DE19651977C2 - UV-Bestrahlungsvorrichtung - Google Patents
UV-BestrahlungsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Härten einer UV-Lackschicht auf einem
flachen Objekt.
Eine derartige UV-Bestrahlungsvorrichtung findet Verwendung bei der Härtung von
UV-Lacken und Druckfarben. Sie wird beispielsweise in Fertigungslinien zur Produk
tion von optischen Informationsträgern (CD, CD-ROM, CD-R, DVD) eingesetzt. Diese
Speichermedien haben die Form einer flachen Scheibe und bestehen aus mehreren
Schichten. Um die empfindlichen Farb- und Datenschichten zu schützen wird als
oberste Schicht ein Schutzlack aufgetragen. Zur Belackung dieser optischen Informa
tionsträger verwendet man einen Schutzlack, der durch UV-Licht (Wellenlänge von
200 bis 400 nm) gehärtet werden kann und deshalb als "UV-Schutzlack" oder als
"UV-Lack" bezeichnet wird.
Um die Schutzlackschicht in den kurzen Zykluszeiten der hochproduktiven Ferti
gungslinien aushärten zu können ist es erforderlich, eine hohe UV-Lichtintensität auf
das Objekt zu strahlen. Neben dem zur Härtung erforderlichen UV-Licht strahlen alle
gängigen Lampen aber auch die langweilige Wärmestrahlung (Infarot-, IR-Strahlung)
ab. Diese Wärmestrahlung ist bei der Härtung eigentlich unerwünscht. Die lang
weilige Wärmestrahlung führt zu einer Verformung und Versprödung des Objekts.
Ein weiterer Aspekt ist, daß die Schutzlackschicht nicht nur die Oberfläche schützt,
sondern auch noch über ihren Rand hinaus bis zum Substrat eine Schutzfunktion
erfüllt. Bei der UV-Härtung des Lacks muß neben der Oberfläche also auch der
Randbereich des Informationsträgers ausreichend gehärtet werden, da ansonsten der
Rand der Scheibe klebrig bleibt. Dadurch gibt es Probleme beim Aufeinanderstapeln
der Scheiben durch Verkleben oder es kann zu Beschädigungen in den Abspielgerä
ten kommen. Außerdem können die niedermolekularen Bestandteile des un
gehärteten Lacks ausdiffundieren und Gesundheitsschäden verursachen. Um die
Randbereiche härten zu können ist eine deutlich höhere Strahlungsintensität als auf
der Oberfläche der Scheibe erforderlich.
Es ist bekannt, die Lichtquelle direkt über dem Bestrahlungsgut anzuordnen und
hinter der Lichtquelle zwei zylinderförmige Reflektoren anzuordnen. DE 43 01 718 A1
zeigt ein Beispiel für diese Anordnung. Hierbei wird die Oberfläche des Bestrahlungs
guts direkt von oben durch eine Lichtquelle angestrahlt, hinter der zwei zylinderförmi
ge Aluminiumreflektoren angeordnet sind. Nachteilig ist, daß bei diesen Anordnungen
immer zusammen mit dem UV-Licht ein hoher Anteil an Wärmestrahlung auf das
Objekt abgegeben wird. Außerdem werden die Randbereiche des Objekts nicht
ausreichend angestrahlt. Es wird keine höhere UV-Lichtintensität in die Randbereiche
gestrahlt.
In DE 38 01 283 C1 wird eine Anordnung gezeigt, in der die Randschicht des Objekts
direkt belichtet wird, um dort eine bessere Aushärtung zu erzielen. Nachteilig bei
dieser Anordnung ist, daß mindestens zwei Lichtquellen benötigt werden. Außerdem
ist die Umlenkung der Strahlung von der seitlich vom Objekt liegenden Lichtquelle
auf die Oberfläche mit starken Verlusten von UV-Licht verbunden. Der
Kostenaufwand für diese Anordnung ist hoch. Außerdem wird ein erheblich größerer
Bauraum für diese Anordnung benötigt.
In DE 90 14 652 U1 wird eine Anordnung gezeigt, die die Wärmebelastung des Objekts
durch einen Wärmefilter im Strahlengang senkt. Nachteilig ist dabei, daß der
Wärmefilter nur eine Reduktion der IR-Strahlung um ca. 1/3 bewirkt. Bei wärmeemp
findlichen Oberflächen führt diese Anordnung zu Wärmeproblemen. Durch die
elliptische Auslegung des Reflektors hinter der Lichtquellen soll die Strahlung optimal
auf das Bestrahlungsgut verteilt werden. Allerdings ist die Anordnung der Spiegel
elemente aufwendig und von den Kosten her recht hoch. Die Randschichthärtung ist
bei dieser Anordnung nicht ausreichend.
Bekannt sind desweiteren UV-Strahler, deren Lichtquelle seitlich über dem Objekt
angeordnet ist (z. B. UVAPRINT cm Cold Mirror, Fa. Dr. Hönle). Durch einen
plattenförmigen Kaltlichtspiegel, der im 45° Winkel über dem Objekt steht soll eine
indirekte Bestrahlung realisiert werden. Nachteilig ist, daß nur eine geringe UV-
Intesität erreicht wird. Die Wärmestrahlung wird auch nur unzureichend vom Objekt
ferngehalten.
Aus der US 4,048,490 ist ein Vorrichtung zum Härten einer UV-
Lackschicht auf einem flachen Objekt bekannt, mit einer
Lichtquelle, deren Licht der Lackschicht über ein
Reflektorsystem zum Zwecke der Aushärtung zuführbar ist,
wobei die Lichtquelle über dem flachen Objekt angeordnet ist
und eine Barriere den direkten Strahlengang auf das Objekt
ausblendet. Das Reflektorsystem der Vorrichtung ist unterhalb
des einen zylindrischen Reflektor aufweisenden Lampengehäuses
zu beiden Seiten der Barriere angeordnet. Es besteht aus
gekühlten Absorbern, auf denen Kaltlichtspiegel angeordnet
sind, die vorwiegend kurzwelliges Licht reflektieren und für
Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässig sind.
Zur Vermeidung der Infrarotstrahlung auf dem Objekt ist die
Barriere derart angeordnet, daß sie den direkten Austritt
ungefilterten Lichts auf das Bestrahlungsgut verhindert und
diese Lichtstrahlen auf die Kaltlichtspiegel des
Reflektorsystems umleitet. Die so gefilterten UV-Strahlen
werden dann von den Kaltlichtspiegeln auf das Bestrahlungsgut
geleitet.
Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß die Barriere
relativ weit von der Lichtquelle anzuordnen ist, um
unerwünschte Rückstrahlungen von der Barriere in den
Reflektor des Lampengehäuses und Mehrfachreflektionen im
Reflektionssystem zu vermeiden. Die hieraus resultierenden
langen Strahlungswege reduzieren jedoch die Intensität der
für das Härten besonders wichtigen UV-Strahlung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine UV-Bestrahlungsvorrichtung zu schaffen, die eine wirksamere
Trennung der UV- von der IR-Strahlung bei hoher Intensität der UV-Strahlung ermöglicht, um die Wärmebelastung des Be
strahlungsgutes zu vermeiden. Gleichzeitig soll eine kontrollierbare Ausleuchtung der
Bestrahlungsfläche erreicht werden. Es soll möglich sein, die Randbereiche mit einer
höheren Lichtintensität als die Oberfläche zu bestrahlen. Gleichzeitig soll aber auch
eine gleichmäßige Ausleuchtung der Oberfläche erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
Der Einsatz von Kaltlichtspiegeln bewirkt eine effektive
Trennung von UV- und IR-Strahlung und man bringt durch die mit Kaltlichtspiegeln bestückte Barriere
nur das zur Härtung erforderliche Licht auf das
Bestrahlungsgut auf. Hierzu wird ferner die Barriere mit
einem wärmeabsorbierenden Körper ausgestattet, der gemäß Anspruch 3 gekühlt
ausgebildet sein kann, so daß er selbst keine Wärmestrahlung abgibt, wobei eine luft- oder
wassergekühlte Barrierre gemäß Anspruch 4 oder 5 sich als sehr vorteilhaft erwiesen
hat. Man geht nach Anspruch 2 vor, um den direkten Strahlengang auf das
Bestrahlungsgut zu vermeiden, da dieser einen besonders großen Anteil an der, auf
das Objekt gestrahlten, Wärmemenge hat.
Bei gegen Feuchtigkeit empfindlichen Anlagen empfiehlt sich eine Kühlung nach An
spruch 4, da man somit keine Leckagen im Kühlsystem befürchten muß. Wenn man
dagegen sehr wärmeempfindliche Produkte härten will, sollte man nach Anspruch 5
vorgehen, da nur so eine optimale Kühlung der Barriere erreicht wird und die Eigen
strahlung der Barriere verhindert wird.
Bei Anlagen, auf denen Produkte von unterschiedlichen Abmessungen gehärtet
werden sollen, geht man bevorzugt nach Anspruch 6 vor, wodurch man eine leichte
Einstellbarkeit des Strahlungsmaximums erreicht.
Zur Erzielung einer
optimalen Ausleuchtung der Fläche mit Intensitätsmaxima an festgelegten Stellen,
oder einer gleichmäßigen Ausleuchtung, geht man bei der Auslegung des hinter der
Lichtquellen gelegenen Reflektors nach Anspruch 8, 9 oder 10 vor. Um eine
Focussierung der Strahlung in den Randbereichen des Produktes zu erzielen, geht
man bevorzugt nach Anspruch 8 vor. Um dagegen
eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche zu erzielen hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, nach Anspruch 7 zusammen mit Anspruch 6 vorzugehen. Beim
Vorgehen nach Anspruch 11 erreicht man, daß die Strahlungsverteilung auf dem
Objekt symmetrisch zur im Anspruch 11 genannten Ebene ist. Dieses bietet Vorteile,
wenn man nicht mit einem rotierenden Objekt,
arbeitet. Wenn man aber das Objekt in Richtung der Lichtquelle verschiebt und/oder dreht
kann man die Vorrichtung gemäß Anspruch 12 ausbilden. Dadurch kann eine Seite
der Vorrichtung zur Randschichtaushärtung genau auf den Randbereich focussiert
werden, wogegen die andere Seite der Vorrichtung nur zur gleichmäßigen
Ausleuchtung der Fläche ausgebildet ist.
Es zeigt sich, daß in UV-Bestrahlungsvorrichtungen, die erfindungsgemäß
ausgebildet sind, UV-Strahler mit einer bis zu 7 × höheren
Leistung eingesetzt werden können als in Anordnungen wie bspw. in DE 43 01 718
A1 beschrieben, ohne eine höhere Wärmemenge auf das Objekt zu strahlen. Der
Anwender kann also die Strahlerleistung in einem weiten Rahmen varriieren, ohne
dabei das Bestrahlungsgut einer zu hohen Wärmestrahlung auszusetzen. Um
besonders in der CD-Herstellung die Randbereiche des Objekts ausreichend zu
härten, ist eine auf die Bestrahlungsfläche und die geforderte Intensität abgestimmte
Neigung der Spiegel auf der Barriere gemäß Anspruch 6 einstellbar. Wenn die Anforderungen bekannt
sind, kann durch die geeignete Auswahl der Reflektoren hinter der Lichtquelle eine
optimale Auslegung des Strahlengangs erfolgen.
Falls eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche gefordert wird, kann diese
ebenfalls durch einen geeigneten Neigungswinkel der Barrierespiegel in Verbindung
mit den passenden Reflektoren eingestellt werden. Dadurch ist diese UV-
Bestrahlungsvorrichtung für den Einsatz in allen Bereichen der UV-Lack- und
Druckfarbenhärtung einsetzbar.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner
Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen,
sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es zeigt
Fig. 1 eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungs
gemäßen Bestrahlungsvorrichtung in schematischer Darstellung (Schnitt A-A),
Fig. 2 eine Vorderansicht eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung in schematischer Darstellung,
Fig. 3 eine Vorderansicht eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung in schematischer Darstellung,
Fig. 4 eine Einzelheit aus Fig. 1-3,
Fig. 5 eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungs
gemäßen Bestrahlungsvorrichtung in schematischer Darstellung.
In Fig. 1-3 ist mit 1 ein ebenes scheibenförmiges Objekt bezeichnet, dessen oberste
Schicht die zu härtende Schutzlackschicht ist. Dieses Objekt entspricht
beispielsweise einer Compact Disc (CD). Das Objekt 1 wird über ein
Transportsystem 8 unter den UV-Strahler transportiert. Dort kann das Objekt zum
Rotieren gebracht werden. Direkt über dem Objekt 1 befindet sich eine Barriere
(Fig. 4). Diese hat genau die Breite, die notwendig ist um den direkten Strahlungang
von der Lichtquelle 7 auf das Objekt 1 auszublenden. Über der Barriere ist die Licht
quelle 7 angeordnet. Hinter der Lichtquelle 7 sind zwei zylinderförmige Reflektoren
2, 3 mit einem kreisförmigen Querschnitt angebracht. Die Barriere besteht wie in Fig.
4 gezeigt aus einem wärmeabsorbierenden Körper 4 und zwei Kaltlichtspiegeln 5, 6.
Dieser Grundkörper kann wie in Fig. 1. gezeigt symmetrisch oder wie in Fig. 2
gezeigt asymmetrisch zur Lampenachse aufgebaut sein. Der wärmeabsorbierende
Körper 4 ist wie in Fig. 4 gezeigt mit Kühlrippen versehen, die in der Zeichnung mit
15 bezeichnet sind. Zwischen dem Grundkörper 4 und den Spiegeln 5, 6 wird eine
Luftströmung angelegt. Um eine effektivere Kühlung des Körpers auch bei sehr
hohen Strahlerleistungen zu gewährleisten sind Kühlbohrungen in dem Körper ange
bracht. Diese sind in der Zeichnung mit 14 bezeichnet. Durch diese Kühlbohrungen
wird eine Kühlflüssigkeit geleitet, die die aus der Strahlung absorbierte Wärme
aufnimmt und somit verhindert, daß die Barriere selbst Wärme auf das Objekt 1 ab
strahlt. Die Kaltlichtspiegel 5, 6 an der Barriere sind in ihrem Neigungswinkel
verstellbar. Dadurch kann die Strahlung gezielt in bestimmte Bereiche umgelenkt
werden. In der in Fig. 1. gezeigten Anordnung focussieren die Reflektoren 2, 3 die von
der Barriere umgelenkte Strahlung auf den Randbereich des Objekts.
Die Kaltlichtspiegel 5, 6 bewirken eine Trennung von UV- und IR-Strahlung, da sie
den größten Teil der IR-Strahlung durchlassen und im wesentlichen nur UV-Licht
reflektieren. Aus diesem Grund sind in dieser Anordnung auch
die Reflektoren 2, 3 zumindest teilweise Kaltlichtspiegel. Hinter den Reflektoren 2, 3 werden Absorber 9, 10
angebracht, die die von den Kaltlichtspiegeln durchgelassene IR-Strahlung
absorbieren und an den Kühlluftstrom abgeben. Dieser wird durch die Öffnung 11
nach oben abgesaugt. Um die UV-Bestrahlungsvorrichtung vor Verschmutzungen
und Beschädigungen zu schützen kann zwischen das Objekt 1 und der Barriere eine
Quarzglasscheibe 16 angebracht werden.
In Fig. 2 wird eine asymmetrische Anordnung, bezogen auf die Lampenachse
gezeigt. Die rechte Seite dieser Anordnung ist identisch mit der in Fig. 1 gezeigten
Anordnung. Allerdings ist hier der Neigungswinkel des Spiegels 5b verändert. Da
durch erreicht man eine Focussierung der Strahlung im Randbereich des Objekts 1.
Auf der linken Seite ist der hinter dem Strahler angeordnete Reflektor 3 durch eine
schräge Spiegelplatte 12 und ein kleineres zylinderförmiges Reflektorstück 3 ersetzt.
Durch die Spiegelplatte 12 wird die von der Barriere umgelenkte Strahlung nicht
mehr in einem Punkt gebündelt, sondern wird gleichmäßig über das Objekt 1 verteilt.
Der Reflektor 3 ist so eingestellt, daß möglichst wenig Strahlung auf die Barriere
auftrifft. Dadurch wird eine optimale Härtung der Oberfläche erreicht. In der in Fig.
2 gezeigten Anordnung wird also die rechte Hälfte zur Härtung des Randbereiches
genutzt, während die linke Hälfte zur Oberflächenhärtung benutzt wird. Diese
Anordnung ist nur sinnvoll mit der Rotiereinrichtung 8, die das Objekt während der
Bestrahlungszeit unter der Anordnung dreht.
In Fig. 3 wird eine symmetrische Anordnung, bezogen auf die Lampenachse gezeigt.
Die Elemente in dieser Anordnung entsprechen den in Fig. 2 (linke Seite) gezeigten
Elementen. Diese Anordnung erreicht eine gleichmäßige Verteilung des Lichts auf
der Objektoberfläche. Es werden keine Bereiche speziell verstärkt ausgeleuchtet. Bei
dieser Anordnung ist der Neigungswinkel der Spiegelelemente 5c, 6c auf die
Geometrie der Reflektoren 12, 13 eingestellt. Der Einsatz der Rotiervorrichtung 8 ist
sinnvoll.
Die Reflektoren 2 und 3 die in Fig. 1-3 gezeigt werden, sind Zylinderstücke, die
sowohl mit kreisförmigem, parabelförmigem oder elliptischem Querschnitt in der
Anordnung eingesetzt werden können. Ebenso ist es möglich, die Reflektoren 2, 3
und 12, 13 nicht aus einem Stück, sondern aus mehreren einzelnen Elementen
aufzubauen. In Fig. 5, wird eine Seitenansicht gezeigt, die der in Fig. 1 (Schnitt A-
A) gezeigten Anordnung entspricht.
Claims (13)
1. Vorrichtung zum Härten einer UV-Lackschicht auf einem
flachen Objekt, insbesondere auf einem optischen
Informationsträger, mit mindestens einer Lichtquelle,
deren Licht der Lackschicht über ein Reflektorsystem zum
Zwecke der Aushärtung zuführbar ist, wobei jede
Lichtquelle über dem flachen Objekt angeordnet ist und
mindestens eine Barriere den direkten Strahlengang auf
das Bestrahlungsgut zumindest teilweise ausblendet, wobei
die mit Kaltlichtspiegeln bestückte Barriere das Licht
von der über dem Bestrahlungsgut angeordneten Lichtquelle
auf das Reflektorsystem hinter der Lichtquelle umlenkt
und in der Barriere ein wärmeabsorbierender Körper
angeordnet ist, der die auftretende Wärmestrahlung
absorbiert und das Reflektorsystem der Vorrichtung
zumindestens teilweise Kaltlichtspiegel aufweist, welche
vorwiegend kurzwelliges Licht reflektieren und für
Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässig sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Barriere so breit ist, daß der direkte Wärmestrahlen
gang auf das Objekt (1) ausgeblendet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Barriere gekühlt ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der wärmeabsorbierende Körper in der
Barriere mit Kühlrippen ausgestattet ist, die die Wärme
an einen Kühlluftstrom abgeben.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der wärmeabsorbierende Körper in der
Barriere mit Bohrungen versehen ist, durch die eine
Kühlflüssigkeit geleitet wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kaltlichtspiegel an der Barriere
in ihrem Neigungswinkel verstellbar sind, um eine
Focussierung der Strahlung zu erreichen.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg
ein ebener Spiegel (12), (13) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg
ein zylindrischer Spiegel (2), (3) mit kreisförmigen
Querschnitt angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg
ein zylindrischer Spiegel mit parabolischem Querschnitt
angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg
ein zylindrischer Spiegel mit elliptischem Querschnitt
angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Barriere und die Spiegelanordnung
hinter der Lichtquelle spiegelsymmetrisch bezüglich einer
Ebene sind, die die Längsachse der Lichtquelle enthält
und senkrecht auf der Oberfläche des Bestrahlungsgutes
steht.
12. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Barriere und die Spiegelanordnung
hinter der Lichtquelle asymmetrisch zu einer Ebene
angeordnet sind, die die Längsachse der Lichtquelle
enthält und senkrecht auf der Oberfläche des
Bestrahlungsgutes steht.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Reflexionseigenschaften der
Spiegelelemente an den jeweiligen Einfallswinkel des
Lichts angepaßt sind.
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