WO1999052650A1 - Method for the electron irradiation of layers on surfaces of objects and a device for carrying out the method - Google Patents

Method for the electron irradiation of layers on surfaces of objects and a device for carrying out the method Download PDF

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WO1999052650A1
WO1999052650A1 PCT/DE1999/000337 DE9900337W WO9952650A1 WO 1999052650 A1 WO1999052650 A1 WO 1999052650A1 DE 9900337 W DE9900337 W DE 9900337W WO 9952650 A1 WO9952650 A1 WO 9952650A1
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irradiation
radiation
window
electron
objects
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PCT/DE1999/000337
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Siegfried Panzer
Gösta MATTAUSCH
Siegfried Schiller
Rainer Bartel
Dieter Leffler
Tino Bobe
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B05DPROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05D3/06Pretreatment 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
    • B05D3/068Pretreatment 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 ionising radiations (gamma, X, electrons)
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    • B29C35/08Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation
    • B29C35/0866Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using particle radiation
    • B29C2035/0877Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using particle radiation using electron radiation, e.g. beta-rays

Definitions

  • the invention relates to a method for electron irradiation of layers which are applied to objects, or of areas of the objects near the surface, in order to change the physical and / or chemical properties of the substances of the layer applied to the surface or in areas near the surface Device for carrying out the method
  • the preferred field of application of the invention is the hardening of electron-hardenable paints, for example paints and lacquers, as well as of organic / inorganic composite systems which are applied to objects with three-dimensionally shaped surfaces.
  • the use of the invention is particularly expedient for the finishing of highly stressed surfaces of parts of motor vehicle and aircraft construction, such as scratch-resistant coatings on curved window panes or of facade and construction elements
  • Electron irradiation is particularly widespread for the curing of printing inks, adhesives and paints.
  • the method according to the known state of the art allows the use of solvent-free systems based, for example, on acrylate, the curing of the paint being carried out by a polymerization process initiated by the electron beam is mainly used in the production of adhesive films, for the curing of printing inks and for lacquer hardening in the furniture and woodworking industries High scratch hardness and abrasive wear resistance of the surfaces that can be achieved compared to other hard processes are valued
  • a device for using the method for color hardening is known, for example, from the magazine "Pap ⁇ er + Kunststoff Vertechnik ', 1996, Issue 1, pages 8-14, in which an electron irradiation device is used for drying printing inks and lacquer.
  • This irradiation device essentially consists of an irradiation unit with associated supply and control devices as well as means for transporting the radiation material through the electron beam field
  • the radiation unit itself consists of an evacuated electron beam generator with a connected, vacuum-tight beam outlet window that is permeable to the electron beam.In the electron beam generator, electrons are released by a hot cathode, accelerated and in an electrical field Formed into an electron beam
  • a linearly extended arrangement of the hot cathode and the acceleration electrode allows the generation of one which is broadly extended in one direction , curtain-like electron beam
  • a type of electron beam generator of the axial type in which a rotationally symmetrical electron beam is generated and scanned in a connected scanner by means of a beam deflection unit along a line for a time-linear periodic deflection function
  • the electron beam emerges through the beam exit window at atmospheric pressure.
  • the beam generators known in the prior art are usually designed for an electron beam field generate that has homogeneous properties at the specified distance from the beam exit window Due to the laws of electron scattering, it is inevitable with these beam generators that the properties of the electron beam field change with increasing distance from the beam exit window, while regardless of this the property homogeneity is maintained in the beam width
  • Electron density distribution a distribution of the electron movement direction and an energy distribution
  • the dispersion of the electron movement directions increases, but their mean value coincides with the direction of acceleration of the electron beam and thus defines an irradiation direction of the electron beam field 3
  • Electrons also increase with increasing distance from the beam exposure window, in contrast the mean value of the electron energy decreases.
  • the consequence of this fact is that the dose transferred in the electron beam field characterized above to the surface and the adjacent penetration area of the electrons depends in a complex manner on the irradiation conditions, in particular on the Distance of the surface to the beam exposure window and the angle between the surface normal and the direction of irradiation
  • the material to be irradiated is guided through the radiation field at a constant distance from the radiation exposure window.
  • the permissible width of the radiation material is limited by the width of the beam exit window.
  • Surface layers of up to a few 100 g / rm are irradiated on flat supports, such as Paper or foil webs and plates
  • the acceleration voltage for generating the electron beam is 100 to 300 kV depending on the application
  • the irradiation unit is mounted in a fixed position.
  • the object to be irradiated is moved in a fixed spatial association with the irradiation unit avoids
  • the working cabin has supply and discharge channels for the material to be irradiated, which are protected against X-ray radiation. Irradiation is usually carried out under inert conditions in the range ⁇ 100 ppm O 2 concentration. To ensure these conditions, the cabin is flushed with inert gas, for example with N ,
  • the control and supply devices for the operation of the radiation device contain, among other things, means for regulating and keeping the radiation conditions constant, in particular the acceleration voltage, the beam current and the transport speed of the radiation material.
  • the beam current is generally coupled to the speed of the radiation material in the case of radiation units with axial electron guns and Scanners, as are known, for example, from the prior art mentioned, additionally contain the supply devices a deflection generator via which the electron beam with fixed parameters and a frequency 4
  • the radiation devices known according to this prior art have in common that a stationary or, in the case of beam scanning, quasistationary electron beam field is generated with radiation conditions that are constant over the length of the beam exit window.
  • the radiation methods bound to it thus only allow for flat products that are at a constant distance from the beam emission window the radiation field happen, radiation with homogeneous dose distribution
  • the geometric limits for the surface shape of the body are set here primarily by the angle of the surface normal to the beam direction, since the local dose distribution on the surface depends approximately on the cosine of this angle
  • the electron beam is generated with a relatively high acceleration voltage of, for example, 230 kV, so that it is in the Irradiation atmosphere has a sufficiently long range of about 20 cm.
  • the strong dispersion of the direction of movement of the electrons especially in the second half of the available electron range, is used to irradiate surface elements with different inclinations to the beam direction sufficiently homogeneously.
  • the overall curvature of the sufficiently homogeneously irradiable surface is therefore limited to a fraction of the electron range in the irradiation atmosphere 5
  • the advantage is paid for by a high acceleration voltage compared to the layer thickness that can be treated.
  • the price is an increased outlay in terms of plant technology and reduced energy efficiency
  • the invention has for its object to provide a method for electron irradiation and the associated device, which makes it possible to change the physical and / or chemical properties of layers that are applied to objects or near-surface areas of objects at a defined depth Objects can be largely arbitrarily, three-dimensionally curved
  • the method according to the invention consists of irradiating layers on objects or near-surface areas of objects with a three-dimensionally formed surface within permissible tolerances in a defined manner and consequently carrying out a property modification of the surface layer such that the object is in an optimal position and orientation for the radiation, at least with regard to partial surfaces Radiation exposure window of the irradiation device is exposed to the radiation effect. By lining up such partial areas without gaps, it is possible to irradiate the entire area of the object to be irradiated
  • Beam exit windows or different angles between their surface normal and the direction of radiation, but also due to different exposure times due to different translation speeds, can be compensated for by adjusting the intensity profile in the plane of the beam exit window.Under intensity distribution, the beam current density distribution in the plane of Beam exit window understood
  • the method is carried out with a device according to claim 1 1, essentially combining a known axial beam source for an electron beam with a freely programmable wide-angle deflection for the electron beam in two axes.
  • the deflection of the axial electron beam does not take place contemporary and linear, but two-dimensional and within a deflection pod with instantaneous speed or beam dwell time that can be varied within wide limits.
  • a deflection unit operating in the medium frequency range is used with a beam guiding electronics adapted to it
  • the minimum is reduced and the requirement for the global oxygen concentration in the work cabin can be significantly alleviated, which in addition to the direct inert gas costs in particular also reduces the effort for the inward and outward transfer of the objects
  • the structural size of the surface details, to which the irradiation conditions can be adapted, is limited to small dimensions primarily by the directional dispersion of the electrons due to scattering when passing through the beam exit window and the subsequent gas path. This is the lower, the higher the electron energy and the smaller the distance of the surface element from the beam exposure window and its mass per unit area
  • An important element of the radiation unit according to the invention is therefore a special support grid, which can be cooled with water, for example, which enables the use of particularly thin metal foils as radiation exposure windows.
  • a special support grid which can be cooled with water, for example, which enables the use of particularly thin metal foils as radiation exposure windows.
  • one or both can be used for the optimal positioning of the beam source and object as well as for generating the precubbing speeds necessary for the method 9
  • one robot can move the irradiation unit with respect to the object.
  • another robot to move the respective object relative to the irradiation unit before or during the irradiation while the irradiation unit is at rest or simultaneously via the first robot is aligned perpendicular to the radiation area
  • the radiation device according to the invention can be rotated relative to the beam source. This simplifies the implementation of a path control operation that is required for the irradiation of curvilinearly limited paths on free-form surfaces
  • the contour of the surface to be irradiated is given in analytical form or as a CAD file.
  • the device for carrying out the irradiation process is provided with interfaces for coupling a digitizing device.
  • the contour data of the surface thus determined are then available online for calculating and setting the intensity distribution, the required feed and the optimal alignment of the irradiation device and object
  • the optimal alignment of the partial area to be irradiated with respect to the beam exit window is given when the entirety of the flat elements can be acted upon by the electrons under optimal conditions. This requirement is generally met when the distance to the beam exit window is sufficiently small and the surface normals of the partial areas form an angle less than about 45 ° to the beam direction
  • adjustable reflector diaphragms are arranged directly below the beam exit window, which reflect the emerging electron beam.
  • angle of the reflector diaphragm With an appropriate setting of the angle of the reflector diaphragm relative to the main exit direction of the electron beams, even partial areas of surfaces can then be effectively irradiated whose surface normals are more than 45 ° are inclined against the surface normal of the plane of the beam exit window.
  • the advantage over the known rigid reflection bodies is that the reflector diaphragms can be automatically controlled in connection with the robot movement and can thus be flexibly adapted to different contours
  • the hardening of electron-beam hardenable lacquer layers on wear-stressed, three-dimensionally shaped surfaces of the type mentioned at the outset can be carried out.
  • the hardening can be carried out either immediately after the lacquer application from the liquid state or after a pre-hardening UV rays occur In the case of previous UV curing, it may also be advantageous to restrict the additional electron beam curing to surface areas that are particularly exposed to wear
  • FIG. 1 a schematic illustration of the basic structure of an irradiation unit for implementing the electron irradiation method according to the invention
  • 2 shows the arrangement of the radiation unit on a handling device, for example on an industrial robot
  • Fig. 3 is a schematic representation of the irradiation process for the surface of a corrugated sheet with division into individual hardness tracks and representation of the
  • Fig. 5 shows the orientation of the window and object and the intensity profile using the example of
  • Fig. 9 shows a possibility of the contour to be irradiated by a together with the
  • Improvement of the radiation conditions on hard-to-reach areas 1 schematically shows the basic structure of an irradiation unit 1 for carrying out a method for electron irradiation of layers on surfaces of objects according to the invention.
  • the radiation unit 1 essentially consists of an axial beam source 11 and a beam pipe 1.2.
  • the beam source 1 .1 has a tubular, evacuable and closable housing 2 on its top with a radially arranged turbopump 2.1 and an insulator 2.2 integrated into the housing 2 as a vacuum-tight socket, into which the high-voltage cable 3 is inserted.
  • a cathode unit 4 is connected to the insulator 2.2 in the axial direction, which consists of a known hot cathode 4 1 and a control electrode 4.2 which regulates the beam current I of an axial electron beam 4.3 emerging from the hot cathode 4 1.
  • the beam source 1 1 is dimensioned for an acceleration voltage of 150 kV.
  • An anode 5 and a deflection unit 6 are arranged axially under the cathode unit 4.
  • the deflection unit 6 is designed such that it can deflect the axial electron beam 4.3 formed in the beam source 1.1 and running through an anode bore in the direction of the emitter tube 1.2 at a frequency of 200 Hz to 20 kHz within an axially symmetrical deflection cone 6.1 with a 50 ° tip angle.
  • the jet pipe 1.2 Connected to the housing 2 in the axial direction is the jet pipe 1.2, which is rotatably connected to the housing 2 of the beam source 1 .1 about the central axis, that is to say polar, and is also connected to control and supply devices, not shown.
  • the polar angle between beam source 1.1 and beam pipe 1.2 can be set with a servo motor 8 during operation.
  • the jet pipe 1.2 is closed with a vacuum-tight, water-cooled rectangular jet window 9.
  • the beam window 9 with a width 9 1 and a length 9.2 lies completely within the base area of the deflection cone 6.1 and essentially consists of a cooled support grid which is covered with a thin metal foil that is largely transparent to electron beams 9.3. On its outside end, the radiation window is surrounded by a protective gas guide 10 for protective gas 11. 13
  • FIG. 2 shows the irradiation unit 1 connected to an industrial robot 20.
  • the irradiation unit 1 and the robot 20 are located within a closed work booth, not shown in FIG. 2, which is designed as a radiation protection contour and is filled with inert gas
  • the industrial robot 20 is connected for the present purpose in the usual manner to a stable base 21 and a lower part 22 and has arms 23 and 24 which are mounted so as to be pivotable and rotatable.
  • the irradiation unit 1 is fastened to the distal end of the arm 24 Connection with drive and control devices, not shown, can be moved both manually and automatically in several degrees of freedom, which are realized by rotary axes of different spatial orientations and are indicated in FIG. 2 by arrows
  • Fig. 3 the implementation of the irradiation of the surface of a corrugated sheet 30 is shown in a schematic representation, which lies in a Cartesian coordinate system with the axes x, y and z. Too hard lacquer layer 31 is applied to the underside of it only because of the easier representation Electron beams 9 3 are generated with the irradiation unit 1, of which only the beam exposure window 9 is shown here to simplify the illustration, and directed against the paint layer 31. The distance between the beam exposure window 9 and the paint layer 31 is referred to as the working distance z A
  • the contour of the corrugated sheet 30 is described by a function z (x, y). If z (x, y) is not constant as in the exemplary embodiment given, the local working distance z A naturally also changes. The range of variation of this variation is called ⁇ z A.
  • the edges of corrugated sheet 30 and beam exit window 9 are aligned parallel to the x or y axis.
  • the length of the corrugated sheet 30 is measured in the y direction. It is large compared to the length 9 2 of the beam exit window 9.
  • the width of the corrugated sheet 30 is measured in the x direction and is, in turn, greater than the width 9 1 of the beam exit window 9.
  • the irradiation path By moving the irradiation unit 1 in the y direction at the feed speed v, a rectangular stripe with the width 9 1 of the beam exit window and any length is detected by the electron beams 9 3, hereinafter referred to as the irradiation path
  • the total area of the corrugated sheet 30 is then determined by successively lining up the B radiation paths 32 irradiated in the x-direction For productivity reasons, a cell-like scanning of the surface is required, ie a passage through neighboring ones 14
  • Irradiation paths 32 with opposite feed direction v k expedient
  • This method which is referred to below as the feed method, is shown in FIG. 3 using the example of the (n-1) -th, n-th and (n + 1) -th path So that the individual radiation doses D k (x) add up to the target dose D s in the overlap region of the (n-1) -th and n-th single path, the intensity profile in the window plane is to be programmed such that one within the k-th radiation path 32 Trapezoidal dose distribution D k (x) with edge modulation results
  • the parameter x HWB sets the slope of the flank profile, while x, the left and x represent the right boundary of the k-th irradiation path 32.
  • the width for an irradiation path 32 which must be less than or equal to the width 9 1 of the beam exit window 9
  • the area between the two maxima of the surface contour of the corrugated metal sheet is selected 30
  • the course of the intensity i in the plane of the beam exit window 9, which is required for realizing the dose distribution D k (x), is also shown schematically.
  • the intensity profile ⁇ (x, y) takes into account that both with increasing angle between the direction of propagation of the electrons and the surface normal at the beam run ref and as the working distance z A increases, an increase in the intensity i in the segment of the beam exit window 9 that corresponds to the beam travel reflection under consideration is required.
  • the irradiation paths 32 are traversed at constant feed speed v in the feed direction v k that is opposite from path to path due to the symmetry of the corrugated sheet 30 the intensity profile ⁇ (x, y) and the beam current I constant
  • FIG. 4a the alignment of a step-shaped angle plate 33 with respect to the beam exit window 9 is shown in FIG. 4a.
  • the mass per unit area is by definition the product of the thickness z and density p, of the spreading medium.
  • a 10 ⁇ m thick beam window 9 made of titanium, the protective gas 11 and the lacquer layer 31 on the angle plate 33, not shown here, are entered in scale with respect to the mass per unit area for the two limit traps, that as protective gas 11 pure nitrogen, on the other hand pure helium is used.
  • the contour of the angled plate 33 were to be easily hardened in a helium atmosphere, the dose differences between the two sections of the lacquer layer 31 would be unacceptably high when irradiated in a nitrogen atmosphere even when the working distance z A was reduced.
  • Angular velocity ⁇ is rotated about the axis of rotation x '.
  • the distance of a surface element of the truncated cone 40 at location x from the axis of rotation x ' is denoted by r (x).
  • FIGS. 3 to 5 are distinguished by the fact that the surfaces of the objects to be irradiated can be broken down into radiation paths 32 within which the contour of the surfaces does not change, or at least only slightly, over a length 9.2 of the beam exit window 9. This is generally a prerequisite for the applicability of the feed method. lo
  • the described irradiation process is called the flash method in the following.
  • the exposure masks can expediently be generated using two different methods, which are shown with reference to FIGS. 6 and 7.
  • the substrates have certain symmetries, such as spherical or cylindrical symmetry, guiding the electron beam by means of superimposed sub-cycles is advantageous in terms of programming.
  • the subcycle is understood to mean that the electron beam describes a simple geometric figure, such as a line, a square or a circle, at a constant speed.
  • the overlay then exists that this basic figure is run through several times. Their size and position is chosen for each subcycle according to the geometry of the assigned object area.
  • This principle is illustrated in FIG. 7 using the example of a housing 43.
  • k ⁇ (x
  • ( y k ) determined at the coordinate points (x, y k ) and set by point-by-point programmed hold times ⁇ ⁇ (x J ( y k ) within a deflection grid comprising jk grid points 44.
  • the deflection control for the electron beam is designed for 1024 x 1024 possible grid points 44.
  • the holding times ⁇ k belonging to selected points are illustrated with diagram columns 45
  • the beam exit window 9 is positioned before the irradiation over the lacquer layer 31 applied to a free-form surface 46, that the longitudinal axis of the radiation unit 1, not shown, runs as parallel as possible to the surface normal of the surface elements of the part to be hardened and that its entire contour is within a working distance z A limited by the tolerable dose-depth gradient.
  • the exposure mask is applied to the contour profile of the one under the radiation window 9 partial area of the lacquer layer 31 is adapted and this is then hardened by pulse-like release of the beam current I during an integer multiple of the beam deflection period via the beam exposure window 9.
  • the radiation unit 1 After the hardening of a partial area, the radiation unit 1 is placed over an ang
  • the delimiting, not yet hardened partial area is positioned and at the same time a new exposure mask is generated.
  • the limitation of the elementary areas 47 is selected so that large areas are filled without gaps and with sufficient dose constancy along the overlapping seam of partial areas.
  • the rectangular elementary areas 47 selected here other area shapes can also be used become
  • FIG. 8a illustrates the flash method consisting of alternating irradiation and positioning on the basis of the time profiles of the feed speed v and the beam current I.
  • the drawing 9 shows the coupling of the irradiation unit 1, of which only the radiation exposure window 9 is indicated for simplicity, with a digitizing device 50.
  • the digitizing device 50 takes the contour of the free-form surface 46 to be irradiated 18th
  • the required intensity profile and the optimal orientation of the radiation unit 1 are calculated either in teach-m mode or online and continuously adapted to the current site of exposure during the radiation.
  • the technological variant shown here can be implemented for both the flash and the feed method.
  • FIG. 10 the arrangement of a reflector diaphragm 52 is shown in a simplified manner laterally under the beam exposure window 9.
  • the reflector diaphragm 52 can be pivoted about a pivot point and can be displaced parallel to the plane of the beam window 9.
  • the electron beams 9.3 emanating from the beam exit window 9 strike the part of the lacquer layer 31 lying parallel to the beam exit window 9 approximately perpendicularly on the surface of a carrier 53.
  • the reflector diaphragm 52 is set such that the electrons 9.4 reflected by it now also strike the lacquer layer 31 of the fold 54 lying perpendicular to the beam exposure window 9 at a favorable angle of incidence.

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Abstract

The invention relates to a method for the electron irradiation of layers which are deposited on objects, or of areas of objects near the surface thereof. According to the inventive method, the physical and/or chemical properties of materials in the surface or in the areas near the surface are altered. The invention also relates to a device for carrying out the method. The preferred area of application of the invention extends to cover the hardening of coating materials, for example, paints and lacquers and of organic/inorganic composite systems which are deposited on objects having three-dimensionally formed surfaces. The device for carrying out the method is suited for robotics and can be economically used for a wide range of industrial applications.

Description

1 1
Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflächen von Objekten sowie Einrichtung zur Durchführung des VerfahrensProcess for electron irradiation of layers on surfaces of objects and device for carrying out the process
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten, die auf Objekten aufgebracht sind, oder von oberflachennahen Bereichen der Objekte, um die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Stoffe der auf der Oberflache aufgebrachten Schicht oder in oberflachennahen Bereichen zu verandern Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Härtung von elektronenhartbaren Anstrichstoffen, beispielsweise von Farben und Lacken sowie von organisch/anorganischen Verbundsystemen, die auf Objekten mit dreidimensional geformten Oberflachen aufgebracht sind Besonders zweckmäßig ist der Einsatz der Erfindung für die Veredlung hochbeanspruchter Oberflachen von Teilen des Kraftfahrzeug- und Flugzeugbaus, wie z B kratzfesten Beschichtungen auf gekrümmten Fensterscheiben oder von Fassaden- und KonstruktionselementenThe invention relates to a method for electron irradiation of layers which are applied to objects, or of areas of the objects near the surface, in order to change the physical and / or chemical properties of the substances of the layer applied to the surface or in areas near the surface Device for carrying out the method The preferred field of application of the invention is the hardening of electron-hardenable paints, for example paints and lacquers, as well as of organic / inorganic composite systems which are applied to objects with three-dimensionally shaped surfaces. The use of the invention is particularly expedient for the finishing of highly stressed surfaces of parts of motor vehicle and aircraft construction, such as scratch-resistant coatings on curved window panes or of facade and construction elements
Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Oberflachenschichten sind beispielsweise in dem Standardwerk „Elektronenstrahltechnologie" von Schiller, Heisig und Panzer (Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart, 1977) dargelegt Darin wird unter anderem beschrieben, wie durch die Einwirkung von Elektronenstrahlen die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Stoffen modifiziert werden Besonders ist die Elektronenbestrahlung für die Härtung von Druckfarben, Kleb- und Anstrichstoffen verbreitet Das Verfahren nach dem bekannten Stand der Technik gestattet den Einsatz von losemittelfreien Systemen, die beispielsweise auf Acrylatbasis beruhen, wobei die Härtung des Anstrichstoffes durch einen vom Elektronenstrahl initiierten Polymerisationsprozess erfolgt Das Verfahren findet vor allem Anwendung bei der Herstellung von Klebfolien, zur Härtung von Druckfarben und zur Lackhartung in der Möbel- und holzverarbeitenden Industrie Gerade bei der letztgenannten Anwendung wird die gegenüber anderen Harteverfahren erzielbare hohe Ritzharte und abrasive Verschleißfestigkeit der Oberflachen geschätzt Um vorgegebene Eigenschaften zu erzielen ist es erforderlich, auf dieMethods for electron irradiation of surface layers are described, for example, in the standard work "Electron Beam Technology" by Schiller, Heisig and Panzer (Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart, 1977). This describes, among other things, how the physical and / or chemical properties of substances are modified by the action of electron beams Electron irradiation is particularly widespread for the curing of printing inks, adhesives and paints.The method according to the known state of the art allows the use of solvent-free systems based, for example, on acrylate, the curing of the paint being carried out by a polymerization process initiated by the electron beam is mainly used in the production of adhesive films, for the curing of printing inks and for lacquer hardening in the furniture and woodworking industries High scratch hardness and abrasive wear resistance of the surfaces that can be achieved compared to other hard processes are valued
Oberflachenschicht eine vom beabsichtigten Effekt und den zu modifizierenden Stoffen abhangige, innerhalb bestimmter Toleranzen liegende Energiedosis mit dem Elektronenstrahl zu übertragen 2Surface layer to transmit an energy dose, which is dependent on the intended effect and the substances to be modified, and which lies within certain tolerances, with the electron beam 2
Eine Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens zur Farbhartung ist beispielsweise aus der Zeitschrift „Papιer+ Kunststoff Verarbeiter' , 1996, Heft 1 , Seiten 8 - 14, bekannt, bei dem eine Elektronenbestrahlungseinrichtung zur Druckfarben- und Lacktrocknung eingesetzt wird Diese Bestrahlungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Bestrahlungseinheit mit zugehörigen Versorgungs- und Steuereinrichtungen sowie Mitteln zum Transport des Bestrahlungsgutes durch das Elektronenstrahlfeld Die Bestrahlungseinheit besteht ihrerseits aus einem evakuierten Elektronenstrahlerzeuger mit einem angeschlossenen, vakuumdichten, aber für den Elektronenstrahl durchlassigen Strahlaustrittsfenster Im Elektronenstrahlerzeuger werden von einer Glühkatode Elektronen freigesetzt, in einem elektrischen Feld beschleunigt und zu einem Elektronenstrahl formiert Eine linear ausgedehnte Anordnung von Glühkatode und Beschleunigungselektrode gestattet die Erzeugung eines in einer Richtung breit ausgedehnten, vorhangartigen ElektronenstrahlsA device for using the method for color hardening is known, for example, from the magazine "Papιer + Kunststoff Ververarbeitung ', 1996, Issue 1, pages 8-14, in which an electron irradiation device is used for drying printing inks and lacquer. This irradiation device essentially consists of an irradiation unit with associated supply and control devices as well as means for transporting the radiation material through the electron beam field The radiation unit itself consists of an evacuated electron beam generator with a connected, vacuum-tight beam outlet window that is permeable to the electron beam.In the electron beam generator, electrons are released by a hot cathode, accelerated and in an electrical field Formed into an electron beam A linearly extended arrangement of the hot cathode and the acceleration electrode allows the generation of one which is broadly extended in one direction , curtain-like electron beam
Weiterhin ist eine Art von Elektronenstrahlerzeugern vom Axialtyp bekannt, bei der ein rotationssymmetrischer Elektronenstrahl erzeugt und in einem angeschlossenen Scanner mittels einer Strahlablenkemheit entlang einer Linie nach einer zeitlinearen periodischen Ablenkfunktion gescannt wirdFurthermore, a type of electron beam generator of the axial type is known in which a rotationally symmetrical electron beam is generated and scanned in a connected scanner by means of a beam deflection unit along a line for a time-linear periodic deflection function
In beiden vorgenannten Fallen tritt der Elektronenstrahl durch das Strahlaustrittsfenster an Atmospharendruck aus Damit entsteht ein Elektronenstrahlfeld, dessen Breite im allgemeinen groß gegen seine Lange ist Zusammenfassend kann daher gesagt werden, daß die nach dem Stand der Technik bekannten Strahlerzeuger üblicherweise darauf ausgelegt sind, ein Elektronenstrahlfeld zu erzeugen, das im vorgegebenen Abstand zum Strahlaustrittsfenster homogene Eigenschaften besitzt Aufgrund der Gesetze der Elektronenstreuung unvermeidbar ist bei diesen Strahlerzeugern, daß sich die Eigenschaften des Elektronenstrahlfeldes mit zunehmendem Abstand vom Strahlaustrittsfenster andern, wahrend unabhängig davon die Eigenschaftshomogenitat in der Strahlbreite erhalten bleibenIn both of the aforementioned cases, the electron beam emerges through the beam exit window at atmospheric pressure. This creates an electron beam field, the width of which is generally large compared to its length. In summary, it can therefore be said that the beam generators known in the prior art are usually designed for an electron beam field generate that has homogeneous properties at the specified distance from the beam exit window Due to the laws of electron scattering, it is inevitable with these beam generators that the properties of the electron beam field change with increasing distance from the beam exit window, while regardless of this the property homogeneity is maintained in the beam width
Das Elektronenstrahlfeld ist prinzipiell charakterisierbar durch eineThe electron beam field can in principle be characterized by a
Elektronendichteverteilung, eine Verteilung der Elektronenbewegungsrichtung und eine Energieverteilung Mit zunehmendem Abstand vom Strahlaustrittsfenster nimmt die Dispersion der Elektronenbewegungsrichtungen zu, ihr Mittelwert fallt jedoch mit der Beschleunigungsrichtung des Elektronenstrahls zusammen und definiert damit eine Bestrahlungsrichtung des Elektronenstrahlfeldes Die Dispersion der Energieverteilung der 3Electron density distribution, a distribution of the electron movement direction and an energy distribution With increasing distance from the beam exit window, the dispersion of the electron movement directions increases, but their mean value coincides with the direction of acceleration of the electron beam and thus defines an irradiation direction of the electron beam field 3
Elektronen nimmt ebenfalls mit zunehmendem Abstand vom Strahlaustnttsfenster zu, demgegenüber nimmt der Mittelwert der Elektronenenergie ab Die Folge dieses Sachverhaltes ist daß die im vorstehend charakterisierten Elektronenstrahlfeld auf die Oberflache und den angrenzenden Eindringbereich der Elektronen übertragene Dosis in komplexer Weise abhangig ist von den Bestrahlungsbedingungen, insbesondere vom Abstand der Oberflache zum Strahlaustnttsfenster und dem Winkel zwischen der Oberflachennormalen und der BestrahlungsrichtungElectrons also increase with increasing distance from the beam exposure window, in contrast the mean value of the electron energy decreases.The consequence of this fact is that the dose transferred in the electron beam field characterized above to the surface and the adjacent penetration area of the electrons depends in a complex manner on the irradiation conditions, in particular on the Distance of the surface to the beam exposure window and the angle between the surface normal and the direction of irradiation
Bei den Elektronenbestrahlungsverfahren nach dem bekannten Stand der Technik wird das Bestrahlungsgut im konstanten Abstand gegenüber dem Strahlaustnttsfenster durch das Bestrahlungsfeld gefuhrt Die zulassige Breite des Bestrahlungsgutes wird dabei durch die Breite des Strahlaustrittsfensters begrenzt Bestrahlt werden Oberflachenschichten bis zu einigen 100 g/rm auf ebenen Tragern, wie Papier oder Folienbahnen und Platten Die Beschleunigungsspannung zur Erzeugung des Elektronenstrahls betragt je nach Anwendungsfall 100 bis 300 kVIn the electron irradiation methods according to the known state of the art, the material to be irradiated is guided through the radiation field at a constant distance from the radiation exposure window. The permissible width of the radiation material is limited by the width of the beam exit window. Surface layers of up to a few 100 g / rm are irradiated on flat supports, such as Paper or foil webs and plates The acceleration voltage for generating the electron beam is 100 to 300 kV depending on the application
Bei den Elektronenbestrahlungseinrichtungen nach dem Stand der Technik ist die Bestrahlungseinheit ortsfest montiert In fester räumlicher Zuordnung zu der Bestrahlungseinheit wird das Bestrahlungsgut durch das Elektronenstrahlfeld bewegt Die Bestrahlungseinheit und das Elektronenstrahlfeld sind dabei von einer Arbeitskabine umgeben, die als Strahlenschutzcontainment ausgebildet ist und den Austritt von Röntgenstrahlung zuverlässig vermeidet Die Arbeitskabine besitzt gegen Rontgenstrahlenaustπtt geschützte Zu- und Abfuhrkanale für das Bestrahlungsgut Die Bestrahlung erfolgt in der Regel unter Inertbedingungen im Bereich < 100 ppm O2- Konzentration Zur Gewährleistung dieser Bedingungen wird die Kabine mit Inertgas, beispielsweise mit N,, gespultIn the case of the electron irradiation devices according to the prior art, the irradiation unit is mounted in a fixed position. The object to be irradiated is moved in a fixed spatial association with the irradiation unit avoids The working cabin has supply and discharge channels for the material to be irradiated, which are protected against X-ray radiation. Irradiation is usually carried out under inert conditions in the range <100 ppm O 2 concentration. To ensure these conditions, the cabin is flushed with inert gas, for example with N ,,
Die Steuer- und Versorgungseinrichtungen für den Betrieb der Bestrahlungseinrichtung enthalten unter anderem Mittel zur Regelung und Konstanthaltung der Bestrahlungsbedingungen, insbesondere der Beschleunigungsspannung, des Strahlstromes und der Transportgeschwindigkeit des Bestrahlungsgutes Der Strahlstrom ist dabei in der Regel an die Geschwindigkeit des Bestrahlungsgutes gekoppelt Bei Bestrahlungseinheiten mit Axialelektronenstrahlkanonen und Scanner, wie sie beispielsweise aus dem genannten Stand der Technik bekannt sind, enthalten die Versorgungseinrichtungen zusätzlich einen Ablenkgenerator, über den der Elektronenstrahl mit festen Parametern und einer Frequenz 4The control and supply devices for the operation of the radiation device contain, among other things, means for regulating and keeping the radiation conditions constant, in particular the acceleration voltage, the beam current and the transport speed of the radiation material. The beam current is generally coupled to the speed of the radiation material in the case of radiation units with axial electron guns and Scanners, as are known, for example, from the prior art mentioned, additionally contain the supply devices a deflection generator via which the electron beam with fixed parameters and a frequency 4
im Bereich von 100 Hz gescannt, d h , zeitlinear periodisch abgelenkt wird, z B nach einer Dreiecks- oder Sagezahnfunktionis scanned in the range of 100 Hz, i.e. periodically linearly deflected, e.g. after a triangular or sawtooth function
Die nach diesem Stand der Technik bekannten Bestrahlungseinrichtungen haben gemeinsam, daß ein stationäres oder im Falle des Strahlscannens quasistationares Elektronenstrahlfeld mit über die Lange des Strahlaustrittsfensters konstanten Bestrahlungsbedingungen erzeugt wird Die daran gebundenen Bestrahlungsverfahren gestatten damit nur für ebene Produkte, die im konstanten Abstand zum Strahlaustnttsfenster das Bestrahlungsfeld passieren, eine Bestrahlung mit homogener DosisverteilungThe radiation devices known according to this prior art have in common that a stationary or, in the case of beam scanning, quasistationary electron beam field is generated with radiation conditions that are constant over the length of the beam exit window. The radiation methods bound to it thus only allow for flat products that are at a constant distance from the beam emission window the radiation field happen, radiation with homogeneous dose distribution
Aus dem bereits genannten Buch „Elektronenstrahltechnologie" ist weiterhin ein Verfahren zur Elektronenbestrahlung mit hohen Energien im Bereich von 1 MeV bekannt, nach dem Korper mit schwach gekrümmten Oberflachen in Elektronenstrahlfeldern der vorstehend beschriebenen Art bestrahlt werden Dies wird dadurch möglich, daß sich in diesem Fall die Eigenschaften des Bestrahlungsfeldes über einen größeren Bereich mit zunehmendem Abstand vom Strahlaustnttsfenster nur wenig ändern. Die Geometriegrenzen für die Oberflachengestalt der Korper werden hier in erster Linie durch den Winkel der Oberflachennormalen zur Strahlrichtung gesetzt, da die lokale Dosisverteilung an der Oberflache etwa vom Kosinus dieses Winkels abhängig ist. Für spezielle Anwendungen der Hochenergiebestrahlung, beispielsweise für die Strahlenvernetzung von Isoliermatenalien von Hochspannungskabeln, ist es auch bekannt, durch geeignete Anordnungen von Elektronenrückstreukörpern im Elektronenstrahlfeld eine hinreichend homogene Bestrahlung für derartige Bestrahlungsguter zu erreichenFrom the book “Electron Beam Technology” already mentioned, a method for electron irradiation with high energies in the range of 1 MeV is also known, according to which bodies with weakly curved surfaces are irradiated in electron beam fields of the type described above. This is possible because in this case the Change the properties of the radiation field over a larger area only slightly as the distance from the beam exposure window increases. The geometric limits for the surface shape of the body are set here primarily by the angle of the surface normal to the beam direction, since the local dose distribution on the surface depends approximately on the cosine of this angle For special applications of high-energy radiation, for example for the radiation crosslinking of insulating materials of high-voltage cables, it is also known to use suitable arrangements of electron backscattering bodies in the electron beam field to achieve sufficiently homogeneous radiation for such radiation goods
Aus der Literaturstelle Haefer „Oberflachen- und Dünnschicht-Technologie", Teil II,From the Haefer reference, "Surface and Thin Film Technology", Part II,
Oberflachenmodifikation durch Teilchen und Quanten, Springer- Verlag, 1991 , Seiten 131 bis 134, ist bekannt, Schichten auf dreidimensional strukturierten Ober lachen mit Elektronenstrahlen zu modifizieren Dazu wird der Elektronenstrahl mit relativ hoher Beschleunigungsspannung von z B 230 kV erzeugt, so daß er in der Bestrahlungsatmosphare eine genügend hohe Reichweite von etwa 20 cm besitzt. Die starke Dispersion der Bewegungsrichtung der Elektronen vor allem in der zweiten Hälfte der ver ugbaren Elektronenreichweite wird genutzt, um Oberflachenelemente mit unterschiedlicher Neigung zur Strahlrichtung hinreichend homogen zu bestrahlen. Die Gesamtwolbung der genügend homogen bestrahlbaren Oberflache ist daher auf einen Bruchteil der Elektronenreichweite in der Bestrahlungsatmosphare begrenzt Der erzielte 5Surface modification by particles and quanta, Springer-Verlag, 1991, pages 131 to 134, is known to modify layers on three-dimensionally structured surfaces with electron beams. For this purpose, the electron beam is generated with a relatively high acceleration voltage of, for example, 230 kV, so that it is in the Irradiation atmosphere has a sufficiently long range of about 20 cm. The strong dispersion of the direction of movement of the electrons, especially in the second half of the available electron range, is used to irradiate surface elements with different inclinations to the beam direction sufficiently homogeneously. The overall curvature of the sufficiently homogeneously irradiable surface is therefore limited to a fraction of the electron range in the irradiation atmosphere 5
Vorteil wird durch eine vergleichsweise zur behandelbaren Schichtdicke hohe Beschleunigungsspannung erkauft Der Preis ist ein erhöhter anlagentechnischer Aufwand und eine reduzierte EnergieeffizienzThe advantage is paid for by a high acceleration voltage compared to the layer thickness that can be treated. The price is an increased outlay in terms of plant technology and reduced energy efficiency
Es ist auch bekannt, beliebig gekrümmte Oberflachen mit dem Elektronenstrahl derart zu beaufschlagen, daß die Oberfläche des Werkstuckes aufgeschmolzen wird Es handelt sich dabei um eine Randschichtveredelung, die zur Härtung der Oberflache - z B von Nocken - fuhrt (DE 41 30 462 C 1 ) Diese Losung hat den Nachteil, daß der Prozeß im Vakuum stattfinden muß, da der erforderliche Energieeintrag infolge der erforderlichen Dicke der Umschmelzschicht sehr hoch ist Außerdem ist diese Technologie nur für relativ kleine Teile bei hohen Produktionszahlen geeignetIt is also known to apply arbitrarily curved surfaces to the electron beam in such a way that the surface of the workpiece is melted. This is an edge layer refinement which leads to the hardening of the surface, for example of cams (DE 41 30 462 C 1). This solution has the disadvantage that the process has to take place in a vacuum, since the required energy input is very high due to the required thickness of the remelting layer. Furthermore, this technology is only suitable for relatively small parts with high production numbers
Der Nachteil der aus dem Stand der Technik hervorgehenden bekannten Verfahren und Einrichtungen besteht dann, daß eine Übertragung der Hochenergiebestrahlung auf die Elektronenstrahlhartung dunner Oberflachenschichten auf Korpern mit weitgehend beliebiger, dreidimensional gekrümmter Oberflachen an den engen Grenzen der Verfahrensflexibilitat scheitert Darüber hinaus ist ein hoher technischer Aufwand erforderlich, der die Wirtschaftlichkeit der Verfahren und Einrichtungen für viele Anwendungen in Frage stelltThe disadvantage of the known methods and devices resulting from the prior art is that a transfer of the high-energy radiation to the electron beam hardening of thin surface layers on bodies with largely any three-dimensionally curved surfaces fails due to the narrow limits of the process flexibility. In addition, a high technical outlay is required who questions the economics of processes and facilities for many applications
Der Erfindung egt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Elektronenbestrahlung und die zugehörige Einrichtung zu schaffen, welches es ermöglicht, Schichten, die auf Objekten aufgebracht sind, oder oberflachennahe Bereiche von Objekten in einer definierten Tiefe in ihren physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften zu verandern Die Objekte können weitgehend beliebig, dreidimensional gekrümmt sein Damit soll das möglicheThe invention has for its object to provide a method for electron irradiation and the associated device, which makes it possible to change the physical and / or chemical properties of layers that are applied to objects or near-surface areas of objects at a defined depth Objects can be largely arbitrarily, three-dimensionally curved
Anwendungsgebiet der Elektronenbestrahlung erweitert sowie ihre Kosteneffizienz und ihre Flexibilität gesteigert werdenThe field of application of electron radiation is expanded and its cost efficiency and flexibility are increased
Erfindungsgemaß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelost In zugehörigen Unteranspruchen 2 bis 10 sind zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemaßen Verfahrens beschrieben Eine Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 1 realisiert In den zugehörigen Unteranspruchen 12 bis 18 sind zweckmäßige Ausgestaltungen der Einrichtung oeschπeben 6According to the invention, the object is achieved according to the features of claim 1. Appropriate embodiments of the method according to the invention are described in associated subclaims 2 to 10. A device for carrying out the method is implemented in accordance with the features of claim 1 1 Oeschπeben facility 6
Das erfindungsgemaße Verfahren besteht darin, Schichten auf Objekten oder oberflachennahe Bereiche von Objekten mit dreidimensional ausgebildeter Oberflache innerhalb zulassiger Toleranzen definiert derart zu bestrahlen und infolgedessen eine Eigenschaftsmodifikation der Oberflachenschicht durchzufuhren, daß das Objekt zumindest bezüglich von Teilflachen in einer für die Bestrahlung optimalen Position und Orientierung zum Strahlaustnttsfenster der Bestrahlungseinrichtung der Strahleinwirkung ausgesetzt wird Durch ein lückenloses Aneinanderreihen derartiger Teilflachen ist es möglich, die gesamte zu bestrahlende Flache des Objektes zu bestrahlenThe method according to the invention consists of irradiating layers on objects or near-surface areas of objects with a three-dimensionally formed surface within permissible tolerances in a defined manner and consequently carrying out a property modification of the surface layer such that the object is in an optimal position and orientation for the radiation, at least with regard to partial surfaces Radiation exposure window of the irradiation device is exposed to the radiation effect. By lining up such partial areas without gaps, it is possible to irradiate the entire area of the object to be irradiated
Bedingt durch Elektronenstreuung im Strahlaustnttsfenster und im gaserfulltenDue to electron scattering in the beam exposure window and in the gas-filled one
Arbeitsabstand zwischen dem Strahlaustnttsfenster und der Oberflache des Objektes ergibt sich in den Randzonen der Teilflachen ein stetiger Abfall der Bestrahlungsdosis Die zu bestrahlenden Teilflachen werden deshalb so aneinandergereiht, daß die in den Randzonen aus zumindest zwei Bestrahlungsereignissen übertragenen Energiedosen sich zur benotigten Gesamtdosis erganzen Dabei wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß der beabsichtigte Modifikationseffekt ausschließlich oder dominant von der Bestrahlungsdosis, nicht aber vom Zeitregime ihrer Übertragung abhangig istWorking distance between the beam exposure window and the surface of the object results in a steady decrease in the radiation dose in the peripheral zones of the partial surfaces. The partial surfaces to be irradiated are therefore lined up in such a way that the energy doses transmitted in the peripheral zones from at least two radiation events add up to the required total dose Taking advantage of the fact that the intended modification effect depends exclusively or dominantly on the radiation dose, but not on the time regime of its transmission
Innerhalb der Teilflache werden Unterschiede in den Bestrahlungsbedingungen für die einzelnen Flacheneiemente, wie sie etwa durch unterschiedlichen Abstand zumWithin the sub-area there are differences in the irradiation conditions for the individual flat elements, such as those caused by different distances from the
Strahlaustnttsfenster oder unterschiedliche Winkel zwischen ihrer Oberflachennormalen und der Bestrahlungsrichtung, aber auch durch unterschiedliche Expositionszeiten aufgrund voneinander verschiedener Translationsgeschwindigkeiten hervorgerufen sein können, durch Anpassung des Intensitatsprofils in der Ebene des Strahlaustrittsfensters kompensiert Unter Intensitatsverteilung wird dabei die über die Expositionsdauer der Teilflache gemittelte Strahlstromdichteverteilung in der Ebene des Strahlaustrittsfensters verstandenBeam exit windows or different angles between their surface normal and the direction of radiation, but also due to different exposure times due to different translation speeds, can be compensated for by adjusting the intensity profile in the plane of the beam exit window.Under intensity distribution, the beam current density distribution in the plane of Beam exit window understood
Dabei wird davon ausgegangen, daß der geometrische Verlauf der Oberflache des Objektes relativ zum Strahlaustnttsfenster bekannt ist und daß für die Exposition eines bestimmten Flachenelementes der Teilflache der Elektronenstrahl von einem dem Flachenelement zuordenbaren Ort beziehungsweise einem Flachenbereich des Strahlaustrittsfensters austritt Ausgenutzt wird weiterhin die Möglichkeit, bei gegebener Oberflachengeometrie das benotigte Intensitatsprofil in der Ebene des Strahlaustrittsfensters anhand der die Elektronenausbreitung in Materie bestimmenden Gesetze zu berechnen oder zur Vereinfachung gegebenenfalls unter Verwendung empirisch gestutzter oder empirischer 7It is assumed that the geometric course of the surface of the object relative to the beam exit window is known and that for the exposure of a certain flat element the partial area of the electron beam emerges from a location that can be assigned to the flat element or a flat area of the beam exit window Surface geometry to calculate the required intensity profile in the plane of the beam exit window on the basis of the laws determining the electron propagation in matter or, for simplification, if necessary using empirically based or empirical ones 7
Methoden zu ermitteln, sowie unter Wahrung von Belastbarkeitsgrenzen des Strahlaustrittsfensters auch praktisch zu realisierenDetermine methods and also implement them practically while maintaining the load capacity limits of the beam exit window
Das Verfahren wird mit einer Einrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 1 durchgeführt, wobei im wesentlichen eine an sich bekannte Axialstrahlquelle für einen Elektronenstrahl mit einer in zwei Achsen frei programmierbaren Weitwinkelablenkung für den Elektronenstrahl kombiniert wird Die Ablenkung des axialen Elektronenstrahls erfolgt im Unterschied zum Stand der Technik nicht zeithnear und linienformig, sondern zweidimensional und innerhalb einer Ablenkpenode mit in weiten Grenzen variierbarer Momentangeschwindigkeit bzw. Strahlverweildauer. Zur Einstellung der technologisch relevanten Intensitatsprofile wird eine im Mittelfrequenzbereich arbeitende Ablenkemheit mit einer dazu angepaßten Strahlfuhrungselektronik verwendetThe method is carried out with a device according to claim 1 1, essentially combining a known axial beam source for an electron beam with a freely programmable wide-angle deflection for the electron beam in two axes. In contrast to the prior art, the deflection of the axial electron beam does not take place contemporary and linear, but two-dimensional and within a deflection pod with instantaneous speed or beam dwell time that can be varied within wide limits. In order to set the technologically relevant intensity profiles, a deflection unit operating in the medium frequency range is used with a beam guiding electronics adapted to it
Entsprechend der Dosistiefenverteilung der Energieabsorption von Elektronen wird bei gegebener Stromdichte auf Flachenelemente, deren Abstand zum Strahlaustnttsfenster größer ist als die halbe Reichweite der Elektronen, eine mit zunehmendem Abstand geringere Dosis übertragen Diese Benachteiligung von Flächeneiementen mit größerem Abstand zum Strahlaustnttsfenster kann vorteilhaft durch eine erhöhte Intensität im zugeordneten Fensterbereich kompensiert werden Da diese Maßnahme jedoch den relativen Dosisgradienten über der zu bestrahlenden Schichtdicke nicht verändert, bestimmt der zulassige Dosisgradient bei gegebener Beschleunigungsspannung, gegebenem Strahlaustnttsfenster und gegebenem Gas zwischen dem Strahlaustnttsfenster und der Objektoberfläche letztlich den maximal möglichen Abstand eines zu bestrahlenden Flächenelementes zum Strahlaustnttsfenster.Corresponding to the dose depth distribution of the energy absorption of electrons, with a given current density on flat elements whose distance to the beam exit window is greater than half the range of the electrons, a smaller dose is transmitted with increasing distance.This disadvantage of surface elements with a greater distance to the beam exit window can be advantageously due to an increased intensity in the assigned window area are compensated for, since this measure does not change the relative dose gradient over the layer thickness to be irradiated, the permissible dose gradient ultimately determines the maximum possible distance of a surface element to be irradiated from the beam exposure window given the acceleration voltage, the radiation exposure window and the gas between the radiation exposure window and the object surface.
Eine deutliche Erweiterung der Verfahrensflexibilitat bezuglich der Einstellbarkeit von Dosisgradienten, insbesondere jedoch der Toleπerbarkeit konturbedingter Variationen des Arbeitsabstandes innerhalb des momentanen Bestrahlungsbereiches ergäbe sich, wenn man zur Inertisierung nicht Stickstoff sondern ein Gas mit geringerer Dichte einsetzt, zweckmaßigerweise Helium Aus Kostengrunden ist es aber nicht akzeptabel, die gesamte Arbeitskabine mit Helium zu inertisieren Die Einrichtung zur Durchfuhrung des Bestrahlungsverfahrens ist deshalb mit einer Schutzgasfuhrung ausgestattet, die den Bereich der momentanen Strahleinwirkung auf die zu modifizierende Oberflachenschicht nur lokal mit reinem Helium oder einem Stickstoff-Helium-Gemisch inertisiert Ein weiterer Vorteil dieser Einrichtung ist es, daß damit der Verbrauch von hochreinem Inertgas auf ein 8A significant expansion of the process flexibility with regard to the adjustability of dose gradients, but in particular the tolerance of contour-related variations in the working distance within the current irradiation range would result if, instead of nitrogen, a gas with a lower density is used, expediently helium. For reasons of cost, it is not acceptable, however, inertizing the entire work booth with helium The device for carrying out the irradiation process is therefore equipped with a protective gas duct, which only locally inertises the area of the instantaneous radiation exposure to the surface layer to be modified with pure helium or a nitrogen-helium mixture. Another advantage of this device is it that the consumption of high purity inert gas on a 8th
Minimum reduziert sowie die Anforderung an die globale Sauerstoffkonzentration in der Arbeitskabine deutlich entschärft werden kann, was neben den direkten Inertgaskosten insbesondere auch den Aufwand für die Ein- und Ausschleusung der Objekte reduziertThe minimum is reduced and the requirement for the global oxygen concentration in the work cabin can be significantly alleviated, which in addition to the direct inert gas costs in particular also reduces the effort for the inward and outward transfer of the objects
Die Strukturgroße der Oberflächendetails, auf die die Bestrahlungsbedingungen angepaßt werden können, wird nach kleinen Abmessungen hin vor allem durch die Richtungsdispersion der Elektronen infolge Streuung beim Passieren des Strahlaustrittsfensters und der anschließenden Gasstrecke begrenzt. Diese ist um so geringer, je höher die Elektronenenergie und je geringer der Abstand des Oberflächenelementes zum Strahlaustnttsfenster sowie dessen Flächenmasse sindThe structural size of the surface details, to which the irradiation conditions can be adapted, is limited to small dimensions primarily by the directional dispersion of the electrons due to scattering when passing through the beam exit window and the subsequent gas path. This is the lower, the higher the electron energy and the smaller the distance of the surface element from the beam exposure window and its mass per unit area
Ein wichtiges Element der erfmdungsgemaßen Bestrahlungseinheit ist deshalb ein spezielles, beispielsweise mit Wasser kühlbares Stützgitter, das die Verwendung besonders dunner Metallfoiien als Strahlaustnttsfenster ermöglicht. Damit können technologiegerecht kleine Werte der Richtungsdispersion der austretenden Elektronen auch noch bei niedrigen Beschleunigungsspannungen von kleiner als etwa 150 kV erzielt werden. Das hat den Vorteil, daß die Strahlquelle gegenüber dem durch Einrichtungen mit wesentlich höheren Beschleunigungsspannungen repräsentierten Stand der Technik leichter und kompakter ist, die Aufwendungen für das Strahlenschutzcontainment geringer sind und die Strahlungsbelastung des Objektes unterhalb der zu modifizierenden Oberflachenschicht gering ist.An important element of the radiation unit according to the invention is therefore a special support grid, which can be cooled with water, for example, which enables the use of particularly thin metal foils as radiation exposure windows. With this technology, small values of the directional dispersion of the emerging electrons can be achieved even at low acceleration voltages of less than approximately 150 kV. This has the advantage that the radiation source is lighter and more compact than the prior art represented by devices with significantly higher acceleration voltages, the expenditure for radiation protection containment is lower and the radiation exposure of the object below the surface layer to be modified is low.
Für die Bestrahlung von Oberflächen von Objekten, deren Ausdehnung groß gegenüber einer bestrahlbaren Teilfläche ist, ist es zweckmäßig, benachbarte Teilflächen zu Bestrahlungsbahnen zusammenzufassen. Die Bestrahlung einer solchen Bahn erfolgt dann während der Relativbewegung zwischen der jeweiligen Oberfläche des Objektes und der Bestrahlungseinheit. Dabei erfolgen die Ausrichtung der Oberfläche des Objektes zur Strahlrichtung und die Einstellung der Intensitatsverteilung in der Ebene des Strahlaustrittsfensters nach Maßgabe der im jeweiligen Element im Einwirkbereich des Elektronenstrahls befindlichen Teilfläche. Es ist ferner zweckmäßig, die Bestrahlung der Oberfläche der Objekte durch zellenförmiges Aneinanderreihen geeignet gewählter Bestrahlungsbahnen durchzuführenFor the irradiation of surfaces of objects, the extent of which is large compared to an irradiable partial area, it is expedient to combine neighboring partial areas into radiation paths. The irradiation of such a path then takes place during the relative movement between the respective surface of the object and the irradiation unit. The surface of the object is aligned with the beam direction and the intensity distribution is adjusted in the plane of the beam exit window in accordance with the partial area located in the respective element in the area of action of the electron beam. It is also expedient to carry out the irradiation of the surface of the objects by stringing suitably selected radiation paths in a row
Dabei können sowohl zur optimalen Positionierung von Strahlquelle und Objekt als auch zur Erzeugung der verfahrensbedingt notwendigen Vorscnubgeschwindigkeiten ein oder 9In this case, one or both can be used for the optimal positioning of the beam source and object as well as for generating the precubbing speeds necessary for the method 9
mehrere Roboter zur Anwendung kommen Beispielsweise kann ein Roboter die Bestrahlungseinheit gegenüber dem Objekt bewegen Es ist aber auch vorteilhaft, mittels eines weiteren Roboters das jeweilige Objekt vor oder wahrend der Bestrahlung relativ zur Bestrahlungseinheit zu bewegen wahrend die Bestrahlungseinheit ruht oder aber gleichzeitig über den ersten Roboter jeweils senkrecht zur Bestrahlungsflache ausgerichtet wirdSeveral robots are used.For example, one robot can move the irradiation unit with respect to the object.However, it is also advantageous to use another robot to move the respective object relative to the irradiation unit before or during the irradiation while the irradiation unit is at rest or simultaneously via the first robot is aligned perpendicular to the radiation area
Ein weiterer technologischer Freiheitsgrad wird mit der erfmdungsgemaßen Bestrahlungseinrichtung dadurch erschlossen, daß das Strahlaustnttsfenster gegenüber der Strahlquelle drehbar angeordnet sein kann Das vereinfacht die Realisierung eines Bahnsteuerbetriebes, der für die Bestrahlung krummlinig begrenzter Bahnen auf Freiformflachen erforderlich istAnother degree of technological freedom is achieved with the radiation device according to the invention in that the beam exposure window can be rotated relative to the beam source. This simplifies the implementation of a path control operation that is required for the irradiation of curvilinearly limited paths on free-form surfaces
Bei den bisher dargelegten Verfahrensvarianten wurde stets vorausgesetzt, daß die Kontur der zu bestrahlenden Oberflache in analytischer Form oder als CAD-File gegeben ist Es ist mit der Erfindung aber auch möglich, unbekannte oder sehr grob tolerierte Konturen zeitgleich und unmittelbar in Verbindung mit dem Bestrahlungsvorgang zu bestimmen Dazu ist die Einrichtung zur Durchfuhrung des Bestrahlungsverfahrens mit Schnittstellen für die Ankopplung einer Digitalisiereinπchtung versehen Die damit ermittelten Konturdaten der Oberflache stehen dann online zur Berechnung und Einstellung der Intensitats- Verteilung, des erforderlichen Vorschubes und der optimalen Ausrichtung von Bestrahlungseinrichtung und Objekt zur VerfugungIn the previously described method variants, it has always been assumed that the contour of the surface to be irradiated is given in analytical form or as a CAD file. However, it is also possible with the invention to remove unknown or very roughly tolerated contours simultaneously and directly in connection with the irradiation process To this end, the device for carrying out the irradiation process is provided with interfaces for coupling a digitizing device. The contour data of the surface thus determined are then available online for calculating and setting the intensity distribution, the required feed and the optimal alignment of the irradiation device and object
Die optimale Ausrichtung der jeweils zu bestrahlenden Teilflache zum Strahlaustnttsfenster ist dann gegeben, wenn die Gesamtheit der Flachenelemente unter optimalen Bedingungen von den Elektronen beaufschlagt werden können Diese Voraussetzung ist in der Regel dann erfüllt, wenn der Abstand zum Strahlaustnttsfenster hinreichend klein ist und die Oberflachennormalen der Teilflachen einen Winkel kleiner als etwa 45° zur Strahlrichtung bildenThe optimal alignment of the partial area to be irradiated with respect to the beam exit window is given when the entirety of the flat elements can be acted upon by the electrons under optimal conditions.This requirement is generally met when the distance to the beam exit window is sufficiently small and the surface normals of the partial areas form an angle less than about 45 ° to the beam direction
Eine Erweiterung des effektiv bestrahlbaren Winkeibereiches wird bei der erfmdungsgemaßen Bestrahlungseinrichtung erreicht, indem verstellbare Reflektorblenden unmittelbar unter dem Strahlaustnttsfenster angeordnet sind, die den austretenden Elektronenstrahl reflektieren Bei entsprechender Einstellung des Winkels der Reflektorblende gegenüber der Hauptaustrittsrichtung der Elektronenstrahlen können dann auch noch Teilbereiche von Oberflachen wirksam bestrahlt werden, deren Oberflachennormalen um mehr als 45° gegen die Oberflachennormale der Ebene des Strahlaustrittsfensters geneigt sind Der Vorteil gegenüber den bekannten starren Reflexionskorpern besteht dann, daß die Reflektorblenden in Verbindung mit der Roboterbewegung automatisch steuerbar und so flexibel an unterschiedliche Konturen anpaßbar sindAn expansion of the effectively irradiable angular range is achieved in the irradiation device according to the invention in that adjustable reflector diaphragms are arranged directly below the beam exit window, which reflect the emerging electron beam. With an appropriate setting of the angle of the reflector diaphragm relative to the main exit direction of the electron beams, even partial areas of surfaces can then be effectively irradiated whose surface normals are more than 45 ° are inclined against the surface normal of the plane of the beam exit window. The advantage over the known rigid reflection bodies is that the reflector diaphragms can be automatically controlled in connection with the robot movement and can thus be flexibly adapted to different contours
Als besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist noch einmal zusammenfassend hervorzuheben, daß beipielsweise das Harten elektronenstrahlhartbarer Lackschichten auf verschleißbeanspruchten, dreidimensional geformten Oberflachen der eingangs genannten Art möglich durchfuhrbar ist Dabei kann die Härtung sowohl unmittelbar nach dem Lackauftrag aus dem flussigen Zustand heraus oder nach einer Vorhartung mit UV-Strahlen erfolgen Bei vorausgegangener UV-Hartung kann es darüber hinaus vorteilhaft sein, die zusätzliche Elektronenstrahlhartung auf besonders verschleißexponierte Oberflachenbereiche zu beschranken As a particular advantage of the present invention, it should be emphasized once again that, for example, the hardening of electron-beam hardenable lacquer layers on wear-stressed, three-dimensionally shaped surfaces of the type mentioned at the outset can be carried out. The hardening can be carried out either immediately after the lacquer application from the liquid state or after a pre-hardening UV rays occur In the case of previous UV curing, it may also be advantageous to restrict the additional electron beam curing to surface areas that are particularly exposed to wear
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer Bestrahlungseinheit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Elektronenbestrahlungsverfahrens; Fig. 2 die Anordnung der Bestrahlungseinheit an einer Handlingeinrichtung, beispielsweise an einem Industrieroboter; Fig. 3 die schematische Darstellung des Bestrahlungsvorganges für die Oberfläche eines Wellbleches mit Aufteilung in individuelle Härtebahnen und Darstellung der für dieThe invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and associated drawings. The drawings show: FIG. 1 a schematic illustration of the basic structure of an irradiation unit for implementing the electron irradiation method according to the invention; 2 shows the arrangement of the radiation unit on a handling device, for example on an industrial robot; Fig. 3 is a schematic representation of the irradiation process for the surface of a corrugated sheet with division into individual hardness tracks and representation of the
Bahnen (n-1 ), n und (n+1 ) zu einzustellenden Dosisverteilung Dk(x), sowie das für die Bahn n zu programmierende Intensitätsprofil ι(x, y) in der Fensterebene; Fig. 4a die Anordnung eines Winkelbleches relativ zum Strahlaustnttsfenster; Fig. 4b die Lage einer zu bestrahlenden Lackschicht auf diesem Winkelblech relativ zur Dosis-Tiefen-Verteilung für reinen Stickstoff und reines Helium als Inertgas;Paths (n-1), n and (n + 1) to be set dose distribution D k (x), and the intensity profile ι (x, y) to be programmed for the path n in the window plane; 4a shows the arrangement of an angle plate relative to the beam opening window; 4b shows the position of a lacquer layer to be irradiated on this angular plate relative to the dose-depth distribution for pure nitrogen and pure helium as inert gas;
Fig. 5 die Orientierung von Fenster und Objekt sowie das Intensitätsprofil am Beispiel derFig. 5 shows the orientation of the window and object and the intensity profile using the example of
Härtung der Mantelfläche eines Kegelstumpfes im Vorschubverfahren; Fig. 6 eine schematische Darstellung der Grundzüge eines Flash-Verfahrens anhand der impulsförmigen Bestrahlung von Kugelkappen mittels durch Überlagerung von Subzyklen gewonnener Expositionsmaske;Hardening the lateral surface of a truncated cone using the feed method; 6 shows a schematic illustration of the basic features of a flash method based on the pulsed radiation of spherical caps by means of an exposure mask obtained by superimposing sub-cycles;
Fig. 7 die Bestrahlung einer 3D-Freιformfläche im Flash-Verfahren, wobei die Expositionsmaske durch Digitalisierung der Kontur und punktweise programmierbare7 shows the irradiation of a 3D free-form surface using the flash method, the exposure mask being programmable by digitizing the contour and point by point
Verweildauern des Strahles erzeugt wurde; Fig. 8 die Anwendung des Flash-Verfahrens zur sequentiellen impulsförmigen Bestrahlung kompliziert strukturierter, großflächiger dreidimensionaler Konturen;Dwell times of the beam was generated; 8 shows the application of the flash method for sequential pulse-shaped irradiation of complex, large-area three-dimensional contours;
Fig. 8a eine Darstellung der beim Flash-Verfahren alternierenden Bestrahl- und8a is an illustration of the alternating radiation and
Positionierzyklen ; Fig. 9 eine Möglichkeit, die zu bestrahlende Kontur durch eine zusammen mit derPositioning cycles; Fig. 9 shows a possibility of the contour to be irradiated by a together with the
Strahlquelle bewegte Digitalisiereinnchtung zu ermitteln und die substratgerechten Intensitätsprofile online einzustellen;To determine the moving digitizing device and set the substrate-specific intensity profiles online;
Fig. 10 den Einsatz von automatisch schwenkbaren Reflektorblenden zur lokalenFig. 10 the use of automatically pivoting reflector panels for local
Verbesserung der Einstrahlbedingungen an schwer zugänglichen Teilflächen Die Fig. 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Bestrahlungseinheit 1 zur Durchfuhrung eines Verfahrens zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflächen von Objekten gemäß der Erfindung.Improvement of the radiation conditions on hard-to-reach areas 1 schematically shows the basic structure of an irradiation unit 1 for carrying out a method for electron irradiation of layers on surfaces of objects according to the invention.
Die Bestrahlungseinheit 1 besteht im wesentlichen aus einer axialen Strahlquelle 1 1 und einem Strahlrohr 1.2. Die Strahlquelle 1 .1 weist ein rohrformiges, evakuierbares und an seiner Oberseite verschließbares Gehäuse 2 mit einer radial daran angeordneten Turbopumpe 2.1 sowie einen als vakuumdichte Buchse in das Gehäuse 2 integrierten Isolator 2.2 auf, in den das Hochspannungskabel 3 gesteckt ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist am Isolator 2.2 in axialer Richtung eine Katodeneinheit 4 angeschlossen, die aus einer an sich bekannten Glühkatode 4 1 und einer Steuerelektrode 4.2 besteht, die den Strahlstrom I eines aus der Glühkatode 4 1 austretenden axialen Elektronenstrahles 4.3 regelt. Die Strahlquelle 1 1 ist für eine Beschleunigungsspannung von 150 kV dimensioniert. Unter der Katodeneinheit 4 sind axial eine Anode 5 und eine Ablenkeinheit 6 angeordnet.The radiation unit 1 essentially consists of an axial beam source 11 and a beam pipe 1.2. The beam source 1 .1 has a tubular, evacuable and closable housing 2 on its top with a radially arranged turbopump 2.1 and an insulator 2.2 integrated into the housing 2 as a vacuum-tight socket, into which the high-voltage cable 3 is inserted. Within the housing 2, a cathode unit 4 is connected to the insulator 2.2 in the axial direction, which consists of a known hot cathode 4 1 and a control electrode 4.2 which regulates the beam current I of an axial electron beam 4.3 emerging from the hot cathode 4 1. The beam source 1 1 is dimensioned for an acceleration voltage of 150 kV. An anode 5 and a deflection unit 6 are arranged axially under the cathode unit 4.
Die Ablenkemheit 6 ist so ausgelegt, daß sie den in der Strahlquelle 1.1 formierten und durch eine Anodenbohrung in Richtung Strahlerrohr 1.2 laufenden axialen Elektronenstrahl 4.3 mit einer Frequenz von 200 Hz bis 20 kHz innerhalb eines axialsymmetrischen Ablenkkegels 6.1 mit 50° Spitzenwinkel beliebig ablenken kann. Am Gehäuse 2 ist ferner außenliegend eine Montageplatte 7 zur Befestigung der Bestrahlungseinheit 1 an einer hier nicht dargestellten Halterung bzw. Handlingeinrichtung vorgesehen.The deflection unit 6 is designed such that it can deflect the axial electron beam 4.3 formed in the beam source 1.1 and running through an anode bore in the direction of the emitter tube 1.2 at a frequency of 200 Hz to 20 kHz within an axially symmetrical deflection cone 6.1 with a 50 ° tip angle. On the outside of the housing 2 there is also a mounting plate 7 for fastening the radiation unit 1 to a holder or handling device (not shown here).
An das Gehäuse 2 anschließend, ist in axialer Richtung das Strahlrohr 1.2 angeflanscht, das um die Mittelachse, also polar, drehbar mit dem Gehäuse 2 der Strahlquelle 1 .1 verbunden ist und darüber hinaus mit nicht dargestellten Steuer- und Versorgungseinrichtungen in Verbindung steht. Der Polarwinkel zwischen Strahlquelle 1.1 und Strahlrohr 1.2 kann mit einem Servomotor 8 bei laufendem Betrieb eingestellt werden. An der zeichungsgemäß unteren Seite ist das Strahlrohr 1.2 mit einem vakuumdichten, wassergekühlten rechteckförmigen Strahlaustnttsfenster 9 verschlossen.Connected to the housing 2 in the axial direction is the jet pipe 1.2, which is rotatably connected to the housing 2 of the beam source 1 .1 about the central axis, that is to say polar, and is also connected to control and supply devices, not shown. The polar angle between beam source 1.1 and beam pipe 1.2 can be set with a servo motor 8 during operation. On the lower side of the drawing, the jet pipe 1.2 is closed with a vacuum-tight, water-cooled rectangular jet window 9.
Das Strahlaustnttsfenster 9 mit einer Breite 9 1 und einer Lange 9.2 liegt vollständig innerhalb der Grundfläche des Ablenkkegels 6.1 und besteht im wesentlichen aus einem gekühlten Stützgitter, das mit einer für Elektronenstrahlen 9.3 weitgehend transparenten, dünnen Metallfolie bespannt ist. An seiner außen egenden Seite ist das Strahlaustnttsfenster mit einer Schutzgasführung 10 für Schutzgas 1 1 umgeben. 13The beam window 9 with a width 9 1 and a length 9.2 lies completely within the base area of the deflection cone 6.1 and essentially consists of a cooled support grid which is covered with a thin metal foil that is largely transparent to electron beams 9.3. On its outside end, the radiation window is surrounded by a protective gas guide 10 for protective gas 11. 13
In der Fig. 2 ist die Bestrahlungseinheit 1 mit einem Industrieroboter 20 verbunden dargestellt Die Bestrahlungseinheit 1 und der Roboter 20 befinden sich innerhalb einer in Fig 2 nicht dargestellten geschlossenen Arbeitskabine, die als Strahlenschutzcontamment ausgebildet und mit Inertgas gefüllt ist2 shows the irradiation unit 1 connected to an industrial robot 20. The irradiation unit 1 and the robot 20 are located within a closed work booth, not shown in FIG. 2, which is designed as a radiation protection contour and is filled with inert gas
Der Industrieroboter 20 ist für vorliegenden Verwendungszweck in üblicher Weise mit einem standfesten Sockel 21 und einem Unterteil 22 verbunden und weist schwenk- und drehbar beweglich gelagerte Arme 23 und 24 auf Am distalen Ende des Armes 24 ist die Bestrahlungseinheit 1 befestigt Die Bestrahlungseinheit 1 kann somit in Verbindung mit nicht dargestellten Antriebs- und Steuereinrichtungen sowohl manuell als auch automatisch gesteuert in mehreren Freiheitsgraden bewegt werden, die durch Rundachsen unterschiedlicher räumlicher Orientierung realisiert und in Fig 2 durch Pfeile angedeutet sindThe industrial robot 20 is connected for the present purpose in the usual manner to a stable base 21 and a lower part 22 and has arms 23 and 24 which are mounted so as to be pivotable and rotatable. The irradiation unit 1 is fastened to the distal end of the arm 24 Connection with drive and control devices, not shown, can be moved both manually and automatically in several degrees of freedom, which are realized by rotary axes of different spatial orientations and are indicated in FIG. 2 by arrows
In der Fig. 3 ist in schematischer Darstellung die Durchfuhrung der Bestrahlung der Oberflache eines Wellbleches 30 gezeigt, das in einem kartesischen Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z liegt Eine zu hartende Lackschicht 31 ist lediglich wegen der leichteren Darstellbarkeit auf dessen Unterseite aufgetragen Die Elektronenstrahlen 9 3 werden mit der Bestrahlungseinheit 1 erzeugt, von der hier zur Vereinfachung der Darstellung nur das Strahlaustnttsfenster 9 gezeigt ist, und gegen die Lackschicht 31 gerichtet Der Abstand zwischen dem Strahlaustnttsfenster 9 und der Lackschicht 31 wird als Arbeitsabstand zA bezeichnetIn Fig. 3, the implementation of the irradiation of the surface of a corrugated sheet 30 is shown in a schematic representation, which lies in a Cartesian coordinate system with the axes x, y and z. Too hard lacquer layer 31 is applied to the underside of it only because of the easier representation Electron beams 9 3 are generated with the irradiation unit 1, of which only the beam exposure window 9 is shown here to simplify the illustration, and directed against the paint layer 31. The distance between the beam exposure window 9 and the paint layer 31 is referred to as the working distance z A
Die Kontur des Wellbleches 30 wird durch eine Funktion z(x, y) beschrieben Ist z(x, y) wie im gegebenen Ausfuhrungsbeispiel nicht konstant, so ändert sich natürlich auch der lokale Arbeitsabstand zA Die Schwankungsbreite dieser Variation wird ΔzA genannt Die Kanten von Wellblech 30 und Strahlaustnttsfenster 9 sind parallel zur x- bzw y-Achse ausgerichtet Die Lange des Wellbleches 30 wird in y-Richtung gemessen Sie ist groß gegenüber der Lange 9 2 des Strahlaustrittsfensters 9 Die Breite des Wellbleches 30 wird in x-Richtung gemessen und ist ihrerseits großer als die Breite 9 1 des Strahlaustrittsfensters 9 Durch Relativbewegung der Bestrahlungseinheit 1 in y-Richtung mit der Vorschubgeschwindigkeit v wird von den Elektronenstrahlen 9 3 ein rechteckiger Streifen mit der Breite 9 1 des Strahlaustrittsfensters und beliebiger Lange erfaßt, der im Folgenden als Bestrahlungsbahn 32 bezeichnet wird Die Gesamtflache des Wellbleches 30 wird dann durch sukzessives Aneinanderreihen der Bestrahlungsbahnen 32 in x-Richtung bestrahlt Aus Produktivitats- gründen ist ein zellenförmiges Abrastern der Oberfläche, d h ein Durchlaufen benachbarter 14The contour of the corrugated sheet 30 is described by a function z (x, y). If z (x, y) is not constant as in the exemplary embodiment given, the local working distance z A naturally also changes. The range of variation of this variation is called Δz A. The edges of corrugated sheet 30 and beam exit window 9 are aligned parallel to the x or y axis. The length of the corrugated sheet 30 is measured in the y direction. It is large compared to the length 9 2 of the beam exit window 9. The width of the corrugated sheet 30 is measured in the x direction and is, in turn, greater than the width 9 1 of the beam exit window 9. By moving the irradiation unit 1 in the y direction at the feed speed v, a rectangular stripe with the width 9 1 of the beam exit window and any length is detected by the electron beams 9 3, hereinafter referred to as the irradiation path The total area of the corrugated sheet 30 is then determined by successively lining up the B radiation paths 32 irradiated in the x-direction For productivity reasons, a cell-like scanning of the surface is required, ie a passage through neighboring ones 14
Bestrahlungsbahnen 32 mit entgegengesetzter Vorschubrichtung vk, zweckmäßig Dieses Verfahren, das nachfolgend als Vorschubverfahren bezeichnet werden wird, ist in Fig 3 am Beispiel der (n-1)-ten, der n-ten und der (n+1)-ten Bahn dargestellt Damit sich die individuellen Bestrahlungsdosen Dk(x) im Uberlappbereich der (n-1 )-ten und n-ten Einzelbahn zur Solldosis Ds summieren, ist das Intensitatsprofil in der Fensterebene so zu programmieren, daß innerhalb der k-ten Bestrahlungsbahn 32 eine trapezahnhche Dosisverteilung Dk(x) mit Kantenmodulation resultiertIrradiation paths 32 with opposite feed direction v k , expedient This method, which is referred to below as the feed method, is shown in FIG. 3 using the example of the (n-1) -th, n-th and (n + 1) -th path So that the individual radiation doses D k (x) add up to the target dose D s in the overlap region of the (n-1) -th and n-th single path, the intensity profile in the window plane is to be programmed such that one within the k-th radiation path 32 Trapezoidal dose distribution D k (x) with edge modulation results
Dk (x) = D 1 -D k (x) = D 1 -
1 + exp((x - x, )/xHIVB ) 1 + exp((xr - x)/xHIVB )1 + exp ((x - x,) / x HIVB ) 1 + exp ((x r - x) / x HIVB )
Dabei stellt der Parameter xHWB die Steilheit des Flankenverlaufes ein, wahrend x, die linke und x die rechte Begrenzung der k-ten Bestrahlungsbahn 32 darstellen Als Breite für eine Bestrahlungsbahn 32, die kleiner oder gleich der Breite 9 1 des Strahlaustrittsfensters 9 sein muß, ist der Bereich zwischen zwei Maxima der Oberflachenkontur des Wellbleches 30 gewählt Beim Durchlaufen der ersten und letzten Bestrahlungsbahn 32 sind die x-Koordmaten der Kanten des Wellbleches 30 in das Intervall (x,+xHWB X,-XHWB) ZU legenThe parameter x HWB sets the slope of the flank profile, while x, the left and x represent the right boundary of the k-th irradiation path 32. As the width for an irradiation path 32, which must be less than or equal to the width 9 1 of the beam exit window 9, the area between the two maxima of the surface contour of the corrugated metal sheet is selected 30 When passing through the first and the last irradiation path 32, the x-Koordmaten the edges of the corrugated metal sheet 30 in the interval (x, + x HWB x, -X HWB) Add tO
Der zur Realisierung der Dosisverteilung Dk(x) erforderliche Verlauf der Intensität i in der Ebene des Strahlaustrittsfensters 9 ist ebenfalls schematisch dargestellt Das Intensitatsprofil ι(x, y) berücksichtigt, daß sowohl mit wachsendem Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Elektronen und der Oberflachennormalen am Strahlauftreffort als auch mit wachsendem Arbeitsabstand zA eine Anhebung der Intensität i im zum betrachteten Strahlauftreffort korrespondierenden Segment des Strahlaustrittsfensters 9 erforderlich ist Die Bestrahlungsbahnen 32 werden mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit v in von Bahn zu Bahn entgegengesetzter Vorschubrichtung vk durchlaufen Auf Grund der Symmetrie des Wellbleches 30 bleiben dabei das Intensitatsprofil ι(x, y) und der Strahlstrom I konstantThe course of the intensity i in the plane of the beam exit window 9, which is required for realizing the dose distribution D k (x), is also shown schematically. The intensity profile ι (x, y) takes into account that both with increasing angle between the direction of propagation of the electrons and the surface normal at the beam run ref and as the working distance z A increases, an increase in the intensity i in the segment of the beam exit window 9 that corresponds to the beam travel reflection under consideration is required. The irradiation paths 32 are traversed at constant feed speed v in the feed direction v k that is opposite from path to path due to the symmetry of the corrugated sheet 30 the intensity profile ι (x, y) and the beam current I constant
Um den Einfluß des Schutzgases 10 auf die konkrete technologische Ausgestaltung des Verfahrens zu veranschaulichen, ist in der Fig. 4a die Ausrichtung eines stufenförmigen Winkelbleches 33 bezüglich des Strahlaustrittsfensters 9 dargestellt Das Winkelblech 33 tragt auf den beiden Flachen, die sich im Abstand zA = 10 cm und zA + ΔzA = 20 cm vom Strahlaustnttsfenster 9 befinden, eine Lackschicht 31 mit einer Flachenmasse von 60 g/m2 Strahlaustnttsfenster 9, Lackschicht 31 und Winkelblech 33 sind aus Gründen der besseren Darstellbarkeit nichtmaßstablich gezeichnet In Fig. 4b ist die Dosis-Tiefen-Verteilung D(z) für 150 kV Beschleunigungsspannung angegeben, die den Verlauf der Energieabgabe der Elektronen in Abhängigkeit von der bereits durchstrahlten Flächenmasse beschreibt. Die Flachenmasse ist definitionsgemaß das Produkt aus der Dicke z und Dichte p, des Ausbreitungsmediums. In dieses Diagramm sind ein 10 μm dickes Strahlaustnttsfenster 9 aus Titan, das Schutzgas 1 1 und die Lackschicht 31 auf dem hier nicht dargestellten Winkelblech 33 maßstablich bezüglich der Flächenmasse für die beiden Grenzfalle eingetragen, daß als Schutzgas 1 1 zum einen reiner Stickstoff, zum anderen reines Helium zum Einsatz kommt.In order to illustrate the influence of the protective gas 10 on the specific technological embodiment of the method, the alignment of a step-shaped angle plate 33 with respect to the beam exit window 9 is shown in FIG. 4a. The angle plate 33 bears on the two surfaces, which are at a distance z A = 10 cm and z A + Δz A = 20 cm from the beam window 9, a lacquer layer 31 with a mass of 60 g / m 2 of beam window 9, lacquer layer 31 and angle plate 33 are not drawn to scale for reasons of better representation 4b shows the dose-depth distribution D (z) for an acceleration voltage of 150 kV, which describes the course of the energy emission of the electrons as a function of the surface mass already irradiated. The mass per unit area is by definition the product of the thickness z and density p, of the spreading medium. In this diagram, a 10 μm thick beam window 9 made of titanium, the protective gas 11 and the lacquer layer 31 on the angle plate 33, not shown here, are entered in scale with respect to the mass per unit area for the two limit traps, that as protective gas 11 pure nitrogen, on the other hand pure helium is used.
Tolerierbare Dosisgradienten über der zu modifizierenden Lackschicht 31 werden erzielt, wenn sich diese im Bereich des Maximums der Dosis-Tiefen-Verteilung D(z) befindet Wird als Schutzgas 1 1 Stickstoff verwendet, so ist ein Arbeitsabstand zA= 3 cm bis 7 cm vom Strahlaustnttsfenster 9 akzeptabel. Ist die konturbedingte Variation des Arbeitsabstandes ΔzA bei den gegebenen Parametern der Strahlquelle 1 .1 größer als etwa 4 cm, so wird dem Schutzgas 1 1 im erforderlichen Maße Helium beigemischt. Während sich die gegebeneTolerable dose gradients over the lacquer layer 31 to be modified are achieved if it is in the region of the maximum of the dose-depth distribution D (z). If 1 l of nitrogen is used as the protective gas, then a working distance z A = 3 cm to 7 cm from the Beam window 9 acceptable. If the contour-related variation in the working distance Δz A for the given parameters of the beam source 1 .1 is greater than approximately 4 cm, the protective gas 11 is mixed with helium to the required extent. While the given
Kontur des Winkelbleches 33 in einer Heliumatmosphäre ohne Weiteres härten ließe, wären die Dosisunterschiede zwischen beiden Teilstücken der Lackschicht 31 bei Bestrahlung in Stickstoffatmosphare selbst bei Verringerung des Arbeitsabstandes zA unakzeptabel hoch.If the contour of the angled plate 33 were to be easily hardened in a helium atmosphere, the dose differences between the two sections of the lacquer layer 31 would be unacceptably high when irradiated in a nitrogen atmosphere even when the working distance z A was reduced.
In Fig. 5 ist die Bestrahlung eines Kegelstumpfes 40 dargestellt, der mit derIn Fig. 5, the irradiation of a truncated cone 40 is shown, which with the
Winkelgeschwindigkeit φ um die Rotationsachse x' gedreht wird. Der Abstand eines Oberflächenelementes des Kegelstumpfes 40 am Ort x von der Rotationsachse x' ist mit r(x) bezeichnet. Der Arbeitsabstand zA zwischen der auf der Mantelfläche des Kegelstumpfes 40 aufgetragenen Lackschicht 31 und dem Strahlaustnttsfenster 9 ändert sich während der Drehbewegung nicht. Da sich die Vorschubgeschwindigkeit aus v = r(x) • φ ergibt, wird zur Realisierung konstanter Bestrahlungsdosen in der Lackschicht 31 das Intensitätprofil ι(x, y) proportional zu r(x) in x-Richtung gewählt.Angular velocity φ is rotated about the axis of rotation x '. The distance of a surface element of the truncated cone 40 at location x from the axis of rotation x 'is denoted by r (x). The working distance z A between the lacquer layer 31 applied to the outer surface of the truncated cone 40 and the radiation window 9 does not change during the rotational movement. Since the feed rate results from v = r (x) • φ, the intensity profile ι (x, y) proportional to r (x) in the x direction is selected in order to achieve constant radiation doses in the lacquer layer 31.
Die Ausführungsbeispiele in den Fig. 3 bis 5 zeichnet aus, daß sich die Oberflächen der zu bestrahlenden Objekte in Bestrahlungsbahnen 32 zerlegen lassen, innerhalb derer sich die Kontur der Oberflachen über eine Länge 9.2 des Strahlaustrittsfensters 9 hinweg nicht oder zumindest nur wenig ändert. Das ist allgemein als Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Vorschubverfahrens anzusehen. loThe exemplary embodiments in FIGS. 3 to 5 are distinguished by the fact that the surfaces of the objects to be irradiated can be broken down into radiation paths 32 within which the contour of the surfaces does not change, or at least only slightly, over a length 9.2 of the beam exit window 9. This is generally a prerequisite for the applicability of the feed method. lo
Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, so werden alternativ die zur Härtung erforderlichen Energiedosen bei Vorschub v = 0 durch impulsförmige Freigabe des Strahlstromes während eines ganzzahligen Vielfachen der Strahlablenkpeπode über das Strahlaustnttsfenster mit stationärem, zweidimensionalen Intensitatsprofil i(x, y) eingestrahlt, das nachfolgend als Expositionsmaske bezeichnet ist. Der beschriebene Bestrahlungsvorgang wird im folgenden Flash-Verfahren genannt. Dabei können auch mehrere Objekte simultan bestrahlt werden. Die Anzahl der individuellen Expositionsmasken ist im wesentlichen nur durch die zur Verfugung stehende Fläche des Strahlenaustrittsfensters 9 begrenzt.If this requirement is not met, the energy doses required for hardening are alternatively irradiated at feed v = 0 by pulsed release of the beam current during an integer multiple of the beam deflection via the beam exit window with a stationary, two-dimensional intensity profile i (x, y), which is subsequently used as an exposure mask is designated. The described irradiation process is called the flash method in the following. Several objects can be irradiated simultaneously. The number of individual exposure masks is essentially limited only by the area of the radiation exit window 9 available.
Die Expositionsmasken lassen sich zweckmäßig nach zwei verschiedenen Methoden erzeugen, die anhand der Fig. 6 und 7 dargestellt sind.The exposure masks can expediently be generated using two different methods, which are shown with reference to FIGS. 6 and 7.
Besitzen die Substrate gewisse Symmetrien, wie etwa Kugel- oder Zylindersymmetrie, so ist die Führung des Elektronenstrahls mittels überlagerter Subzyklen programmtechnisch vorteilhaft. Unter Subzyklus ist dabei zu verstehen, daß der Elektronenstrahl eine einfache geometrische Figur, wie zum Beispiel eine Linie, ein Quadrat oder einen Kreis, mit konstanter Geschwindigkeit beschreibt. Die Überlagerung besteht dann dann, daß diese Grundfigur mehrfach durchlaufen wird. Ihre Größe und Lage wird dabei für jeden Subzyklus entsprechend der Geometrie der zugeordneten Objektfläche gewählt.If the substrates have certain symmetries, such as spherical or cylindrical symmetry, guiding the electron beam by means of superimposed sub-cycles is advantageous in terms of programming. The subcycle is understood to mean that the electron beam describes a simple geometric figure, such as a line, a square or a circle, at a constant speed. The overlay then exists that this basic figure is run through several times. Their size and position is chosen for each subcycle according to the geometry of the assigned object area.
In Fig. 6 ist die simultane Härtung von Lackschichten 31 auf zwei Kugelkappen 41 dargestellt. Der axiale Elektronenstrahl 4.3 wird durch die Ablenkeinheit 6, die beide hier nicht dargestellt sind, so geführt, daß er in der Ebene des Strahlaustrittsfensters 9 mit konstanter Laufgeschwindigkeit zwei kongruente Figuren aus konzentrischen Kreisen beschreibt. Die Radien dieser Ablenkkreise 42 sind so gestaffelt, daß sich der für den Randbereich der Kugelkappen 41 aufgrund der starken Neigung der zu härtenden Oberfläche gegenüber der Hauptaustrittsrichtung der Elektronenstrahlen 9.3 erforderliche Intensitätshub aus der Summe der auf jedem individuellen Kreis konstanten Intensitäten ergibt6 shows the simultaneous curing of lacquer layers 31 on two spherical caps 41. The axial electron beam 4.3 is guided by the deflection unit 6, both of which are not shown here, in such a way that it describes two congruent figures made of concentric circles in the plane of the beam exit window 9 at a constant running speed. The radii of these deflection circles 42 are staggered so that the intensity stroke required for the edge region of the spherical caps 41 due to the strong inclination of the surface to be hardened relative to the main exit direction of the electron beams 9.3 results from the sum of the intensities constant on each individual circle
Handelt es sich bei den zu bestrahlenden Objekten um nichtsymmetrische Freiformflächen, so ist zunächst eine dreidimensionale Diskretisierung ihrer Konturen erforderlich.If the objects to be irradiated are non-symmetrical free-form surfaces, a three-dimensional discretization of their contours is first necessary.
In Fig. 7 ist dieses Prinzip am Beispiel eines Gehäuses 43 bildlich dargestellt Aus den j k-Werten zk = z (xι# yk) werden dann rechnergestützt die lokal erforderlichen Intensitäten ι|k = ι (x|( yk) an den Koordinatenpunkten (x, yk) ermittelt und durch punktweise programmierte Haltezeiten τ =τ (xJ( yk) innerhalb eines j k Gitterpunkte 44 umfassenden Ablenkrasters eingestellt Die Ablenksteuerung für den Elektronenstrahl ist auf 1024 x 1024 mögliche Gitterpunkte 44 ausgelegt Die zu ausgewählten Punkten gehörenden Haltezeiten τk sind mit Diagrammsaulen 45 veranschaulichtThis principle is illustrated in FIG. 7 using the example of a housing 43. The locally required intensities are then computer-aided from the j k values z k = z (x ι # y k ) ι | k = ι (x | ( y k ) determined at the coordinate points (x, y k ) and set by point-by-point programmed hold times τ = τ (x J ( y k ) within a deflection grid comprising jk grid points 44. The deflection control for the electron beam is designed for 1024 x 1024 possible grid points 44. The holding times τ k belonging to selected points are illustrated with diagram columns 45
Die Fig. 8 veranschaulicht die Erweiterung des Flash-Verfahrens für Objekte, deren Ausdehnung großer als die Breite 9 1 und Lange 9 2 des Strahlaustrittsfensters 9 ist Dazu wird das Strahlaustnttsfenster 9 vor der Bestrahlung über der auf eine Freiformflache 46 aufgetragenen Lackschicht 31 so positioniert, daß die Langsachse der nicht dargestellten Bestrahlungseinheit 1 möglichst parallel zu den Oberflachennormalen der Flachenelemente des zu hartenden Teilstucks verlauft und daß sich dessen gesamte Kontur innerhalb eines vom toleπerbaren Dosis-Tiefen-Gradienten begrenzten Arbeitsabstandes zA befinden Die Expositionsmaske wird an den Konturverlauf der unter dem Strahlaustnttsfenster 9 liegenden Teilflache der Lackschicht 31 angepaßt und diese dann durch impulsartige Freigabe des Strahlstromes I wahrend eines ganzzahligen Vielfachen der Strahlablenkperiode über das Strahlaustnttsfenster 9 gehartet Nach der Härtung einer Teilflache wird die Bestrahlungseinheit 1 über einer angrenzenden, noch nicht geharteten Teilflache positioniert und gleichzeitig eine neue Expositionsmaske generiert Die Begrenzung der Elementarbereiche 47 wird so gewählt, daß große Flachen lückenlos und mit hinreichender Dosiskonstanz entlang der überlappenden Saume von Teilflachen gefüllt werden Anstelle der hier gewählten rechteckigen Elementarbereiche 47 können auch andere Flachenformen verwendet werden8 illustrates the expansion of the flash method for objects whose extent is greater than the width 9 1 and length 9 2 of the beam exit window 9. For this purpose, the beam exit window 9 is positioned before the irradiation over the lacquer layer 31 applied to a free-form surface 46, that the longitudinal axis of the radiation unit 1, not shown, runs as parallel as possible to the surface normal of the surface elements of the part to be hardened and that its entire contour is within a working distance z A limited by the tolerable dose-depth gradient. The exposure mask is applied to the contour profile of the one under the radiation window 9 partial area of the lacquer layer 31 is adapted and this is then hardened by pulse-like release of the beam current I during an integer multiple of the beam deflection period via the beam exposure window 9. After the hardening of a partial area, the radiation unit 1 is placed over an ang The delimiting, not yet hardened partial area is positioned and at the same time a new exposure mask is generated. The limitation of the elementary areas 47 is selected so that large areas are filled without gaps and with sufficient dose constancy along the overlapping seam of partial areas. Instead of the rectangular elementary areas 47 selected here, other area shapes can also be used become
Die Fig. 8a verdeutlicht das aus abwechselndem Bestrahlen und Positionieren bestehende Flash-Verfahren anhand der zeitlichen Verlaufe von Vorschubgeschwindigkeit v und Strahlstrom IFIG. 8a illustrates the flash method consisting of alternating irradiation and positioning on the basis of the time profiles of the feed speed v and the beam current I.
Bei den bisherigen Ausfuhrungsbeispielen wurde stets davon ausgegangen, daß der Verlauf der Kontur z (x, y) entweder in analytischer Form oder als Datenfile an hinreichend dicht liegenden Stutzstellen bekannt istIn the previous exemplary embodiments, it was always assumed that the course of the contour z (x, y) is known either in analytical form or as a data file at sufficiently closely spaced support points
In Fig. 9 ist die Kopplung der Bestrahlungseinheit 1 , von der zur Vereinfachung lediglich das Strahlaustnttsfenster 9 angedeutet ist, mit einer Digitalisiereinnchtung 50 dargestellt Die Digitalisiereinnchtung 50 nimmt die Kontur der zu bestrahlenden Freiformflache 46 189 shows the coupling of the irradiation unit 1, of which only the radiation exposure window 9 is indicated for simplicity, with a digitizing device 50. The digitizing device 50 takes the contour of the free-form surface 46 to be irradiated 18th
wahrend der Vorschubbewegung berührungsfrei mit Sensorsignalen 51 auf. Das erforderliche Intensitatsprofil sowie die optimale Orientierung der Bestrahlungseinheit 1 werden wahlweise im teach-m-Modus oder auch online berechnet und wahrend der Bestrahlung kontinuierlich an den aktuellen Einwirkort angepaßt. Die hier dargestellte technologische Variante ist sowohl für das Flash- als auch für das Vorschubverfahren realisierbar.during the feed movement without contact with sensor signals 51. The required intensity profile and the optimal orientation of the radiation unit 1 are calculated either in teach-m mode or online and continuously adapted to the current site of exposure during the radiation. The technological variant shown here can be implemented for both the flash and the feed method.
In der Fig. 10 ist vereinfacht die Anordnung einer Reflektorblende 52 seitlich unter dem Strahlaustnttsfenster 9 dargestellt. Die Reflektorblende 52 ist um einen Drehpunkt schwenkbar und parallel zur Ebene des Strahiaustnttsfensters 9 verschiebbar.In FIG. 10, the arrangement of a reflector diaphragm 52 is shown in a simplified manner laterally under the beam exposure window 9. The reflector diaphragm 52 can be pivoted about a pivot point and can be displaced parallel to the plane of the beam window 9.
Die vom Strahlaustnttsfenster 9 ausgehenden Elektronenstrahlen 9.3 treffen annähernd senkrecht auf den parallel zum Strahlaustnttsfenster 9 liegenden Teil der Lackschicht 31 auf der Oberfläche eines Trägers 53 auf. Die Reflektorblende 52 wird so eingestellt, daß die von ihr reflektierten Elektronen 9.4 nun unter einem günstigen Einstrahlwinkel auch auf der Lackschicht 31 der senkrecht zum Strahlaustnttsfenster 9 liegenden Abkantung 54 auftreffen. The electron beams 9.3 emanating from the beam exit window 9 strike the part of the lacquer layer 31 lying parallel to the beam exit window 9 approximately perpendicularly on the surface of a carrier 53. The reflector diaphragm 52 is set such that the electrons 9.4 reflected by it now also strike the lacquer layer 31 of the fold 54 lying perpendicular to the beam exposure window 9 at a favorable angle of incidence.
1919
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen zur Patentanmeldung „Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflächen von Objekten sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens"List of the reference symbols used for the patent application "Process for electron irradiation of layers on surfaces of objects and device for carrying out the process"
1 Bestrahlungseinheit1 radiation unit
1 1 Strahlquelle1 1 beam source
1 .2 Strahlrohr1 .2 nozzle
2 Gehäuse2 housings
2.1 Turbopumpe2.1 turbopump
2.2 Isolator2.2 isolator
3 Hochspannungskabel3 high voltage cables
4 Katodeneinheit4 cathode unit
4.1 Glühkatode4.1 hot cathode
4.2 Steuerelektrode4.2 control electrode
4.3 axialer Elektronenstrahl4.3 axial electron beam
5 Anode5 anode
6 Ablenkeinheit6 deflection unit
6.1 Ablenkkegel6.1 Deflection cone
7 Montageplatte7 mounting plate
8 Servomotor8 servo motor
9 Strahlaustnttsfenster9 beam exit window
9.1 Fensterbreite9.1 window width
9.2 Fensterlänge9.2 window length
9.3 Elektronenstrahlen9.3 electron beams
9.4 reflektierte Elektronen9.4 reflected electrons
10 Schutzgasführung10 Shielding gas routing
1 1 Schutzgas1 1 shielding gas
20 Handlingeinrichtung, Roboter20 handling device, robot
21 Sockel21 base
22 Unterteil22 lower part
23 Arm
Figure imgf000021_0001
24 Arm 20
23 arm
Figure imgf000021_0001
24 arm 20th
30 Wellblech30 corrugated iron
31 Lackschicht/Farbschicht31 lacquer layer / color layer
32 Bestrahlungsbahn32 radiation path
33 Winkelblech33 angle plate
40 Kegelstumpf40 truncated cone
41 Kugelkappe41 ball cap
42 Ablenkkreis42 deflection circle
43 Gehäuse43 housing
44 Gitterpunkt44 grid point
45 Diagrammsäule45 chart column
46 Freiformflache46 free-form surface
47 bestrahlter Elementarbereich47 irradiated elementary area
50 Digitalisiereinnchtung50 digitizing device
51 Sensorsignale51 sensor signals
52 Reflektorblende52 reflector cover
53 Träger53 carriers
54 Abkantung54 folding
Ds SolldosisD s target dose
Dk(x) Dosisverteilung in der k-ten Bestrahlungsbahn (32)D k (x) dose distribution in the k-th radiation path (32)
D(z) Dosis-Tiefen-VerteilungD (z) dose-depth distribution
i Intensität i(χ,y) Intensitätsprofili intensity i ( χ , y) intensity profile
I StrahlstromI beam current
J Laufindex k Laufindex r RadiusJ Running index k Running index r radius
S Elektronenreichweite t Zeit uB BeschleunigungsspannungS electron range t time u B acceleration voltage
V Vorschubgeschwindigkeit
Figure imgf000022_0001
vk Vorschubrichtung in der k-ten Bahn x Koordinatenrichtung x' Rotationsachse
V feed speed
Figure imgf000022_0001
v k feed direction in the kth path x coordinate direction x 'axis of rotation
Flankenbreite der Dosisverteilung Dk(x) x linke Begrenzung einer Bestrahlungsbahn (32) rechte Begrenzung einer Bestrahlungsbahn (32)Flank width of the dose distribution D k (x) x left boundary of an irradiation path (32) right boundary of an irradiation path (32)
y Koordinatenrichtungy coordinate direction
z Koordinatenrichtung zA Arbeitsabstandz Coordinate direction z A working distance
ΔzA Variation des Arbeitsabstandes z(x, y) OberflächenkonturΔz A variation of the working distance z (x, y) surface contour
φ Winkelgeschwindigkeit pHe Dichte von Helium pN2 Dichte von Stickstoff τ Haltezeit je Gitterpunkt (44) φ angular velocity p He density of helium p N2 density of nitrogen τ holding time per grid point (44)

Claims

Patentansprüche claims
1 Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflächen von Objekten oder von oberflächennahen Bereichen von Objekten zur Veränderung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Stoffen in der Schicht oder in den oberflachennahen Bereichen bei annäherndem Atmosphärendurck mittels einer Bestrahlungseinheit mit einem Strahlaustnttsfenster, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung der Oberfläche der Objekte oder deren aufgebrachter Schicht in einer Teilflache oder nacheinander in mehreren aneinandergrenzenden Teilflächen derart erfolgt, daß das Objekt in eine definierte, zur Bestrahlung der jeweiligen Teilfläche optimale Position bezüglich des Strahlaustrittsfensters (9) der Bestrahlungseinheit (1 ) gebracht wird, daß die Bestrahlung der jeweiligen Teilfläche in Orten des Strahlaustrittsfensters (9) zuordenbaren Flächenelementen derart erfolgt, daß das Intensitatsprofil i(x, y) eines Elektronenstrahls (9.3) in der Ebene des Strahlaustrittsfensters (9) nach Maßgabe der Bestrahlungsbedingungen der zugeordneten Flächenelemente gewählt wird und daß die erforderliche Energiedosis mit dem Elektronenstrahl (9.3) kontinuierlich auf das relativ zur Bestrahlungseinheit (1 ) mit definierter Vorschubgeschwindigkeit (v) bewegte Objekt oder impulsartig auf das ruhende Objekt übertragen wird.1 method for electron irradiation of layers on surfaces of objects or near-surface areas of objects for changing the physical and / or chemical properties of substances in the layer or in the near-surface areas at approximately atmospheric pressure by means of an irradiation unit with a radiation exposure window, characterized in that the Irradiation of the surface of the objects or their applied layer takes place in one partial area or in succession in several adjoining partial areas in such a way that the object is brought into a defined position that is optimal for irradiating the respective partial area with respect to the beam exit window (9) of the irradiation unit (1), that the irradiation of the respective partial area in locations of the beam exit window (9) assignable area elements takes place such that the intensity profile i (x, y) of an electron beam (9.3) in the plane of the beam exit window s (9) is selected in accordance with the irradiation conditions of the assigned surface elements and that the required energy dose with the electron beam (9.3) is continuously transmitted to the object moving relative to the irradiation unit (1) at a defined feed rate (v) or impulsively to the stationary object.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Teilflächen auf der Oberflache des Objektes zu Bestrahlungsbahnen (32) zusammengefaßt und daß die Elektronenbestrahlung der Bestrahlungsbahnen (32) gleichzeitig mit der zugeordneten Relativbewegung zwischen dem Objekt und der Bestrahlungseinheit (1 ) erfolgt, wobei die Ausrichtung von Objekt und Bestrahlungseinheit (1 ) sowie das2. The method according to claim 1, characterized in that adjacent partial areas on the surface of the object are combined into radiation tracks (32) and that the electron irradiation of the radiation tracks (32) takes place simultaneously with the associated relative movement between the object and the radiation unit (1), wherein the alignment of the object and the radiation unit (1) and the
Intensitatsprofil ι(x, y) in der Ebene des Strahlaustrittsfensters (9) entsprechend der im momentanen Strahleinwirkbereich befindlichen Teilflache des Objektes gewählt werdenIntensity profile ι (x, y) in the plane of the beam exit window (9) can be selected according to the partial area of the object located in the current beam exposure area
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Langsachse des Strahlaustnttsfenster (9) wahrend der Bestrahlung einer Bestrahlungsbahn (32) stets parallel zur Vorschubsrichtung (vn) ausgerichtet wird und unterschiedliche Verweildauern von Flächenelementen unter dem Strahlaustnttsfenster (9) durch angepaßte Programmierung des Intensitatsprofils ι(x, y) berücksichtigt werden. 233. The method according to claims 1 or 2, characterized in that the longitudinal axis of the beam window (9) is always aligned parallel to the feed direction (v n ) during the irradiation of an irradiation path (32) and different dwell times of surface elements under the beam window (9) be taken into account by adapting the programming of the intensity profile ι (x, y). 23
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitatsprofil (ι(x, y)) sowohl von Bestrahlungsbahn (32) zu Bestrahlungsbahn (32) als auch innerhalb einer Bestrahlungsbahn (32) nach Maßgabe der Kontur der Oberflache des Objektes bei kontinuierlichem Strahlbetrieb angepaßt wirdMethod according to one of claims 1 to 3, characterized in that the intensity profile (ι (x, y)) both from radiation path (32) to radiation path (32) and within an radiation path (32) in accordance with the contour of the surface of the object is adapted for continuous blasting operation
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Inertisierung des Bestrahlungsortes ein Schutzgas (1 1 ) eingesetzt wird, das aus reinem Stickstoff, reinem Helium oder einem Gemisch von Stickstoff und Helium besteht, wobei für starker kontuπerte Objekte mit hohem Heliumgehalt gearbeitet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a protective gas (1 1) is used for the inertization of the irradiation site, which consists of pure nitrogen, pure helium or a mixture of nitrogen and helium, with stronger objects with a high helium content is worked.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas (1 1 ) oder Schutzgasgemisch dem Bestrahlungsort lokal zugeführt wirdA method according to claim 5, characterized in that the protective gas (1 1) or protective gas mixture is supplied locally to the irradiation site
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Vorschubgeschwindigkeit (v) zwischen Bestrahlungseinheit (1 ) und Objekt sowie der Bestrahlungsvorgang alternieren und die zur Modifizierung der Oberflachenschicht erforderliche Dosisleistung durch eine objektbezogene, zweidimensionale und stationäre Expositionsmaske definiert sowie die in jeden Elementarbereich (47) integral einzustrahlende Energiedosis durch impulsformige zeitliche Steuerung der Leistung des Elektronenstrahles eingestellt wirdMethod according to one of claims 1 to 6, characterized in that the relative feed speed (v) between the irradiation unit (1) and the object and the irradiation process alternate and the dose rate required for modifying the surface layer is defined by an object-related, two-dimensional and stationary exposure mask and the in each elementary area (47) integrally radiated energy dose is set by pulse-shaped timing of the power of the electron beam
Verfahren nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung der gesamten Oberflache des Objektes durch das Aneinanderreihen von Bestrahlungsbahnen (32) oder bestrahlten Elementarbereichen (47) erfolgtMethod according to Claim 2 or 7, characterized in that the irradiation of the entire surface of the object is carried out by stringing together radiation paths (32) or irradiated elementary areas (47)
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung eines bauteilgerechten Intensitatsprofils (ι(x, y)) im Stoßbereich zwischen benachbarten Bestrahlungsbahnen oder bestrahlten Elementarbereichen (47) die Energieeintrage aus deren vorheriger beziehungsweise nachfolgender Bestrahlung mit berücksichtigt werdenMethod according to one of claims 1 to 8, characterized in that for determining a component-specific intensity profile (ι (x, y)) in the impact area between adjacent radiation tracks or irradiated elementary areas (47), the energy inputs from their previous or subsequent radiation are also taken into account
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Oberflache des zu bestrahlenden Objektes durch eine mitbewegte Digitalisiereinnchtung (50) vor dem Bestrahlungsvorgang ermittelt und aus den so erfaßten Konturdaten das in der Ebene des Strahlaustrittsfensters (9) erforderliche 24Method according to one of Claims 2 to 10, characterized in that the contour of the surface of the object to be irradiated is determined by a digitizing device (50) which is moved along before the irradiation process, and the contour data acquired in this way determines what is required in the plane of the beam exit window (9) 24
Intensitatsprofil (ι(x, y)) im teach-in-Modus oder online berechnet und eingestellt werden.Intensity profile (ι (x, y)) can be calculated and set in teach-in mode or online.
1 1 Einrichtung zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflachen von Objekten oder von oberflachennahen Bereichen von Objekten zur Veränderung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Stoffen in der Schicht oder in den oberflächennahen Bereichen nach Anspruch 1 , bestehend aus einer Bestrahlungseinheit mit einer Elektronenstrahlquelie vom Axialtyp mit wenigstens einer Strahlablenkeinheit, einem Strahlrohr, das in Strahlausbreitungsπchtung durch ein Strahlaustnttsfenster abgeschlossen ist, Versorgungs- und Steuereinrichtungen zum Betreiben der Bestrahlungseinheit, Mitteln zu ihrer Halterung und des zu bestrahlenden Objektes sowie zur Realisierung einer Relativbewegung zwischen der Bestrahlungseinheit und dem Objekt zueinander, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen eine Strahlablenksteuerung enthalten, mit der in mindestens einer Strahlablenkrichtung die lokale Ablenkgeschwindigkeit, punktweise definierte1 1 device for electron irradiation of layers on surfaces of objects or areas close to the surface of objects for changing the physical and / or chemical properties of substances in the layer or in the areas close to the surface according to claim 1, consisting of a radiation unit with an electron beam source of the axial type at least one beam deflection unit, a beam pipe, which is closed by a beam exposure window in beam spreading direction, supply and control devices for operating the radiation unit, means for holding it and the object to be irradiated, and for realizing a relative movement between the radiation unit and the object to one another, characterized in that that the control devices contain a beam deflection control with which the local deflection speed is defined point by point in at least one beam deflection direction
Verweildauer oder die Überlagerung von Ablenksubzyklen des axialen Elektronenstrahles (4.3) und somit das Intensitätsprofil (i(x, y)) programmierbar ist, und daß die Mittel zur Aufnahme von Bestrahlungseinheit (1 ) und Objekt sowie zur Realisierung der Relativbewegung zueinander Mittel zur Ausrichtung der Oberfläche des Objektes oder von Teilflächen derselben zum Strahlaustrittsfenster (9) enthalten.Dwell time or the superposition of deflection sub-cycles of the axial electron beam (4.3) and thus the intensity profile (i (x, y)) is programmable, and that the means for receiving the radiation unit (1) and the object and for realizing the relative movement to one another are means for aligning the Contain the surface of the object or partial areas thereof to the beam exit window (9).
1 2 Einrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr (1 .2) um die Achse der Strahlquelle (1 .1 ) motorisch drehbar an dieser angeordnet ist.1 2 Device according to claim 1 1, characterized in that the jet pipe (1 .2) about the axis of the beam source (1 .1) is rotatably arranged on this.
13 Einrichtung nach den Ansprüchen 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die x- und y-Achse des Intensitätsprofiles (ι(x,y)) mit dem polaren Verdrehwinkel zwischen Strahlrohr (1 .2) und Strahlquelle (1 .1 ) derart mitführbar sind, daß sie stets parallel zu den Kanten des Strahlaustrittsfensters (9) verlaufen13 Device according to claims 1 1 or 12, characterized in that the x and y axes of the intensity profile (ι (x, y)) with the polar angle of rotation between the jet pipe (1 .2) and the beam source (1 .1) in such a way can be carried along so that they always run parallel to the edges of the beam exit window (9)
14 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlaustnttsfenster (9) aus einer Leichtmetallfolie mit einer Dicke von vorzugsweise 10 μm besteht.14 Device according to one of claims 1 1 to 13, characterized in that the radiation window (9) consists of a light metal foil with a thickness of preferably 10 microns.
1 5 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Strahlaustnttsfenster (9) Reflektorblenden (52) angeordnet sind, die 251 5 Device according to one of claims 1 1 to 14, characterized in that under the beam window (9) reflector screens (52) are arranged, which 25th
wahrend des Bestrahlungsvorganges automatisch gegenüber der Hauptaustrittsrichtung der Elektronen (9 3) schwenkbar und parallel zur Ebene des Strahlaustrittsfensters (9) verschiebbar sindduring the irradiation process are automatically pivotable relative to the main exit direction of the electrons (9 3) and displaceable parallel to the plane of the beam exit window (9)
16 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 1 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Bestrahlungseinheit (1 ) eine das Strahlaustnttsfenster (9) umschließende Schutzgasfuhrung (10) angeordnet ist16 Device according to one of claims 1 1 to 1 5, characterized in that a protective gas guide (10) surrounding the radiation window (9) is arranged on the radiation unit (1)
17 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die gegenseitige Positionierung, Orientierung und für die Erzeugung der Relativbewegung zwischen Bestrahlungseinheit (1 ) und den zu bestrahlenden Objekten ein oder mehrere Roboter (20) vorgesehen sind17 Device according to one of claims 1 1 to 16, characterized in that one or more robots (20) are provided for the mutual positioning, orientation and for generating the relative movement between the irradiation unit (1) and the objects to be irradiated
18 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Bestrahlungseinheit (1 ) eine zu deren Strahlaustnttsfenster (9) orientierte, die18 Device according to one of claims 1 1 to 17, characterized in that one of the radiation unit (1) oriented to the radiation unit window (9) on the radiation unit (1)
Oberflachenkontur des Objektes erfassende Digitalisiereinnchtung (50) angeordnet istThe surface contour of the object-detecting digitizing device (50) is arranged
Hierzu 10 Seiten Zeichnungen Here are 10 pages of drawings
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