DE102022128497A1

DE102022128497A1 - Vorrichtung und verfahren zur thermischen behandlung von werkstücken

Info

Publication number: DE102022128497A1
Application number: DE102022128497.2A
Authority: DE
Inventors: Lukas Porz; Michael Scherer; Wolfgang Rheinheimer; Patrick Breckner; Till Frömling; Daniel Isaia
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Die vorliegend Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Werkstücken (18), mit einer Prozesszone (13) mit einer Prozesszonen-Größe (21), mindestens zwei Leuchteinheiten (6), wobei jede Leuchteinheit mindestens eine LED (5) zum Einstrahlen von Licht (15) in die Prozesszone und eine Optik (7) zur Beeinflussung des einstrahlenden Lichts aufweist, wobei jede LED eine LED-Leistungsdichte (PL) auf einer LED-Leuchtfläche (4) aufweist, wobei jeder Leuchteinheit ein Zentralstrahl (1) zugeordnet ist, wobei die Abmessungen der jeweiligen Leuchteinheit eine jeweilige Leuchteinheit-Baugröße (17) definieren, wobei der jeweilige Abstand zwischen der Prozesszone und der jeweiligen Leuchteinheit einen jeweiligen Arbeitsabstand (19) definieren, wobei das einstrahlende Licht in der Prozesszone eine Prozesszonen-Leistungsdichte (PP) bewirkt, und eine Halterung (8) zum Halten der Leuchteinheiten, wobei die Halterung dazu eingerichtet ist, die Leuchteinheiten derart zu halten, dass die Zentralstrahlen die Prozesszone durchsto-ßen und eine Bündelung des eingestrahlten Lichts erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Werkstücken.
Eine thermische Behandlung von Werkstücken ist Bestandteil einer Vielzahl von unterschiedlichen Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen. Hierunter fallen beispielsweise das Sintern von Keramiken, das Aufschmelzen oder die Wärmebehandlung von Metallen oder Erzen, das Brennen von Zement oder Zementvorprodukten, die Behandlung von mineralischen Granulaten und viele weitere.
Unter dem Begriff „Werkstück“ werden im Sinne der vorliegenden Patentschrift sämtliche zu behandelnde, weitgehend feste Materialien zusammengefasst. Diese können beispielsweise in Form von größeren, zusammenhängenden Einheiten vorliegen, beispielsweise als Grünlinge, Rohlinge oder Halbzeuge. Auch nicht zusammenhängende Einheiten, wie Pulver, Grünpulver oder andere Vorprodukte werden unter dem Begriff „Werkstück“ zusammengefasst.
Die thermische Behandlung von Werkstücken ist grundsätzlich durch verschiedenste Heizprozesse möglich, wie beispielsweise elektrischem Heizen, Aufheizen mittels exothermer Reaktionen, insbesondere dem Verbrennen von Gasen, oder dem Absorbieren von Strahlung.
Für eine effiziente Gestaltung der Heizprozesse ist insbesondere der Energieverbrauch eine relevante Größe. Hierbei tritt das Aufheizen von Werkstücken durch Absorption von Strahlung vom Wirkungsgrad her als besonders vorteilhaft hervor. Andererseits sind die hierfür erforderlichen Vorrichtung, beispielsweise Lasersysteme, in der Anschaffung und im Unterhalt teurer als beispielsweise einfache Gasbrenner.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung und Verwendung von Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge für eine thermische Behandlung von Werkstücken bekannt.
Aus der WO2021021687 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Schweißen von Keramiken mittels eines Lasers bekannt. Hierbei werden bereits fertiggstellte Keramikkomponenten mittels Laserschweißen miteinander verbunden.
Auch die US2022009124 A1 beschreibt die Verwendung eines Lasers, wobei mittels der Energie des Laserstrahls Keramiken gesintert bzw. additiv gedruckt werden.
Die EP1861234 A2 , WO2010125836 A1 und KR101312092 B1 beschreiben jeweils Verfahren zum Aushärten von Polymeren mittels UV-Strahlung, wobei das UV-Licht mittels UV emittierenden LEDs erzeugt wird. Hierbei wird die auszuhärtende Beschichtung möglichst homogen mit UV-Licht bestrahlt, um eine homogene Aushärtung zu erzielen.
Aus der US9318649 B2 ist ein weiteres Verfahren zum Aushärten von Polymerwerkstoffen mittels UV-Strahlung bekannt, wobei die Wellenlänge der UV-Strahlung moduliert wird, um ein möglichst breites UV-Spektrum abzudecken.
Die US2017131531 A1 beschreibt die Verwendung von UV-Licht emmitierenden LEDs für Lithografie Anwendungen.
Sämtliche dieser Druckschriften stellen Verfahren zur thermischen Behandlung von Werkstücken dar, weisen jedoch individuelle Nachteile auf. So sind beispielsweise die beschriebenen Lasersysteme in der Anschaffung und im Unterhalt teuer, während die beschriebenen UV-Systeme in ihren Leistungen begrenzt sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente und leistungsfähige Vorrichtung sowie ein effizientes und leistungsfähiges Verfahren zur thermischen Behandlung von Werkstücken bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken, wobei die Vorrichtung eine Prozesszone mit einer Prozesszonen-Größe aufweist, mindestens zwei Leuchteinheiten, wobei jede Leuchteinheit mindestens eine LED zum Einstrahlen von Licht in die Prozesszone und eine Optik zur Beeinflussung des einstrahlenden Lichts aufweist, wobei jede LED eine LED-Leistungsdichte auf einer LED-Leuchtfläche aufweist, wobei jeder Leuchteinheit ein Zentralstrahl zugeordnet ist, wobei die Abmessungen der jeweiligen Leuchteinheit eine jeweilige Leuchteinheit-Baugröße definieren, wobei der jeweilige Abstand zwischen der Prozesszone und der jeweiligen Leuchteinheit einen jeweiligen Arbeitsabstand definieren, wobei das einstrahlende Licht in der Prozesszone eine Prozesszonen-Leistungsdichte bewirkt, und eine Halterung zum Halten der Leuchteinheiten, wobei die Halterung dazu eingerichtet ist, die Leuchteinheiten derart zu halten, dass die Zentralstrahlen der Leuchteinheiten die Prozesszone durchstoßen und eine Bündelung des eingestrahlten Lichts erfolgt.
Die Prozesszone ist hierbei der Bereich, in dem die thermische Behandlung eines Werkstücks erfolgt. Die Größe des Bereichs stellt die Prozesszonen-Größe dar, deren Größe bei einfachen Prozesszonen-Geometrien, wie beispielsweise einem Kreis oder Rechteck, deren Durchmesser bzw. deren Diagonale entspricht. Im Allgemeinen ist die Prozesszonen-Größe ein Maß für den lateralen Querschnitt der Prozesszone. In die Prozesszone ist ein zu behandelndes Werkstück einbringbar, beispielsweise mittels einer Aufnahme oder auf einen Probentisch. Die Aufnahme oder der Probentisch sind bevorzugt thermisch und/oder elektrisch isolierend ausgeführt. Weiter kann die Aufnahme oder der Probentisch derart ausgeführt sein, dass das Werkstück in oder auf einem Gasfilm schwebt.
Die Prozesszonen-Leistungsdichte stellt die Leistung dar, welche durch das einstrahlende Licht in die Prozesszone eingebracht wird. Eine typische Einheit stellt W/cm² dar.
Die mindestens eine LED einer jeden Leuchteinheit umfasst vorzugsweise einen LED-Chip mit einer oder mehrerer LED-Leuchtflächen, eine Fassung für den LED-Chip, sowie vorzugsweise eine Mikrolinse. Das emittierte Licht der LED liegt in einem Wellenlängenbereich von 100 bis 750 nm, vorzugsweise 200 bis 600 nm, weiter bevorzugt 360 bis 460 nm. Der Vorteil des Bereichs 360 bis 460 nm liegt darin, dass in diesem Wellenlängenbereich eine Vielzahl kommerzieller LEDs verfügbar sind. Der Wellenlängenbereich von 200 bis 600 nm ist besonders vorteilhaft, da er besonders gut von einer Bandbreite an Materialien absorbiert wird. Zum einen absorbieren Keramiken bei Photonenenergien, welche größer als die Bandlücke sind optische Strahlung besonders gut. Oftmals liegt die dafür notwendige Photonenenergie bei größer 2 eV, größer als 3 eV oder mehr. Daher sind Wellenlängen unterhalb von 600 nm, bevorzugt von unter 460 nm besonders vorteilhaft. Ähnliches Verhalten ist bei verschiedenen Metallen zu beobachten. Beispielsweise absorbiert Kupfer Licht mit einer Wellenlänge von etwa 800 nm deutlich schlechter als Licht mit einer Wellenlänge von 460 nm. Auch ein Einstrahlen von Licht unterschiedlicher Wellenlängen durch unterschiedliche LEDs ist möglich.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiter eine thermische Senke auf, welche dazu eingerichtet ist, Wärme von den LEDs abzuführen, wobei die Senke vorzugsweise durch eine passive oder aktive Kühlung, beispielsweise eine Wasserkühlung oder ein Peltier-Element erfolgt.
Die Optik zur Beeinflussung des einstrahlenden Lichts kann beispielsweise ein optisches System sein. Ein solches optisches System kann durch eine Vielzahl unterschiedlicher Linsen, Prismen, Spiegel, Lichtleitern und weitere optischer Komponenten gebildet werden. Im einfachsten Fall besteht die Optik aus einer Linse, welche direkt auf der LED montiert ist und/oder einer Kondensorlinse. Die Optik ist insbesondere eine zu einer optionalen Mikrolinse zusätzliche Linse. Zusätzlich kann eine weitere Sammellinse verwendet werden. Alternativ kann auch eine reflektive Optik wie beispielsweise ein compound parabolic concentrator oder ein compound hyperbolic concentrator verwendet werden. Diese können jeweils mit einer Linse ergänzt werden. Bevorzugt ist die Benutzung einer reflektiven oder reflektiv/transmissiven Optik an Stelle einer rein transmissiven Optik, da dadurch die Leuchteinheit-Baugröße bei gleicher optischer Qualität reduziert werden kann. Die LED und die Optik welche die Leuchteinheit, bilden müssen nicht integral ausgebildet sein, sondern können auch als einzelne Bauteile vorliegen.
Der Zentralstrahl einer jeden Leuchteinheit wird durch die jeweilige LED und die jeweilige Optik definiert. Der Zentralstrahl, welcher in der geometrischen Optik auch als Hauptstrahl bezeichnet wird, ist der Strahl eines Strahlenbündels, der das Strahlenbündel repräsentiert, wenn die Apertur des Systems auf nahezu Null verkleinert wird. Die Zentralstrahlen breiten sich geradlinig ausgehend von der jeweiligen letzten optischen Komponente der Optik einer Leuchteinheit hin zur Prozesszone aus und durchstoßen diese. Im einfachsten Fall, in dem die Optik durch eine Linse und/oder durch eine Kondensorlinse gebildet wird und bei der keine weiteren Komponenten das von der LED emittierte Licht beeinflussen, verläuft der Zentralstrahl gemäß der optischen Achse der Leuchteinheit. Bei komplexeren Optiken, beispielsweise aufweisend mehrere optische Komponenten wie Linsen, Spiegeln und Lichtleitern, entspricht der Zentralstrahl einem Strahl, welcher entstehen würde, wenn die Apertur der zuletzt durchstrahlten optischen Komponente auf nahezu Null verkleinert würde.
Die Leuchteinheit-Baugröße kann beispielsweise die Ausdehnung der Leuchteinheit radial zum jeweiligen Zentralstrahl darstellen, wodurch die Leuchteinheit-Baugröße ein Maß für den Platzbedarf der Optik und der LED inklusive Verkabelung und Kühlung darstellt. Die Leuchteinheit-Baugröße stellt somit ein Maß für die Größe der Leuchteinheit dar, wobei die Leuchteinheit-Baugröße diejenige Größe ist, welche die Anzahl von nebeneinander auf einer Fläche anbringbaren Leuchteinheiten limitiert.
Die LED-Leistungsdichte auf der LED-Leuchtfläche stellt die Leistung dar, welche über eine LED-Leuchtfläche einer gewissen Größe in Form von Licht abgegeben wird. Bei LEDs mit mehreren, durch Zwischenräume getrennte Leuchtflächen, wird unter der LED-Leistungsdichte vorzugsweise die effektive LED-Leistungsdichte verstanden. Diese entspricht der Leistung, welche über sämtliche LED-Leuchtflächen der LED in Form von Licht abgegeben wird, pro Fläche sämtlicher LED-Leuchtflächen der LED und der Fläche der Zwischenräume. Typische Einheiten für die LED-Leistungsdichte stellen W/cm² dar.
Der Arbeitsabstand ist durch den Abstand zwischen der Prozesszone und der jeweiligen Leuchteinheit definiert, wobei das am weitesten in Richtung der Prozesszone ragende Bauteil der Leuchteinheit, beispielsweise die zur Prozesszone gewandte Oberfläche der Optik, der relevante Ausgangspunkt ist. Der Arbeitsabstand ist dann der Abstand zwischen diesem Ausgangspunkt und der Prozesszone entlang dem Zentralstrahl.
Das Durchstoßen der Prozesszone durch die Zentralstrahlen der Leuchteinheiten wird beispielsweise ermöglicht, wenn sich die Zentralstrahlen der Leuchteinheiten in einem Punkt auf, unter oder über der Prozesszone schneiden. Auch ein seitlicher Versatz der Zentralstrahlen, so dass sich diese nicht schneiden, ermöglicht ein Durchstoßen der Prozesszone durch die Zentralstrahlen der Leuchteinheiten.
Die Bündelung oder auch Projektion des durch die jeweiligen LEDs eingestrahlten Lichts erfolgt durch ein Zusammenspiel der Ausrichtung der Leuchteinheiten mittels der Halterung und der Beeinflussung des einstrahlenden Lichts durch die Optik. Für den Fall, dass die Optiken der Leuchteinheiten aus mehreren optischen Komponenten bestehen, beispielsweise aus Linsen und Lichtleitern, so hält die Halterung sämtliche Komponenten der Optik. Die Halterung kann durch eine Vielzahl möglicher Ausgestaltungen wie Oberflächen, auf denen die Leuchteinheiten angebracht oder in die sie eingelassen sind, Gestängen, welche die Leuchteinheiten halten, oder Netze oder wabenartige Strukturen, realisiert werden.
Die Bündelung des einfallenden Lichts erfolgt zumindest in zwei Raumrichtungen, entlang der Richtung des Zentralstrahls und einer hierzu senkrechten Raumrichtung. Alternativ erfolgt die Bündelung in drei Raumrichtungen, entlang der Richtung des Zentralstrahls, einer hierzu senkrechten Raumrichtung und einer zu den beiden zuvor genannten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass eine kostengünstige und robuste Alternative zu Lasern oder anderen optischen Systemen geschaffen wird, bei gleichzeitigen hohen erreichbaren Leistungen, insbesondere hohen Prozesszonen-Leistungsdichten.
Durch die Verwendung von LEDs wird eine besonders energieeffiziente und somit im Betrieb kostengünstige Erzeugung von Licht ermöglicht. Auch sind LEDs in der Anschaffung günstiger als Lasersysteme. Durch die Bündelung oder Projektion des durch die jeweiligen LEDs eingestrahlten Lichts wird dennoch auf überraschend einfache Weise eine ausreichende Prozesszonen-Leistungsdichte erreicht, um eine thermische Behandlung von Werkstücken zu ermöglichen.
Des Weiteren ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auf überraschend einfache Weise eine homogene thermische Behandlung von Werkstücken möglich.
Die oben beschriebene Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Werkstücks mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Bereitstellen eines Werkstücks in der Prozesszone und
- Einstrahlen von Licht der LEDs auf eine Oberfläche des Werkstücks zum Aufheizen der Oberfläche des Werkstücks.

Die Oberfläche des Werkstücks absorbiert das einstrahlende Licht der LEDs, welches durch die Optik und das Halten der Leuchteinheiten durch die Halterung auf die Oberfläche eingestrahlt wird.
Das Bereitstellen des Werkstücks kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Eine zu sinternde Keramik oder ein metallischer Körper können beispielsweise auf einem Probentisch, welcher sich in der Prozesszone befindet, angeordnet werden. Ein zu brennendes Pulver, wie beispielsweise ein Zementvorprodukt oder sonstige Grünpulver, können beispielsweise kontinuierlich durch die Prozesszone geführt werden, beispielsweise durch eine wasserfallartige Schüttung oder ein Förderband. Bei einer Verwendung der Vorrichtung in der Schwerelosigkeit kann das Werkstück frei schweben und es kann eine thermische Behandlung des Werkstücks durch Einstrahlen von Licht von allen Seiten durchgeführt werden.
Das Verfahren ermöglicht somit ebenfalls die thermische Behandlung von Werkstücken unter Nutzung der bereits aufgeführten Vorteile betreffend die Effizienz und Leistungsdichte. Somit wird mit geringem Aufwand ein überraschend effektives Verfahren zur thermischen Behandlung von Werkstücken zur Verfügung gestellt.
Eine Prozesszonen-Leistungsdichte von vorzugsweise mindestens 10 W/cm² hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da ab dieser Prozesszonen-Leistungsdichte ein Energieeintrag in die Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks vorliegt, um diese vorteilhaft ausreichend zu Erhitzen, zumindest für einige thermische Behandlungen. Bei einer Prozesszonen-Leistungsdichte von mindestens 15 W/cm², mindestens 50 W/cm², mindestens 100 W/cm², mindestens 130 W/cm² erhöht sich die erreichbare Oberflächentemperatur weiter, wodurch weitere thermische Behandlungen möglich sind. Außerdem sind beispielsweise bei kontinuierlichen thermischen Behandlungen höhere Durchsätze möglich.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung sind die jeweiligen Arbeitsabstände mindestens 3mal größer als die Prozesszonen-Größe, bevorzugt mindestens 5mal größer, weiter bevorzugt mindestens 10mal größer.
Ein mindestens 3mal größerer Arbeitsabstand als die Prozesszonen-Größe hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da ab einem solchen Verhältnis von Arbeitsabstand und Prozesszonen-Größe vorteilhaft ausreichend hohe Prozesszonen-Leistungsdichten in der Prozesszone erreichbar sind. Bei noch größeren Verhältnissen wie mindestens 5:1 oder mindestens 10: 1 von Arbeitsabstand und Prozesszonen-Größe erhöht sich die Prozesszonen-Leistungsdichte weiter, da aufgrund von geometrischen Gegebenheiten mit zunehmendem Arbeitsabstand das Licht von mehreren Leuchteinheiten zur Prozesszonen-Leistungsdichte beitragen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung misst die Prozesszonen-Größe mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 2, weiter bevorzugt mindestens 4 cm.
Entsprechende Prozesszonen-Größen haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da bei Prozesszonen-Größen von mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 2, weiter bevorzugt mindestens 4 cm eine ausreichend große Werkstücke thermisch behandelt werden könne. Für die Durchführung von thermischen Behandlungen größerer Werkstücke kann die Prozesszonen-Größe entsprechend skaliert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind die jeweiligen Arbeitsabstände mindestens 3mal größer als die jeweiligen Leuchteinheit-Baugrößen, bevorzugt mindestens 5mal größer, weiter bevorzugt mindestens 10mal größer.
Ein mindestens 3mal größerer Arbeitsabstand als die jeweiligen Leuchteinheit-Baugrößen hat sich ebenfalls als besonders vorteilhaft erwiesen, da ab einem solchen Verhältnis von Arbeitsabstand und Prozesszonen-Größe ausreichend hohe Prozesszonen-Leistungsdichten in der Prozesszone erreichbar sind. Die Leuchteinheit-Baugrößen limitieren die Anzahl der Leuchteinheiten, welche mittels einer Halterung einer bestimmten Größe anbringbar sind. Die Anzahl der Leuchteinheiten wiederum beeinflusst maßgeblich die Prozesszonen-Leistungsdichte. Ein größerer Arbeitsabstand ermöglich auch eine größere Halterung und somit mehr Leuchteinheiten deren Licht in die Prozesszone einstrahlt. Bei noch größeren Verhältnissen wie mindestens 5:1 oder mindestens 10:1 von Arbeitsabstand und Leuchteinheit-Baugrößen erhöht sich die Prozesszonen-Leistungsdichte weiter, da aufgrund von geometrischen Gegebenheiten mit zunehmendem Arbeitsabstand das Licht von mehreren Leuchteinheiten zur Prozesszonen-Leistungsdichte beitragen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung betragen Transmissionsverluste des einstrahlenden Lichts in der jeweiligen Optik maximal 80%, bevorzugt maximal 50%, weiter bevorzugt maximal 20%.
Transmissionsverluste des einstrahlenden Lichts in der jeweiligen Optik von maximal 80% haben sich als vorteilhaft erwiesen, da bei mehr als 80% Transmissionsverluste keine ausreichend hohe Prozesszonen-Leistungsdichten in der Prozesszone erreichbar ist. Die durch die einzelnen LEDs ausgestrahlten LED-Leistungsdichten verringern sich entlang des Zentralstrahls aufgrund des Transmissionsverhaltens der Optik. Auch die optionale Mikrolinse trägt zu Transmissionsverlusten bei. Je geringer die Transmissionsverluste, desto größer ist der Anteil der ursprünglichen LED-Leistungsdichten der tatsächlich in die Prozesszone eingebracht werden kann und welcher sich dort zur Prozesszonen-Leistungsdichte summiert. Gleichzeitig trägt die Minimierung der Verluste zur Wirtschaftlichkeit bei und senkt die Energiekosten beim Betrieb.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weisen die LED-Leistungsdichten der jeweiligen LEDs mindestens 25 W/cm² auf, vorzugsweise mindestens 50 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 100 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 130 W/cm².
LED-Leistungsdichten der jeweiligen LEDs von mindestens 25 W/cm² haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da ab einer solchen LED-Leistungsdichte ausreichend hohe Prozesszonen-Leistungsdichten in der Prozesszone erreichbar sind. Unter anderem aufgrund der beschriebenen Transmissionsverluste wird lediglich ein Anteil der ursprünglichen LED-Leistungsdichten tatsächlich in die Prozesszone eingebracht. Je höher die LED-Leistungsdichten der jeweiligen LEDs, desto höher ist auch die erreichbare Prozesszonen-Leistungsdichte und damit die zur thermischen Behandlung von Werkstücken verfügbaren Temperaturen. Somit stellen LED-Leistungsdichten der jeweiligen LEDs von mindestens 50 W/cm², oder mindestens 100 W/cm², oder mindestens 130 W/cm² weiter bevorzugte Ausführungsformen dar.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weisen die LED-Leistungsdichten der jeweiligen LEDs mindestens 250 W/cm² oder mindestens 400 W/cm² auf, wodurch höhere Oberflächentemperaturen erreicht werden können und/oder weitere thermische Behandlungen von Werkstücken möglich sind.
Die LED-Leistungsdichten der jeweiligen LEDs sind durch die zur Verfügung stehende LEDs begrenzt, welche im Wesentlichen wellenlängenabhängig sind. Für LEDs, welche Licht im Wellenlängenbereich 350 bis 420 nm, vorzugsweise 385 nm emittieren, stehen LEDs mit LED-Leistungsdichten von mehr als 25 W/cm² zur Verfügung. Für LEDs, welche Licht im Wellenlängenbereich 430 bis 450 nm, vorzugsweise 440 nm emittieren, stehen LEDs mit LED-Leistungsdichten von mehr als 50 W/cm² zur Verfügung. Für die vorliegende Erfindung sind die maximal verfügbaren LED-Leistungsdichten der jeweiligen Wellenlänge besonders vorteilhaft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist/sind die Anzahl der LEDs und/oder die LED-Leistungsdichten der LEDs derart dimensioniert, dass die Prozesszonen-Leistungsdichte mindestens 10 W/cm², vorzugsweise mindestens 15 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 50 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 100 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 130 W/cm², beträgt.
Eine Prozesszonen-Leistungsdichte von mindestens 10 W/cm² hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da ab dieser Prozesszonen-Leistungsdichte ausreichend Energieeintrag in die Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks vorliegt, um dieses ausreichend schnell zu Erhitzen. Bei einer Prozesszonen-Leistungsdichte von mindestens 15 W/cm², mindestens 50 W/cm², mindestens 100 W/cm², mindestens 130 W/cm² erhöht sich die erreichbare Oberflächentemperatur weiter.
Außerdem sind beispielsweise bei kontinuierlichen thermischen Behandlungen höhere Durchsätze möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung beträgt eine Abweichung der Prozesszonen-Leistungsdichte zwischen verschiedenen Punkten innerhalb der Prozesszone maximal 20%.
Dies ermöglicht eine gleichmäßige thermischen Behandlung von Werkstücken, welche in die Prozesszone eingebracht werden. Eine Begrenzung der Abweichungen auf maximal 20% ist beispielsweise durch eine entsprechende räumliche Begrenzung der Prozesszone möglich. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass durch die Halterung die Ausrichtung einzelner Leuchteinheiten derart gewählt ist, dass die Zentralstrahlen seitlich versetzt die Prozesszone durchstoßen, wodurch eine zueinander versetzte Bündelung oder Projektion des durch die jeweiligen LEDs eingestrahlten Lichts erfolgt. Hierdurch wird eine besonders homogene Verteilung der Prozesszonen-Leistungsdichte in der Prozesszone erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung liegt das Verhältnis der jeweiligen Leuchteinheit-Baugrößen zur LED-Leuchtfläche im Bereich 30 bis 2:1 liegt, bevorzugt 20 bis 2:1, weiter bevorzugt 15 bis 2:1, weiter bevorzugt 10 bis 2:1.
Insbesondere bei einer reflektiven Optik oder einer Linse direkt auf dem LED-Chip ist ein Verhältnis von Leuchteinheit-Baugrößen zur LED-Leuchtfläche im Bereich 1:1 möglich. Die LED-Leuchtfläche ist die Fläche auf der die LED-Leistungsdichte erzeugt wird. Die Leuchteinheit-Baugrößen limitieren die Anzahl der Leuchteinheiten, welche der mittels der Halterung gehalten werden können. Bei der Verwendung einer reflektiven Optik verringert sich das Verhältnis vorzugsweise auf einen Bereich von 10 bis 2:1. Bei einer rein transmissiven Optik, wie beispielsweise einer Linse, vorzugsweise auf einen Bereich 15 bis 5:1. Als optimal hat sich ein Verhältnis von 2:1 oder 4:1 für die Leuchteinheit-Baugrößen zur LED-Leuchtfläche herausgestellt, da ein guter Kompromiss von Projektion- bzw. Bündelungsqualität und Platzverbrauch der einzelnen Leuchteinheiten vorliegt.
Das Verhältnis von Leuchteinheit-Baugrößen zur LED-Leuchtfläche betrifft somit direkt die Prozesszonen-Leistungsdichte, wobei diese umso höher ist, desto mehr sich das Verhältnis von Leuchteinheit-Baugrößen zur LED-Leuchtfläche angleicht, sprich näher am Verhältnis 1:1 liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung werden die mindestens zwei LEDs durch eine erste Sorte LEDs und mindestens eine zweite Sorte LEDs gebildet, wobei die erste Sorte LEDs dazu eingerichtet ist, Licht in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, vorzugsweise im Bereich 420 bis 600 nm, und die zweite Sorte LEDs dazu eingerichtet ist, Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich zu emittieren, vorzugsweise im Bereich 200 bis 420 nm.
Besonders bevorzugt für die erste Sorte LEDs, da kommerziell leicht und kostengünstig erhältlich, sind LEDs, welche im Wellenlängenbereich 440 oder 455 nm emittieren. Diese weisen darüber hinaus vorzugsweise hohe LED-Leistungsdichten auf. Die zweite Sorte LEDs wird bevorzugt durch LEDs gebildet, welche im Wellenlängenbereich 405, 395, 385, 375 oder 365 emittieren, da diese ebenfalls leicht und kostengünstig erhältlich sind.
Grundsätzlich gilt für die Energie (E) eines Photons in Abhängigkeit der Wellenlänge (λ) die Proportionalität E∼1/λ, was bedeutet, dass die Energie (E) eines Photons umso größer ist, desto kürzer die Wellenlänge (λ) ist. Somit sind kurze Wellenlängen grundsätzlich zu bevorzugen. Andererseits weisen LEDs, welche Licht im kurzen Wellenlängenbereich emittieren, meist eine geringere LED-Leistungsdichte auf als LEDs, welche Licht im längeren Wellenlängenbereich emittieren. Je höher die Energie (E) der einzelnen Photonen desto besser ist typischer Weise auch die Absorption im Werkstück, desto höher ist auch die theoretisch zu erreichende Temperatur während der thermischen Behandlung von Werkstücken. Somit stellen die oben angegebenen Wellenlängenbereiche eine Abwägung von der mittels LEDs erreichbaren LED-Leistungsdichte und der Energie (E) einzelner Photonen dar.
Die thermisch zu behandelnden Werkstücke absorbieren Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich stark, wobei die Absorption auch von der Temperatur, insbesondere Oberflächentemperatur des Werkstücks abhängt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen, erzeugt durch die erste und/oder zweite Sorte LEDs, zur thermischen Behandlung der Werkstücke genutzt werden kann, je nach Oberflächentemperatur des zu behandelnden Werkstücks.
Weiterhin können die mindestens zwei Sorten LEDs auch unterschiedliche LED-Leistungsdichten PL aufweisen.
Dieselben Vorteile ergeben sich für ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Werkstücks, durchgeführt mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die mindestens zwei LEDs der Vorrichtung durch eine erste Sorte LEDs und mindestens eine zweite Sorte LEDs gebildet werden, wobei die erste Sorte LEDs dazu eingerichtet ist, Licht in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, vorzugsweise im Bereich 420 bis 600 nm, und die zweite Sorte LEDs dazu eingerichtet ist, Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich zu emittieren, vorzugsweise im Bereich 200 bis 420 nm, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Bereitstellen eines Werkstücks in der Prozesszone,
- Einstrahlen von Licht der ersten Sorte LEDs oder der zweiten Sorte LEDs auf eine Oberfläche des Werkstücks zum Aufheizen der Oberfläche des Werkstücks bis zum Erreichen einer ersten vorgegebenen Oberflächentemperatur des Werkstücks oder einer ersten vorgegebenen Zeitdauer, und
- Einstrahlen von Licht der nicht bereits einstrahlenden Sorte LEDs auf die Oberfläche des Werkstücks zusätzlich oder anstatt des bereits einstrahlenden Lichts der ersten Sorte LEDs oder der zweiten Sorten LEDs zum Aufheizen der Oberfläche des Werkstücks bis zum Erreichen einer zweiten vorgegebenen Oberflächentemperatur des Werkstücks oder einer zweiten vorgegebenen Zeitdauer ab dem Erreichen der vorgegebenen Oberflächentemperatur des Werkstücks oder dem Erreichen der vorgegebenen Zeitdauer.

Das Einstrahlen von Licht der ersten Sorte LEDs oder der zweiten Sorte LEDs auf eine Oberfläche des Werkstücks zum Aufheizen der Oberfläche des Werkstücks bis zum Erreichen einer ersten vorgegebenen Oberflächentemperatur des Werkstücks oder einer ersten vorgegebenen Zeitdauer erfolgt hierbei in Abhängigkeit davon, ob das Licht der ersten Sorte LEDs oder das Licht der zweiten Sorte LEDs stärker von der Oberfläche des Werkstücks absorbiert wird. Dasjenige Licht welches stärker absorbiert wird, wird gewählt. Das Aufheizen mittels des stärker absorbierten Lichts erfolgt vorzugsweise gemäß einer vorgegebene Heizrate.
Unter dem Einstrahlen von Licht der nicht bereits einstrahlenden Sorte LEDs wird verstanden, dass dasjenige Licht, welches nicht bereits eingestrahlt wird, zusätzlich oder alternativ eingestrahlt wird. In dem Fall, dass Licht der ersten Sorte LEDs bereits eingestrahlt wird, wird somit Licht der zweiten Sorte LEDs zusätzlich oder alternativ eingestrahlt. In dem Fall, dass Licht der zweiten Sorte LEDs bereits eingestrahlt wird, wird somit Licht der ersten Sorte LEDs zusätzlich oder alternativ eingestrahlt.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen, erzeugt durch die erste und/oder zweite Sorte LEDs, zur thermischen Behandlung der Werkstücke genutzt werden kann, je nach Oberflächentemperatur des zu behandelnden Werkstücks.
Alternativ ist auch ein Verfahren möglich, bei dem zum Aufheizen der Oberfläche des Werkstücks grundsätzlich sowohl Licht der ersten Sorte LEDs und Licht der zweiten Sorte LEDs genutzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung weiter eine Abschirmung auf, vorzugsweise aus Quarzglas, angeordnet zwischen der Prozesszone und den Leuchteinheiten, wobei die Abschirmung mindestens 50% des einstrahlenden Lichts transmittiert, und/oder eine Abführvorrichtung zum Abführen von Gasen und/oder Rauch aus der Prozesszone.
Durch die Abschirmung wird verhindert, dass in der Prozesszone entstehende Gase oder Rauch insbesondere die Optiken beschädigen oder verschmutzen, wodurch deren Transmission verringert würde, was wiederum eine Reduktion der Prozesszonen-Leistungsdichte zu Folge hätte. Die Abschirmung muss hierbei mindestens 50% des einstrahlenden Lichts transmittieren, da ansonsten die Prozesszonen-Leistungsdichte nicht mehr zur thermischen Behandlung von Werkstücken ausreicht.
Die Abführvorrichtung zum Abführen von Gasen und/oder Rauch verhindert ebenfalls ein Beschädigen oder Verschmutzen der Optiken, wodurch der Betrieb wartungsärmer gestaltet werden kann. Die Abführvorrichtung kann beispielsweise durch eine Absaugvorrichtung verwirklicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung entspricht die Halterung einem Kugelsegment, einem Ellipsoidsegement oder einer Rinne, wobei die Halterung Aussparungen aufweist, in denen jeweils eine Leuchteinheit angeordnet ist.
Ein Kugelsegment ist die geometrisch einfachste Form der Halterung. Durch die Krümmung des Kugelsegments sind die Leuchteinheiten bereits derart angeordnet, dass die Zentralstrahlen der Leuchteinheiten die Prozesszone durchstoßen und eine Bündelung oder Projektion des durch die jeweiligen LEDs eingestrahlten Lichts erfolgt.
Eine Rinne stellt eine bevorzugte Ausführungsfom dar, da durch die Krümmung der Rinne ebenfalls eine Anordnung der Leuchteinheiten auf der Halterung erfolgt, so dass die Zentralstrahlen der Leuchteinheiten die Prozesszone durchstoßen und dass durch die jeweiligen LEDs eingestrahlte Licht projizieren bzw. bündeln. Weiter weist eine Rinne den Vorteil auf, dass die Halterung und somit die gesamte Vorrichtung in Längsrichtung der Rinne beliebig skalierbar ist. Somit lassen sich beispielsweise sehr lange Prozesszonen verwirklichen, wobei die Breite der Prozesszone im wesentlich durch den Krümmungsradius der Rinne vorgegeben ist. Somit ist beispielsweise eine kontinuierliche thermische Behandlung von Werkstücken auf einem Förderband möglich, wobei die Länge der Rinne quer zu Laufrichtung des Förderbands verläuft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung weiter eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Werkstückeines durchzuführen, vorzugsweise gemäß einem der folgenden Verfahren.
Gemäß einer mit den zuvor genannten Verfahren kompatiblen Ausführungsform weist das Verfahren weiter die folgenden Schritte auf:

- Erfassen einer Oberflächentemperatur des Werkstücks, vorzugsweise einer ortsaufgelösten Oberflächentemperatur, und
- Beeinflussen der LED-Leistungsdichten einzelner LEDs in Abhängigkeit der erfassten Oberflächentemperatur des Werkstücks.

Die Oberflächentemperatur des Werkstücks kann beispielsweise durch ein Pyrometer erfasst werden. Auch eine Temperaturmessung mittels eines thermischen Kontaktes auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite des Werkstücks ist möglich. Hierbei ist insbesondere eine Berechnung der Oberflächentemperatur unter Verwendung der Temperaturleitfähigkeit und Abmessungen des Werkstücks möglich. Durch eine Erfassung der Oberflächentemperatur mehrerer Punkte der Oberfläche des Werkstücks ist eine ortsaufgelöste Erfassung der Oberflächentemperatur möglich. Alternativ kann dies durch ein Erfassen eines thermografischen Bildes erfolgen.
Durch das Beeinflussen der LED-Leistungsdichten einzelner LEDs in Abhängigkeit der erfassten Oberflächentemperatur des Werkstücks können beispielsweise einzelne oder sämtliche LEDs oder LED-Sorten gezielt abgeschaltet oder zumindest deren LED-Leistungsdichte reduziert werden. Hierdurch lassen sich beispielsweise vorgegebene Oberflächentemperaturen auf dem Werkstück gezielt halten, und/oder ein Überhitzen verhindern. Anders ausgedrückt kann die Oberflächentemperatur durch die Regelung der LED-Leistungsdichte geregelt werden.
Gemäß einer mit den zuvor genannten Verfahren kompatiblen Ausführungsform weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:

- Erfassen eines Abbilds des Werkstücks mit einer Kamera,
- ortsindividuelles Anpassen der Prozesszonen-Leistungsdichte für einzelne Bereiche der Prozesszone durch ansteuern einzelner LEDs in Abhängigkeit des Abbildes des Werkstücks.

Durch das Erfassen eines Abbilds des Werkstücks mit einer Kamera lassen sich die Abmessungen des Werkstücks erfassen. Insbesondere lässt sich somit die Prozesszonen-Leistungsdichte an die Form des Werkstücks anpassen, so dass beispielsweise nur das Werkstück erhitzt wird, ohne eine mögliche Werkstückaufnahme oder einen Probentisch. Auch können Werkstücke, welche aus unterschiedlichen Materialien und/oder unterschiedlichen Dicken bestehen unterschiedlich thermisch behandelt werden.
Besonders bevorzugt weist die Kamera einen wellenlängenabhängigen Filter auf, so dass ein Erfassen des Abbildes des Werkstücks auch während der thermischen Behandlung des Werkstücks möglich ist. Beispielsweise blockiert der Filter die von den LEDs ausgestrahlten Wellenlängenbereiche und lässt nur langwelligeres Licht, beispielsweise größer 550 nm hindurch.
Weiter ist es zur Vereinfachung sämtlicher genannter Verfahren möglich, dass mittels eines Richtlasers optische Markierungen für eine optimale Positionierung eines Werkstücks in der Prozesszone markiert werden.
Gemäß einer mit den zuvor genannten Verfahren kompatiblen Ausführungsform erfolgt das Bereitstellen des Werkstücks in der Prozesszone kontinuierlich, beispielsweise durch ein Förderband oder eine Schüttung, und das Einstrahlen von Licht der LEDs auf die Oberfläche des kontinuierlich bereitgestellten Werkstücks erfolgt ebenfalls kontinuierlich.
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass eine kontinuierliche thermische Behandlung von Werkstücken erfolgen kann, was beispielsweise die thermische Behandlung von größeren Werkstücken ermöglicht. Ein großes Werkstück wird beispielsweise mittels eines Förderbandes durch die Prozesszone gefördert, wobei es in dem jeweiligen Bereich, welcher sich in der Prozesszone befindet, thermisch behandelt wird. Weiter können durch diese Ausführungsform Standzeiten der Vorrichtung verringert werden, was die Effizienz weiter steigert.
Gemäß einer mit den zuvor genannten Verfahren kompatiblen Ausführungsform weist das Werkstück eines oder mehrere der Materialien der Gruppe auf die gebildet ist aus:

- Keramik
- Zement oder Zementvorprodukt,
- Sand,
- Ton,
- Mineralische Granulate,
- Glas,
- Metall oder Metalllegierung,
- Erz.

Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Keramiken, Zement oder Zementvorprodukten, Sand, Ton, mineralischen Granulaten, Glas, Metall oder Metalllegierungen und Erzen hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da die zur Erzeugung der jeweiligen üblichen thermischen Behandlungen erforderlichen Oberflächentemperaturen auf energieeffiziente und kostengünstige Weise erreichbar sind.
Beispielsweise kann Kupfer bei einer Temperatur von über 1085 °C geschmolzen werden. Das geschmolzene Kupfer kann so beispielsweise in eine neue Form gegossen werden. Genauso kann das Kupferoxid bei über 1326 °C geschmolzen werden wodurch chemische Prozesse beschleunigt werden können.
Beispielsweise kann eine Keramik aus TiO₂ gesintert werden. Dazu kann sie innerhalb von 5 Sekunden auf 1550 °C erhitzt werden und 20 Sekunden lang auf der Temperatur gehalten werden. Es kann auch eine Varistor Keramik basierend auf ZnO bei 1000 °C gesintert werden.
Beispielsweise können auch nicht metallische oder kristalline Werkstücke, wie Zement, bei Temperaturen von 1450 °C gebrannt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken,
2 einen Auszug der Ausführungsform aus 1;
3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken;
4 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken;
5 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken.

1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken 18. Die Vorrichtung weist Leuchteinheiten 6 auf, welche durch LEDs 5, Optiken 7 sowie eine optionale Kühlung 3 gebildet werden. Vorliegend wir die Optik 7 durch eine Sammellinse gebildet, wodurch pro Leuchteinheit 6 ein Zentralstrahl 1, welcher als gestrichelte Linien gezeichnet ist, entsprechend der optischen Achse von LED 5 und Optik 7 der jeweiligen Leuchteinheit 6 gebildet wird.
Durch eine Halterung 8 werden die Leuchteinheiten 6 derart gehalten, dass die Zentralstrahlen 1 des durch die LEDs 5 emittierten Lichts 15 durch eine Prozesszone 13 stoßen. Vorliegend ist die Halterung 8 in der Form eines Kugelsegments 8A ausgebildet, auf deren Innenseite die Leuchteinheiten 6 angeordnet sind. Die Prozesszone 13 weist eine Prozesszonen-Größe 21 auf. Innerhalb der Prozesszone 13 ist eine Prozesszonen-Leistungsdichte PP erreichbar, welche mindestens 10 W/cm², vorzugsweise mindestens 15 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 50 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 100 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 130 W/cm² beträgt. In der Prozesszone 13 befindet sich das Werkstück 18 auf einem Probentisch 14. Weiter ist eine Abschirmung 9 zwischen der Prozesszone 13 und den Optiken 7 der Leuchteinheiten 6 angeordnet. Die Abschirmung 9 transmittiert mindestens 50% des einstrahlenden Lichts. Bevorzugt besteht die Abschirmung 9 aus Quarzglas, da dieses einen Großteil des einstrahlenden Lichts 15 transmittiert.
Darüber hinaus verfügt die gezeigte Ausführungsform über eine Abführeinrichtung 10 zum Abführen von Gasen und/oder Rauch aus der Prozesszone 13. Vorliegend ist die Abführeinrichtung 10 in Form eines Gebläses ausgebildet ist. Sowohl die Abschirmung 9 als auch die Abführeinrichtung 10 verhindern ein Beschädigen oder Verschmutzen der Optiken 7, wodurch der Betrieb wartungsärmer gestaltet werden kann.
Mittels eines Pyrometers 23 kann die Oberflächentemperatur T des auf dem Probentisch 14 befindlichen Werkstücks 18 gemessen werden. Die Vorrichtung weist weiter eine Steuereinheit 16 auf, welche mit einer Kamera 22 datenleitend verbunden ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind unterschiedliche LEDs 5A und 5B auf einer Halterung 8 angeordnet. Insgesamt sind drei LEDs vorhanden, zwei einer ersten Sorte LEDs 5A und eine einer zweiten Sorte LEDs 5B. Durch die unterschiedlichen LEDs 5A und 5B lässt sich Licht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen. Da die Absorption des Lichts 15 durch das Werkstück 18 von der Wellenlänge abhängt, wobei insbesondere eine Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur T des Werkstücks 18 besteht, besteht bei der gezeigten Vorrichtung der Vorteil, dass Licht 15 unterschiedlicher Wellenlängen zur thermischen Behandlung des Werkstücks 18 genutzt werden. Die LEDs 5A der ersten Sorte emittieren vorzugsweise Licht 15A im Bereich 420 bis 600 nm, und die zweite Sorte LEDs 5B emittiert vorzugsweise Licht 15B im Bereich 200 bis 420 nm.
Das Licht 15 der LEDs 5 wird jeweils auf einer LED-Leuchtfläche 4 erzeugt, mittels denen eine LED-Leistungsdichte PL erzeugt werden kann. Diese kann abhängig von der Sorte der LEDs 5A oder 5B unterschiedlich sein, beträgt jedoch mindestens 25 W/cm² und LED 5. Vorliegend wird die LED-Leuchtfläche 4 durch eine zusammenhängende LED-Leuchtfläche 4 gebildet. Bei LEDs mit mehreren, durch Zwischenräume getrennte Leuchtflächen, wird unter der LED-Leistungsdichte die effektive LED-Leistungsdichte verstanden. Weiter kann auf jeder LED 5 eine optionale Mikrolinse vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Mittels der Steuereinheit 16 lassen sich die LEDs 5 und die Abführeinrichtung 10 steuern, wobei ein Abbild des Werkstücks 18 mit der Kamera 22 erfasst wird und/oder die Oberflächentemperatur T des Werkstücks 18 durch ein Pyrometer 23 erfasst wird. Auf dieser Grundlage kann beispielsweise die Steuerung der Vorrichtung durch die Steuereinheit erfolgen. Durch das Erfassen des Abbilds des Werkstücks 18 mit der Kamera 22 lassen sich die Abmessungen des Werkstücks 18 erfassen. Insbesondere lässt sich somit die Prozesszonen-Leistungsdichte PP an die Form des Werkstücks 18 anpassen, so dass beispielsweise nur das Werkstück 18 erhitzt wird, ohne eine mögliche Aufnahme oder einen Probentisch 14. Auch können Werkstücke 18, welche aus unterschiedlichen Materialien und/oder unterschiedlichen Dicken bestehen, unterschiedlich thermisch behandelt werden.
Somit ist es mit einer Vorrichtung wie in 1 gezeigt möglich, verschiedene Verfahren zur thermischen Behandlung von Werkstücken 18 durchzuführen.
Grundsätzlich wird immer ein Werkstück 18 in der Prozesszone 13 angeordnet oder die gesamte in 1 dargestellte Vorrichtung derart ausgerichtet, dass das einstrahlende Licht 15 der LEDs 5 auf eine Oberfläche des Werkstücks 18 fällt, so dass die Oberflächentemperatur T des Werkstücks 18 durch das Einstrahlen von Licht 15 erhöht werden kann.
Das Werkstück kann hierbei beispielsweise eines oder mehrere der Materialien der Gruppe aufweisen, die gebildet ist aus:

- Keramik
- Ton
- Mineralische Granulate
- Zement oder Zementvorprodukt,
- Sand,
- Glas,
- Metall oder Metalllegierung,
- Erz.

Das Ausrichten der gesamten Vorrichtung ist insbesondere bei der thermischen Behandlung von nicht zusammenhängenden Einheiten, wie Pulver, Sand, Granulate, Grünpulver oder anderen Vorprodukten als Werkstücke 18 von Vorteil, da beispielsweise die in 1 gezeigte Vorrichtung um 90° gekippt werden kann und ein von oben nach unten wasserfallartig verlaufender Vorhang von nicht zusammenhängenden Einheiten thermisch behandelt werden kann. Eine hohe Prozesszonen-Leistungsdichte PP von mindestens 10 W/cm², vorzugsweise mindestens 15 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 50 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 100 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 130 W/cm², ist hierbei besonders von Vorteil, da bei diesen kontinuierlich verlaufenden thermischen Behandlungen höhere Durchsätze möglich sind.
Besonders bevorzugt wird mit der in 1 dargestellten Ausführungsform ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Werkstücks 18 durchgeführt, bei dem die wellenlängenabhängige Absorption von einfallendem Licht 15 genutzt wird.
So wird beispielsweise Licht 15B der Wellenlänge 440 nm einer zweiten Sorte LEDs 5B von keramischen Werkstücken 18 oftmals erst ab z.B. 800 °C Oberflächentemperatur T des Werkstücks 18 effektiv absorbiert. Ein Aufheizen bis zur Oberflächentemperatur T=800 °C erfolgt somit bevorzugt mit Licht 15A einer Wellenlänge, die bereits bei Raumtemperatur gut absorbiert wird, wobei das Licht 15A durch eine erste Sorte LEDs 5A erzeugt wird. So wird beispielsweise eine kürzere Wellenlänge von z.B. 385 nm meist auch bei Raumtemperatur bereits effektiv von keramischen oder mineralischen Werkstücken 18 absorbiert. Zwar ist die Energie von Photonen der Wellenlänge 385 nm grundsätzlich höher als die von Photonen der Wellenlänge 440 nm, jedoch ist die LED-Technologie im Wellenlängenbereich 385 nm aktuell noch nicht ausreichend entwickelt, so dass hier lediglich LED-Leistungsdichten PL von maximal ca. 200 W/cm² zur Verfügung stehen. Weiterhin ist der Preis von 385 nm emittierenden LEDs 5A höher und die Lebensdauer geringer. Höhere Oberflächentemperaturen T lassen sich beispielsweise erreichen, indem mittels Licht 15A einer ersten Sorte LEDs 5A im Wellenlängenbereich von 385 nm das keramische oder mineralische Werkstück 18 auf eine erste vorgegebene Oberflächentemperatur T1 von beispielsweise T1=800 °C gebracht wird und anschließend zusätzlich oder alternativ Licht 15B einer zweiten Sorte LEDs 5B im Wellenlängenbereich 440 nm auf das Werkstück eingestrahlt wird, vorzugsweise bis zum Erreichen einer zweiten vorgegeben Oberflächentemperatur T2. Zwar weisen die Photonen des Lichts 15B im Wellenlängenbereich 440 nm eine geringere Energie auf, jedoch leisten die aktuell zur Verfügung stehenden LEDs 5B LED-Leistungsdichten PL von bis zu 500 W/cm².
Alternativ können anstatt des Vorgebens von zu erreichenden Oberflächentemperaturen T1 und T2 auch Zeitdauern t1 und t2 vorgegeben werden, wobei bis zu einer ersten vorgegeben Zeitdauer t1 ein Aufheizen der Oberflächentemperatur T des Werkstücks 18 mit Licht 15A der ersten Sorte LEDS 5A erfolgt, der kürzeren Wellenlänge, und ab der ersten vorgegeben Zeitdauer t1 bis zum Erreichen der Zeitdauer t2 zusätzlich oder alternativ ein Aufheizen der Oberflächentemperatur T des Werkstücks 18 mit Licht 15B der zweiten Sorte LEDs 5B erfolgt.
Auch ein durchgängiges Einstrahlen von Licht 15A und 15B, sowie weiteren, durch eine dritte Sorte LEDs erzeugten Lichts von Beginn an ist möglich.
2 zeigt einen Auszug der Ausführungsform aus 1, zur Veranschaulichung geometrischer Verhältnisse und Abmessungen der Vorrichtung. Hierbei werden nicht relevante Komponenten aus Übersichtsgründen nicht erneut dargestellt. Die Zentralstrahlen 1 und die Strahlengänge des einstrahlenden Lichts 15 der Leuchteinheiten 6 sind durch gestrichelte bzw. gepunktete Linien abgebildet. Der tatsächliche Strahlengang des durch die LEDs emittierten Lichts 15 weicht vom Zentralstrahl 1 ab. Dies wird durch optische Phänomene wie beispielsweise Beugung an Kanten und Linsenfehler verursacht. Des Weiteren kann sowohl ein konvergierender oder divergierender Strahlengang des Lichts 15 vorgesehen sein.
Die Prozesszone 13 ist in einem Arbeitsabstand 19 von den Optiken 7 der Leuchteinheiten 6 angeordnet und weist eine Prozesszonen-Größe 21 auf. Die jeweiligen Leuchteinheiten 6 weisen eine Leuchteinheit-Baugröße 17 auf, welche durch die größte Abmessung radial zum jeweiligen Zentralstrahl 1 definiert ist. Vorliegend sind die Abmessungen der Optiken 7 der Leuchteinheiten 6 der limitierende Faktor für die Anzahl von nebeneinander anbringbaren Leuchteinheiten 6 an der Halterung 8.
Wie in 2 dargestellt, sind die jeweiligen Arbeitsabstände 19 mindestens 3mal größer als die Prozesszonen-Größe 21. Ein entsprechendes Verhältnis von Arbeitsabstand 19 und Prozesszonen-Größe 21 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da ab einem solchen Verhältnis ausreichend hohe Prozesszonen-Leistungsdichten PP in der Prozesszone 13 erreichbar sind, da das Licht 15 von mehreren Leuchteinheiten 6 zur Prozesszonen-Leistungsdichte PP beitragen kann. Bei einem geringeren Verhältnis als 3:1 wäre nur eine sehr begrenzte Anzahl von Leuchteinheiten 6 auf der Halterung 8 anbringbar, wodurch nicht die erforderliche Prozesszonen-Leistungsdichte PP von mindestens 10 W/cm², bzw. mindestens 15 W/cm², bzw. mindestens 50 W/cm², bzw. mindestens 100 W/cm², bzw. mindestens 130 W/cm² zur thermischen Behandlung des Werkstücks 18 zur Verfügung stünde. Bei noch größeren Verhältnissen wie mindestens 5:1 oder mindestens 10:1 von Arbeitsabstand 19 und Prozesszonen-Größe 21 erhöht sich die erreichbare Prozesszonen-Leistungsdichte PP weiter, da zusätzliche Leuchteinheiten 6 auf der Halterung 8 anbringbar sind und deren LED-Leistungsdichte PL zur Prozesszonen-Leistungsdichte PP beitragen kann.
Je nach Material des Werkstücks 18 kann die benötigte Prozesszonen-Leistungsdichte PP sehr unterschiedlich sein. Beispielsweise kann Ton bei 900 °C Oberflächentemperatur T gebrannt werden, wozu eine Prozesszonen-Leistungsdichte PP von mindestens 11 W/cm^2 benötigt wird. Aluminiumoxid oder Silizimunitrid hingegen benötigen eine Oberflächentemperatur T von über 1700°C um gebrannt zu werden. Die hierfür erforderliche Prozesszonen-Leistungsdichte PP beträgt mindestens 90W/cm².
Weiter ist in 2 dargestellt, dass die jeweiligen Arbeitsabstände 19 mindestens 3mal größer sind als die jeweiligen Leuchteinheit-Baugrößen 17. Die Leuchteinheit-Baugrößen 17 limitieren die Anzahl der Leuchteinheiten 6, welche mittels einer Halterung 8 einer bestimmten Größe anbringbar sind. Ein größerer Arbeitsabstand 19 ermöglich auch die Verwendung einer größeren Halterung 8 und somit mehr Leuchteinheiten 6, deren Licht 15 in die Prozesszone 13 einstrahlt. Bei noch größeren Verhältnissen wie mindestens 5:1 oder mindestens 10:1 des Arbeitsabstands 19 und der Leuchteinheit-Baugrößen 17 erhöht sich die Prozesszonen-Leistungsdichte PP weiter.
Weiter ist in 2 dargestellt, dass das Verhältnis der jeweiligen Leuchteinheit-Baugrößen 17 zur jeweiligen LED-Leuchtfläche 4 im Bereich 30 bis 2:1 liegt. Die LED-Leuchtfläche 4 ist die Fläche, auf der die LED-Leistungsdichte PL erzeugt wird. Wünschenswert sind hierbei besonders hohe LED-Leistungsdichten PL, wobei diese jedoch technologisch begrenzt ist, und auch eine erforderliche Kühlung eine Begrenzung für dieses Verhältnis darstellen kann. Die Leuchteinheit-Baugrößen 17 limitieren die Anzahl der Leuchteinheiten 6, die mit der Halterung 8 gehalten werden können. Das Verhältnis von Leuchteinheit-Baugrößen 17 zur LED-Leuchtfläche 4 betrifft somit direkt die Prozesszonen-Leistungsdichte PP, wobei diese umso höher ist, desto mehr sich das Verhältnis von Leuchteinheit-Baugrößen 17 zur LED-Leuchtfläche 4 angleicht, spricht näher am Verhältnis 2:1 liegt.
Somit sind Verhältnis der jeweiligen Leuchteinheit-Baugrößen 17 zur jeweiligen LED-Leuchtfläche 4 im Bereich 30 bis 2:1, bzw. 20 bis 2:1, bzw. 15 bis 2:1, bzw. 10 bis 2:1 besonders bevorzugt, da die Prozesszonen-Leistungsdichte PP steigt. Insbesondere bei einer reflektiven Optik oder einer Linse direkt auf dem LED-Chip ist ein Verhältnis von Leuchteinheit-Baugrößen 17 zur LED-Leuchtfläche 4 bis hin zu einem Verhältnis von 1:1 möglich.
Eine möglichst hohe Oberflächentemperatur T des Werkstücks 18 wird erreicht, indem die Leistungsdichte PL mehrerer LEDs 6 in die Prozesszone 13 projiziert oder gebündelt wird und sich somit summiert. Je höher die Prozesszonen-Leistungsdichte PP, desto höher die erreichbare Oberflächentemperatur T. Es wurde festgestellt, dass eine hohe Oberflächentemperatur T von bevorzugt größer als 1000 °C durch geschickte Größen- und Eigenschaftsverhältnisse erreicht wird.
Wird Licht 15 mehrerer Leuchteinheiten 6 auf die Prozesszone 13 projiziert oder gebündelt, so erhöht sich die erreichbare Prozesszonen-Leistungsdichte PP vorteilhaft. Allerdings ist aus 2 ersichtlich, dass die Leuchteinheit-Baugröße 17 ein limitierender Faktor ist und sich nur begrenzt viele Leuchteinheit 6 auf der Halterung 8 anordnen lassen. Daher lässt sich generell nur begrenzt Licht 15 von LEDs 5 überlagern, wodurch die maximal erreichbare Prozesszonen-Leistungsdichte PP begrenzt ist.
Wird die Optik 7 so geändert, dass die Prozesszonen-Größe 21 kleiner wird, so erhöht sich die erreichbare Prozesszonen-Leistungsdichte PP vorteilhaft. Das kann beispielsweise durch eine bessere Optik 7 erreicht werden, was jedoch auch eine grö-ßere Leuchteinheit-Baugröße 17 zur Folge hat. Dadurch reduziert sich jedoch die Anzahl der auf der Halterung 9 anbringbaren Leuchteinheiten 6. Somit kann die Prozesszonen-Leistungsdichte PP nicht erhöht werden.
Alternativ kann Licht 15 von mehr Leuchteinheiten 6 auf die Prozesszone 13 projiziert oder gebündelt werden indem der Arbeitsabstand 19 erhöht wird um die Halterung 9 entsprechend zu vergrößern. Durch die Erhöhung des Arbeitsabstand 19 vergrößert sich jedoch die Prozesszonen-Größe 21 um den gleichen Faktor. Somit wird die Prozesszonen-Leistungsdichte PP und letztendlich die erreichbare Oberflächentemperatur T nicht verändert. Vielmehr kann bei Verwendung identischer Leuchteinheiten 6 durch die Veränderung der Größe der Halterung 9 eine Skalierung der Prozesszone 13, insbesondere der Prozesszonen-Größe 21 erfolgen. Beispielsweise kann die Prozesszonen-Größe 21 durch eine Verzehnfachung des Arbeitsabstands 19 verzehnfacht werden. Dies geht mit dem Verhundertfachen der Anzahl der Leuchteinheiten 6 einher.
Mit der Vorrichtung gemäß 1 und 2 wird die LED-Leistungsdichte PL einzelner LED-Leuchtflächen 4 in die Prozesszone 13 projiziert oder gebündelt, woraus eine Prozesszonen-Leistungsdichte PP resultiert. Werden die LEDs 5 mit LEDs 5 höherer LED-Leistungsdichte PL ersetzt, welche jedoch eine größere LED-Leuchtflächen 4 aufweisen, so erhöht sich die Prozesszonen-Leistungsdichte PP in der Prozesszone 13 nicht. Sie vergrößert lediglich die Prozesszonen-Größe 21. Größere LED-Leuchtflächen 4 reduzieren lediglich den Konstruktionsaufwand, sind jedoch ungeeignet um höhere Oberflächentemperaturen T zu erreichen. Wird die LED-Leistungsdichte PL der LEDs 5 bei gleicher Geometrie hingegen erhöht, so erhöht sich direkt die Prozesszonen-Leistungsdichte PP in der Prozesszone 13.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur thermischen Behandlung von Werkstücken 18, wobei die Halterung 8 einem Kugelsegment 8A entspricht. Die Vorrichtung der 3 ist im Wesentlichen ähnlich zu der der 1 und 2. Auf dem Kugelsegment 8A sind Aussparungen 12 angeordnet, in welche Leuchteinheiten 6 angebracht sind. Die Leuchteinheiten 6 sind in den 3 und 4 lediglich schematisch dargestellt, beinhalten jedoch jeweils die LEDs 5 und die Optiken 7 sowie weitere optionale Bauteile wie die Kühlung 3. Die Zentralstrahlen 1 der Leuchteinheiten 6 bündeln das einfallende Licht 5 der LEDs 15 auf eine Prozesszone 13, wobei in der Prozesszone 13 die Prozesszonen-Leistungsdichte PP erreicht wird, wodurch sich die Oberflächentemperatur T des in der Prozesszone 13 angebrachten Werkstücks 18 erhöht.
Mit der in 3 gezeigten Ausführungsform lässt sich besonders vorteilhaft das Licht 15 mehrerer Leuchteinheiten 6 in die Prozesszone 13 projizieren bzw. bündeln. Vorliegend erfolgt die Bündelung des einfallenden Lichts 15 in drei Raumrichtungen, entlang der Richtung des Zentralstrahls, einer hierzu senkrechten Raumrichtung und einer zu den beiden zuvor genannten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung. Hierdurch lässt sich eine besonders hohe Prozesszonen-Leistungsdichte PP erreichen, wodurch sich die Oberflächentemperatur T des in der Prozesszone 13 angebrachten Werkstücks 18 besonders stark erhöht. Hierdurch sind übliche thermische Behandlungen einer Vielzahl von Materialien auf energieeffiziente und kostengünstige Weise möglich.
4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur thermischen Behandlung von Werkstücken 18, wobei die Halterung 8 durch eine Rinne 8B gebildet wird. Durch die Form der Rinne 8B und die Optiken 7 wird das Licht 15, welches durch die LEDs 5 der Leuchteinheiten 6 erzeugt wird, in zwei Raumrichtungen gebündelt, zum einen entlang der Richtung des Zentralstrahls und zum anderen in einer hierzu senkrechten Raumrichtung. In der dritten Raumrichtung, der zu den beiden zuvor genannten Raumrichtung senkrechten Raumrichtung, erfolgt hingegen keine Bündelung. Diese dritte Raumrichtung entspricht der Längsausdehnung der Rinne 8B.
In der dargestellten Ausführungsform werden unterschiedliche Sorten von LEDs 5A und 5B verwendet, welche zusammen mit den jeweiligen Optiken 7 die Leuchteinheiten 6 bilden. Diese unterschiedlichen Sorten LEDs 5A und 5B erzeugen einfallendes Licht 15A und 15B unterschiedlicher Wellenlängen und/oder unterschiedliche LED-Leistungsdichten PL. Hierdurch ist es möglich, die bereits beschriebenen Vorteile betreffend die unterschiedliche Absorption von unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlicher Werkstücke zu nutzen.
Durch die Verwendung von LEDs 5 mit hohen LED-Leistungsdichten PL von mindestens 25 W/cm², vorzugsweise mindestens 50 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 100 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 150 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 250 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 400 W/cm² ist es möglich lediglich eine Bündelung in zwei Raumrichtung vorzusehen und dennoch ausreichend hohe Prozesszonen-Leistungsdichte PP von mindestens 10 W/cm², vorzugsweise mindestens 15 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 50 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 100 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 130 W/cm², zu erreichen.
Mit der in 4 gezeigten Ausführungsform ist insbesondere eine kontinuierliche thermischen Behandlung möglich, da in der Prozesszone beispielsweise ein Förderband (nicht dargestellt) quer zur Längsrichtung der Rinne 8B anbringbar ist, so dass auf dem Förderband angeordnete Werkstücke 18 die Prozesszone durchlaufen. Des Weiteren ist auf einfache Weise eine großflächige thermischen Behandlung von Werkstücken 18 möglich.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken, wobei die Halterung 8 durch eine Gestänge 8C gebildet wird. Mittels des Gestänges 8C werden die Leuchteinheiten 6, bestehend aus Optiken 7 und LEDs 5 gehalten. Die Optiken 7 der Leuchteinheiten 6 bestehen vorliegend aus einer Linste 7A und einem Lichtleiter 7B. Der Ausgang des Lichtleiters 7B umfasst vorteilhafterweise eine optische Komponente zum Bündeln des einfallenden Lichts 15, vorzugsweise eine weitere Linse (nicht dargestellt).
Der Zentralstrahl 1 breitet sich geradlinig ausgehend vom Ausgang des Lichtleiters 7B aus und durchstößt die Prozesszone 13. Der Ausgang des Lichtleiter 7B ist somit die zuletzt durchstrahlte optische Komponente der Optik 7. Der Zentralstrahl 1 entspricht einem Strahl, welcher entstehen würde, wenn die Apertur des Ausgangs des Lichtleiters 7B auf nahezu Null verkleinert würde.
Vorteile der in 5 gezeigten Ausführungsform bestehen darin, dass eine Vielzahl von Anordnungsmöglichkeiten für die das einstrahlende Licht 15 erzeugenden LEDs 5 besteht, welche beispielsweise Vorteile bezüglich des Ableitens von innerhalb der LEDs 5 entstehender Wärme ermöglicht.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)

1: Zentralstrahl
3: Kühlung
4: LED-Leuchtfläche
5: LED
5A: erste Sorte LED
5B: zweite Sorte LED
6: Leuchteinheit
7: Optik
7A: Linse
7B: Lichtleiter
8: Halterung
8A: Kugelsegment
8B: Rinne
8C: Gestänge
9: Abschirmung
10: Abführvorrichtung
12: Aussparungen
13: Prozesszone
14: Aufnahme/ Probentisch
15: Licht / Strahlengang
15A: Licht / Strahlengang der ersten Sorte LEDs
15B: Licht / Strahlengang der zweiten Sorte LEDs
16: Steuereinheit
17: Leuchteinheit-Baugröße
18: Werkstück
19: Arbeitsabstand
21: Prozesszonen-Größe
22: Kamera
23: Pyrometer
PL: LED-Leistungsdichte
PP: Prozesszonen-Leistungsdichte
T: Oberflächentemperatur
T1: erste vorgegebenen Oberflächentemperatur
T2: zweite vorgegebenen Oberflächentemperatur
t1: erste vorgegebenen Zeitdauer
t2: zweite vorgegebenen Zeitdauer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2021021687 A1 [0007]
US 2022009124 A1 [0008]
EP 1861234 A2 [0009]
WO 2010125836 A1 [0009]
KR 101312092 B1 [0009]
US 9318649 B2 [0010]
US 2017131531 A1 [0011]

Claims

Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken (18), aufweisend - eine Prozesszone (13), aufweisend eine Prozesszonen-Größe (21), - mindestens zwei Leuchteinheiten (6), - wobei jede Leuchteinheit (6) mindestens eine LED (5) zum Einstrahlen von Licht (15) in die Prozesszone (13) und eine Optik (7) zur Beeinflussung des einstrahlenden Lichts (15) aufweist, - wobei jede LED (5) eine LED-Leistungsdichte (PL) auf einer LED-Leuchtfläche (4) aufweist, - wobei jeder Leuchteinheit (6) ein Zentralstrahl (1) zugeordnet ist, - wobei die Abmessungen der jeweiligen Leuchteinheit (6) eine jeweilige Leuchteinheit-Baugröße (17) definieren, - wobei der jeweilige Abstand zwischen der Prozesszone (13) und der jeweiligen Leuchteinheit (6) einen jeweiligen Arbeitsabstand (19) definieren, - wobei das einstrahlende Licht (15) in der Prozesszone (13) eine Prozesszonen-Leistungsdichte (PP) bewirkt, - eine Halterung (8) zum Halten der Leuchteinheiten (6), - wobei die Halterung (8) dazu eingerichtet ist, die Leuchteinheiten (6) derart zu halten, dass die Zentralstrahlen (1) der Leuchteinheiten (6) die Prozesszone (13) durchstoßen und eine Bündelung des eingestrahlten Lichts (15) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Arbeitsabstände (19) mindestens 3mal größer sind als die Prozesszonen-Größe (21), bevorzugt mindestens 5mal größer, weiter bevorzugt mindestens 10mal größer.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prozesszonen-Größe mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 2, weiter bevorzugt mindestens 4 cm misst.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die jeweiligen Arbeitsabstände (19) mindestens 3mal größer sind als die jeweiligen Leuchteinheit-Baugrößen (17), bevorzugt mindestens 5mal größer, weiter bevorzugt mindestens 10mal größer.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Transmissionsverluste des einstrahlenden Lichts (15) in der jeweiligen Optik (7) maximal 80% betragen, bevorzugt maximal 50%, weiter bevorzugt maximal 20%.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die LED-Leistungsdichten (PL) der jeweiligen LEDs (5) mindestens 25 W/cm² aufweisen, vorzugsweise mindestens 50 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 100 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 150 W/cm².
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzahl der LEDs (5) und/oder die LED-Leistungsdichte (PL) der LEDs (5) derart dimensioniert ist/sind, dass die Prozesszonen-Leistungsdichte (PP) mindestens 10 W/cm², vorzugsweise mindestens 15 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 50 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 100 W/cm², weiter bevorzugt mindestens 130 W/cm², beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Abweichung der Prozesszonen-Leistungsdichte (PP) zwischen verschiedenen Punkten innerhalb der Prozesszone (13) maximal 20% beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verhältnis der jeweiligen Leuchteinheit-Baugrößen (17) zur LED-Leuchtfläche (4) im Bereich 30 bis 2:1 liegt, bevorzugt 20 bis 2:1, weiter bevorzugt 15 bis 2:1, weiter bevorzugt 10 bis 2:1.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, - wobei die mindestens zwei LEDs (5) durch eine erste Sorte LEDs (5A) und mindestens eine zweite Sorte LEDs (5B) gebildet werden, - wobei die erste Sorte LEDs (5A) dazu eingerichtet ist, Licht (15A) in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, vorzugsweise im Bereich 420 bis 600 nm, und die zweite Sorte LEDs (5B) dazu eingerichtet ist, Licht (15B) in einem zweiten Wellenlängenbereich zu emittieren, vorzugsweise im Bereich 200 bis 420 nm.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter aufweisend - eine Abschirmung (9), vorzugsweise aus Quarzglas, angeordnet zwischen der Prozesszone (13) und den Leuchteinheiten (6), wobei die Abschirmung (9) mindestens 50% des einstrahlenden Lichts (15) transmittiert, und/oder - eine Abführvorrichtung (10) zum Abführen von Gasen und/oder Rauch aus der Prozesszone (13).
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halterung (8) einem Kugelsegment, einem Ellipsoidsegement oder einer Rinne entspricht, aufweisend Aussparungen (12), wobei jeweils eine Leuchteinheit (6) in einer Aussparung (12) der Halterung (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter aufweisend eine Steuereinheit (16), wobei die Steuereinheit (16) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19 durchzuführen.
Verfahren zur thermischen Behandlung eines Werkstücks mit einer Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 13, aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Werkstücks (18) in der Prozesszone (13), und - Einstrahlen von Licht (15) der LEDs (5) auf eine Oberfläche (20) des Werkstücks (18) zum Aufheizen der Oberfläche (20) des Werkstücks (18).
Verfahren zur thermischen Behandlung eines Werkstücks mit einer Vorrichtung nach Anspruch 10, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Werkstücks (18) in der Prozesszone (13), - Einstrahlen von Licht (15A, 15B) der ersten Sorte LEDs (5A) oder der zweiten Sorte LEDs (5B) auf eine Oberfläche (20) des Werkstücks (18) zum Aufheizen der Oberfläche (20) des Werkstücks (18) bis zum Erreichen einer ersten vorgegebenen Oberflächentemperatur (T1) des Werkstücks (18) oder einer ersten vorgegebenen Zeitdauer (t1), und - Einstrahlen von Licht (15B, 15A) der nicht bereits einstrahlenden Sorte LEDs (5B, 5A) auf die Oberfläche (20) des Werkstücks (18) zusätzlich oder anstatt des bereits einstrahlenden Lichts (15A, 15B) zum Aufheizen der Oberfläche (20) des Werkstücks (18) bis zum Erreichen einer zweiten vorgegebenen Oberflächentemperatur (T2) des Werkstücks (18) oder einer zweiten vorgegebenen Zeitdauer (t2), ab dem Erreichen der vorgegebenen Oberflächentemperatur (T1) des Werkstücks (18) oder dem Erreichen der vorgegebenen Zeitdauer (t1).
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 weiter aufweisend die Schritte: - Erfassen einer Oberflächentemperatur (T) des Werkstücks (18), vorzugsweise einer ortsaufgelösten Oberflächentemperatur, und - Beeinflussen der LED-Leistungsdichten (PL) einzelner LEDs (5) in Abhängigkeit der erfassten Oberflächentemperatur (T) des Werkstücks (18).
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, weiter aufweisend die Schritte: - Erfassen eines Abbilds des Werkstücks (18) mit einer Kamera (), - ortsindividuelles Anpassen der Prozesszonen-Leistungsdichte (PP) für einzelne Bereiche der Prozesszone (13) durch ansteuern einzelner LEDs (5) in Abhängigkeit des Abbildes des Werkstücks (18).
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, - wobei das Bereitstellen des Werkstücks (18) in der Prozesszone (13) kontinuierlich erfolgt, beispielsweise durch ein Förderband oder eine Schüttung, und - wobei das Einstrahlen von Licht (15) der LEDs (5) auf die Oberfläche (20) des kontinuierlich bereitgestellten Werkstücks (18) kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Werkstück eines oder mehrere der Materialien der Gruppe aufweist die gebildet ist aus: - Keramik - Ton - Mineralische Granulate - Zement oder Zementvorprodukt, - Sand, - Glas, - Metall oder Metalllegierung, - Erz.