EP1400287B1 - Vorrichtung zur Härtung UV-strahlungshärtbarer Beschichtungen - Google Patents

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EP1400287B1
EP1400287B1 EP03020307A EP03020307A EP1400287B1 EP 1400287 B1 EP1400287 B1 EP 1400287B1 EP 03020307 A EP03020307 A EP 03020307A EP 03020307 A EP03020307 A EP 03020307A EP 1400287 B1 EP1400287 B1 EP 1400287B1
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EP
European Patent Office
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irradiation
radiation sources
radiation
irradiation module
module
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Expired - Lifetime
Application number
EP03020307A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1400287A1 (de
Inventor
Reiner Dr. Mehnert
Axel Sobottka
Herbert Lange
Hartmut Krannich
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Cetelon Lackfabrik GmbH
Original Assignee
Cetelon Lackfabrik GmbH
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
    • B05D3/061—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation using U.V.
    • B05D3/065—After-treatment
    • B05D3/067—Curing or cross-linking the coating

Definitions

  • the present invention relates to a device for curing radiation-curable coatings which has at least one irradiation chamber provided with a plurality of UV radiation sources, in particular of flat or three-dimensional substrates provided with such coatings.
  • the curing of radiation-curable coatings by high-energy UV radiation is known, for example using medium-pressure mercury radiators or UV excimer radiators (R. Mehnert et al., UV ⁇ t EB Technology and Application, SITA-Valley, London 1998).
  • the specific electrical power of these radiators is typically between 50 and 240 W per cm radiator length. With a spotlight length of 1 m, the converted electrical power is between 5 and 24 kW.
  • These powerful spotlights are used primarily for curing coatings on flat substrates.
  • typical illuminance levels of 100 to 1000 mW / cm 2 are measured. This makes it possible to achieve cure times of 100ms and less.
  • Such a system is known, for example, from DE 24 25 217 A1.
  • a generic device is, for example, also known from WO 96/34700 A1 and FR 2 230 831 A1.
  • UV emitters Because of the biological effects of UV rays, extensive shielding and other protective measures are required when these UV emitters are used. For curing coatings on three-dimensional objects z. For example, individual UV lamps mounted in closed spaces so that a sufficient radiation protection can be granted. However, a sufficiently homogeneous irradiation of the coatings to be cured on three-dimensional substrates is virtually impossible. The energy required for the curing is therefore determined by the effort required for the curing of layer areas, which can only be achieved by obliquely incident radiation or scattered radiation.
  • UV radiation devices for use as tanning devices in solariums are widely known, cf. US 4 095 113 A, DE 198 10 201 A1, FR 2 598 921 A, DE 196 11 763 A1 and DE 296 05 835 U1.
  • these radiation devices are not suitable for curing radiation-curable coatings because the energy is not sufficient for this.
  • the object of the present invention is thus to provide a generic device which is suitable both for the treatment of planar and three-dimensional substrates, in which the energy consumption is reduced and can be dispensed with complex radiation and heat protection measures.
  • the solution is that a plurality of UV radiation sources are arranged close to each other and connected together to form one or more irradiation modules, wherein the illuminance within a radiation module and / or between at least two irradiation modules is spatially variably adjustable, such that the UV rays in a be focused on selected irradiation level.
  • the device is constructed of geometrically suitable arrangements of several closely adjacent radiation sources.
  • Each of these arrangements is called an irradiation module.
  • the irradiation module is thus understood here to be a planar arrangement of radiation sources arranged close to one another (for example with a common electrical supply).
  • the enveloping surface of the radiation sources of each module may be flat or curved. It can be built up radiation modules, the light focus in a selected, even curved, irradiation plane and allow a geometrically extensive homogeneous irradiation of the substrate surfaces.
  • the construction thus takes place in such a way that a spatially variable illuminance is set in the interior of the irradiation chamber in which the radiation-curable coatings are cured, so that the coating to be cured is cured homogeneously, without causing a disturbing heat input into the coating and / or substrate.
  • the variation can take place on the one hand by adjusting the enveloping surfaces of the radiation sources of a single module and on the other hand by the spatial arrangement of the irradiation modules to each other in the device, wherein a plurality of geometric arrangements can be realized. Due to the modular design, the device can thus be adapted to the geometry of the substrate to be treated, so that the energy consumption is reduced. This also has the consequence of simplifying biological radiation protection, i. can be limited, for example, to measures that apply to the use of tanning lamps.
  • Suitable radiation sources are lamps, preferably fluorescent tubes, of low electrical power, for example from 0.1 to 10 W per cm radiator length, which, for example, have a continuous emission spectrum between 200 and 450 nm, preferably between 300 and 450 nm. Since the heat development is lower than with high-power UV lamps, it is sufficient to cool their surface only, for example, with a stream of air.
  • Such lamps are known per se and are used, for example, as tanning lamps in solariums. At a specific power of, for example, 1 W per cm of radiator length and the resulting low illuminance, these lamps as such are in and of themselves not suitable for technical applications for curing radiation-curable coatings.
  • Such lamps which are typically provided with reflectors with radiation angles of, for example, approximately 160 °, generally standardized dimensions (diameter of the tubes about 25 to 45 cm, light length up to 200 cm) and at an operating voltage of 220 V. are very well suited as radiation sources for the mentioned irradiation modules. This applies in particular the reflectors, which simplify the focusing into the desired irradiation plane. Another advantage is their high photon yield of about 30% of the electrical power.
  • irradiation modules of this design for example, illuminance levels of typically about 20 mW / cm 2 are achieved at a distance of 10 cm from the radiation source. Although these illuminances are smaller by a factor of 5 to 50 than those achievable with conventional UV emitters, they are sufficient to cure coatings at irradiation times of about 30 to 300 s.
  • a further advantageous development consists in that at least one irradiation module is arranged movably in the device about at least one of its three spatial axes. This facilitates the geometric adaptation to the substrate and the focusing of the rays in the desired irradiation plane.
  • the illuminance in terms of time. If the irradiation is started, for example, with a small illuminance, the layer which shrinks during hardening can relax better than with immediate irradiation with high illuminance. Tensions between the layer to be cured and the substrate can be better compensated. The result is better adhesion of the cured layer to the substrate.
  • a temporal control of the performance of the individual irradiation modules is possible in a simple manner, so that this advantageous irradiation regime can be used.
  • Illuminance levels which are achieved by the interconnection of suitable radiation sources to radiation modules are sufficient in particular for the curing of the radiation-curable coating, when the curing takes place under an inert protective gas such as, for example, nitrogen.
  • an inert protective gas such as, for example, nitrogen.
  • the implementation of radiation curing under protective gas is known per se and described, for example, in DE 199 57 900 A1, EP 540 884 A1 and in the abovementioned publications.
  • the construction of the irradiation module 10 according to the invention is shown by way of example from the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • the components are mounted on a base plate 11.
  • the base plate 11 is preferably made of a metal such as aluminum or steel or a metal alloy and has on its back the necessary electrical connections 13 and possibly a holder 12.
  • devices for installing the irradiation module 10 in irradiation systems and devices for moving the irradiation module 10 can be provided there.
  • the starters and terminals for UV radiation sources 18 are also mounted on the base plate.
  • cross-flow fan are suitable.
  • a frame 14 is further provided, within which the ventilation 16 and the UV radiation sources 18 are installed.
  • Suitable UV radiation sources 18 are, for example, fluorescent tubes, such as those used as tanning lamps in solariums. Such fluorescent tubes generally have standardized dimensions, for example. A luminous length of 2 m with a diameter of 25 to 45 cm. You can also be provided with reflectors having a beam angle of, for example, about 160 °. These fluorescent tubes are operated at an operating voltage of 220 V.
  • the frame 14 with the ventilation 16 and the UV radiation sources 18 is airtight on three sides of a UV-transparent plate 15, for example.
  • Plastic such as. Polymethylmethacrylat or polycarbonate, enclosed.
  • the surface of the plate 15 forms the front side of the irradiation module 10, as illustrated by the arrow A symbolizing the direction of radiation.
  • One or more irradiation modules 10 are installed in a sealed irradiation vessel.
  • the irradiation vessel encloses an irradiation space, which is illuminated by the at least one irradiation module.
  • FIG. 3 shows schematically an exemplary embodiment of a device 10 according to the invention for the discontinuous irradiation of substrates.
  • a provided with feet 21 rectangular container of 2.10 m in length, 80 cm wide and 80 cm high was equipped with four 1.50 m long, provided with 10 planar fluorescent tubes 18 irradiation modules 10.
  • the irradiation modules 10 were attached to frame of the container at the bottom, the sides and the lid. The upper radiation module can be lifted with the lid of the container.
  • the cooling of the fluorescent tubes 18 in the irradiation modules 10 was carried out by cross-flow fans.
  • the tops of the plates 15 of the irradiation modules define and enclose a rectangular irradiation space 22 of 1.60 m length, 60 cm width and 40 cm height.
  • a rectangular irradiation space 22 of 1.60 m length, 60 cm width and 40 cm height.
  • the irradiation chamber 22 are also four laterally arranged tubes 23, each with 40 holes for the admission of nitrogen.
  • Such a device 20 can be operated as follows.
  • the coated substrates are introduced into the irradiation space 22.
  • the irradiation space 22 is flooded with inert gas.
  • the irradiation is started and terminated after curing of the layer.
  • the duration of the irradiation is typically about 30 to 300 seconds.
  • the device according to the invention is particularly suitable for curing coatings on moldings. They allow the application of radiation curing z. For example, in the craft sector for production and repair.
  • the advantage here is the moderate electrical connection power of the modules, which is typically 1 to 2 kW.
  • a car rim was coated on all sides with a radiation-curing spray paint as a shaped body.
  • the rim was provided with a holder at the valve hole and suspended in the irradiation room 22. After closing the irradiation room 22, it was flooded with nitrogen. The concentration of oxygen was measured with a sensor in the irradiation room 22 and displayed. After 2 minutes of flooding at a nitrogen flow of 60 m 3 / h, an oxygen concentration of less than 0.1% was achieved. After reaching this value, the nitrogen flow was reduced to 10 m3 / h and the irradiation started. After an irradiation time of 2 minutes, the nitrogen was turned off and the device 20 was opened. The paint on the rim was hardened at all points and could not be damaged even under manual pressure.
  • an irradiation tunnel 30 can also be constructed, as shown schematically in FIG.
  • the irradiation modules 10 are arranged on the sides and on the upper side so as to define and enclose a tunnel-shaped irradiation space 32.
  • This can z.
  • the illumination length of the irradiation space 32 can be up to 4 m. If the curing takes place within about 30 to 300 s, throughput speeds of 0.8 to 8 m / min are possible.
  • the residual oxygen concentration should be sufficiently low.
  • the atmospheric oxygen introduced into the irradiation zone by the movement of the shaped body to be irradiated should not exceed the limit value of 5%. Therefore, preferably in the conveying direction before the irradiation zone locks and / or suitable nozzles for supplying inert gas, preferably nitrogen, are provided, which prevent the entraining of air.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Härtung strahlungshärtbarer Beschichtungen welche mindestens eine mit mehreren UV-Strahlungsquellen versehene Bestrahlungskammer aufweist, insbesondere von mit solchen Beschichtungen versehenen flächigen oder dreidimensionalen Substraten.
  • Bekannt ist die Härtung strahlungshärtbarer Beschichtungen durch energiereiche UV-Strahlung, bspw. unter Verwendung von Mitteldruck-Quecksilber-Strahlern oder UV-Excimerstrahlern (R. Mehnert et al., UV εt EB Technology and Application, SITA-Valley, London 1998). Die spezifische elektrische Leistung dieser Strahler liegt typischerweise zwischen 50 und 240 W pro cm Strahlerlänge. Bei einer Strahlerlänge von 1 m beträgt die umgesetzte elektrische Leistung also zwischen 5 und 24 kW. Diese leistungsstarken Strahler werden vor allem für die Härtung von Beschichtungen auf flächigen Substraten eingesetzt. Auf der zu härtenden Schicht werden typische Beleuchtungsstärken von 100 bis 1000 mW/cm2 gemessen. Hiermit ist es möglich, Härtungszeiten von 100ms und weniger zu erreichen. Ein derartiges System ist bspw. aus der DE 24 25 217 A1 bekannt.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist bspw. auch aus der WO 96/34700 A1 und der FR 2 230 831 A1 bekannt.
  • Bei der Anwendung von Mitteldruck-Quecksilber-Strahlern ist zu beachten, dass ca. 50 % der elektrischen Leistung in Wärme umgesetzt wird. Eine eng nebeneinander liegende Anordnung derartiger Strahler scheitert nicht nur aus Gründen einer thermischen Überhitzung, sondern auch wegen der notwendigen Hochspannungszuführung an den Enden (Elektroden) der Strahler.
  • Bei UV-Excimerstrahlern wird die Wärme zwar durch Kühlung der Lampenoberfläche abgeführt, der Abstand zwischen benachbarten Röhren und ihre geometrische Anordnung wird jedoch ebenfalls durch die notwendige Hochspannungszuführung beschränkt.
  • Wegen der biologischen Wirkungen von UV-Strahlen sind umfangreiche Abschirm- und andere Schutzmaßnahmen erforderlich, wenn diese UV-Strahler eingesetzt werden. Zur Härtung von Beschichtungen auf dreidimensionalen Objekten werden z. Bsp. einzelne UV-Strahler so in geschlossenen Räumen angebracht, dass ein ausreichender Strahlungsschutz gewährt werden kann. Eine ausreichend homogene Bestrahlung der zu härtenden Beschichtungen auf dreidimensionalen Substraten ist jedoch praktisch unmöglich. Der Energieaufwand für die Härtung wird deshalb durch den Aufwand für die Härtung von Schichtbereichen bestimmt, die nur durch schräg einfallende Strahlung oder Streustrahlung erreicht werden können.
  • UV-Strahlungsgeräte zur Verwendung als Bräunungsgeräte in Solarien sind vielfältig bekannt, vgl. US 4 095 113 A, DE 198 10 201 A1, FR 2 598 921 A, DE 196 11 763 A1 und DE 296 05 835 U1. Diese Strahlungsgeräte sind aber nicht zum Härten strahlungshärtbarer Beschichtungen geeignet, weil die Energie hierfür nicht ausreicht.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereit zu stellen, die sowohl zur Behandlung flächiger als auch dreidimensionaler Substrate geeignet ist, bei der der Energieaufwand verringert und bei der auf aufwendige Strahlen- und Wärmeschutzmaßnahmen verzichtet werden kann.
  • Die Lösung besteht darin, dass mehrere UV-Strahlungsquellen eng nebeneinander angeordnet und zu ein oder mehreren Bestrahlungsmodulen zusammen geschaltet sind, wobei die Beleuchtungsstärke innerhalb eines Bestrahlungsmoduls und/oder zwischen mindestens zwei Bestrahlungsmodulen räumlich variabel einstellbar ist, derart, dass die UV-Strahlen in eine ausgewählte Bestrahlungsebene fokussiert werden.
  • Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die Vorrichtung aus geometrisch geeigneten Anordnungen von mehreren eng nebeneinander liegenden Strahlungsquellen aufgebaut wird. Jede dieser Anordnungen wird als Bestrahlungsmodul bezeichnet. Als Bestrahlungsmodul wird hier also eine flächenhafte Anordnung von dicht nebeneinander angeordneten Strahlungsquellen (bspw. mit gemeinsamer elektrischer Versorgung) verstanden. Die einhüllende Fläche der Strahlungsquellen jedes Moduls kann eben oder gekrümmt sein. Es können Bestrahlungsmodule aufgebaut werden, die Licht in eine ausgewählte, auch gekrümmte, Bestrahlungsebene fokussieren und eine geometrisch weitgehende homogene Bestrahlung der Substratoberflächen ermöglichen.
  • Der Aufbau erfolgt somit derart, dass im Inneren der Bestrahlungskammer, in der die strahlungshärtbaren Beschichtungen gehärtet werden, eine räumlich variable Beleuchtungsstärke so eingestellt wird, dass die zu härtende Beschichtung homogen gehärtet wird, ohne dass ein störender Wärmeeintrag in Beschichtung und/oder Substrat erfolgt. Die Variation kann einerseits durch Einstellung der einhüllenden Flächen der Strahlungsquellen eines einzelnen Moduls und andererseits durch die räumliche Anordnung der Bestrahlungsmodule zueinander in der Vorrichtung erfolgen, wobei eine Vielzahl geometrischer Anordnungen realisierbar ist. Durch den modularen Aufbau kann die Vorrichtung also an die Geometrie des zu behandelnden Substrates angepasst werden, so dass der Energieaufwand verringert wird. Dies hat ferner zur Folge, dass der biologische Strahlenschutz vereinfacht wird, d.h. beschränkt werden kann, bspw. auf Maßnahmen, wie sie für die Benutzung von Bräunungslampen gelten.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Als Strahlungsquellen kommen Lampen, vorzugsweise Leuchtstoffröhren, niedriger elektrischer Leistung, etwa von 0,1 bis 10 W pro cm Strahlerlänge, in Betracht, die bspw. ein kontinuierliches Emissionsspektrum zwischen 200 und 450 nm, vorzugsweise zwischen 300 und 450 nm aufweisen. Da die Wärmeentwicklung niedriger ist als bei Hochleistungs-UV-Strahlern, genügt es, deren Oberfläche lediglich bspw. mit einem Luftstrom zu kühlen.
  • Derartige Lampen sind an sich bekannt und werden bspw. als Bräunungslampen in Solarien eingesetzt. Bei einer spezifischen Leistung von bspw. 1 W pro cm Strahlerlänge und der daraus resultierenden geringen Beleuchtungsstärke sind diese Lampen als solche an und für sich nicht für technische Anwendungen zur Härtung strahlungshärtbarer Beschichtungen geeignet. Derartige Lampen, die typischerweise mit Reflektoren mit Abstrahlwinkeln von bspw. ca. 160° versehen sind, in der Regel standardisierte Abmessungen aufweisen (Durchmesser der Röhren ca. 25 bis 45 cm, Leuchtlänge bis ca. 200 cm) und bei einer Betriebsspannung von 220 V betrieben werden, sind sehr gut als Strahlungsquellen für die erwähnten Bestrahlungsmodule geeignet. Dies betrifft insbesondere die Reflektoren, die die Fokussierung in die gewünschte Bestrahlungsebene vereinfachen. Vorteilhaft ist auch ihre hohe Photonenausbeute von ca. 30 % der elektrischen Leistung.
  • Mit Bestrahlungsmodulen dieser Ausführung erreicht man bspw. in 10 cm Abstand von der Strahlungsquelle Beleuchtungsstärken von typischerweise etwa 20 mW/cm2. Diese Beleuchtungsstärken sind zwar um den Faktor 5 bis 50 kleiner als die mit herkömmlichen UV-Strahlern erreichbaren, reichen jedoch aus, um Beschichtungen bei Bestrahlungszeiten von etwa 30 bis 300 s auszuhärten. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass wenigstens ein Bestrahlungsmodul um mindestens eine seiner drei Raumachsen bewegbar in der Vorrichtung angeordnet ist. Dies erleichtert die geometrische Anpassung an das Substrat und die Fokussierung der Strahlen in der gewünschten Bestrahlungsebene.
  • Um die Haftung strahlungsgehärteter Beschichtungen auf einigen Substraten, wie bspw. Polypropylen, Polycarbonat und Polyamid, zu verbessern, ist es vorteilhaft, die Beleuchtungsstärke auch zeitlich zu variieren. Beginnt man die Bestrahlung bspw. mit einer kleinen Beleuchtungsstärke, kann die bei der Härtung stets schrumpfende Schicht besser relaxieren als bei sofortiger Bestrahlung mit hoher Beleuchtungsstärke. Spannungen zwischen der zu härtenden Schicht und dem Substrat können sich besser ausgleichen. Die Folge ist eine bessere Haftung der gehärteten Schicht auf dem Substrat. Eine zeitliche Steuerung der Leistung der einzelnen Bestrahlungsmodule ist auf einfache Weise möglich, so dass sich dieses vorteilhafte Bestrahlungsregime nutzen lässt.
  • Beleuchtungsstärken, die durch die Zusammenschaltung geeigneter Strahlungsquellen zu Bestrahlungsmodulen erreicht werden, sind insbesondere dann für die Härtung der strahlungshärtbaren Beschichtung ausreichend, wenn die Härtung unter einem inerten Schutzgas wie bspw. Stickstoff erfolgt. Die Durchführung der Strahlungshärtung unter Schutzgas ist an sich bekannt und bspw. in der DE 199 57 900 A1, der EP 540 884 A1 sowie in den oben erwähnten Druckschriften beschrieben.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1a:
    eine schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestrahlungsmoduls in der Ansicht von unten;
    Figur 1b:
    das Bestrahlungsmodul aus Figur 1a in einer Seitenansicht gemäß Pfeil B;
    Figur 1c
    das Bestrahlungsmodul aus Figur 1a in einer Seitenansicht gemäß Pfeil C;
    Figur 2
    einen Schnitt entlang der Linie II - II in Figur 1a;
    Figur 3
    eine schematische, nicht maßstabsgetreue Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die diskontinuierliche Bestrahlung;
    Figur 4
    eine schematische, nicht maßstabsgetreue Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die kontinuierliche Bestrahlung.
  • Der Aufbau des erfindungsgemäßen Bestrahlungsmoduls 10 geht exemplarisch aus dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hervor. Die Komponenten sind auf einer Grundplatte 11, montiert. Die Grundplatte 11 besteht vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium oder Stahl oder einer Metalllegierung und weist auf ihrer Rückseite die notwendigen elektrischen Anschlüsse 13 sowie ggf. eine Halterung 12 auf. Ferner können dort Vorrichtungen zum Einbau des Bestrahlungsmoduls 10 in Bestrahlungsanlagen und Vorrichtungen zur Bewegung des Bestrahlungsmoduls 10 vorgesehen sein. Auf der Grundplatte sind ferner die Starter und Anschlüsse für UV-Strahlungsquellen 18 montiert. Außerdem befinden sich hier Ein- und Ausgang für eine Lüftung 16 der Strahlungsquellen 18. Für diesen Zweck sind bspw. Querstromlüfter geeignet.
  • Auf der Vorderseite der Grundplatte 11 ist ferner ein Rahmen 14 vorgesehen, innerhalb dessen die Lüftung 16 und die UV-Strahlungsquellen 18 eingebaut sind. Geeignete UV-Strahlungsquellen 18 sind bspw. Leuchtstoffröhren, wie sie als Bräunungslampen in Solarien verwendet werden. Derartige Leuchtstoffröhren weisen in der Regel standardisierte Abmessungen auf, bspw. eine Leuchtlänge von 2 m bei einem Durchmesser von 25 bis 45 cm. Sie können ferner mit Reflektoren versehen sein, die einen Abstrahlwinkel von bspw. ca. 160° aufweisen. Diese Leuchtstoffröhren werden bei einer Betriebsspannung von 220 V betrieben.
  • Der Rahmen 14 mit der Lüftung 16 und den UV-Strahlungsquellen 18 ist nach drei Seiten luftdicht von einer UV-durchlässigen Platte 15, bspw. aus Kunststoff, wie bspw. Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat, umschlossen. Die Oberfläche der Platte 15 bildet die Vorderseite des Bestrahlungsmoduls 10, wie es der die Strahlungsrichtung symbolisierende Pfeil A verdeutlicht.
  • Ein oder mehrere Bestrahlungsmodule 10 werden in ein abgeschlossenes Bestrahlungsgefäß eingebaut. Das Bestrahlungsgefäß umschließt einen Bestrahlungsraum, der von dem mindestens einen Bestrahlungsmodul beleuchtet wird.
  • Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur diskontinuierlichen Bestrahlung von Substraten. Ein mit Standfüßen 21 versehener rechteckiger Behälter von 2,10 m Länge, 80 cm Breite und 80 cm Höhe wurde mit vier 1,50 m langen, mit 10 planar angeordneten Leuchtstoffröhren 18 versehenen Bestrahlungsmodulen 10 ausgerüstet. Die Bestrahlungsmodule 10 wurden an Rahmen des Behälters am Boden, den Seiten und dem Deckel befestigt. Das obere Bestrahlungsmodul kann mit dem Deckel des Behälters angehoben werden. Die Kühlung der Leuchtstoffröhren 18 in den Bestrahlungsmodulen 10 erfolgte durch Querstromlüfter.
  • Die Oberseiten der Platten 15 der Bestrahlungsmodule definieren und umschließen einen rechteckigen Bestrahlungsraum 22 von 1,60 m Länge, 60 cm Breite und 40 cm Höhe. Im Bestrahlungsraum 22 befinden sich ferner vier seitlich angeordnete Rohre 23 mit jeweils 40 Bohrungen zum Einlassen von Stickstoff.
  • Eine derartige Vorrichtung 20 kann wie folgt betrieben werden. Die beschichteten Substrate werden in den Bestrahlungsraum 22 eingebracht. Danach wird der Bestrahlungsraum 22 mit Inertgas geflutet. Bei Erreichen einer Sauerstoffkonzentration von 5 %, vorzugsweise 1 %, besonders bevorzugt 0,1 %, wird die Bestrahlung gestartet und nach Aushärtung der Schicht beendet. Die Dauer der Bestrahlung beträgt typischerweise etwa 30 bis 300 s. In dieser Ausführungsform eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur Härtung von Beschichtungen auf Formkörpern. Sie ermöglichen die Anwendung der Strahlungshärtung z. Bsp. im handwerklichen Bereich für Produktion und Reparatur. Vorteilhaft ist hierbei die moderate elektrische Anschlussleistung der Module, die typischerweise bei 1 bis 2 kW liegt.
  • In einem Versuch wurde als Formkörper eine PKW-Felge mit einem strahlungshärtenden Spritzlack allseitig beschichtet. Die Felge wurde am Ventilloch mit einem Halter versehen und im Bestrahlungsraum 22 aufgehängt. Nach Schließen des Bestrahlungsraums 22 wurde dieser mit Stickstoff geflutet. Die Konzentration de Sauerstoffs wurde mit einem Sensor im Bestrahlungsraum 22 gemessen und angezeigt. Nach 2 min Fluten bei einem Stickstoffstrom von 60 m3/h wurde eine Sauerstoffkonzentration von unter 0,1 % erreicht. Nach Erreichen dieses Wertes wurde der Stickstoffstrom auf 10 m3/h verringert und die Bestrahlung gestartet. Nach einer Bestrahlungszeit von 2 min wurde der Stickstoff abgestellt und die Vorrichtung 20 geöffnet. Die Lackierung auf der Felge war an allen Stellen gehärtet und konnte auch unter manuellem Druck nicht beschädigt werden.
  • Mit den beschriebenen Strahlungsmodulen 10 kann aber auch ein Bestrahlungstunnel 30 aufgebaut werden, wie er in Figur 4 schematisch dargestellt ist. In einem solchen Bestrahlungstunnel 30 sind die Bestrahlungsmodule 10 an den Seiten und am der Oberseite so angeordnet, dass sie einen tunnelförmigen Bestrahlungsraum 32 definieren und umschließen. Darin können z. Bsp. über Förderzeuge durchlaufende, beschichtete Substrate während des Durchlaufes gehärtet werden. Werden bspw. zwei Bestrahlungsmodule in Reihe angeordnet, kann die Leuchtlänge des Bestrahlungsraums 32 bis zu 4 m betragen. Erfolgt die Härtung innerhalb von etwa 30 bis 300 s, sind Durchlaufgeschwindigkeiten von 0,8 bis 8 m/min möglich. Zu beachten ist dabei, dass während des Durchlaufs und der Bestrahlung die Sauerstoff-Restkonzentration ausreichend niedrig sein sollte. Der durch die Bewegung des zu bestrahlenden Formkörpers in die Bestrahlungszone eingetragene Luftsauerstoff sollte den Grenzwert von 5 % nicht überschreiten. Deshalb sind vorteilhafterweise vor allem in Förderrichtung vor der Bestrahlungszone Schleusen und/oder geeignete Düsen zur Einspeisung von Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, vorgesehen, die das Einwirbeln von Luft verhindern.

Claims (14)

  1. Bestrahlungsmodul (10), insbesondere für eine Vorrichtung (20, 30) zur Härtung strahlungshärtbarer Beschichtungen, wobei es mehrere UV-Strahlungsquellen (18) aufweist, die eng nebeneinander angeordnet und zusammen geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstärke innerhalb des Bestrahlungsmoduls (10) durch Einstellung der einhüllenden Flächen der Strahlungsquellen des Bestrahlungsmoduls (10) räumlich variabel einstellbar ist, derart, dass die UV-Strahlen in eine ausgewählte Bestrahlungsebene fokussiert werden.
  2. Bestrahlungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als UV-Strahlungsquellen Lampen, vorzugsweise Leuchtstoffröhren (18) mit einer Leistung von 0,1 bis 10 W pro cm Strahlerlänge, vorzugsweise 1 W pro cm Strahlerlänge, vorgesehen sind.
  3. Bestrahlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, das die UV-Strahlungsquellen (18) ein kontinuierliches Emissionsspektrum zwischen 200 und 450 nm, vorzugsweise zwischen 300 und 450 nm aufweisen.
  4. Bestrahlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lüftung (16) zur Kühlung der Oberfläche der UV-Strahlungsquellen (18) vorgesehen ist.
  5. Bestrahlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mehrere Strahlungsquellen (18) Reflektoren, vorzugsweise mit Abstrahlwinkeln von 160° aufweisen.
  6. Bestrahlungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen das Bestrahlungsmodul (10) um mindestens eine seiner Achsen bewegbar in einer Vorrichtung (20, 30) aufnehmbar ist.
  7. Bestrahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstärke mindestens eines Bestrahlungsmoduls (10) zeitlich variabel einstellbar ist.
  8. Vorrichtung (20, 30) zur Härtung strahlungshärtbarer Beschichtungen, welche mindestens eine mit mehreren UV-Strahlungsquellen (18) versehene Bestrahlungskammer (22, 32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere UV-Strahlungsquellen (18) eng nebeneinander angeordnet und zu ein oder mehreren gemäß Anspruch 1 Bestrahlungsmodulen (10) zusammen geschaltet sind, wobei die Beleuchtungsstärke innerhalb eines Bestrahlungsmoduls (10) und/oder zwischen mindestens zwei Bestrahlungsmodulen (10) durch Einstellung der einhüllenden Flächen der Strahlungsquellen des mindestens einen Bestrahlungsmoduls oder durch räumliche Anordnung mindestens zweier Bestrahlungsmodule (10) zueinander räumlich variabel einstellbar ist, derart, dass die UV-Strahlen in eine ausgewählte Bestrahlungsebene fokussiert werden.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als UV-Strahlungsquellen Lampen, vorzugsweise Leuchtstoffröhren (18) mit einer Leistung von 0,1 bis 10 W pro cm Strahlerlänge, vorzugsweise 1 W pro cm Strahlerlänge, vorgesehen sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, das die UV-Strahlungsquellen (18) ein kontinuierliches Emissionsspektrum zwischen 200 und 450 nm, vorzugsweise zwischen 300 und 450 nm aufweisen.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lüftung (16) zur Kühlung der Oberfläche der UV-Strahlungsquellen (18) vorgesehen ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mehrere Strahlungsquellen (18) Reflektoren, vorzugsweise mit Abstrahlwinkeln von 160° aufweisen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bestrahlungsmodul (10) um mindestens eine seiner Achsen bewegbar in der Vorrichtung (20, 30) angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstärke mindestens eines Bestrahlungsmoduls (10) zeitlich variabel einstellbar ist.
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