EP1062467A1 - Kaltlicht-uv-bestrahlungsvorrichtung - Google Patents

Kaltlicht-uv-bestrahlungsvorrichtung

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EP1062467A1
EP1062467A1 EP99913192A EP99913192A EP1062467A1 EP 1062467 A1 EP1062467 A1 EP 1062467A1 EP 99913192 A EP99913192 A EP 99913192A EP 99913192 A EP99913192 A EP 99913192A EP 1062467 A1 EP1062467 A1 EP 1062467A1
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EP
European Patent Office
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light source
barrier
substrate
heat
radiation
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EP99913192A
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English (en)
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Michael Bisges
Knut Kisters
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DR HOENLE AG
Original Assignee
Bisges Michael
Kisters Knut
Arccure Technologies GmbH
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Publication date
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Publication of EP1062467B1 publication Critical patent/EP1062467B1/de
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    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
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    • F26B3/28—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun
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    • F26B3/28—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun
    • F26B3/283—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun in combination with convection

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of patent claim 1.
  • Such cold-light UV radiation devices are used in the coating of substrates made of heat-sensitive materials, in particular plastics, with UV lacquers and printing inks.
  • the substrates can be, for example, as moldings (bottles, disks, etc.) or as foils and
  • Disc-shaped bodies are, for example, optical information carriers such as compact discs (CD's) or digital versatile discs (DVD's).
  • Other temperature-sensitive radiation goods are ceramic-like materials, such as those used in electronic components. Metal and plastic parts contained in electronic components are also often sensitive to temperature.
  • UV light in the wavelength range from 200 to 400 nm is usually used for curing.
  • all common lamps also emit long-wave heat radiation (infrared radiation / IR radiation).
  • the long-wave heat radiation leads to deformation and embrittlement of the substrate and is therefore undesirable.
  • DE 39 02 643 C2 it is known to arrange the light source directly above the material to be irradiated and to arrange two cold light mirrors behind the light source to reduce the heat radiation. It is disadvantageous that the direct beam path from the lamp causes a high proportion of heat to reach the substrate.
  • G 901 46 52.2 and in DE 440 942 6 which reduce the thermal load on the object by means of a heat filter in the direct beam path.
  • These heat filters consist of a coated quartz glass pane and reduce the infrared radiation on the substrate only slightly. In addition, part of the UV radiation is also absorbed by the quartz glass panes.
  • DE 38 01 283 Cl discloses a device for hardening a UV protective lacquer layer on flat objects, in which there is a flat outlet nozzle between the device and the object, the nozzle being supplied with inert gas, e.g. Nitrogen is supplied, whereby the atmospheric oxygen is displaced during the exposure process and a better quality of the hardened protective lacquer layer can be achieved.
  • inert gas e.g. Nitrogen
  • a UV lamp arrangement for curing photopolymerizable substances is known.
  • the lamp In order to dissipate the heat radiation that cannot be used for curing, the lamp is surrounded by a water cooling jacket made of transparent molten quartz.
  • a semicircular reflective coating is directly on the quartz envelope of the lamp. It generally focuses the radiation from the lamp towards a focal plane in the vicinity of the substrate.
  • the invention is based on the object of providing a device for curing a UV coating which enables effective separation of the UV radiation from the IR radiation in order to reduce the thermal load on the substrate, while at the same time high UV intensity is achieved through short radiation paths.
  • the UV radiation should be able to be focused on the substrate. This object is achieved according to the invention by a device having the features of claim 1 or claim 3.
  • the device according to the invention effects an effective separation of the UN radiation from the IR radiation, in which more than 90% of the IR radiation can be absorbed. Due to the minimized path length of the radiation, the UV intensity is comparable to that of conventional devices, such as according to DE 39 02 643 C2, in which the light source is arranged directly above the material to be irradiated.
  • the separation of UN and IR radiation also enables the use of light sources with up to 8 times the power compared to the previously used light sources without increasing the heat load on the substrate. This enables extremely short cycle times or high throughput speeds to be achieved in the production lines.
  • the reflection of the UV radiation by the light source is realized instead of directing the radiation past the lamp as was customary hitherto.
  • the part of the UN reflection layer which is partially circular in cross section, surrounds the light source on its underside. At least 50% of the UV radiation impinging on the UV reflection layer is reflected by the light source onto the reflectors arranged behind the light source due to its design and arrangement according to the invention. If the UN reflection layer is applied directly to the outside of the light source, the UV radiation is reflected almost completely through the light source. The losses in the passage of UN radiation through the glass body of the light source and the gas are relatively small. The path of UN radiation is minimal. Since this solution does not require any special shaping for the reflection layer on the barrier in order to reflect the UN radiation through the light source, the barrier can be designed as a geometrically simple, heat-absorbing body, for example as a plate.
  • the heat-absorbing body of the barrier in conjunction with the UN reflection layer, avoids direct heat radiation on the substrate.
  • UV varnishes are used in which low-molecular components evaporate, the low heat development on the substrate reduces the escape of these components.
  • UV reflection layer on the barrier is part of a cold light mirror.
  • the reflectors behind the light source which are also preferably designed as cold light mirrors, only guide the UN radiation required for curing at least partially past the barrier onto the substrate.
  • holes are provided in the barrier through which cooling media and / or gases can be passed. Cooling prevents the barrier from emitting or reflecting heat radiation. The absorbed heat radiation can be given off to the cooling medium, but also to a cooling air flow if the barrier is designed according to claim 6. By cooling, the heat-absorbing body of the barrier can be kept at a constant temperature by regulating the amount of heat dissipated.
  • Gases e.g. Nitrogen
  • Nitrogen conduct to act on the substrate. In this way, short curing times can be achieved with optimal curing. It is particularly advantageous to apply the gas directly above the substrate through further holes in the form of nozzles in the barrier. These additional holes in the barrier not only allow gases to be applied, but alternatively they can also be suctioned off, for example to prevent the low molecular weight substances emerging from coatings of inferior quality from being deposited on the reflectors.
  • the reflectors arranged behind the light source are at least partially cylindrical with a part-circular cross-section.
  • the part-circular cross section of the reflectors focuses the radiation at a focal point on the substrate. If, on the other hand, you want to achieve extensive illumination, it is advisable to make the reflectors arranged behind the light source at least partially plate-shaped.
  • the asymmetrical arrangement of the barrier and reflectors according to claim 11 has the effect that the substrate is first pre-hardened as it passes under the device and then irradiated with high UN intensity. Such pre-hardening results in matting of the UV lacquer layer.
  • the intensity of the UV radiation can be varied, the intensity decreasing as the distance increases.
  • Heat shields according to claim 14 also allow adjustment of the radiation incident on the substrate. You can also completely prevent the radiation (shutter) and thus protect the substrate from excessive UN radiation when the production lines are at a standstill.
  • Adjustment possibilities of the screens of the screen system according to claims 15 and 16 make it possible to adapt the heat radiation effective on the substrate during production to changing production conditions (ambient temperature, air humidity, process speed, etc.).
  • Deflection of the lamp body is prevented in the at least partial contact between the light source and the barrier, in particular through the support body. This allows the use of lamp bodies with a length up to 4m as they for example, for the curing of coatings on very wide packaging films or floor coverings.
  • FIG. 1 shows a front view of a preferred exemplary embodiment of a device according to the invention in a schematic illustration
  • FIG. 2 shows a front view of a second preferred exemplary embodiment of a device according to the invention in a schematic illustration; .
  • FIG. 3 shows a front view of a third preferred exemplary embodiment of a device according to the invention in a schematic illustration; .
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the functioning of suction and gassing holes in barriers
  • FIG. 6 front and side view of a detail of a device according to the invention in a schematic representation.
  • Fig. 7 is a side view of the device of Figure 1 in a schematic representation.
  • Fig. 8 is a front view of a preferred embodiment of a device according to the invention in a schematic representation.
  • FIG. 1 a device according to the invention is shown schematically in section A-A of Figure 7.
  • Fig. 7 shows the side view of this device.
  • a barrier consists of a heat-absorbing body (1), a UV reflection layer (2) and bores (3,4) through which cooling media or gases can be passed.
  • the bore (3) is provided with nozzles (3b), which make it possible to apply or extract gases directly above a substrate (12) with a UN lacquer layer (13).
  • a rod-shaped light source (5) is arranged above the barrier.
  • Reflectors (6) and (7) arranged behind the light source (5) are cylindrical with a partially circular cross section, which makes it possible to focus the UN radiation in the two points (20a) on the substrate (12).
  • the reflectors (6, 7) are preferably designed as cold light mirrors in order to ensure effective separation of UV and IR radiation.
  • heat absorbers (8, 9) which are provided with cooling channels (10), are arranged behind the reflectors.
  • Fig. 2 shows a variant of the device with heat shields (14, 14b) and 3 focus points (20 b) of UV radiation. They all have a barrier, a light source and heat absorbers.
  • the reflectors (17, 18) are each made of two cylindrical parts with 10
  • the UN radiation is focused in the three points (20b).
  • the heat shields (14, 14b) it is possible to block out part of the heat radiation (19).
  • the heat shields (14, 14b) are closed with the adjusting device (15, 16, 15b, 16b) to such an extent that the heat radiation (19) no longer, or only partially, onto the UN lacquer layer (13) of the substrate (12) meets.
  • the production lines are at a standstill, it is possible to shield the coated substrate (12, 13) from the radiation by advancing the heat shields (14, 14b) up to the barrier, as a result of which the beam path on the substrate is completely closed (see dashed lines) shown position of the heat shield (14b) (shutter function)).
  • Fig. 3 shows a device similar to Fig. 2.
  • the heat absorbers (8b, 9b) are designed plate-shaped.
  • Fig. 4 illustrates the operation of the holes in the barrier.
  • nitrogen (21) or a comparable gas can be passed onto the coated substrate (12, 13) according to the illustration above.
  • the exclusion of atmospheric oxygen enables faster and better curing of the UV lacquer layer (13) on the substrate (12).
  • a suction device (not shown) can be connected to the duct (3).
  • the rising gas (22) is drawn off through the nozzles (3b).
  • the bore (3) according to the illustration below can be used for the conduction of cooling air (23), which cools the coated substrate (12, 13) in a light air flow.
  • cooling air flow (23) prevents the low molecular weight substances from rising by pushing these substances out of the radiation device.
  • the barrier basically consists of a UN reflection layer (2) and a heat-absorbing body (1), unless the UV reflection layer (2) is applied to the light source (5).
  • the UN reflection layer (2) mainly reflects short-wave UV radiation, while it is essentially transparent to infrared radiation.
  • the UV reflection layer is applied to glass.
  • the cold light mirror (2c) is arranged on the heat-absorbing body (25).
  • the UN reflection layer (2e) can, for example, also be applied directly to the light source (5), the glass body then serving as a carrier material for the UV reflection layer (2e).
  • the UV reflection layer (2.2d, 2f) can also be directly absorbed on the heat 12
  • the body (24, 26, 28) of the barrier are applied, which can then consist, for example, of an aluminum profile with an infrared absorption layer in the formation, which prevents the IR radiation from flowing back from the aluminum profile.
  • the heat-absorbing bodies (24, 25, 27, 28) of the barriers are provided with liquid cooling, while the heat-absorbing body (26) has air cooling.
  • the geometry of the barrier depends on its distance from the light source (5) and on the arrangement of the UN reflection layer (2). If the UV reflection layer (2e) is applied directly to the light source (5), the heat-absorbing body (27) forming the barrier can be designed in the form of a plate. In the case of reflection layers (2, 2d, 2f) applied directly to the barrier, the heat-absorbing body (24, 25, 26, 29) of the barrier must be shaped in accordance with the desired reflection properties. When using partially circular cold light mirrors (2c), it is also advisable to arrange them in a corresponding partially circular shape of the heat-absorbing body (25) of the barrier. Cold light mirrors (2c) are easier to replace than UV reflection layers (2, 2d, 2e, 2f) applied directly to the heat-absorbing body of the barrier or the light source (5).
  • the heat-absorbing body (28) has height-adjustable shutters (29), by means of which the proportion of direct heat radiation (19) that passes through the barrier and hits the substrate (12) can be regulated.
  • NEN diaphragms (29) no heat radiation hits the substrate directly, with the heat shields (29) completely retracted, some of the heat radiation hits the substrate.
  • the heat shields (29) can be adjusted individually.
  • Fig. 6 support bodies (30, 31) are shown, which protect the light source (5) against deflection. In the case of particularly long light sources, their vitreous bodies are unable to maintain their shape at high temperatures.
  • the light source lies selectively on the support bodies (30), while the support body (31) supports the light source over the entire length.
  • the support bodies (30, 31) can be arranged on the heat-absorbing body (1) or on the UN reflection layer (2).
  • the UV radiation is not focused in two points (20a) on the substrate as shown in FIG. 1, but rather is radially irradiated in the area (20c).
  • This areal radiation causes a slight pre-hardening of the UV lacquer layer (13), which is subsequently hardened in point (20a).
  • This hardening results in a slight roughening of the UV lacquer layer (13), which looks optically like a matting of the surface. This effect is used, for example, to produce glare-free surfaces in instrument panels.

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Description

Kaltlicht-UV-Bestrahlungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Kaltlicht-UV-Bestrahlungsvorrichtungen finden Verwendung bei der Beschichtung von Substraten aus wärmeempfindlichen Materialien, insbesondere Kunststoffen, mit UV-Lacken und -Druckfarben. Die Substrate können beispielsweise als Formkörper (Flaschen, Scheiben, etc.) oder als Folien und
Bahnen vorliegen. Scheibenförmige Formkörper sind beispielsweise optische Informationsträger wie Compact Discs (CD's ) oder Digital Versatile Discs (DVD's). Weitere temperaturempfindliche Bestrahlungsgüter sind keramikähnliche Mate- rialien, wie sie beispielsweise in elektronischen Bauteilen eingesetzt werden. Auch in elektronischen Bauteilen enthaltene Metall- und Kunststoffteile sind häufig temperaturempfindlich.
Um die UV-Lacke und -Druckfarben in den kurzen Zykluszeiten von hochproduktiven Fertigungslinien aushärten zu können, ist eine hohe UV-Lichtintensität notwendig. Üblicherweise wird zur Härtung UV-Licht im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm eingesetzt. Neben dem zur Härtung erforderlichen UV-Licht, strahlen alle gängigen Lampen aber auch die langwellige Wärmestrahlung (Infrarot-Strahlung/ IR-Strahlung) ab. Die langwellige Wärmestrahlung führt jedoch zu einer Verformung und Versprδdung des Substrats und ist daher unerwünscht. Aus der DE 39 02 643 C2 ist es bekannt, die Lichtquelle direkt über dem Bestrahlungsgut anzuordnen und hinter der Lichtquelle zwei Kaltlichtspiegel zur Reduktion der Wärmestrahlung anzuordnen. Nachteilig ist, daß durch den direk- ten Strahlengang von der Lampe ein hoher Wärmeanteil auf das Substrat gelangt .
In G 901 46 52.2 und in DE 440 942 6 werden Anordnungen gezeigt, die die Wärmebelastung des Objektes durch einen Wärme- filter im direktem Strahlengang senken. Diese Wärmefilter bestehen aus einer beschichteten Quarzglasscheibe und reduzieren die Infrarot-Strahlung auf das Substrat nur geringfügig. Außerdem wird von den Quarzglasscheiben auch ein Teil der UV- Strahlung absorbiert .
Aus der US 4,048,490 ist eine Anordnung bekannt, die den direkten Strahlengang auf das Substrat ausblendet. Dabei wird der direkte Strahlengang über eine reflektierende Barriere, an der Lampe vorbei auf Reflektoren unterhalb der Lampe und von dort auf das Substrat geführt. Nachteilig bei dieser Anordnung sind die extrem langen Strahlungswege. Die UV-Intensität nimmt jedoch mit steigender Weglänge ab. Nachteilig ist weiterhin, daß die Barriere auch die Wärmestrahlung vollständig reflektiert, wodurch die Trennung von UV- und IR-Strah- lung nicht ausreichend ist. Des weiteren kann diese Anordnung das Substrat nur flächig ausleuchten, da Lampe und Barriere zwei Strahlungsquellen darstellen. Die aufwendige geometrische Anordnung der Reflektoren und der notwendige Abstand zwischen Barriere und Lampe erfordern einen sehr großen Bau- räum für derartige Anordnungen. Sie sind daher in kleinen Fertigungslinien nicht einsetzbar.
Aus der DE 38 01 283 Cl ist eine Vorrichtung zum Härten einer UV-Schutzlackschicht auf flachen Objekten bekannt, bei der sich zwischen der Vorrichtung und dem Objekt eine flache Aus- trittsdüse befindet, der über eine Leitung Inertgas, z.B. Stickstoff zugeführt wird, wodurch beim Belichtungsvorgang der Luftsauerstoff verdrängt und eine bessere Qualität der gehärteten Schutzlackschicht erreicht werden kann.
Aus der DE 26 22 993 AI ist eine UV-Lampenanordnung zur Aushärtung von photopolymerisierbaren Stoffen bekannt. Um die für die Aushärtung nicht nutzbare Wärmestrahlung abzuführen, umgibt die Lampe ein Wasserkühlmantel aus klarsichtigem geschmolzenen Quarz. In einer Ausführungsform ist ein halbkreisförmiger reflektierender Überzug direkt auf der Quarzumhüllung der Lampe. Er fokussiert die Strahlung der Lampe allgemein in Richtung auf eine Brennebene in der Nachbarschaft des Substrats.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Härten einer UV- Beschichtung zu schaffen, die eine wirksame Trennung der UV- von der IR-Strahlung ermöglicht, um die Wärmebelastung des Substrates zu reduzieren, bei der gleichzeitig durch kurze Strahlungswege eine hohe UV-Intensität erzielt wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung soll die UV-Strahlung auf dem Substrat fokussierbar sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 oder des Anspruchs 3 gelöst .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt eine effektive Trennung der UN- von der IR-Strahlung, in dem mehr als 90 % der IR-Strahlung absorbiert werden kann. Aufgrund der minimierten Weglänge der Strahlung ist die UV-Intensität mit der von konventionellen Vorrichtungen, wie nach der DE 39 02 643 C2 vergleichbar, bei denen die Lichtquelle direkt über dem Bestrahlungsgut angeordnet ist. Die Trennung von UN- und IR- Strahlung ermöglicht darüber hinaus den Einsatz von Lichtquellen mit bis zu 8-facher Leistung im Vergleich zu den bisher eingesetzten Lichtquellen, ohne die Warmebelastung des Substrats zu erhöhen. Dadurch können extrem kurze Zykluszei- ten, bzw. hohe Durchlaufgeschwindigkeiten in den Fertigungs- linien erreicht werden.
Durch eine spezielle Geometrie der Barriere mit einer Ausformung für die UV-Reflexionsschicht und deren Anordnung direkt unterhalb der Lichtquelle wird die Reflexion der UV-Strahlung durch die Lichtquelle verwirklicht, anstatt wie bisher üblich, die Strahlung an der Lampe vorbei zu richten. Die in der Ausformung angeordnete im Querschnitt teilkreisförmige UN-Reflexionsschicht umgibt die Lichtquelle an deren Unter- seite teilweise. Mindestens 50 % der auf die UV-Reflexionsschicht auftreffenden UV-Strahlung wird aufgrund deren erfindungsgemäßer Gestaltung und Anordnung durch die Lichtquelle hindurch auf die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflektoren reflektiert. Ist die UN-Reflexionsschicht gemäß Anspruch 3 direkt an der Außenseite der Lichtquelle aufgebracht, wird die UV-Strahlung fast vollständig durch die Lichtquelle hindurch reflektiert . Die Verluste beim Durchgang der UN- Strahlung durch den Glas- körper der Lichtquelle und das Gas sind relativ gering. Der Weg der UN-Strahlung ist minimal. Da es für diese Lösung keiner besonderen Ausformung für die Reflexionsschicht an der Barriere bedarf, um die UN-Strahlung durch die Lichtquelle hindurch zu reflektieren, kann die Barriere als geometrisch einfacher, wärmeabsorbierender Körper, beispielsweise als Platte, ausgeführt sein.
Der wärmeabsorbierende Körper der Barriere vermeidet in Verbindung mit der UN-Reflexionsschicht den direkten Wärmestrah- lengang auf das Substrat.
Werden UV-Lacke verwendet, bei denen niedermolekulare Bestandteile verdampfen, wird durch die geringe Wärmeentwicklung auf dem Substrat das Austreten dieser Bestandteile ver- ringert .
Eine effektive Trennung der UV- von der IR-Strahlung ist möglich, wenn die UV-Reflexionsschicht an der Barriere Bestandteil eines Kaltlichtspiegels ist. Die vorzugsweise ebenfalls als Kaltlichtspiegel ausgebildeten Reflektoren hinter der Lichtquelle lenken nur die zur Härtung erforderliche UN- Strahlung zumindest teilweise an der Barriere vorbei auf das Substrat . In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind in der Barriere Bohrungen vorgesehen, durch die Kühlmedien und/oder Gase geleitet werden können. Eine Kühlung verhindert, daß die Barriere Wärmestrahlung emittiert oder reflektiert. Die ab- sorbierte Wärmestrahlung kann an das Kühlmedium abgegeben werden, jedoch auch an einen Kühlluftstrom, wenn die Barriere gemäß Anspruch 6 ausgestaltet ist. Durch die Kühlung kann der wärmeabsorbierende Körper der Barriere auf konstanter Temperatur gehalten werden, in dem die abgeführte Wärmemenge regu- liert wird.
Über die Bohrungen lassen sich auch Gase, z.B. Stickstoff, leiten, um das Substrat damit zu beaufschlagen. Hierdurch lassen sich kurze Härtungszeiten bei optimaler Härtung erzie- len. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Gas durch weitere Bohrungen in Form von Düsen in der Barriere direkt über dem Substrat aufzubringen. Über diese weiteren Bohrungen in der Barriere lassen sich jedoch nicht nur Gase aufbringen, sondern alternativ auch absaugen, um beispielsweise zu ver- hindern, daß die aus BeSchichtungen mit minderer Qualität austretenden niedermolekularen Stoffe sich auf den Reflektoren niederschlagen.
Um die UV-Strahlung in einem Punkt zu fokussieren, sind die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflektoren zumindest teilweise zylindrisch mit teilkreisfδrmigem Querschnitt ausgeführt. Der teilkreisförmige Querschnitt der Reflektoren fo- kussiert die Strahlung in einem Brennpunkt auf dem Substrat . Will man dagegen eine flächige Ausleuchtung erreichen, ist es zweckmäßig die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflektoren zumindest teilweise plattenförmig auszuführen. Die asymetrische Anordnung der Barriere und Reflektoren nach Anspruch 11 bewirkt, daß das Substrat beim Durchlaufen unter der Vorrichtung zuerst vorgehärtet und anschließend mit hoher UN-Intensität bestrahlt wird. Durch eine derartige Vorhärtung erreicht man eine Mattierung der UV-Lackschicht .
Wenn der Abstand zwischen der Barriere und der Lichtquelle verstellbar ist, läßt sich die Intensität der UV-Strahlung variieren, wobei mit größerem Abstand die Intensität abnimmt.
Ein geringer Anteil an Wärmestrahlung ist notwendig, um eine optimale Härtung zu erreichen. Durch eine mittels eines Blen- denssytems verstellbare Barrierengeometrie nach Anspruch 13 kann der Anteil der Strahlung der noch an der Barriere vorbei geht, verstellt werden. Wärmeblenden nach Anspruch 14 ermöglichen ebenfalls eine Verstellung der auf dem Substrat einfallenden Strahlung. Sie können die Strahlung auch vollständig verhindern (Shutter) und somit bei Stillständen der Produktionslinien das Substrat vor einer zu langen UN-Be- Strahlung schützen.
Verstellmöglichkeiten der Blenden des Blendensystems gemäß den Ansprüchen 15 und 16 erlauben es, die auf dem Substrat wirksame Wärmestrahlung bei laufender Produktion an sich än- dernde Produktionsbedingungen (Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Prozeßgeschwindigkeit usw.) anzupassen.
In dem zumindest teilweise Kontakt zwischen Lichtquelle und Barriere, insbesondere durch Stützkörper besteht, wird eine Durchbiegung des Lampenkörpers verhindert. Dies erlaubt den Einsatz von Lampenkörpern mit einer Länge bis zu 4m, wie sie beispielsweise für die Lackhärtung auf sehr breiten Verpackungsfolien oder Bodenbelägen erforderlich sind.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung;
Fig. 2 eine Vorderansicht eines zweiten bevorzugten Aus- führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung; .
Fig. 3 eine Vorderansicht eines dritten bevorzugten Aus- führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vor- richtung in schematischer Darstellung; .
Fig. 4 schematische Darstellung der Funktionsweise von Absaug- und Begasungsbohrungen in Barrieren;
Fig. 5 verschiedenen Ausführungsbeispiele für
Barrieren; .
Fig. 6 Vorder- und Seitenansicht eines Details einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Dar- Stellung.
Fig. 7 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Figur 1 in schematischer Darstellung. Fig. 8 eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung.
In Fig. 1 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt A-A nach Figur 7 schematisch dargestellt. Fig. 7 zeigt die Seitenansicht dieser Vorrichtung. Eine Barriere besteht aus einem wärmeabsorbierenden Körper (1) , einer UV-Reflexions- schicht (2) und Bohrungen (3,4) durch die Kühlmedien oder Gase geleitet werden können. Die Bohrung (3) ist mit Düsen (3b) versehen, die es ermöglichen, Gase direkt über einem Substrat (12) mit einer UN-Lackschicht (13) auszubringen bzw. davon abzusaugen. Oberhalb der Barriere ist eine stabförmige Lichtquelle (5) angeordnet. Hinter der Lichtquelle (5) ange- ordnete Reflektoren (6) und (7) sind zylindrisch mit teil- kreisförmigem Querschnitt, wodurch es möglich ist, die UN- Strahlung in den zwei Punkten (20a) auf dem Substrat (12) zu fokussieren. Die Reflektoren (6,7) werden bevorzugt als Kaltlichtspiegel ausgelegt, um eine effektive Trennung von UV- und IR-Strahlung zu gewährleisten. Um die durch die Reflektoren (6,7) transmittierende IR-Strahlung zu absorbieren, werden hinter den Reflektoren Wärmeabsorber (8,9) angeordnet, die mit Kühlkanälen (10) versehen sind. Es ist aber auch möglich, die Wärmeabsorber (8,9) durch einen Luftstrom zu küh- len.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Vorrichtung mit Wärmeblenden (14, 14b) und 3 Fokuspunkten (20 b) der UV-Strahlung. Übereinstimmend weist sie eine Barriere, eine Lichtquelle und Wärmeabsorber auf. Im Gegensatz zu Fig. 1 sind die Reflektoren (17,18) aus je zwei zylindrischen Teilen mit teilkreis- 10
förmigem Querschnitt zusammengesetzt . Dadurch wird die UN- Strahlung in den drei Punkten (20b) fokussiert. Mit den Wärmeblenden (14,14b) ist es möglich, einen Teil der Wärmestrahlung (19) auszublenden. Dazu werden die Wärmeblenden (14,14b) mit der Versteileinrichtung (15, 16, 15b, 16b) soweit geschlossen, daß die Wärmestrahlung (19) nicht mehr, oder nur zum Teil auf die UN-Lackschicht (13) des Substrates (12) trifft. Bei Stillständen der Fertigungslinien ist es möglich, das beschichtete Substrat (12,13) vor der Strahlung abzu- schirmen, indem die Wärmeblenden (14, 14b) bis zur Barriere vorgeschoben werden, wodurch der Strahlengang auf das Substrat vollständig verschlossen wird (vgl. gestrichelt dargestellte Position der Wärmeblende (14b) (Shutterfunktion) ) .
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Vorrichtung wie Fig. 2. Allerdings sind hierbei die Wärmeabsorber (8b, 9b) plattenförmig ausgeführt .
Fig. 4 verdeutlicht die Funktionsweise der Bohrungen in der Barriere. Durch die Bohrung (3) und die Düsen (3b) kann entsprechend der oberen Abbildung Stickstoff (21) oder ein vergleichbares Gas auf das beschichtete Substrat (12,13) geleitet werden. Der Ausschluß von Luftsauerstoff ermöglicht eine schnellere und bessere Aushärtung der UV-Lackschicht (13) auf dem Substrat (12) .
Verzichtet man auf eine Begasung so besteht nach der mittleren Abbildung die Möglichkeit, die Bohrung (3) als Absaugvorrichtung einzusetzen. Die von der UV-Lackschicht (13) austre- tenden niedermolekularen Bestandteile bewirken im normalen 11
Betrieb eine schnelle Verschmutzung der Reflektoren (6, 7,17,18)) . Um dieses zu vermeiden, kann eine nicht dargestellte Absaugvorrichtung an den Kanal (3) angeschlossen werden. Durch die Düsen (3b) wird das aufsteigende Gas (22) abge- saugt .
Bei besonders wärmeempfindlichen Substraten kann die Bohrung (3) nach der unteren Abbildung für die Leitung von Kühlluft (23) eingesetzt werden, die in einem leichten Luftström das beschichtete Substrat (12,13) kühlt. Gleichzeitig verhindert der Kühlluftstrom (23) , daß die niedermolekularen Substanzen aufsteigen können, in dem er diese Substanzen aus der Bestrahlungsvorrichtung herausdrückt .
In Fig. 5 werden verschiedene Ausführungsformen der Barriere dargestellt. Grundsätzlich besteht die Barriere aus einer UN- Reflexionsschicht (2) und einem wärmeabsorbierendem Körper (1) , es sei denn die UV-Reflexionsschicht (2) ist auf der Lichtquelle (5) aufgebracht.
Die UN-Reflexionsschicht (2) , reflektiert vorwiegend kurzwellige UV-Strahlung, während sie für Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässig ist. Bei Kaltlichtspiegeln (2c) ist die UV-Reflexionsschicht auf Glas aufgebracht. Der Kaltlicht- Spiegel (2c) ist auf dem wärmeabsorbierenden Körper (25) ange- ordnetet. Die UN-Reflexionsschicht (2e) kann beispielsweise auch dirket auf der Lichtquelle (5) aufgebracht werden, wobei dann deren Glaskörper als Trägermaterial für die UV-Reflexionsschicht (2e) dient. Weiterhin kann die UV-Reflexions- schicht (2,2d,2f) auch unmittelbar auf dem wärmeabsorbieren- 12
den Körper (24, 26, 28) der Barriere aufgebracht werden, der dann beispielsweise aus einem Aluminium-Profil mit einer Infrarot-Absorptionsschicht in der Ausformung bestehen kann, die eine Rückfluß der IR-Strahlung aus dem Aluminium-Profil verhindert .
Die wärmeabsorbierenden Körper (24,25,27,28) der Barrieren sind mit einer Flüssigkeitskühlung versehen, während der wärmeabsorbierende Körper (26) eine Luftkühlung aufweist. Die Geometrie der Barriere hängt von deren Abstand zur Lichtquelle (5) und von der Anordnung der UN-Reflexionsschicht (2) ab. Ist die UV-Reflexionsschicht (2e) direkt auf der Lichtquelle (5) aufgebracht, so kann der die Barriere bildende wärmeabsorbierenden Körper (27) plattenförmig ausgeführt wer- den. Bei direkt auf der Barriere aufgebrachten Reflexions- schichten(2, 2d,2f) muß der wärmeabsorbierende Körper (24,25,26,29) der Barriere entsprechend den gewünschten Reflexionseigenschaften ausgeformt sein. Auch bei der Verwendung von teilkreisförmigen Kaltlichtspiegeln (2c) empfiehlt sich deren Anordnung in einer entsprechenden teilkreisförmigen Ausformung des wärmeabsorbierenden Körpers (25) der Barriere. Kaltlichtspiegel (2c) sind leichter austauschbar, als direkt auf dem wärmeabsorbierenden Körper der Barriere bzw. der Lichtquelle (5) aufgebrachte UV-Reflexionsschichten (2, 2d,2e,2f) .
Der wärmeabsorbierende Körper (28) weist höhenverstellbare Blenden (29) auf, durch die der Anteil der direkten Wärmestrahlung (19) , der die Barriere passiert und auf das Sub- strat (12) trifft, geregelt werden kann. Bei voll ausgefahre- 13
nen Blenden (29) trifft keine Wärmestrahlung direkt auf das Substrat, bei ganz eingefahrenen Wärmeblenden (29) trifft ein Anteil der Wärmestrahlung auf das Substrat . Die Wärmeblenden (29) lassen sich einzeln verstellen.
In Fig. 6 werden Stützkörper (30, 31) dargestellt, die die Lichtquelle (5) vor einer Durchbiegung schützen. Bei besonders langen Lichtquellen ist deren Glaskörper bei hohen Temperaturen nicht in der Lage, seine Form zu halten. Die Barriere zusammen mit den Stützkδrpern (30,31), die einen
Kontakt zwischen Lichtquelle und Barriere herstellen, verhindern die Durchbiegung. Auf den Stützkδrpern (30) liegt die Lichtquelle punktuell auf, während der Stützkörper (31) die Lichtquelle auf der gesamten Länge stützt. Die Stützkörper (30,31) können auf dem wärmeabsorbierenden Körper (1) oder auf der UN-Reflexionsschicht (2) angeordnet sein.
Fig. 8 zeigt eine asymmetrisch zu einer vertikalen Ebene aufgebaute Vorrichtung, wobei die vertikale Ebene die Längsachse der Lichtquelle (5) enthält und senkrecht auf der Oberfläche des Substrates (12) steht. Bei einer solchen Vorrichtung wird die UV-Strahlung nicht wie in Fig. 1 gezeigt, in zwei Punkten (20a) auf dem Substrat fokussiert, sondern im Bereich (20c) flächig aufgestrahlt. Diese flächige Bestrahlung bewirkt eine leichte Vorhärtung der UV-Lackschicht (13) , die nachfolgend im Punkt (20a) ausgehärtet wird. Durch diese Härtung erzielt man eine leichte Aufrauhung der UV-Lackschicht (13) , die optisch wie eine Mattierung der Oberfläche aussieht. Dieser Effekt wird zum Beispiel zur Herstellung blendfreien Ober- flächen in Instrumententafeln ausgenutzt.

Claims

14Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Härten einer UV-Beschichtung (13), insbesondere einer UV-Lackschicht oder von UV-Druckfarben, auf einem Substrat (12) , insbesondere auf wärmeempfindlichen Materialien, mit mindestens einer über dem Substrat (12) angeordneten Lichtquelle (5) , deren Licht der UV-Beschichtung (13) über ein Reflektorsystem (2,6,7,17,18) zum Zwecke der Aushärtung zuführbar ist, wobei mindestens eine Barriere den direkten Strahlengang der Lichtquelle auf das Substrat (12) zumindest teilweise ausblendet, dadurch gekennzeichnet, daß
- von der Lichtquelle (5) emittierte UV-Strahlung von einer UV-Reflexionsschicht (2,2d,2f) der Barriere durch die Lichtquelle (5) hindurch auf die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflektoren (6,7,17,18) reflektiert wird und die Barriere zumindest einen wärmeabsorbierenden Kör- per (1,24,25,26,28) aufweist, der von der Lichtquelle (5) emittierte Wärmestrahlung zumindest teilweise absorbiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere direkt unterhalb der Lichtquelle (5) angeordnet ist und eine Ausformung für die UV-Reflexions- schicht (2) aufweist.
3. Vorrichtung zum Härten einer UV-Beschichtung (13), insbe- sondere einer UV-Lackschicht oder von UV-Druckfarben auf einem Substrat (12) , insbesondere auf wärmeempfindlichen Materialien, mit mindestens einer über dem Substrat angeordneten Lichtquelle (5) , deren Licht der UV-Beschichtung (13) über ein Reflektorsystem (2,6,7,17,18) zum Zwecke der Aushärtung zuführbar ist, wobei mindestens eine
Barriere den direkten Strahlengang der Lichtquelle (5) 15
auf das Substrat (12) zumindest teilweise ausblendet, dadurch gekennzeichnet, daß
- von der Lichtquelle (5) emittierte UV-Strahlung von einer direkt auf der Lichtquelle aufgebrachten UV-Reflexionsschicht (2e) durch die Lichtquelle (5) hindurch auf die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflektoren (6, 7, 17, 18) reflektiert wird und die Barriere zumindest einen wärmeabsorbierenden Kör- per (27) aufweist, der von der Lichtquelle (5) emittierte Wärmestrahlung zumindest teilweise absorbiert .
4 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Barriere Bohrungen (3, 3b, 4) vorgesehen sind, durch die Kühlmedien und/oder Gase geleitet werden können.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Reflexionsschicht (2) Bestandteil eines Kaltlichtspiegels (2c) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß der wärmeabsorbierende Körper (26) der
Barriere mit Kühlrippen ausgestattet ist, die die Wärme an einen Kühlluftstrom abgeben.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Reflektoren (6, 7, 17, 18) hinter der Lichtquelle (5) die UN-Strahlung zumindest teilweise an der Barriere vorbei auf die Beschichtung (13) des Substrats (12) umlenken. 16
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hinter der Lichtquelle (5) angeordneten Reflektoren (6, 7, 17, 18) zumindest teilweise plattenförmig ausgeführt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Ibis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hinter der Lichtquelle (5) angeordneten Reflektoren (6, 7, 17, 18) zumindest teilweise zy- lindrisch mit teilkreisförmigem Querschnitt ausgeführt sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere und die Reflektoren (6,7,17,18) hinter der Lichtquelle (5) symmetrisch zu einer vertikalen Ebene aufgebaut sind, die die Längsachse der Lichtquelle (5) enthält und senkrecht auf der Oberfläche des Substrates (12) steht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere und die Reflektoren (6,7b) hinter der Lichtquelle (5) asymmetrisch zu einer vertikalen Ebene aufgebaut sind, die die Längsachse der Lichtquelle (5) enthält und senkrecht auf der Oberfläche des Substrates (12) steht.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Barriere und der Lichtquelle (5) verstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere ein Blendensystem mit höhenverstellbaren Blenden (29) aufweist, das eine Einstellung der Strahlung ermöglicht, die unreflektiert von der Lichtquelle (5) auf die UV-Beschichtung (13) des Substrats (12) trifft . 17
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis an die Barriere verschieb- liche, oberhalb des Substrates (12) angeordnete Wärmeblenden (14, 14b) aufweist, die das Substrat (12) vor der Strahlung der Lichtquelle (5) vollständig abschirmen können .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (29) des Blendensystems und/oder die Wärmeblenden (14, 14b) asymmetrisch zu einer vertikalen Ebene verstellbar sind, die die Längsachse der Lichtquelle (5) enthält und senkrecht auf der Oberfläche des Substrates (12) steht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (29) des Blendensystems und/oder die Wärmeblenden (14, 14b) von außen während des Betriebs der Vorrichtung verstellbar sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (29) des Blendensystems und/oder die Wärmeblenden (14, 14b) über einen elektrischen oder pneumatischen Antrieb verstellbar sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 4 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß die von der Lichtquelle (5) emittierte und die von der UV-Reflexionsschicht (2) der Barriere durch die Lichtquelle (5) hindurch reflektierte Strahlung zumindest teilweise von den Reflektoren (6, 7, 17, 18) auf der Beschichtung (13) des Substrat (12) fo- kussiert wird.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest teilweise Kontakt zwischen Barriere und Lichtquelle (5) besteht. 18
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spalt zwischen Barriere und Lichtquelle (5) mindestens ein Stützkörper (30, 31) vorgesehen ist, der ein Durchbiegen des heißen Lampenkörpers der Lichtquelle (5) verhindert.
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