DE202022104717U1

DE202022104717U1 - System zum Analysieren und Sortieren eines Materialteils

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Publication number: DE202022104717U1
Application number: DE202022104717.0U
Authority: DE
Original assignee: Hydro Aluminium Recycling Deutschland GmbH
Current assignee: Hydro Aluminium Recycling Deutschland GmbH
Priority date: 2022-08-19
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2023-11-22
Anticipated expiration: 2032-08-20

Abstract

System zum Analysieren und Sortieren eines Materialteils, insbesondere eines Schrottteils aus Aluminium, umfassend:
- ein Zuführmittel (110) zum Transportieren des Materialteils (120),
- eine Sortiereinheit (160), die dazu eingerichtet ist, das Materialteil (120) einer von zwei Fraktionen (F1, F2) zuzuführen,
- eine Lasereinrichtung (140), die dazu eingerichtet ist, mit einem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche (7A) des Materialteils (120) ein Plasma (3) zu erzeugen,
- ein Spektrometersystem (1), das dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse eines von dem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A) durchzuführen und in Entsprechung eines Ergebnisses der durchgeführten Spektralanalyse ein Ausgangssignal zu erzeugen, und
- eine Steuervorrichtung (150), die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal zu empfangen und die Sortiereinheit (160) basierend auf dem Ausgangssignal und einem Sortierkriterium zu betreiben,
- wobei das Spektrometersystem (1) ein Spektrometer (13) und eine mit dem Spektrometer (13) optisch verbundene Detektionseinheit (21) aufweist,
- wobei die Detektionseinheit (21) eine optische Durchgangsöffnung (43) bereitstellt, durch die hindurch die Strahlachse (5A) verläuft und
- wobei die Detektionseinheit (21) ein Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) aufweist, dem ein Detektionskegel (35) zugeordnet ist, der in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl (5) einen Plasmadetektionsbereich (39) ausbildet, dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektionseinheit (21) ein Schutzgehäuse (200) trägt, das den Laserstrahl (5) sowie den Detektionskegel (35) umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Analysieren und Sortieren eines Materialteils, insbesondere eines Schrottteils aus Aluminium, umfassend ein Zuführmittel zum Transportieren des Materialteils, eine Sortiereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Materialteil einer von zwei Fraktionen zuzuführen, eine Lasereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, mit einem sich entlang einer Strahlachse ausbreitenden Laserstrahl auf einer Oberfläche des Materialteils ein Plasma zu erzeugen, ein Spektrometersystem, das dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse eines von dem laserinduzierten Plasma emittierten Plasmalichts durchzuführen und in Entsprechung eines Ergebnisses der durchgeführten Spektralanalyse ein Ausgangssignal zu erzeugen, und eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal zu empfangen und die Sortiereinheit basierend auf dem Ausgangssignal und einem Sortierkriterium zu betreiben, wobei das Spektrometersystem ein Spektrometer und eine mit dem Spektrometer optisch verbundene Detektionseinheit aufweist, wobei die Detektionseinheit eine optische Durchgangsöffnung bereitstellt, durch die hindurch die Strahlachse verläuft und wobei die Detektionseinheit ein Objektiv aufweist, dem ein Detektionskegel zugeordnet ist, der in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl einen Plasmadetektionsbereich ausbildet.
Ein System der vorbeschriebenen, d. h. gattungsgemäßen Art ist aus der EP 3 352 919 B1 bekannt. Das vorbekannte System ermöglicht eine Sortierung von Materialteilen, insbesondere von Schrottteilen aus Aluminium, auf Basis einer laserinduzierten Plasmaspektroskopie, auch als LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) bezeichnet. Dabei wird die laserinduzierte Plasmaspektroskopie zur Bestimmung einer elementspezifischen Zusammensetzung eines Materialteils, d. h. einer Probe mithilfe eines Plasmas eingesetzt. Das Plasma wird mit hochintensiver, fokussierter Laserstrahlung an einer Oberfläche des Materialteils erzeugt. Vom Plasma imitiertes Licht wird detektiert und spektral ausgewertet, um auf eine elementare Zusammensetzung des Materialteils rückzuschließen.
Gemäß dem vorbekannten System werden zu sortierende Materialteile einem Zuführmittel aufgegeben. Bei dem Zuführmittel kann es sich beispielsweise um schwingungsbewegte Platten handeln, die eine Zuführfläche bereitstellen, entlang derer die Materialteile bewegt werden.
Mittels des Zuführmittels werden die zu analysierenden und sortierenden Materialteile gemäß der EP 3 352 919 B1 einer Rutsche aufgegeben. Der Schwerkraft folgend rutschen die Materialteile die Rutsche herunter und verlassen diese über eine untere Randkante der Rutsche. Von hier aus bewegen sich die zu analysierenden und zu sortierenden Materialteile nach wie vor der Gewichtskraft folgend im freien Fall durch die Umgebungsatmosphäre hindurch. Dabei dienen das Zuführmittel und die Rutsche dafür, dass eine Vereinzelung der Materialteile stattfindet und diese im freien Fall durch einen räumlich definierten Fallkorridor hindurchbewegt werden.
Während des freien Falls findet für jedes die Rutsche verlassende Materialteil eine laserinduzierte Plasmaspektroskopie statt. Zu diesem Zweck ist eine Lasereinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, mit einem sich entlang einer Strahlachse ausbreitenden Laserstrahl auf einer Oberfläche eines Materialteils ein Plasma zu erzeugen. Des Weiteren ist ein Spektrometersystem vorgesehen, das dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse eines von dem laserinduzierten Plasma emittierten Plasmalichts durchzuführen und in Entsprechung eines Ergebnisses der durchgeführten Spektralanalyse ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Dieses Ausgangssignal dient dann in Kombination mit einem Sortierkriterium im Weiteren einer Sortiereinheit dazu, die die Rutsche verlassenden Materialteile einer von zwei Fraktionen zuzuführen. Als Sortiereinheit kann beispielsweise eine Luftdüse zum Einsatz kommen, die mittels der Steuervorrichtung entsprechend angesteuert wird. Aus dem Strom an Materialteilen, die die Rutsche verlassen, können so unter Luftdruckeinwirkung bestimmte Materialteile aussortiert werden. Im Ergebnis stehen so eine Fraktion von aussortierten und eine Fraktion von nicht aussortierten Materialteilen.
Typischerweise dient das vorbekannte System dazu, Materialteile einer bestimmten Zusammensetzung zu erkennen und von Materialteilen einer anderen Zusammensetzung zu trennen. Dabei erfolgt eine solche Trennung entweder deshalb, weil ein Materialteil einer ungewünschten Zusammensetzung erkannt und mittels der Sortiereinheit ausgeschleust wird oder weil die Zusammensetzung eines Materialteils nicht sicher festgestellt werden konnte und deshalb eine Ausschleusung mittels der Sortiereinheit stattfindet. Die Fraktion der ausgeschleusten Materialteile setzt sich mithin zusammen aus in ihrer Zusammensetzung eindeutig identifizierten und nicht gewünschten Materialteilen einerseits und in ihrer Zusammensetzung nicht eindeutig identifizierten Materialteilen andererseits.
Obgleich sich das vorbeschriebene System im alltäglichen Praxiseinsatz bewährt hat, besteht Verbesserungsbedarf. So hat sich insbesondere gezeigt, dass staubbedingte Verunreinigungen insbesondere des Objektivs dazu führen können, dass die Anzahl der nicht eindeutig identifizierten Materialteile mit einer zunehmenden Betriebsdauer des Systems steigt. Im Ergebnis sinken die Sortierqualität und/oder die Durchsatzmenge. Des Weiteren kann es staubbedingt zu einem ungewollten Zusetzen der optischen Durchgangsöffnung für den Laserstrahl kommen, was ebenfalls zu einer Verschlechterung des Sortierergebnisses führen kann. Im schlimmsten Fall kann es sogar zu einem Komplettausfall des Systems kommen, nämlich dann, wenn sich Staub- beziehungsweise Staubpartikel auf einer zur Fokussierung vorgesehenen Laserlinse festbrennen. Denn ein solches Festbrennen führt zu einem Linsendefekt, der den Laserstrahl in ungewollter Weise streuen lässt und zudem mit der Zeit wachsen kann, sodass im schlimmsten Fall ein Linsenriss entsteht, der zu einem Komplettausfall führt.
Es ist deshalb ausgehend vom vorbeschriebenen Stand der Technik die Aufgabe der Erfindung, ein System der eingangs genannten Art konstruktiv dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine gleichbleibend hohe, wenn nicht sogar gesteigerte Sortiereffizienz erreicht ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein System der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Detektionseinheit ein Schutzgehäuse trägt, das den Laserstrahl sowie den Detektionskegel umgibt.
Es ist erfindungsgemäß ein Schutzgehäuse vorgesehen, das sowohl den Laserstrahl als auch den Detektionskegel des Objektivs vor einem ungewollten Staub- beziehungsweise Partikeleintrag von außen schützt. Staubbedingte Schwankungen der Sortiereffizienz sind damit in wirkungsvoller Weise minimiert, womit eine auch über die Zeit zumindest gleich bleibleibend gute Sortiereffizienz sichergestellt ist.
Das erfindungsgemäße Schutzgehäuse umgibt den Laserstrahl sowie den Detektionskegel. Der Laserstrahl und der Detektionskegel sind mithin durch einen vom Schutzgehäuse bereitgestellten Volumeninnenraum hindurchgeführt. Dieser Volumeninnenraum ist dank der Abkapselung durch das Schutzgehäuse weitestgehend frei von Fremdpartikeln, insbesondere Staubpartikeln und/oder dergleichen Verunreinigungen, sodass weder der Laserstrahl noch der Detektionskegel in ihrer Funktionsweise beeinträchtigt sind. Ferner sorgt das Schutzgehäuse in vorteilhafter Weise dafür, dass sich insbesondere auf der Optik nicht ungewollt Staub- oder andere Fremdpartikel ansammeln können, wodurch die Gefahr eines Linsendefekts durch das Einbrennen solcher Partikel minimiert ist.
Das erfindungsgemäße Schutzgehäuse stellt mithin einerseits sicher, dass der vom Schutzgehäuse bereitgestellte und sowohl vom Laserstrahl als auch vom Detektionskegel durchquerte Volumenraum weitestgehend frei von Staub- oder ähnlichen Fremdpartikeln gehalten wird, und gewährleistet andererseits, dass ein Ansammeln auf der Optik oder ein Zusetzen der Durchgangsöffnung durch Staub- oder andere Fremdpartikel vermieden ist. Im Ergebnis ist so eine auch über die Zeit zumindest gleichbleibende, wenn nicht sogar gesteigerte Sortiereffizienz sichergestellt, und dies in konstruktiv einfacher und damit kostengünstiger Weise.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Schutzgehäuse entlang der Strahlachse des Laserstrahls erstreckt. Das Schutzgehäuse ist an der Detektionseinheit angeordnet, wird mithin von dieser getragen und erstreckt sich von der Detektionseinheit in Richtung der Längsachse des Laserstrahls, mithin entlang der Strahlachse. Der Laserstrahl und somit auch der Detektionsbereich des Objektivs sind so vom Schutzgehäuse eingehaust, womit eine sichere Abschirmung sowohl des Objektivs als auch der Durchgangsöffnung für den Laserstrahl vor Staub- oder anderen Fremdpartikeln gegeben ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Schutzgehäuse über einen Teil der Strecke zwischen der Detektionseinheit und dem Plasmadetektionsbereich erstreckt.
Der Plasmadetektionsbereich befindet sich außerhalb des Schutzgehäuses. Ansonsten wäre eine bestimmungsgemäße Materialteildetektion nicht möglich. Für ein möglichst staub- beziehungsweise fremdpartikelfreies Heranführen sowohl des Laserstrahls als auch der Detektionskegel an den Plasmadetektionsbereich erstreckt sich das Schutzgehäuse über zumindest einen Teil der Strecke zwischen der Detektionseinheit und dem Plasmadetektionsbereich. Bevorzugter Weise erstreckt sich das Schutzgehäuse indes bis hin zum Plasmadetektionsbereich, sodass der gesamte Streckenabschnitt zwischen Detektionseinheit und Plasmadetektionsbereich mittels des Schutzgehäuses möglichst abgedeckt ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzgehäuse ein kegelstumpfförmig ausgebildeter Rohrabschnitt ist. Das Schutzgehäuse ist mithin als Rohr ausgebildet, das sich plasmadetektionsbereichsseitig verjüngt. Durch diese Verjüngung ist vorteilhafter Weise zweierlei bewirkt. Zum einen ist das Schutzgehäuse detektionseinheitenseitig groß genug ausgebildet, um die von der Detektionseinheit bereitgestellte Optik einerseits und die von der Detektionseinheit bereitgestellte Durchgangsöffnung für den Laser andererseits vollumfänglich aufnehmen zu können. Die gesamte Optik sowie die Durchgangsöffnung sind durch das Schutzgehäuse mithin abgedeckt und somit vor einem ungewollten äußeren Einfluss geschützt.
In Folge der Verjüngung des Schutzgehäuses in Richtung auf den Plasmadetektionsbereich wird zum anderen eine Austrittsöffnung bereitgestellt, die so klein wie möglich ausgebildet ist, allerdings noch so hinreichend groß genug, dass der Laserstrahl und der Detektionskegel im Plasmadetektionsbereich in gewünschter Weise zur Ausbildung kommen, durch das Schutzgehäuse also nicht in ihrer Ausbildung beeinträchtigt sind. Dabei ist der Austrittsquerschnitt des Schutzgehäuses deshalb möglichst klein auszubilden, um einen ungewollten Staub- oder Fremdpartikeleintrag durch die Austrittsöffnung hindurch in das Schutzgehäuse zu minimieren. Es ist in diesem Zusammenhang bevorzugt, dass die Austrittsöffnung einen Durchmesser von 9 mm bis 13 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 12 mm, noch mehr bevorzugt von 11 mm aufweist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzgehäuse laserstrahleintrittsseitig an eine Pressluftversorgung angeschlossen ist.
Mittels der Pressluftversorgung ist es möglich, das Schutzgehäuse mit Luft zu fluten und zu durchströmen. Dabei wird die Luft dem Schutzgehäuse laserstrahleinrichtungsseitig aufgegeben, sodass die Luft das Schutzgehäuse in Laserstrahlausbreitungsrichtung durchströmt und selbiges über die Austrittsöffnung verlässt.
Die Luftdurchspülung des Schutzgehäuses erbringt im Wesentlichen zwei Vorteile. Zum einen wird das Schutzgehäuse vollständig frei von ungewollten Staub- oder Fremdpartikeln gehalten, da etwaige Staub- oder andere Fremdpartikel, die über die Austrittsöffnung in das Schutzgehäuse eindringen könnten, druckluftbedingt ausgeblasen werden. Zum anderen bildet sich ausgangsöffungsseitig eine Luftsäule um den Laserstrahl herum. Damit kann auch der Plasmadetektionsbereich frei von Staub- oder anderen Fremdpartikeln gehalten werden, sodass mittels des Laserstrahls ein staubpartikelfreier Zugriff auf die zu sortierenden Materialteile stattfinden kann. Dies optimiert die Lasererkennung, was die Sortiereffizienz des erfindungsgemäßen Systems weiter steigert.
Das Schutzgehäuse ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung aus einem Material gebildet, das eine Innenoberfläche bereitstellt, die eine Reflektion weitestgehend vermindert. Als Material kommt insbesondere Kunststoff in Frage, der anders als Metall keine glänzende Oberfläche bereitstellt. Etwaiges von außen in das Schutzgehäuse eindringende Streulicht wird so weitestgehend absorbiert, wodurch eine optimierte Linsennutzung ermöglicht ist, da keine Streulichteffekte den Linsenbetrieb beeinträchtigen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird in diesem Zusammenhang gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, dass die Innenoberfläche des Schutzgehäuses aufgeraut ausgebildet ist. Die Aufrauhung sorgt dafür, dass eventuell auftretende Streulichteffekte zu einer diffusen Reflektion führen, was dazu beiträgt, die Lichtabsorptionsrate zu maximieren. Sowohl die Materialwahl als auch die Ausgestaltung der Innenoberfläche könne mithin in vorteilhafter Weise dafür Sorge tragen, dass eine zusätzliche Effizienzsteigerung dadurch erreicht wird, dass eine Beeinträchtigung der Optik durch Streulicht vermieden ist. Das erfindungsgemäße Schutzgehäuse erbringt somit in synergetischer Weise zwei Effekte. Zum einen wird eine Beeinflussung durch Staub- oder andere Fremdpartikel minimiert und zum anderen ergibt sich insbesondere eine Abschirmung der Optik gegenüber Streulicht. Im Ergebnis der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann so nicht nur eine über die Zeit gleichbleibende Sortiereffizienz und -qualität sichergestellt werden, im Unterschied zum Stand der Technik ergibt sich zudem eine Steigerung der Sortiereffizienz und -qualität. Das erfindungsgemäße System erlaubt deshalb im Unterschied zum Stand der Technik eine erhöhte Durchsatzmenge.
Das Schutzgehäuse ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung in einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Dies ermöglicht eine insbesondere kostengünstige Herstellung, da das kegelstumpfförmig ausgebildete Schutzgehäuse nicht in einfacher Weise durch Drehen oder Fräsen hergestellt werden kann. Zudem ermöglicht es ein D3-Druckverfahren, den Kegelstumpf bei gleichzeitiger Bereitstellung einer wunschgemäßen rauen Innenoberfläche auszubilden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen

1 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäße System;
2 in schematischer Darstellung die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems;
3 in einer weiteren schematischen Darstellung die Funktionsweise eines LIBS-Moduls des erfindungsgemäßen Systems;
4 in schematischer Seitenansicht ausschnittsweise das Modul nach 3;
5 in teilgeschnittener Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Schutzgehäuse und
6 in vergrößerter schematischer Darstellung ein Spektrometersystem gemäß dem erfindungsgemäßen System nach 1.

1 lässt in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße System 100 erkennen.
Das System 100 ist dazu eingerichtet, ein Materialteil 120 einer laserinduzierten Plasmaspektroskopie zu unterziehen und in Abhängigkeit des Ergebnisses der Spektralanalyse zu sortieren, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Fraktionen F1 und F2 vorgesehen sind, denen das Materialteil 120 zugeordnet werden kann. Zur Aufnahme der jeweiligen Fraktionen F1 und F2 dienen Sammelstellen 170, beispielsweise in Form von Behältern.
Wie die schematische Darstellung nach 1 ferner erkennen lässt, verfügt das System 100 über ein Zuführmittel 110 gefolgt von einer Rutsche 130. Im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall wird ein Materialteil 120 dem Zuführmittel 110 aufgegeben. Das Zuführmittel 110 dient dem Transport des Materialteils 120 entlang einer vom Zuführmittel bereitgestellten Zuführfläche 111, und zwar bis zu einem oberen Abschnitt 131 der Rutsche 130. Hier wird das Materialteil 120 vom Zuführmittel 110 auf die Rutsche 130 übergeben.
Das Zuführmittel 110 kann als schwingbewegte Platte ausgebildet sein. Es dient insbesondere dazu, eine Mehrzahl von auf das Zuführmittel 110 aufgegebenen Materialteilen 120 zu vereinzeln, so dass diese im weiteren voneinander beabstandet der Rutsche 130 zugeführt werden können.
Ein auf die Rutsche 130 übergebenes Materialteil 120 rutscht der Schwerkraft folgend die Rutsche 130 hinunter, bis zur unteren Randkante 132 der Rutsche, die dem oberen Abschnitt 131 der Rutsche 130 gegenüberliegend ausgebildet ist. Es ist insbesondere die Aufgabe der Rutsche 130, das Materialteil 120 auszurichten und in einen definierten Fallkorridor zu überführen.
Mit Verlassen der Rutsche 130 bewegt sich das Materialteil 120 nach wie vor unter Schwerkrafteinwirkung im freien Fall durch die Umgehungsatmosphäre. Dabei passiert es das erfindungsgemäße Spektrometersystem 1. Dieses sorgt für eine Analyse des Materialteils 120, wie dies im Weiteren noch näher beschrieben werden wird. In Entsprechung eines Ergebnisses einer durchgeführten Spektralanalyse erzeugt das Spektrometersystem 1 ein Ausgangssignal. Dieses wird einer Steuereinrichtung 150 zugeführt, die in Abhängigkeit dieses Ausgangssignals einerseits und einem Sortierkriterium andererseits eine Sortiereinheit 160 betreibt, das heißt ansteuert. Mittels dieser Sortiereinheit 160 wird das Materialteil 120 in seinem freien Fall entweder abgelenkt oder es findet keine Ablenkung statt. Für den Fall, dass keine Ablenkung stattfindet, gelangt das Materialteil 120 zur Sammelstelle 170 der Fraktion F2. Andernfalls, wenn also eine Aussortierung mittels der Sortiereinheit 160 stattfindet, gelangt das Materialteil 120 zur Sammelstelle 170 für die Fraktion F1.
Zur Analyse der Zusammensetzung des Materialteils 120 dient das Spektrometersystem 1, das Teil eines erfindungsgemäßen LIBS-Moduls 180 ist. Dabei gehören zum LIBS-Modul 180 ferner eine Lasereinrichtung 140 sowie die Steuervorrichtung 150. Bevorzugterweise sind die Lasereinrichtung 140, das Spektrometersystem 1 und die Steuervorrichtung 150 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, was in 1 nicht im Einzelnen dargestellt ist.
Die Lasereinrichtung 140 besteht ihrerseits aus weiteren Einzelkomponenten, beispielsweise einer Laserstrahlquelle 9, einer Lichtleitfaser 9A und einer Fokussieroptik 11, wie dies insbesondere anhand der Darstellung nach 2 zu erkennen ist.
Wie dies im Weiteren noch anhand insbesondere der 2 und 3 erläutert werden wird, verfügt das Spektrometersystem 1 über eine Detektionseinheit 21, die ihrerseits mehrere Objektive bereitstellt. Jedem dieser Objektive ist ein Detektionskegel 35 zugeordnet, die in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl 5 jeweils einen Plasmadetektionsbereich 39 ausbilden. Diese Plasmadetektionsbereiche 39 sind entlang der Strahlachse des Laserstrahls 5 versetzt zueinander angeordnet und bilden zusammen einen Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 21 aus. Der Sichtbereich 41 setzt sich mithin aus den einzelnen Plasmadetektionsbereichen 39 zusammen, wodurch der von der Detektionseinheit insgesamt abgedeckte Detektionsbereich definiert ist.
2 zeigt eine schematische Übersicht eines Spektrometersystems 1 zur Spektralanalyse eines von einem Laserinduzierten Plasma 3 (schematisch als gefüllter Kreis angedeutet) emittierten Plasmalichts 3A. Detektierbares Plasmalicht 3A liegt beispielsweise im Wellenlängenbereich von UV-Licht, sichtbarem Licht, nahem Infrarotlicht und/oder Infrarotlicht; insbesondere kann zu detektierendes Plasmalicht im Spektralbereich von ca. 190 nm bis ca. 920 nm liegen. Bei LIBS wird das Plasma 3 mit einem Laserstrahl 5 auf einer Oberfläche 7A einer Probe 7 erzeugt.
Zur Erzeugung des, z. B. gepulsten, Laserstrahls 5 umfasst das Spektrometersystem 1 eine Laserstrahlquelle 9. Die Laserstrahlquelle 9 ist dazu ausgebildet, für die Plasmaerzeugung benötigte Laserstrahlparameter bereitzustellen. Der Laserstrahl 5 wird z. B. über eine Lichtleitfaser 9A einer Fokussieroptik 11 zugeführt und von dieser auf die Oberfläche 7A der Probe 7 (Materialteil 120 gemäß 1) fokussiert. Die Fokussieroptik 11 kann insbesondere als eine Laserkopfkomponente mit Fokussierfunktion wie eine insbesondere auf das Spektrum oder die Pulsdauer oder die Pulsenergie einwirkende aktive Laserkomponente mit Fokussierfunktion ausgebildet sein. Die Ausbreitung des Laserstrahls 5 zwischen Fokussieroptik 11 und Probe 7 erfolgt entlang einer Strahlachse 5A. Beispielhafte Fokusdurchmesser (1/e²-Strahldurchmesser in der Strahltaille) und Fokuslängen (doppelte Rayleigh-Längen) liegen im Bereich von <50 µm bis >250 µm bzw. im Bereich von <5 mm bis >1.000 mm.
Laserparameter können insbesondere derart eingestellt/gewählt werden, dass sich ein Bereich, in dem Plasmaerzeugung stattfinden kann (auch als Zündbereich bezeichnet), beispielsweise über eine Länge im Bereich von ca. 5 mm bis ca. 50 mm, beispielsweise über eine Länge von 10 mm, 20 mm oder 30 mm, entlang der Strahlachse 5A erstreckt.
2 zeigt schematisch eine entlang der Strahlachse 5A langgezogene Fokuszone 11A, wie sie im Bereich der Oberfläche 7A der Probe 7 ausgebildet wird. Das Plasma 3 bildet sich aufgrund der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material an der Oberfläche der Probe 7A aus. Bei LIBS liegen übliche Ausmaße (gemittelter Durchmesser) eines Plasmas 3 im Bereich von z. B. 0,1 mm bis 5 mm (abhängig von Probenmaterial und Laserparameter).
Das Spektrometersystem 1 umfasst ferner ein optisches Spektrometer 13 zur Spektralanalyse des Plasmalichts 3A. Das optische Spektrometer 13 ist in 2 beispielhaft als Gitterspektrometer dargestellt. Allgemein umfasst das Spektrometer 13 mindestens ein dispersives Element 13A, z. B. ein Gitter, ein Prisma oder ein Gitterprisma, und einen pixelbasierten Detektor 13B, auf den das Plasmalicht spektral aufgeweitet auftrifft. Den Pixeln des Detektors 13B sind spektrale Komponenten des zu analysierenden Plasmalichts 3A zugeordnet. Der Detektor 13B gibt Intensitätswerte der bestrahlten Pixel an eine Auswerteeinheit 15, üblicherweise ein Computer mit einem Prozessor und einem Speicher, aus. Die Auswerteeinheit 15 gibt eine gemessene spektrale Verteilung 17 aus und vergleicht diese beispielsweise mit abgelegten Vergleichsspektren, um dem Plasmalicht 3A und damit der untersuchten Probe 3 die zum Plasmalicht 3A beitragenden Elemente zuzuordnen und als Ergebnis der spektralen Untersuchung auszugeben.
Im Spektrometer 13 ist ein (spektralabhängiger) Strahleingang für das zu analysierende Plasmalicht durch eine Eintrittsapertur 19, üblicherweise ein Eintrittsspalt 19A, festgelegt.
Das Spektrometersystem 1 umfasst ferner eine Detektionseinheit 21 mit einer Objektivhalterung 23 und mehreren Objektiven 25A, 25B, 25C, die von der Objektivhalterung 23 gehalten werden. Beispielhaft werden in den Figuren drei Objektive gezeigt, zwei in der Bildebene und eines dahinterliegend. Die Anzahl der verwendeten Objektive kann in Abhängigkeit räumlicher und optischer Parameter sowie Parameter des Materials der zu untersuchenden Probe ausgewählt werden; sie liegt z. B. im Bereich von 2 bis 20, beispielsweise bei 4, 5, 8, 9 oder 15 Objektiven.
Das Spektrometersystem 1, insbesondere die Detektionseinheit 21, umfasst ferner ein optisches Lichtleitsystem 27, das die Objektive 25A, 25B, 25C mit dem Spektrometer 13 optisch verbindet. Das Lichtleitsystem 27 stellt mehrere optische Eingänge 29, die jeweils optisch einem der Objektive 25A, 25B, 25C zugeordnet sind, und einen (den Objektiven gemeinsamen, funktionellen) optischen Ausgang 31, der optisch der Eintrittsapertur 19 zugeordnet ist, bereit.
Jedes der Objektive 25A, 25B, 25C ist zum Erfassen eines Messanteils 33 des Plasmalichts 3A eingerichtet und umfasst mindestens ein fokussierendes optisches Element, wie z. B. eine Sammellinse oder einen konkaven Spiegel. Jedem der Objektive 25A, 25B, 25C ist ein Detektionskegel 35 zugeordnet. Die Strahlachse 5A verläuft durch die Detektionskegel 35, wobei die Detektionskegel 35 im Bereich des Laserstrahls 5 eine eingestellte Mindestgröße aufweisen. Jeder der Detektionskegel 35 umfasst in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl 5 einen Plasmadetektionsbereich 39, der dem entsprechenden Objektiv 25A, 25B, 25C zugeordnet ist. Beispielsweise weisen die Detektionskegel 35 eine Länge von einer Eintrittsapertur eines Objektivs zum Laserstrahl im Bereich von 200 mm bis 400 mm auf. Beispielhaft wird in 2 das Plasma 3 im Plasmadetektionsbereich 39 des Objektivs 25B erzeugt, sodass der zugehörige Messanteil 33 des Plasmalichts 3A vom Objektiv 25B erfasst und auf den zugeordneten optischen Eingang 29 des Lichtleitsystems 27 abgebildet wird. Von einem oder mehreren Objektiven erfasste Messanteile 33 werden vom optischen Lichtleitsystem 27 zum gemeinsamen optischen Ausgang 31 geleitet und durch die Eintrittsapertur 19 in das optische Spektrometer 13 zur spektralen Analyse eingekoppelt.
2 zeigt beispielhaft drei Objektive 25A, 25B, 25C, die azimutal verteilt um die Strahlachse 5A angeordnet sind. Die Objektive 25A und 25B liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Strahlachse 5A und sind somit von gegenüberliegenden Seiten auf die Strahlachse 5A gerichtet. Das Objektiv 25C ist von hinten auf die Strahlachse 5A gerichtet.
Ein weiteres Objektiv (in 2 nicht gezeigt) kann beispielsweise von vorne auf die Strahlachse 5A gerichtet sein oder mithilfe eines Strahlteilers entlang der Strahlachse 5A auf die Fokuszone 11A gerichtet sein. Zur Verdeutlichung sind in 2 die Detektionskegel 35 konisch auf die Strahlachse 5A zulaufend gestrichelt angedeutet, wobei die Fokuszone 11A, das Plasma 3 und die Plasmadetektionsbereiche 39 zur Verdeutlichung im Vergleich zu den Detektionskegeln 35 übergroß dargestellt sind.
3 zeigt eine Halterungsplatte 23A der Detektionseinheit 21 des LIBS-Systems zur Verdeutlichung der Anordnung und Ausrichtung der Objektive 25A, 25B, 25C. Zur ortsfesten Montage der Objektive weist die Halterungsplatte 23A Objektivhalterungsöffnungen zur Aufnahme der Objektive 25A, 25B, 25C auf. Die Objektivhalterungsöffnungen sind jeweils in einem radialen Abstand zur Strahlachse 5A angeordnet und für eine schräge Ausrichtung der Objektive 25A, 25B, 25C auf die Strahlachse 5A ausgebildet.
Wie in 4 angedeutet, bilden die Plasmadetektionsbereiche 39 zusammen einen Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 21 aus. Der Sichtbereich 41 erstreckt sich entlang der Strahlachse 5A im Bereich der Fokuszone 11A.
Ferner erkennt man in 2 eine optische Durchgangsöffnung 43 in der Halterungsplatte 23A, die dazu dient, den Laserstrahl durch die Halterung 23 und an den Objektiven 25A, 25B, 25C vorbei auf die Probe 7 richten zu können.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften LIBS-Messkopfs, der über eine Lichtleitfaser 9A mit einer Laserstrahlquelle verbunden ist. Die Halterung 23 des LIBS-Messkopfs umfasst eine Längsträgerplatte 23B, an der eingangsseitig eine Befestigung für die Lichtleitfaser 9A und die Fokussieroptik 11 (Laserkopf mit Strahlformung) vorgesehen ist. An der Längsträgerplatte 23B ist ferner das optische Spektrometer 13 befestigt sowie die Halterungsplatte 23A für vier Objektive 25A, 25B, 25C, 25D (allgemein eine n>1-fache Eintrittsoptik) vorgesehen. Die Objektive 25A, 25B, 25C, 25D sind dazu eingerichtet, von Plasmadetektionsbereichen 39, die entlang der Strahlachse 5A versetzt zueinander angeordnet sind, Messanteile von Plasmalicht zu erfassen und über das Lichtleitsystem 27 (beispielsweise ein Faserbündel mit n>1 Eingängen und einem funktionellen Ausgang - „n-auf-1-Faserbündel“) dem Spektrometer 13 zur spektralen Analyse zuzuführen. Beispielhaft sind in 3 Lichtleitfasern 45 des Lichtleitsystems 27 dargestellt, die die Objektive mit dem gemeinsamen Spektrometer 13 optisch verbinden. Mit dem Lichtleitsystem 27 können die Messanteile im Spektrometer 13 (oder optional vor Einkopplung in das Spektrometer 13) für einen Messvorgang kombiniert werden.
4 lässt in schematischer Seitenansicht ausschnittsweise das Modul nach 3 erkennen, wobei die Halterungsplatte 23A mit einem erfindungsgemäßen Schutzgehäuse 200 ausgerüstet ist.
Wie sich aus der Darstellung nach 4 entnehmen lässt, ist das Schutzgehäuse 200 ein kegelstumpfförmig ausgebildeter Rohrabschnitt. Dieser erstreckt sich entlang der Strahlachse 5A des Laserstrahls 5 ausgehend von der Halterungsplatte 23A bis hin zum Sichtbereich 41, das heißt bis hin zu dem in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 5 ersten Plasmadetektionsbereich 39. Mittels des Schutzgehäuses 200 ist mithin die Strecke zwischen dem Plasmadetektionsbereich 39 und der Halterungsplatte 23A in Längsrichtung des Laserstrahls 5 im Wesentlichen überbrückt.
Das Schutzgehäuse 200 umgibt sowohl den Laserstrahl 5 als auch die Detektionskegel 35, die jeweils den Objektiven 25A bis 25D zugeordnet sind. Den Laserstrahl 5 und die Detektionsbereiche 35 sind mithin durch das Schutzgehäuse 200 eingehaust.
Mittels des Schutzgehäuses 200 werden im Wesentlichen zwei Effekte erzielt. Zum einen sind die Objektive 25A bis 25D ebenso wie die in der Halterungsplatte 23A ausgebildete optische Durchgangsöffnung 43 für den Laserstrahl 5 vor einem ungewollten Einfluss von aus der Umgebung stammenden Staub- und/oder anderen Fremdpartikeln geschützt. Eine ungewollte Beeinträchtigung der Objektive 25A bis 25D sowie der Durchgangsöffnung 43 durch Staub- und/oder andere Fremdpartikel ist damit weitestgehend ausgeschlossen.
Zum anderen wird auch der vom Schutzgehäuse bereitgestellte und im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall sowohl vom Laserstrahl 5 als auch von den Detektionskegeln 35 durchquerte Volumenraum frei von Staub- und/oder anderen Fremdpartikeln gehalten, sodass sowohl der Laserstrahl 5 als auch die Detektionskegel 35 in ihrer bestimmungsgemäßen Funktion unbeeinträchtigt sind.
Das Schutzgehäuse 200 ist an eine in den Figuren nicht im Besonderen dargestellte Presslufteinheit angeschlossen. Mittels dieser kann dem Schutzgehäuse 200 halterungsplattenseitig Druckluft aufgegeben werden, welche das Schutzgehäuse 200 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 5 durchströmt. In Folge einer solchen Luftdurchströmung werden etwaige Staub- und/oder andere Fremdpartikel effektiv daran gehindert, in das Schutzgehäuse 200 über die plasmadetektionsbereichsseitige Austrittsöffnung 203 des Schutzgehäuses 200 in dieses eindringen zu können.
Die Luftbeaufschlagung des Schutzgehäuses 200 bringt ferner den Vorteil mit sich, dass austrittsöffnungsseitig des Schutzgehäuses 200 ein Luftkegel beziehungsweise eine Luftsäule 201 ausgebildet wird, die den Laserstrahl 500 umhüllt. Es wird hierdurch der positive Effekt erzielt, dass auch der sich aus den Plasmadetektionsbereichen 39 zusammengesetzte Sichtbereich 41 weitestgehend frei von Staub- und/oder anderen Fremdpartikeln gehalten wird.
5 lässt das erfindungsgemäße Schutzgehäuse 200 ausschnittsweise in einer teilgeschnittenen Seitenansicht erkennen. Wie sich insbesondere aus dieser Darstellung ergibt, verläuft das Schutzgehäuse 200 kegelstumpfartig und stellt ausgangsseitig die Austrittsöffnung 203 zur Verfügung. Diese ist im Querschnitt vorzugsweise kreisförmig ausgebildet und wird vom Laserstrahl 5 mittig durchquert.
Das Schutzgehäuse 200 besteht vorzugsweise aus Kunststoff, mit möglichst geringen bis gar keinen Reflektionseigenschaften. Etwaiges über die Austrittsöffnung 203 in das Schutzgehäuse 200 eindringendes Streulicht wird so weitestgehend absorbiert, sodass eine Beeinträchtigung der vom Schutzgehäuse 200 abgedeckten Optik durch reflektierendes Streulicht vermieden ist. In diesem Zusammenhang ist ferner vorgesehen, die Innenoberfläche 203 des Schutzgehäuses 200 aufgeraut auszubilden. Dies führt bei einem in das Schutzgehäuse eindringendem Streulicht zu einer diffusen Reflektion, was ebenfalls hilft, eine ungewollte Beeinträchtigung der vom Schutzgehäuse 200 abgedeckten Objektive 25A bis 25D zu minimieren.
6 zeigt noch einmal eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Systems 100 gemäß 1. Zu erkennen ist hier, dass in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Materialteile vorgesehen sind, und zwar Materialteile 120B aus Kunststoff und Materialteile 120A aus Aluminium. In schon vorbeschriebener Weise kann mittels des erfindungsgemäßen Spektrometersystems 1 eine Aussortierung dahingehend stattfinden, dass die Materialteile 120A von den Materialteilen 120B getrennt werden. Zu diesem Zweck erfolgt mittels der Sortiereinheit 160 im Falle der Erkennung eines Materialteils 120B aus Kunststoff ein Ausschleusen desselben. Die Sortiereinheit 160 verfügt zu diesem Zweck über eine Luftdruckdüse, mittels der ein Kunststoffteil 120B aus dem Strom an Materialteilen ausgeschleust werden kann. Infolge einer solchen Sortierung sammeln sich an den Sammelstellen 170 voneinander getrennt Materialteile 120B aus Kunststoff einerseits und Materialteile 120A aus Aluminium andererseits an.
Bezugszeichen

1: Spektrometersystem
3: Plasma
3A: Plasmalicht
5: Laserstrahl
5A: Strahlachse
7: Probe
7A: Oberfläche
9: Laserstrahlquelle
9A: Lichtleitfaser
11: Fokussieroptik
11A: Fokuszone
13: optisches Spektrometer
13A: dispersives Element
13B: Detektor
15: Auswerteeinheit
17: spektrale Verteilung
19: Eintrittsapertur
19A: Eintrittsspalt
21: Detektionseinheit
23: Objektivhalterung
23A: Halterungsplatte
23B: Längsträgerplatte
25A: Objektiv
25B: Objektiv
25C: Objektiv
25D: Objektiv
27: Lichtleitsystem
29: optischer Eingang
31: optischer Ausgang
33: Messanteil
35: Detektionskegel
39: Plasmadetektionsbereich
41: Sichtbereich
43: optische Durchgangsöffnung
45: Lichtleitfaser
100: System
110: Zuführmittel
111: Zuführfläche
120: Materialteil
120A: Aluminiumteil
120B: Kunststoffteil
130: Rutsche
131: oberer Abschnitt
132: untere Randkante
140: Lasereinrichtung
150: Steuervorrichtung
160: Sortiereinheit
170: Sammelstelle
180: LIBS-Modul
200: Schutzgehäuse
201: Luftsäule
202: Innenoberfläche
203: Austrittsöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3352919 B1 [0002, 0004]

Claims

System zum Analysieren und Sortieren eines Materialteils, insbesondere eines Schrottteils aus Aluminium, umfassend: - ein Zuführmittel (110) zum Transportieren des Materialteils (120), - eine Sortiereinheit (160), die dazu eingerichtet ist, das Materialteil (120) einer von zwei Fraktionen (F1, F2) zuzuführen, - eine Lasereinrichtung (140), die dazu eingerichtet ist, mit einem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche (7A) des Materialteils (120) ein Plasma (3) zu erzeugen, - ein Spektrometersystem (1), das dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse eines von dem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A) durchzuführen und in Entsprechung eines Ergebnisses der durchgeführten Spektralanalyse ein Ausgangssignal zu erzeugen, und - eine Steuervorrichtung (150), die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal zu empfangen und die Sortiereinheit (160) basierend auf dem Ausgangssignal und einem Sortierkriterium zu betreiben, - wobei das Spektrometersystem (1) ein Spektrometer (13) und eine mit dem Spektrometer (13) optisch verbundene Detektionseinheit (21) aufweist, - wobei die Detektionseinheit (21) eine optische Durchgangsöffnung (43) bereitstellt, durch die hindurch die Strahlachse (5A) verläuft und - wobei die Detektionseinheit (21) ein Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) aufweist, dem ein Detektionskegel (35) zugeordnet ist, der in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl (5) einen Plasmadetektionsbereich (39) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (21) ein Schutzgehäuse (200) trägt, das den Laserstrahl (5) sowie den Detektionskegel (35) umgibt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schutzgehäuse (200) entlang der Strahlachse (5A) des Laserstrahls (5) erstreckt.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schutzgehäuse (200) über einen Teil der Strecke zwischen der Detektionseinheit (21) und dem Plasmadetektionsbereich (39) erstreckt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schutzgehäuse (200) bis hin zum Plasmadetektionsbereich (39) erstreckt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgehäuse (200) ein kegelstumpfförmig ausgebildeter Rohrabschnitt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgehäuse (200) lasereintrittsseitig an eine Pressluftversorgung angeschlossen ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgehäuse (200) laserstrahlaustrittsseitig eine im Querschnitt kreisförmige Austrittsöffnung (203) bereitstellt.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (203) einen Querschnitt von 9 mm bis 13 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 12 mm, noch mehr bevorzugt von 11 mm aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgehäuse (200) aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (202) des Schutzgehäuses (200) aufgeraut ausgebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgehäuse (200) in einem 3D-Druckverfahren hergestellt ist.