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Dokumentenidentifikation DE19651977C2 01.03.2001
Titel UV-Bestrahlungsvorrichtung
Anmelder Bisges, Michael, 59557 Lippstadt, DE
Erfinder Bisges, Michael, 59557 Lippstadt, DE
Vertreter Kohlmann, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52078 Aachen
DE-Anmeldedatum 13.12.1996
DE-Aktenzeichen 19651977
Offenlegungstag 18.06.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.03.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2001
IPC-Hauptklasse G21K 5/04
IPC-Nebenklasse B05D 3/06   F21V 7/22   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten einer UV-Lackschicht auf einem flachen Objekt.

Eine derartige UV-Bestrahlungsvorrichtung findet Verwendung bei der Härtung von UV-Lacken und Druckfarben. Sie wird beispielsweise in Fertigungslinien zur Produktion von optischen Informationsträgern (CD, CD-ROM, CD-R, DVD) eingesetzt. Diese Speichermedien haben die Form einer flachen Scheibe und bestehen aus mehreren Schichten. Um die empfindlichen Farb- und Datenschichten zu schützen wird als oberste Schicht ein Schutzlack aufgetragen. Zur Belackung dieser optischen Informationsträger verwendet man einen Schutzlack, der durch UV-Licht (Wellenlänge von 200 bis 400 nm) gehärtet werden kann und deshalb als "UV-Schutzlack" oder als "UV-Lack" bezeichnet wird.

Um die Schutzlackschicht in den kurzen Zykluszeiten der hochproduktiven Fertigungslinien aushärten zu können ist es erforderlich, eine hohe UV-Lichtintensität auf das Objekt zu strahlen. Neben dem zur Härtung erforderlichen UV-Licht strahlen alle gängigen Lampen aber auch die langweilige Wärmestrahlung (Infarot-, IR-Strahlung) ab. Diese Wärmestrahlung ist bei der Härtung eigentlich unerwünscht. Die langweilige Wärmestrahlung führt zu einer Verformung und Versprödung des Objekts.

Ein weiterer Aspekt ist, daß die Schutzlackschicht nicht nur die Oberfläche schützt, sondern auch noch über ihren Rand hinaus bis zum Substrat eine Schutzfunktion erfüllt. Bei der UV-Härtung des Lacks muß neben der Oberfläche also auch der Randbereich des Informationsträgers ausreichend gehärtet werden, da ansonsten der Rand der Scheibe klebrig bleibt. Dadurch gibt es Probleme beim Aufeinanderstapeln der Scheiben durch Verkleben oder es kann zu Beschädigungen in den Abspielgeräten kommen. Außerdem können die niedermolekularen Bestandteile des ungehärteten Lacks ausdiffundieren und Gesundheitsschäden verursachen. Um die Randbereiche härten zu können ist eine deutlich höhere Strahlungsintensität als auf der Oberfläche der Scheibe erforderlich.

Es ist bekannt, die Lichtquelle direkt über dem Bestrahlungsgut anzuordnen und hinter der Lichtquelle zwei zylinderförmige Reflektoren anzuordnen. DE 43 01 718 A1 zeigt ein Beispiel für diese Anordnung. Hierbei wird die Oberfläche des Bestrahlungsguts direkt von oben durch eine Lichtquelle angestrahlt, hinter der zwei zylinderförmige Aluminiumreflektoren angeordnet sind. Nachteilig ist, daß bei diesen Anordnungen immer zusammen mit dem UV-Licht ein hoher Anteil an Wärmestrahlung auf das Objekt abgegeben wird. Außerdem werden die Randbereiche des Objekts nicht ausreichend angestrahlt. Es wird keine höhere UV-Lichtintensität in die Randbereiche gestrahlt.

In DE 38 01 283 C1 wird eine Anordnung gezeigt, in der die Randschicht des Objekts direkt belichtet wird, um dort eine bessere Aushärtung zu erzielen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß mindestens zwei Lichtquellen benötigt werden. Außerdem ist die Umlenkung der Strahlung von der seitlich vom Objekt liegenden Lichtquelle auf die Oberfläche mit starken Verlusten von UV-Licht verbunden. Der Kostenaufwand für diese Anordnung ist hoch. Außerdem wird ein erheblich größerer Bauraum für diese Anordnung benötigt.

In DE 90 14 652 U1 wird eine Anordnung gezeigt, die die Wärmebelastung des Objekts durch einen Wärmefilter im Strahlengang senkt. Nachteilig ist dabei, daß der Wärmefilter nur eine Reduktion der IR-Strahlung um ca. 1/3 bewirkt. Bei wärmeempfindlichen Oberflächen führt diese Anordnung zu Wärmeproblemen. Durch die elliptische Auslegung des Reflektors hinter der Lichtquellen soll die Strahlung optimal auf das Bestrahlungsgut verteilt werden. Allerdings ist die Anordnung der Spiegelelemente aufwendig und von den Kosten her recht hoch. Die Randschichthärtung ist bei dieser Anordnung nicht ausreichend.

Bekannt sind desweiteren UV-Strahler, deren Lichtquelle seitlich über dem Objekt angeordnet ist (z. B. UVAPRINT cm Cold Mirror, Fa. Dr. Hönle). Durch einen plattenförmigen Kaltlichtspiegel, der im 45° Winkel über dem Objekt steht soll eine indirekte Bestrahlung realisiert werden. Nachteilig ist, daß nur eine geringe UV- Intesität erreicht wird. Die Wärmestrahlung wird auch nur unzureichend vom Objekt ferngehalten.

Aus der US 4,048,490 ist ein Vorrichtung zum Härten einer UV- Lackschicht auf einem flachen Objekt bekannt, mit einer Lichtquelle, deren Licht der Lackschicht über ein Reflektorsystem zum Zwecke der Aushärtung zuführbar ist, wobei die Lichtquelle über dem flachen Objekt angeordnet ist und eine Barriere den direkten Strahlengang auf das Objekt ausblendet. Das Reflektorsystem der Vorrichtung ist unterhalb des einen zylindrischen Reflektor aufweisenden Lampengehäuses zu beiden Seiten der Barriere angeordnet. Es besteht aus gekühlten Absorbern, auf denen Kaltlichtspiegel angeordnet sind, die vorwiegend kurzwelliges Licht reflektieren und für Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässig sind.

Zur Vermeidung der Infrarotstrahlung auf dem Objekt ist die Barriere derart angeordnet, daß sie den direkten Austritt ungefilterten Lichts auf das Bestrahlungsgut verhindert und diese Lichtstrahlen auf die Kaltlichtspiegel des Reflektorsystems umleitet. Die so gefilterten UV-Strahlen werden dann von den Kaltlichtspiegeln auf das Bestrahlungsgut geleitet.

Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß die Barriere relativ weit von der Lichtquelle anzuordnen ist, um unerwünschte Rückstrahlungen von der Barriere in den Reflektor des Lampengehäuses und Mehrfachreflektionen im Reflektionssystem zu vermeiden. Die hieraus resultierenden langen Strahlungswege reduzieren jedoch die Intensität der für das Härten besonders wichtigen UV-Strahlung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine UV-Bestrahlungsvorrichtung zu schaffen, die eine wirksamere Trennung der UV- von der IR-Strahlung bei hoher Intensität der UV-Strahlung ermöglicht, um die Wärmebelastung des Bestrahlungsgutes zu vermeiden. Gleichzeitig soll eine kontrollierbare Ausleuchtung der Bestrahlungsfläche erreicht werden. Es soll möglich sein, die Randbereiche mit einer höheren Lichtintensität als die Oberfläche zu bestrahlen. Gleichzeitig soll aber auch eine gleichmäßige Ausleuchtung der Oberfläche erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Einsatz von Kaltlichtspiegeln bewirkt eine effektive Trennung von UV- und IR-Strahlung und man bringt durch die mit Kaltlichtspiegeln bestückte Barriere nur das zur Härtung erforderliche Licht auf das Bestrahlungsgut auf. Hierzu wird ferner die Barriere mit einem wärmeabsorbierenden Körper ausgestattet, der gemäß Anspruch 3 gekühlt ausgebildet sein kann, so daß er selbst keine Wärmestrahlung abgibt, wobei eine luft- oder wassergekühlte Barrierre gemäß Anspruch 4 oder 5 sich als sehr vorteilhaft erwiesen hat. Man geht nach Anspruch 2 vor, um den direkten Strahlengang auf das Bestrahlungsgut zu vermeiden, da dieser einen besonders großen Anteil an der, auf das Objekt gestrahlten, Wärmemenge hat.

Bei gegen Feuchtigkeit empfindlichen Anlagen empfiehlt sich eine Kühlung nach Anspruch 4, da man somit keine Leckagen im Kühlsystem befürchten muß. Wenn man dagegen sehr wärmeempfindliche Produkte härten will, sollte man nach Anspruch 5 vorgehen, da nur so eine optimale Kühlung der Barriere erreicht wird und die Eigenstrahlung der Barriere verhindert wird.

Bei Anlagen, auf denen Produkte von unterschiedlichen Abmessungen gehärtet werden sollen, geht man bevorzugt nach Anspruch 6 vor, wodurch man eine leichte Einstellbarkeit des Strahlungsmaximums erreicht.

Zur Erzielung einer optimalen Ausleuchtung der Fläche mit Intensitätsmaxima an festgelegten Stellen, oder einer gleichmäßigen Ausleuchtung, geht man bei der Auslegung des hinter der Lichtquellen gelegenen Reflektors nach Anspruch 8, 9 oder 10 vor. Um eine Focussierung der Strahlung in den Randbereichen des Produktes zu erzielen, geht man bevorzugt nach Anspruch 8 vor. Um dagegen eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche zu erzielen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nach Anspruch 7 zusammen mit Anspruch 6 vorzugehen. Beim Vorgehen nach Anspruch 11 erreicht man, daß die Strahlungsverteilung auf dem Objekt symmetrisch zur im Anspruch 11 genannten Ebene ist. Dieses bietet Vorteile, wenn man nicht mit einem rotierenden Objekt, arbeitet. Wenn man aber das Objekt in Richtung der Lichtquelle verschiebt und/oder dreht kann man die Vorrichtung gemäß Anspruch 12 ausbilden. Dadurch kann eine Seite der Vorrichtung zur Randschichtaushärtung genau auf den Randbereich focussiert werden, wogegen die andere Seite der Vorrichtung nur zur gleichmäßigen Ausleuchtung der Fläche ausgebildet ist.

Es zeigt sich, daß in UV-Bestrahlungsvorrichtungen, die erfindungsgemäß ausgebildet sind, UV-Strahler mit einer bis zu 7 × höheren Leistung eingesetzt werden können als in Anordnungen wie bspw. in DE 43 01 718 A1 beschrieben, ohne eine höhere Wärmemenge auf das Objekt zu strahlen. Der Anwender kann also die Strahlerleistung in einem weiten Rahmen varriieren, ohne dabei das Bestrahlungsgut einer zu hohen Wärmestrahlung auszusetzen. Um besonders in der CD-Herstellung die Randbereiche des Objekts ausreichend zu härten, ist eine auf die Bestrahlungsfläche und die geforderte Intensität abgestimmte Neigung der Spiegel auf der Barriere gemäß Anspruch 6 einstellbar. Wenn die Anforderungen bekannt sind, kann durch die geeignete Auswahl der Reflektoren hinter der Lichtquelle eine optimale Auslegung des Strahlengangs erfolgen.

Falls eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche gefordert wird, kann diese ebenfalls durch einen geeigneten Neigungswinkel der Barrierespiegel in Verbindung mit den passenden Reflektoren eingestellt werden. Dadurch ist diese UV- Bestrahlungsvorrichtung für den Einsatz in allen Bereichen der UV-Lack- und Druckfarbenhärtung einsetzbar.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung in schematischer Darstellung (Schnitt A-A),

Fig. 2 eine Vorderansicht eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 4 eine Einzelheit aus Fig. 1-3,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung in schematischer Darstellung.

In Fig. 1-3 ist mit 1 ein ebenes scheibenförmiges Objekt bezeichnet, dessen oberste Schicht die zu härtende Schutzlackschicht ist. Dieses Objekt entspricht beispielsweise einer Compact Disc (CD). Das Objekt 1 wird über ein Transportsystem 8 unter den UV-Strahler transportiert. Dort kann das Objekt zum Rotieren gebracht werden. Direkt über dem Objekt 1 befindet sich eine Barriere (Fig. 4). Diese hat genau die Breite, die notwendig ist um den direkten Strahlungang von der Lichtquelle 7 auf das Objekt 1 auszublenden. Über der Barriere ist die Lichtquelle 7 angeordnet. Hinter der Lichtquelle 7 sind zwei zylinderförmige Reflektoren 2, 3 mit einem kreisförmigen Querschnitt angebracht. Die Barriere besteht wie in Fig. 4 gezeigt aus einem wärmeabsorbierenden Körper 4 und zwei Kaltlichtspiegeln 5, 6. Dieser Grundkörper kann wie in Fig. 1. gezeigt symmetrisch oder wie in Fig. 2 gezeigt asymmetrisch zur Lampenachse aufgebaut sein. Der wärmeabsorbierende Körper 4 ist wie in Fig. 4 gezeigt mit Kühlrippen versehen, die in der Zeichnung mit 15 bezeichnet sind. Zwischen dem Grundkörper 4 und den Spiegeln 5, 6 wird eine Luftströmung angelegt. Um eine effektivere Kühlung des Körpers auch bei sehr hohen Strahlerleistungen zu gewährleisten sind Kühlbohrungen in dem Körper angebracht. Diese sind in der Zeichnung mit 14 bezeichnet. Durch diese Kühlbohrungen wird eine Kühlflüssigkeit geleitet, die die aus der Strahlung absorbierte Wärme aufnimmt und somit verhindert, daß die Barriere selbst Wärme auf das Objekt 1 abstrahlt. Die Kaltlichtspiegel 5, 6 an der Barriere sind in ihrem Neigungswinkel verstellbar. Dadurch kann die Strahlung gezielt in bestimmte Bereiche umgelenkt werden. In der in Fig. 1. gezeigten Anordnung focussieren die Reflektoren 2, 3 die von der Barriere umgelenkte Strahlung auf den Randbereich des Objekts. Die Kaltlichtspiegel 5, 6 bewirken eine Trennung von UV- und IR-Strahlung, da sie den größten Teil der IR-Strahlung durchlassen und im wesentlichen nur UV-Licht reflektieren. Aus diesem Grund sind in dieser Anordnung auch die Reflektoren 2, 3 zumindest teilweise Kaltlichtspiegel. Hinter den Reflektoren 2, 3 werden Absorber 9, 10 angebracht, die die von den Kaltlichtspiegeln durchgelassene IR-Strahlung absorbieren und an den Kühlluftstrom abgeben. Dieser wird durch die Öffnung 11 nach oben abgesaugt. Um die UV-Bestrahlungsvorrichtung vor Verschmutzungen und Beschädigungen zu schützen kann zwischen das Objekt 1 und der Barriere eine Quarzglasscheibe 16 angebracht werden.

In Fig. 2 wird eine asymmetrische Anordnung, bezogen auf die Lampenachse gezeigt. Die rechte Seite dieser Anordnung ist identisch mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Allerdings ist hier der Neigungswinkel des Spiegels 5b verändert. Dadurch erreicht man eine Focussierung der Strahlung im Randbereich des Objekts 1. Auf der linken Seite ist der hinter dem Strahler angeordnete Reflektor 3 durch eine schräge Spiegelplatte 12 und ein kleineres zylinderförmiges Reflektorstück 3 ersetzt. Durch die Spiegelplatte 12 wird die von der Barriere umgelenkte Strahlung nicht mehr in einem Punkt gebündelt, sondern wird gleichmäßig über das Objekt 1 verteilt. Der Reflektor 3 ist so eingestellt, daß möglichst wenig Strahlung auf die Barriere auftrifft. Dadurch wird eine optimale Härtung der Oberfläche erreicht. In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird also die rechte Hälfte zur Härtung des Randbereiches genutzt, während die linke Hälfte zur Oberflächenhärtung benutzt wird. Diese Anordnung ist nur sinnvoll mit der Rotiereinrichtung 8, die das Objekt während der Bestrahlungszeit unter der Anordnung dreht.

In Fig. 3 wird eine symmetrische Anordnung, bezogen auf die Lampenachse gezeigt. Die Elemente in dieser Anordnung entsprechen den in Fig. 2 (linke Seite) gezeigten Elementen. Diese Anordnung erreicht eine gleichmäßige Verteilung des Lichts auf der Objektoberfläche. Es werden keine Bereiche speziell verstärkt ausgeleuchtet. Bei dieser Anordnung ist der Neigungswinkel der Spiegelelemente 5c, 6c auf die Geometrie der Reflektoren 12, 13 eingestellt. Der Einsatz der Rotiervorrichtung 8 ist sinnvoll.

Die Reflektoren 2 und 3 die in Fig. 1-3 gezeigt werden, sind Zylinderstücke, die sowohl mit kreisförmigem, parabelförmigem oder elliptischem Querschnitt in der Anordnung eingesetzt werden können. Ebenso ist es möglich, die Reflektoren 2, 3 und 12, 13 nicht aus einem Stück, sondern aus mehreren einzelnen Elementen aufzubauen. In Fig. 5, wird eine Seitenansicht gezeigt, die der in Fig. 1 (Schnitt A- A) gezeigten Anordnung entspricht.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Härten einer UV-Lackschicht auf einem flachen Objekt, insbesondere auf einem optischen Informationsträger, mit mindestens einer Lichtquelle, deren Licht der Lackschicht über ein Reflektorsystem zum Zwecke der Aushärtung zuführbar ist, wobei jede Lichtquelle über dem flachen Objekt angeordnet ist und mindestens eine Barriere den direkten Strahlengang auf das Bestrahlungsgut zumindest teilweise ausblendet, wobei die mit Kaltlichtspiegeln bestückte Barriere das Licht von der über dem Bestrahlungsgut angeordneten Lichtquelle auf das Reflektorsystem hinter der Lichtquelle umlenkt und in der Barriere ein wärmeabsorbierender Körper angeordnet ist, der die auftretende Wärmestrahlung absorbiert und das Reflektorsystem der Vorrichtung zumindestens teilweise Kaltlichtspiegel aufweist, welche vorwiegend kurzwelliges Licht reflektieren und für Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässig sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere so breit ist, daß der direkte Wärmestrahlengang auf das Objekt (1) ausgeblendet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere gekühlt ausgebildet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabsorbierende Körper in der Barriere mit Kühlrippen ausgestattet ist, die die Wärme an einen Kühlluftstrom abgeben.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabsorbierende Körper in der Barriere mit Bohrungen versehen ist, durch die eine Kühlflüssigkeit geleitet wird.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltlichtspiegel an der Barriere in ihrem Neigungswinkel verstellbar sind, um eine Focussierung der Strahlung zu erreichen.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg ein ebener Spiegel (12), (13) angeordnet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg ein zylindrischer Spiegel (2), (3) mit kreisförmigen Querschnitt angeordnet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg ein zylindrischer Spiegel mit parabolischem Querschnitt angeordnet ist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang von der Barriere weg ein zylindrischer Spiegel mit elliptischem Querschnitt angeordnet ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere und die Spiegelanordnung hinter der Lichtquelle spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene sind, die die Längsachse der Lichtquelle enthält und senkrecht auf der Oberfläche des Bestrahlungsgutes steht.
  12. 12. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere und die Spiegelanordnung hinter der Lichtquelle asymmetrisch zu einer Ebene angeordnet sind, die die Längsachse der Lichtquelle enthält und senkrecht auf der Oberfläche des Bestrahlungsgutes steht.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionseigenschaften der Spiegelelemente an den jeweiligen Einfallswinkel des Lichts angepaßt sind.






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