DE2316086A1 - Anordnung zum haerten von ueberzuegen und anstrichstoffen mittels von irasern emittierter infrarot-strahlung - Google Patents
Anordnung zum haerten von ueberzuegen und anstrichstoffen mittels von irasern emittierter infrarot-strahlungInfo
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Description
2316Q86
690
; J
VIANOVA KUNSTHARZ Aktiengesellschaft, 1010 Wien 1
(Österreich), Johannesg. H
"Anordnung zum Härten τοη Überzügen und Anstrichstoffen
mittels von IRASERn emittierter Infrarot-Strahlung"
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Härtung von
Anstrichstoffen und Überzügen mit Hilfe der von IRASERn (Infra Red Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
emittierten Infrarot-Strahlung sowie eine geeignete Steuereinrichtung, die es erlaubt, die Oberflächentemperatur
konstant zu halten bzw. die Härtung nach einem vorgewählten Temperatur-Zeit-Diagramm zu
steuern.
Das Verfahren zur Härtung von Anstrichstoffen und Überzügen mittels von einem Laser (IRASER) emittierter Infrarotstrahlen
ist in den österr. Patenten Nr. 295 000 und ■ 303 927 beschrieben.
_ 2 —
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Eine wesentliche Schwierigkeit bei diesem Yerfahren besteht darin, den Strahl in seiner Lage und/oder seiner Intensität
so zu steuern, daß die zu bestrahlende Fläche gleichmäßig die zur Härtung des Überzugs notwendige Energie zugeführt
bekommt. .
Es wurde nun gefunden, daß eine Anordnung,, bei der der IRASER-Strahl
diese Fläche nach einem bestimmten Programm überstreicht und bei der die Steuerung der Bestrahlung durch eine gleichzeitige
Messung der Oberflächentemperatur erfolgt, diese Forderung
erfüllt. . . .---■■
Die Erfindung betrifft also eine Anordnung zum Härten von
Anstrichstoffen und Überzügen mittels von IRASERn emittierter Infrarotstrahlung, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet
ist, daß der Strahl des IRASERs (1) über den Einblendspiegel (7) und einen um 2 aufeinander senkrecht stehende Achsen schwenkbaren Ablenkspiegel (2) zur Lackfläche (3) gelangt, wobei in
der Folge ein Teil der von der erwärmten Laekflache ausgesändten
Temperaturstrahlung über den Ablenkspiegel (2) vom Teleskop (4) und dem Infrarotthermometer (5) erfaßt wird.
Weiters wird die mit dem IR-Thermometer (5) erhaltene Information
über die Oberflachentemperatur des Lackes (3) in der erfindungsgemäßen
Anordnung dazu verwendet, um mit Hilfe einer Intensitätsmodulation des IRASER-Strahles ein Konstanthalten
oder Nachführen dieser Oberflächenteiaperatur nach einem geeigneten
Temperatur-Zeit-Programm zu bewirken. .
Zusätzlich wird über den Kondensor (8) und den ringförmigen
Spiegel (9) das Licht einer Lampe (6) in den Strahlengang des Infrarotthermometers (5) eingeblendet, wodurch nach Passieren
des Teleskopes (4) und Reflexion am Ablenkspiegel (2) die
sichtbare Begrenzung desjenigen Teiles der Fläche (3), der gleichzeitig
vom Strahl des IRASERs (1) und von der Meßapertur des Infrarotthermometers (5) erfaßt wird, bestimmt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß stets
die Temperatur an demjenigen Ort der zu härtenden Lackflache
gemessen wird, die gerade vom IRASER-Strahl aufgeheizt wird.
Der IRASER-Strahl wird durch Verkippung des Ablenkspiegels (2) aus seiner Ruhelage so über die Lackfläche (3) geführt, daß jeder
Punkt der Fläche während des Härtungsvorganges die für die vollständige Härtung erforderliche Energie zugeführt bekommt.
Diese Fläche kann eine beliebige Begrenzung haben, bei regelmäßigen
Flächenformen wird der IRASER-Strahl vorzugsweise zellenförmig abgelenkt.
Der Abstand der Zeilen richtet sich dabei nach dem Durchmesser "
des IRASER-Strahles und der Wärmeleitfähigkeit der Lackfläche
und wird so gewählt, daß sich benachbarte Spuren des Strahles
um 20 - 80 % des Strahldurchmessers überschneiden. Durchmesser
bzw. Leistungsdichte des IRASER-Strahles können in bekannter
Weise mit optisehen Hilfsmitteln (Linsen, Spiegel) eingestellt
werden.
Eine besonders günstige Ausführungsform des Ablenkspiegels (2) ist in einem noch nicht zum Stand der Technik gehörigen Vorschlag
(A 1962/73 vom β.3.73) beschrieben. Demgemäß ist der
Spiegel dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der beiden sich unter. 90° schneidenden, vorzugsweise in der Spiegelebene liegenden
Bewegungsachsen durch ein zentrales Kugelgelenk und zwei
außerhalb dieses Gelenkes befindliche Auflager bestimmt wird, wobei letztere die Antriebskräfte auf den Spiegel übertragen.
Ein besonderes Merkmal der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß im Gegensatz zu einer bloßen Vergrößerung des IRASER-Strahlquerschnittes
durch rein optische Aufweitung die meist uneinheitliche transversale Modenstruktur nicht auf die zu
härtende Lackfläche abgebildet wird, wodurch eine örtlich gleichmäßige Erwärmung gewährleistet ist.
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Ferner läßt sich mit Hilfe der programmierten Ablenkung über
einen Spiegel eine exakte Begrenzung der durch den ISASER erwärmten Teile erreichen und die Erwärmung nach einem für
die verwendete Beschichtung günstigsten Temperaturprogramm durchführen, was neben einwandfreien Härtungsergebnissen auch
erhebliche zeitliche Verkürzungen gegenüber konventionellen Methoden ermöglicht.
Im Folgenden werden die einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen
Anordnung näher beschrieben.
1. Temperaturregelung
Eine Ausführungsform beruht darauf, daß die an einem Element der bestrahlten Fläche erzielte Endtemperatur von der zugeführten
Energie und damit von der Zeit abhängt, während der der IRASER-Strahl auf dieses Element gerichtet ist. Daher können
durch Variation der Verweilzeit pro Flächenelement praktisch beliebige Maximaltemperaturen eingestellt werden. Dies ist
immer dann möglich, wenn einerseits das bestrahlte Material
ein schlechter Wärmeleiter ist, damit zumindest für kurze
Zeit hohe Temperaturgradienten aufgebaut werden können,und andererseits die Unterlage eine große Wärmekapazität gegenüber
der Beschichtung aufweist. Beide Bedingungen sind im Falle der Härtung von Kunstharzlacken im allgemeinen erfüllt.
Das Meßsignal des IR-Thermometers wird mit Hilfe eines Meßverstärkers
und Entzerrers in eine der Oberflächentemperatur des anvisierten Flächenelementes proportionale Spannung umgesetzt
und in bekannter Weise in einem Regelverstärker mit dem vom Temperaturprogrammgeber gelieferten Sollwert verglichen.
Die verstärkte Differenzspannung bewirkt eine solche Änderung
der Frequenz eines Ossiilators und damit der Geschwindigkeit
des Ablaufes des Ablenkprogrammes, daß bei zu niedriger Ist-Temperatur
der IRASER-Strahl solange an einer Stelle verweilt, bis die Solltemperatur erreicht ist; sodann wird er zum
nächsten Flächenelement abgelenkt.
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Diese Ausf ührungsf or-rn zeichnet sich besonders dadurch aus,
daß (a) die Strahlungsquelle im kontinuierlichen Betrieb arbeiten kann, (b) die gesamte verfügbare Leistung dem
bestrahlten Objekt zugeführt wird und (c) wegen der analogen" Regelung für jedes Flächenelement eine kontinuierliche Energiezufuhr
gegeben ist.
Eine weitere Möglichkeit für den Fall, daß eine wirksame Temperaturregelung über die Modulation der Ablenkgeschwindigkeit
nicht möglich ist, ist durch die Ausführung der Regelstrecke als externer optischer Amplitudenmcdulator gegeben,
wobei dessen Durchlässigkeit für die IRASER-Strahlung in Abhängigkeit vom verstärkten Differenzsignal des Regelverstärkers
verändert wird. Ausführungsformen für externe Modulation
sind aus der Lasertechnik bekannt (Kleen/Müller, ·
Laser, S 423 f, Springer-Verlag, 1969).
Ebenso ist es möglich, eines der bekannten internen Modulationsverfahren
anzuwenden. In diesem Fall wird ein die Schwingungserzeugung im IRASER bestimmender Parameter beeinflußt
(Kleen/Müller, Laser, S 442 f, Springer-Verlag, 1969).
Die Ablenkgeschwindigkeit, "
bleibt dabei konstant auf demjenigen Wert, der ein Erreichen der höchsten Temperatur des Programmes bei voller Leistung
des IRASERs für jedes Flächenelement ermöglicht.
Eine weitere Ausführungsform verwendet einen externen,digitalen
optischen Schalter, durch den eine fortlaufende Reihe von verschieden langen Strahlungsimpulsen erzeugt wird. Der zeitliche
Mittelwert der Ausgangsleistung des IRASERs (1) kann so von Null bis zum Maximalwert verändert werden. Die Trägerfrequenz dieser Impulsbreitenmodulation muß dabei so hoch
liegen, daß die diskontinuierliche Energiezufuhr keine störenden Temperaturspitzen in der Beschichtung hervorruft und eine
Regelung beim überstreichen eines einzelnen Flächenelementes noch möglich ist.
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Die erwähnten Schalter können entweder rein mechanischer Art oder als Schalter betriebene externe Modulatoren sein. Eine
mögliche Ausfülirungsform für die Erzeugung der Steuersignale für
den optischen Schalter besteht aub einem Integrator, der
wechselweise, gesteuert durch einen Schwellenwertschalter, über einen elektronischen Schalter ^as um jewei Is eine konstante.
Spannung in positiver bzw. negativer Richtung verschobene Ausgangssignal des Regelverstärkers zugeführt bekommt. Damit
folgt, je nach Größe und Vorzeichen der Differenz zwischen
Temperatur-Sollwert und Temperatur-Istwert, periodisch z. B. einer verlängerten "Ein"-Zeit des Schalters eine entspx^echend
verkürzte "Aus"~Zeit, oder umgekehrt, wobei die Grundfrequenz
konstant bleibt. - "
Anstelle des externen Schalters kann auch in bekannter Weise ein im Resonator des IRASERs liegender, als Schalter betriebener (interner) Modulator verwendet werden. Im Falle der sehr
häufig bei IRASEEn gebrauchten Anregung über eine elektrische Gasentladung wird.der Entladungsstrom und damit die Schwingungserzeugung
periodisch unterbrochen.
2. Temperatur-Programmgeber ·
Um die Vorteile der Härtung organischer Beschichtungen mit
Hilfe von IRASERnvoll auszunützen, ist eine Regelung der
Oberflächentemperatur des Lackes notwendig, wobei die Solltemperatur
im allgemeinen zeitlich veränderlich ist. Abdunsten von Lösungsmitteln, Verfließen der Beschichtung zu einem glatten
Film und Vernetzungsprozeß müssen bei verschiedenen Temperaturen ablaufen und benötigen verschieden lange Zeiten.
Außerdem hängt der günstigste Temperaturverlauf von den verwendeten
Lösungs- und Bindemitteln ab.
Ein für die Verwendung in der beanspruchten Härtungsanlage
geeigneter Temperaturprograiamgeber besteht aus einer Anzahl
von Stromquellen und Zeitgliedern, deren Aneinanderschaltung an einem Ladekondensator .beispielsweise den in Fig. 2 für
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4 Stromquellen und 3 Zeitglieder skizzierten Spannungsverlauf ergibt.
Diese Spannung entspricht der vom Temperaturmeßgerät (5) und
vom Meßverstärker und Entzerrer abgegebenen temperaturpxOpor—
tionalen Spannung und kann daher direkt mit dieser an die Vergleichsstufe des Regelverstärkers gelegt werden.
Die Anstiegsgeschwindigkeit der temperaturpropox'tionalen Spannung·
(die Geschwindigkeit der Spannungsänderung) wird durch die Kapazität des Ladekondensators und dem von der jeweiligen gerade
eingeschalteten Stromquelle gelieferten Strom Bestimmt. .Nach Erreichen eines vorwählbaren Spannungsniveaus wird die
Stromquelle abgeschaltet und der für den nächsten Kurvenabschnitt zuständige Teil des Programmgebers eingeschaltet. Im
Beispiel der Fig. 2 ist dies ein Zeitglied, d·, h. die gewählte Spannung (und damit die gewählte Temperatur) bleibt für einen
ebenfalls einstellbaren Zeitraum konstant. Nach Ablauf dieser Zeit beginnt in diesem Beispiel der nächste Spannungsanstieg
und so fort, die zuletzt erreichte Spannung legt bei periodischem Ablauf des Programmes gleichzeitig den Anfangspunkt fest.
In der Fig. 2 folgen abwechselnd zeitlineare Spannungsänderungen
dT
(mit cL = ^i bezeichnet) und Zeitglieder (mit t bezeichnet) aufeinander. Es ist klar, daß jede beliebige Reihenfolge der Komponenten (Spannungsanstieg, -abfall und Zeitglieder)möglich und durchführbar ist und die Anzahl der Elemente beliebig erweitert werden kann. So kann praktisch jeder zeitabhängige Spannungsverlauf (= Temperaturverlauf) durch einen Poiygonzug dargestellt werden.
(mit cL = ^i bezeichnet) und Zeitglieder (mit t bezeichnet) aufeinander. Es ist klar, daß jede beliebige Reihenfolge der Komponenten (Spannungsanstieg, -abfall und Zeitglieder)möglich und durchführbar ist und die Anzahl der Elemente beliebig erweitert werden kann. So kann praktisch jeder zeitabhängige Spannungsverlauf (= Temperaturverlauf) durch einen Poiygonzug dargestellt werden.
Im Schema der Fig. 2a sind die für das Programm in Fig. 2 nötigen Elemente dargestellt. I- - I. bezeichnen die schaltbaren Stromquellen,
deren Parameter cL (Spannungsänderungsgeschwindigkeit)
und T (Endspannung) einstellbar sind; t- - t_ sind die an den
Zeitgliedern wählbaren Zeiten konstanter Spannung; die Steuerlogik L sorgt für den richtigen Ablauf des Programmes
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und ermöglicht Einzelauslösung und periodischen Betrieb, der
Elektrometerverstärker E verhindert ein Entladen des Speicherkondensators (C) bei Belastung der Spannung U .
Wesentliche Merkmale des beschriebenen Programmgebers sind
die freie Wählbarkeit aller Parameter, die Möglichkeit der Erweiterung um beliebig viele Elemente, die Möglichkeit der Annäherung
an jeden beliebigen zeitabhängigen Spannungsverlauf durch einen Polygonzug, wobei zeitlineare Spannungsanstiege
und -abnahmen durch die einen Kondensator auf- und entladenden, schaltbaren Konstantstromquellen, und durch Zeitglieder
Intervalle konstanter Spannung am Kondensator, bewirkt werden.
3. Steuerung der Strahlablenkung
Zur Bestrahlung größerer Flächen mit dem gebündelten Strahl
eines IRASERs muß der Strahl aufgeweitet werden, in der erfindungsgemäßen
Anlage geschieht dies durch zweidimensionales Ablenken des Strahles mit Hilfe eines Spiegels nach einem
vorwählbaren und beliebig oft reproduzierbaren Muster, das sowohl die Form der Fläche als auch die, bereits erwähnten Bedingungen
zur Erzielung gleichmäßiger Härtungsergebnisse beinhaltet.
Die für die Verwendung in der beanspruchten liärtungs anlage
bevorzugte Ausführungsform der· digitalen elektronischen Speicherung des Ablenkprogrammes und der elektronischen Ansteuerung
der Antriebselemente des Ablenkspiegels, die analog oder digital erfolgen kann, ist für beide Bewegungsachsen gleich aufgebaut.
In Fig. 3 wird die Möglichkeit der Programmierung der Bewegung
für beide Achsen des Ablenkspiegels dargestellt:
In den digitalen Zwischenspeicher . (RAM-, Random access memory)
(101, 201) werden über die Eingabe (102, 202) Ortskoordinaten,
in der durch den Zähler (106, 206) und die Adressierung (107,
207) festgelegten Reihenfolge eingelesen. Ist das gewünschte
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Ablenkprogramm in Form der nacheinander vom !RASER-Strahl
abzufahrenden Ortskoordinaten im Zwischenspeicher (lOl, 201)
enthalten, kann dieses Programm beliebig oft ausgelesen werden. Dazu vergleicht ein Komparator (103, 203) die jeweils
am Speicherausgang stehende Koordinate mit dem Stand des Koordinatenzählers (104, 204). Besteht eine Differenz, zählt der
Zähler (104. 204) im Takt des auf eine bestimmte Ablenkgeschwindigkeit
eingestellten Oszillators (13) solange vorwärts oder rückwärts, bis der Komparator (103, 203) Gleichheit anzeigt.
In diesem Fall wird der Zähler (104, 204) gestoppt und gleichzeitig das nächste Koordinatenwort vom Speicher (101,
201) abgerufen, indem der Zähler (106,206) und mit"ihm die
-Speicheradressierung (107, 207) um eine Einheit weiterrückt.
Der momentane Zustand des Koordinatenzählers (104, 204) bestimmt den Zustand des Spiegelantriebes (108, 208) und damit
die Lage des Ablenkspiegels ( (2) auf Fig. 1).
Vorzugsweise wird der Spiegelantrieb von Mehrphasen-Schrittmotoren
ausgeführt, in diesem Fall kann der Zustand des Zählers (104, 204) nach geeigneter Codierung direkt den Betriebszustand der Motorwicklungen steuern. Es können aber natürlich
in bekannter Weise auch Digital/Analogwandler nachgeschaltet werden, wenn analoge Positioniereinrichtungen (DC-Servoantriebe)
verwendet werden.
Ein wesentliches Merkmal der beschriebenen Ablenkprogrammie rung ist die große Flexibilität der speicherbaren und durchführbaren
Programme bei gleichzeitig minimalem Bedarf an Speicherkapazität. Da der Koordinatenzähler (104, 204) selbsttätig
und mit vorwählbarer Geschwindigkeit bis zum Erreichen der vom Speicher vorgegebenen Koordinate weiterzählt, müssen
lediglich die signifikanten Punkte des Ablenkprogrammes wie
Umkehr- und Haltestellen der beiden überlagerten Ablenkbewegungen gespeichert werden. Die Ablenkgeschwindigkeit ist mit
Hilfe eines Oszillators (10) modulierbar. Die Eingabe kann
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von Lochstreifen, Lochkarten, Magnetband oder anderen bekannten
Datenträgern aus erfolgen bzw. auch manuell. Die Verwendung des Zwischenspeichers ermöglicht auf einfache Weise Variationen
des Programmes , ohne daß das ursprüngliche Programm zerstört
werden muß.
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Claims (9)
- 690Patentansprache:X 1A Anordnung zum Härten von Anstrichstoffen und Überzügen mittels von IRASERn emittierter Infrarotstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl des IRASERs (1) über einen Einblendspiegel (7) und einen um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen schwenkbaren Ablenkspiegel (2) zur Lackfläche (3) gelangt, wobei in der Folge ein Teil der von der durch den IRASER-Strahl erwärmten Stelle der Lackfläche ausgesandten Temperaturstrahlung über den Ablenkspiegel (2) vom Teleskop (4) und dem Infrarotthermometer (5) erfaßt wird.
- 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,. daß die mit dem IR-Thermometer (5) erhaltene Information über die Oberflächentemperatur des Lackes (3) dazu verwendet wird, um mit Hilfe einer Intensitätsmodulation des IRASER-Strahles eine Regelung der Oberflächentemperatur zu bewirken.
- 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht einer Lampe. (6) über einen Kondensor (8) und einen ringförmigen Spiegel (9) in den Strahlengang des Infrarotthermometers (5) eingeblendet wird, wodurch nach Passieren des Teleskops (4) und Reflexion am Ablenkspiegel (2) die Begrenzung desjenigen Teiles der Fläche (3) sichtbar wird, der gleichzeitig vom Strahl des IRASERs (1) und von der Meßapertur des Infrarotthermometers (5) erfaßt wird.
- 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und'2, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberflächentemperatur nach einem vorwählbaren Temperatur—Zeit-Programm geändert wird.
- 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhaltung einer bestimmten Oberflächentemperatur durch Variation der Verweilzeit des IRASER-Strahles pro Flächenelement erreicht wird.
- 6. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsmodulation mit Hilfe eines ex-409842/0076ternen optischen Amplitudenmodulators durchgeführt wird, wobei die zeitliche Intensitätsänderung stetig oder digital in Form einer Impulsbreitenmodulation erfolgen kann.
- 7. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsmodulation mit Hilfe eines die Schwingungserzeugung im IRASER steuernden, internen Moddlationsverfahren erreicht.wird, wobei die zeitliche Intensitätsänderung stetig oder digital in Form einer Impulsbreiten-. modulation erfolgen kann.
- 8. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorwählbare Temperatur-Zeit-Programm durch · einen temperaturproportionalen zeitabhängigen Spannungsverlauf dargestellt wird, wobei zeitlineare Spannungsanstiege und -abnahmen durch die einen Kondensator auf- und entladenden, schaltbaren und einstellbaren Konstantstromquellen und durch einstellbare Zeitglieder Intervalle konstanter Spannung bewirkt werden.
- 9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen des Ablenkspiegels (2) um seine beiden Schwenkachsen derart festgelegt werden, daß die Halte- und Umkehrpunkte des Ablenkprogrammes digital als Koordinaten gespeichert und in der Reihenfolge der Eingabe beliebig oft vom Spiegelantrieb abgefahren-werden, wobei die Schritte von einer gespeicherten Koordinate bis zur nächsten auf dem kürzesten Weg und mit vorwählbarer Geschwindigkeit zurückgelegt werden. · .9842/00 76·Leerseite
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