WO2015000574A1 - Wärme-lichttrennung für eine uv-strahlungsquelle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen von Substraten mit UV Strahlung in einem Anwendungsbereich, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Strahlungsquelle welche sowohl UV-Strahlung als auch sichtbares Licht und Infrarotstrahlung in einen Raumwinkel ausstrahlt, einen strahlungsselektiven Umlenkspiegel welcher die UV Strahlung grösstenteils reflektiert und die VIS & IR Strahlung grösstenteils transmittiert dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel zumindest zwei flache Spiegelstreifen umfasst welche gegeneinander geneigt sind.

Description

Wärme-Lichttrennung für eine UV-Strahlungsquelle

Die vorliegende Erfindung betrifft Bestrahlungsvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1

UV-härtende Lacke werden in vielen unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Unter Aushärtung ist dabei im Wesentlichen die Vernetzung von Polymerketten zu verstehen. Bei UV-härtenden Lacken wird diese Vernetzung durch UV-Strahlung induziert.

In der Regel enthalten diese Lacke allerdings, wenn sie auf ein Werkstück aufgebracht werden, Lösungsmittel die vor der Aushärtung ausgetrieben werden müssen. Diese Austreibung kann über eine Erhöhung der Temperatur über die Umgebungstemperatur hinaus beschleunigt werden. Je höher die Temperatur umso schneller die Austreibung der Lösungsmittel. Dabei darf allerdings eine gewisse, lackabhängige Temperatur (Glastemperatur, chemische Zersetzungstemperatur) nicht überschritten werden. Ebenso darf die Verformungstemperatur des Materials des Werkstücks nicht überschritten werden. Hoch intensive UV Strahlungsquellen basieren auf Gasentladungslampen, die neben der erwünschten UV Strahlung auch starkes sichtbares Licht (VIS) und infrarote Strahlung (IR) aussenden. VIS und IR tragen bei der Aushärtung von Lacken zu einem wesentlichen zusätzlichen Temperaturanstieg bei. Dabei muss aber vermieden werden, dass die Temperatur während des Aushärtungsvorgangs über die Glastemperatur des Lackes ansteigt. Es ist wünschenswert, diesen VIS und IR Beitrag möglichst zu unterdrücken, dabei aber möglichst wenig UV-Strahlung zu verlieren.

Typische UV-Strahlungsquellen bestehen aus einer Gasentladungslampe und einem Reflektorelement, der die in die dem Werkstück abgewandte Richtung ausgesandte UV Strahlung sammelt und in Richtung des Anwendungsbereichs reflektiert. Die zum Anwendungsbereich propagierende UV-Strahlung setzt sich somit aus Direktstrahlung und reflektierter Strahlung zusammen. Im Falle einer im wesentlichen linearen Quelle ist die Lampe im wesentlichen rohrförmig. Sie kann

BESTÄTIG U NGSKOPI E aber auch als Serie von einzelnen, im wesentlichen punktförmigen Lampen bestehen, die in einer Reihe angeordnet sind.

Um nun den unerwünschte VIS und IR Anteil der emittierten Strahlung der Lampe, der in den Anwendungsbereichs fällt, abzuschwächen, kann das Reflektorelement mit einer Beschichtung versehen werden, die die VIS und IR Strahlung möglichst wenig reflektiert. Dies kann durch eine absorbierende Schicht erfolgen, wird aber vorzugsweise als dichroitische Dünnfilm Beschichtung ausgeführt, die einerseits den UV Anteil hoch reflektiert, und VIS und IR transmittiert, d.h. vom Anwendungsbereich weglenkt. Eine so ausgeführte UV Quelle reduziert die VIS und IR Strahlung im Anwendungsbereich je nach reflektierendem Element (typischerweise elliptisches Element in Zylinderform) um einen Faktor im Bereich von 2-5.

Auf diese Weise findet allerdings für die Direktstrahlung keine Abschwächung des VIS und/oder IR Anteils statt. Zudem gelangt auch noch ein substanzieller Restanteil der VIS und IR Strahlung, das von der Beschichtung des Reflektors nicht transmittiert wird, in den Anwendungsbereich.

Eine weitere Unterdrückung der VIS & IR Strahlung kann durch einen zusätzlichen, im Strahlengang der Direktstrahlung positionierten Umlenkspiegel erreicht werden. Dieser Umlenkspiegel sollte die UV Strahlung möglichst gut reflektieren, die VIS&IR Strahlung aber möglichst schlecht reflektieren. Dieser Umlenkspiegel wird als flacher Spiegel ausgeführt. Meist kommt eine Glasplatte mit dichroitischer Dünnschicht Filterbeschichtung, die in einem Winkel von 45° zum Hauptstrahl der UV Quelle angeordnet ist, zur Anwendung. Der Anwendungsbereich befindet sich dann stromabwärts im Strahlengang der durch den Umlenkspiegel reflektierten UV Strahlung.

Die UV Strahlung wird durch diesen Umlenkspiegel im 90° umgelenkt, während die VIS & IR Strahlung transmittiert und damit nicht zum Anwendungsbereich gelenkt wird.

Abhängig vom Reflektorelement und dem Umlenkspiegel werden Unterdrückungen von der VIS & IR Strahlung um Faktoren von 10 bis über 20 erreicht. Ohne Umlenkspiegel werden, wie oben beschrieben, nur Abschwächungsfaktoren von 2-5 erreicht. Während mit dem Reflektorelement der Lampe typischweise über 80% der UV Strahlung gesammelt werden kann, geht allerdings mit dem zusätzlichen Umlenkspiegel je nach Ausführung und geometrischer Anordnung typischerweise 30-50% der UV Strahlung bis zum Anwendungsbereich verloren. Daraus resultiert ein Verhältnis der Lichtleistung von UV/(VIS & IR) im Bereich von über 10. der Relativanteile mit einer typisch eingesetzten Quecksilber Mitteldruck Gasentladungslampe. Ohne Umlenkspiegel liegt dieses Verhältnis hingegen typischerweise nur bei 2:1 bis 4:1. Diese geringere UV Strahlung mit dem Umlenkspiegel könnte, falls verfügbar, durch eine stärkere UV Lampe kompensiert werden, ohne dabei den VIS & IR Strahlungsanteil übergebührlich anzuheben. Die notwendige Kühlung der Lampe bei intensiven UV Quellen setzt der Leistungserhöhung jedoch technische und wirtschaftiche Grenzen; diese können im Anwendungsfall zu grösseren Abständen der zur UV Quelle führen, was wiederum die gewünschte UV Strahlungsintensität im Anwendungsbereich vermindert.

Allerdings führt der Einsatz des dichroitischen Umlenkspiegels zu einer Verlängerung des Lichtweges zwischen UV-Quelle und Anwendungsbereich, typischerweise um ca 70% der Länge des Umlenkspiegels.

Die dementsprechende Situation ist in der Figur 1 bezüglich der Reflektorstrahlung und in Figur 2 bezüglich der Direktstrahlung dargestellt. In den Figuren ist die UV- Strahlung als gepunktete Linie dargestellt, während die Strahlung des VIS&IR als gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Gesamtstrahlung ist als durchgezogene Linie gezeigt.

Dabei wird in Figur 2 deutlich dass ein Grossteil der reflektierten UV-Strahlung nicht zum in den Figuren schraffiert dargestellten Anwendungsbereich propagiert. Die Verlängerung des Strahlengangs hat daher vor allem für die Direktstrahlung die Konsequenz, dass aufgrund des Öffnungswinkels, in den abgestrahlt wird, die Intensität der UV Strahlung pro Flächeneinheit (Flächenintensität) insbesondere auch im Anwendungsbereich reduziert wird. Zur Aushärtung einer Lackschicht ist eine bestimmte Dosis erforderlich, die durch das Produkt aus Strahlungsintensität und Belichtungszeit (genauer durch das zeitliche Integral der Intensität) gegeben ist. Die oben beschriebene geringere Flächenintensität kann, um die erforderliche Dosis zu erreichen, nur durch Verlängerung der Belichtungszeit wettgemacht werden. Dies führt zu längerer Prozesszeit und damit zu höheren Prozesskosten.

Die oben beschriebene geringere Flächenintensität kann jedoch noch einen zusätzlichen, gravierenden Nachteil haben: gängige UV härtende Lacke zeigen ein nicht-lineares Aushärteverhalten in Bezug auf die Flächenintensität. Dies bedeutet dass der Aushärtegrad nicht allein proportional zur Belichtungsdosis ist, sondern ab einem bestimmten Schwellwert überproportional mit kleinerer Flächenintensität abnimmt. Bei zu kleiner Flächenintensität kann gar keine vollständige Aushärtung mehr erfolgen.

Die geringere Flächenintensität kann teilweise kompensiert werden, indem eine Konfiguration des Reflektorelements so gewählt wird, dass das Licht in annähernd kollimierter oder sogar teil-fokussierter Form in den Anwendungsbereich gelenkt wird. Im Falle von nicht flachen Bauteilen mit geneigten Seitenflächen oder Einbuchtungen den Nachteil, dass diese Bereiche mit substantiell weniger UV Licht beaufschlagt werden. Durch längere Belichtung kann die erforderliche Belichtungsdosis allenfalls erreicht werden, falls die daraus resultierende Ueberbelichtung der flachen Bereiche keine Nachteile mit sich bringt, und die minimal notwenige Intensität noch erreicht werden kann. Falls dies nicht so ist, besteht noch die Möglichkeit einer Drehung der Bauteile während der Relativbewegung der Bauteile zur UV Quelle, diese zusätzliche Bewegung bedeutet aber wesentlichen Mehraufwand in der Halterung der Bauteile und der Einrichtungen zur Bewegung, und den Nachteilen in einer geringeren Anordnungsdichte der Bauteile in der Aushärteanlage und einer wesentlichen Verlängerung der Belichtungszeiten.

Diese mit dem Einsatz des Umlenkspiegels verbundenen Nachteile könnten wiederum durch UV Quellen höherer Leistung umgangen werden. Neben den höheren Kosten einer stärkeren UV Quelle fällt allerdings die wegzuführende zusätzliche Abwärme zusätzlich ins Gewicht. Bei Anwendungen mit hohen UV Strahlungsleistungen, wie sie in produktionstechnischen Anwendungen eingesetzt werden, führen erhöhte Systemtemperaturen sowohl zu Prozess-Drifts als auch beschleunigten Alterungsdefekten an Apparaturen und Einrichtungen. Diese können zwar gewöhnlich mit zusätzlichen Kühleinrichtungen verringert oder eliminiert werden, was aber wiederum mit zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten verbunden ist.

Der Erfinder hat herausgefunden, dass die oben geschilderten Nachteile durch einen Umlenkspiegel mit einer im wesentlichen konkaver Oberflächenform stark reduziert werden können. Dabei lässt sich mit der Krümmung nicht nur ohne weiteres der verlängerte Strahlengang kompensieren, sondern es kann auch eine zumindest in einer Ebene teilweise Fokussierung der reflektierten UV Strahlung erreicht werden, was zu einer Erhöhung der Flächenintensität führt. Die Form des gekrümmten Umlenkspiegels ist dabei von der genauen Position und Orientierung des Anwendungsbereichs abhängig. Das Substrat des gekrümmten Umlenkspiegels ist dabei vorzugsweise für VIS & IR Strahlung durchlässig. Als Substratmaterial kommen daher beispielsweise Glas und Kunststoff in Frage, wobei zu beachten ist dass das Substrat hohen Temperaturen und einer UV-Reststrählung ausgesetzt ist. Allerdings wäre es auch möglich, für das Substrat ein Material zu wählen, welches VIS&IR effizient absorbiert, dieses würde aber durch die absorbierte Leistung stark erhitzt und müsste daher separat gekühlt werden.

Um die optisch benötigten Eigenschaften zu erreichen kann eine konkav gekrümmte Glasoberfläche mit einem Interferenzfilter beschichtet werden. Das Interferenzfilter ist beispielsweise als Dünnschicht Wechselschichtsystem aufgebaut, wobei die oberflächennahen Schichten für die Reflexion der UV-Strahlung sorgen und das Wechselschichtsystem insgesamt eine Antireflexschicht für die VIS & IR Strahlung bilden. Die mit der Herstellung der gekrümmten Glasoberfläche verbundenen Probleme lassen sich allerdings nur mit Aufwand bewältigen. Eine Herausforderung stellt zudem die Winkelabhängigkeit des optischen Verhaltens der Interferenzfilter dar. Einerseits stellt sich bei der Beschichtung gekrümmter Oberflächen die Schwierigkeit, eine gleichförmige Beschichtung über die ganze optisch relevante Oberfläche zu erreichen. Andererseits erfordert diese Ausführungsform für eine optimale Funktionsweise sogenannte Gradientenfilter, um den unterschiedlichen, positionsabhängigen Einfallswinkeln Rechnung zu tragen. Die verfügbare Beschichtungstechnologie ist jedoch in der Lage, diese Problem zumindest teileweise zu meistern, auch wenn dies mit einem grossen Aufwand und somit wiederum mit Kosten verbunden ist.

Bei der Lösung mit dem gekrümmten Spiegel kommt die Problematik hinzu, dass sich bei einigen Anwendungen manchmal die Distanz von der Strahlungsquelle zum Anwendungsbereich der Strahlung verändert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn einerseits grosse mit einer Lackschicht versehene Substrate mit UV-Strahlung beaufschlagt werden müssen die in einer Ebene liegen und mit derselben Aushärteapparatur aber dann auch kleine, auf einer Spindel positionierte Substrate mit UV-Strahlung beaufschlagt werden sollen, wobei aufgrund der Spindel die Substrate und damit der Anwendungsbereich näher am Umlenkspiegel liegen. Im ungünstigsten Fall wird es dann erforderlich den gekrümmten Umlenkspiegel durch einen Umlenkspiegel mit anderer Krümmung auszutauschen.

Es besteht daher das Bedürfnis nach einer einfach zu realisierenden, jedoch effizienten Bestrahlungsvorrichtung für UV-Strahlung, mit der erreicht wird, dass ein Anwendungsbereich mit UV-Strahlung in ausreichender Flächenintensität beaufschlagt wird.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gemäss einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gelöst, dass ein aus planen Spiegelstreifen zusammengesetzter Umlenkspiegel eingesetzt wird, wobei die planen Spiegelstreifen derart gegeneinander geneigt sind, dass sie eine gewünschte Krümmung zumindest grob nachempfinden. Es werden mindestens zwei Streifen eingesetzt, vorzugsweise jedoch mehr als zwei und besonders bevorzugt werden drei Streifen eingesetzt.

Damit können die beiden Hauptnachteile der gekrümmten Form in einfacher Weise umgangen werden. Die Beschichtung der Spiegelstreifen kann so erfolgen, dass zunächst flaches Glas beschichtet wird. Eine derart beschichtete Glasplatte wird anschliessend in Steifen zerschnitten und diese Streifen werden in ein Halterelement befestigt. Dieses Halterelement ist derart ausgestaltet, dass jeder der Spiegelstreifen mit einer Orientierung in einem vorbestimmten Winkel zum Hauptstrahl der UV Quelle zu liegen kommt. Die einzelnen Winkel werden so gewählt, dass möglichst viel UV Strahlung in den Anwendungsbereich fällt. Dadurch, dass die Spiegelstreifen die VIS & IR Strahlung im Wesentlichen transmittieren, bleibt dieser Anteil im Anwendungsbereich in jedem Fall klein.

Mit geeigneter individueller Wahl der spektralen Eigenschaften der Dünnfilm Spiegelschicht für jeden Spiegelstreifen können beide Anforderungen noch weiter optimiert werden. Es kann also für jeden Winkel eine gesonderte Glasplatte mit für diesen Winkel spezifisch optimiertem Dünnfilminterferenzfilter beschichtet werden. Der erfindungsgemässe Umlenkspiegel wird dann aus Streifen der unterschiedlich beschichteten Glasplatten zusammengesetzt.

Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Befestigungen mit dem die Spiegelstreifen an der Halterung fixiert werden so ausgestaltet, dass sie sich zumindest über einen gewissen Winkelbereich um eine Achse parallel zu der längeren Kante der Spiegelstreifen drehen lassen. Hierdurch wird es möglich, die nachempfundene Krümmung des Umlenkspiegels einzustellen und so die UV Strahlungsleistung für unterschiedliche Anwendungsebenen zu optimieren.

Mit einstellbaren Winkeln der Spiegelsegmente kann die Ausleuchtung der verschiedenen Oberflächenelemente von 3-dimensionalen Bauteilen mit Einbuchtungen und Seitenflächen wesentlich gleichmässiger gemacht und damit verbessert werden, indem die Segmente so eingestellt werden, dass das Licht in einer fokussierten Form mit Strahlanteilen über einer breiten Winkelbereich in den Anwendungsbereich einfällt. Obwohl für die flachen Bereiche damit eine etwas geringere Intensität resultiert, wird damit eine homogenere Belichtung über die ganze Oberfläche des Bauteils erreicht. Diese Ausführungsform erlaubt eine einfache und vor allem flexible Anpassung der Winkelverteilung und der räumlichen Verteilung des Bestrahlungslichts. Die Anpassung der Winkel dieser Spiegelsegmente kann auch über extern steuerbare Antriebe erfolgen, was die Möglichkeit eröffnet, prozesstechnisch gesteuert die Belichtung verschieden geformter Elemente zu optimiert auszuführen. In einer weiteren Verfeinerung können die Spiegel durch solcherart ausgeführte Antriebe auch synchron mit einer Vorbeibewegung der Werkstücke durch den Anwendungsbereich bewegt werden. Auf diese Weise kann die Ausleuchtung der Oberflächenform der Werkstücke dynamisch angepasst und optimiert erfolgen.

Die Erfindung wird nun im Detail unter Zuhilfenahme der Figuren beispielhaft erläutert.

Figur 1 zeigt eine UV Bestrahlungsanordnung mit planarem Umlenkspiegel sowie den Strahlengang der Reflektorstrahlung. Figur 2 zeigt die Bestrahlungsanordnung gemäss Figur 1 sowie den Strahlengang für die Direktstrahlung

Figur 3 zeigt eine Bestrahlungsanordnung gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wobei der Umlenkspiegel aus drei Spiegelstreifen gebildet wird.

Figur 4 zeigt eine mögliche Halterung für einen erfindungsgemässen Umlenkspiegel.

In Figur 5 ist eine dementsprechende Draufsicht der in Figur 4 dargestellten Halterung gezeigt.

Figur 6a zeigt eine Aushärteeinheit

Figur 6b zeigt ebenfalls eine Aushärteeinheit

Figur 7 zeigt ein zu bearbeitendes Bauteil dessen Querschnitt ein Kreissegment darstellt.

Figur 8 zeigt das positionsabhängige Profil der Dosis

Figur 9 zeigt die Variation der Leistung der UV Quelle synchron mit der Bewegung des Bauteils. Fig 10 ist das Ergebnis für die örtliche Verteilung der UV Strahlungsdosis auf der Oberfläche der angenommenen Bauteile gezeigt, je für die Konfiguration von Fig 6a und Fig 6b In der Realität werden die Substrate oftmals durch den Anwendungsbereich bewegt. Beispielsweise auf einer Kreisbewegung wenn es auf einer sogenannten Spindel montiert wird. Hierdurch wird eine repetitive Belichtung des Lacks erreicht. Mit dieser Bewegung wird die unerwünschte Temperaturerhöhung weiter reduziert, da sich die Oberfläche während des Winkelbereichs der Drehung, die dem Anwendungsbereich abgewandt ist, abkühlen kann.

Im Folgenden wird ein quantitativer Vergleich der kumulierten UV Dosis (Intensität x Zeit) auf ein sich durch den Anwendungsbereich bewegtes flaches Substrat gemacht, wobei der Bezug der Fall ohne den dichroitischen Spiegel gemacht wird, für den die Dosis =100 angenommen wird. Der dichroitische Spiegel hat im hier angenommenen Fall eine Reflektionseffizienz von ca 93% für die UV Strahlung und eine Transmissionseffizienz von ca 92% für die VIS & IR Strahlung. Für die UV Dosis im Anwendungsbereich wird ein Wert von ca 65 ermittelt, für die VIS+IR Dosis hingegen ein Wert von ca 25, d.h. durch den flachen dichroitischen Spiegel wird die unerwünschte Strahlung um 75% reduziert, während der erwünschte UV Strahlung nur um 30% reduziert wird.

Geht man nun vom flachen Umlenkspiegel auf zwei gegeneinander geneigte Spiegelstreifen über, so ergibt sich eine substantiell höhere UV Dosis von 79, (im Vergleich zu 65 für den flachen Umlenkspiegel). Demgegenüber steigt die VIS & IR Dosis geringfügig auf 28 (im Vergleich zu 25 für den flachen Umlenkspiegel).

Mit einer weiteren Aufteilung des Umlenkspiegels in 3 Streifen, wie in Figur 3 gezeigt, kann die UV Dosis im Anwendungsbereich noch weiter verbessert werden. Für diesen in Figur 2 schematisch dargestellten Fall erhält man eine UV Dosis von 83, d.h. eine 30% Erhöhung gegenüber dem flachen Umlenkspiegel, während die VIS und IR Dosis nur auf ca 29 steigt. Mit zunehmender Anzahl Spiegelsegmente kann die Effizienz für die UV Licht Lenkung in den Anwendungsbereich theoretisch weiter verbessert werden. Allerdings steigt dann auch die Anzahl der Streifenkanten an denen es zu Verlusten kommt. Zusätzlich steigt der Aufwand in der Herstellung dieses Multisegment- Spiegels.

Neben der für die UV Aushärtung wesentliche Dosis an UV Strahlung muss für gewisse Aushärtungsprozesse eine Intensitätsschwelle der UV Strahlung für eine gewisse Zeitdauer überschritten werden. Während für den Fall des flachen Umlenkspiegels für das angeführte Beispiel ein Intensitätsmaximum von ca 45 Einheiten erreicht wird, wird für den aus zwei Spiegelstreifen bestehenden Umlenkspiegel ein Wert von ca 60 erreicht und im in der Figur 3 dargestellten Fall mit drei Steifen wird sogar ein Wert von ca. 80 erreicht. Damit kann mit der Aufteilung des dichroitischen Spiegels in Streifen beinahe die gleiche Flächenintensität wie im Falle eines Aufbaus ohne diesen Spiegel erreicht werden.

Bei einer nicht-linearen Relation von Aushärtung und Dosis kann somit das Erreichen des Schwellenwerts für diese Flächenintensität weiterhin gewährleistet werden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine wesentliche Erhöhung der gewünschten UV Strahlungsintensität im Anwendungsbereich erreicht ohne dass eine signifikante Erhöhung der unerwünschten VIS und IR Strahlungsintensität in Kauf genommen werden muss. Das hat zur Auswirkung, dass ein Aushärtungsschritt von UV empfindlichen Lack entsprechend kürzer erfolgen kann und damit mit einer höheren Taktrate mehr Bauteile pro Zeiteinheit ausgehärtet werden können. Alternativ kann mit einer schwächeren UV Lichtquelle ein gleichwertiges Resultat erzielt werden, mit dem Vorteilen eines günstigeren Anschaffungspreises einer schwächeren UV Lichtquelle und von geringeren Betriebskosten. Weiter hat eine höhere Effizienz der UV Licht Führung in den Anwendungsbereich den Vorteil, dass notwendige Kühlungen der Anlage und insbesondere des Anwendungsbereichs, in dem sich die mit temperaturempfindlichen Lack versehenen Substrate befinden, einerseits kleiner dimensioniert und weniger aufwendig gebaut werden können, und andererseits im der Anwendung mit weniger Energieverbrauch betrieben werden kann. In produktionstechnischen Anlagen muss die gesamte Abwärme des Aushärtungsprozesses mit starker Luftkühlung abgeführt werden, um die Temperaturerhöhung im Anwendungsbereich gering zu halten. Bei diesen Luftströmen muss mit intensiver Filterung verhindert werden, dass Staubpartikel in den Strom und damit auf die anfangs noch in einem zählflüssigen Zustand befindlichen Lackoberflächen gelangen und dort haften bleiben. Jegliche Reduktion des notwendigen Luftstroms durch Reduzierung der unerwünschten Strahlung oder Verbesserung der Effizienz in der UV Lichtführung, wie in der Erfindung dargestellt, führt zu einer möglichen Reduktion dieser notwendigen Luftströme.

Am Beispiel eines Umlenkspiegels welcher aus drei Spiegelstreifen aufgebaut ist, ist in Figur 4 eine Halterung für die Spiegelstreifen gezeigt. In der Figur sind die Spiegelstreifen in Querschnitt lediglich mit Strichlinien angedeutet. Die Halterung umfasst Fixierelemente 3, 7, 9 und 11 , die an den Streifen an der kürzeren Kante angeordnet, z.B. geklemmt sind. Das Fixierelement 3 eines Streifens ist dabei mit dem Fixierelement 7 eines benachbarten Streifens über mittels eines Gelenkes 15 verbundene Stege 13, 17 verbunden. Das Fixierelement 9 des zentralen Streifens ist dabei mit dem Fixierelement 11 des anderen benachbarten Streifens über mittels eines Gelenkes 21 verbundene Stege 19, 23 verbunden. Die äusseren Streifen des Umlenkspiegels weisen zusätzliche Fixierelemente 25 und 29 auf. Diese Fixierelemente sind an Kreisbögen 27, 31 fixiert. Sie können zur Justage entlang dieser Kreisbögen verschoben und dann fixiert werden. Kreisbogen 27 gehört zu einem theoretischen Kreis, dessen Mittelpunkt im Gelenk 15 liegt. Kreisbogen 31 gehört zu einem theoretischen Kreis, dessen Mittelpunkt im Gelenk 21 liegt.

Vorzugsweise ist an beiden Seiten der so angeordneten Spiegelstreifen eine solche Halterung vorgesehen. In Figur 5 ist eine dementsprechende Draufsicht gezeigt. Mit dieser Halterung lässt sich die Neigung der Spiegelstreifen in einfacher Weise einstellen und justieren.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft Einrichtungen und Prozess für eine steuerbare Ausleuchtung von Werkstücken mit UV Licht zur Aushärtung von UV sensitiven Oberflächenlackierungen Insbesondere betrifft dieser Apekt UV Belichtungseinrichtungen zur Aushärtung von UV sensitiven Lackschichten auf Oberflächen, mit Fokus auf homogene oder einem bestimmten Profil folgender Beleuchtung der Lackoberflächen auf einem 3 dimensionalen Werkstück

Oberflächenlackierungen werden für verschiedene Funktionen der Oberflächenvergütung wie mechanischer und chemischer Schutzschichten eingesetzt, aber auch für Funktionen wie spezielle dekorativen Eigenschaften wie Farben oder Lichtreflektion oder Lichtstreuung. Die verwendeten Lacke werden durch Sprüh-, Tauch- oder Malverfahren als Film auf die zu beschichtenden Bauteile aufgebracht und nachfolgend mit einem Aushärtungsverfahren in den Endzustand mit den gewünschten Eigenschaften gebracht. Beim Aushärteschritt wird dem Lackfilm Energie zugebracht, um den Aushärtungsprozess zu beschleunigen. Bei konventionellen Lacken wird thermische Energie in Form von Infrarotstrahlung oder mit Hilfe von einem erhitzten Gas (Luft) zugeführt. Mit geeigneten Oefen oder Infrarotstrahlern kann die Lackschicht auch auf komplexeren Oberflächengeometrien relativ einfach gleichmässig ausgehärtet werden. Nachteilig bei diesen Verfahren ist aber die relativ lange Dauer (typischerweise zwischen 10...100min) dieses Aushärtungsprozesses, was insbesondere in einem Serien Produktionsprozess die Logistik komplex und anfällig auf Störungen des Ablaufs machen kann. Mit einer alternativen Klasse von Lacken, die unter Zugabe von UV Licht ausgehärtet werden, können diese Probleme weitgehend eliminiert werden. Die Aushärtung erfolgt durch Bestrahlung der Lackfilme mit hochintensiven UV Lichtquellen. Damit kann der Aushärtungsschritt zeitlich wesentlich verkürzt werden, typisch sind Belichtungsdauern von 1...10min. Eine gleichmässige Beleuchtung des Lackfilms mit UV Licht wird jedoch insbesondere für komplexere Oberflächen und -formen zur Herausforderung. Bei 2 dimensionalen Oberflächen wird mit einer stabförmige, lineare UV Quellen eine gleichmässige Ausleuchtung in eine Dimension erreicht; eine Gleichförmigkeit in die andere Dimension kann durch eine Relativbewegung des Bauteils zur UV Quelle erzielt werden. Bei komplexeren Oberflächengeometrien muss das Bauteil zusätzlich relativ zur UV Quelle gedreht und/oder geneigt werden, was für die Mechanik der Halterung des Bauteils in der Aushärtungsanlage eine besondere Herausforderung darstellt, was naturgemäss zu Limitierungen in der Uniformität und Gleichmässigkeit der Eigenschaften und Qualitätsmerkmalen der ausgehärteten Filme führt, oder die verarbeitbaren Oberflächenformen einschränkt.

Wesentliche Filmeigenschaften des ausgehärteten Lackfilms bedürfen einer Minimaldosis an UV Lichts, die Veränderungen mit einer Ueberbelichtung können für diese Eigenschaften gering sein. Damit kann ein Mangel an UV Licht an bestimmten Stellen auf der Oberfläche des Bauteils durch eine längere Belichtungsdauer kompensiert werden, wobei damit andere Bereiche überbelichtet werden. Für Eigenschaften, die kritischer von der Dosis abhängen, ist eine Einbusse der Homogenität die Folge

Eine homogenere Ausleuchtung kann durch mehrfach drehende Halterungen für die Bauteile erreicht werden. Solche Halterungen und Einrichtungen dazu sind kostenintensiv in der Anschaffung, anspruchsvoll in der Handhabung und gewöhnlich inflexible in der Anwendung. Zudem ist die Ausnutzung der durch die Anlage maximal gegebene Beladungsfläche mit Bauteilen geringer.

Probleme des aktuellen Stand der Technik können daher sein:

Ueberbelichtung:

- Eigenschaften inhomogen, z.B. Versprödung im überbelichteten Bereich, im Bereich unvollständiger Aushärtung mechanisch weniger beanspruchbare Filmeigenschaften.

Mehrfach rotierende Halterungen für Bauteile bedeuten wesentlichen Mehraufwand in der Herstellung, Bereitstellung, Handhabung und Lagerhaltung von Bauteile-spezifische Halterungen.

Zunächst muss geklärt werden, wie die mit dem Lackfilm beaufschlagten Bauteile durch einen Anwendungsbereich, in den UV Licht von einer UV Quelle gelenkt wird, bewegt werden. Die gleichförmige Ausleuchtung in der Dimension senkrecht zur Bewegungsrichtung wird durch eine in diese Dimension längliche Form der Beleuchtungsgeometrie erreicht (stabförmige UV Lampe). Für die Kurvenform der Bewegung der Bauteile wird an dieser Stelle eine Linear- oder Kreisbewegung auf einem Zylinder angenommen, ohne die nachfolgende erfindungsmässe Methode darauf einzuschränken. Figur 6a zeigt schematisch die Anordnung in einer Aushärtungseinheit mit UV Lichtquelle. Das UV Licht der UV Lampe wird über ein Reflektor gesammelt und in einen Anwendungsbereich geführt, in dem der Lackfilm auf Bauteilen belichtet und so ausgehärtet wird. Die sich im Anwendungsbereich befindlichen Bauteile erwärmen sich, das die gesamte Lichtstrahlung der UV Quelle in diesem Raumbereich weitgehend absorbiert wird. Die Lackfilme sind aber temperaturempfindlich und die Temperatur darf einen Maximalwert nicht überschreiten. Diese Problem wird durch ein zyklisches Bewegen der Bauteile durch den Anwendungsbereich entschärft, auf diese Weise können sich die Bauteile während der Zeit, in der sie sich nicht i im Anwendungsbereich befinden, abkühlen. Für Bauteile mit beschränkter Grösse erfolgt diese zyklische Bewegung vorzugsweise auf einer Kreisbahn, indem die Bauteile auf einer Trommel befestigt werden und diese Trommel sich um ihre Achse bewegt.

Eine erweiterte Ausführungsform einer Aushärtungseinheit ist in Fig 6b gezeigt. Mit Hilfe eines für das VIS Licht und die IR Strahlung der UV Lampe durchlässigen, für das UV aber hoch reflektierenden dichroitischen Spiegels wird die ungewollte VIS und IR Strahlung vom Anwendungsbereich weggeführt, womit der Temperaturanstieg während des Aushärtungsprozesses weiter limitiert werden kann. Im Folgenden wird nun die erfindungsmässige Methode einer homogenen Belichtung eines Bauteils mit komplexerer Oberflächengeometrie, die mit einer UV empfindlichen Lackschicht versehen ist, dargestellt. Als Beispiel wird ein zylinderförmiges Bauteil, dessen Querschnitt ein Kreissegment darstellt (Fig 7), beschrieben.

Wird dieses Bauteil auf einer Trommel in der Kreisbewegung durch den Anwendungsbereich geführt, ergibt sich für die Dosis (Intensität x Zeit) der Belichtung mit UV Licht ein positionsabhängiges Profile wie in Fig 8 dargestellt, je für eine Aushärtungseinheit wie in Fig 6a und 6b.

Die Dosis fällt auf dem kreisförmigen Zylindersegment vom Zentrum zum Rand des Bauteils um ca 30% ab. Erfindungsgemäss wird nun die Leistung der UV Quelle synchron mit der Bewegung des Bauteils verändert. Dabei wird die Leistung einer bestimmten zeitlichen Kurvenform folgend eingestellt. Um das Prinzip zu verdeutlichen, wird der Einfachheit halber eine sinusförmige Kurvenform gewählt, wobei die Phase in einem konstanten Verhältnis zur Rotationsbewegung der Trommel gehalten wird (Fig 9). Die Frequenz dieser Modulation der UV Lichtleistung wird durch die Anordnung der Bauteile auf der Trommel gegeben, wobei davon ausgegangen wird, dass der Abstand zwischen den Bauteilen auf dem Umfang der Trommel im Sinne einer dichten Beladung klein gehalten wird. Die Modulation läuft also kontinuierlich weiter mit jedem der Bauteile, die sequentiell durch den Anwendungsbereich laufen.

In Fig 10 ist das Ergebnis für die örtliche Verteilung der UV Strahlungsdosis auf der Oberfläche der angenommenen Bauteile gezeigt, je für die Konfiguration von Fig 6a und Fig 6b. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich, ist der Verlauf der Dosis vom Zentrum zum Rand nun beinahe eliminiert worden. Dieses Resultat wird in diesem Fall mit einer Modulationsamplitude der UV Lichtleistung von ca 35% relativ zum konstanten Wert erreicht. Die Phase der Modulationskurvenform ist so gewählt, dass bei die Modulationsleistung minimal ist zum Zeitpunkt, wenn sich das Bauteil in minimalen Abstand zur UV Lichtquelle, d.h die Normale parallel zur Achse des UV Lichtverteilung, sich befindet.

Das Prinzip dieser synchronen Modulation der Lichtleistung mit der Bewegung des Bauteils kann erfindungsgemäss noch auf wesentlich komplexere Formen wie auf die hier beispielhaft Dargestellte angewendet werden. Dafür kann Im Wesentlichen eine beliebige periodische Kurvenform verwendet werden, die sich in einer definierten Phasenbeziehung zur Substratbewegung befindet. Sowohl Amplitude als auch Phase kann selber moduliert sein, unter der Voraussetzung einer Frequenz, die mit derjenigen der Bauteilbewegung über den Anwendungsbereich übereinstimmt oder ein Vielfaches dieser Frequenz ist. Die Kurvenform enthält in diesem Fall höher harmonische Anteile mit je einer bestimmten, fixen Phase, damit die Synchronisation mit der Bauteilebewegung erhalten bleibt.

Das Prinzip der synchronen UV Lichtleistungsmodulation zur Beeinflussung der UV Dosis auf Lackfilmen auf Bauteiloberflächen, die auf einer rotierenden Trommel angeordnet sind, kann auch dafür verwendet werden, eine inhomogene Verteilung der Dosis über den Umfang der Trommel auszugleichen. Eine solche Inhomogenität kann sich aufgrund mechanischer Ungenauigkeiten, Justierungs- und Ausrichtungsfehlern, ect ergeben. Weiter kann auch eine Abweichung von einem Rundlauf (d..h nicht-konstante Drehwinkelgeschwindigkeit) zu inhomogener Dosisverteilung über den Umfang führen.

Mit einer Modulation der UV Lichtleistung synchron mit der Drehbewegung der Trommel kann die UV Dosis auf den Bauteilen au der Trommel gezielt so beeinflusst werden, dass eine gleichförmigere Dosis Verteilung über die Breitenausdehnung der Bauteile erzielt wird. Im Falle des Nicht-Rundlaufs muss dazu die Phase der Modulation aus den Aktuellwerten eines Drehwinkelsensors, der starr mit der Achse der Trommel verbunden ist, bestimmt werden.

Die Beeinflussung der UV Dosis über die Breite des Bauteils mit Hilfe der Synchronmodulation der UV Lichtleistung ist nicht auf die Eliminierung einer Nicht- Uniformität der UV Dosis beschränkt, sondern kann gezielt auch dafür verwendet werden, eine bestimmt gewollte Dosisverteilung über das Bauteil zu erzwingen, um eine gewünschte Eigenschaft des ausgehärteten Lackfilms, der sich über die UV Dosis oder UV Intensität beeinflussen lässt, auf der Oberfläche des Bauteils zu verstärken oder abzuschwächen. Im einfachsten Falle kann dies über die Modulationsamplitude und die Modulationsphase eingestellt werden, unter der Annahme, dass die Grundfrequenz der Modulation durch die Belegung der Trommel mit Bauteilen und der Drehgeschwindigkeit der Trommel vorgegeben ist. Sowohl die Modulationsamplitude als auch Modulationsphase kann selbst wieder synchron moduliert sein, wobei der Grundfrequenz wiederum mit der Bewegungsfrequenz der Bauteile durch den Anwendungsbereich übereinstimmen muss.

Mit diesem Prinzip ist es sogar möglich, unterschiedliche Bauteile auf der Trommel mit einer für die jeweiligen Bauteile optimierten UV Dosis Verteilung zu versehen, indem für verschiedene Drehwinkel der Trommel unterschiedliche Modulationskurvenformen abgefahren werden. Damit kann eine wesentliche höhere Flexibilität in der Anwendung erzielt werden. Ein weiterer Vorteil in dieser Synchronmodulation kann darin liegen, dass in einem Fertigungsumfeld, in dem unterschiedlichste Bauteile belichten werden müssen, wesentlich weniger unterschiedliche, auf die einzelnen Bauteile angepassten Halterungen notwendig sein können. Durch Anpassung der Modulationskurvenformen im Prozess Rezept können Dosisverläufe auf unterschiedlichen Bauteilen, die mit denselben Halterungen fixiert sind, ausgeglichen werden.

Bei komplexeren Oberflächenformen der Bauteile kann es notwendig sein, dass die Haltern mit den Bauteilen auf der Trommel selbst um ihre Achse gedreht werden müssen, um auch auf den Seitenflächen eine genügend hohe Belichtungsdosis zu erhalten. Mit dem Einsatz der Synchronmodulation der UV Lichtleistung kann den Fällen von nicht sehr steil ansteigenden und abfallenden Seitenflächen eine Erhöhung der Dosis auf diesen Seitenflächen auch mit sich nicht-drehenden Halterungen erzielt werden, was einerseits eine wesentliche Vereinfachung der notwendigen Anlagenausrüstung ist (kein Drehmechanismus), andererseits wird damit der unvermeidbare Verlust an Durchsatz eiminiert, der sich bei sich drehenden Haltern ergibt. Im Falle der drehenden Halter können gewöhnlich wesentlich mehr Teile aufgenommen werden, die Belichtungszeit verlängert sich aber im gleichen Masse. Durch diese zusätzlichen mechanischen Einrichtungen für die Halterdrehung geht jedoch ein Teil der nutzbaren Fläche im Anwendungsraum verloren, was den oben erwähnten Verlust an effektivem Durchsatz zur Folge hat.

In der bisherigen Beschreibung wurde immer von einer Trommel ausgegangen, auf der die Bauteile mittels Halterung befestigt sind, und für diese Trommel wurde eine Drehbewegung um deren Achse angenommen. Sämtliche obenstehenden Ausführungen können auch für den Fall einer einmaligen oder zyklischen Bewegung der Bauteile befestigt auf Halterungen durch den Anwendungsbereich der UV Belichtung angewandt werden, und decken so den Fall einer Durchlaufanlage ab.

1. Resultierte Verbesserung im Vergleich mit dem Stand der Technik bzw. konkrete Vorteile, die durch die Anwendung der Erfindung resultierten. Verbesserte Gleichförmigkeit der Eigenschaften und damit der Qualität eines Lackfilms auf einem Bauteil

Wesentliche Erhöhung der Flexibilität gegen über neuen oder vielseitigen

Bauteile Geometrien, damit verbunden schnellere Umstellungen in der Produktion zwischen verschiedenen Bauteilen

Reduzierung der für unterschiedliche Bauteile notwendigen Halterungen, bei ähnlichen Bauteilen kann Ausleuchtung durch Anpassung der Modulation mit gleichen Halterungen gemacht werden.

Kann für gewisse einfacheren Bauteile (nicht zu steile Seitenflächen) die Benutzung von drehenden Halterungen nicht notwendig machen, was einerseits die Halterungen damit einfacher und kostengünstiger macht, andererseits den Durchsatzverlust mit drehenden Halterungen eliminiert.

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Beaufschlagen von Substraten mit UV Strahlung in einem Anwendungsbereich, wobei die Vorrichtung umfasst:

- eine Strahlungsquelle welche sowohl UV-Strahlung als auch sichtbares Licht und Infrarotstrahlung in einen Raumwinkel ausstrahlt.

- einen strahlungsselektiven Umlenkspiegel welcher die UV Strahlung grösstenteils reflektiert und die VIS & IR Strahlung grösstenteils transmittiert

dadurch gekennzeichnet, dass

der Umlenkspiegel zumindest zwei flache Spiegelstreifen umfasst welche gegeneinander geneigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelstreifen derart gegeneinander geneigt sind dass sie die von der Strahlungsquelle kommende divergierende Direktstrahlung in Richtung Anwendungsbereich reflektieren und dabei die Divergenz zumindest reduzieren und somit zu einer Erhöhung der Flächenintensität im Anwendungsbereich führen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel drei flache Spiegelstreifen umfasst.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Justage der Orientierung der Spiegelstreifen umfasst.

5. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen einer Strahlungsquelle welche sowohl UV-Strahlung als auch sichtbares Licht und Infrarotstrahlung in einen Raumwinkel ausstrahlen kann

- Bereitstellen eines Umlenkspiegels welcher die UV-Strahlung im Wesentlichen zu reflektieren und die VIS & IR-Strahlung im Wesentlichen zu transmittieren vermag, dadurch gekennzeichnet, dass

- zur Bereitstellung des Umlenkspiegels zumindest eine flache Glasplatte mit einem Interferenzfilter basierend auf Dünnfilmschichtsystemen beschichtet wird, wobei das Interferenzfilter unter einem vorbestimmten Einfallswinkel UV-Strahlung im Wesentlichen reflektiert und VIS & IR-Strahlung im Wesentlichen transmittiert, und nach der Beschichtung die zumindest eine Glasplatte in Streifen zerteilt wird und zumindest zwei Streifen an einer Halterung so montiert werden, dass sie zueinander geneigt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zusammensetzen des Umlenkspiegels Streifen von mit unterschiedlichen Interferenzfiltern beschichteten Glasplatten verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel aus drei Streifen, vorzugsweise aus genau drei Streifen zusammengesetzt wird.