WO2024088498A1 - Verfahren und vorrichtung zum sortieren von siliciumbruchstücken - Google Patents

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WO2024088498A1
WO2024088498A1 PCT/EP2022/079552 EP2022079552W WO2024088498A1 WO 2024088498 A1 WO2024088498 A1 WO 2024088498A1 EP 2022079552 W EP2022079552 W EP 2022079552W WO 2024088498 A1 WO2024088498 A1 WO 2024088498A1
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fragment
light
fragments
measuring device
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PCT/EP2022/079552
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Franz Bergmann
Thomas Schroeck
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Wacker Chemie Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/04—Sorting according to size
    • B07C5/10—Sorting according to size measured by light-responsive means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/02—Measures preceding sorting, e.g. arranging articles in a stream orientating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/36—Sorting apparatus characterised by the means used for distribution
    • B07C5/363—Sorting apparatus characterised by the means used for distribution by means of air
    • B07C5/367—Sorting apparatus characterised by the means used for distribution by means of air using a plurality of separation means
    • B07C5/368—Sorting apparatus characterised by the means used for distribution by means of air using a plurality of separation means actuated independently

Definitions

  • the invention relates to a method for sorting silicon fragments.
  • Polycrystalline silicon is usually produced by the Siemens process (chemical vapor deposition process).
  • filament rods thin rods made of silicon are heated in a reactor by direct current passage, and a reaction gas containing a silicon-containing component (e.g. monosilane or halosilane) and hydrogen is introduced.
  • the surface temperature of the filament rods is usually more than 1000 °C.
  • the silicon-containing component of the reaction gas decomposes and elemental silicon is deposited from the gas phase as polysilicon on the rod surface, increasing the rod diameter. Once a predetermined diameter has been reached, the deposition is stopped and the resulting polysilicon rods are removed.
  • Polysilicon is the starting material in the production of single-crystal silicon, which is produced, for example, using the Czochralski process. It is also required for the production of multicrystalline silicon, for example using the ingot casting process. Both processes require the polysilicon rods to be broken down into fragments. The fragments are usually classified according to size in separating devices.
  • the separation devices can be multi-stage screening machines that mechanically classify the polysilicon fragments into different size classes.
  • US 6,375,011 Bl a vibrating conveyor that enables classification into three size classes.
  • US 6,265,683 Bl describes an optopneumatic device for classifying semiconductor materials, whereby the size separation is carried out using a camera and by detecting a projection surface of the materials to be sorted. If necessary, the materials can also be sorted according to their surface properties.
  • the known methods which are based on a two-dimensional (2D) projection of fragments using the transmitted light method, have the disadvantage that the fragments are only recorded from one side. Fragments can differ greatly in terms of their shape. It can happen that a fragment is oriented so poorly on its projection surface at the time of recording that its longest dimension is in front of or behind the projection surface (i.e. perpendicular to the projection surface). The result is an incorrect assessment of the size of the fragment (missorting).
  • This object is achieved by a method for sorting fragments, in particular silicon fragments, comprising the following steps.
  • the additional measuring device makes it possible to add height information to the projection surface of the fragment obtained with the help of the first measuring device.
  • the measuring devices are preferably arranged in different positions around the fragment, i.e. they view it from different angles. Information can therefore be obtained about the extent of the fragment above and/or below the profile plane (in the direction of the applicate axis (z-axis)) in order to prevent incorrect sorting. In this way, the separation quality is improved.
  • the fragments are preferably crushed polysilicon, e.g. crushed polysilicon rods from the Siemens process. Separating the fragments means in particular that the fragments are spaced apart from one another, i.e. they are no longer arranged one above the other or partially overlapping. This can be done, for example, by a shaking movement on a conveyor belt. It is not absolutely necessary for the fragments to be arranged in a row (behind or next to one another) for detection by the measuring device.
  • the first measuring device and at least one of the further measuring devices are a photoelectric transmitted light or incident light measuring system with a detection region through which the fragment passes.
  • the fragment passes the detection area in free fall.
  • the incident light measuring system preferably comprises a light section sensor and/or at least one camera system.
  • the light section method carried out with the light section sensor is based on optical triangulation and requires a relative movement of the sensor and the fragment.
  • the fragment is illuminated linearly with a suitable light source and the resulting light strip is recorded using an area camera (part of the sensor).
  • the surface normals of the light source and the camera are tilted to each other at a triangulation angle.
  • the camera system can also consist of just one camera that uses ambient light as a light source to capture the projection surface of the book piece.
  • the camera is supplemented by an external light source.
  • This is a method for analyzing projection areas and reflections of a surface of an object (fragment) in three-dimensional (3D) space.
  • an external light source is aimed at the object and moved to obtain several images of the resulting light scenarios.
  • several cameras with different viewing angles are used instead of the moving light source.
  • several light sources, each with a different illumination direction and one camera, or a combination of several light sources and several cameras can be used.
  • the transmitted light measuring system preferably comprises a light barrier, a light curtain or a light grid.
  • Light beams e.g. infrared
  • the transmitted light measuring system preferably comprises a light barrier, a light curtain or a light grid.
  • Light beams e.g. infrared
  • an optical transmitter light barrier
  • several spaced-apart transmitters light grid/curtain.
  • a signal can be sent to a control device and, as a result, a deflection device can be triggered, for example.
  • the resolution of light grids and curtains can be determined by the spacing of the beams.
  • Typical examples of such measuring systems are optical micrometers, light band micrometers, profile projectors, CCD laser micrometers and laser sensors with light barrier function.
  • the first measuring device is a camera system, in particular comprising a light source and a camera for capturing the projection surface.
  • the additional measuring device is preferably a light curtain or grid, especially if a camera system was chosen as the first measuring device.
  • the detection of the projection surface and the detection of the height information take place at a time interval of 0 to 100 ms, preferably 0 to 50 ms, particularly preferably simultaneously.
  • a time interval of 0 to 100 ms, preferably 0 to 50 ms, particularly preferably simultaneously.
  • the deflection device responsible for sorting the fragments can be a pneumatic and/or mechanical deflection device.
  • the pneumatic deflection device preferably comprises at least one nozzle from which gases (e.g. air, inert gas) or liquids (e.g. ultrapure water) are ejected at pressures of 3 to 20 bar.
  • gases e.g. air, inert gas
  • liquids e.g. ultrapure water
  • the method according to the invention is an optopneumatic classification method.
  • the size of the fragment can be calculated using an evaluation device (e.g. software-supported process control station, e.g. MATLAB (MathWorks)), which is connected to both the measuring devices and the deflection device.
  • the basic measurement information obtained with the first measuring device is the projection surface of the fragment, which contains information about the shape of the fragment, albeit only 2D as a contour. From the projection surface, the evaluation device can obtain various length specifications, in particular diameters, which allow conclusions to be drawn about the size of the fragment. In general, numerous methods are known for determining length specifications or diameters.
  • the height information obtained by means of the additional measuring device can in particular be a height value (unit of length).
  • the combination of the measurement information obtained is then, for example, a 3D point cloud consisting of the contour obtained with the first measuring device and a contour shifted by the height value.
  • a calculation of the greatest extent can be made from the length of a vector between the points furthest from each other:
  • a further aspect of the invention relates to a device for sorting fragments, in particular silicon fragments, comprising
  • At least one first measuring device for detecting the projection area of a fragment in a 2D profile plane
  • an evaluation device which calculates a size of the fragment from the projection area and the height information and controls the deflection device depending on this size.
  • it is a device for carrying out the described method.
  • the separation area preferably comprises at least one vibrating conveyor trough and/or a conveyor belt. If necessary, the separation area can also contain a sieve plate or a vibrating sieve for removing fine particles. In general, it can also be the section of a conveyor belt on which the fragments are separated. A suction system for dust particles can also be provided. It is preferably a separation area as described in EP 0 983 804 A1.
  • the device preferably comprises a plurality of first and/or further measuring devices in order to enable high-throughput sorting. By means of a plurality of measuring devices in combination with a high computing power of the evaluation device, the distance between individual fragments can be reduced to a minimum.
  • it is a pneumatic or mechanical deflection device, in particular a pneumatic deflection device comprising a row or a matrix of individual nozzles.
  • Fig. 1 Device according to the invention with light grid (transmitted light measuring system).
  • Fig. 2 Device according to the invention with light section sensor (light measuring system).
  • Figure 1 shows a sorting device 100 which comprises a vibrating conveyor belt 10 as a separation area and an inclined sliding surface 20.
  • the feed direction of separated fragments 30 is indicated by means of movement arrows 12.
  • a camera 40 with an external light source 42 is arranged below the sliding surface 20.
  • the camera 40 is, for example, a CCD camera with an optical resolution of 0.05 to 2.0 mm.
  • the light source 42 is, for example, an LED with a diffuse surface illumination.
  • a detection area 44 of the first measuring device, related to the fragment 30, is indicated as a star.
  • a light grid 50 is attached to a lower end 22 of the sliding surface 20. This consists of a transmitter bar 52 with a total of five infrared light sources (laser or LED light sources or light points in the visible range are also conceivable), the radiation of which is indicated by a dashed line 54. and a receiver bar 56, which accordingly has five sensors.
  • the evaluation device is a computer with image processing software, e.g. MATLAB.
  • This can generally be adapted to the size of the fragments by means of a sliding surface 20 with an adjustable angle.
  • the fragment 30 passes the light grid 50 after the sliding surface end 22 in such a way that its elongated side points in the z direction and is thus recorded over its full length by the light grid 50.
  • the fragment 30 then passes the detection area 44 of the camera 40 in free fall, whereby the camera only records a projection area 32 corresponding to the base area of the fragment 30.
  • FIG. 2 shows a further sorting device 200 according to the invention, which essentially corresponds to that in Figure 1 (corresponding elements have corresponding reference numerals; the evaluation device, deflection device and collecting containers have been omitted).
  • the sorting device 200 has a light section sensor 60 as a further measuring device.
  • the light section sensor 60 uses the triangulation principle to determine the height information (3D profile detection).
  • a laser beam is expanded to a laser line 63 (represented by the finely dashed lines) via a special optics and projected onto the surface of the passing fragment 30.
  • the receiving optics 64 images the light 65 reflected from the surface (represented by the coarsely dashed lines) on a sensor matrix.
  • An evaluation device (not shown) connected to the light section sensor 60 can calculate the height information of the passing fragment (z-axis) from the obtained matrix image along the laser line (x-axis). This information can then be output in a sensor-fixed two-dimensional coordinate system. In the case of moving objects or when the sensor is traversed, 3D measurement values can also be determined.
  • the size class of polysilicon fragments is defined as the longest distance between two points on the surface of a silicon fragment (corresponds to the maximum length):
  • the polysilicon sample material used for the test was prepared from a mixture of 9000 fragments in the length range 10 to 40 mm (BG2) and 1000 fragments in the length range > 40 to 65 mm, the fraction to be separated.
  • BG2 9000 fragments in the length range 10 to 40 mm
  • W nominal hole size
  • W 4 mm (square holes)
  • This polysilicon sample material was subjected to conventional optopneumatic sorting of the fraction > 40 mm.
  • the optopneumatic sorting device used was equipped with a first 2D measuring device (CCD camera and light source as shown in Fig. 1) to record a projection area of the fragments.
  • the fragments passed the detection area of the measuring device individually (usually 0.5 - 10 mm distance between the fragments) over an inclined sliding plane.
  • the measuring device was coupled to an evaluation device on a process control station.
  • the deflection device comprising an approximately 50 cm wide nozzle bar with two rows of 100 nozzles, connected. A separation cut of 40 mm was set at the control station.
  • the polysilicon sample material described in the comparative example was separated using an essentially identical optopneumatic sorting device (with a separation cut of 40 mm). In contrast to comparative example 1, however, the device had a second 2D measuring device. This was a light grid as described for Fig. 1.
  • the image acquisition with the first measuring device is carried out as a sensor line and delivers the shadow cast by the fragments per unit of time as a vector x with gray values [0. .255] .
  • the fragment lengths were checked manually.
  • the polysilicon sample material was then finished by mixing.
  • the polysilicon sample material was sorted using the optopneumatic sorting device described in Comparative Example 1, but with a separation cut of 60 mm.
  • the polysilicon sample material described in Comparative Example 2 was sorted here using an opto-pneumatic sorting device as shown in Fig. 2.
  • This device therefore had a second measuring device in the form of a light section sensor, consisting of a laser projector and a receiving optics.
  • the aim of every sorting is basically a clean cut without slippage to a fragment size.

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Sortieren von Bruchstücken, das die folgenden Schritte umfasst. - Vereinzeln der Bruchstücke in einem Vereinzelungsbereich, - Erfassen der Projektionsfläche eines Bruchstücks in einer 2D-Profilebene mit einer ersten Messvorrichtung, - Erfassen zumindest einer Höheninformation oberhalb und/oder unterhalb der 2D-Profilebene mit mindestens einer weiteren Messvorrichtung, - Berechnen der Größe des Bruchstücks aus der Projektionsfläche und der Höheninformation, - Steuern mindestens einer Ablenkvorrichtung in Abhängigkeit der berechneten Größe. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM SORTIEREN VON SILICIUMBRUCHSTÜCKEN
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Sortieren von Siliciumbruchstücken .
Polykristallines Silicium ( Polysilicium) wird üblicherweise durch das Siemens-Verfahren ( chemischer Gasphasenabscheidungsprozess ) hergestellt . Dabei werden in einem Reaktor Filamentstäbe ( Dünnstäbe ) aus Silicium durch direkten Stromdurchgang erhitzt und ein Reaktionsgas enthaltend eine siliciumhaltige Komponente ( z . B . Monosilan oder Halogensilan) und Wasserstof f eingeleitet . Die Oberflächentemperatur der Filamentstäbe beträgt üblicherweise mehr als 1000 ° C . Bei diesen Temperaturen zersetzt sich die siliciumhaltige Komponente des Reaktionsgases und elementares Silicium scheidet sich aus der Gasphase als Polysilicium auf der Staboberfläche unter Zunahme des Stabdurchmessers ab . Nachdem ein vorgegebener Durchmesser erreicht ist , wird die Abscheidung gestoppt und die erhaltenen Polysiliciumstäbe ausgebaut .
Polysilicium ist das Ausgangsmaterial bei der Produktion von einkristallinem Silicium, das beispielsweise mittels des Czochralski-Verf ährens hergestellt wird . Ferner wird es zur Herstellung von multikristallinem Silicium, beispielsweise mittels Blockgussverfahren, benötigt . Für beide Verfahren ist eine Zerkleinerung der Polysiliciumstäbe zu Bruchstücken erforderlich . Die Bruchstücke werden üblicherweise in Trennvorrichtungen nach Größen klassiert .
Bei den Trennvorrichtungen kann es sich um mehrstufige Siebmaschinen handeln, die den Polysiliciumbruch mechanisch in verschiedene Größenklassen klassieren . Beispielsweise of fenbart US 6,375,011 Bl einen Schwingförderer, der eine Klassierung in drei Größenklassen ermöglicht.
Eine Verbesserung der Trennung oder auch eine Trennung nach optischen Kriterien kann durch optopneumatische Sortieranlagen erreicht werden. US 2007/0235574 Al offenbart eine solche Anlage, die einer Zerkleinerungsvorrichtung für Polysilicium nachgeschaltet ist. Zur Größentrennung wird dabei die in eine Ebene projizierte Schattenfläche der zerkleinerten Polysiliciumstücke herangezogen.
Des Weiteren beschreibt US 6,265, 683 Bl eine optopneumatische Vorrichtung zur Klassierung von Halbleitermaterialien, wobei die Größentrennung kameragestützt über die Erfassung einer Pro ektionsfläche der zu sortierenden Materialien erfolgt. Gegebenenfalls kann hier auch eine Sortierung der Materialien nach deren Oberflächenbeschaffenheit durchgeführt werden.
Bei den bekannten Verfahren, die auf einer zweidimensionalen (2D) Projektion von Bruchstücken im Durchlichtverfahren beruhen, ist von Nachteil, dass die Bruchstücke nur von einer Seite erfasst werden. Bruchstücke können sich hinsichtlich ihrer Form stark unterscheiden. So kann es vorkommen, dass ein Bruchstück zum Zeitpunkt der Erfassung seiner Projektionsfläche derart ungünstig orientiert ist, dass sich dessen längste Ausdehnung vor oder hinter der Projektionsfläche (also senkrecht zur Projektionsfläche) befindet. Die Folge ist eine Fehleinschätzung der Bruchgröße (Fehlsortierung) .
Aus dieser Problematik ergab sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, nämlich die Bereitstellung eines verbesserten Sortierverfahrens, bei welchem die Orientierung des zu sortierenden Bruchguts eine nur untergeordnete Rolle spielt .
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Sortieren von Bruchstücken, insbesondere von Siliciumbruchstücken, umfassend die folgenden Schritte .
- Vereinzeln der Bruchstücke in einem Vereinzelungsbereich,
- Erfassen der Proj ektions fläche eines Bruchstücks in einer 2D-Prof ilebene mit mindestens einer ersten Messvorrichtung,
- Erfassen zumindest einer Höheninformation oberhalb und/oder unterhalb der 2D-Prof ilebene mit mindestens einer weiteren Messvorrichtung,
- Berechnen der Größe des Bruchstücks aus der Pro ektions fläche und der Höheninformation,
- Steuern mindestens einer Ablenkvorrichtung in Abhängigkeit der berechneten Größe .
Durch die weitere Messvorrichtung ist es möglich, der mit Hil fe der ersten Messvorrichtung erhaltenen Proj ektions fläche des Bruchstücks eine Höheninformation zu ergänzen . Die Messvorrichtungen sind dabei vorzugsweise in unterschiedlichen Positionen um das Bruchstück angeordnet , betrachten dieses also aus unterschiedlichen Blickwinkeln . Es können also Informationen über die Ausdehnung des Bruchstücks oberhalb und/oder unterhalb der Profilebene ( in Richtung der Applikatenachse ( z-Achse ) ) gewonnen werden, um so einer Fehlsortierung vorzubeugen . Auf diese Weise verbessert sich die Trenngüte .
Bei den Bruchstücken handelt es sich vorzugsweise um zerkleinertes Polysilicium, z . B . zerkleinerte Polysiliciumstäbe aus dem Siemens-Verfahren . Unter dem Vereinzeln der Bruchstücke soll insbesondere verstanden werden, dass die Bruchstücke voneinander beabstandet werden, also nicht mehr übereinander oder teilweise überlappend angeordnet sind . Dies kann beispielsweise durch eine Rüttelbewegung auf einem Förderband erfolgen . Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Bruchstücke zur Erfassung von der Messvorrichtung in einer Reihe (hinter- oder nebeneinander ) angeordnet sind .
Bevorzugt handelt es sich bei der ersten Messvorrichtung und bei mindestens einer der weiteren Messvorrichtungen um ein photoelektrisches Durchlicht- oder Auf licht-Messsystem mit einem Detektionsbereich, welchen das Bruchstück passiert .
Vorzugsweise passiert das Bruchstück den Detektionsbereich im freien Fall .
Das Auf licht-Messsystem umfasst bevorzugt einen Lichtschnittsensor und/oder zumindest ein Kamerasystem .
Das mit dem Lichtschnittsensor durchgeführte Lichtschnitt- verfahren beruht auf optischer Triangulation und setzt eine Relativbewegung von Sensor und Bruchstück voraus . Das Bruchstück wird dabei mit einer geeigneten Lichtquelle linienhaft beleuchtet und der entstehende Lichtstrei fen mittels einer Flächenkamera (Bestandteil des Sensors ) erfasst . Dabei sind die Flächennormalen der Lichtquelle und der Kamera unter einem Triangulationswinkel zueinander verkippt .
Bei dem Kamerasystem kann es sich grundsätzlich auch um nur eine Kamera handeln, die mit Hil fe von Umgebungslicht als Lichtquelle die Proj ektions fläche des Buchstücks erfasst . Vorzugsweise wird die Kamera j edoch durch eine externe Lichtquelle ergänzt .
Ferner kann es sich um ein Kamerasystem zur photometrischen Stereoanalyse handeln . Dabei handelt es sich um ein Verfahren für die Analyse von Pro ektions flächen und Reflektionen einer Oberfläche eines Obj ekts (Bruchstücks ) im dreidimensionalen ( 3D) Raum . Üblicherweise wird eine externe Lichtquelle auf das Obj ekt gerichtet und bewegt , um mehrere Bilder der resultierenden Lichts zenarien zu erhalten . Für bewegte Obj ekte , wie ein Bruchstück im freien Fall , wird anstelle der bewegten Lichtquelle mit mehreren Kameras unterschiedlicher Blickwinkel gearbeitet . Alternativ können mehrere Lichtquellen mit j eweils unterschiedlicher Beleuchtungsrichtung und eine Kamera oder auch eine Kombination aus mehreren Lichtquellen und mehreren Kameras eingesetzt werden .
Das Durchlicht-Messsystem umfasst vorzugsweise eine Lichtschranke , einen Lichtvorhang oder ein Lichtgitter . Dabei werden von einem optischen Sender ( Lichtschranke ) oder mehreren voneinander beabstandeten Sendern ( Lichtgitter/-vorhang) Lichtstrahlen (bspw . Infrarot ) zu den entsprechenden Empfängern gesendet . Bei einer Unterbrechung eines oder auch mehrerer Strahlen, kann ein Signal an eine Steuervorrichtung geleitet und infolgedessen z . B . eine Ablenkvorrichtung ausgelöst werden . Die Auflösung von Lichtgittern und -vorhängen kann durch die Beabstandung der Strahlen bestimmt werden . Typische Beispiele für derartige Messsysteme sind optische Mikrometer, Lichtbandmikrometer, Profilproj ektoren, CCD-Laser-Mikrometer und Laser-Sensoren mit Lichtschrankenfunktion .
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form handelt es sich bei der ersten Messvorrichtung um ein Kamerasystem, insbesondere umfassend eine Lichtquelle und eine Kamera zur Erfassung der Pro j ektions fläche .
Bei der weiteren Messvorrichtung handelt es sich bevorzugt um ein Lichtvorhang oder -gitter, insbesondere dann, wenn als erste Messvorrichtung ein Kamerasystem gewählt wurde.
Vorzugsweise erfolgen das Erfassen der Projektionsfläche und das Erfassen der Höheninformation in einem zeitlichen Abstand von 0 bis 100 ms, bevorzugt von 0 bis 50 ms, besonders bevorzugt zeitgleich. Durch einen möglichst geringen zeitlichen Abstand ist gewährleistet, dass sich die Position des Bruchstücks, insbesondere im freien Fall, nicht wesentlich ändert .
Bei der Ablenkvorrichtung, die für die Sortierung der Bruchstücke verantwortlich ist, kann es sich um eine pneumatische und/oder mechanische Ablenkvorrichtung handeln.
Die pneumatische Ablenkvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine Düse, aus welcher Gase (z.B. Luft, Inertgas) oder Flüssigkeiten (z.B. hochreines Wasser) mit Drücken von 3 bis 20 bar ausgestoßen werden. Diesbezüglich kann auf die US 6,265, 683 Bl verwiesen werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein optopneumatisches Klassierverfahren.
Die Berechnung der Größe des Bruchstücks kann mit einer Auswertvorrichtung (z.B. softwaregestützter Prozessleitstand, z.B. MATLAB ( Fa . MathWorks) ) , welche sowohl mit den Messvorrichtungen als auch mit der Ablenkvorrichtung verbunden ist, erfolgen. Die grundlegende Messinformation, welche mit der ersten Messvorrichtung gewonnen wird, ist die Projektionsfläche des Bruchstücks, in welcher eine Information über die Form des Bruchstücks enthalten ist, wenn auch nur 2D als Kontur. Aus der Pro ektionsfläche kann die Auswertvorrichtung verschiedene Längenangaben, insbesondere Durchmesser, gewinnen, welche Rückschlüsse auf die Größe des Bruchstücks zulassen. Generell sind zur Bestimmung der Längenangaben oder Durchmesser zahlreiche Verfahren bekannt. Beispielsweise die Bestimmung des aus einem Äquivalenzkreis abgeleiteten Durchmessers (Perimeter Equivalent Diameter) oder die Bestimmung eines Feret- Durchmessers , wobei es sich dabei um eine ganze Gruppe von Kenngrößen handelt, die alle durch den Abstand zweier Tangenten an die Kontur der Projektionsfläche in einer festgelegten Messrichtung definiert sind.
Bei der mittels der weiteren Messvorrichtung, z.B. Lichtschranke, gewonnenen Höheninformation kann es sich insbesondere um einen Höhenwert (Längeneinheit) handeln. Die Kombination aus den erhaltenen Messinformationen ist dann bspw. eine 3D-Punkte- wolke bestehend aus der mit der ersten Messvorrichtung erhaltenen Kontur und einer um den Höhenwert verschobenen Kontur .
Eine Berechnung der größten Ausdehnung kann aus der Länge eines Vektors zwischen den zueinander am weitesten entfernten Punkten erfolgen :
Punktewolke als Vektor X = { [xl,yl,zl] , [x2,y2,z2] , ... , [xn, yn, zn] }
Kombination aller Punkte zueinander und Berechnung des Abstands in 3D : L(i,j) = [ (xi-xj ) 2 + (yi-yj)2 + (zi-zj)2]0'5
Bestimmung des maximalen Wertes für L ( i , j ) .
Je detaillierter die Höheninformationen der weiteren Messvorrichtung sind, desto kleiner wird der Messfehler.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sortieren von Bruchstücken, insbesondere von Siliciumbruchstücken, umfassend
- einen Vereinzelungsbereich zum Vereinzeln der Bruchstücke,
- mindestens eine erste Messvorrichtung zur Erfassung der Projektionsfläche eines Bruchstücks in einer 2D-Prof ilebene,
- mindestens eine weitere Messvorrichtung zur Erfassung einer Höheninformation oberhalb und/oder unterhalb der 2D-
Prof ilebene,
- zumindest eine Ablenkvorrichtung,
- eine Auswertvorrichtung, die aus der Pro ektionsfläche und der Höheninformation eine Größe des Bruchstücks berechnet und die Ablenkvorrichtung in Abhängigkeit dieser Größe steuert.
Vorzugsweise handelt es sich um eine Vorrichtung zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens.
Der Vereinzelungsbereich umfasst vorzugsweise zumindest eine Schwingförderrinne und/oder ein Förderband. Gegebenenfalls kann der Vereinzelungsbereich auch eine Siebplatte oder ein Rüttelsieb zur Entfernung von Feinanteil enthalten. Generell kann es sich auch um den Abschnitt eines Förderbands handeln, auf welchen die Bruchstücke vereinzelt verbracht werden. Eine Absaugung für Staubpartikel kann ebenfalls vorgesehen sein. Bevorzugt handelt es sich um einen Vereinzelungsbereich wie in EP 0 983 804 Al beschrieben. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Viel zahl an ersten und/oder weiteren Messvorrichtungen, um eine Hochdurchsatzsortierung zu ermöglichen . Durch eine Viel zahl an Messvorrichtungen in Kombination mit einer großen Rechenleistung der Auswertvorrichtung kann der Abstand zwischen vereinzelten Bruchstücken auf ein Minimum reduziert werden .
Vorzugsweise handelt es sich um eine pneumatische oder mechanische Ablenkvorrichtung, insbesondere um eine pneumatische Ablenkvorrichtung, die eine Reihe oder eine Matrix aus einzelnen Düsen umfasst .
Bezüglich der Messvorrichtungen und der Auswertvorrichtung kann auf die obigen Aus führungen und EP 0 983 804 Al verwiesen werden .
Fig . 1 : Erfindungsgemäße Vorrichtung mit Lichtgitter ( Durchlicht-Messsystem) .
Fig . 2 : Erfindungsgemäße Vorrichtung mit Lichtschnittsensor (Auf licht-Messsystem) .
Liste der verwendeten Bezugs Zeichen
10 Schwingförderband
12 Bewegungspfeil
20 Gleitfläche
22 Ende der Gleitfläche
30 Bruchstück
32 Proj ektions fläche
40 Kamera
42 Lichtquelle
44 Detektionsbereich
50 Lichtgitter 52 Senderleiste
54 IR-Strahlengang 56 Empfängerleiste 60 Lichtschnittsensor
62 Laser-Scanner
63 statische Laserlinie
64 Empfangsoptik
65 reflektiertes Licht
70 Ablenkvorrichtung
80 erster Auf f angbehälter
81 Trennelement
82 zweiter Auf f angbehälter
90 Auswertvorrichtung 100 Sortiervorrichtung 200 Sortiervorrichtung
Die Figur 1 zeigt eine Sortiervorrichtung 100 , die ein Schwingförderband 10 als Vereinzelungsbereich und eine schräge Gleitfläche 20 umfasst . Die Vorschubrichtung von vereinzelten Bruchstücken 30 ist mittels Bewegungspfeilen 12 angedeutet .
Als eine erste Messvorrichtung ist unterhalb der Gleitfläche 20 eine Kamera 40 mit einer externen Lichtquelle 42 angeordnet .
Bei der Kamera 40 handelt es sich bspw . um eine CCD Kamera mit einer optischen Auflösung von 0 , 05 bis 2 , 0 mm . Bei der Lichtquelle 42 handelt es sich bspw . um eine LED mit einer di f fusen Flächenbeleuchtung . Ein Detektionsbereich 44 der ersten Messvorrichtung, bezogen auf das Bruchstück 30 , ist als ein Stern angedeutet . Als eine weitere Messvorrichtung ist an einem unteren Ende 22 der Gleitfläche 20 ein Lichtgitter 50 angebracht . Dieses besteht aus einer Senderleiste 52 mit insgesamt fünf Infrarot-Lichtquellen ( denkbar sind auch Laser- oder LED- Lichtquellen oder Lichtpunkte im sichtbaren Bereich) , deren Strahlung j eweils durch eine gestrichelte Linie 54 angedeutet ist , und einer Empfängerleiste 56 , die entsprechend fünf Sensoren aufweist . Unterhalb der ersten Messvorrichtung befindet sich eine pneumatische Ablenkvorrichtung 70 und unterhalb von dieser ein erster und ein zweiter Auf f angbehälter 80 , 82 . Die Auf f angbehälter 80 , 82 sind durch ein im Querschnitt dreieckiges Trennelement 81 miteinander verbunden . Ferner sind sowohl die Sensorleiste 56 der ersten Messvorrichtung, Kamera 40 und Lichtquelle 42 der zweiten Messvorrichtung sowie die Ablenkvorrichtung 70 mit einer Auswertvorrichtung 90 verbunden . Bei der Auswertvorrichtung handelt es sich um einen Rechner ( Computer ) mit einer Bildbearbeitungssoftware , bspw . MATLAB .
Erreicht nun ein durch die Rüttelbewegung des Schwingförderbands 10 vereinzeltes , beispielsweise pyramidenförmiges , Bruchstück 30 die schräge Gleitfläche 20 , richtet es sich derart aus , dass sein Schwerpunkt möglichst niedrig zu liegen kommt . Dies kann generell durch eine im Winkel verstellbare Gleitfläche 20 an die Bruchgröße der Bruchstücke angepasst werden . Das Bruchstück 30 passiert nach dem Gleit flächenende 22 das Lichtgitter 50 derart , dass seine elongierte Seite in z-Richtung zeigt und so in seiner vollen Länge vom Lichtgitter 50 erfasst wird . Anschließend passiert das Bruchstück 30 im freien Fall den Detektionsbereich 44 der Kamera 40 , wobei diese nur eine der Grundfläche des Bruchstücks 30 entsprechende Proj ektions fläche 32 erfasst . Aus beiden Informationen, der Pro ektions fläche 32 und der durch das Lichtgitter 50 erhaltenen Höheninformation, berechnet die Auswertvorrichtung 90 die Größe des Bruchstücks 30 und gibt diese Information an die pneumatische Ablenkvorrichtung 70 weiter, wobei nicht abgelenkte Bruchstücke 30 im zweiten Auf f angbehälter 82 und die durch einen pneumatischen Impuls abgelenkten Bruchstücke 30 im ersten Auf f angbehälter 82 gesammelt werden . Das Trennelement 81 erleichtert diese Trennung . Die Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Sortiervorrichtung 200 , die im Wesentlichen der aus der Figur 1 entspricht ( einander entsprechende Elemente weisen entsprechende Bezugs zeichen auf ; auf die Darstellung von Auswertvorrichtung, Ablenkvorrichtung und Auf f angbehältern wurde verzichtet ) . Die Sortiervorrichtung 200 weist als eine weitere Messvorrichtung einen Lichtschnittsensor 60 auf . Dieser besteht aus einem Laser-Proj ektor 62 und einer Empfangsoptik 64 . Der Lichtschnittsensor 60 nutzt das Triangulationsprinzip zur Ermittlung der Höheninformation ( 3D-Prof ilerf assung) . Über eine Spezialoptik wird ein Laserstrahl zu einer Laserlinie 63 ( dargestellt durch die fein gestrichelten Linien) aufgeweitet und auf die Oberfläche des passierenden Bruchstücks 30 proj i ziert . Die Empfangsoptik 64 bildet das von der Oberfläche reflektierte Licht 65 ( dargestellt durch die grob gestrichelten Linien) auf einer Sensormatrix ab . Eine mit dem Lichtschnittsensor 60 verbundene Auswertvorrichtung (nicht gezeigt ) kann aus dem erhaltenen Matrixbild entlang der Laserlinie (x-Achse ) die Höheninformation des passierenden Bruchstücks ( z-Achse ) berechnen . Diese Information kann dann in einem sensorfesten zweidimensionalen Koordinatensystem ausgegeben werden . Bei bewegten Obj ekten oder bei Traversierung des Sensors können zusätzlich auch 3D-Messwerte ermittelt werden .
Vergleichsbeispiel 1
Klassieren von zerkleinertem ( gebrochenem) Polysilicium mit einer Bruchgröße (BG) 2 .
Die Größenklasse von Polysiliciumbruchstücken ist als längste Entfernung zweier Punkte auf der Oberfläche eines Siliciumbruchstücks ( entspricht der maximalen Länge ) definiert :
BGO 0 , 1 bis 5 mm BG1 3 bis 15 mm
BG2 10 bis 40 mm
BG3 20 bis 60 mm
BG4 45 bis 120 mm
BG5 100 bis 250 mm
Das für den Test verwendete Polysilicium-Probenmaterial wurde aus einer Mischung von 9000 Bruchstücken im Längenbereich 10 bis 40 mm (BG2 ) und von 1000 Bruchstücken im Längenbereich > 40 bis 65 mm, der zu trennenden Fraktion, hergestellt . Zur Vorbereitung des Probenmaterials wurde ein mechanisches Siebverfahren (Analysesieb gemäß DIN ISO 3310-2 mit einer Nennlochweite W = 4 mm ( Quadratlochung) ) zum Abtrennen der Bruchstückfraktionen 0 bis 10 mm verwendet . Die maximale Länge sowohl der Bruchstücke im Längenbereich 10 bis 40 mm als auch der Bruchstücke der zu trennenden Fraktion im Längenbereich 40 bis 65 mm wurde manuell ( Schiebelehre ) bestimmt und das Polysilicium-Probenmaterial dann abgemischt .
Dieses Polysilicium-Probenmaterial wurde einer herkömmlichen optopneumatischen Sortierung der Fraktion > 40 mm unterzogen .
Die verwendete optopneumatische Sortiervorrichtung war mit einer ersten 2D-Messvorrichtung ( CCD Kamera und Lichtquelle gemäß Fig . 1 ) zur Erfassung einer Proj ektions fläche der Bruchstücke ausgestattet . Die Bruchstücke passierten den Detektionsbereich der Messvorrichtung vereinzelt (üblicherweise 0 , 5 - 10 mm Abstand zwischen den Bruchstücken) über eine schräge Gleitebene . Die Messvorrichtung war mit einer Auswertvorrichtung an einem Prozessleitstand gekoppelt . Mit diesem Leitstand war auch die Ablenkvorrichtung, umfassend eine etwa 50 cm breite Düsenleiste mit zwei Reihen aus j eweils 100 Düsen, verbunden. Am Leitstand wurde ein Trennschnitt von 40 mm eingestellt .
Im Anschluss an die Sortierung wurde durch eine manuelle Analyse (Schiebelehre) in Verbindung mit einer manuellen Auszählung der Bruchstücke der Schlupf des Trennverfahrens bestimmt. Dieser betrug 0,1%.
Beispiel 1
Das im Vergleichsbeispiel beschriebene Polysilicium-Probenmaterial wurde mit einer im Wesentlichen baugleichen optopneu- matischen Sortiervorrichtung (bei einem Trennschnitt von 40 mm) getrennt. Im Unterschied zum Vergleichsbeispiel 1 verfügte die Vorrichtung jedoch über eine zweite 2D-Messvorrichtung . Bei dieser handelte es sich um ein Lichtgitter wie zur Fig. 1 beschrieben .
Eine Möglichkeit der Auswertung der von den Messvorrichtungen erhaltenen Informationen ist im Folgenden dargestellt und erfolgte mit MATLAB (Fa. MathWorks) .
- Die Bilderfassung mit der ersten Messvorrichtung wird als Sensorzeile ausgeführt und liefert pro Zeiteinheit den Schattenwurf der Bruchstücke als ein Vektor x mit Grauwerten [0. .255] .
- Zeitgleich wird mit der zweiten Messvorrichtung eine Wert für die Höheninformation erfasst: Skalar z in [mm] .
- Die einzelnen Messungen werden über die Zeit t zu einem Bild zusammengefügt: Bild [x,y] mit Grauwerten [0..255, 0..255] . - Die Höheninformationen werden über die Zeit t zu einem Vektor zusammengefügt und der Ordinate zugeordnet: Vektor
[z] mit Werten in [mm] .
- Es folgt eine wiederholte Auswertung der so entstandenen Bilder .
- Über einen einstellbaren Grenzwert (z.B. Grauwert 128) werden die Grauwerte [0..255] in Binärwerte gewandelt [0 = dunkel oder 1 = hell] .
- Durch das Auffinden von zusammenhängenden Bereichen mit [0 = dunkel] im Bild wird eine Liste mit Bruchstücken erhalten .
- Es folgt eine wiederholte Berechnung für jedes Bruchstück.
- Berechnung der Punkte am Rand des Bereichs als Liste und Umrechnung in [mm] : Liste [xi,yi] in [mm] .
- Zuordnung der Höhenwerte zu der Liste: [xf,yi,zi] in [mm] .
- Berechnung des maximalen Abstandes in 3D für alle Punkte der Liste [xf,yi,zi] zueinander: Skalar für die maximale Ausdehnung in [mm] für das Bruchstück.
- Bei Überschreitung eines einstellbaren Grenzwertes in [mm] für die maximale Ausdehnung des Bruchstücks erfolgt ein Befehl zum Ausblasen des Bruchstücks in dem Bereich der Düsenleiste in dem sich das Bruchstück befindet [min(xi) , max (xi ) ] .
Der Schlupf nach dieser Sortierung wurde wie beschrieben manuell festgestellt und betrug 0,0%.
Vergleichsbeispiel 2
Klassieren von zerkleinertem Polysilicium der BG3.
Zunächst wurde Polysilicium-Probenmaterial, bestehend aus 9000
Bruchstücken in einem Längenbereich von 20 bis 60 mm (BG3) und 1000 Bruchstücken in einem Längenbereich > 60 bis 85 mm ( abzutrennende Fraktion) , hergestellt .
Die Überprüfung der Bruchstücklängen erfolgte manuell . Im Anschluss wurde das Polysilicium-Probenmaterial durch Mischen fertiggestellt .
Das Polysilicium-Probenmaterial wurde mit der im Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen optopneumatischen Sortiervorrichtung, allerdings bei einem Trennschnitt von 60 mm, sortiert .
Der Schlupf nach dieser Sortierung wurde wie beschrieben manuell festgestellt und betrug 1 , 0% .
Beispiel 2
Das im Vergleichsbeispiel 2 beschriebene Polysilicium-Probenmaterial wurde hier mit einer optopneumatischen Sortiervorrichtung gemäß der Fig . 2 sortiert . Diese verfügte also über eine zweite Messvorrichtung in Form eines Lichtschnittsensors , bestehend aus einem Laser-Proj ektor und einer Empfangsoptik .
Der Schlupf nach dieser Sortierung wurde wie beschrieben manuell festgestellt und betrug 0 , 0% .
Es konnte gezeigt werden, dass durch eine mittels einer zweiten Messvorrichtung bestimmten, zusätzlichen Höheninformation das Sortierergebnis , insbesondere bei pyramidalen Obj ekten, deutlich verbessert werden kann . Ziel j eder Sortierung ist grundsätzlich ein sauberer Trennschnitt ohne Schlupf zu einer Bruchstückgröße .

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Sortieren von Bruchstücken, umfassend die Schritte
- Vereinzeln der Bruchstücke in einem Vereinzelungsbereich,
- Erfassen der Proj ektions fläche eines Bruchstücks in einer 2D-Prof ilebene mit mindestens einer ersten Messvorrichtung,
- Erfassen zumindest einer Höheninformation oberhalb und/oder unterhalb der 2D-Prof ilebene mit mindestens einer weiteren Messvorrichtung,
- Berechnen der Größe des Bruchstücks aus der Pro ektions fläche und der Höheninformation,
- Steuern mindestens einer Ablenkvorrichtung in Abhängigkeit der berechneten Größe .
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass es sich bei der ersten Messvorrichtung und mindestens einer der weiteren Messvorrichtung um ein photoelektrisches Durchlicht- oder Auf licht-Messsystem mit einem Detektionsbereich handelt , welchen das Bruchstück passiert .
3 . Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass das Siliciumbruchstück den Detektionsbereich im freien Fall passiert .
4 . Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass das Auf licht-Messsystem einen Lichtschnittsensor und/oder zumindest ein Kamerasystem umfasst .
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Kamerasystem zur Photometrischen Stereoanalyse handelt .
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlicht-Messsystem eine Lichtschranke, einen Lichtvorhang oder ein Lichtgitter umfasst.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Messvorrichtung um ein Kamerasystem handelt.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der weiteren Messvorrichtung um einen Lichtvorhang oder ein Lichtgitter handelt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Projektionsfläche und das Erfassen der Höheninformation in einem zeitlichen Abstand von 0 bis 100 ms, bevorzugt von 0 bis 50 ms, besonders bevorzugt zeitgleich, erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Ablenkvorrichtung um eine pneumatische oder mechanische Ablenkvorrichtung handelt .
11. Vorrichtung zum Sortieren von Bruchstücken, umfassend
- einen Vereinzelungsbereich zum Vereinzeln der Bruchstücke,
- zumindest eine erste Messvorrichtung zur Erfassung der Pro ektionsfläche eines Bruchstücks in einer 2D-
Prof ilebene, - mindestens eine weitere Messvorrichtung zur Erfassung einer Höheninformation oberhalb und/oder unterhalb der 2D- Prof il ebene ,
- zumindest eine Ablenkvorrichtung,
- eine softwaregestützte Steuerung, die aus der Proj ektions fläche und der Höheninformation eine Größe des Bruchstücks berechnet und die Ablenkvorrichtung in Abhängigkeit dieser Größe steuert . Vorrichtung nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet , dass der Vereinzelungsbereich zumindest eine Schwingförderrinne und/oder ein Förderband umfasst . Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 , dadurch gekennzeichnet , dass es sich um eine pneumatische oder mechanische Ablenkvorrichtung handelt . Vorrichtung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet , dass die pneumatische Ablenkvorrichtung eine Reihe oder eine Matrix aus einzelnen Düsen umfasst .
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