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Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsanlage zur Beschichtung eines Gegenstands. Die Beschichtungsanlage ist insbesondere zur Beschichtung eines metallischen Bands, bevorzugt eines Stahlbands, geeignet.
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Für die Beschichtung von Gegenständen und insbesondere von flächigen Gegenständen wie beispielsweise Bändern, insbesondere metallischem Band wie beispielsweise Stahlband, sind Verfahren basierend auf dem Prinzip der sogenannten Gasphasenabscheidung bekannt. Die Gasphasenabscheidung beruht auf dem Prinzip, eine Oberfläche des flächigen Gegenstands, beispielsweise ein Stahlband oder eine Glasscheibe, mittels Abscheidung von aus in Gasphase vorliegendem Material zu beschichten. Hierzu wird zunächst das Material als Ausgangsmaterial bereitgestellt. Das Ausgangsmaterial wird sodann in eine Gasphase gebracht. Die in Gasphase vorliegenden Bestandteile des Materials, insbesondere Atome und/oder Ionen, setzen sich auf der zu beschichtenden Fläche ab und bilden dadurch eine Beschichtung. Bekannte Verfahren der Gasphasenabscheidung sind die sogenannte chemische Gasphasenabscheidung (Chemical vapour disposition, CVD), die physikalische Gasphasenabscheidung (Physical vapour disposition, PVD) und das sogenannte Lichtbogenverdampfen (Arc evaporation). Die genannten Verfahren unterscheiden sich insbesondere in den Mechanismen, mit welchen die Gasphase herbeigeführt wird.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit Beschichtungsanlagen, welche eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung des Materials aufweist, bei denen zur Gasphasenabscheidung auch oder ausschließlich ein Verdampfen eingesetzt wird. Das auch oder ausschließlich mittels Verdampfens in Gasphase gebrachte Material wird sodann, sobald es in Gasphase vorliegt, mit einer Düse in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstands gerichtet.
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Bei der Beschichtung von Gegenständen, insbesondere von flächigen Gegenständen wie einem metallischen Band, beispielsweise einem Stahlband, liegt die Herausforderung darin, Schichten mit hoher Qualität hinsichtlich der Schichthomogenität herstellen zu können und dabei die Ausnutzung des Ausgangsmaterials, als sogenannte Ausbringung bezeichnet, nicht über ein akzeptables Maß hinaus zu beeinträchtigen.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Beschichtungsanlage zur Beschichtung eines Gegenstands mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine erfindungsgemäße Beschichtungsanlage dient dem Zweck, einen Gegenstand, insbesondere einen flächigen Gegenstand wie ein Band oder ein metallisches Band, insbesondere ein Stahlband, zu beschichten. Die Beschichtung erfolgt mit einem in Gasphase vorliegendem Material.
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Die Beschichtungsanlage weist eine Beschichtungskammer auf. Die Beschichtungskammer ist derart ausgebildet, dass der zu beschichtende Gegenstand durch sie hindurch führbar ist. Beispielsweise ist die Beschichtungskammer als längliche Kammer ausgebildet, welche an einer ersten Stirnseite eine Eintrittsöffnung und an der zweiten, bevorzugt gegenüber liegenden, Stirnseite eine Austrittsöffnung aufweist. Mittels eines Transportmechanismus ist der Gegenstand, beispielsweise das Band, durch die Eintrittsöffnung in die Beschichtungskammer hinein und durch die Austrittsöffnung aus der Beschichtungskammer hinaus führbar. Der Transportmechanismus kann beispielsweise eine dem Fachmann bekannte Bandtransporteinrichtung mit Stütz- und Transportrollen sein, wobei die Transport- und Stützrollen beispielsweise außerhalb der Beschichtungskammer, das heißt: in Bandtransportrichtung gesehen vor der Eintrittsöffnung und hinter der Austrittsöffnung angeordnet sein können.
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Die Beschichtungsanlage weist außerdem eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung des Materials auf. Die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung umfasst insbesondere einen Verdampfungsabschnitt und einen Düsenabschnitt.
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Der Verdampfungsabschnitt ist beispielsweise als Verdampfungstiegel ausgeführt, bevorzugt mit einem zylindrisch geformten, insbesondere kreiszylindrisch geformten, Abschnitt. Der Verdampfungsabschnitt besteht bevorzugt teilweise oder vollständig aus Graphit oder CFC. Ein Bodenabschnitt und/oder eine Wandung, bevorzugt alle Wandungen, des Verdampfungsabschnitts sind erhitzbar ausgeführt, beispielsweise mittels Heizspulen, damit der Verdampfungsabschnitt auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Ausgangsmaterials erhitzt werden kann.
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Im Rahmen der gesamten Beschreibung werden die Begriffe der Gasphase und des Verdampfens verwendet, da sie im Bereich der beschriebenen Technologie üblich sind. Der Begriff der Gasphase umfasst dabei bevorzugt, dass ein geringer Gewichtsanteil, beispielsweise bis zu 30 Gewichtsprozent, bevorzugt nicht mehr als 10 Gewichtsprozent, des in Gasphase vorliegenden Materials nicht in Gasphase im physikalischen Sinne, sondern stattdessen als Aerosol, als Cluster oder als Gemisch aus den vorgenannten vorliegen kann. Der Begriff des Verdampfens umfasst, dass je nach verwendetem Material und nach verwendeter Technologie der Übergang der Teilchen in die Gasphase zumindest teilweise auch mittels anderer Mechanismen als einem Verdampfen im streng physikalischen Sinne erfolgt, beispielsweise durch Sublimation. Der Begriff des Verdampfens umfasst somit zusätzlich zu einem Verdampfen in streng physikalischem Sinne, also einem Übergang „flüssig →Gasphase“, auch weitere Mechanismen, wie insbesondere die Sublimation.
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Der Düsenabschnitt ist mittelbar oder unmittelbar mit dem Verdampfungsabschnitt gekoppelt. Der Düsenabschnitt weist eine Düse auf, die einen Düsenausgang aufweist, welcher innerhalb der Beschichtungskammer mündet. In einer speziellen Ausgestaltung besteht der Düsenabschnitt aus der Düse, im Allgemeinen weist der Düsenabschnitt aber noch weitere Elemente auf, beispielsweise Kopplungsglieder zur Kopplung mit dem Verdampfungsabschnitt. Der Düsenausgang ist eine Öffnung, aus welcher die Bestandteile des in Gasphase vorliegenden Materials aus der Düse austreten können. Das in Gasphase vorliegende Material wird somit mittels des Düsenabschnitts von einem Auslass des Verdampfungsabschnitts aus zu dem Düsenausgang geleitet, wobei der Düsenausgang in der Beschichtungsanlage derart angeordnet ist, dass aus dem Düsenausgang austretende Gasphasenteilchen zu dem Ort hin gerichtet ausgelassen werden, an welchem die zu beschichtende Oberfläche zur Beschichtung vorbeigeführt wird. Der Gegenstand, also beispielsweise das metallische Band, wird durch die Beschichtungskammer hindurch durchgeführt, so dass die zu beschichtende Oberfläche des Gegenstands mit kontinuierlich auf der Oberfläche auftreffendem und dort sich absetzendem kondensierenden Gasphasenmaterial beschichtet wird. Der Düsenabschnitt dient demzufolge dem Leiten von in dem Verdampfungsabschnitt in Gasphase gebrachten Material in eine Nähe der zu beschichtenden Oberfläche an einem innerhalb der Beschichtungskammer befindlichen Ort, wobei der Düsenabschnitt zum gerichteten Führen und gerichteten Auslassen des in Gasphase befindlichen Materials ausgebildet ist, so dass dieses aus einer vorgesehenen Richtung kommend sich durch die Beschichtungskammer bewegt und mit sodann mit einer vorgegebenen Hauptbewegungsrichtung auf der zu beschichtenden Oberfläche absetzt. Das in Gasphase befindliche Material gelangt somit zu einer Beschichtungszone, wobei der Gegenstand, beispielsweise als Band ausgebildet, kontinuierlich durch die Beschichtungszone durchgeführt wird, so dass, am Beispiel des Bands, schlussendlich eine gesamte Bandoberfläche mit dem Material beschichtet worden ist, indem dieses auf der Oberfläche kondensiert und dadurch die Beschichtung bildet.
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Erfindungsgemäß ist die Düse derart orientiert und ausgebildet, dass das in Gasphase vorliegende Material gegenüber einer Oberflächennormale der zu beschichtenden Oberfläche mit einem Austrittswinkel α schräg orientiert zu der Oberfläche hin gerichtet aus dem Düsenausgang austritt. Mit anderen Worten gelangt das in Gasphase vorliegende Material nicht senkrecht auf die Oberfläche sondern in schräger Orientierung, nämlich mit einem zwischen Oberflächennormalen und Austrittsrichtung vorliegendem Austrittswinkel, der einen Betrag von größer Null aufweist. Das bedeutet beispielsweise, dass in einem Fall, in welchem es sich bei der zu beschichtenden Oberfläche um eine Bandoberfläche handelt, eine Bewegungsrichtung des aus den Düsenausgang herausströmenden in Gasphase vorliegenden Material nicht senkrecht zu der Bandoberfläche orientiert ist, sondern eine Schrägorientierung vorliegt.
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Bei aus der Praxis bekannten Beschichtungsanlagen ist üblich, dass das Beschichtungsgas senkrecht auf die zu beschichtende Oberfläche trifft. Eine entsprechende Anordnung ist üblich und für den Fachmann auch selbstverständlich zu wählen, da durch eine senkrechte Beaufschlagung der zu beschichtenden Oberfläche mit in Gasphase befindlichem Material erreicht wird, dass der zu überwindende Abstand zwischen Düse und zu beschichtender Oberfläche minimiert ist mit dem Vorteil, dass beispielsweise eine Neigung zu einer Clusterbildung auf dem Weg zu der zu beschichtenden Oberfläche gering gehalten wird und als eine Folge davon eine möglichst hohe Qualität der herbeigeführten Beschichtung erwartet werden kann.
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Im Zuge der Arbeiten an den nun vorgestellten Entwicklungen hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass mit einer schräg gestellten Beaufschlagung der zu beschichtenden Oberfläche mit in Gasphase vorliegendem Material gegenüber der bekannten senkrechten Beaufschlagung hinsichtlich einiger Eigenschaften verbesserte Beschichtungseigenschaften erreicht werden konnten. Die insbesondere hinsichtlich optischer Erscheinung und Haftung verbesserte Beschichtungsqualität wird von den Entwicklern darauf zurückgeführt, dass eine im von der Senkrechten abweichender Beaufschlagung mit in Gasphase vorliegendem Material dazu führt, dass ein je nach gewähltem Winkel geringerer oder höherer Anteil des in Gasphase vorliegenden Materials in einem Bereich nahe der zu beschichtenden Oberfläche in eine laminare Strömung übergeht und in solcher an der zu beschichtenden Oberfläche anliegend zu dieser hin strömt mit der Folge, dass die sodann in der Nähe der zu beschichtenden Oberfläche befindlichen Gasphasenteilchen mehr Zeit zur Verfügung steht, um die Kondensation auf der Oberfläche zu vollziehen. Das Resultat ist eine gleichmäßigere und mit besserer Haftung versehene Beschichtung der Oberfläche.
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Hingegen werden Verwirbelungen an der zu beschichtenden Oberfläche als Folge von auftretenden turbulenten Strömungen sowie auch in durch Wirbel entstehende „Totgebiete“ vermieden. Insbesondere die Totgebiete, auch als „Totwassergebiete“ bezeichnet, sind problematisch, da es in diesen zu einer Abkühlung und Cluster- oder Tropfenbildung kommt, bevor eine Kondensation stattfinden konnte, so dass die eigentliche Kondensation sodann nicht mehr mit den einzelnen in Gasphase vorliegenden Teilchen sondern mit den bereits als Tropfen oder Cluster oder deren Konglomerationen vorliegenden Partikeln erfolgt, was sich schließlich als Defekt vorliegendes Qualitätsproblem manifestiert. Neben den auf der zu beschichtenden Oberfläche selbst entstehenden Qualitätsproblemen führt das Auftreten von Tropfen und/oder Clustern auch zu einem Absetzen von Material innerhalb der Prozesskammer, was zu einem höheren Wartungsaufwand führen kann und bevorzugt durch zusätzliche Maßnahmen wie Absaugung, Filterung und/oder Entsorgung vermieden werden sollte, was wiederum mit Problemen in der Ausbringung und mit höheren Kosten einhergeht.
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Die vorgenannten nachteiligen Effekte werden, wie von den Erfindern überraschend und erfolgreich demonstriert wurde, durch schräges Beaufschlagen mit dem in Gasphase befindlichen Material wirkungsvoll vermieden.
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Besonders bevorzugt ist, wenn der Düsenausgang als Schlitz ausgebildet ist. Das Ausbilden eines Düsenausgangs als Schlitz hat insbesondere den Vorteil, dass der Düsenabschnitt in besonders einfacher Weise für unterschiedliche, d.h. insbesondere verstellbare, Austrittswinkel genutzt werden kann, wobei für verschiedene Austrittswinkel vergleichbare Oberflächenqualitäten erhalten werden können. Auch kann die Düse in erster Näherung als eindimensionale Öffnung betrachtet werden, wodurch das Beschichtungsergebnis als weitgehend unabhängig von einem Winkel der Längserstreckung des Düsenausgangs zu einer Transportrichtung der zu beschichtenden Oberfläche betrachtet werden kann.
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Besonders bevorzugt ist, dass der Austrittswinkel zu der Oberflächennormale der zu beschichtenden Oberfläche zwischen 20 und 50 Grad, bevorzugt zwischen 25 und 40 Grad, eingestellt wird. Bei diesen Winkeln konnte beobachtet werden, dass sie zu einem guten Kompromiss zwischen verbesserter Beschichtungsqualität und hohem Beschichtungsgrad führen.
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Besonders bevorzugt ist, dass der Düsenabschnitt derart orientiert ist, dass das in Gasphase vorliegende Material mit einer Transportrichtung des Gegenstands, also einer Transportrichtung der zu beschichtenden Oberfläche, mitläufig schräg zu der Oberfläche hin gerichtet aus dem Düsenausgang austritt. Diese Vorgehensweise entfaltet insbesondere bei einem als Metallband ausgebildeten zu beschichtenden Gegenstand seine Vorteile, da aus noch nicht kondensierten Gasanteilen ausfallende Tropfen oder Stäube sodann mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auf die frische Substratoberfläche gelangen und dort zu Haftungsproblemen führen, sondern stattdessen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit sich auf der fertig abgeschiedenen Schicht absetzen, wo sie in einem deutlich geringeren Maße Qualitätsprobleme verursachen, und in vielen Fällen sogar auch noch nachträglich von dort entfernt werden können.
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Die Umsetzung des schräg orientiert zur Oberfläche hin erfolgenden Austritts des in Gasphase vorliegenden Materials kann auf durch den Fachmann beliebig zu wählende Weise erfolgen. Es kann vorgesehen sein, dass eine vorhandene Düse in ihrer Orientierung eingestellt wird, beispielsweise mittels Schrägstellung. Beispielsweise kann eine Düse mit einem in Richtung einer Längsachse der Düse erfolgendem Gasaustritt schräggestellt in der Beschichtungskammer angeordnet werden. Alternativ kann eine Düse durch die Ausformung des Düsenhohlraums den schräggestellten Austritt herbeiführen. Auch Umsetzungen, in denen beide Ansätze kumulativ vorgesehen sind, können je nach vorliegenden Begebenheiten vom Fachmann ausgewählt werden.
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Konstruktiv ist es bevorzugt, wenn die Düse derart ausgebildet ist, dass sie einen Düsenhohlraum aufweist, welcher sich in Gastransportrichtung gesehen hin verjüngt, bevorzugt kontinuierlich verjüngt, und in dem Düsenausgang mündet.
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Besonders bevorzugt ist, dass der Düsenhohlraum, zumindest abschnittsweise, bevorzugt endabschnittsweise (das bedeutet: mit einem Abschnitt, der in dem Düsenausgang mündet), alternativ entlang der gesamten Längserstreckung der Düse, gegenüber einer Oberflächennormale der zu beschichtenden Oberfläche schräg orientierte Innenwandungen aufweist. In einem Spezialfall ist besonders bevorzugt, dass die Innenwandungen gegenüber einer Senkrechten der zu beschichtenden Oberfläche schräg orientiert sind, bevorzugt mit dem Austrittswinkel als Schrägstellung. Durch das Hindurchführen des in Gasphase vorliegenden Materials durch den Düsenhohlraum wird infolge der schräg orientierten Innenwandungen das Austreten des in Gasphase vorliegenden Materials mit dem gewünschten Austrittswinkel herbeigeführt. Mit dieser konstruktiven Umsetzung wird in konstruktiv leicht umsetzbarer und eleganter Weise erreicht, dass der gewünschte Austrittswinkel herbeigeführt wird, wobei dadurch, dass für die Herbeiführung des Austrittswinkels der Düsenhohlraum eingesetzt wird, die äußere Ausformung der Düse weitgehend unabhängig von dem gewünschten Austrittswinkel gewählt werden kann. Dies ist Voraussetzung für den möglichen Vorteil, dass eine erfindungsgemäße Düse mit bereits aus der Praxis bekannten Anlagen genutzt werden kann, wodurch der Umsetzungsaufwand und damit auch der einhergehende finanzielle Aufwand vergleichsweise gering gehalten werden kann.
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Besonders bevorzugt ist, wenn die schräg orientierten Innenwandungen parallel zueinander orientierte, bevorzugt ebene, Flächen sind, so dass in konstruktiv einfacher Weise der Austrittswinkel des in Gasphase vorliegenden Material definiert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist die Düse drehbar gelagert. Die drehbare Lagerung der Düse bezweckt eine Veränderung der Orientierung des Düsenausgangs relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche. Dadurch, dass die Düse drehbar gelagert ist und die Orientierung des Düsenausgangs relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche veränderlich ist, ist die Art und Weise, wie das in Gasphase vorliegende Material auf die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstands, beispielsweise des Bands, gerichtet ist, gezielt beeinflussbar bzw. einstellbar. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, in welcher die Düse drehbar an dem Verdampfungsabschnitt anliegend gelagert ist, dass also der Verdampfungsabschnitt als Gleitlager für die Düse fungiert. Bei einer solchen Ausführung entfaltet insbesondere ein teilweise oder vollständig aus Graphit und/oder CFC hergestellter Verdampfungsabschnitt den Vorteil, dass Kohlenstoff als natürlicher Schmierstoff vorliegt, so dass eine elegante und gleichermaßen robuste Lösung für die Schmierung der drehbaren Düse vorliegt.
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Alternativ oder zusätzlich kann, unabhängig von dem Material, aus welchem der Verdampfungsabschnitt besteht, Graphit in Pulver- und/oder Pastenform als Gleitmittel zwischen Verdampfungsabschnitt und Düsenabschnitt eingeführt werden und hierdurch zwischen die aneinander liegenden und aufeinander gleitenden Flächen von Verdampfungsabschnitt und Düsenabschnitt eingebracht werden.
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Der Düsenausgang kann beispielsweise derart orientiert sein, dass er in einer Ebene liegt, welche parallel zu der zu beschichtenden Oberfläche liegt, zumindest in dem Abschnitt der zu beschichtenden Oberfläche, in welchem die Beschichtung stattfindet. Besonders bevorzugt ist die Düse derart ausgebildet, dass sie eine Stellung annehmen kann, in welcher der Düsenausgang als Schlitz ausgebildet ist und dieser senkrecht zur einer Bewegungsrichtung und senkrecht zu einer Transportrichtung der zu beschichtenden Oberfläche orientiert ist und um mit einer Drehachse drehbar ist, welche senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche orientiert ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Länge des schlitzartig ausgebildeten Düsenausgangs derart gewählt ist, dass bei einem Winkel β von 90 Grad zwischen Transportrichtung und schlitzartig ausgebildeter Düse eine Breite des flächigen Gegenstands, beispielsweise eine Bandbreite, vollständig abgedeckt wird, insbesondere für diejenigen Bänder, welche die Maximalbreite aufweisen, zu deren Durchführung die Beschichtungskammer ausgebildet ist. Mittels Einstellens eines Winkels β kann sodann die effektive Beschichtungsbreite senkrecht zu der Bandlaufrichtung mit dem Faktor sin(β) verändert werden, wobei β der Winkel ist zwischen Transportrichtung und Längserstreckung der Düse. Eine derart vorgesehene Vorrichtung ist insbesondere dafür geeignet, bei einer vorgesehenen Beschichtung von flächigen Gegenständen, insbesondere Bändern, mit einer Bandbreite, welche kleiner als die Längserstreckung eines schlitzartigen Düsenausgangs ist, mit hoher Effizienz zu ermöglichen, so dass kein oder kein toleriertes Maß überschreitender Anteil des in Gasphase vorliegenden Materials an den beiden Wandkanten vorbei strömt und sich auf Innenwandungen der Beschichtungskammer ablegt, ohne für die Beschichtung der Oberfläche zur Verfügung zu stehen.
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Durch das Vorsehen der drehbaren Düse werden somit insbesondere zwei Vorteile erreicht: zum einen wird das vorhandene Ausgangsmaterial möglichst effizient genutzt und eingesetzt; zum anderen wird eine Verschmutzung der Beschichtungskammer bei Beschichtung von schmaleren Gegenständen, insbesondere schmaleren Bändern, vermieden. Allgemeiner ausgedrückt wird mit der genannten Weiterbildung der Beschichtungsanlage erreicht, dass eine hohe Flexibilität vorliegt hinsichtlich der möglichen Breite eines zu beschichtenden Gegenstands.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Düse derart gelagert, dass bei einem Drehen der Düse der Düsenausgang in einer zu der Oberfläche parallelen Ebene eine Drehbewegung vollzieht. Durch eine parallel zu der Oberfläche vollzogene Drehung - das bedeutet: der Düsenausgang beschreibt beim Drehen eine Fläche, welche in einer zu der beschichtenden Oberfläche parallelen Ebene liegt - wird gewährleistet, dass unabhängig von dem Drehwinkel, mit welchem die Düse gegenüber der Transportrichtung gedreht ist, eine homogene Beschichtung der zu beschichtenden Oberfläche in Querrichtung - das heißt: in zur Transportrichtung senkrechten Richtung - gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Drehachse zum Drehen der Düse senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche orientiert, was durch entsprechende Positionierung der Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung innerhalb der Beschichtungskammer unter Berücksichtigung der Beförderung des zu beschichtenden Gegenstands stets von dem zur Ausführung der vorliegenden Entwicklung beauftragten Fachmanns mit üblichen konstruktiven Maßnahmen umsetzbar ist.
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Die darüber hinaus zu gewährleistende Schrägstellung des Austrittswinkels gegenüber der zu beschichtenden Oberfläche erfolgt bei einer derartigen Ausgestaltung bevorzugt im Wesentlichen, besonders bevorzugt ausschließlich, durch die Gestaltung des Inneren der Düse, das bedeutet durch die Ausformung des Düsenhohlraums, beispielsweise in einer der oben genannten bevorzugten Ausführung.
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Wenn zum einen die Innenwandungen des Düsenhohlraums gegenüber einer Senkrechten der zu beschichtenden Oberfläche mit dem Austrittswinkel als Schrägstellung schräg orientiert sind und zum anderen die Düse drehbar gelagert ist mit einer Drehachse senkrecht zur zu beschichtenden Oberfläche, liegt eine Konstellation vor, in welcher der Austrittswinkel ausschließlich durch die Ausformung des Innenhohlraums herbeigeführt wird und er bei Drehen der Düse gleich bleibt. Diese Konstellation ist bevorzugt, da sie bei veränderlichem Drehwinkel der Düse Beschichtungen mit im Wesentlichen gleichbleibenden Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich ihres Erscheinungsbilds schafft.
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Bei einer Schrägstellung des Austrittswinkels gegenüber einer Senkrechten auf der zu beschichtenden Oberfläche führt, wie simple geometrische Betrachtungen zeigen, naturgemäß ein Drehen der Düse dazu, dass der Anteil des in Gasphase befindlichen Materials, welcher nicht auf der Oberfläche, sondern an dieser vorbei im Bereich der Beschichtungskammer an einer nicht vorgesehenen Stelle auftrifft, mit ausgehend von β=90 Grad abnehmenden Drehwinkel zunimmt, wobei β definiert ist wie oben.
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Um einen Ausgleich für diesen nachteiligen Effekt zu schaffen, ist erfindungsgemäß die Drehachse der Düse gegenüber einer Mitte des Düsenausgangs verschoben, bevorzugt: parallelverschoben, bevorzugt in der Ebene, die eine Senkrechte zur Bewegungsrichtung des zu beschichtenden Gegenstands und die Mitte des Düsenausgangs enthält. Die Mitte des Düsenausgangs ist beispielsweise der Punkt, der die Strecke zweier weitest entfernter Erstreckungen des Düsenausgangs halbiert. Beispielsweise im Falle eines schlitzförmigen Düsenausgangs ist die Mitte des Düsenausgangs der Punkt, der sowohl die Länge des Schlitzes als auch die Breite des Schlitzes hälftig teilt. Die Drehachse ist also zur oben beschriebenen Senkrechten auf der zu beschichtenden Oberfläche in eine auch oder nur senkrecht zur Transportrichtung weisenden Richtung parallel zu einer auf der Mitte der zu beschichtenden Oberfläche, beispielsweise einer Symmetrielinie eines zu beschichtenden Bandes, stehenden Senkrechten verschoben. In der bevorzugten Ausführung, dass die Drehachse in einer eine Senkrechte zur Bewegungsrichtung des zu beschichtenden Gegenstands und die Mitte des Düsenausgangs enthaltenden Ebene zu einer Oberflächennormale parallelverschoben ist, wird der Vorteil erhalten, dass eine weitgehende Kompensation der durch Schrägaustritt bei Drehung herbeigeführten asymmetrischen Beschichtung herbeigeführt wird. Um diese Kompensation zu erhalten, muss die Verschiebung der asymmetrischen Verschiebung der Beschichtung entgegengesetzt umgesetzt sein, was je nach Beschichtungserfordernissen vom Fachmann problemlos umzusetzen ist. Die Verschiebung der Drehachse wird also derart ausgeführt, dass bei einer vorgesehenen Drehung eine über eine erste Begrenzung des Gegenstands, beispielsweise einer ersten Bandkante, vorbei erfolgende Beschichtung durch eine Verschiebung der Drehachse in von der ersten Bandkante weg weisender Richtung im Ausmaß verringert oder vollständig vermieden wird beziehungsweise bei einer vorgesehenen Drehung eine über eine zweite Begrenzung des Gegenstands, beispielsweise einer zweite Bandkante, vorbei erfolgende Beschichtung durch eine Verschiebung der Drehachse in von der zweiten Bandkante weg weisender Richtung im Ausmaß verringert oder vollständig vermieden wird. Wenn also beispielsweise ein schräg orientierter Austritt mit in Bewegungsrichtung weisender Schrägstellung gewählt wird und außerdem eine Drehbewegung der Düse gegen den Uhrzeigersinn möglich sein soll, ist zur besonders vorteilhaften Kompensation der bei Drehung asymmetrisch über die in Bewegungsrichtung betrachtet linke Kante hinaus erfolgenden Beschichtung in von der linken Kante weg weisende Richtung die Verschiebung der Drehachse durchzuführen.
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Besonders bevorzugt ist, wenn die Verschiebung der Drehachse eine von dem Austrittswinkel α und dem Abstand A des Düsenausgangs von der zu beschichtenden Oberfläche abhängige feststehend festgelegte Verschiebung X0 ist. Wie basisgeometrische Betrachtungen für einen idealisiert betrachtet gerade austretenden, sich gerade und unabgelenkt ausbreitenden und beim ersten Kontakt mit der zu beschichtenden Oberfläche kondensierenden Materialstrom zeigen, ist eine nahezu gleichbleibend gute Kompensation des beschriebenen Nachteils mit einer für gegebenen Austrittswinkel α und gegebenem Abstand A einzigen gewählten festen Verschiebung X0 für beliebige β möglich. In erster Näherung ist eine ausreichende Kompensation des oben beschriebenen nachteiligen geometrischen Effekts mit einer für alle Austrittswinkel konstanten Verschiebung damit auch für die dem Fachmann bekannten typischen keulenartig genannten Ausbreitungsmuster gewährleistet. Dies hat den Vorteil, dass eine entsprechende Beschichtungsanlage mit geringem Zusatzaufwand gegenüber bereits bekannten Beschichtungsanlagen mit senkrechter Beaufschlagung mit Beschichtungsmaterial bereitgestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist die Verschiebung X0 im wesentlichen X0 = A tan(α), das bedeutet beispielsweise, dass X0 = [A tan(α)] +/-10 Prozent ist. Der Winkel α ist der Austrittswinkel, in welchem das in Gasphase vorliegende Material gegenüber einer Oberflächennormale der zu beschichtenden Oberfläche schräg orientiert zu der Oberfläche hin gerichtet aus dem Düsenausgang austritt. A ist der Abstand des Düsenausgangs von der zu beschichtenden Oberfläche. Durch Bereitstellen dieser Berechnungsvorschrift ist es möglich, eine funktionsfähige Anlage zu bauen, ohne zuvor aufwändige Experimente durchführen zu müssen.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Düsenausgang ein Schlitz ist, und dass der Düsenausgang und die Düse in der Beschichtungskammer so angeordnet sind, dass ein Lot von der Mitte des Düsenausgangs auf die zu beschichtende Oberfläche des Gegenstands, beispielsweise eine Bandoberfläche, von beiden Kanten des Gegenstands den selben Abstand aufweist. Besonders bevorzugt ist der Düsenausgang derart dimensioniert, dass er die gesamte Breite des Bands abdeckt, er - noch bevorzugter - diese aber nicht wesentlich, also beispielsweise nicht um mehr als 10 % der Bandbreite pro Seite, überragt.
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In diesem Fall ist die Drehachse von der Mitte des Düsenausgangs um eine Strecke X0 beabstandet und zwar X0 in eine senkrecht zur Bewegungsrichtung und parallel zur Oberfläche orientierten Richtung.
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Was die apparative Umsetzung der Verschiebung der Drehachse angeht, ist diese fachmännisch problemlos und beliebig umsetzbar. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Düse mit kreiszylindrischem Lagerabschnitt und Symmetrieachse als Rotationsachse vorgesehen ist, und die Verschiebung der Drehachse durch die Positionierung des Düsenausgangs umgesetzt ist. Diese Lösung hat den Vorteil, unaufwändig und kostengünstig umsetzbar zu sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Düse rotationssymmetrisch ausgebildet ist mit einem durch die Symmetrieachse in halber Längserstreckung geschnittenem Düsenausgang, und dabei die Verschiebung der Drehachse durch tatsächliche Umsetzung der Drehachse mittels entsprechend aufwändigerem Gleitlager- oder anderem Positionsänderungsmechanismus vorgesehen ist mit dem Nachteil eines höheren konstruktiven Aufwands aber dem potentiellen Vorteil einer platzsparenden Verwirklichung. Auf die genaue Umsetzung kommt es aber nicht an, da sie in vielfältiger Weise möglich ist. Wesentlich ist für die bevorzugte Weiterbildung einer Düse mit einer verschobenen Drehachse, dass eine durch Schrägaustritt des in Gasphase vorliegenden Materials bei Drehen der Düse herbeigeführte Auslenkung in der Ebene der zu beschichtenden Oberfläche durch eine erfolgte Umpositionierung der Drehachse relativ zu dem Düsenausgang gegenüber einer Konstellation, in der das in Gasphase vorliegende Material senkrecht auf der Oberfläche angelangen würde.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der eingangs beschriebenen Beschichtungsanlage oder einer ihrer Weiterbildungen zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich zu der Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung des Materials eine zweite Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung des Materials an der Beschichtungsanlage angeordnet ist, welche einen zweiten Verdampfungsausschnitt und einen zweiten Düsenabschnitt aufweist. Die zweite Düse des zweiten Düsenabschnitts ist derart ausgebildet und orientiert, dass das in Gasphase vorliegende Material gegenüber einer Oberflächennormale der zu beschichtenden Oberfläche mit einem Austrittswinkel schräg orientiert zu der Oberfläche hin gerichtet aus dem zweiten Düsenausgang austritt. Der Düsenabschnitt ist derart ausgebildet und orientiert, dass das in Gasphase vorliegende Material mit einer Transportrichtung des Gegenstands mitläufig schräg zu der Oberfläche hin gerichtet aus dem Düsenausgang austritt und der zweite Düsenabschnitt ist derart orientiert, dass das in Gasphase vorliegende Material gegen eine Transportrichtung des Gegenstands mitläufig schräg zu der Oberfläche hin gerichtet aus dem zweiten Düsenausgang austritt.
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Mit anderen Worten ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Beschichtungsanlage die Möglichkeit bereitstellt, eine Beschichtung aus der ersten Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung des Materials gegenläufig zu einer Beschichtung mit der zweiten Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung des Materials vorzunehmen. Besonders bevorzugt ist dann, dass in Transportrichtung der zu beschichtenden Oberfläche gesehen zunächst die Beschichtung mitläufig schräg zu der Oberfläche hin erfolgt und erst sodann die Beschichtung gegenläufig schräg zur Oberfläche hin erfolgt, aus den Gründen, wie sie bereits mit Verweis auf Cluster- und/oder Tröpfchenbildung eingangs bereits erläutert wurden.
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In einer bevorzugten speziellen Variante ist die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material eine Jet-Vapour-Deposition-Anlage. Besonders bevorzugt ist der Verdampfungsabschnitt dann als Tiegel ausgebildet. In einer bevorzugten speziellen Variante ist die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material eine Jet-Vapour-Deposition-Anlage, wobei bevorzugt der Verdampfungsabschnitt als Tiegel ausgebildet ist. Unter dem Begriff der Jet-Vapour-Deposition-Anlage versteht der Fachmann eine Anlage, in welcher das Beschichtungsmaterial thermisch in Gasphase gebracht wird und es sodann, in Abwandlungen optional mit einem Trägergasstrom aus Inertgas, zu dem Substrat transportiert wird, bevorzugt mit einer Gasstromgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit, besonders bevorzugt oberhalb 500 m/s. Die Funktionsweise geht beispielsweise aus dem Übersichtsartikel im Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (Third Edition), Science, Applications and Technology, 2010, Seiten 881-901, https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031-3.00018-1 (verlinkt am Anmeldetag) hervor. Die vorliegende Erfindung ist mit derartigen Jet-Vapour-Deposition-Anlagen umsetzbar.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist dem Verdampfungsabschnitt ein Vorverdampfungsabschnitt vorgeschaltet, der insbesondere einen Spritzkopf aufweist inklusive einer Trägergasstromzufuhr zu dem Spritzkopf sowie ein Injektorrohr von dem Spritzkopf zu dem Verdampfungsabschnitt hin. Dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial zugeführt, bevorzugt in Draht- oder in Bandform. In dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial aufbereitet, das bedeutet, es werden Bestandteile des Ausgangsmaterials verdampft und/oder als in Flüssigphase vorliegende Partikel vom Ausgangsmaterial getrennt, bevorzugt mittels einem Lichtbogenverdampfen zwischen als Kathode geschaltetem Ausgangsmaterial und als Anode geschaltetem Ausgangsmaterial. Das aufbereitete Ausgangsmaterial liegt nicht vollständig in Gasphase vor, aber besteht aus einem Gemisch insbesondere aus Gasphase und flüssigen oder teilflüssigen Partikeln, das zur Führung durch den Verdampfungsabschnitt geeignet ist, um dort nachverdampft zu werden, das heißt: durch dort stattfindende Erwärmung vollständig oder weitgehend vollständig in die Gasphase überzugehen. Eine derartige Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material ist dann, wenn die Beförderung des in Gasphase vorliegenden Materials mit einer Geschwindigkeit oberhalb von Schallgeschwindigkeit besonders bevorzugt oberhalb von 500 Meter pro Sekunde, stattfindet als eine Variante einer Jet-Vapour-Deposition anzusehen, wobei es hierbei auf die genaue Einordnung nicht ankommt, solange in Gasphase vorliegendes Material bereitgestellt wird und dieses in Gasphase vorliegende Material durch einen Düsenabschnitt hindurch aus einem Düsenausgang heraustretend zu einer zu beschichtenden Oberfläche hin gerichtet transportiert wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen sind beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten wie auch die nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind.
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Es zeigen:
- 1a, 1b: schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage;
- 2a, 2b: schematische Darstellungen einer Ausführungsform einer, optional drehbar gelagerten, Düse.
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1a ist eine Beschichtungsanlage 1 zu entnehmen, welche zur Beschichtung eines als Metallband 2 ausgebildeten flächigen Gegenstands 2 ausgestaltet ist. Die Beschichtungsanlage 1 ist als Bandbeschichtungsanlage ausgeführt und umfasst aus diesem Grund eine Vorrichtung zum Transportieren des Bands, wie sie im Bereich der Herstellung und Beschichtung von Metallbändern, insbesondere Stahlbändern, bekannt ist. Der Bandtransport erfolgt bei der gezeigten Ausführungsform mittels Transportrollen 3a, 3b. Das Band wird in eine Beschichtungskammer 4 eingeführt und durch die Beschichtungskammer hindurchgeführt, in welcher ein technisches Vakuum vorliegt beispielsweise mit einem Druck zwischen 0,01 mbar und 20 mbar, gegebenenfalls konstant gehalten unter kontinuierlicher Zuführung von Schutzgas wie beispielsweise Ar oder N2.
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Das Band wird entlang einer Transportrichtung 5 durch die Beschichtungskammer 4 hindurch- und an einer Vorrichtung 6 zur Gasphasenabscheidung des Materials vorbeigeführt, die in der vorliegenden Ausführungsform als hinsichtlich ihrer grundsätzlichen Funktionsweise dem Fachmann bekannte Jet-PVD-Vorrichtung 6 ausgebildet ist. Mit der Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung wird ein in Gasphase vorliegendes Material auf die Oberfläche des Metallbands gerichtet, um dort durch Kondensation eine Beschichtung zu bilden. Die Vorrichtung 6 weist einen Verdampfungsabschnitt 7 zum Verdampfen des Materials in die Gasphase hinein und einen mit dem Verdampfungsabschnitt 7 gekoppelten Düsenabschnitt 8 auf. Der Düsenabschnitt 8 umfasst insbesondere eine innerhalb der Beschichtungskammer 4 angeordnete Düse 9 mit einem Düsenausgang, welcher zu der zu beschichtenden Oberfläche des Bands hin gerichtet ist, um aus dem Düsenausgang austretendes, in Gasphase vorliegendes, Material zu der Oberfläche hin zu führen, damit dieses dort kondensieren und dadurch eine Beschichtung bilden kann. Die Düse 8 ist, hier vorliegend, aber optional, drehbar gelagert und mit dem Verdampfungsabschnitt 7 gekoppelt. In der schematischen Darstellung reicht der Verdampfungsabschnitt 7 teilweise ebenfalls in die Beschichtungskammer 4 hinein, wobei dies weder zwingend noch erforderlich ist und vom mit der Umsetzung der Erfindung betrauten Fachmann anforderungsgemäß ausgeführt werden kann. Wesentlich ist jedoch, dass die Düse 9 mit dem Düsenausgang innerhalb der Beschichtungskammer 4 angeordnet ist, um die Beschichtung der Oberfläche des Bands zu gewährleisten.
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Die Düse 9 ist hier, allerdings optional, drehbar gelagert, wie durch die Pfeile 10 symbolisiert wird. Durch das Drehen kann die Orientierung des Düsenausgangs relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche des Bands 2 geändert werden, wobei in der gezeigten Ausführungsform die Drehachse der Düse 9 senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche orientiert ist. Die Düse 9 weist in der gezeigten Ausführungsform einen in Form eines Schlitzes ausgeführten Düsenausgang auf mit einer Längserstreckung D0. Die Düse ist derart gelagert beziehungsweise der Düsenausgang derart in der Düse 9 angeordnet, dass bei dem Drehen der Düse 9 um ihre Drehachse die Drehbewegung der Düse 9 in einer zu der Bandoberfläche parallelen Ebene stattfinden würde. In der gezeigten Darstellung ist die Düse 9 mit einem Winkel β von Null zu der Bandtransportrichtung orientiert. In der gezeigten Orientierung würde nur ein schmaler Streifen des Bands beschichtet werden. Mit einer Drehung von 90 Grad um die gezeigte Rotationsachse hingegen würde ein Band mit einer Breite, das heißt: mit einer Erstreckung in seiner Querrichtung, die in der vorliegenden Darstellung senkrecht in die Papierebene hinein orientiert ist, beschichtet werden, die der Längserstreckung D0 des Bands entspricht, wobei geringfügige Abweichungen durch das Strömungsprofil der aus dem Düsenausgang ausströmenden Teilchen möglich sind.
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1b ist eine Darstellung der in 1a gezeigten Beschichtungsanlage 1 in Aufsicht gezeigt. Insbesondere ist erkennbar, dass der als Schlitz 11 ausgebildete Düsenausgang 11 der Düse 9 einen Winkel β von 90 Grad zu der Transportrichtung des Bands 2 einnimmt, er also gegenüber der Stellung aus 1a um 90 Grad gedreht wurde. Die Längserstreckung des Düsenausgangs 11 ist größer als die Breite des Bands in seiner Querrichtung. Wenn das Band 2 eine geringere Breite in Querrichtung hätte als die in 1b dargestellte, dann könnte durch Verringern des Winkels β sichergestellt werden, dass trotz der verringerten Bandbreite nicht oder nur in geringem, toleriertem, Ausmaß aus dem Düsenausgang tretendes Material an den Bandkanten vorbei in die Beschichtungskammer 4, insbesondere in einem unterhalb des Bands befindlichen Bereich der Beschichtungskammer 4, gelangt und dadurch nicht mehr für eine Bildung einer Beschichtung zur Verfügung steht. Durch das optionale Bereitstellen einer drehbaren Düse wird somit sichergestellt, dass eine effiziente Beschichtung eines Bands für unterschiedliche Bandbreiten und sogar bei innerhalb desselben Bands veränderlicher Bandbreite möglich ist.
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2a ist eine seitliche Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Düse 9 zu entnehmen. Zur Verdeutlichung der Wirkung, die durch die erfindungsgemäße Ausführung der Düse 9 herbeigeführt wird, ist außerdem das Band 2 als spezielles Beispiel eines Gegenstands gezeigt, wobei die Oberfläche 2a die zu beschichtende Oberfläche ist. Die Düse 9 ist derart ausgebildet, dass das in Gasphase vorliegende Material gegenüber einer Oberflächennormale 12 der zu beschichtenden Oberfläche 2a mit einem Austrittswinkel α schräg orientiert zu der Oberfläche hin gerichtet aus dem Düsenausgang 11 austritt. Die Düse 9 weist einen Düsenhohlraum 13 auf, der sich in einem Abschnitt A-A in Gastransportrichtung 14 verjüngt. Der verjüngende Abschnitt hat den Zweck, den Materialdampf zu komprimieren, um Zielrichtung und Geschwindigkeit zu erhöhen.
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Insgesamt ist der Düsenabschnitt, im vorliegenden Fall deckungsgleich mit der Düse 9, derart orientiert, dass das in Gasphase vorliegende Material 15 mit einer Transportrichtung 16 des als Band 2 ausgebildeten Gegenstands mitläufig schräg zu der Oberfläche 2a hin gerichtet aus dem Düsenausgang 11 austritt. Um die schräge Orientierung des Materialdampfaustritts zu gewährleisten, ist im vorliegenden Fall nicht etwa eine Düse mit geradlinigem Materialdampfaustritt schrägorientiert an der Beschichtungsanlage angeordnet; vielmehr ist in der vorliegenden Ausführungsform der gegenüber dem Bandlot schräge Auslass des Materialdampfs 15 mit dem Winkel α dadurch gewährleistet, dass schräg orientierte Innenwandungen 17 und 18 als parallel zueinander orientierte ebene Flächen ausgebildet sind, und dadurch den Austrittswinkel α des in Gasphase vorliegenden Materials 15 definieren.
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Das in Gasphase vorliegende Material 15 gelangt mit einer Transportrichtung 16 des Bands mitläufig schräg auf der Bandoberfläche.
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2b ist eine Aufsicht auf die Düse 9 mit Blickrichtung des in 2a dargestellten Pfeils P gezeigt. Es ist erkennbar, dass die Drehachse 19 der Düse gegenüber einer Mitte M des Düsenausgangs 11 eine Verschiebung aufweist. Die Verschiebung ist um eine Strecke X0 vorgesehen und in der Ebene erfolgt, die von den Senkrechten zur Bewegungsrichtung des zu beschichtenden Gegenstands gebildet wird und zudem die Mitte M enthält. Mit der gezeigten Düse 9 kann bei einer Drehung im Uhrzeigersinn, gekennzeichnet durch den Pfeil U um die Achse 19, eine weitgehende Kompensation der Asymmetrie erhalten werden, die sich in der Beschichtung auf der Bandoberfläche ohne Verschiebung X0 ergeben würde bei dem in 2a gezeigten schrägen Auslass des in Gasphase befindlichen Materials. Wenn eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn geplant gewesen wäre, hätte die Verschiebung X0 in die genau entgegengesetzte Richtung erfolgt haben müssen.
