmung erhöht auch die Zuverlässigkeit der Loslösung der abgetrennten Komponente von der Baugruppe bzw. dem Gerät. Diese Kombination von lasergestützter Abtrennung elektronischer Bauteile bzw. Komponenten mit einer gerichteten Gasströmung, insbesondere mittels einer steuerbaren Düsenleiste, erlaubt bislang nicht erschließbare kurze Taktzeiten für eine selektive wertstofforientierte Zerlegung und Sortierung der einzelnen Komponenten von elektronischen Baugruppen oder Geräten, wie bspw. Mobiltelefonen und Elektronikplatinen. Die abzutrennenden und zu sortierenden Komponenten können bspw. Indium-beschichtete Glasabdeckungen von Anzeigen, Al/Mg-Gehäuseschalen, CMOS-Chips, Tantal-Kondensatoren, Tastaturen, Quarze, oder Goldkontakte sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sowie der Vorrichtung ist die Halterung so ausgebildet, dass sie eine optische Zugänglichkeit der darin fixierten elektronischen Baugruppe bzw. des darin fixierten Geräts von z. B. zwei gegenüberliegenden Seiten ermöglicht. Vorzugsweise ist die Halterung zusätzlich um zumindest eine Achse drehbar ausgebildet, besonders vorteilhaft um einen Winkeln von bis zu 360°. Die optische Zugänglichkeit von beiden Seiten ermöglicht die gleichzeitige optische Erfassung und Bearbeitung der elektronischen Baugruppe bzw. des Geräts von beiden Seiten. Weiterhin lässt sich durch die bevorzugte Drehbarkeit der Halterung die Baugruppe bzw. das Gerät auch in eine Position bringen, in der die abgetrennten Bauteile möglichst ungehindert in die darunter angeordnete Sortiereinrichtung fallen können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung ist eine Einrichtung zur spektroskopischen Analyse der einzelnen Komponenten vorgesehen. Hierbei wird entweder mit dem Bearbeitungslaser oder mit einem weiteren Laser die jeweilige Komponente spektroskopisch analysiert, um Elementgehalte zu identifizieren oder zu bestimmen. Dies kann bspw. mittels Laser-Emissionsspektroskopie (LIBS) oder mittels Laser-Raman-Spektroskopie oder mittels laser-induzierter Fluoreszenz erfolgen. Die Messdaten werden ausgewertet und für die Identifikation und ggf. Bewertung der jeweiligen Komponente verwendet. Die zusätzliche spektroskopische Analyse ist vor allem in Fällen hilfreich, in denen eine einzelne Komponente mit Hilfe der Datenbank nicht zweifelsfrei in dem aufgezeichneten Bild oder den mit den Lasersensoren aufgezeichneten 2D- oder 3D-Geometriedaten identifiziert werden kann. Durch die Zusatzinformation über die Zusammensetzung dieser Komponente kann dann eine zuverlässigere Identifikation der Komponente erfolgen. Die Analyse kann auch zur Identifikation des Wertstoffes eingesetzt werden, den die Komponente enthält, falls dies aus den Daten der Datenbank nicht ersichtlich ist.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst mindestens eine Halterung zur Fixierung einer elektronischen Baugruppe oder eines Gerätes sowie eine Bildverarbeitungseinrichtung mit einem oder mehreren optischen Sensoren, mit denen ein oder mehrere Bilder und/oder 2D- und/oder 3D-Geometriedaten (im Falle von Lasersensoren) der Baugruppe oder des Geräts aufgezeichnet werden können, in denen einzelne Komponenten mit einem Datenverarbeitungssystem – dieses umfasst ein System zur Bildverarbeitung und zur Auswertung der Daten der Lasersensoren – identifizierbar sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem optischen Sensor um eine Kamera oder einen Laserlichtschnittsensor oder Lasertriangulationssensoren. Die Baugruppe oder das Gerät in der Halterung wird vorzugsweise bei der Bildaufzeichnung mit einer geeigneten Beleuchtungseinrichtung beleuchtet. Die Vorrichtung umfasst weiterhin das Daten- bzw. Bildverarbeitungssystem, das die mit dem optischen Sensor aufgezeichneten Bilder automatisiert auswertet, um einerseits durch Rückgriff auf eine Datenbank einzelne Komponenten zu identifizieren und andererseits deren Konturen und Positionen in zumindest zwei Dimensionen zu bestimmen. Die Vorrichtung weist auch eine Laserbearbeitungseinrichtung auf, die zumindest einen Bearbeitungslaser sowie einen Scanner umfasst, mit dem der Laserstrahl des Bearbeitungslasers über die in der Halterung fixierte Baugruppe bzw. das in der Halterung fixierte Gerät geführt werden kann, um einzelne Komponenten gezielt abzutrennen. Die Vorrichtung verfügt auch über eine Sortiereinrichtung mit mehreren Sortierbehältnissen für die unterschiedlichen Wertstofffraktionen. Die Sortiereinrichtung ist vorzugsweise unterhalb der Halterung angeordnet und wird so gesteuert, dass die jeweils gerade abgetrennte Komponente, die aufgrund der Schwerkraft in die Sortiereinrichtung fällt, in das für diese Komponente bzw. den darin enthaltenen Wertstoff vorgesehene Sortierbehältnis gelangt. Die Steuerung der Laserbearbeitungseinrichtung für die einzelnen Trennvorgänge sowie der Sortiereinrichtung erfolgt mit einer Steuereinrichtung, die den Bearbeitungslaser, den Scanner sowie die Sortiereinrichtung in Abhängigkeit von den mit dem Bildverarbeitungssystem erhaltenen Daten ansteuert, um die einzelnen Komponenten mit dem Bearbeitungslaser selektiv abzutrennen und zu sortieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung auch eine Düse oder Düsenleiste, die mit einer Gaszufuhr verbunden und von der Steuereinrichtung jeweils so positioniert und angesteuert wird, dass die Ablösung der gerade mit dem Laser abzutrennenden Komponente durch einen Gasstrahl beschleunigt wird. Dieser Gasstrahl kann auch genutzt werden, um die abgetrennten Komponenten in die Sortiereinrichtung zu blasen, die dann nicht unbedingt unterhalb der Halterung angeordnet sein muss.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann auch eine Bearbeitungskammer umfassen, in der die Halterung angeordnet ist. Diese Bearbeitungskammer kann bspw. mit einem Inert- oder Schutzgas befüllt werden.
Kurze Beschreibung der, Zeichnungen Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgen anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 einen beispielhaften Verfahrensablauf beim vorgeschlagenen Verfahren in schematischer Darstellung;
2 eine schematische Darstellung einer Halterung, wie sie beim vorgeschlagenen Verfahren eingesetzt werden kann;
3 ein Beispiel für den Aufbau der vorgeschlagenen Vorrichtung in schematischer Darstellung; und
4 ein Beispiel für die Ausgestaltung einer Düsenleiste, wie sie bei dem Verfahren und der Vorrichtung einsetzbar ist.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, bei dem die elektronischen Geräte und Baugruppen vereinfacht als Objekte bezeichnet werden. Die einzelnen Verfahrensschritte A bis G sind hierbei in ihrer Abfolge in 1 schematisiert angedeutet, wobei auch eventuelle Vorbereitungsschritte in diesem Beispiel beschrieben werden.

A) Es liegt ein Haufwerk von zu recycelnden Objekten vor, wie z. B. von elektronischen Geräten oder Elektronikplatinen. Durch vorgeschaltete Sammel- und Aufbereitungsprozesse wurden die Art, der Zustand und der Größenbereich der Teile eingeschränkt, um die nachfolgenden Verfahrensschritte automatisiert durchführen zu können. Je nach Ausgangsmaterial ist dies jedoch nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise kann ein Haufwerk von Mobiltelefonen in einem Container oder ein Behälter mit PC-Grafikplatinen oder ein Behälter mit Netzwerkkomponenten vorliegen.
B) Aus diesem Behälter bzw. Container werden durch eine automatische Handhabung Objekte vereinzelt und in definierter räumlicher Lage dem nächsten Verfahrensschritt zugeführt.
C) Die Objekte werden von einer Handhabungseinrichtung in definierter Lage in eine Bearbeitungsstation eingeschleust. Diese Handhabungsvorrichtung kann bspw. ein Fließband, ein Mehrachssystem oder auch ein Robotergreifer sein.

Die Bearbeitungsstation kann bei Bedarf mit einer Bearbeitungskammer ausgestattet sein, die mit einem Inert- oder Schutzgas befüllt werden kann, falls dies aufgrund der folgenden lasergestützten Bearbeitungs- und Messprozesse und den damit ausgelösten Wechselwirkungen der Laserstrahlung mit dem Material sowie der Reaktivität der Objekte, Bauteile und Komponenten erforderlich sein sollte. Weiterhin umfasst die Bearbeitungskammer bei Bedarf eine Absaugvorrichtung, um entstehende Dämpfe, Stäube oder Partikel abzuführen.
Die Objekte werden in der Bearbeitungsstation in einer Halterung, z. B. auf den Längsseiten des Objekts, so fixiert, dass beide Seiten des Objekts optisch zugänglich sind. Das sind bei einem Mobiltelefon z. B. die Bedienseite und die Rückseite des Telefons oder bei einer Elektronikplatine die Ober- und Unterseite der Platine. Die Objekte können in der Halterung, z. B. um ihre Längsachse, um bis zu 360° gedreht werden, um sie hinsichtlich der nachfolgenden optischen Erfassung oder Laserbearbeitung für die Abtrennung optimal zu positionieren.

D) Mit einer Beleuchtungseinrichtung, einer oder mehreren Kameras und/oder Lasersensoren sowie einer Bild- bzw. Datenverarbeitung und einer Datenbank werden die Objekte (z. B. die äußeren Abmessungen, das Gehäuse) und die Bauteile und Komponenten der Objekte, z. B. Anzeigeelemente, Tastatur, Steckerleisten, Chips, SMD-Bauteile, Quarze, Schalter, LEDs, etc., automatisch erkannt und deren Konturen und Positionen in mindestens zwei Raumrichtungen erfasst. Geeignete Datenverarbeitungssysteme sind dem Fachmann bekannt. Als Beispiele seien Methoden zur Mustererkennung, Merkmalsextraktion, Datenfilterung, Kantenerkennung, Vergleichsalgorithmen mit Referenzdatensätzen, Ortsfrequenzanalyse etc. genannt. Mit Hilfe der von der Bild- und Geometriedatenverarbeitung ermittelten Ergebnisse werden die Bauteile und Komponenten identifiziert – dies umfasst vor allem die Inhaltsstoffe des Bauteils sowie die Bewertung des Nutzens für die Wiedergewinnung darin enthaltener strategischer Rohstoffe z. B. anhand der absoluten und relativen Gehalte an diesen Rohstoffen und anhand der ermittelten Projektionsflächen und Volumina – und daraus Steuerungsdaten für die selektive Ablösung und Sortierung abgeleitet. Die für die Bewertung erforderlichen Informationen sind vorzugsweise ebenfalls in der Datenbank hinterlegt, beispielsweise die absoluten und relativen Gehalte an Wertstoffen. Die von der Bildverarbeitung ermittelten Daten werden anschließend an eine Steuereinrichtung für mindestens einen Laserscanner und mindestens eine Düsenvorrichtung weitergeleitet.

Sind die Daten der Bildverarbeitung und der Datenbank nicht für eine Bewertung des möglichen Nutzens für eine werkstoffliche Verwertung ausreichend, bspw. weil nicht bekannt ist, ob das betreffende Bauteil Tantal enthält, so kann eine zusätzliche Analyse in folgender Weise durchgeführt werden. Mit dem Bearbeitungslaser oder einem weiteren Laser in Kombination mit dem Laserscanner oder einem weiteren Laserscanner wird dann das Bauteil spektroskopisch analysiert, um die Elementgehalte zu identifizieren oder zu bestimmen. Als Verfahren wird dazu die Laseremissionsspektroskopie oder Laser-Raman-Spektroskopie oder laser-induzierte Fluoreszenz verwendet. Die Messdaten werden ausgewertet und in Kombination mit den Daten der Kameras und/oder Lasersensoren für die Bewertung und anschließende Steuerung des Abtrennungs- und Sortiervorgangs verwendet.

E) Mit mindestens einem Bearbeitungslaser wird unter Nutzung der in Schritt D) gewonnenen Daten das Objekt mit Hilfe des Laserscanners schrittweise selektiv zerlegt bzw. demontiert oder entstückt. Im Falle eines Mobiltelefons wird bspw. zunächst das Gehäuse auf der Vorderseite des Mobiltelefons aufgeschnitten.
F) Die Laser-demontierten Teile werden mit Unterstützung einer Gasströmung vom Objekt abgelöst und in Fraktionen sortiert. Das abgetrennte bzw. ausgeschnittene Bauteil fällt nach unten und wird in einem für diesen Bauteiltyp bzw. den Wertstofftyp dieses Bauteils bereitgehaltenen ersten Behälter als Sortierfraktion für das entsprechende Bauteil aufgefangen.

Die Loslösung des ausgeschnittenen Bauteils vom Objekt erfolgt durch die Schwerkraft und – falls nicht ausreichend oder nicht hinreichend schnell – durch eine Düsenleiste, deren einzelnen Düsen separat ansteuerbar sind. Die Düsenleiste ist durch Bewegungsachsen in ihrer räumlichen Position relativ zum Objekt und zum abzutrennenden Bauteil positionierbar. Die Düsen werden in Abhängigkeit von der Lage des abzutrennenden Bauteils, der Geometrie des Bauteils und seiner Größe hinsichtlich der Stärke des Druckstoßes durch die Gasströmung, seiner Dauer und ihres Abstands zum abzulösenden Bauteil individuell angesteuert, so dass eine möglichst schnelle Ablösung und Ausschleusung in den Auffang- bzw. Sortierbehälter erfolgt. Im einfachsten Fall ist nur eine Düse vorhanden, mit der das Bauteil abgelöst wird.
Der beschriebene Verfahrensschritt wird für andere Bauteile und Komponenten des Objekts wiederholt. So werden z. B. auf der freigelegten Platine des Mobiltelefons Tantalkondensatoren durch den Bearbeitungslaser entlötet und mit der Düsenleiste in einen zweiten an die Bearbeitungskammer ankoppelbaren Behälter ausgeschleust, in dem als Sortierfraktion die tantalhaltigen Komponenten gesammelt werden.
Durch die drehbare Fixierung des Objekts sind beide Seiten des Objekts optisch zugänglich und dort können mit dem Bearbeitungslaserstrahl Bauteile abgetrennt bzw. demontiert werden. Alternativ kann das Objekt auch von beiden Seiten simultan demontiert werden.
Durch eine mehrfache Abfolge der vorgenannten Schritte können selektiv mehrere Sortierfraktionen in entsprechenden Behältern getrennt gewonnen werden, denen z. B. folgende Bauteile und Komponenten zuzuordnen sind: a) Gehäuse, b) Displays, c) Tastaturen, d) Optiken, e) HF-Abschirmbleche, Antennen, f) CMOS-Chips, g) Verbindungshalbleiter-Chips, h) Tantalkondensatoren, i) SMD-Bauteile, j) Quarze, k) Akkumulatoren, l) Batterien, m) Platinen mit hohem Antimongehalt, n) Platinen mit niedrigem Antimongehalt, etc.
Im Zuge der schrittweisen Demontage werden u. U. Bereiche zugänglich, die zuvor nicht mit der Bildverarbeitung oder den Lasersensoren und nicht mit der Laserspektroskopie erfasst werden konnten. Die Verfahrensschritte D, E und F sind insoweit miteinander verkettet, dass auch während und nach einer Demontage das Objekt vermessen wird (Bildverarbeitung, Lasersensoren und ggf. Laserspektroskopie) und Daten für die nächsten Demontage- und Sortierschritte gewonnen werden sowie der Fortgang der Bearbeitung zur Prozessführung und Qualitätssicherung überwacht wird.

G) Die erhaltenen Sortierfraktionen werden werkstoffspezifischen Aufbereitungs- und Aufreinigungsprozessen zugeführt, bspw. metallurgischen und hydrometallurgischen Verfahren, um daraus wieder Rohstoffe zu gewinnen. Daten des Verfahrensschrittes D können zur Charakterisierung der jeweiligen Sortierfraktionen verwendet werden, wie bspw. durch Angabe und Zuordnung der Stückzahl der abgetrennten und sortierten Bauteile, des Volumens, der Zusammensetzung sowie weiterer physikalischer, chemischer und technischer Eigenschaften.

Durch die Kombination von Laser-basierter Demontage und durch Gasstrom unterstützte Ablösung und Sortierung der Bauteile ist ein besonders schnelles Verfahren realisierbar, so dass z. B. ein Mobiltelefon in einer Zeit kleiner 60 s zerlegt und werkstofflich sortiert werden kann.
2 zeigt ein Beispiel für eine Halterung 2, wie sie beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung eingesetzt werden kann. Das zu recycelnde Objekt 1 wird in dieser Halterung 2 in definierter Raumlage fixiert. Die Halterung ist mit einem Achsensystem 3 verbunden, das in der Lage ist, die Halterung mit dem Objekt um eine Achse 4 zu drehen (Drehung 5). Das fixierte Objekt wird einer Bearbeitungsstation 6 zugeführt, wie sie in 3 schematisch dargestellt ist. Die Bearbeitungsstation umfasst eine Bearbeitungskammer 7, in der das in der Halterung 2 fixierte Objekt 1 vermessen, bearbeitet, demontiert und entstückt wird. In der Figur sind auch einzelne Einrichtungen der vorgeschlagenen Vorrichtung schematisch angedeutet.
Die Raumlage des Objekts 1 sowie von Bauteilen und Komponenten des Objekts 1 wird am Anfang sowie während der folgenden Bearbeitungsschritte von einer Bildverarbeitungseinrichtung 8 gemessen. Diese enthält u. a. Lasersensoren zur Gewinnung von 2D- und/oder 3D-Geometriedaten des Objekts und der Bauteile. Ein Datenverarbeitungssystem identifiziert das Objekt anhand der gemessenen Daten, bestimmt Positionen, Konturen, Projektionsflächen, Volumina und Raumkoordinaten der Bauteile, Referenzpunkte der Halterung 2, nutzt Daten einer Datenbank für die Erkennung, bewertet die Daten und übermittelt diese der Anlagensteuerung.
Eine Laserstrahlquelle 9 emittiert einen Laserstrahl 10, der über eine Strahlformungs- und Ablenkeinrichtung 11 (Laserscanner) auf das Objekt 1 gelenkt wird (gelenkter Laserstrahl 12). Dort löst er ein Bauteil oder eine Komponente des Objekts 1 durch einen Trenn-, Schneid- oder Entlötprozess ab. Der Ablösevorgang wird durch die Schwerkraft und durch einen Gasstrom 13 aus einer Düsenleiste 14 unterstützt, so dass das abgelöste Bauteil 15 über einen Transportweg 16 in Abhängigkeit von den in ihm enthaltenen Rohstoffen über eine Verteilereinrichtung 17 einer Behälteranordnung 18 zugeführt und in einen Behälter 18.1 ausgeschleust wird. Die in dem Bauteil 15 enthaltenen Rohstoffe wurden dabei entweder über die Erkennung des Bauteils durch die Bildverarbeitung und Lasersensoren und Rückgriff auf die Datenbank oder mittels Laserspektroskopie ermittelt. Ziel der Sortierung ist eine möglichst hohe Anreicherung des wirtschaftlich zu verwertenden Rohstoffs in der Sortierfraktion 18.1 und weiterer Fraktionen 18.2. In der 3 sind beispielhaft nur zwei Fraktionen dargestellt, wobei selbstverständlich auch eine erheblich größere Anzahl an Fraktionen erzeugt werden können.
Die Düsenleiste 14 wird von einer Gasversorgungseinrichtung 19 gespeist, die in der Lage ist, den für die Ablösung mit der Gasströmung erzeugten Druckstoß, die Dauer der Gasströmung bzw. des Druckstoßes sowie die Lage der Düsenleiste in Bezug auf das oder die abzulösenden Bauteile in Abhängigkeit von den Daten der Bildverarbeitungseinrichtung 8 zu steuern.
Ist für die Demontage eine Bearbeitung unter Inert- oder Schutzgasatmosphäre erforderlich, so wird die Kammer 7 mit einer Inertgasversorgung 20 über eine Leitung 21 verbunden. Entstehende Stäube und Partikel werden über eine Leitung 22 und eine Absaugvorrichtung 23 aus dem Kammervolumen entfernt.
Die laserspekstroskopische Einrichtung ist in 3 nicht gesondert dargestellt. Sie beinhaltet eine Laserstrahlquelle, eine Strahlformungsoptik, eine Ablenkeinrichtung sowie ein Spektrometer zur Auswertung der Messstrahlung. Sie kann mit der Laserstrahlquelle 9 und der Ablenkeinrichtung 11 kombiniert oder separat aufgebaut sein. Bildverarbeitungseinrichtung 8, Laserstrahlquelle 9, Strahlablenkung 11, Düsenleiste 14, Laserspektroskopiesystem und Verteilereinrichtung 17 sowie evtl. Halterung 2 mit Achsensystem 3, Gasversorgungseinrichtung 19, Inertgasversorgung 20 und Absaugvorrichtung 23 werden programmgestützt über die Anlagensteuerung, insbesondere einen Rechner, angesteuert, zeitlich synchronisiert, überwacht und ausgewertet.
Die dargestellte Vorrichtung kann in eine oder auch in mehrere Stationen gegliedert sein, so dass z. B. in einer ersten Station lediglich die Bildverarbeitung und Lasermessung durchgeführt wird, die Objekte dann identifiziert und bewertet werden und entweder schon – wenn keine werthaltigen Bauteile und Komponenten identifizierbar sind – direkt ausgeschleust oder – im anderen Fall – einer weiteren Station automatisch zugeführt werden, in der die Laser-Demontage, Vereinzelung und Sortierung in der beschriebenen Weise erfolgen. Auf diese Weise können der Durchsatz und die' Effizienz der automatisierten Demontage und Sortierung zur Gewinnung strategischer Rohstoffe gesteigert werden.
4 zeigt beispielhaft ein Detail der Düsenleiste 14 und des Objekts 1 in der Halterung 2 in einer anderen Ansicht. Die Düsenleiste 14 besteht aus einer zeilenförmigen Anordnung von Düsen, die einzeln ansteuerbar sind. Beispielsweise sollen die Bauteile 27 und 28 von einer Platine abgetrennt werden. Während oder nach dem Ausschneid- bzw. Entlötvorgang werden die Düsen 24, 25 und 26 angesteuert, um die betreffenden Bauteile abzulösen und in Richtung Behälteranordnung 18 (vgl. 3) zu transportieren. Bei einem größeren abzulösenden Bauteil werden zwei oder mehr benachbarte Düsen aktiviert, bei einem kleineren oder einfacher abzulösenden Bauteil nur eine. Die Düsenleiste 14 kann über eine Bewegungseinrichtung 29 relativ zur Position des Objekts 1 verschoben werden, um sie so für die Bauteilablösung an unterschiedliche Bereiche des Objekts 1 platzieren zu können.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung erlauben erstmals die schnelle Identifizierung, selektive Demontage und Sortierung von Bauteilen und Komponenten elektronischer Geräte zur Gewinnung von Sortierfraktionen mit hohen Anteilen strategischer Rohstoffe.
Bezugszeichenliste

A–G: Verfahrensschritte
1: Objekt
2: Halterung
3: Achsensystem
4: Achse
5: Drehung
6: Bearbeitungsstation
7: Bearbeitungskammer
8: Bildverarbeitungseinrichtung
9: Laserstrahlquelle
10: Laserstrahl
11: Ablenkeinrichtung
12: abgelenkter Laserstrahl
13: Gasstrom
14: Düsenleiste
15: abgelöstes Bauteil
16: Transportweg
17: Verteilereinrichtung
18: Behälteranordnung
18.1: erster Behälter
18.2: zweiter Behälter
19: Gasversorgungseinrichtung
20: Inertgasversorgung
21: Leitung
22: Leitung
23: Absaugvorrichtung
24–26: Düsen
27: Bauteil
28: Bauteil
29: Bewegungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4239642 C2 [0004]
WO 2010/105583 A1 [0005]
DE 10231228 B4 [0006]
DE 19512183 A1 [0007]
DE 4424385 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum automatisierten Identifizieren, Abtrennen, Vereinzeln und Sortieren von Komponenten (15) elektronischer Baugruppen und Geräte (1), bei dem – die Baugruppe oder das Gerät (1) in einer Halterung (2) fixiert und mit einer Bildverarbeitungseinrichtung (8) in der Halterung (2) optisch erfasst wird, – auf Basis der optischen Erfassung mit einem Datenverarbeitungssystem einzelne Komponenten (15) identifiziert und deren Konturen und Positionen in zumindest zwei Raumrichtungen bestimmt werden, und – die einzelnen Komponenten (15) auf Basis der bestimmten Positionen und Konturen mit Hilfe einer Laserbearbeitungseinrichtung (9, 11) von der Baugruppe oder dem Gerät (1) abgetrennt werden, – wobei die abgetrennten Komponenten (15) in eine Sortiereinrichtung (17) gelangen, die synchronisiert zur Laserbearbeitungseinrichtung (9, 11) so gesteuert wird, dass die abgetrennten Komponenten (15) in Sortierbehältnisse (18.1, 18.2) gelangen, die den jeweiligen Komponenten (15) zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Komponenten (15) bei der Abtrennung zusätzlich mit einer Gasströmung aus mindestens einer Düse beaufschlagt werden, durch die eine Ablösung der abgetrennten Komponenten (15) von der Baugruppe oder dem Gerät (1) unterstützt oder beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung mit einer Düsenleiste (14) mit separat ansteuerbaren Düsen erzeugt wird, wobei jeweils nur Düsen der Düsenleiste angesteuert werden, die zur Ablösung der jeweiligen Komponente (15) beitragen können.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennten Komponenten (15) mit der Gasströmung in die Sortiereinrichtung (17) transportiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sortiereinrichtung (17) unterhalb der Halterung (2) angeordnet wird und die abgetrennten Komponenten (15) aufgrund der Schwerkraft in die Sortiereinrichtung (17) fallen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterung (2) eingesetzt wird, die eine optische Zugänglichkeit der Baugruppe oder des Geräts (1) von zwei gegenüberliegenden Seiten ermöglicht und um zumindest eine Achse drehbar ausgestaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die identifizierten Komponenten (15) automatisiert hinsichtlich ihrer Recyclingfähigkeit bewertet und auf Basis dieser Bewertung nur abgetrennt und sortiert werden, wenn ein Recycling möglich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abtrennung der Komponenten (15) mit Hilfe der Laserbearbeitungseinrichtung (9, 11) oder einer weiteren Lasereinrichtung eine spektroskopische Analyse von Inhaltsstoffen mindestens einer der Komponenten (15) durchgeführt und das Ergebnis der Analyse für eine Bewertung und/oder Sortierung der Komponente (15) genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte von der optischen Erfassung bis zur Sortierung wiederholt durchgeführt werden.
Vorrichtung zum automatisierten Identifizieren, Abtrennen, Vereinzeln und Sortieren von Komponenten (15) elektronischer Baugruppen und Geräte (1), die mindestens aufweist: – eine Halterung (2), in der die Baugruppe oder das Gerät (1) fixiert werden kann, – eine Bildverarbeitungseinrichtung (8), mit der die Baugruppe oder das Gerät (1) in der Halterung (2) optisch erfasst werden kann, – ein Datenverarbeitungssystem, mit dem auf Basis der optischen Erfassung automatisiert einzelne Komponenten (15) identifiziert und deren Konturen und Positionen in zumindest zwei Raumrichtungen bestimmt werden können, – eine Laserbearbeitungseinrichtung (9, 11), mit deren Hilfe die einzelnen Komponenten (15) auf Basis der bestimmten Positionen und Konturen von der Baugruppe oder dem Gerät (1) abgetrennt werden können, – eine Sortiereinrichtung (17), die mehrere Sortierbehältnisse (18.1, 18.2) umfasst, und – eine Steuereinrichtung, die die Laserbearbeitungseinrichtung (9, 11) und die Sortiereinrichtung (17) synchronisiert so ansteuert, dass auf Basis der vom Datenverarbeitungssystem erhaltenen Daten über die Komponenten (15) und deren Konturen und Positionen die Komponenten (15) mit der Laserbearbeitungseinrichtung (9, 11) abgetrennt werden, in die Sortiereinrichtung (17) und durch diese in Sortierbehältnisse (18.1, 18.2) gelangen, die den jeweiligen Komponenten (15) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine von der Steuereinrichtung angesteuerte Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung mit mindestens einer Düse aufweist, die so positionierbar ist, dass sie eine zusätzliche Beaufschlagung der einzelnen Komponenten (15) bei der Abtrennung mit einer Gasströmung aus der Düse ermöglicht, durch die eine Ablösung der abgetrennten Komponenten (15) von der Baugruppe oder dem Gerät (1) unterstützt oder beschleunigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung der Gasströmung eine Düsenleiste (14) mit separat ansteuerbaren Düsen umfasst, die durch die Steuereinrichtung angesteuert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sortiereinrichtung (17) unterhalb der Halterung (2) angeordnet ist, so dass die abgetrennten Komponenten aufgrund der Schwerkraft in die Sortiereinrichtung (17) fallen können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (2) so ausgebildet ist, dass sie eine optische Zugänglichkeit der Baugruppe oder des Geräts (1) von zwei gegenüberliegenden Seiten ermöglicht und um zumindest eine Achse drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine spektroskopische Analyseeinrichtung aufweist, mit der vor der Abtrennung der Komponenten (15) mit Hilfe der Laserbearbeitungseinrichtung (9, 11) oder einer weiteren Lasereinrichtung eine spektroskopische Analyse von Inhaltsstoffen mindestens einer der Komponenten (15) automatisiert durchführbar ist.