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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 er gibt 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 UV-Strahlungshärten 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 Elimenierung
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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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 gemeinsamen Gehäuse
mit einem Reflektorsystem und einer Austrittsöffnung für
die elektromagnetische Strahlung angeordnet sind. 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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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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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 Umge bung 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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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 Aus trittsöffnung
(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 Bestrahlungs vorrichtung (1) geringere
Strahlungsbreiten B abgedeckt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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