DE4128176A1 - Vorrichtung zur automatisierten sortierung von gegenstaenden - Google Patents

Description

Die allgemeine Forderung, zum Schutz der Umwelt und zur Scho­ nung von Ressourcen Abfallrecycling zu betreiben, erfordert neue Technologien für die Umsetzung dieser Aufgabe. Neben dem Weg, in zunehmendem Maße schon bei der Konstruktion und Her­ stellung eines Gegenstandes durch Auswahl und Kennzeichnung von Werkstoffen auf die spätere Wiederverwertung Rücksicht zu neh­ men, stellt sich heute die Aufgabe, aus dem Vielstoffgemenge "Müll" verwertbare Stoffe mit einem Höchstmaß an Differenzie­ rung selektiv zurückzugewinnen. Es gibt Verfahren und Apparate, die Weiches von Hartem, Metall von anderen Stoffen u. ä. tren­ nen können.

Die etablierten Verfahren kommen an ihre Grenzen, wenn z. B. Kunststoffteile nach Stoffgruppen getrennt werden sollen. Ar­ tenreiner Kunststoffmüll ist heute nur zu erreichen, wenn schon bei der Müllentstehung eine Vermischung mit Fremdstoffen vermie­ den wird. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, Kunststoff­ gegenstände von Hand zu verlesen. Hierzu ist jedoch eine Person mit einer ausreichenden werkstofftechnischen Fachkenntnis erfor­ derlich, die Fehlerquote kann beträchtlich und damit nicht tole­ rierbar sein, der Arbeitsplatz ist unattraktiv und die Vorgehens­ weise ist sehr lohnintensiv und wenig leistungsfähig.

Ziel der Erfindung ist es, eine funktionssichere und leistungs­ fähige Vorrichtung bereitzustellen, die die automatisierte Klas­ sifizierung und Sortierung von Gegenständen wie z. B. Kunststoff­ teilen ermöglicht und die Arbeitsplätze mit der Gefahr von Belastun­ gen durch Verletzungen oder Immissionen vermeidet bzw. beseitigt.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bereits bekannte Vorrichtungen wie Förderbandanlagen, Rutschen o. ä., auf denen die Gegenstände als einzelne Teile mit lichten Zwischenräumen aufgegeben werden, mit einer Vorrichtung zur werkstofftechnischen Klassifizierung der Gegenstände ausge­ rüstet werden.

Bei den bevorzugt zu behandelnden Kunststoffteilen wird die Eigenart ausgenutzt, daß das Material durch eine kurzzeitige Beaufschlagung mit einer energiereichen Strahlung angeregt wird, einerseits eine multispektrale, charakteristische elektromagnetische Signatur zu emittieren, die eine eindeutige Information über die stoffliche Zusammensetzung des Gegenstan­ des enthält. Durch Erfassung des emittierten Spektrums und Ver­ gleich mit Spektren bekannter Stoffe wird bei Übereinstimmung ein Steuersignal erzeugt, welches den gewünschten Sortiervor­ gang auslöst.

Um ein geeignetes Emissionsspektrum zu erzeugen, sind Pulslei­ stungen im Bereich von 10 bis 100 Joule empfehlenswert; dieser Wert wird jedoch stark von den spezifischen Absorptionseigen­ schaften der Gegenstände und deren Oberflächen beeinflußt. Die Pulsdauer sollte weniger als 1 Millisekunde betragen. Die er­ forderliche Leistungsdichte im Fokus sollte einen Wert von 10⁶ W/cm² nicht unterschreiten. Bei Verwendung eines Nd : YAG-Fest­ körperlasers (Wellenlänge: 1060 nm) werden bei Anwendung dieser Parameter in Luft im Fokus Plasmatemperaturen in Höhen von 7000- 8000 K erreicht. Bei Anwendung einer geeigneten Schutzgasatmo­ sphäre werden Plasmatemperaturen von bis zu 10 000 K erreicht; durch diese Maßnahme wird zwar der technische Aufwand stark er­ höht, man erhält aber auch ein stärker differenziertes Analyse­ ergebnis. Für den Regelfall der Abfallklassifizierung dürfte dieser Zusatzaufwand nicht erforderlich sein.

Wesentlicher Bestandteil des Erfindungsgegenstandes ist, daß bei erfindungsgemäßem Gebrauch durch die Wahl der Betriebspa­ rameter der Laserstrahlanregung im entstehenden Plasma an der Bestrahlungsstelle insbesondere bei organischen Proben eine ausreichende Selbstabsorption der Energie des Laserstrahls durch das austretende Plasma stattfindet, so daß eine Zusatz­ anregung durch eine Funkenstrecke o. ä. entfällt, d. h. die Intensität und Qualität der emittierten Strahlung reicht aus, um von dem Detektor (3) erfaßt und weiterverarbeitet zu werden.

Die Funktion der Vorrichtung (3) (Detektor) kann durch Spek­ trographen erfüllt werden, die z. B. durch Verwendung von Prismen oder Beugungsgittern mit nachgeordneten Photometern eine Echtzeiterfassung der emittierten Spektren durchführen. Dazu wird z. B. mit diskreten Photometern die Intensität von einzelnen, ausgewählten Spektrallinien erfaßt, bzw. mit line­ aren photosensitiven Bauelementen Bereiche oder das gesamte Spektrum diskretisiert und für eine nachfolgende elektronische Datenverarbeitung zur Verfügung gestellt. Durch den Vergleich der gemessenen Spektren mit abgespeicherten Mustern in der Bau­ gruppe (4) wird ein Steuersignal gewonnen, welches durch Aktua­ toren (5) in Sortiervorgänge umgesetzt wird.

Die vorgeschlagene Laserstrahlwellenlänge von 1060 nm, die vor­ zugsweise durch Nd : YAG-Festkörperlaser erzeugt wird, wird sehr gut von Polystyrolen (PM), Polycarbonaten (PC), Polysulfonen (PSO), Bakeliten u. ä. absorbiert. In reiner Form sind Polyfor­ maldehyde (POM), Polyolefine und z. B. Polyamide (PA) für die­ ses Licht durchlässig. Da jedoch immer mit technischen Verun­ reinigungen, Beschichtungen oder auch Füllstoffen zu rechnen ist, ist das Verfahren grundsätzlich auch für diese Stoffgrup­ pen geeignet.

Der Nd : YAG-Laser wird bevorzugt, da er neben der kommerziellen Verfügbarkeit gemäß den Anforderungen des Verfahrens robust und einfach in der Handhabung ist; ferner kann sein Laserlicht durch flexible Lichtwellenleiter geführt werden, wodurch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Anordnung der Baugruppen gegeben ist. Ein CO₂-Gaslaser mit einer Wellenlänge von 10,6 Mymeter ist jedoch ebenfalls grundsätzlich als Quelle für die Anre­ gungsenergie geeignet, insbesonder wenn die o. gen. Stoffe in reiner Form vorliegen und für Strahlung im nahen Infrarot trans­ parent erscheinen.

Eine Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten bietet ein Excimer- Laser, der im ultravioletten Bereich emittiert, und besonders bei Werkstoffen mit hohen Absorptionsquerschnitten im UV-Bereich von Vorteil ist. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, die verdampfte/herausgelöste Materialwolke durch eine zusätzliche Energiequelle wie z. B. eine Funkentladung oder eine im infra­ roten Bereich emittierende Laserquelle thermisch anzuregen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur automatisierten Sortierung von Gegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vereinzelungsvorrichtung, z. B. ein Förderband (1), mit einer Quelle (2) für elektromagne­ tische Strahlung und einer Baugruppe für die Erfassung von Emissionsspektren (Detektor (3) - Auswerteeinheit (4)) ausge­ rüstet ist mit dem Ziel, anhand eines Vergleiches von gemes­ senen Emissionsspektren mit abgespeicherten Emissionsspektren eine stoffliche Identifizierung der Gegenstände (8) durchzufüh­ ren, die als Kriterium für einen nachfolgenden, automatischen Sortiervorgang dienen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle (2) optische Bauelemente zur variablen Fokussierung des Strahls aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß so­ wohl die Fokusentfernung resp. der Fokusdurchmesser als auch die Richtung des Strahls, ggf. durch einen selbsttätig wirkenden Regelkreis, geändert werden kann, um die Funktion der Erfindung optimal auf die unterschiedliche Entfernung und Lage der Gegen­ stände abstimmen zu können.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle (2) eine Laserstrahlquelle ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß so­ wohl thermisch emittierende Laser (Infrarot; z. B. Nd : YAG-Fest­ körper-Laser, CO₂-Glaslaser) als auch im ultravioletten Bereich (z. B. Excimer-Laser) sendende Quellen Verwendung finden.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Steuer- und Regelbaugruppe (4) vorhanden ist, mit deren Hilfe wesentliche Anwendungsparameter wie Fokusentfernung resp. Fokusdurchmesser und Strahlrichtung als auch der Zeitab­ lauf der Strahleinwirkung und die Leistungsstufe der Strahl­ quelle adaptiv beeinflußt werden können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppe zur Erfassung der Emissionsspektren (3) (Detektor) in der Lage ist, den Wellenlängenbereich von ultravioletter Strah­ lung bis zum infraroten Bereich (200 Nanometer bis 11 Mymeter) quantitativ zu detektieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrer diskrete Wellenlängenbereiche für die Auswertung heran­ gezogen werden, die durch die bauliche Gestaltung des Detektors (3), z. B. durch selektive, diskrete Sensoren oder optische Fil­ ter, vorgegeben sind.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Erfindungsgegenstand sowohl mit einem Spei­ chergerät als auch mit einem Apparat ausgerüstet ist, mit deren Hilfe die beim Betrieb der Erfindung gemessenen Signalmuster mit bekannten Mustern verglichen werden können, was beim Auffinden einer Übereinstimmung zur Bereitstellung eines Steuersignals führt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Zusatzvorrichtungen (5) vorhanden sind, die aufgrund eines Steuersignals der Auswerte- und Kontrolleinheit (4) gemäß Anspruch 9, in der Lage sind, einem Gegenstand (7) einen Impuls zu verleihen, der diesem Gegenstand eine eindeu­ tige, neue Bewegungsrichtung aufprägt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zusatzvorrichtung (5) aus einer mechanischen Klappe, einem Schieber o. ä. bestehen kann, die bspw. elektromechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigt werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprägung des gewünschten Impulses auf den Gegenstand (7) durch einen Freistrahl, z. B. Druckluft, erfolgen kann, der durch ein Ventil o. ä. gesteuert wird.