Handgeführte Bestrahlungseinrichtung und thermisches Bearbeitungsverfahren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine handgeführte Bestrahlungseinrichtung zur manuellen Ausführung eines thermischen Bearbeitungsverfahrens sowie ein thermisches Bearbeitungsverfahren zur Vor- Ort-Behandlung eines, insbesondere ortsfest eingebauten, Bear- beitungsgegenstandes .
Aus früheren Patentanmeldungen der Anmelderin, so etwa der DE 197 36 462 AI, WO 99/42774 ' oder P 10024731.8 (unveröffentlicht) , sind Verfahren zur Behandlung von Oberflächen, Bearbei- tung von Materialien und Herstellung von Verbundwerkstoffen unter Einsatz von elektromagnetischer Strahlung bekannt, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm, liegt. Bei einer Reihe dieser Anwendungen ist die Realisierung einer relativ breiten Bestrahlungszone im Interesse einer hohen Produktivität des jeweiligen Verfahrens mit hoher Leistungsdichte wesentlich. Es ist daher der Einsatz einer langgestreckten Halogenlampe, die einen röhrenförmigen, an den Enden gesok- kelten Glaskörper mit mindestens einer Glühwendel hat, mit ei- nem langgestreckten Reflektor als Strahlungsquelle bekannt.
Derartige Bestrahlungsanordnungen sind für den ortsfesten Einsatz in Produktions- bzw. Bearbeitungsanlagen gedacht und entsprechend ausgelegt und daher für einen mobilen Einsatz nur be- dingt geeignet und für eine manuelle Handhabung praktisch unge¬ eignet .
Speziell in der Bauwirtschaft und im Handwerk gibt es aber eine Vielzahl von Anwendungsfällen, in denen thermische Bearbei- tungsverfahren vor Ort unter Umgebungsbedingungen angewandt
werden müssen oder deren Anwendung wesentliche Vorteile gegenüber bisher praktizierten Verfahren bringen würde. Hierbei ist etwa an die Ausbesserung von Lackschäden an mit Pulverlack oder auch herkömmlichem Flüssiglack beschichteten Metallkonstruktio- nen im Bereich des Hochbaus zu denken. Hier wird in der Praxis mit hochgradig umweit- und gesundheitsbelastenden Lösemittelsystemen gearbeitet, die den einzigen Vorteil haben, auch bei widrigen Umgebungsbedingungen (niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder hoher Luftfeuchtigkeit) einigermaßen zuverlässig aus- zuhärten.
Einen weiteren interessanten Anwendungsfall stellen Lackreparaturen an Kraftfahrzeugen dar, bei denen heute zumeist - zu Lasten der Lackqualität - auf eine thermische Aushärtung verzich- tet wird. Schließlich sei noch hingewiesen auf das Aufschmelzen von Kunststofffolien auf einen Träger oder das Miteinander-Ver- binden von Kunststofffolien am Bau bzw. bei der Innenausstattung von Gebäuden, Fahrzeugen, Schiffen etc. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Aufzählung dieser Applikatio- nen keineswegs erschöpfend ist.
Es sind handgeführte Erwärmungs- bzw. Bestrahlungseinrichtungen bekannt, die grundsätzlich zumindest für einen Teil dieser vor Ort auszuführenden Verfahren geeignet sind. Hierzu zählen bei- spielsweise handgeführte Heißluftgebläse oder mit offener Flamme arbeitende Erwärmungsgeräte (Lötlampen o. ä.), wie sie seit langem zur Entfernung alter Lackschichten, zum Verlöten von Rohrleitungen oder auch zum Verschweißen von Kunststofffolien im Baugewerbe und Handwerk eingesetzt werden.
Diese bekannten handgeführten Geräte haben jedoch aufgrund der Nutzung einer offenen Flamme oder eines starken Heißluftstromes jeweils ein mehr oder weniger begrenztes Anwendungsgebiet. Zudem wird für viele interessante Bearbeitungsvorgänge - bei- spielsweise die Lacktrocknung bzw. -härtung - mit derartigen
Geräten zuviel Zeit benötigt und/oder die Bearbeitungsqualität kann nicht ausreichend reproduzierbar sichergestellt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesser- te handgeführte Bestrahlungseinrichtung anzugeben, die eine Ausführung von thermischen Bearbeitungsverfahren in kurzer Zeitdauer und mit hoher Qualität zu niedrigen Kosten ermöglicht und leicht zu handhaben ist. Weiter soll mit der Erfindung ein neuartiges thermisches Bearbeitungsverfahren bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich ihres Vorrichtungsaspektes durch eine Bestrahlungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich ihres Verfahrensaspektes durch ein Bearbeitungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, die zur Ausführung thermischer Bearbeitungsverfahren an sich bekannten Strahlungsquellen im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere Halogenlampen mit einem wesentlichen Strahlungs-Wirkanteil im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm, in einem handgeführten Hochleistungs-Bestrahlungsgerät einzusetzen. Zusammen mit dieser Strahlungsquelle befindet sich in einem mit einer Handhabe versehenen Gehäuse ein an die Form und Anzahl der
Strahlungsquelle (n) angepaßter Reflektor zur Konzentrierung der Strahlung auf einen vorbestimmten Bestrahlungsbereich. Die Erfindung schließt weiter den Gedanken ein, hierbei eine aktive Kühleinrichtung zur Kühlung des Reflektors und wahlweise auch der Strahlungsquelle vorzusehen. Diese Kühleinrichtung ist erforderlich, um einen zuverlässigen Betrieb und eine sichere Handhabung der Bestrahlungseinrichtung trotz der zur schnellen Ausführung vieler Bearbeitungsverfahren erforderlichen bzw. wünschenswerten hohen BeStrahlungsleistung zu gewährleisten.
Zur Erreichung dieser BeStrahlungsleistung ist die Bestrahlungseinrichtung bevorzugt mit einer Mehrzahl von langgestreckten Hochleistungs-Halogenlampen in einem gemeinsamen Reflektor ausgerüstet. Die Länge der eingesetzten Halogenlampen richtet sich nach dem bevorzugten Anwendungsgebiet der Bestrahlungseinrichtung und der durch diese bedingten Größe des Bestrahlungs- bereiches .
Zur Realisierung unterschiedlich großer und gegebenenfalls auch unterschiedlich geformter BeStrahlungsbereiche mit ein und derselben Geräte-Grundkonfiguration ist insbesondere ein verstellbarer und/oder auswechselbarer Reflektor und/oder eine vor die Strahlungsquelle gesetzte Blende sinnvoll. Die Blende sollte so bemessen sein, daß der durch sie begrenzte Bestrahlungsbereich bis zu seinen Rändern eine im wesentlichen homogene Strahlungs- flußdichteverteilung hat. Hierdurch wird eine über den gesamten Bestrahlungsbereich gleichmäßige Erwärmung des Bearbeitungsgegenstandes, d. h. das Vorliegen übereinstimmender Prozeßparameter an allen Punkten des Bearbeitungsgebietes, gewährleistet. Das Vorsehen von Blenden mit einer rechteckigen oder kreisförmigen Öffnung wird für die meisten Anwendungsfälle bevorzugt sein, es sind aber auch anders geformte BeStrahlungsbereiche realisierbar.
Die Bestrahlungseinrichtung ist bevorzugt so ausgelegt, daß sie einen Bestrahlungsbereich mit einer Fläche im Bereich zwischen 0,5 cm2 und 200 cm2, bevorzugt im Bereich zwischen 2 cm2 und 100 cm2, erzeugt. Es versteht sich, daß eine Auslegung des einzelnen Gerätes entweder für Bearbeitungsverfahren mit relativ großer Bestrahlungsfläche oder aber für eher punktuelle Bearbeitungsverfahren (z. B. für „Spot Repair"-Prozesse) sinnvoll sein wird und eine universelle Auslegung unter Einsatz auswechselbarer Blenden eher Kompromißcharakter haben wird.
Die Anschlußleistung liegt bei Anschluß an das 220 V-Wechsel- stromnetz bevorzugt bei 2 kW oder höher, und bei Einsatz am 380 V-Drehstromnetz sind Anschlußleistungen von 5 kW oder mehr realisierbar. Je nach der Flächengröße des Bestrahlungsbereiches sind damit Leistungsdichten von über 200 kW/m2, gegebenenfalls auch von über 500 kW/m2, realisierbar, die die Ausführung von Lacktrocknungs- bzw. -Vernetzungsprozessen oder anderen Ober- flächenbeschichtungen in Behandlungszeiten von wenigen Sekunden ermöglichen.
Bei Auslegung für nicht allzu hohe Leistungsdichten ist eine Ausführung der Kühleinrichtung mit einem eingebauten (insbesondere hinter dem Reflektor angeordneten) Kühlgebläse möglich, was in vorteilhafter Weise den Verzicht auf externe Medien (au- ßer Strom) ermöglicht. Bei Hochleistungsanwendungen ist jedoch eine Ausführung mit einem Kühlfluidanschluß und Kühlfluid-Strö- mungskanälen im Reflektor zu bevorzugen. Als Kühlfluid kommt insbesondere Wasser, aber auch Druckluft in Betracht. Beide Medien stehen im Werkstattbereich in der Regel zur Verfügung, und Baustellen verfügen normalerweise zumindest über einen Wasseranschluß. Es versteht sich indes, daß die Notwendigkeit der externen Zuführung eines Kühlmediums die Handhabung des Bestrahlungsgerätes etwas behindert, so daß sie auf Hochleistungsanwendungen beschränkt bleiben sollte.
Das vorgeschlagene Bestrahlungsgerät ist bevorzugt mit Meßeinrichtungen für relevante Prozeßparameter versehen, insbesondere mit einer Abstands- und/oder einer Temperaturmeßeinrichtung, die vorzugsweise berührungslos arbeiten. In dieser bevorzugten Ausführung umfassen die Meßeinrichtungen speziell einen Ultraschall-Abstandsfühler und/oder ein Pyrometerelement zur Ober- flächentemperaturmessung auf dem Bearbeitungsgegenstand. In einer sinnreichen Ausführung ist insbesondere ein Pyrometerelement zur Temperaturmessung hinter dem Reflektor angeordnet, und ein Ausschnitt im Reflektor bestimmt seinen Erfassungsbereich
inmitten des zu behandelnden Oberflächenbereiches des Bearbeitungsgegenstandes .
In einer höherwertigen Ausführung ist die Bearbeitungseinrich- tung mit einer Leistungssteuerstufe versehen, die über einen Leistungs- oder Temperaturwähler am Gehäuse manuell oder über einen mit der Meßeinrichtung oder den Meßeinrichtungen verbundenen Steueranschluß zumindest halbautomatisch angesteuert wird. Eine weiter bevorzugte Variante dieser Ausführung ist durch das Vorhandensein einer Regeleinrichtung zur Regelung der Bestrahlungsleistung nach einer vorgegebenen Temperatur oder Strahlungsflußdichte auf dem Bearbeitungsgegenstand gekennzeichnet .
Weiter bevorzugt ist eine Ausführung mit einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige des Betriebszustandes und/oder des Wertes mindestens eines Parameters des Bearbeitungsverfahrens, insbesondere des Abstandes der Strahlungsquelle zum Bearbeitungsgegenstand und/oder der Temperatur auf dessen Oberfläche. Die Anzei- geeinrichtung ist entsprechend mit der Stromversorgungs- und
Ansteuereinrichtung bzw. der oben erwähnten Meßeinrichtung bzw. den Meßeinrichtungen verbunden.
Das vorgeschlagene Verfahren unter Einsatz der oben beschriebe- nen Bestrahlungsvorrichtung zeichnet sich durch die Anwendbarkeit unter weitgehend beliebigen Umgebungsbedingungen aus, wie sie auf dem Bau oder im Werkstattbereich herrschen. Es ist in vorteilhafter Weise in kurzen Zeitspannen unterhalb von 30 s, insbesondere von weniger als 10 s und in vielen Fällen sogar in weniger als 5 s bis zum gewünschten Verfahrensergebnis ausführbar. Die bevorzugte Verfahrensdurchführung mit Messung und Anzeige und/oder Regelung verfahrensbestimmender Parameter ermöglicht die Ausführung auch unabhängig von hochqualifiziertem Fachpersonal .
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren.
Von diesen zeigen:
Fig. 1 eine skizzenartige perspektivische Darstellung einer Bearbeitungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine skizzenartige perspektivische Darstellung einer Bearbeitungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 3 ein Funktions-Blockschaltbild zur Erläuterung verschiedener Meß- und Steuerungsmöglichkeiten bei einer Bearbeitungseinrichtung der in Fig. 1 oder 2 gezeigten Art.
Fig. 1 zeigt ein NIR-Bestrahlungsgerät 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, welches in seiner Form ähnlich einer Handbohrmaschine oder Spritzpistole ausgeführt ist. An einem in Art eines Revolvergriffs ausgebildeten Handgriff 101 sind ein Ein-/Ausschalter 103 und ein als Drehsteller ausgebil- deter Temperaturwähler 105 angeordnet. Auf dem Handgriff 101 ist fest ein Gehäuse 107 angebracht, das einen oder mehrere (nicht dargestellte) NIR-Strahler, insbesondere Halogenlampe (n) kurzer Bauart, und die zugehörige Stromversorgung und Ansteuerelektronik aufnimmt und an dem ein Netzanschlußkabel 109 ange- bracht ist.
Das Gehäuse 107 hat einen Befestigungsring 111 zur auswechselbaren Anbringung verschiedener Reflektoren, von denen in der Figur ein „Spotlight"-Reflektor 113A mit (im Längsschnitt) teil-elliptischer Geometrie und ein „Flashlight"-Reflektor mit
(im Längsschnitt) teil-parabolischer Geometrie gezeigt sind. Lüftungsschlitze 115 im Gehäuse 107 dienen zur Wärmeabführung aus dem Bereich der Strahler über einen eingebauten Lüfter.
Mit dem in Fig. 1 dargestellten Bestrahlungsgerät 100 ist in
Abhängigkeit von der Geometrie des angebrachten Reflektors eine eher punktuell fokussierte oder mehr breitflächig angelegte Bestrahlung einer Oberflächenschicht 117 auf einem Bearbeitungsgegenstand 119 möglich, um dort beispielsweise einen Trock- nungs- oder Vernetzungsvorgang, eine Schichtausheilung, ein
Verschmelzen oder andere Bearbeitungsvorgänge auszuführen. Das NIR-Bestrahlungsgerät 100 ist hier speziell als kostengünstiges (Low-Cost-) Gerät ohne Anzeigeeinrichtungen und ohne besondere Ansprüche an die Bereitstellung zusätzlicher Medien (Wasser oder Druckluft) am Einsatzort konzipiert.
In Fig. 2 ist hingegen ein höherwertiges NIR-Bestrahlungsgerät 200 skizziert, welches zur Erzeugung hoher Bestrahlungsleistun- gen für Hochleistungs-Bearbeitungsvorgänge auf größeren Flächen und mit entsprechenden Anzeigemöglichkeiten konzipiert ist. Die Darstellung ist zur Verdeutlichung bestimmter Merkmale synoptisch angelegt, worauf nachfolgend noch genauer hingewiesen wird.
Das NIR-Bestrahlungsgerät 200 hat ebenfalls einen Handgriff 201 mit einem Ein-/Ausschalter 203 und einem (hier als Schieberegler ausführten) Temperaturwähler 205, auf dem ein Gehäuse 207 sitzt. Am Gehäuse 207 ist hier neben einem Netzanschlußkabel 209 ein Kühlwasserschlauch 210 zur Versorgung einer (nicht dar- gestellten) Wasserkühlung der Lampenreflektoren angebracht.
Im Gehäuse 207 ist eine in der Draufsicht annähernd quadrati¬ sche Halogenlampen-Reflektor-Kombination 212 fest montiert. Im Übergangsbereich zwischen der Gehäusevorderfläche und der Rück- seite der Lampen-Reflektor-Kombination 212 sind auch bei diesem
Gerät Lüftungsöffnungen 215 zur zusätzlichen Kühlung angebracht. Eine Nutführung 217 an der Vorderfläche der Lampen-Reflektor-Kombination 212 dient zur Aufnahme auswechselbarer Blenden, von denen in der Figur (in angedeuteter Querschnitts- darstellung zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Ausführung) eine erste Blende 219A mit großer Bestrahlungsöffnung und eine zweite Blende 219B mit mittlerer Bestrahlungsöffnung zur Festlegung unterschiedlich großer Bestrahlungsbereiche auf einer zu bearbeitenden Oberfläche gezeigt sind. Es versteht sich, daß mit dem Bestrahlungsgerät ein mehrteiliger Blendensatz mit unterschiedlichen Querschnittsflächen und Formen der Öffnungen zur Ausführung verschiedener Bearbeitungsvorgänge lieferbar sein kann.
Das Bestrahlungsgerät 200 hat ein mehrteiliges Displayfeld 221, welches sich in der praktischen Ausführung zweckmäßigerweise auf der Gehäuserückseite befinden wird, in der Figur jedoch an der Gehäuse-Seitenfläche dargestellt ist. In der skizzierten Ausführung umfaßt es zwei (nicht einzeln bezeichnete) numeri- sehe Anzeigen sowie eine Kontrollleuchte, beispielsweise zur
Leistungs- und Temperaturanzeige sowie zur Betriebszustandsan- zeige („Ein/Aus") .
Fig. 3 zeigt in Art eines Funktions-Blockschaltbildes die Stromversorgungs-, Meß-, Steuer- und Anzeigeeinrichtungen eines NIR-Bestrahlungsgerätes 300 der in Fig. 1 oder 2 gezeigten Art gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Bestrahlungsgerät 300 hat als Wirkeinrichtung eine Halogenlampen- Reflektor-Kombination 301 mit vier röhrenförmigen Halogenlampen 303 und einem gemeinsamen, massiven Reflektor 305, in den längs durchgehende Kühlwasserkanäle 307 und eine zentrale Aussparung 309 mit weiter unten angegebener Zweckbestimmung eingearbeitet sind.
Zur Stromversorgung und Ansteuerung der Halogenlampen 303 ist eine Stromversorgungseinheit 311 vorgesehen, die über einen Ein-/Ausschalter 313 an das Wechselstromnetz angeschlossen ist. Der Ein-/Ausschalter 313 bildet zusammen mit einer Temperatur- Wählereinheit 315 eine Betätigungseinrichtung 317 des Bestrahlungsgerätes .
Ein Stellsignal von der Temperaturwählereinheit 315 gelangt zu einem Stelleingang einer Leistungsregelstufe 319, die ausgangs- seitig mit einem Steuereingang der Stromversorgungseinheit 311 sowie einem Leistungs-Anzeigeelement 321 verbunden ist. Über zwei Steuersignaleingänge ist die Leistungsregelstufe 319 einerseits mit einem Ultraschall-Entfernungsmesser 323 und andererseits mit einer Temperaturmeßeinrichtung 325 verbunden, wel- ehe ihrerseits das Meßsignal eines Pyrometerelementes 327 empfängt. Die Leistungsregelstufe 319 bildet zusammen mit der Stromversorgungseinheit 311 ein Stromversorgungs- und Ansteuer- einheit 329 des NIR-Bestrahlungsgerätes 300.
Der Ultraschall-Entfernungsmesser 323 ist weiterhin mit einem Entfernungs-Anzeigeelement 331 verbunden, und die Temperaturmeßeinrichtung 325 ist mit einem Temperatur-Anzeigeelement 333 verbunden. Das Entfernungs-Anzeigeelement 331 und das Temperatur-Anzeigeelement 333 bilden zusammen mit dem Leistungs-Anzei- geelement 321 ein Displayfeld 335 des Bestrahlungsgerätes.
Nach Einschaltung des Bestrahlungsgerätes mittels des Ein-/Aus- schalters 313 stellt der Benutzer in der bevorzugten Anwendungsweise an der Temperaturwählereinheit 315 eine vorbestimmte geeignete Bearbeitungstemperatur zur Bearbeitung einer Oberflächenschicht 337 auf einem Bearbeitungsgegenstand 339 ein. Das entsprechende Stellsignal wird an die Leistungsregelstufe 319 übermittelt, die in Abhängigkeit vom Meßsignal des Ultraschall- Entfernungsmessers 323 und des Pyrometerelementes 327 (verar- beitet in der Temperaturmeßeinrichtung 325) ein Ansteuersignal
für die Stromversorgungseinheit 311 ermittelt und dieser zuführt. Die entsprechend angesteuerten Halogenlampen 303 erwärmen daraufhin die Oberflächenschicht 337, während laufend deren Temperatur und der Abstand der Halogenlampen-Reflektor-Kombina- tion 301 zu dieser gemessen und die Meßsignale in einer Closed- Loop-Regelung zur Gewinnung des jeweils aktuellen Ansteuersignais für die Stromversorgungseinheit 311 verarbeitet werden. Hierdurch wird - nach einer sehr kurzen Einstellzeit im Bereich von Zehntel-Sekunden oder wenigen Sekunden - eine konstante Be- arbeitungstemperatur in einem Bestrahlungsbereich 341 der Oberflächenschicht 337 aufrechterhalten, bis eine vorgegebene Bestrahlungsdauer abgelaufen ist und der Benutzer durch Betätigung des Ein-/Aussc'halters 313 das Gerät wieder ausschaltet.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern im Rahmen der Ansprüche ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
Bezugszeichenliste
100; 200; 300 NIR-Bestrahlungsgerät
101; 201 Handgriff 103; 203; 313 Ein-/Ausschalter
105; 205; 315 Temperaturwähler
107; 207 Gehäuse
109 Netzanschlußkabel
111 Befestigungsring 113A Reflektor (teil-elliptisch)
113B Reflektor (teil-parabolisch)
115; 215 Belüftungsöffnung
117; 337 Oberflächenschicht
119; 339 Bearbeitungsgegenstand 210 Kühlwasserschlauch
212; 301 Halogenlampen-Reflektor-Kombination
217 Nutführung
219A, 219B Blende
221; 335 Displayfeld 303 Halogenlampe
305 Reflektor
307 Kühlwasserkanal
309 Aussparung
311 Stromversorgungseinheit 317 Betätigungseinrichtung
319 Leistungsregelstufe
321 Leistungs-Anzeigeelement
323 Ultraschall-Entfernungsmesser
325 Temperaturmeßeinrichtung 327 Pyrometerelement
329 Stromversorgungs- und Ansteuereinheit
331 Entfernungs-Anzeigeelement
333 Temperatur-Anzeigeelement
341 Bestrahlungsbereich