DE2025122B2

DE2025122B2 - Verfahren zur Härtung von Anstrichstoffen und Überzügen mittels von einem Laser emittierter Infrarot-Strahlung

Info

Publication number: DE2025122B2
Application number: DE2025122A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Aussenegg; Hans-Dieter Dr. Hanus
Original assignee: VIANOVA-KUNSTHARZ AG WIEN
Current assignee: VIANOVA-KUNSTHARZ AG WIEN
Priority date: 1969-07-17
Filing date: 1970-05-22
Publication date: 1973-12-06
Also published as: FR2055282A5; CS151556B2; CA928170A; ES381303A1; SE364906B; BE752919A; US3743777A; GB1264723A; DE2025122C3; RO56296A; DE2025122A1; CH519999A; NL7010550A

Description

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, Härtung nicht emelbar ist.

dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl durch 25 Die Dunkelstrahler emittieren im etwas ferneren optische Anordnungen aufgeweitet wird und peri- Infrarot mit einem Maximum im Spektralbereich von odisch direkt oder über eine im Strahlengang 3 bis 5 μ. Lösungsmittel und Spaltprodukte nehmen befindliche optische Anordnung indirekt über die diese längerwellige Wärmestrahlung in geringerem zu Destrahlende Fläche geführt wird. Maße auf. Die Absorption der längerwelligen Infrarot-

6 Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, 30 strahlung durch d.n Anstrichstoff oder Überzug ist dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück im im Gegensatz zu den Hellstrahlern weitgehend unab-Strahlengang periodisch bewegt wird. hängig von der Art des verwendeten Bindemittels und

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, der Pigmentierung.

dadurch gekennzeichnet, daß Lasterstrahl und Allerdings ist die pro Flächeneinheit des Dunkel-

Werkstück periodisch bewegt werden. 35 Strahlers abgegebene Leistung zufolge der niedrigen

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, Temperaturen erheblich geringer, weshalb größere dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung mit Strahlerflächen erforderlich sind. Da eine Konzeneinem CO₂-Laser durchgeführt wird. tration der von einem flächenhaften Strahler ausgesandten Strahlung nicht in beliebigem Ausmaß

40 möglich ist, lasser sich mit Dunkelstrahlern nur

relativ geringe Strahlungsflußdichten erreichen, weshalb die Härtungszeiten gegenüber den Hellstrahlern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung wesentlich verlängert werden müssen,
von Anstrichstoffen und Überzügen mittels von einem Es wurde nun gefunden, daß man mit einem im

Laser emittierter Infrarot-Strahlung. 45 Infrarotbereich emittierenden Laser als Strahlenquelle

Unter Härtung soll im weiteren die physikalisch die mit Dunkelstrahlern erzielten Härtungszeiten und/oder chemisch erfolgende Filmbildung von An- wesentlich verkürzen kann. Das Wesen der Erstrichstoffen und Überzügen auf Substraten verstanden findung liegt darin, daß Anstrichstoffe und Überzüge werden. mittels im IR emittierender Laser, die eine mono-

Unter Laser (Light Amplification by Stimulated 50 frequcnte und parallele Strahlung bei einem geringen Emission of Radiation) versteht man eine Licht- bzw. Bündeldurchmtsser abgeben, gehärtet werden. Es ist Infrarot-Strahlungsquelle, die monofrequente Strah- dabei eine Bestrahlung mit großer Leistungsdichte lung (einfarbiges Licht) in optimal gebündelter Form möglich, und es lassen sich rasch hohe örtliche Tempeemittiert. raturen im Film des Anstrichmittels bzw. Überzuges,

Zur Härtung von Anstrichstoffen und Überzügen 55 bzw. am Trägermaterial selbst, und damit sehr kurze werden als Wärmequellen vor allem Konvektionsöfen Härtzungszeiten erzielen. Die gehärteten Filmober- und thermische Infrarot-Strahler verwendet. Beim flächen sind störungsfrei. Trotz hoher Temperaturen Wärmetransport durch Konvektion dient als Wärme- werden Verfärbungen der Filme durch die kurzen übertrager meist Luft, die nach Aufnahme der Wärme Einbrennzeiten vermieden.

von Heizstäben durch natürliche oder künstliche 60 Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Strömung an das beschichtete Werkstück geleitet Anstrichstoffe und Überzüge auf Basis von Kondenwird und an dieses die Wärme abgibt. Demgegenüber sations- oder Polymerisationsharzen mit von Lasern haben Infrarot-Strahler den Vorteil, daß ein gewisse: emittierten Infrarot-Strahlen mit einer Wellenlänge Teil der Wärmeenergie nicht von der Luft, sondern von 1 bis 100 μ, vorzugsweise 3 Us 25 μ, gehärtet direkt vom Anstrichstoff oder Überzug absorbiert wird. 65 werden.

Zu Beginn findet die Härtung nicht nur an der Ober- Bei Lasern mit der im erfindungsgemäß ausfläche der aufgetragenen Filmes — wie bei der Kon- gewählten Bereich emittierten Wellenlänge absorbiert vektionshärtung —, sondern sofort in der Gesamt- der Anstrichstoff oder Überzug weitgehend unab-

hängig von der Art des Bindemittels und des Pigmentes. Somit vereint die Laserhärtung den Vorteil hoher Leistungsdichte (höher als bei Hellstrahlern) mit dem Vorteil einer Emissionsfrequenz, die im Vergleich zu Dunkelstrahlern in einem vom sichtbaren Licht noch weiter entfernten Infrarot-Bereich liegt.

Die mit dieser Strahlungsquelle erzielbaren Härtungszeiten betragen zwischen 30 Sekunden und wenigen Minuten. Der Laser-Härtung sind alle chemisch und/oder physikalisch filmbildenden Anstrichstoffe und Überzüge zugänglich, z. B. Polykondensationsharze, Polymerisationsharze, sinterbare Kunststoffpulver, Polymerisate, Fasern, usw., die gegebenenfalls als Lösung vorliegen und durch Abgabe des Lösungsmittels einen Film bilden.

Die Anstrichstoffe und Überzüge können auf Metallen, Steinmaterialien, GIt^s, Holz, Hartgummi, Kunsstoffen, usw. gehärtet werden.

Die erfindungsgemäße Härtung ist insbesondere für die Lackierung oder das Überziehen von kleineren Werkstücken, z. B. Teilen von Präzisionsinstrumenten, geeignet. Auch für Ausbesserungen an Überzügen ist Sie erfindungsgemäße Härtungsmethode geeignet, da die durch die Strahlung bedingte Erwärmung örtlich sehr genau begrenzt werden kann.

Das Laser-Strahlenbündel kann durch optische Vorrichtungen (Spiegel, Linsen usw.) entsprechend aufgeweitet werden. Durch eine relativ einfache Vorrichtung (z. B. einen bewegten Spiegel) ist es auch möglich, den nicht aufgeweiteten Strahl mit einer bestimmten Geschwindigkeit periodisch über die zu bestrahlende Fläche g!rten zu lassen (»scanning«). Auf diese Weise lassen sich Anstrichstoffe und Überzüge auf größeren Werkstücken härten.

Die derzeit 7ur Verfügung stehenden COyLaser großer Leistung besitzen jedoch eine Fernfeldverteilung mit Multitnodenstruktur, d. h. daß die Verteilung der Strahlungsintensität über den Strahlenquerschnitt nicht einheitlich ist. Außerdem verändert sich diese Verteilung während des Betriebes. Durch die obengenannten geometrisch-optischen Maßnahmen allein, wie Strahlaufweiten, Strahlteilen, Kombination von Teilstrahlen usw., kann eine optimale Gleichmäßigkeit der Bestrahlung einer Fläche nicht erreicht werden.

Eine optimal gleichmäßige Härtung der Anstriche oder Überzüge wird erzielt, wenn mar. *en Laserstrahl durch optische Anordnungen aufweitet und den aufgeweiteten Laserstrahl direkt oder indirekt durch eine im Strahlengang befindliche Anordnung periodisch über die zu bestrahlende Fläche führt. An Stelle der periodischen Bewegung des Strahles kann mit demselben Erfolg auch das Werkstück bzw. Werkstück und Laser-Strahl periodisch bewegt werden. Je höher dabei die Folgefrequenz der einzelnen Perioden ist, um so ähnlicher wird ihre Wirkung der einer zeitlich konstanten Bestrahlung. Wichtig ist, daß im zeitlichen Mittel jedem Punkt der zu bestrahlenden Lackschicht die gleiche Strahlenmenge zugeführt wird.

Nach den speziellen Erfordernissen läßt sich aus den zahlreichen Möglichkeiten der Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Strahlenbündel und zu bestrahlender Fläche die geeignetste auswählen.

Bei der praktischen Durchführung können z. B. folgende Methoden angewendet werden:

a) Der Laser-Strahl wird durch einen Hohl- oder Wölbspiegel oder eine Sammel- oder Zerstreuungslinse nach zwei Dimensionen aufgeweitet. Eine Veränderung der Strahlrichtung erfolgt durch eine geeignete Bewegung der strahlaufweitenden Elemente. Dies kann eine exzentrische Rotation (Taumelbewegung) oder ein periodisches. Schwenken (Wackelbewegung) sein.

In letzterem Fall muß aus Gründen dur gleichmäßigen Bestrahlung die Schwenkbewegung (mit Ausnahme der Wendepunkte) mit konstanter Geschwindigkeit erfolgen (Abhängigkeit des Drehwinkeis von der Zeit — dreieckf örmige periodische Funktion). Die Strahlablenkung kann auch durch einen zusätzlich in den Strahlengang gebrachten periodisch bewegten Planspiegel erfolgert

b) Der Laserstrahl wird durch einen Zylinderhohl-¹S oder Zylinderwölbspiegel oder eine Zylindersammei- oder Zylinderzerstreuungslinse nach einer Dimension aufgeweitet (Aufweo tang zu einem Strich). Durch eine Schwenkbewegung (zeitlicher Verlauf wie oben) dieser Aufweitungselemente wird senkrecht dazu periodisch abgelenkt. Auch hier kann die Strahlablenkung durch einen zusätzlichen Planspiegel erfolgen.

c) Der Laserstrahl wird nicht aufgeweitet und nur durch einen oder zwei Planspiegel nach zwei

*^s Dimensionen periodisch abgelenkt. Die l'eriodendauer kann dabei gleich oder unterschiedlich sein. Im Extremfall kann die Bewegung in eine der beiden Dimensionen ohne Umkehr sein, d. h., die Fläche wird nur in einer Richtung p;riodisch

überstrichen, in der anderen nur ein einiges Mal (zellenförmige Bestrahlung).

Im Fall a) werden nur räumlich sehr begrenzt Inhomogenitäten der Intensitätsverteilung des Laser-Strahles ausgeglichen. Die allmähliche Intensitätsabnahme des Laserstrahls nach außen hn bleibt erhalten und äußert sich in einem relativ breiten, geringer bestrahlten Randgebiet der Fläche.
Die Methoden nach b) und c) haben gegenüber Methode a) den Vorteil, daß die »Ausleuchtung« der Fläche nach Methode b) teilweise, bzw. nach Methodec) ausschließlich durch die Art der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück bestmmt ist und dadurch bessei beherrscht wird.

Natürlich sind in allen Fällen Kombinationen zwischen Strahlablenkung und Werkstückbewegung möglich. Zur Härtung von Überzügen auf nie it planen -Flächen wird naturgemäß die technische At Ordnung in bekannter Weise so geändert, daß eine gleichmäßige Bestrahlung gewährleistet ist.

Beispiel 1

a) Ein Lack wurde auf Stahlblech von 0,9 mm Stärke mit einem Filmaufziehgerät in einer Naßfilmstärke von 0,150 mm aufgebracht, 5 Minuten bei Raumtemperatur vorgetrocknet und anschließend mit einem CO₂-Laser (10,6 μ Wellenlänge, maxinr ale Ausgangsleistung 100 Watt, Strahlendurchmessei 1,5 cm) gehärtet.

Bindemittel:

Lackzusammensetzung

Gewichtsteile handelsübliches Einbrennalkydharz auf Basis von Rizinenfettsäure, etwa 34%, 60%ig in Xylol/Butanol;

Gewichtsteile handelsübliches, partiell mit Butanol vsräthertes, nicht plastifiziertes Melamin-Formaldehyd-Harz, 60%ig in Butanol;

Lacke):

Pigmentierung:

Gesamtbindeniittel (Festharz): TiO₂ (Rutil) 1:1.

Pigmentierung:

Gesamtbindemittel (Festharz): TiO₁ (Rutil) 1:1. Bindemittel:

_ „ _T , , , , . HandelsübKches, in der Wärme selbstvernetzendes

Derselbe Lack wurde analog auch auf ^ Acrylharz, 50%ig in Xylol/Butanol;

b) Holz, 1 cm Substratstärke,

c) Glas, 0,5 cm,

d) Eternit, 0,7 cm,

e) Polypropylen, 0,3 cm Lack d):

aufgebracht und gehärtet " K¹*""¹««*:

70 Gewichtsteile handelsübliches, relativ niedrj_ö

Die Bestrahlungszeiten und die erzielten Filmhärten molekulares Epoxydharz, 50%igin Isobutylketon;

sind in der Tabelle I zusammengefaßt. 30 Gewichtsteile handelsübliches, nicht plastifiziertes,

veräthertes Phenolharz, 50%ig in Xylol/Butanol/ Isobutylketon.

Beispiel 2 bis 6 LackeV

Tauchgrundierung, dunkelgrau, 67%ig in Wasser und Analog Beispiel 1 wurden folgende fünf Lacke auf ao Alkohlen; Stahlblech aufgebracht und gehärtet. Die Ergebnisse
sind in labellell zusammengefaßt und den zur Er- Bindemittel: zielung derselben Härten erforderlichen Einbrennbedingungen im Konvektionsofen gegenübergestellt.

Handelsübliches, wasserlösliches, ofentrocknendes, plastifiziertes Phenolharz:

Lacka):

Bindemittel:

Gewichtsteile handelsübliches, gesättigtes Polyesterharz auf Basis von Dicarbonsäuren und mehrwertigen Alkoholen (sogenanntes ölfreies Alkydharz), 60%ig in Xylol/Butanol; Gewichtsteile handelsübliches, mit Butanol partiell veräthertes, nicht plastifiziertes Melamin-Formaldehyd-Harz, 60%ig in Butanol;

Pigmentierung:

Gesamtbindemittel (Festharz): TiO. (Rutil) 1:1.

Lackb):

Bindemittel:

Gewichtsteile handelsübliches, hitzehärtbares Acrylatharz, 50%ig in Xylol/Butanol;

Gewichtsteile handelsübliches, mit Butanol partiell veräthertes Melamin-Formaldehyd-Harz, 50%ig in Butanol;

Pigmentierung:

Gesamtbindemittel (Festharz): TiO₂ (Rutil) 1:1.

Pigmentierung:

Bindemittel (Festharz): Pigmente und Füllstoffe 1:1,8.

3o

Beispiel 7

Ein pigmentierter Lack wiru mit einem Lackschicht-Schleudergerät, Typ 334/11 der Fa. Erichsen, in einer Naßfilmstärke von etwa 0,090 mm auf ein Probeblech aufgebracht, 15 Minuten bei Raumtemperatur vorgetrocknet und anschließend mit einen Laserstrahl

gehärtet.
Der Laserstrahl wird mittels eines Wölbspiegels

(= Konvexspiegel) mit einem Radius von 11,8 cm auf ein divergentes Strahlenbüschel aufgeweitet. Dieses divergente Strahlenbüschel wird über einen periodisch schwenkenden Planspiegel auf den vorgetrockneten Lackfilm gelenkt. Bei nicht bewegtem Planspiegel

trifft das Laser-Strahlenbüschel so auf die Lackschicht auf, daß eine ellipsenförmige Fläche mit den Halbachsen 4 cm und 2 cm gehärtet wird. Diese Flächo wird durch das Schwenken des Planspiegels auf eine Fläche von 8 · 10 cm vergrößert, was bei dieser An-

Ordnung einer Auslenkung der Strahlenbüschelachse um etwa 6° entspricht. Die Schwenkung hat einer· linearen (dreieckförmigen) Verlauf mit einer Frequenz von etwa 1 Hertz.

Tabelle I

Substrat

Lack gemäß Beispiel 1 auf

Stahlblech

Holz

Glas

Eternit

Polypropylen

Laser-Leistung in Walt

30 10 30 30 10 Bestrahlungszeit

45 see 3 min 40 see 60 see 2¹I₂ min

Bleistifthärte

2H

Einbrennbedingungen im Konvektionsofen

30'/100⁰C 30'/100⁰C

Tabelle II

S"

Substrat	Laser-Leistung in Watt	Bestrahlungszeit	Bleistifthärte	Einbrenn bedingungen im Konvektions- ofen
Beispiel 2, Lack a), Stahlblech Beispiel 3, Lack b), Stahlblech Beispiel 4, Lack c), Stahlblech Beispiel 5, Lack d), Stahlblech Beispiel 6, Lack e), Stahlblech	30 30 30 30 30	90 see 75 see 3 min 2^α/₈ min 4 min	4H 4H 3H 3H 2H	307150°C 207135°c 307180°C 207200⁰C 207180⁰C

Der pigmentierte Lack besteht aus 80 Gewichtsteilen handelsüblichem Einbrennalkydharz auf Basis von Rizinenfettsäure, etwa 34% Fettsäuregehalt, 60%ig in Xylol/Butanol und 20 Gewichtsteilen handelsüblichem, partiell mit Butanol veräthertem, nicht plastifiziertem Melamin-Formaldehyd-Harz, 60%ig in Putanol, als Bindemittel, Pigmentierung: Gesamtbindemittel (Festharz) : TiO₂, Rutil, 1:1.

Lasergerät: CO₂-Laser Typ LG106 der Siemens A.G. München, Ausgangsleistung 100 Watt, Strahldurchmesser 1,5 cm. »5

Laser-Leistungsmeßgerät: Model 201 Broad Band CW Laser Power Meter der Coherent Radiation Laboratories, PaIo Alto, California, U.S.A.

Vergleich der Bestrahlungszeit mit Einbrennbedingungen im Einbrennofen zur Erzielung gleicher Filmhärte:

	Bestrahlungs	Pendel härte	Einbrennofen	120°C1135"C	18
Watt/cm^s*)	zeit	Persoz**)	Minuten	20	23
	see	see	100⁰C	25	23
2,2 bis 2,4	120	210	50	25	25
2,1 bis 2,7	150	230	60	30	25
2,1 bis 2,3	180	236	60	30	30
2,0 bis 2,3	195	241	70	35
2,2 bis 2,7	.7.10	242	70
2,1 bis 2,4	240	255	90

büschel eine bandförmige Fläche von etwa 5 · 1 cm. Diese Fläche wird durch das Schwenken des Zylinderspiegels auf eine Fläche von 5 · 9,5 cm vergrößert, was einer Auslenkung der Strahlenbüschelachse bei dieser Anordnung um etwa 12° entspricht. Die Schwenkung hat einen linearen (dreieckförmigen) Verlauf mit einer Frequenz von etwa 0,25 Hertz.

Gemessene Leistungsdichte des aufgeweiteten Laserstrahles Watt/cm^a	Bestrahlungs zeit see	Pendelhärte Persoz, see
10 bis 11 10 bis 11 10 bis 11 10 bis 11	60 70 80 90	111 155 194 211

Beispiel 9

*) Gemessene Leistungsdichte Watt/cm² des aufgeweiteten

Laserstrahles unter den Härtungsbedingungen.
·*) 40 μ Trockenfilmstärke.

Alle im Einbrennofen gehärteten Filme zeigten eine verhältnismäßig starke Vergilbung.

Beispiel 8

Der pigmentierte Lacküberzug gemäß Beispiel 1 wird durch folgende Laser-Anordnung gehärtet:

Der Laserstrahl wird mittels eines Zylinderspiegels mit einem Radius von 14,7 cm auf ein Strahlenbüschel aufgeweitet und dieses auf den vorgetrockneten Lackihn gelenkt. Der Zylinderspiegel wird periodisch geschwenkt. Bei nicht bewegtem Zylinderspiegel härtet das auf die Lackschicht auftreffende Laserstrahlen-Der pigmentierte Lacküberzug gemäß Beispiel 1 wird durch folgende Laser-Anordnung gehärtet:

Der unaufgeweitete Laserstrahl wird über einen periodisch schwenkenden Planspiegel auf den vorgetrockneten Lackfilm gelenkt. Zugleich wird das beschichtete Werkstück normal zur Ebene, in der sich der Laserstrahl bewegt, vorgeschoben. Die »scanning«-Breite beträgt 9 cm, was einer Auslenkung des Laserstrahles bei dieser Anordnung um etwa 16° entspricht. Die Schwenkung hat einen linearen (dreieckförmigen) Verlauf mit einer Frequenz von etwa 0,25 Hertz, der Vorschub des Werkstückes beträgt etwa 0,3 bis 0,5 mm/sec.

gemessene Leistungsdichte des Laserstrahles Watt/cm·	Bestrah lungs- zeit see	Pendel härte Persoz see	Vorschub
39 bis 43 38 bis 43 38 bis 43	30 40 50	115 187 201	0,5 mm/sec 0,37 mm/sec 0,3 mm/sec

SS Die Leistungsdichte des Laser-Gerätes wurde jeweil unter den Härtungsbedingungen mit dem Lasei Leistungsmeßgerät gemessen.

309549/3:

Claims

1 2 schicht statt, so daß Lösungsmittel und/oder eventuelle Patentansprüche: Spaltprodukte rasch und gleichmäßig abgegeben werden, also verdunsten bzw. verdampfen. Ober-

1. Verfahren zur Härtung von Anstrichstoffen flächenetörungen der eingebrannten Filme werden und Überzügen mit Infrarot-Strahlen, dadurch S somit verringert.

gekennzeichnet, daß Anstriche oder Über- Bei den thermischen Strahlern unterscheidet man

züge mit von Lasern emittierten Infrarot-Strahlen zwischen Hellstrahlern und Dunkelstrahlern,
mit einer Wellenlänge von 1 bis 100 μ gehärtet Die Hellstrahler emittieren in einem Spektralbereich

werden. von 0,5 bis 4,0 Mikrometer (μ) Wellenlänge mit einer

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- io Maximalemission bei einer Wellenlänge von 1 bis 2 μ. zeichnet, daß die Härtung mit von Lasern emit- Dabei sind folgende Nachteile festzustellen: Während tierten Infrarot-Strahlen der Wellenlänge 3 bis 25 μ der Härtung frei werdende Lösungsmittel rad Spaltdurchgeführt wird. produkte absorbieren gerade in diesem Spektral-

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, bereich des nahen Infrarot sehr stark, so daß ein dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl durch 15 Großteil der Energie durch die Erwärmung der Umoptische Anordnungen, wie Spiegel, Linsen usw., gebung verlorengeht und damit auch die Vorteile einer aufgeweitet wird. Infrarot-Härtung — gleichmäßige Härtung im Gesamt-

4. Verfahren nach den Anprüchen 1 und 2, da- film ohne Oberflächenstörungen — nur zu einem durch gekennzeichnet, daß der nicht aufgeweitete geringen Teil ausgenutzt werden. Außerdem ist im Laser-Strahl durch Bewegen des Lasers selbst oder 20 nahen Infrarot die Absorption des Anstrichmittels einer im Strahlengang befindlichen optischen An- oder Überzuges sehr von der Art des verwendeten Ordnung, vie Spiegel oder Linsen, periodisch über Bindemittels und der Pigmentierung abhängig, so daß die zu bestrahlende Fläche geführt wird. z. B. bei unterschidlichen Farbtönen eine gleichmäßige