DE102018102527A1 - Device for irradiating objects - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Objekten (12), insbesondere für eine photochemische Veränderung von Objektoberflächen, mit einer Lasereinrichtung (16) zur Strahlungserzeugung und einer aus einem Bündel von flexiblen Lichtleitfasern (24) gebildeten, an einer Einkoppelseite mit der Lasereinrichtung (16) gekoppelten und an einer Auskoppelseite auf das zu bestrahlende Objekt (12) ausgerichteten oder ausrichtbaren Lichtleiteranordnung (18). Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Lasereinrichtung (16) eine Mehrzahl von Laserstrahlern (22) aufweist, und dass jeder Laserstrahler (22) mit einer zugeordneten Lichtleitfaser (24) der Lichtleiteranordnung (18) gekoppelt ist, wobei eine Ausgangsstrahlung des jeweiligen Laserstrahlers (22) in die zugeordnete Lichtleitfaser (24) eintritt.The invention relates to a device for irradiating objects (12), in particular for a photochemical modification of object surfaces, with a laser device (16) for generating radiation and one formed from a bundle of flexible optical fibers (24) on a coupling side with the laser device (16 ) coupled and on a coupling-out side to the object to be irradiated (12) aligned or alignable light guide assembly (18). According to the invention, it is proposed that the laser device (16) has a plurality of laser emitters (22), and that each laser emitter (22) is coupled to an associated optical fiber (24) of the optical waveguide arrangement (18), wherein an output radiation of the respective laser emitter (22) enters the associated optical fiber (24).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Objekten, insbesondere für eine photochemische Veränderung von Objektoberflächen, mit einer Lasereinrichtung zur Strahlungserzeugung und einer aus einem Bündel von flexiblen Lichtleitfasern gebildeten, an einer Einkoppelseite mit der Lasereinrichtung gekoppelten und an einer Auskoppelseite auf das zu bestrahlende Objekt ausgerichteten oder ausrichtbaren Lichtleiteranordnung.The invention relates to a device for irradiating objects, in particular for a photochemical modification of object surfaces, with a laser device for generating radiation and one formed from a bundle of flexible optical fibers, coupled on a coupling side with the laser device and aligned on a coupling-out side to the object to be irradiated or alignable light guide assembly.
Die Härtung oder Polymerisation oder eine photochemische Veränderung von strahlungshärtenden, polymerisierbaren oder photochemisch veränderbaren Materialien wie beispielsweise Druckfarben oder Lacken oder Klebstoffen oder Formmassen mit elektromagnetischer Strahlung beispielsweise mit UV-Strahlung ist bekannt und wird industriell beispielsweise bei der Bedruckung von Verpackungsmaterialien oder bei der Verklebung von Bauteilen oder bei der Herstellung von Formteilen beispielsweise im 3D-Druck eingesetzt. Hierzu werden leistungsfähige UV-Strahlungsquellen wie Quecksilberlampen oder LED-Strahler verwendet, deren optische Ausgangsleistung im für die Härtung relevanten Spektralbereich von etwa 200 nm bis 400 nm liegt, wobei deren gesamte Strahlungsleistung häufig im Bereich von mehreren Kilowatt liegt. Grund dafür ist, dass in der Regel große Flächen innerhalb kürzester Zeit mit einer ausreichenden optischen Strahlungsleistung und Strahlungsenergie belichtet werden müssen, um so eine hohe Produktionsleistung zu erzielen.The curing or polymerization or a photochemical change of radiation-curable, polymerizable or photochemically changeable materials such as printing inks or coatings or adhesives or molding compositions with electromagnetic radiation, for example with UV radiation is known and industrially, for example, in the printing of packaging materials or in the bonding of components or used in the production of moldings, for example in 3D printing. For this purpose, powerful UV radiation sources such as mercury lamps or LED lamps are used whose optical output power is in the relevant for the curing spectral range of about 200 nm to 400 nm, the total radiation power is often in the range of several kilowatts. The reason for this is that, as a rule, large surfaces have to be exposed within a short time with sufficient optical radiation power and radiant energy in order to achieve a high production output.
Solche UV-Aggregate bestehen dabei bei der Verwendung von Quecksilberlampen in der Regel aus einer zylinderförmigen UV-Lampe und entsprechenden Reflektoreinrichtungen, welche auf der der Arbeitsebene abgewandten Seite angeordnet sind, wodurch die von der Arbeitsebene weg gelenkte, abgestrahlte UV Strahlung auf die Arbeitsebene umgelenkt wird und so den Gesamtwirkungsgrad erhöht. Aufgrund der dabei verwendeten ausgedehnten Lichtquelle ist es hierbei allerdings nur bedingt möglich, eine eng begrenzte Bestrahlungsfläche intensiv zu bestrahlen, so dass ein Großteil der UV-Strahlung nicht in gewünschter Weise verwendet werden kann.When using mercury lamps, such UV aggregates generally consist of a cylindrical UV lamp and corresponding reflector devices, which are arranged on the side facing away from the working plane, whereby the radiated UV radiation directed away from the working plane is deflected onto the working plane and so increases the overall efficiency. Due to the extensive light source used in this case, however, it is only partially possible to intensively irradiate a narrowly limited irradiation surface, so that a large part of the UV radiation can not be used in the desired manner.
Die in zunehmendem Maße industriell verwendeten UV-LED-Systeme weisen hierbei günstigere Eigenschaften auf, da LEDs ihre Strahlung nur in einen Halbraum abgeben und somit rückseitige Reflektoren entfallen können. Nachteilig ist jedoch der immer noch zu große Abstrahlwinkel von ca. 120°, so dass für eine intensive und räumlich begrenzte Ausleuchtung der Arbeitsebene zusätzliche optische Elemente wie Linsen und Spiegelelemente erforderlich sind. Insbesondere beim Einsatz von UV-LED-Aggregaten für industrielle Zwecke, beispielsweise zur Härtung von UV-Druckfarben und Lacken, welche in der Regel großflächig auf ein Substrat aufgebracht werden, werden sehr hohe Gesamtleistungen benötigt, so dass es erforderlich ist, sehr viele einzelne LEDs in einem Array anzuordnen und gleichzeitig die zur Verfügung stehende Strahlungsleistung möglichst vollständig auf die Arbeitsebene zu lenken. Darüber hinaus ist es häufig erforderlich oder gewünscht, die zur Verfügung stehende Strahlungsleistung in einen Flächenbereich homogen zu konzentrieren, um einen möglichst effektiven Härtungsprozesses zu ermöglichen.The increasingly industrially used UV LED systems in this case have more favorable properties, since LEDs emit their radiation only in a half-space and thus can account for back reflectors. A disadvantage, however, is the still too large radiation angle of about 120 °, so that additional optical elements such as lenses and mirror elements are required for intensive and spatially limited illumination of the working level. In particular, when using UV-LED units for industrial purposes, for example, for curing UV printing inks and paints, which are usually applied over a large area on a substrate, very high overall performance is required, so it is necessary, many individual LEDs Arranging in an array and at the same time to direct the available radiation power as completely as possible on the work plane. In addition, it is often necessary or desired to concentrate the available radiation power homogeneously in a surface area in order to allow the most effective curing process possible.
Aus der
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgetretenen Nachteile zu beheben und ein System zu schaffen, welches bei einer hohen gesamten Strahlungsleistung eine flexible und effiziente Lichtlenkung auf eine gewünschte Arbeitsfläche gewährleistet. Weitere Aspekte liegen darin, in einfacher Weise die Größe und Form einer Bestrahlungsfläche anzupassen und im Bestrahlungsbereich ein variables Belichtungsmuster zu ermöglichen.Proceeding from this, the object of the invention is to remedy the disadvantages which have arisen in the prior art and to provide a system which ensures flexible and efficient light guidance to a desired work surface with a high total radiant power. Further aspects are to easily adapt the size and shape of an irradiation area and to allow a variable exposure pattern in the irradiation area.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.To solve this problem, the feature combination specified in
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, eine Vielzahl von Laserlichtquellen über ein Lichtleiterbündel an einem Bestrahlungsort kompakt und punktgenau zu kombinieren. Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Lasereinrichtung eine Mehrzahl von Laserstrahlern bzw. Laserstrahlungsquellen aufweist, und dass jeder Laserstrahler mit einer zugeordneten Lichtleitfaser der Lichtleiteranordnung gekoppelt ist, wobei eine Ausgangsstrahlung des jeweiligen Laserstrahlers in die zugeordnete Lichtleitfaser eintritt. Dadurch ist es möglich, eine hohe Gesamtleistung der Laserstrahlung einzusetzen, ohne das Lichtleitkabel thermisch zu überlasten. Dadurch ist es weiterhin möglich, die Ausgangsstrahlung des jeweiligen Laserstrahlers mit hoher Effizienz und damit besonders verlustarm in die zugeordnete Lichtleitfaser einzukoppeln. Zugleich kann damit an der Auskoppelseite der Lichtleitfasern eine gezielte punktgenaue Auflösung am Bestrahlungsort erreicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf der Seite der Strahlungserzeugung ein großer Bauraum genutzt werden kann, während auf der Nutzungsseite ein Bestrahlungskopf ggf. auch in einer beengten Maschinenumgebung flexibel integrierbar ist.The invention is based on the idea of compactly and precisely combining a large number of laser light sources via an optical fiber bundle at an irradiation site. Accordingly, the invention proposes that the laser device has a plurality of laser emitters or laser radiation sources, and that each laser emitter is coupled to an associated optical fiber of the optical fiber arrangement, wherein an output radiation of the respective laser emitter in the associated optical fiber enters. This makes it possible to use a high overall power of the laser radiation without thermally overloading the optical fiber cable. As a result, it is also possible to couple the output radiation of the respective laser emitter with high efficiency and thus with very little loss into the associated optical fiber. At the same time it can be achieved at the decoupling side of the optical fibers targeted pinpoint resolution at the irradiation site. Another advantage is that on the side of the radiation generation a large space can be used, while on the use side, an irradiation head may be flexibly integrated even in a cramped machine environment.
Vorteilhafterweise sind die Laserstrahler als vorzugsweise kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich arbeitende oder gepulste Hableiter-Laserdioden ausgebildet, so dass eine hohe Integrationsdichte und variable Ansteuerung bei hoher Gesamtleistung möglich ist.Advantageously, the laser emitters are designed as preferably continuously or quasi-continuously operating or pulsed semiconductor diodes, so that a high integration density and variable triggering with high overall power is possible.
Um eine effektive Härtung bzw. Polymerisation der bestrahlten Materialien zu erreichen, ist es günstig, wenn die Ausgangsstrahlung der Laserstrahler im Wellenlängenbereich von 100nm bis 500nm liegt.In order to achieve effective curing or polymerization of the irradiated materials, it is favorable if the output radiation of the laser emitters is in the wavelength range from 100 nm to 500 nm.
In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn zumindest einige Laserstrahler bei voneinander verschiedenen Wellenlängen arbeiten, so dass eine gezielte und an die jeweilige zu härtenden Substanz angepasste photochemische Veränderung möglich ist.In this context, it is also advantageous if at least some laser emitters operate at mutually different wavelengths, so that a specific photochemical change adapted to the particular substance to be hardened is possible.
Vorteilhafterweise sind die auskoppelseitigen Enden der Lichtleitfasern an einem auf einen zu bestrahlenden Bereich ausrichtbaren Bestrahlungskopf in linienförmiger oder flächiger Anordnung gehalten, so dass auch eine variable Ausrichtung auf eine Objektkontur möglich ist.Advantageously, the outcoupling-side ends of the optical fibers are held in a line-type or planar arrangement on an irradiation head which can be aligned with a region to be irradiated, so that variable alignment with an object contour is also possible.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die auskoppelseitigen Enden der Lichtleitfasern in mindestens einem Halterelement zusammengefasst sind. Solche Halterelemente lassen sich dann baukastenartig vorkonfigurieren und zusammensetzen, um je nach Anforderung eine gewünschte Bestrahlungsfläche abzudecken.A further particularly preferred embodiment provides that the auskoppelseitigen ends of the optical fibers are combined in at least one holder element. Such holder elements can then be preconfigured in a modular manner and assembled in order to cover a desired irradiation area as required.
Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass an einem Bestrahlungskopf mehrere Halterelemente modulartig miteinander kombiniert sind, so dass eine variable Flächenabdeckung erreicht wird, wobei der Bestrahlungskopf aufgrund der flexiblen Lichtleiteranordnung quasi frei positionierbar ist.A further improvement provides that a plurality of holder elements are modularly combined with one another on an irradiation head, so that a variable area coverage is achieved, wherein the irradiation head is virtually freely positionable due to the flexible light guide arrangement.
In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn mehrere Halterelemente in einer flächenbündigen Anordnung an den Austrittsenden der Lichtleitfasern miteinander verbunden sind, um so ein homogenes Bestrahlungsraster zu realisieren.In this context, it is also advantageous if a plurality of holder elements are connected to one another in a flush arrangement at the outlet ends of the optical fibers, so as to realize a homogeneous irradiation grid.
Für eine einfache Kaskadierung ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Lichtleitfasern an jedem Halteelement im Bereich von 1 bis 1000, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 liegt.For a simple cascading, it is advantageous if the number of optical fibers on each holding element is in the range from 1 to 1000, preferably in the range from 10 to 100.
Gemäß noch einer weiterem besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Lasereinrichtung eine mit den Laserstrahlern verbundene Steuereinheit auf, wobei die Laserstrahler über die Steuereinheit voneinander unabhängig in ihrer Leistung einstellbar und/oder einzeln schaltbar sind. Dadurch kann eine punktgenaue und zeitlich sowie leistungsmäßig anpassbare Bestrahlung in einem Prozessbereich erreicht werden, wobei sich auch ggf. vorhandene Toleranzen ausgleichen lassen.According to yet another particularly preferred embodiment, the laser device has a control unit connected to the laser emitters, wherein the laser emitters are independent of each other in their performance adjustable and / or individually switchable via the control unit. As a result, it is possible to achieve spot-on and temporally and performance-adaptive irradiation in a process area, whereby even existing tolerances can be compensated.
In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn die Laserstrahler über die Steuereinheit nach Maßgabe einer gewünschten Strahlungsverteilung oder Musters auf dem ggf. im Durchlauf bestrahlten Objekt ansteuerbar sind.In this context, it is also advantageous if the laser emitters are controllable via the control unit in accordance with a desired radiation distribution or pattern on the optionally irradiated object in the pass.
Zur Vermeidung von Strahlungsverlusten und Erzielung einer hohen Bestrahlungseffizienz ist es von Vorteil, wenn die Laserstrahler auf einen Kernbereich der zugeordneten Lichtleitfaser fokussiert sind, so dass die Einkoppeleffizienz jedes Laserstrahlers in die Lichtleitfaser mehr als 70% seiner Ausgangsstrahlung beträgt.To avoid radiation losses and achieve a high irradiation efficiency, it is advantageous if the laser emitters are focused on a core region of the associated optical fiber, so that the coupling efficiency of each laser emitter into the optical fiber is more than 70% of its output radiation.
Um die Baueinheiten zur Strahlungserzeugung und den Arbeitsbereich räumlich geeignet zu trennen, ist es günstig, wenn das Bündel von Lichtleitfasern eine Länge im Bereich von 0,1m bis 100m, vorzugsweise im Bereich von Im bis 20m aufweist.In order to separate the building units for generating radiation and the working area spatially suitable, it is advantageous if the bundle of optical fibers has a length in the range of 0.1m to 100m, preferably in the range of Im to 20m.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Bestrahlungskopf mit optischen Elementen zur Strahlungslenkung und/oder Strahlungsformung versehen ist, so dass eine hohe Punktgenauigkeit und/oder Flächenabgrenzung der Bestrahlung in einer Prozessfläche erreicht wird.A further advantageous embodiment provides that the irradiation head is provided with optical elements for radiation steering and / or radiation shaping, so that a high point accuracy and / or area delineation of the irradiation in a process area is achieved.
Um die Handhabung vor Ort zu vereinfachen, ist es günstig, wenn die Laserstrahler ggf. zusammen mit einer Einrichtung zur Stromversorgung und/oder zur Kühlung und/oder zur Steuerung als Versorgungseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse oder Aggregat angeordnet sind.To simplify handling on site, it is advantageous if the laser emitters are optionally arranged together with a device for power supply and / or for cooling and / or control as a supply unit in a common housing or unit.
Um die Einkopplung in die zugeordneten Lichtleitfasern zu erleichtern, sollte die Baugröße der einzelnen Laserstrahler im Bereich von 0,1mm bis 10mm liegen.In order to facilitate the coupling into the associated optical fibers, the size of the individual laser emitters should be in the range of 0.1 mm to 10 mm.
Eine besondere Einsatzmöglichkeit besteht darin, dass die Laserstrahler auf einen abgegrenzten Objektbereich ausgerichtet sind, und dass der Objektbereich mit strahlungshärtenden Materialien, insbesondere Sonderfarben zur Erzeugung von optischen Effekten beschichtet ist. A particular application possibility is that the laser emitters are aligned to a delimited object area, and that the object area is coated with radiation-curing materials, in particular special colors for the production of optical effects.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines Laser-basierten Bestrahlungssystems zur photochemischen Veränderung von Objektoberflächen; -
2 und3 mehrere modulartig miteinander kombinierbare Halterelemente für Lichtleitfasern des Bestrahlungssystems in perspektivischer Darstellung; -
4 einen aus den Halterelementen zusammengesetzten Bestrahlungskopf in perspektivischer Darstellung.
-
1 a block diagram of a laser-based irradiation system for the photochemical change of object surfaces; -
2 and3 a plurality of modularly combinable holder elements for optical fibers of the irradiation system in a perspective view; -
4 a composite of the holder elements irradiation head in a perspective view.
Das in der Zeichnung dargestellte Bestrahlungssystem
Zu diesem Zweck umfasst das Bestrahlungssystem
Die Steuereinheit
Die Lasereinheit
Die Laserstrahler
Die Lichtleitfasern
Aufgrund der bei Halbleiterlasern erforderlichen kleinen Emissionsfläche im Bereich von einigen µm2 und der engen Raumwinkel der Emission ist bei geringem Abstand eine hohe Koppeleffizienz in die optische Faser möglich, die im Bereich von 70% und mehr liegen kann. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Einkopplung der Laserstrahlung in die optische Faser mittels einer Einkoppeloptik
Die Steuereinheit
Es kann vorteilhaft sein, dass der Bestrahlungskopf
Wie in
Wie am besten aus
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