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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten von Objekten mit mindestens zwei
lang gestreckten Strahlungsquellen, deren Licht dem zu härtenden
Objekt zum Zwecke der Aushärtung
zuführbar
ist.
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Derartige
Vorrichtungen zum UV-Strahlungshärten
finden Verwendung bei der Beschichtung von Objekten aus wärmeempfindlichen
Materialien, insbesondere Kunststoffen, die mit UV-Lacken und -Druckfarben
beschichtet werden. Die Objekte können beispielsweise als Formkörper, wie
beispielsweise Flaschen oder Scheiben oder als Folien und Bahnen
vorliegen.
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Um
die UV-härtenden
Beschichtungen in kurzen Zykluszeiten von hochproduktiven Fertigungslinien
härten
zu können,
ist eine hohe UV-Lichtintensität
notwendig. Üblicherweise
wird zur Strahlungshärtung
UV-Licht im Wellenlängenbereich von
200–400
nm eingesetzt. Für
ein optimales Bestrahlungsergebnis ist die Homogenität der Bestrahlung
von entscheidender Bedeutung.
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Als
Strahlungsquellen in derartigen Vorrichtungen zum UV-Strahlungshärten kommen
vor allem UV-Mitteldruck-Gasentladungslampen
zum Einsatz, in denen durch das Verdampfen von Metallen ein Plasma
erzeugt wird. Die Lampen bestehen dabei im Wesentlichen aus einem
röhrenförmigen lang
gestreckten Glaskörper,
zwei Elektroden, zwei Folieneinschmelzungen sowie zwei Sockeln.
Je nach Lampentyp betragen die Betriebstemperaturen am Glaskörper zwischen
700°C und
900°C. Die
Strahlungsquellen sind in der Regel an den beiden äußeren Enden
aufgehängt
und werden zumindest teilweise von einem Reflektor umgeben. Die
Strahlungsquellen sind derart gestaltet, dass die vom Glas absorbierte
Energie durch freie Konvektion und durch Strahlung abgegeben wird.
Ein Gleichgewicht zwischen der absorbierten und der abgegebenen
Energiemenge ergibt sich bei einer Temperatur des Glaskörpers von
etwa 800°C.
In der Praxis behindern aber die Reflektoren und das Gehäuse der
Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten
diesen Zustand. Es kommt zu Reflektionen von Wärmestrahlung und teilweise
sogar zu Hitzestaus in der Nähe
der Strahlungsquelle. Um dieses Problem zu lösen wird versucht, durch verbesserte
Luftkühlsysteme
die Temperatur der Strahlungsquelle in dem optimalen Betriebsbereich
einzustellen. Nachteilig ist dabei allerdings, dass selbst bei einer
optimalen Kühlung
der freihängenden,
das heißt
lediglich endseitig gehaltenen Strahlungsquelle ab einer kritischen
elektrischen Energie in Verbindung mit einer kritischen Baulänge die
Temperatur des Glaskörpers
so hoch ist, dass sich sämtliche
bekannten UV-Strahlungsquellen
mit der Schwerkraft verformen. Wird die Verformung allerdings zu
stark, so kann das in der Lampe entstandene Plasma punktuell in
Kontakt zum Glaskörper kommen.
Der Kontakt führt
zu einer Überhitzung
und damit zur Zerstörung
des Glaskörpers
der Bestrahlungsquelle. Um die Verformung zu reduzieren, ist es daher
nach dem Stand der Technik erforderlich, die Baulänge von
Bestrahlungsvorrichtungen, insbesondere UV-Bestrahlungsvorrichtungen
und gleichzeitig bei größeren Baulängen die
elektrische Leistung der UV-Strahlungsquelle
zu reduzieren. Herkömmliche UV-Strahlungsquellen
weisen daher eine maximale Länge
von etwa 2,8 Meter auf. Bei der Strahlungshärtung von Fußböden sind
jedoch Bestrahlungsbreiten von vier bis teilweise sogar fünf Meter
erforderlich. In Bedruckungsmaschinen finden sich sogar Bestrahlungsbreiten
von bis zu sechs Metern.
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Um
trotz der begrenzten Länge
herkömmlicher
lang gestreckter UV-Strahlungsquellen die geforderten Arbeitsbreiten
zu erreichen, werden derzeit mehrere Vorrichtungen zum UVStrahlungshärten über dem
zu härtenden
Objekt angeordnet. Bekannte Anordnungen von Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten sind
in den 1 bis 3 dargestellt. 1 zeigt
mehrere Vorrichtungen zum UV-Strahlungshärten, die in einer Reihe fluchtend
zueinander angeordnet sind. Aufgrund der an den stirnseitigen Enden
der Strahlungsquellen angeordneten Elektroden sowie der in den Gehäusen angeordneten
Fassungen zur Aufnahme der Strahlungsquellen ist bauartbedingt zwischen
den einzelnen Vorrichtungen keine UV-Strahlung vorhanden.
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Um
diesen Nachteil zu vermeiden zeigt 2a UV-Strahlungsquellen,
die in Reihe, jedoch einzeln zu einer Mittellinie versetzt und teilweise schräg zueinander
angeordnet sind (vgl. 2b).
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Schließlich ist
es bekannt, mehrere UV-Strahlungsquellen unter einem Winkel von
bis zu 90 Grad bezogen auf eine Linie längs der Bestrahlungsbreite
des zu bestrahlenden Objektes anzuordnen. Bei dieser Anordnung kommen überwiegend kurz
bauende Vorrichtungen zum UV-Strahlungshärten mit UV-Strahlungsquellen mit einer Länge von etwa
10 bis 20 cm zum Einsatz.
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Die
in den 1 bis 3 dargestellten Anordnungen
zum UV-Strahlungshärten oberhalb
des zu härtenden
Objektes weisen sämtlich
den Nachteil einer nicht homogenen UV-Strahlungsverteilung, insbesondere im
Bereich der Enden der UV-Strahlungsquellen bzw. im Überlappungsbereich
von zwei benachbarten Vorrichtungen zum UV-Strahlungshärten auf.
Die hieraus resultierte ungleiche Verteilung der elektromagnetischen
Strahlung, insbesondere der UV- und IR-Strahlung bewirkt eine unerwünschte,
ungleichmäßige Aushärtung der
Beschichtung. Hieraus können
unterschiedliche Glanzgrade bei flächigen Beschichtungen, beispielsweise
von Lacken resultieren, die sich optisch als Streifenbildung bei
Bahnmaterialien darstellen.
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Um
diese ungleichmäßige Verteilung
zumindest in einem gewissen Maß zu
kompensieren werden die Vorrichtungen zum UV-Strahlungshärten in einem größeren Abstand
als üblich
von dem zu bestrahlenden Objekt montiert, um eine diffuse Strahlung
zu erzeugen. Hierbei wird der normalerweise übliche Abstand zum Objekt von
etwa 30 bis 100 mm auf etwa 200 bis 300 mm erhöht. Da jedoch mit dem Abstand
die UV-Strahlungsintensität,
die für
die UV-Strahlungshärtung
entscheidend ist, stark abnimmt, muss eine insgesamt höhere UV-Strahlungsleistung
installiert werden. Hieraus folgen erhebliche Mehrkosten für. die Vorrichtung
zum Stahlungshärten und
ein erhöhter
Stromverbrauch.
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Darüber hinaus
wurde bereits in der deutschen Patentschrift
DE 101 25 770 C2 eine Vorrichtung
zum UV-Strahlungshärten
vorgeschlagen, die größere Bestrahlungsbreiten
ohne eine Verformung der Strahlungsquelle ermöglicht, in dem mindestens eine
der Strahlungsquellen in der Bestrahlungsvorrichtung um ihre Längsachse
drehbar angeordnet ist. Die Drehung der Strahlungsquelle um ihre
Längsachse
gleicht den Einfluss der Schwerkraft auf die Kriechvorgänge im Material
der Strahlungsquelle aus. Diese Lösung basiert auf der Eliminierung
der schädlichen
Auswirkungen der auf die Strahlungsquelle einwirkenden Kräfte, in
dem sich durch die Drehung die Richtung der an dem Material angreifenden
Schwerkraft ständig
verändert.
Nachteilig ist jedoch der relativ hohe konstruktive Aufwand für den Drehantrieb.
Des Weiteren führt
die kontinuierliche Drehung gleichwohl in der lang gestreckten Strahlungsquelle
ständig
zu geringfügigen
Verformungen, die die Haltbarkeit der Strahlungsquelle beeinträchtigen.
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Aus
der
AT 370555 E ist
eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Flächen mit UV-Strahlung bekannt.
Die Vorrichtung besteht aus drei Einheiten, die im Wesentlichen ähnlich aufgebaut
sind. Jede Einheit umfasst eine UV-Röhre, einen Parabolreflektor
und ein ebenes Spiegelsystem Die Parabolreflektoren lenken die von
den UV-Röhren
kommende Strahlung parallel zu einer Ebene um, in der sämtliche
UV-Röhren
liegen. Die ebenen Spiegelsysteme lenken die von den Parabolreflektoren
reflektierte Strahlung jeweils um 90 Grad in Richtung der zu bestrahlenden Fläche ab.
Die Länge
der ebenen Spiegelsysteme ist kürzer
als die Länge
der zugehörigen
Parabolreflektoren, die wiederum kürzer ist als die zugeordneten UV-Röhren sind.
Durch die Spiegel werden die Enden der UV-Röhren und ihre Fassungen abgeschirmt.
Durch dieses Abschirmen der Enden der UV-Röhren sowie ihrer Fassungen
gegenüber
dem der jeweiligen UV-Röhre
zugeordneten Spiegelsystem werden die toten Bereiche der UV-Röhre verdeckt, so dass den zugeordneten
Spiegelsystemen nur die Abschnitte der UV-Röhren ausgesetzt sind, die eine
im wesentlichen einheitliche Strahlungsintensität abgeben. Konstruktiv befinden
sich die Einheiten aus UV-Röhre,
Reflektor und Spiegel in einem Gehäuse, das wiederum in einem
dieses umgebenden Gehäuse
untergebracht ist. Die UV-Röhren überlappen
sich auf etwa der Hälfte
ihrer Länge
der Lampenkörper.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu
Grunde, eine Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten, insbesondere wärmeempfindlicher
Objekte vorzuschlagen, die eine gleichmäßige Verteilung der Strahlung über eine
große
Bestrahlungsbreite mit geringem konstruktivem Aufwand und ohne Beeinträchtigung
der Lebensdauer der Strahlungsquellen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten der eingangs erwähnten Art
dadurch gelöst,
dass sämtliche
Strahlungsquellen in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse mit
einem Reflektorsystem und einer Austrittsöffnung für die elektromagnetische Strahlung
angeordnet sind, das lang gestreckte Gehäuse zylindrisch ausgebildet
ist und die Strahlungsquellen in Richtung der Längsachse L des Gehäuses angeordnet
sind und sich die in Richtung der Längsachse L hintereinander und
versetzt zur Längsachse
L des Gehäuses
angeordneten Strahlungsquellen nicht im Bereich des zwischen den Elektroden
jeder Strahlungsquelle angeordneten Lampenkörpers überlappen.
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Durch
die Integration mehrerer UV-Strahlungsquellen in einem Reflektorgehäuse sowie
die Anordnung der lang gestreckten Strahlungsquellen in Richtung,
insbesondere parallel zur Längsachse
des Gehäuses
wird die gesamte Strahlungsbreite überdeckt, ohne dass störende Gehäusekanten
oder ein zu großer,
durch die die Strahlungsquellen umgebenden Gehäuse bedingter Versatz zu einer
ungleichmäßigen Bestrahlung
führen.
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Um
eine Überlappung
der in Reihe angeordneten Strahlungsquellen innerhalb des Gehäuses und
damit eine größere Strahlungsintensität an bestimmten
Punkten der Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten zu
vermeiden, wird die Überlappung
der hintereinander angeordneten Strahlungsquellen so gewählt, dass
keine Überlappung
benachbarter Strahlungsquellen im Bereich des abstrahlenden Glaskolbens
der Strahlungsquelle erfolgt.
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Das
Ergebnis der erfindungsgemäßen Reihenschaltung
der Strahlungsquellen in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse ist
ein homogenes UV-Bestrahlungsbild über die gesamte Arbeitsbreite bei
geringst möglichem
Energieverbrauch. Auch die Kühlleistung
unerwünschter
Infrarot-Strahlungsenergie, die die Umgebung der UV-Strahlungsquellen aufheizt,
kann reduziert werden. Schließlich
hat sich in der Praxis herausgestellt, dass sich die Haltbarkeit der
Strahlungsquellen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich verlängert.
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Die
Strahlungsquellen sind in Richtung der Längsachse der Vorrichtung hintereinander
und jeweils versetzt zur Längsachse
des Gehäuses
angeordnet, wobei der Versatz so gewählt wird, dass die Elektroden
benachbarter Strahlungsquellen nicht in Kontakt kommen. Hierdurch
ist es möglich,
mindestens eine, vorzugsweise jedoch sämtliche der Strahlungsquellen
separat ein- und auszuschalten, so dass Bedarfsgerecht nur diejenigen
Strahlungsquellen mit Strom versorgt werden, die für die jeweilige Strahlungshärtung nötig sind.
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Eine
weitere Verbesserung der Homogenität kann erreicht werden, wenn
in dem Gehäuse
der Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten eine
Vielzahl von Strahlungsquellen mit einer Länge von zehn bis hundertfünfzig Zentimetern,
vorzugsweise relativ kurzer Strahlungsquellen mit einer Länge von
zwanzig bis vierzig Zentimetern angeordnet sind. Dieser Vorschlag
beruht auf der Erkenntnis, dass UV-Strahlungsquellen kleinerer Längen bauartbedingt
einen homogeneren Strahlungsverlauf über die gesamte Länge der
Strahlungsquelle aufweisen. In Versuchen hat sich ein Elektrodenabstand
von 270 mm als besonders vorteilhaft herausgestellt. Weiter hat
sich gezeigt, dass eine Überlappung
der Elektroden von versetzt zueinander angeordneten, benachbarten
Strahlungsquellen, insbesondere auf einer Länge von insbesondere 3 mm,
das beste Ergebnis im Hinblick auf eine homogene Strahlungsverteilung
zeitigt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Strahlungshärten
lassen sich die anspruchsvollsten Bestrahlungsaufgaben, das heißt Arbeitsbreiten
von bis zu 6,5 Meter in Bedruckungsmaschinen und sogar darüber hinaus
realisieren.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand
von 4 näher
erläutert,
die die Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten in einer Ansicht von unten darstellt.
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Die
insgesamt mit (1) bezeichnete Vorrichtung zum UV-Strahlungshärten weist
ein gemeinsames Gehäuses
(2) mit einer ebenen, an der Unterseite angeordneten Austrittsöffnung (3)
für die
elektromagnetische Strahlung auf. Die aus der Austrittsöffnung (3)
austretende elektromagnetische Strahlung trifft auf ein darunter
im Abstand von etwa 30 bis 100 mm angeordnetes Objekt, insbesondere
eine unter der Vorrichtung hindurch laufende Substratbahn mit einer
großen
Bestrahlungsbreite (B) von bis zu 6 m, die sich in Richtung der
Längsachse
L der lang gestreckten Vorrichtung (1) erstreckt. Die Bewegungsrichtung
der unter der Vorrichtung (1) hindurch bewegten Substratbahn
verläuft
senkrecht zur Bestrahlungsbreite (B). Jede der insgesamt vier Strahlungsquellen
(4) weist an ihren beiden Stirnseiten Elektroden (5a,
b) auf. Die Strahlungsquellen (4) sind in Richtung der
Längsachse
des Gehäuses
(2) hintereinander und jeweils versetzt zur Längsachse
(L) angeordnet. Der Versatz von jeweils zwei benachbarten Strahlungsquellen
(4) ist insoweit unterschiedlich, als die eine Strahlungsquelle
(4) links von der Längsachse
und die andere Strahlungsquelle (4) rechts von der Längsachse,
jedoch um denselben Betrag versetzt zueinander angeordnet sind,
ohne dass sich die Elektroden (5a, b) benachbarter Strahlungsquellen (4)
berühren.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Elektroden (5a, b) benachbarter Strahlungsquellen
(4) jeweils soweit gegeneinander in Längsrichtung verschoben, dass
sich die zwischen den Elektroden (5a, b) jeder Strahlungsquelle
(4) befindlichen Glaskörper
der Strahlungsquellen (4), über die die elektromagnetische
Strahlung abgestrahlt wird, lückenlos
in Richtung der Längsachse
(L) über die
gesamte Strahlungsbreite (B) aneinanderreihen. Dabei ist die Überlappung
in Richtung der Längsachse
(L) jedoch so gewählt,
dass sich keinesfalls die Glaskolben benachbarter Strahlungsquellen überlappen
und dadurch eine erhöhte
Strahlungsintensität
in dem Überlappungsbereich
zur Folge hätte.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist jede Strahlungsquelle (4) einzeln mit Energie versorgbar, so
dass je nach Bestrahlungsaufgabe einzelne der Bestrahlungsquellen
(4) abschaltbar sind, insbesondere dann, wenn mit der Bestrahlungsvorrichtung
(1) geringere Strahlungsbreiten B abgedeckt werden sollen.