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Das Stammpatent betrifft ein Verfahren zur Härtung von Anstrichstoffen und Überzügen mittels von einem Laser emittierter Infrarot-Strahlung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Anstriche oder Überzüge mit von Lasern emittierten Infrarot-Strahlen mit einer Wellenlänge von 1 bis 100 p, vorzugsweise 3 bis zo gehärtet werden.
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aufgeweitete Laserstrahl wird selbst oder durch eine im Strahlengang befindliche Anordnung, wie Spiegel oder Linsen, periodisch über die zu bestrahlende Fläche geführt.
Die derzeit zur Verfügung stehenden CC-Laser grosser Leistung besitzen eine Fernfeldverteilung mit Multimodenstruktur, d. h. dass die Verteilung der Strahlungsintensitäten über den Strahlenquerschnitt nicht einheitlich ist. Ausserdem verändert sich diese Verteilung während des Betriebes. Durch geometrisch-optische Massnahmen allein, wie Strahlaufweiten, Strahlteilen, Kombination von Teilstrahlen, usw., kann eine optimale Gleichmässigkeit der Bestrahlung einer Fläche nicht erreicht werden.
Es wurde nun gefunden, dass man eine optimal gleichmässige Härtung der Anstriche oder Überzüge erzielt, wenn man den Laserstrahl durch optische Anordnungen aufweitet und den aufgeweiteten Laserstrahl direkt oder indirekt durch eine im Strahlengang befindliche Anordnung pereodisch über die zu bestrahlende Fläche führt.
An Stelle der periodischen Bewegung des Strahles kann mit demselben Erfolg auch das Werkstück bzw. Werkstück und Laserstrahl periodisch bewegt werden. Je höher dabei die Folgefrequenz der einzelnen Perioden ist, umso ähnlicher wird die Wirkung der einer zeitlich konstanten Bestrahlung. Wichtig ist, dass im zeitlichen Mittel jedem Punkt der zu bestrahlenden Lackschicht die gleiche Strahlenmenge zugeführt wird.
Nach den speziellen Erfordernissen lässt sich aus den zahlreichen Möglichkeiten der Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Strahlenbündel und zu bestrahlender Fläche die geeignetste auswählen.
Bei der praktischen Durchführung können z. B. folgende Methoden angewendet werden : a) Der Laserstrahl wird durch einen Hohl- oder Wölbspiegel oder eine Sammel- oder Zerstreuungslinse nach zwei Dimensionen aufgeweitet. Eine Veränderung der Strahlrichtung erfolgt durch eine geei- gnete Bewegung der strahlaufweitenden Elemente. Dies kann eine exzentrische Rotation (Taumel- bewegung) oder ein periodisches Schwenken (Wackelbewegung) sein.
In letzterem Fall muss aus Gründen der gleichmässigen Bestrahlung die Schwenkbewegung (mit Aus- nahme der Wendepunkte) mit konstanter Geschwindigkeit erfolgen (Abhängigkeit des Drehwinkels von der Zeit = dreieckförmige periodische Funktion). Die Strahlablenkung kann auch durch einen zusätzlich in den Strahlengang gebrachten periodisch bewegten Planspiegel erfolgen. b) Der Laserstrahl wird durch einen Zylinderhohl- oder Zylinderwölbspiegel oder eine Zylindersammel- oder Zylinderzerstreuungslinse nach einer Dimension aufgeweitet (Aufweitung zu einem Strich).
Durch eine Schwenkbewegung (zeitlicher Verlauf wie oben) dieser Aufweitungselemente wird senk- recht dazu periodisch abgelenkt. Auch hier kann die Strahlablenkung durch einen zusätzlichen
Planspiegel erfolgen. c) Der Laserstrahl wird nicht aufgeweitet und nur durch einen oder zwei Planspiegel nach zwei Di- mensionen periodisch abgelenkt. Die Periodendauer kann dabei gleich oder unterschiedlich sein.
Im Extremfall kann die Bewegung in eine derbeiden Dimensionenohne Umkehr sein. d. h. die Fläche wird nur in einer Richtung periodisch überstrichen, in der ändern nur ein einziges Mal (zeilenför- mige Bestrahlung).
Im Fall a) werden nur räumlich sehr begrenzte Inhomogenitäten der Intensitätsverteilung des Laserstrahles ausgeglichen. Die allmähliche Intensitätsabnahme des Laserstrahles nach aussen hin bleibt erhalten und äussert sich in einem relativ breiten geringer bestrahlten Randgebiet der Fläche.
Die Methoden nach b) und c) haben gegenüber Methode a) den Vorteil, dass die "Ausleuchtung" der Fläche nach Methode b) teilweise bzw. nach Methode c) ausschliesslich durch die Art der Relativbewegung zwischen
Laserstrahl und Werkstück bestimmt ist und dadurch besser beherrscht wird.
Natürlich sind in allen Fällen Kombinationen zwischen Strahlenablenkung und Werkstückbewegung möglich.
Zur Härtung von Überzügen auf nicht planen Flächen wird naturgemäss die technische Anordnung in bekannter Weise geändert, dass eine gleichmässige Bestrahlung gewährleistet ist.
Beispiel 1 : Ein pigmentierter Lack wird mit einem Lackschicht-Schleudergerät, Typ 334/n der Fa.
Erichsen, in einer Nassfilmstärke von etwa 0, 090 mm auf ein Probeblech aufgebracht, 15 min bei Raumtemperatur vorgetrocknet und anschliessend mit einem Laserstrahl gehärtet.
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kenden Planspiegel auf den vorgetrockneten Lackfilm gelenkt. Bei nicht bewegtem Planspiegel trifft das LaserStrahlenbüschel so auf die Lackschicht auf, dass eine elipsenförmige Fläche mit den Halbachsen 4 und 2 cm gehärtet wird. Diese Fläche wird durch das Schwenken des Planspiegels auf eine Fläche von 8 x 10 cm vergrö- ssert, was bei dieser Anordnung einer Auslenkung der Strahlenbüschelachse um etwa 6 entspricht. Die Schwenkung hat einen linearen (dreieckförmigen) Verlauf mit einer Frequenz von etwa 1 Hz.
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-Teilendemittel. Pigmentierung : Gesamtbindemittel (als Festharz berechnet) : TiOz, Rutil, 1 : 1.
6 Lasergerät: CO2-Laser Typ LG 106 der Siemens A. G. München, Ausgangsleistung 100 W, Strahldurchmes- ser 1, 5 cm.
Laser-Leistungsmessgerät : Model 201 Broad Band CW Laser Power Meter der Coherent Radiation Laboratories,
Palo Alto, California, USA.
Vergleich der Bestrahlungszeit mit Einbrennbedingungen im Einbrennofen zur Erzielung gleicher Filmhärte :
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<tb>
<tb> W/cm <SEP> Bestrahlungs-Pendelhärte <SEP> Einbrennofen
<tb> zeit <SEP> Persoz**) <SEP> min <SEP>
<tb> sec <SEP> sec <SEP> 1000C <SEP> 1200C <SEP> 1350C
<tb> 2,2-2, <SEP> 4 <SEP> 120 <SEP> 210 <SEP> 50 <SEP> 20 <SEP> 18
<tb> 2,1-2, <SEP> 7 <SEP> 150 <SEP> 230 <SEP> 60 <SEP> 25 <SEP> 23
<tb> 2, <SEP> 1-2,3 <SEP> 180 <SEP> 236 <SEP> 60 <SEP> 25 <SEP> 23
<tb> 2, <SEP> 0-2, <SEP> 3 <SEP> 195 <SEP> 241 <SEP> 70 <SEP> 30 <SEP> 25
<tb> 2,2-2, <SEP> 7 <SEP> 210 <SEP> 242 <SEP> 70 <SEP> 30 <SEP> 25
<tb> 2,1-2,4 <SEP> 240 <SEP> 255 <SEP> 90 <SEP> 35 <SEP> 30
<tb>
*) Gemessene Leistungsdichte W/cm2 des aufgeweiteten Laserstrahles unter den
Härtungsbedingungen * *) 40 J.
L Trockenfilmstärke
Alle im Einbrennofen gehärteten Filme zeigten eine verhältnismässig starke Vergilbung.
Beispiel 2 : Der pigmentierte Lacküberzug gemäss Beispiel 1 wird durch folgende Laseranordnung gehärtet :
Der laserstrahl wird mittels eines Zylinderspiegels mit einem Radius von 14,7 cm auf ein Strahlenbüschel aufgeweitet und dieses auf den vorgetrockneten Lackfilm gelenkt. Der Zylinderspiegel wird periodisch geschwenkt. Bei nicht bewegtem Zylinderspiegel härtet das auf die Lackschicht auftreffende Laserstrahlenbüschel eine bandförmige Fläche von etwa 5x1 cm. Diese Fläche wird durch das Schwenken des Zylinderspiegels auf eine Fläche von 5 x 9,5 cm vergrössert, was einer Auslenkung der Strahlenbüschelachse bei dieser Anordnung um etwa 120 entspricht.
Die Schwenkung hat einen linearen (dreieckförmigen) Verlauf mit einer Frequenz von etwa 0,25 Hz.
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<tb>
<tb> gemessene <SEP> Leistungsdichte <SEP> Bestrahlungszeit <SEP> Pendelhärte
<tb> des <SEP> aufgeweiteten <SEP> sec <SEP> Persoz, <SEP> sec
<tb> Laserstrahles
<tb> W/crrt
<tb> 10-11 <SEP> 60 <SEP> 111
<tb> 10-11 <SEP> 70 <SEP> 155
<tb> 10-11 <SEP> 80 <SEP> 194
<tb> 10-11 <SEP> 90 <SEP> 211
<tb>
Beispiel 3: Der pigmentierte Lacküberzug gemäss Beispiel 1 wird durch folgende Laseranordnung gehärtet.
Der unaufgeweitete Laserstrahl wird über einen periodisch schwenkenden Planspiegel auf den vorgetrockneten Lackfilm gelenkt. Zugleich wird das beschichtete Werkstück normal zur Ebene, in der sich der Laserstrahl
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<tb>
<tb> gemessene <SEP> Leistungs- <SEP> Bestrahlungs- <SEP> Pendelhärte <SEP> Vorschub
<tb> dichte <SEP> des <SEP> Laserstrahles <SEP> zeit, <SEP> sec <SEP> Persoz, <SEP> sec
<tb> W/cm2
<tb> 39-43 <SEP> 30 <SEP> 115 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> mm/sec
<tb> 38-43 <SEP> 40 <SEP> 187 <SEP> 0, <SEP> 37 <SEP> mm/sec
<tb> 38-43 <SEP> 50 <SEP> 201 <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> mm/sec
<tb>
Die Leistungsdichte des Laser-Gerätes wurde jeweils unter den Härtungsbedingungen mit dem Laser-Leistungsmessgerät gemessen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Härtung von Anstrichstoffen und Überzügen auf Basis von Kondensations- und Polymerisationsharzen mit von Lasern emittierten Infrarot-Strahlen mit einer Wellenlänge von 1 bis 100 jn, wobei der Laserstrahl durch optische Anordnungen aufgeweitet oder durch eine im Strahlengang befindliche Anordnung periodisch abgelenkt wird, nach Patent Nr. 295000, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeweitete oder abgelenkte Laserstrahl über die zu bestrahlende Fläche geführt wird.