DE3407320C1 - Verfahren und Anlage zur Elektronenstrahlhärtung - Google Patents

Description

• Ein solches Mehrstrahlsystem, bei dem jedes einzelne Strahlsystem nur einen Teil der Durchlaufbreite bestrahlt, erfordert eine genaue Regelung jedes einzelnen Strahlstromes. Dies ist nur dann möglich, wenn entweder die Kathodenströme bei dem hohen negativen Potential der Kathoden mit ausreichender Genauigkeit einzeln gemessen werden, was nur mit beträchlichem Aufwand möglich ist, oder wenn zwei separate Hoch- spannungsversorgungen vorhanden sind~ in diesem Falle lassen sich die einzelnen Strahlströme am geerdeten Pol der Hochspannungswicklung des Transformators messen.
• Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Elektronenstrahlhärtungsanlage anzugeben, bei dem bzw. bei der die mindestens zwei Strahlsysteme derart steuerbar sind, daß bei gleichmäßiger Bestrahlung des Materials über die gesamte Durchlaufbreite eine einzige Hochspannungsquelle für die Speisung der Strahlsysteme ausreichend ist, ohne daß aufwendige Strommessungen bei hohem negativem Potential mit hoher Genauigkeit erforderlich sind.
• Diese Aufgabe wird, was das Verfahren anbelangt, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Elektronenstrahl jedes der Strahlsysteme die Materialschicht auf ihrer gesamten Durchlaufbreite übersteigt.
• Im Gegensatz zu dem früheren Vorschlag, gemäß welchem jedes der nebeneinander angeordneten Strahlsysteme einen Streifen vorgegebener Breite der durchlaufenden Materialschicht überstreicht, wird also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit jedem der Elektronenstrahlen die gesamte Durchlaufbreite erfaßt, so daß es nicht zu dem gefürchteten Effekt kommen kann, daß gewisse Bereiche der Materialschicht mit einer Überdosis, einer Unterdosis oder überhaupt nicht bestrahlt werden. Außerdem kann für beide bzw. alle Strahlsysteme bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine gemeinsame Hochspannungsversorgung vorgesehen sein, da es aufgrund der Tatsache, daß jeder Elektronenstrahl die gesamte Durchlaufbreite der zu härtenden Materialschicht überstreicht, nicht mehr darauf ankommt, mit welcher Leistung die einzelnen Strahlsysteme arbeiten, sondern nur noch auf die von den Strahlsystemen gemeinsam erzeugte Gesamtleistung. Als Regelgröße für diese Gesamtleistung kann dann der leicht meßbare gesamte Massestrom der Hochspannungswicklung des Transformators benutzt werden.
• Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dabei die Möglichkeit, bei Ausfall eines Strahlsystems mit dem verbleibenden Strahlsystem bzw.
• den verbleibenden Strahlsystemen weiterzuarbeiten, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit der zu bestrahlenden Bahn gegebenenfalls zu reduzieren wäre, so daß keine sofortige Betriebsunterbrechung erforderlich ist, wie dies bei Anlagen der Fall ist, bei denen jedes Strahlsystem nur einen Streifen vorgegebener Breite erfaßt.
• Die erforderlichen Reparatur- und Wartungsarbeiten können somit nach Schichtende durchgeführt werden, ohne den Betriebsablauf zu beeinträchtigen.
• Was die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anbelangt, so hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens zwei quer zur Durchlaufrichtung des zu härtenden Materials nebeneinander angeordneten Strahlsysteme derart ausgebildet sind, daß mit den von ihnen erzeugten Elektronenstrahlen die Materialschicht auf ihrer gesamten Durchlaufbreite überstreichbar ist.
• Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn für die Strahlsysteme eine einzige gemeinsame Hochspannungsquelle vorgesehen ist, wobei jedoch für jedes der normalerweise eine Kathode, einen Wehnelt-Zylinder, eine Anode und Fokussier- und Ablenkspulen umfassenden Strahlsysteme - gegebenenfalls können mehrere Strahlsysteme auch verschiedene Elemente gemeinsam haben, wie z. B. den Wehnelt-Zylinder oder insbe- sondere die Anode - getrennt ansteuerbare Ablenksysteme vorgesehen sind, während die Heizungssteuerung für mehrere Strahlsysteme ganz oder zum Teil gemeinsam oder auch für jedes System getrennt vorgesehen sein kann.
• Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn den Strahlsystemen anstelle getrennter evakuierter Kammern eine einzige gemeinsame evakuierte Kammer zugeordnet ist, in der zumindest die Elektronenstrahlaustrittsöffnungen der Strahlsysteme angeordnet sind, die aber die Strahlsysteme auch vollständig aufnehmen kann.
• In Ausgestaltung der Erfindung hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ablenkung des Elektronenstrahls bei jedem Strahlsystem quer zur Durchlaufrichtung derart asymmetrisch steuerbar ist, daß eine Kompensation der aufgrund der asymmetrischen Anordnung des Strahlsystems bezüglich der Längsmittelachse der durchlaufenden Materialschicht eintretenden Änderung der Strahlungsdichte quer zur Materialschicht herbeiführbar ist.
• Alternativ besteht in Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, die einzelnen Strahlsysteme bezüglich der durchlaufenden Materialschicht so zu positionieren, daß ihre Längsachsen etwa in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den maximal abgelenkten Strahlen ausgerichtet sind. Bei dieser Ausgestaltung wird dann wieder eine eher symmetrische Ansteuerung der Ablenkspuren für die Querauslenkung möglich.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische, schematische Übersichtszeichnung einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; F i g. 2a und F i g. 2b jeweils eine schematische Querschnittsdarstellung zweier Varianten einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und F i g. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Im einzelnen zeigt F i g. 1 eine Elektronenstrahlhärtungsanlage, bei der ein bandförmiges Produkt 12, welches aus dem zu härtenden Material besteht oder an seiner Oberfläche mit diesem beschichtet ist, durch eine Bestrahlungsstation 14 hindurchgeführt wird. An der Bestrahlungsstation 14 befinden sich zwei Strahlsysteme 16, von denen jedes einen Elektronenstrahl gegen die Oberseite des Produktes 12 richtet. Die Strahlsysteme 16 befinden sich dabei in einer evakuierten Kammer 20, deren Begrenzung in Strahlrichtung durch ein sogenanntes Elektronenfenster gebildet wird, das dem zu bestrahlenden durchlaufenden bandförmigen Produkt 12 unmittelbar benachbart ist und durch welches die von den Strahlsystemen 16 erzeugten Elektronenstrahlen hindurchgehen. Außerdem ist es vorteilhaft, zwischen dem Elektronenfenster und der Oberfläche des Produktes 12 eine Inertgasatmophäre, beispielsweise eine Stickstoffatmosphäre, aufrechtzuerhalten, um beim Aushärten unerwünschte Oxydationserscheinungen zu verhindern.
• Wie F i g. 2a zeigt, werden die Strahlsysteme 16 bei Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren so gesteuert, daß der aus jedem der Strahlsysteme 16 austretende Elektronenstrahl die gesamte Durchlaufbreite b des Produktes 12 in x-Richtung überstreicht, was durch eine entsprechende Ansteuerung der Ablenkspule des Strahlsystems 16 erreicht wird, wobei die x-Richtung, wie dies in F i g. 1 angedeutet ist, quer zur Breite des Produktes 12 und senkrecht zur Transportrichtung y verläuft Bei der in F i g. 1 und 2a getroffenen Anordnung der beiden Strahlsysteme 16 ergibt sich eine gewisse Asymmetrie der Strahlungsdichte in x-Richtung, wenn man den Elektronenstrahl in x-Richtung mit konstanter Geschwindigkeit oszillieren läßt, wobei dieser Effekt durch die Strahlungsschatten des Stützgitters des Elektronenfensters verschärft werden kann.
• Zur Kompensation dieser unerwünschten Änderung der Strahlungsdichte in x-Richtung erfolgt daher erfindungsgemäß vorzugsweise eine asymmetrische Steuerung der x-Ablenkung in der Weise, daß der Elektronenstrahl in Abhängigkeit vom Einfallswinkel bezüglich der Oberfläche des Produktes 12 bei flacher werdendem Einfallswinkel langsamer ausgelenkt wird und bei steiler werdendem Einfallswinkel schneller. Auf diese Weise läßt sich für jedes der Strahlsysteme 16 an jedem Punkt quer zur Laufrichtung y des Produktes 12 in engen Toleranzen dieselbe Strahlungsdichte erreichen. Im übrigen würde bei der Anordnung gemäß F i g. 2a ein drittes Strahlsystem in y-Richtung versetzt über der Längsmittelachse des Produktes 12 angeordnet.
• Bei der Variante gemäß F i g. 2b, welche bezüglich der Funktion völlig derjenigen gemäß F i g. 2a entspricht, sind die Strahlsysteme 16 nicht außen derart an der Kammer 20 angeflanscht, daß sich nur ihre Elektronenstrahlaustrittsöffnungen in der Kammer 20 befinden bzw. sich zu dieser öffnen, sondern direkt im oberen Teil der Kammer 20 angeordnet, der gegebenenfalls lösbar mittels einer Flanschverbindung 21 mit dem unteren Teil der Kammer 20 verbunden sein kann.
• Gemäß F i g. 3 besteht zur Erzielung einer im wesentlichen gleichbleibenden Strahlungsdichte über die gesamte Produktbreite ferner die Möglichkeit, die Strahlsysteme 16 derart schräg anzuordnen, daß ihre Längsachsen a etwa die Winkelhalbierende zwischen den maximal abgelenkten Strahlen bilden. In diesem Fall sind der maximal erforderliche Auslenkwinkel und die Asymmetrie der Auslenkung wesentlich reduziert, was zu geringeren Abbildungsfehlern führt. Dabei ist zu beachten, daß die Fig. 2 und 3 nicht maßstäblich, sondern gegenüber der Praxis zu niedrig sind, was bedeutet, daß der Schwenkwinkel für den aus einem Strahlsystem 16 austretenden Elektronenstrahl in der Praxis wesentlich kleiner ist als dies in den Zeichnungsfiguren der Fall ist.
• Während vorstehend Anordnungen mit zwei bzw.
• drei Strahlsystemen erläutert wurden, versteht es sich, daß auch vier oder mehr Strahlsysteme eingesetzt werden können, wobei die Strahlsysteme in x-Richtung nebeneinander und in y-Richtung hintereinander derart angeordnet werden können, daß ihre Längsmittelachsen beispielsweise bei drei Systemen an den Ecken eines Dreiecks und bei vier Systemen an den Ecken eines Rechtecks liegen. Dabei versteht es sich außerdem, daß die Ausfallsicherheit der Anlage mit zunehmender Zahl der Strahlsysteme ansteigt.

Claims (10)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum kontinuierlichen Härten einer eine Elektronenstrahlhärtungsanlage durchlaufenden, eine vorgegebene Durchlaufbreite aufweisenden Materialschicht durch Bestrahlung mit oszillierend quer zur Durchlaufrichtung des Materials ausgelenkten Elektronenstrahlen aus mindestens zwei quer zur Durchlaufrichtung nebeneinander angeordneten Strahlsystemen, d a d u r c h g e k e n n -zeichnet, daß der Elektronenstrahl jedes der Strahlsysteme die Materialschicht auf ihrer gesamten Durchlaufbreite überstreicht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schwenkwinkel der Elektronenstrahlen pro Zeiteinheit derart steuert, daß sich über die gesamte Durchlaufbreite der Materialschicht eine in engen Toleranzen konstante Strahlungsdichte ergibt.
3. 3. Elektronenstrahlhärtungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit mindestens zwei quer zur Durchlaufrichtung einer die Anlage durchlaufenden, eine vorgegebene Durchlaufbreite aufweisenden Materialschicht nebeneinander angeordneten Strahlsystemen zur Erzeugung von quer zu Durchlaufrichtung des Materials oszillierenden, der Härtung des Materials der Materialschicht dienenden Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß Steuereinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Ablenkspulenstrom für die Quer-Ablenkung für den Elektronenstrahl jedes der Systeme (16) derart steuerbar ist, daß die Materialschicht (12) von jedem Elektronenstrahl auf ihrer gesamten Durchlaufbreite (b) uberstreichbar ist.
4. 4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlsysteme (16) zumindest mit ihren Elektronenstrahlaustrittsöffnungen in einer gemeinsamen evakuierten Kammer (20) angeordnet sind, welche ein Elektronenfenster (18) für das Austreten der von den Strahlsystemen (16) erzeugten Elektronenstrahlen besitzt
5. 5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlsysteme (16) an die evakuierte Kammer (20) angeflanscht sind.
6. 6. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Strahlsysteme (16) eine einzige gemeinsame Hochspannungsquelle vorgesehen ist und daß für jedes Strahlsystem (16) jeweils eine getrennte Heizungssteuerung und getrennt ansteuerbare Ablenksysteme vorgesehen sind.
7. 7. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung des Elektronenstrahls jedes der Strahlsysteme (16) quer zur Durchlaufrichtung der Materialschicht (12) derart asymmetrisch steuerbar ist, daß eine Kompensation einer aufgrund einer asymmetrischen Anordnung eines Strahlsystems (16) bezüglich der Längsmittelachse der durchlaufenden Materialschicht (12) eintretende Änderung der Strahlungsdichte quer zur Materialschicht (12) herbeiführbar ist.
8. 8. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (a) der einzelnen Strahlsysteme (16) etwa in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den maximal abgelenkten Strahlen ausgerichtet sind.
9. 9. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Strahlsysteme (16) vorgesehen sind und daß die Längsachsen (a) der Strahlsysteme (16) durch die Eckpunkte eines Dreiecks hindurchgehen.
10. 10. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vier Strahlsysteme (16) vorgesehen sind und daß die Längsachsen (a) der Strahlsysteme (16) durch die Eckpunkte eines Rechtecks hindurchgehen.

    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Härten einer eine Elektronenstrahlhärtungsanlage durchlaufenden, eine vorgegebene Durchlaufbreite aufweisenden Materialschicht durch Bestrahlung mit oszillierend quer zur Durchlaufrichtung des Materials ausgelenkten Elektronenstrahlen aus mindestens zwei quer zur Durchlaufrichtung nebeneinander angeordneten Strahlsystemen sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

    Es ist bekannt (DE-AS 23 32 116), Materialien, welche durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen gehärtet werden können, kontinuierlich unter einem Strahlsystern hindurchzuführen, dessen Elektronenstrahl oszillierend quer zur Breite des durchlaufenden Materials ausgelenkt wird, um so einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen, wobei das härtbare Material insbesondere als Lack- bzw. Kunststoffschicht auf einem bahnförmigen Trägermaterial oder auf einzelnen Trägerelementen, wie zum Beispiel Blechplatten, vorliegt.

    Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, zwei Strahlsysteme quer zur Laufrichtung des Materials nebeneinander anzuordnen, um auch mit größeren Durchlaufbreiten arbeiten zu können, wenn die Leistung eines einzigen Strahlsystems nicht mehr ausreicht, um bei der geforderten Durchlaufgeschwindigkeit ein Aushärten des Materials über die gesamte Durchlaufbreite zu erreichen, oder wenn wegen der Beschränkung des maximalen Auslenkwinkels ein einziges Strahlsystem zu lang würde.

    Nachteilig an einem derartigen Mehrstrahlsystem ist es, daß die einzelnen Elektronenstrahlen quer zur Durchlaufrichtung exakt so gesteuert bzw. abgeblendet werden müssen, daß sich die bestrahlten Bereiche weder überlappen noch einen unbestrahlten oder schwächer bestrahlten Streifen in der Mitte des Bandes freilassen.

    Weiterhin ist es aufgrund der stark nicht-linearen und von Kathode zu Kathode nicht genau reproduzierbaren Abhängigkeit des Strahlstroms vom Kathoden-Heizstrom nur schwer möglich, bei zwei getrennten Strahlsystemen eine in engen Toleranzen gleiche Bestrahlungsleistung in der linken und rechten Hälfte des zu bestrahlenden Bandes sicherzustellen. Dies gilt in besonderem Maße dann, wenn rasche Änderungen der Bestrahlungsleistung gefordert sind - etwa beim Anfahren, wobei in jedem Augenblick die Bestrahlungsleistung exakt mit der momentanen Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes korreliert sein muß.