WO2017174549A1

WO2017174549A1 - Verfahren zur bestrahlung von behandlungsgut in industriellen prozessen

Info

Publication number: WO2017174549A1
Application number: PCT/EP2017/057933
Authority: WO
Inventors: Jürgen Weber; Oliver Weiss; Thomas Piela; Jörg Diettrich; Lotta Gaab; Christoph STERNKIKER; Nico WEWER
Original assignee: Heraeus Noblelight Gmbh
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestrahlung von Behandlungsgut in industriellen Prozessen zur Erwärmung, Polymerisation, Aushärtung oder/und Desinfektion mit IR- und/oder UV-Strahlung, wobei ein Bestrahlungssystem eingesetzt wird, das eine Strahlungsquelle, eine Einkoppeleinheit zum Einkoppeln der Strahlung der Strahlungsquelle in einen vorderen Endbereich eines Lichtwellenleiters zur Übertragung der Strahlung zu einer an einem hinteren Endbereich des Lichtwellenleiters vorgesehenen Auskoppeleinheit aufweist. Zur Optimierung einer homogenen Strahlungsführung auch in der Fläche und an schwer zugänglichen Bereichen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Auskoppeleinheit einen als optischen Diffusor wirkenden Formkörper umfasst, der Streuzentren aufweist, und dass die IR- und/oder UV-Strahlung durch den optischen Diffusor hindurch austritt und auf das Behandlungsgut einwirkt.

Description

Verfahren zur Bestrahlung von Behandlungsgut in industriellen Prozessen

Beschreibung

Technischer Hintergrund Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestrahlung von

Behandlungsgut in industriellen Prozessen zur Erwärmung, Polymerisation, Aushärtung oder/und Desinfektion mit IR- und/oder UV-Strahlung, wobei ein Bestrahlungssystem eingesetzt wird, das eine Strahlungsquelle, eine

Einkoppeleinheit zum Einkoppeln der Strahlung der Strahlungsquelle in einen vorderen Endbereich eines Lichtwellenleiters zur Übertragung der Strahlung zu einer an einem hinteren Endbereich des Lichtwellenleiters vorgesehenen

Auskoppeleinheit aufweist.

Stand der Technik Industrielle Prozesse zeichnen sich dadurch aus, dass die Verarbeitungsschritte innerhalb kurzer Zeit bei effizienter Energieausnutzung stattfinden. Dementsprechend erfordern Bestrahlungsverfahren für diese Prozesse eine durchdachte Anlagenkonzeption, wobei Leistung und Geometrie sowie Anfahr-, Abschalt- und Regelungsmechanismen an das jeweilige industrielle Behandlungsgut flexibel anpassbar sein müssen. Als Behandlungsgut in industriellen Prozessen im Sinne der Erfindung werden auch Halbzeuge oder Fertigprodukte aus der Lebensmittelindustrie angesehen, nicht aber Behandlungsgut im medizinisch-therapeutischen Bereich.

In bekannten Verfahren zur Bestrahlung von industriellem Behandlungsgut wird üblicherweise mit einer relativ hohen Leistungsdichte gearbeitet, so beispielsweise bei der Bestrahlung von Oberflächen bei der Materialbearbeitung, wobei die Strahlung ausgehend von einer Strahlungsquelle über einen Lichtwellenleiter zu einer Auskoppeleinheit geleitet wird.

Ein oder mehrere Lichtwellenleiter, z.B. Lichtleitfasern, transportieren die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung zu einem Bestrahlungs- oder Diagnoseort und verteilen dort die Strahlung in gewünschter Weise durch optische Streuung. Lichtleitfasern haben typischerweise einen Kern, der von einem Mantel umhüllt ist. Zum Schutz vor mechanischer Einwirkung können sie zusätzlich, je nach

Anwendungsfall, von einem äußeren Mantel aus Kunststoff oder aus Glas umhüllt sein.

Die Auskoppeleinheit nach dem Stand der Technik weist als Kernstück eine Fokussiereinheit mit Linsen auf, die das Licht bzw. den Strahlengang auf einen möglichst kleinen Brennfleck fokussiert. Dadurch wird die Energiedichte am

Brennfleck maximiert und eine Materialbearbeitung durch lokales Erhitzen ermöglicht.

Als Strahlungsquellen kommen UV-Strahlungsquellen, die ultraviolette Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 400 nm emittieren, wie auch IR- Strahlungsquellen mit infraroter Strahlung einer Wellenlänge im Bereich zwischen 740 nm und 2.500 nm zum Einsatz. Typische Anwendungsgebiete dieser Art für industrielles Behandlungsgut sind Verfahren zum Schneiden, Bohren oder Schweißen von Metallen mittels Laser. In gleicher Weise erfolgt das lokal auf eine kleine Fläche begrenzte Abtragen von Material von einer Oberfläche mittels gepulstem Laserlichts. Diese Methode wird auch„Laserablation" genannt. Das Laserlicht hat dabei eine hohe Leistungsdichte und bewirkt ein rasches Erhitzen und die Bildung eines Plasmas am Brennfleck. Die hohen Temperaturen und Energiedichten bei derartigen Verfahren erfordern ein thermisch stabiles Material für den Lichtwellenleiter, wie beispielsweise

Quarzglas.

Die Druckschrift US 4 676 586 offenbart ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem gepulsten Laser. Der Laser emittiert Strahlung einer Wellenlänge im nahen

Infrarot und im sichtbaren Wellenlängenbereich. Die Laser-Strahlung wird in einen flexiblen Lichtwellenleiter, der als eine ein Millimeter starke Quarzglasfaser ausgebildet ist, eingekoppelt und zu einer Auskoppeleinheit geführt. Die

Auskoppeleinheit fokussiert die aus dem Ende des Lichtwellenleiters austretende und dabei geringfügig streuende Laser-Strahlung mittels entsprechender Linsen auf einen kleinen Brennfleck, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Lichtwellenleiters. Durch diese Fokussierung ergibt sich eine Leistungsdichte am Brennfleck im Bereich von 10⁶ bis 10⁷ Watt/cm², die für das Bohren und Schneiden einer Stahlplatte (Inconel 718) mit einer Dicke von 0,75 mm benötigt wird.

Der flexible Lichtwellenleiter gewährleistet einen hohen Freiheitsgrad in Bezug auf die Heranführung und Handhabbarkeit des Bestrahlungsverfahrens. Die

Auskoppeleinheit mit ihrem Linsensystem setzt hierbei jedoch Grenzen, wenn es beispielsweise um die Zugänglichkeit von kleinen Hohlräumen geht. Die

Behandlung von Rohren mit geringem Durchmesser oder von Werkstücken mit Hinterschneidungen ist mit der Bestrahlungsvorrichtung bzw. mit dem

Bestrahlungsverfahren gemäß US 4 676 586 nicht oder nur eingeschränkt möglich. Darüber hinaus kann mit einem derartigen Bestrahlungsverfahren eine flächenhafte Einwirkung der Laser-Strahlung nur durch entsprechendes

Abscannen der Fläche vorgenommen werden, was einen erhöhten Zeitaufwand und den Einsatz von Motorik - mit entsprechenden Platzbedarf - zur Bewegung der Auskoppeleinheit erfordert.

Technische Aufgabenstellung

Bei Bestrahlungsverfahren für den Einsatz in industriellen Prozessen stellt sich die grundsätzliche Anforderung, dass die Strahlung den Bearbeitungs-, Behandlungs- oder Beobachtungsort mit möglichst hoher Intensität, Homogenität und

Zielgenauigkeit erreichen soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bestrahlungsverfahren mit einer Auskoppeleinheit bereitzustellen, die die oben aufgeführten Nachteile des Standes der Technik überwindet und die optimierte Mittel zur homogenen Strahlungsführung auch in der Fläche aufweist.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Ausgehend von einem Bestrahlungsverfahren der eingangs genannten Gattung wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Auskoppel- einheit einen als optischen Diffusor wirkenden Formkörper umfasst, der Streuzentren aufweist, und dass die IR- und/oder UV-Strahlung durch den optischen Diffusor hindurch austritt und auf das Behandlungsgut einwirkt.

Im Unterschied zum Stand der Technik wird die Auskoppeleinheit bei dem

Verfahren gemäß der Erfindung im Wesentlichen von einem als optischer Diffusor wirkenden Formkörper gebildet, der Streuzentren aufweist. Auf ein Linsensystem zum Fokussieren des Lichts, wie es sonst in Auskoppeleinheiten von

Bestrahlungssystemen üblich ist, wird verzichtet. Die IR- und/oder UV-Strahlung tritt durch den optischen Diffusor hindurch aus und wirkt auf das Behandlungsgut ein, das in der Regel in geringer Entfernung vom optischen Diffusor angeordnet ist.

Der als optischer Diffusor wirkende Formkörper kann als Bauteil oder als Schicht ausgebildet sein und dient der optimierten Führung der Strahlung im Sinne einer hohen Effizienz der ausgekoppelten Streustrahlung auf das Behandlungsgut. Dies nicht nur im Hinblick auf eine eng begrenzte Fläche eines Brennflecks wie im Stand der Technik, sondern auch insbesondere hinsichtlich einer linienförmigen oder flächigen Bestrahlung, ohne dass es hierfür notwendigerweise einer

Bewegung der Auskoppeleinheit bedarf. Im Gegensatz zu Auskoppeleinheiten mit Fokussierlinsen, die für diesen Anwendungsfall kompliziert aufgebaut sein müssten, ist es durch entsprechende Anordnung der Streuzentren am Formkörper auf einfache Weise auch möglich gleichzeitig an mehreren Orten eine flächige Bestrahlung des Behandlungsgutes vorzunehmen.

Weiterhin von Vorteil ist beim erfindungsgemäßen Verfahren, dass der als optischer Diffusor wirkende Formkörper leicht ausgetauscht werden kann. Dies gilt auch für die Strahlungsquelle. Damit ist das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Bestrahlungssystem an veränderte Einsatzbedingungen flexibel anpassbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders bei Prozessen zur Erwärmung, zur Polymerisation oder zur Aushärtung, oder/und zur Desinfektion von industriellem Behandlungsgut. Zu diesen Prozessen zählt die gezielte Infrarot- Erwärmung von Metallen oder Halbleitern, beispielsweise wenn diese Materialien auf Elektronikbauteilen appliziert sind. Die Erwärmung erfolgt nur direkt am und in unmittelbarer Umgebung vom Behandlungsgut, wobei der Wellenlängenbereich des Lichtes bzw. der Strahlung dem Absorptions-Wellenlängenbereich des

Behandlungsgutes entspricht. Die dabei eingesetzten Lichtwellenleiter erwärmen sich nur geringfügig (bis maximal 80 °C), so dass das Verfahren auch in

Temperatur sensitiver Umgebung möglich ist. Bei einer annähernd

monochromatischen Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa 840 nm bis 1024 nm, wie sie von Lasern - auch VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) - oder von LED- Strahlungsquellen emittiert werden, absorbieren viele Materialien, so etwa Silizium, Silber, Kupfer, Aluminium, Gold oder auch Kunststoffe wie etwa Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC) oder Polyethylen (PE), so dass eine sehr effiziente Erwärmung dieses Behandlungsgutes binnen kürzester Zeit möglich ist. Dieser Prozess ist besonders wirksam, wenn mit Laser-Lichtquellen in

entsprechender, sogenannter Array-Anordnung gearbeitet wird und dabei auf kleinen Flächen Leistungen von bis zu 500 MW/m² erreicht werden können. Im Vergleich hierzu liegt die Leistungsdichte von Heizfeldern mit üblichen,

breitbandigen IR-Strahlern bei etwa 150 kW/m².

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren für explosionsgefährdete Bereiche geeignet. Der Lichtwellenleiter und die Auskoppeleinheit bleiben in Ermangelung eines Heizleiters praktisch kalt. Im Bereich des Behandlungsgutes ist im Wesentlichen„kalte IR-Strahlung" wirksam. Bei Verfahren mit breitbandigen IR-Strahlern, die auf Basis von Heizleitern arbeiten, ist dagegen der Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen nicht oder nur mit großem technischen Aufwand (Kühlelemente erforderlich) möglich, da sich der Heizleiter und - durch

entsprechendes Absorptionsverhalten - auch das Quarzglas-Lampenrohr so stark aufheizen, dass diese Strahler eine Zündgefahr für die Stoffe in der Umgebung darstellen. Die einschlägigen maximal zulässigen Oberflächentemperaturen gemäß der sogenannten ATEX-Richtlinie (abgeleitet von ATmospheres

Explosibles) werden daher von üblichen IR-Strahlern nicht eingehalten.

Das erfindungsgemäße Bestrahlungsverfahren eignet sich auch zur Bestrahlung von industriellem Behandlungsgut mit ultraviolettem (UV) Licht. Der Wellenlängen- bereich des UV-Lichtes ist, wie oben für die IR-Anwendung angegeben, auch hier auf das Absorptionsverhalten des Behandlungsgutes abgestimmt. Das erfindungs- gemäße Verfahren eignet sich zum Aushärten von Lacken, Farben oder

Polymeren, oder auch für die UV-Desinfektion.

Die Bestrahlung von industriellem Behandlungsgut erfordert oftmals eine hohe Leistungsdichte, so dass kurze Prozesszeiten bei hohen Qualitätsanforderungen eingehalten werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese Kriterien besonders gut erfüllt. Ein anschauliches Beispiel dafür ist die Bestrahlung von Papieroberflächen und deren Beschichtung in einer Druckmaschine, wobei mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zum Einsatz kommen können. Weiterhin hat es sich hinsichtlich des als optischen Diffusor wirkenden

Formkörpers in dem erfindungsgemäßen Verfahren als vorteilhaft erwiesen, wenn dieser eine langgestreckte Form mit einer Längsachse aufweist. In diesem Sinne haben sich stabförmige Formkörper bewährt, wobei ein solcher stabförmiger Formkörper auch als integraler Bestandteil des Lichtwellenleiters ausgebildet sein kann. Diese Gestaltung des Formkörpers beeinflusst die Auskopplung der Strahlung. Die Streuwirkung des Formkörpers steigt mit der Anzahl der

Streuzentren. Das Licht bzw. die Strahlung wird über eine längere Strecke aus dem Formkörper ausgekoppelt, wodurch die Streuintensität homogenisiert werden kann. Ein integraler Verbund mit dem Lichtwellenleiter trägt zu einer hohen mechanischen Stabilität des Formkörpers bei und verbessert die Reproduzierbarkeit der Streueigenschaften.

Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein als optischer Diffusor wirkender Formkörper mit einer Längsachse (L) eingesetzt wird, entlang der die Verteilungsdichte der Streuzentren in einer Strahlungs- Hauptausbreitungsrichtung zunimmt. Das heißt die Abstrahlung nimmt in

Hauptausbreitungsrichtung der Strahlung zu, wobei entlang der Längsachse des Formkörpers ein Gradient in der Verteilungsdichte der Streuzentren vorliegt, mit einer geringeren Verteilungsdichte in einem dem hinteren Endbereich des

Lichtwellenleiters nahen Bereich und einer höheren Verteilungsdichte in einem dem hinteren Endbereich des Lichtwellenleiters fernen Bereich. Mittels eines derartigen Gradienten können Streuzentren inhomogen, bevorzugt an der

Oberfläche des Formkörpers verteilt sein und dadurch die Streuwirkung an die Eindringtiefe der einfallenden Strahlung angepasst werden. So vermindert eine in axialer Richtung zunehmende Verteilungsdichte an Streuzentren den

Strahlungstransport in dieser Richtung und begünstigt stattdessen eine seitliche Abstrahlung. Es hat sich weiterhin für das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Streuzentren des als optischer Diffusor wirkenden Formkörpers so angeordnet sind, dass die Strahlung auf das Behandlungsgut linien- oder flächenhaft einwirkt. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung an die Gestalt des Behandlungsgutes und somit eine effiziente Verfahrensführung. Gleichermaßen bewährt im Sinne einer optimalen Anpassung an die Gestalt des Behandlungsgutes hat es sich, wenn ein als optischer Diffusor wirkender

Formkörper eingesetzt wird, der ein an die Kontur einer zu bestrahlenden

Oberfläche des Behandlungsgutes angepasstes Oberflächenprofil aufweist. So kann beispielsweise Behandlungsgut in Form eines Rohres mit Rechteckquer- schnitt von innen gleichmäßig bestrahlt werden, indem der als optischer Diffusor wirkende Formkörper ein entsprechendes Rechteckprofil aufweist.

Vorteilhafterweise sind die Streuzentren in Form von Oberflächen-Strukturen ausgebildet. Diese Ausbildung der Streuzentren ist einfach auf den Formkörper aufzubringen und beeinträchtigt die mechanische Stabilität des Formkörpers nicht. Grundsätzlich sind auch Streuzentren im Volumen des Formkörpers möglich, die die Streuwirkung der Streuzentren in Form von Oberflächen-Strukturen noch ergänzen.

Insbesondere hat es sich bewährt die Streuzentren als Aufrauhungen auszubilden. Die Aufrauhung kann beispielsweise mittels Sandstrahlen oder anderer geeigneter mechanischer Verfahren erfolgen oder auch durch Einwirkung eines Lasers auf die Oberfläche des Formkörpers aufgebracht werden. Alternativ oder in

Kombination mit mechanischer Behandlung oder Laserbearbeitung kann ein Aufrauhungsmuster auch durch chemisches Ätzen der Oberfläche des

Formkörpers hergestellt werden. Es entstehen damit Strukturen mit Erhebungen bzw. mit einer Rauhtiefe im Bereich von 0,05 μιτι bis 50 μιτι. Diese

Größenordnung der Aufrauhungen bzw. Streuzentren beeinträchtigt nicht die mechanische Stabilität des Formkörpers. Die Bereiche mit Aufrauhungen steigern lokal die Effektivität der Streuleistung.

Alternativ oder zusätzlich zu den Aufrauhungen sind die Oberflächen-Strukturen vorteilhafterweise als diffus streuende Beschichtung ausgebildet. Für einen Lichtwellenleiter und einen Formkörper aus Quarzglas hat sich in diesem

Zusammenhang eine poröse Quarzglasschicht besonders bewährt, die durch Auftragen und Sintern eines pastösen SiO2-Schlickers auf die Formkörperoberfläche gebildet wird. Diese Beschichtung kann auf der gesamten Oberfläche ausgebildet sein oder nur in Teilbereichen. Wesentlich ist, dass diese

Beschichtung Streuzentren beispielsweise durch Mikroporen oder Nanopartikel enthält, die die Streuwirkung des Formkörpers gegebenenfalls im Zusammenwirken mit weiteren Formen von Streuzentren in dem erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahren optimiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der

Formkörper in Teilbereichen seiner Oberfläche eine Reflektorschicht auf. Diese Schicht umfasst bevorzugt ein Metall, vorzugsweise Gold. Mit einer derartigen Reflektorschicht sind Teilbereiche des Formkörpers bedeckt, die keine Strahlung emittieren sollen. Auf diese Weise kann die Streuwirkung lokal auf die jeweilige Geometrie des Einsatzortes abgestimmt werden. So kann ohne großen Aufwand ein als optischer Diffusor wirkender Formkörper mit beispielsweise punkt- oder linienförmigen Emissionsbereichen bereitgestellt werden.

Im Hinblick auf flexible Verfahrensweise hat es sich bewährt, wenn ein

Bestrahlungssystem eingesetzt wird, das mindestens eine UV- Strahlungsquelle zur Erzeugung von Strahlung einer Wellenlänge im Bereich zwischen 200 nm und 400 nm und mindestens eine IR-Strahlungsquelle zur Erzeugung von Strahlung einer Wellenlänge im Bereich zwischen 740 nm und 2.500 nm umfasst, wobei die Strahlung der UV-Strahlungsquelle und der IR-Strahlungsquelle gemeinsam in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Auf diese Weise wird ein großer Wellenlängenbereich abgedeckt, so dass das Verfahren für verschiedene

Prozessschritte mit unterschiedlichen Wellenlängen-bereichen durchgeführt werden kann. Vorteilhafterweise besteht der Lichtwellenleiter und der Formkörper zu mindestens 95 Gew.-% aus S1O2. Der Lichtwellenleiter umfasst als obligatorische Komponente mindestens einen Kern und als fakultative Komponente mindestens einen den Kern umhüllenden Mantel. Der Kern und gegebenenfalls der Mantel bestehen vorzugsweise aus dotiertem oder aus einem undotierten hochkieselsäurehaltigen Glas, das hier und im Folgenden auch als Quarzglas bezeichnet wird. Der S1O2- Anteil des Quarzglases beträgt mindestens 95 Gew.-%. Der als optischer Diffusor wirkende Formkörper besteht ebenfalls zu mindestens 95 Gew.-% aus S1O2 und hat mindestens eine gemeinsame Kontaktfläche mit einer oder beiden Kompo- nenten des Lichtwellenleiters, bevorzugt mit dem Kern. Die Lichtleitfaser und der Formkörper haben somit eine ähnliche, im Idealfall die gleiche chemische

Zusammensetzung; sie bestehen jeweils aus dotiertem oder undotiertem

Quarzglas, wobei sich die Zusammensetzungen vom Material des Formkörpers und Faserkern der Lichtleitfaser in ihrem SiO2-Gehalt bevorzugt um 1

Prozentpunkt oder weniger, vorzugsweise um weniger als 0,5 Prozentpunkte, unterscheiden. Die an die gemeinsame Kontaktfläche (Lichtleitfaser-Komponente / Formkörper) angrenzenden Werkstoffe sind in ihrer chemischen

Zusammensetzung somit ähnlich, was auch als„arteigen" bezeichnet wird. Dies vermindert das Auftreten mechanischer Spannungen und temperatur-bedingter Verformungen beim bestimmungs-gemäßen Einsatz des Formkörpers in dem erfindungsgemäßen Verfahren, was sich auch in einer hohen

Temperaturwechselbeständigkeit und gegebenenfalls einer guten Verbindung zwischen Formkörper und Lichtwellen-Ieiter zeigt. Das Bestrahlungssystem im erfindungsgemäßen Verfahren zeichnet sich daher durch hohe mechanische und optische Stabilität im Einsatz aus.

Alternativ zu einem Lichtwellenleiter und Formkörper aus Quarzglas ist es für Anwendungen im Infrarot-Wellenlängenbereich von Vorteil, wenn der Lichtwellenleiter und der Formkörper aus einem Material aus der Gruppe Zinkselenid, Magnesiumfluorid, Kalziumfluorid, Zirkonfluorid, Indiumfluorid, Zinksulfid, Natrium- Chlorid, Silberchlorid, Kaliumbromid, Silberbromid, oder aus einem Chalkogenid-

Glas bestehen, das aus den Elementen Schwefel, Selen und/oder Tellur mit Arsen, Germanium und/oder Antimon gebildet ist. Ein Formkörper aus Zinkselenid (ZnSe) mit Streuzentren an seiner Oberfläche in Form von Aufrauhungen wirkt dann als optischer Diffusor im Sinne der Erfindung wie auch der Formkörper aus Quarzglas mit entsprechenden Streuzentren. Weitere alternative Materialien für den Formkörper und den Lichtwellenleiter sind optische Gläser mit hoher

Transparenz im Infrarot-Wellenlängenbereich auf Basis von Magnesiumfluorid (MgF₂), Kalziumfluorid (CaF₂), Zirkonfluorid (ZrF ), Indiumfluorid (lnF₃), Zinksulfid (ZnS), Natriumchlorid (NaCI), Silberchlorid (AgCI), Kaliumbromid (KBr) oder Silberbromid (AgBr), oder auf Basis von Chalkogenid-Gläsern gebildet aus den Elementen Schwefel, Selen und/oder Tellur mit Arsen, Germanium und/oder Antimon.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt im Einzelnen:

Figur 1 eine schematische Darstellung des Bestrahlungssystems im

erfindungsgemäßen Verfahren mit einem zylinderförmigen, als optischer Diffusor wirkenden Formkörper als Auskoppeleinheit;

Figur 2 eine vergrößerte Detailansicht A der Ausführungsform des

Formkörpers von Figur 1 ;

Figur 3a eine tropfenförmige Ausführungsform des Formkörpers; Figur 3b eine Ausführungsform des Formkörpers mit einem Rechteckprofil;

Figur 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen

Bestrahlungsverfahrens beim Sintern einer metallhaltigen Tinte (in einer perspektivischen Darstellung).

Figur 1 zeigt schematisch das Bestrahlungssystem im erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahren, dem insgesamt die Bezugsziffer 100 zugeordnet ist. Das

System 100 umfasst eine IR- oder eine UV-Strahlungsquelle 1 , oder auch eine Kombination dieser Strahlungsquellen, die Strahlung abstrahlt, die über eine hier nicht dargestellte Einkoppeleinheit in einen (oder mehrere) Lichtwellenleiter 2 geführt wird. Der Lichtwellenleiter 2 ist als eine optische Lichtleitfaser ausgebildet und hat, je nach Einsatzzweck eine Länge von bis zu 10 Metern oder mehr. Die Länge des Lichtwellenleiters ist dabei so bemessen, dass die Strahlungsquelle vom Einsatzort des als optischen Diffusors wirkenden Formkörpers klar getrennt ist und etwaige von der Strahlungsquelle abstrahlende Hitze nicht auf das

Bestrahlungsgut einwirkt. Die räumliche Trennung erleichtert zudem Wartung und/oder Austausch der Strahlungsquelle. Die Lichtleitfaser 2 hat einen hier nicht dargestellten Faserkern und einen den Faserkern umhüllenden Mantel. Der Faserkern besteht aus reinem, undotiertem Quarzglas. Der optische Mantel besteht aus Quarzglas, das mit etwa 4 Gew.-% Fluor dotiert ist. Der

Lichtwellenleiter 2 hat einen Durchmesser von 200 μιτι. Nicht-flexible, stabförmige Lichtwellenleiter haben größere Durchmesser, was im Einzelfall auch von Vorteil sein kann.

Am hinteren Endbereich 20 des Lichtwellenleiters 2 schließt sich die Auskoppeleinheit an, die als optischer Diffusor wirkender Formkörper 3 ausgebildet ist. Der Formkörper 3 ist ein zylinderförmiger, eine Längsachse L aufweisender und im Querschnitt kreisrunder Stab, der mit dem Lichtwellenleiter 2 beispielsweise durch Schweißen verbunden ist. Der Formkörper 3 besteht - ebenso wie der

Lichtwellenleiter 2 - aus Quarzglas und hat einen Durchmesser von 3 mm und eine Länge von 300 mm. Die Verbindung zwischen Lichtwellenleiter 2 und

Formkörper 3 kann - soweit dies die unterschiedlichen Geometrien von

Lichtwellenleiter und Formkörper dies zulassen - stoffschlüssig sein. Oder die

Einkopplung der Strahlung vom Lichtwellenleiter zum Formkörper erfolgt durch ein entsprechendes Linsensystem. In jedem Fall ist zu gewährleisten, dass am

Übergang vom Lichtwelleiter zum Formkörper die Strahlung nicht in

unerwünschter Weise gebeugt wird. Die Strahlung wird an den Streuzentren gestreut und tritt nach außen aus dem Formkörper aus und ist auf das

Behandlungsgut gerichtet.

Aus Figur 2 ist die Oberfläche des Formkörpers 3 mit Streuzentren in Form von Oberflächenstrukturen in verschiedener Ausführung gemäß der Detailansicht A aus Figur 1 erkennbar. Die Oberflächen-Strukturen werden gebildet durch

Aufrauhungsmuster 4.1 und 4.2, die durch Sandstrahlen aufgebracht wurden. Das

Aufrauhungsmuster 4.1 , das näher am Endbereich 2 des Lichtwellenleiters 2 liegt, weist eine geringere Anzahl an Streuzentren auf als das Aufrauhungsmuster 4.2. Überdies weist der Formkorper 3 in Teilbereichen seiner Oberfläche eine

Reflektorschicht 5 aus Gold auf. An dieser Reflektorschicht 5 endet die

Lichtführung durch Totalreflexion. Das Aufrauhungsmuster 4.1 weist eine geringere Anzahl an Streuzentren auf als das Aufrauhungsmuster 4.2, so dass im Bereich des Aufrauhungsmusters 4.1 weniger Strahlung nach außen abgegeben wird als im Abschnitt mit dem Aufrauhungsmuster 4.2. Beide Bereiche des Formkörpers 3 haben eine homogene, diffus wirkende Abstrahlung mit einem nach außen streuenden zylindrischen Muster, in Figur 2 durch mehrere

Richtungspfeile angedeutet. Bei Einkopplung einer Arbeitsstrahlung mit einer Wellenlänge von beispielsweise 980 nm in den Lichtwellenleiter 2 wird diese zum Formkörper 3 geführt. Die diffuse Auskopplung erfolgt über das Muster der Streuzentren auf das Behandlungsgut.

Alternativ zu Aufrauhung durch Sandstrahlen können auch Streuzentren durch Auftragen einer diffus streuenden Beschichtung in Form einer porösen Quarz- glasschicht auf dem Formkörper aufgetragen sein. In so einem Fall hat die dem Endbereich des Lichtwellenleiters näher gelegene, poröse Quarzglasschicht eine höhere Schichtdicke als die am entgegengesetzten Ende des Formkörpers.

In den Figuren 3a und 3b sind zwei weitere Ausführungsformen des Formkörpers dargestellt.

Die tropfenförmige Gestalt des Formkörpers 103 gemäß Figur 3a zeigt eine Verdickung am Ende des Lichtwellenleiters 102; beide Teile bestehen aus

Quarzglas, so dass der Lichtwellenleiter 102 und der Formkörper 103 als ein integrales Bauteil aufgefasst werden können. Die Ausführungsform des

Formkörpers 103 zeichnet sich in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch omnidirektionale Abstrahlung in kleinste Bereiche des Behandlungsgutes aus, wie etwa feine Rohröffnungen. Dazu hat der tropfenförmige Formkörper 103 an seiner Oberfläche eine mit Streuzentren versehene Beschichtung, die in Figur 3a als grauer Bereich dargestellt ist. Die zu bestrahlenden Bereiche des Behandlungsguts werden gleichmäßig bestrahlt, so dass mechanische Spannungen am

Behandlungsgut reduziert oder vermieden werden. Die tropfenförmige Ausführungsform des Formkörpers gemäß Figur 3a kann beim Entgraten von

Kunststoffteilen eingesetzt. Überdies ist diese Ausführungsform des Formkörpers durch die geringe Baugröße besonders geeignet in Vakuumdurchführungen geführt und somit auch in Bestrahlungsverfahren unter Vakuum eingesetzt zu werden.

In Figur 3b ist ein Formkörper 203 in Gestalt einer kleinen Quarzglasplatte 204 an einen Lichtwellenleiter 202 als Quarzglasstutzen angeschweißt. Die

Quarzglasplatte 204 hat Streuzenten (grauer Bereich) an ihren Seitenflächen 204a, die eine homogene, diffus wirkende Abstrahlung der Strahlung in einer Rechtecknut oder einem Rohr mit einem rechteckigen Querschnitt ermöglichen.

Figur 4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Bestrahlungsverfahren, dem insgesamt die Bezugsziffer 300 zugeordnet ist. Das Verfahren 300 umfasst ein Bestrahlungssystem mit einem IR-Modul 301 , das sowohl zum Trocknen als auch zum Sintern von metallhaltiger Tinte auf einer Kunststofffolie eingesetzt werden kann. Mit Figur 4 wird das IR-Modul 301 zur Sinterung von Silber-Leiterbahnen näher erläutert. Daneben ist auch ein UV-Modul 302 vorgesehen, mit dem beispielsweise Beschichtungen unter UV-Einstrahlung gehärtet werden können. Das UV-Modul 302 ist über einen Lichtwellenleiter 2 mit einer UV-Strahlungsquelle 1 .2 verbunden. Zwischen dem IR-Modul 301 und dem UV-Modul 302 können weitere Module oder andere Vorrichtungen vorgesehen sein, beispielsweise eine Vorrichtung zum Aufbringen einer weiteren Behandlungsgutbeschichtung vorgesehen sein.

Das IR-Modul 301 hat eine Auskoppeleinheit mit einem stabförmigen Formkörper 303, der quer zur Transportrichtung 305 angeordnet und geeignet ist das Behandlungsgut 304 mit IR-Strahlung zu beaufschlagen. Der Formkörper 303 wird von der IR-Strahlungsquelle 1 .1 über einen Lichtwellenleiter 2 gespeist. Die IR- Strahlungsquelle kann außerhalb des Bestrahlungssystems angeordnet sein, - beispielsweise ist dies eine Laser-, oder LED-Strahlungsquelle. Das Behandlungsgut 304 ist eine Kunststofffolie aus Polyethylennaphthalat (PEN) mit einer

Folienstärke von 0,1 mm, die von einer Transportvorrichtung (nicht dargestellt) in Transportrichtung 305 relativ zu den Strahler-Modulen 301 , 302 bewegt wird und auf die Silber-Leiterbahnen 306 in rotativer Siebdruck -Technik aufgedruckt sind.

Das Behandlungsgut 304 wird auch als Pr/^'nted-E/ecfron/^'cs-Komponente bezeichnet, die im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden. Die Bewegung des Behandlungsgutes 304 erfolgt mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit von etwa 3m/min.

Der stabförmige Formkörper 303 besteht aus Quarzglas und hat eine Länge von 320 mm und einen Durchmesser von 5 mm. Er weist an seiner dem Behandlungs- gut 304 zugewandten Mantelfläche Streuzentren durch Aufrauhungen oder durch eine dünne, poröse Quarzglasbeschichtung auf, die bewirkt, dass die zugeführte IR-Strahlung diffus auf das Behandlungsgut 304 richtet wird. Die dem Behandlungsgut 304 abgewandte Mantelfläche des Formkörpers 303 ist mit einer Goldschicht abgedeckt, so dass nach oben und seitlich keine Strahlung emittiert wird. Der Abstrahlwinkel beträgt somit etwa 60°. Die freie Stirnseite des stabförmigen Formkörpers 303 ist ebenfalls mit einer Goldschicht versehen.

Das Strahler-Modul 301 bestrahlt ein Bestrahlungsfeld auf der Oberfläche des Behandlungsgutes 304 mit einem Flächeninhalt von etwa 100 cm².

Der Abstand zwischen der dem Behandlungsgut 304 zugewandten Mantelfläche (Unterseite) des Formkörpers 303 und dem Behandlungsgut 304 beträgt 10 mm. Eine Verstelleinheit (nicht dargestellt) ermöglicht eine einfache Einstellung des Abstands in einem Bereich von 5 mm bis 50 mm.

Die vom Formkörper 303 auf das Behandlungsgut 304 emittierte Strahlung ist eine quasi monochromatische (schmalbandige) Infrarotstrahlung. Der Wellenlängen- bereich dieser schmalbandigen IR-Strahlung liegt bei etwa 980 nm + 10 nm und ist damit abgestimmt auf das Absorptionsmaximum von Silber. Das Sintern der Silber-Leiterbahnen 306 auf der PEN-Folie erfolgt daher durch sehr effiziente Erwärmung binnen kürzester Zeit. Das Silber wird dabei nicht durchgeschmolzen, vielmehr entsteht eine poröse Silber-Schicht, die aber eine gute elektrische

Leitfähigkeit von 1 ,7 x 10⁷ S/m aufweist. Die Kunststofffolie selbst tritt innerhalb der Bestrahlungszeit und bei dieser Wellenlänge kaum in Wechselwirkung mit der Strahlung, und wird nur leicht erwärmt (bis etwa 100°C).

Bestrahlungsverfahren mit herkömmlichen IR-Strahlern, die eine Heizwendel aufweisen und die direkt am Behandlungsgut eingesetzt sind, werden im Betrieb sehr heiß, so dass für entsprechende Kühlung gesorgt werden muss. Im Vergleich hierzu kann beim erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahren auf Kühlelemente im Bereich der Auskoppeleinheit verzichtet werden. Ebenso sind durch die einfache Ausgestaltung des als optischer Diffusor wirkenden Formkörpers mit Streuzentren in Form von Oberflächen-Strukturen und mit Teilbereichen, die die Oberfläche mit einer Reflektorschicht aus einem Metall bedecken, die sonst üblichen Reflektorsysteme in solchen Strahler-Modulen verzichtbar.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders geeignet: Ein Bestrahlungssystem zur Bestrahlung von Behandlungsgut in industriellen Prozessen, mit einer Lichtquelle, einer Einkoppeleinheit zum Einkoppeln des Lichts der Lichtquelle in einen vorderen Endbereich eines Lichtwellenleiters zur Übertragung des Lichts zu einer an einem hinteren Endbereich des Lichtwellenleiters vorgesehenen Auskoppeleinheit, wobei die Auskoppeleinheit einen als Licht-Diffusor wirkenden Formkörper umfasst, der Streuzentren aufweist.

Wesentliches Element in dem Bestrahlungssystem des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Lichtwellenleiter mit Auskoppeleinheit, die einen als Licht- Diffusor wirkenden Formkörper umfasst, der Streuzentren aufweist.

Das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Bestrahlungssystem umfasst weiterhin folgende bevorzugte Ausführungsformen: Der als Licht-Diffusor wirkende Formkörper weist eine langgestreckte Form mit einer Längsachse (L) auf. Der als Licht-Diffusor wirkende Formkörper bildet ein integrales Bauteil mit dem

Lichtwellenleiter. Der Formkörper weist entlang seiner Längsachse (L) einen Gradienten in der Verteilungsdichte der Streuzentren auf mit einer geringeren Verteilungsdichte in einem dem hinteren Endbereich des Lichtwellenleiters nahen Bereich und einer höheren Verteilungsdichte in einem dem hinteren Endbereich des Lichtwellenleiters fernen Bereich. Die Streuzentren sind in Form von

Oberflächen-Strukturen ausgebildet. Diese Oberflächen-Strukturen können als

Aufrauhungen ausgebildet sein. Der Formkörper ist als diffus streuende Beschich- tung ausgebildet, die eine poröse Quarzglasschicht umfasst. Der Formkörper weist in Teilbereichen seiner Oberfläche eine Reflektorschicht auf. Die Lichtquelle ist eine UV-Lichtquelle, oder eine IR-Lichtquelle, wobei auch eine Kombination von Lichtquellen umfasst ist, wovon mindestens eine UV- Lichtquelle Licht einer

Wellenlänge im Bereich zwischen 200 nm und 500 nm und mindestens eine IR- Lichtquelle Licht einer Wellenlänge im Bereich zwischen 700 nm und 2.500 nm erzeugt, wobei das Licht der UV-Lichtquelle und der IR-Lichtquelle jeweils separat oder gemeinsam in den Lichtwellenleiter einkoppelbar ist. Der Lichtwellenleiter und der Formkörper bestehen zu mindestens 95 Gew.-% aus S1O₂. Alternativ bestehen der Lichtwellenleiter und der Formkörper aus einem Material aus der Gruppe Zinkselenid, Magnesiumfluorid, Kalziumfluorid, Zirkonfluorid, Indiumfluorid, Zinksulfid, Natriumchlorid, Silberchlorid, Kaliumbromid, Silberbromid, oder aus einem Chalkogenid-Glas, das aus den Elementen Schwefel, Selen und/oder Tellur mit Arsen, Germanium und/oder Antimon gebildet ist. Das Bestrahlungssystem findet Verwendung in industriellen Prozessen zur Erwärmung, Polymerisation, Aushärtung, oder/und Desinfektion.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Bestrahlung von Behandlungsgut in industriellen Prozessen zur Erwärmung, Polymerisation, Aushärtung oder/und Desinfektion mit IR- und/oder UV-Strahlung, wobei ein Bestrahlungssystem eingesetzt wird, das eine Strahlungsquelle (1 ; 1 .1 ; 1 .2), eine Einkoppeleinheit zum Einkoppeln der Strahlung der Strahlungsquelle in einen vorderen Endbereich eines

Lichtwellenleiters (2; 102; 202) zur Übertragung der Strahlung zu einer an einem hinteren Endbereich (20) des Lichtwellenleiters (2; 102; 202) vorgesehenen Auskoppeleinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppeleinheit einen als optischen Diffusor wirkenden Formkörper (3; 103; 203; 301 ; 302) umfasst, der Streuzentren aufweist, und dass die IR- und/oder UV-Strahlung durch den optischen Diffusor hindurch austritt und auf das Behandlungsgut (304) einwirkt.

Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren des als optischer Diffusor wirkenden Formkörpers (3; 103; 203; 301 ; 302) so angeordnet sind, dass die Strahlung auf das Behandlungsgut (304) linien- oder flächenhaft einwirkt.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein als optischer Diffusor wirkender Formkörper (3; 103; 203; 301 ; 302) eingesetzt wird, der ein an die Kontur einer zu bestrahlenden Oberfläche des

Behandlungsgutes (304) angepasstes Oberflächenprofil aufweist.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass ein als optischer Diffusor wirkender Formkörper (3;103, 203; 301 ; 302) mit einer Längsachse (L) eingesetzt wird, entlang der die Verteilungsdichte der Streuzentren in einer Strahlungs-Hauptausbreitungs- richtung zunimmt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein als optischer Diffusor wirkender Formkörper (3; 103; 203; 301 ; 302) eingesetzt wird, der integraler Bestandteil des

Lichtwellenleiters (2; 102; 202) ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Streuzentren in Form von Oberflächenstrukturen ausgebildet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren als Aufrauhungen (4.1 ; 4.2) ausgebildet sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass ein als optischer Diffusor wirkender Formkörper (3; 103; 203; 301 ; 302) eingesetzt wird, der eine diffus streuende Beschichtung aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die diffus

streuende Beschichtung eine poröse Quarzglasschicht umfasst.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass ein als optischer Diffusor wirkender Formkörper (3; 103; 203; 301 ; 302) eingesetzt wird, der in Teilbereichen seiner Oberfläche eine

Reflektorschicht (5) aus einem Metall, vorzugsweise aus Gold, aufweist.

1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (2; 102; 202) und der als optischer Diffusor wirkende Formkörper (3; 103; 203; 301 ; 302) zu mindestens 95 Gew.-

% aus S1O2 bestehen.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bestrahlungssystem eingesetzt wird, das

mindestens eine UV- Strahlungsquelle (1 .2) zur Erzeugung von Strahlung einer Wellenlänge im Bereich zwischen 200 nm und 400 nm und mindestens eine IR-Strahlungsquelle (1 .1 ) zur Erzeugung von Strahlung einer Wellenlänge im Bereich zwischen 740 nm und 2.500 nm umfasst, wobei die Strahlung der UV-Strahlungsquelle (1 .2) und der IR-Strahlungsquelle (1 .1 ) gemeinsam in den Lichtwellenleiter (2; 102; 202) eingekoppelt werden.