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Dokumentenidentifikation DE10125467C2 10.04.2003
Titel Bestrahlungsvorrichtung mit einer Anordnung von optischen Wellenleitern
Anmelder arccure technologies GmbH, 59557 Lippstadt, DE
Erfinder Bisges, Michael, 59557 Lippstadt, DE
Vertreter Kohlmann, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52078 Aachen
DE-Anmeldedatum 25.05.2001
DE-Aktenzeichen 10125467
Offenlegungstag 05.12.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.04.2003
IPC-Hauptklasse G21K 5/04
IPC-Nebenklasse B29C 35/08   A61C 13/15   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit insbesondere ultravioletter und/oder infraroter und/oder sichtbarer elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einer in einem Gehäuse angeordneten langgestreckten Strahlungsquelle für die elektromagnetische Strahlung und einer Austrittsöffnung für die elektromagnetische Strahlung.

Lichtwellenleiter kommen in der UV-Aushärtung von Objekten, beispielsweise in der Zahnmedizin zur Aushärtung von Füllmaterialien mittels UV-Licht zum Einsatz. Dabei wird das UV- Licht von einer Punktlichtquelle in einen flexiblen Lichtwellenleiter (LWL) eingespeist. Die Lichthärtung mittels Lichtwellenleitern wird darüber hinaus bei Klebeprozessen, beispielsweise in der Elektronik oder Medizintechnik, zur punktuellen UV-Aushärtung eingesetzt, wenn eine Entkopplung der Bestrahlungsvorrichtung von dem Ort der Bestrahlung erforderlich ist. Dies ist beispielsweise in explosionsgeschützten Umgebungen und in bewegten Prozessen erforderlich.

Bekannte Punktlichtquellen werden zur Aushärtung bei kleinflächigen Anwendungen eingesetzt. Typische Bestrahlungsflächen haben einen Durchmesser von maximal 1 bis 2 cm. Größere Flächen können mit dieser Technik nicht effizient bestrahlt werden. Um das Licht einer Strahlungsquelle gleichzeitig in mehrere LWL einzukoppeln, ist es bekannt, den LWL hinter der Einkopplung zu teilen. Ein als Glasfaserkabel ausgestalteter LWL wird durch Trennung der einzelnen Glasfasern voneinander geteilt. Nachteilig bei dieser Aufteilung ist jedoch, dass auch die Strahlungsenergie der Strahlungsquelle auf die einzelnen LWL aufgeteilt wird.

Für großflächige Härtungsprozesse kommen derzeit Bestrahlungsvorrichtungen mit mindestens einer in einem Gehäuse angeordneten langgestreckten, insbesondere rohrförmigen Strahlungsquelle und einer auf das zu bestrahlende Objekt ausgerichteten Austrittsöffnung für die elektromagnetische Strahlung zum Einsatz. Derartige Bestrahlungsvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 196 51 977 C2 und der DE 198 10 455 A1 bekannt. Sie lassen sich jedoch nicht in explosionsgeschützten Räumen einsetzen. Schließlich ist deren Verwendung in nicht stationären Aushärtungs-Prozessen problematisch. Im Automobilbau werden vermehrt Lackier- und Aushärteprozesse mit Robotern durchgeführt, z. B. Stoßfängerlackierungen. Die dabei auftretenden hohen Beschleunigungskräfte sind für die zwischen 10 und 100 kg schweren Bestrahlungsvorrichtungen technisch nicht akzeptabel. Auch in der Drucktechnik besteht der Wunsch, insbesondere für einen Bidirektionaldruck, eine großflächige UV-Aushärtung im Bereich des bewegten Druckschlittens zu ermöglichen.

Aus der DE 43 01 716 A1 ist darüber hinaus ein Projektionsbelichtungsgerät zur Produktion von Halbleiterchips bekannt, bei dem ein von einer Quecksilberlampe ausgesandter Lichtstrahl über Reflektoren und einen chromatischen Spiegel zu einer Linse läuft, um in eine Eingangsebene einer Endoberfläche eines optischen Faserbündels einzutreten. Im Abstand von dieser Eingangsebene wird das Faserbündel in eine Vielzahl kleiner Bündel optischer Fasern aufgezweigt. Aus der Endebene der kleinen optischen Faserbündel tritt das belichtende Licht aus und wird über eine Ausgangs- und anschließend eine Kondensorlinse auf das Zielobjekt, d. h. ein Gitter gesendet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe darin, eine Bestrahlungsvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die eine Bestrahlung von Objekten mit einer konstanten Bestrahlungsintensität auch in explosionsgeschützten Bereichen und nicht stationären Bestrahlungsprozessen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Bestrahlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Abhängig von der Geometrie und Größe des Gehäuses der Bestrahlungsvorrichtung können sich die Einkopplungen innerhalb des Gehäuses oder unterhalb von dessen Austrittsöffnung im Abstrahlbereich der Strahlungsquelle befinden. Die Einkopplungen in Längsrichtung der Strahlungsquelle können unmittelbar nebeneinander angeordnet sein, so dass sich benachbarte Einkopplungen berühren, jedoch auch voneinander in Längsrichtung der Strahlungsquelle beabstandet sein.

Über die mit jeder Einkopplung verbundenen flexiblen optischen Wellenleiter wird die Strahlungsenergie der langgestreckten, vorzugsweise stabförmigen Strahlungsquelle von deren stationärem Gehäuse beispielsweise in explosionsgeschützte Räume und/oder an bewegte Bestrahlungsprozesse geführt, wobei in jede Einkopplung aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Anordnung zu der langgestreckten Strahlungsquelle eine ausreichende Strahlungsmenge einfällt. Durch die Erfindung ist es möglich, großflächige Bestrahlungsprozesse in einem Abstand von bis zu 20 m von der Strahlungsquelle durchzuführen.

Als optische Wellenleiter kommen insbesondere ummantelte Quarzglasfaserbündel sowie flüssigkeitsgefüllte Lichtleiter mit einem Einzeldurchmesser von einigen Millimetern in Betracht. Durch die Aufteilung in einzelne Wellenleiter bleibt die Flexibilität der gesamten Anordnung aus vielen Lichtwellenleitern erhalten. In dem die Ausgänge sämtlicher Wellenleiter aneinandergereiht werden, lassen sich beispielsweise zeilenförmige Bestrahlungsflächen realisieren. Die Bestrahlungsfläche kann jedoch, aufgrund der lediglich durch die Länge und Flexibilität der Wellenleiter beschränkten Anordnungsmöglichkeiten der Ausgänge, nahezu jede beliebige Form aufweisen.

Ein in dem Gehäuse angeordnetes optische System vereinigt die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise in auf einer Linie liegende Brennpunkte, auf der sich mehrere Einkopplungen befinden. Dies bewirkt eine besonders hohe Strahlungsintensität an den Einkopplungen sowie den Ausgängen der einzelnen Wellenleiter. Durch ein optisches System wie es beispielsweise in der DE 198 10 455 A1 beschrieben ist, lassen sich auf zwei Linien Brennpunkte erzeugen, auf denen sich dann jeweils mehrere Einkopplungen befinden. Dadurch lässt sich die Strahlungsenergie der Strahlungsquelle noch effizienter nutzen. Die Offenbarung der DE 198 10 455 A1 wird insoweit ausdrücklich in die Offenbarung dieser Erfindung einbezogen.

Sämtliche bekannten, röhrenförmigen UV-Strahlungsquellen weisen eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über die Längsachse auf. Die Intensität fällt zu den Enden der Lampen hin deutlich ab. Diesen Effekt beschreibt die sog. Glockenkurve. Um trotzdem an sämtlichen Einkopplungen und damit auch den Ausgängen der Wellenleiter eine konstante Intensität zu erhalten, sind erfindungsgemäß zumindest einzelne Einkopplungen von der Linie der Brennpunkte weg bewegbar. Durch die in Richtung des Strahlungsverlaufs größere Entfernung dieser Einkopplungen von den Brennpunkten nimmt die eingekoppelte Strahlungsenergie ab.

Zur Vereinfachung der Steuerung, können die beweglich angeordneten Einkopplungen zu Gruppen zusammengefasst sein, die von der Linie der Brennpunkte gruppenweise weg bewegbar sind.

Eine alternative oder auch zusätzliche Maßnahme zur Vergleichmäßigung der Strahlungsintensität an den Ausgängen der Wellenleiter besteht darin, dass eine Vorrichtung zum Zurückhalten eines Teils der elektromagnetischen Strahlung, wie insbesondere eine Blende, an der Einkopplung und/oder dem Ausgang jedes optischen Wellenleiters angeordnet ist. Auch die Blenden können zu Gruppen zusammengefasst sein.

Benötigt ein Aushärteprozess eine extrem hohe Lichtintensität, ist es zweckmäßig, wenn die Ausgänge der optischen Wellenleiter in einem gemeinsamen optischen Wellenleiter zusammenlaufen.

Um eine zeilenförmige oder eine andere gewünschte Form aufweisende Bestrahlungsfläche zu erhalten, sind die Ausgänge der optischen Wellenleiter zweckmäßigerweise in einer Halterung zusammengefasst, die die Ausgänge in der gewünschten Form fixieren.

Um eine lange Haltbarkeit der Wellenleiter zu gewährleisten, insbesondere eine Überhitzung von Flüssigkeitslichtwellenleitern oder den oftmals empfindlichen Ummantelungen der Wellenleiter zu vermeiden, umgibt die Einkopplungen eine Kühlmittelkanäle aufweisende Halterung.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausgänge der optischen Wellenleiter mit einem gegenüber dem zu bestrahlenden Objekt beweglich angeordneten Bauteil verbunden, wobei die Ausgänge auf das zu bestrahlende Objekt ausgerichtet sind. Ein Beispiel für ein solches bewegliches Bauteil ist ein bidirektionaler Druckschlitten, der in einem Druckprozess zeilenweise mehrere Druckfarben aufbringt. Da in den meisten Fällen ein sogenannter Nass in Nass Druck nicht möglich ist, muss jede Druckfarbe sofort nach dem Auftragen ausgehärtet werden. Bei einem Mehrfarb-Druck sind daher auf jeder Seite des Druckschlittens die Ausgänge der Wellenleiter linienförmig angeordnet. Bei jeder Bewegungsrichtung des Druckschlittens wird somit stets die gerade aufgetragene Farbe ausgehärtet. Um die notwendige Flexibilität für die Bewegung des Schlittens sicher zu stellen, empfiehlt es sich, flüssigkeitsgefüllte Wellenleiter zu verwenden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, b den Aufbau einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung in einer Vorderansicht und einer Seitenansicht,

Fig. 2a, b eine schematische Darstellung der Energie-Intensitätsverteilung längs einer röhrenförmigen Strahlungsquelle sowie an den Ausgängen von auf einer geraden Linie angeordneten Wellenleitern,

Fig. 3a, b eine teilweise Darstellungen von optischen Systemen einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung,

Fig. 4a, b Blenden an Einkopplungen sowie Ausgängen von Wellenleitern,

Fig. 5 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung mit einer Bündelung der Strahlung in einem gemeinsamen Wellenleiter,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung mit separaten Wellenleitern,

Fig. 7 eine gekühlte Halterung für eine Einkopplung eines Wellenleiters,

Fig. 8 eine erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung innerhalb eines nicht stationären Bestrahlungsprozesses.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße UV-Bestrahlungsvorrichtung mit in Längsrichtung einer röhrenförmigen Strahlungsquelle 1 nebeneinander angeordneten flexiblen Lichtwellenleitern 6. Die Strahlungsquelle 1 ist zwischen einem Reflektor 12 und einer Lichtaustrittsöffnung 11 in einem Gehäuse 2 angeordnet. Der Reflektor 12 vereinigt das von der Strahlungsquelle 1 abgestrahlte UV-Licht in auf einer geraden Linie 42 liegende Brennpunkte (Fokuslinie). In Längsrichtung der Strahlungsquelle 1 sind nebeneinander mehrere Einkopplungen 5 angeordnet, über die das UV-Licht in die Lichtwellenleiter 6 eintritt. Die beiden äußeren Einkopplungen 5 befinden sich auf der Fokuslinie, während der Abstand der dazwischen befindlichen Einkopplungen 5 zur Fokuslinie 42 zur Mitte der Strahlungsquelle hin zunimmt. Diese Zunahme des Abstandes trägt der sog. Glockenkurve 18 (Fig. 2) Rechnung, die die Lichtintensitätsabnahme zu den Enden der UV-Strahlungsquelle beschreibt. Nach dem Durchlaufen tritt das UV-Licht an den Ausgängen 24 der flexiblen Lichtwellenleiter 6 aus, die in Fig. 1 in einer langgestreckten, geradlinigen Halterung 7 zusammengefasst sind. Die Halterung ermöglicht in Verbindung mit der der Glockenkurve 18 folgenden Anordnung der Einkopplungen eine linienförmige Bestrahlungsfläche mit gleichmäßiger Intensität über die gesamte Bestrahlungsfläche. Die einzelnen Lichtwellenleiter 6 können aus vielen Einzelfasern aufgebaut sein, die in der Halterung 7 gleichmäßig nebeneinander angeordnet sind. Alternativ können die Lichtwellenleiter 6 flüssigkeitsgefüllte Wellenleiter sein. Auch hierbei werden die Einkopplungen 5 aneinandergereiht.

Fig. 2a zeigt die Glockenkurve längs der röhrenförmigen Strahlungsquelle 1. Durch die unterschiedliche Energiedichte im Lampenplasma nimmt die Lichtintensität zu den Enden der Strahlungsquelle 1 hin ab. In der Mitte ist die Lichtintensität am höchsten. Die Differenz zwischen dem Ende und der Mitte kann je nach Lampenart bis zu 50% betragen.

Fig. 2b zeigt über eine Höhenverstellung 10 in ihrem Abstand zur Fokuslinie 42 verstellbare Einkopplungen 5. Durch einen größeren Abstand zur Fokuslinie 42 nimmt die Lichtintensität in der jeweiligen Einkopplung 5 ab. Die Höhenverstellung ermöglicht die Einstellung einer gleichmäßigen Intensität an den Ausgängen 24 der Lichtwellenleiter gemäß der Linie 19. Sollen Strahlungsquellen 1 mit unterschiedlichem Glockenkurvenverlauf in derselben Bestrahlungsvorrichtung zum Einsatz kommen, erlaubt die Höhenverstellung 10 eine rasche Anpassung. Darüber hinaus erlaubt die Höhenverstellung die Einstellung verschiedener Intensitätsprofile längs der Ausgänge 24 der Lichtwellenleiter 6.

Fig. 3 zeigt optionale Komponenten des optischen Systems der Bestrahlungsvorrichtung, die den Reflektor 12 ergänzen. Die Lichtstrahlen 20 von der Strahlungsquelle 1 werden über eine Anordnung von Linsen 21 oder über eine einzige Sammellinse 22 auf die Eintrittsöffnung 23 jeder Einkopplung 5 fokussiert. Dies führt zu einer Fokuslinie 42, deren Brennpunkte genau mit den Einkopplungen 5 fluchten.

Um die einfallende Lichtmenge zu verändern, können die Einkopplungen 5 eine quer zu deren Eintrittsöffnung 23 verschiebliche Blende 25 aufweisen (Fig. 4a)), mittels der sich jede Eintrittsöffnung teilweise abdecken lässt. Die Blende 25 kann zusätzlich oder alternativ zu der Höhenverstellung 10 vorgesehen sein. Fig. 4b) zeigt eine übereinstimmende Blende 35, mit der sich jeder Ausgang 24 ganz oder teilweise abdecken lässt. Auch diese Blende 25 kann zusätzlich oder alternativ zu der Höhenverstellung 10 und der Blende 25 vorgesehen sein.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße UV-Bestrahlungsvorrichtung mit in Längsrichtung einer röhrenförmigen Strahlungsquelle 1 nebeneinander angeordneten flexiblen Lichtwellenleitern 6, deren Einkopplungen gemäß der Glockenkurve längs der Strahlungsquelle 1 angeordnet sind. Abweichend zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird das von der Strahlungsquelle 1 durch die Austrittsöffnung 11 abgestrahlte Licht nicht linienförmig von einer Vielzahl von Ausgängen 26 abgestrahlt, sondern in einem gemeinsamen optischen Wellenleiter zusammengefasst, den es über einen Ausgang 26 verlässt. Hierzu werden die einzelnen Fasern der Lichtwellenleiter 6 in einem einzigen Lichtwellenleiter mit kleinem Querschnitt zusammengeführt. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Lichtintensität 27 am Ausgang 26.

Um mit vielen einzelnen, flexiblen Punktlichtquellen aushärten zu können, sind die Ausgänge 29 in der ansonsten übereinstimmend wie in Fig. 1 und 5 aufgebauten Bestrahlungsvorrichtung nach Fig. 6 weder in einer Halterung noch einem gemeinsamen Wellenleiter zusammengefasst.

Fig. 7 zeigt eine jede Einkopplung 5 umgebende Halterung 30 mit Kühlmittelkanälen 37, die ein Kühlmedium über den Vor- und Rücklauf 38, 39 durchströmt. Das Kühlmedium transportiert die von der Aufnahme absorbierte Wärmeenergie ab. Die verbesserte Kühlung hilft, Zerstörungen der Einkopplungen 5 durch Überhitzung zu vermeiden. Die wassergekühlten Halterungen 5 werden ebenfalls direkt nebeneinander längs der Strahlungsquelle und ggf. höhenverstellbar angeordnet.

Fig. 8 zeigt eine besonders bevorzugte Verbindung von zwei erfindungsgemäßen UV-Bestrahlungsvorrichtungen 28 mit einem gegenüber einem zu bestrahlenden Objekt 35 beweglich angeordneten Druckschlitten 33 eines Druckers. Die Ausgänge 24 der flexiblen Lichtwellenleiter sind zu beiden Seiten des Druckschlittens 33 in länglichen Halterungen 31, 32 zusammengefasst. Über die Lichtwellenleiter wird die notwendige Lichtenergie zum Druckschlitten 33 übertragen. Die UV- Bestrahlungsvorrichtungen 28 stehen stationär neben dem Drucker. Die auf dem Druckschlitten 33 angeordneten Druckköpfe 34 drucken während der Horizontalbewegung des Schlittens entweder in beiden, in der Figur jeweils durch einen Pfeil symbolisierten Verfahrrichtung (Bidirektional) oder nur in einer Verfahrrichtung (Unidirektional). Die direkt am Druckschlitten 33 angeordneten Ausgänge der Lichtwellenleiter trocknen die Druckfarbe unmittelbar nach deren Auftrag. Ein Verlaufen der Farbe wie bei einem Nass in Nass Druck tritt nicht auf. Außerdem wird die Verfahrgeschwindigkeit und Verfahrgenauigkeit des Druckschlittens 33 nicht durch die Massenträgheit einer kompletten Aushärteeinheit beeinträchtig. Bezugszeichenliste 1 Strahlungsquelle

2 Gehäuse

3 -

4 -

5 Einkopplungen

6 Lichtwellenleiter

7 Halterung

8 -

9 -

10 Höhenverstellung

11 Austrittsöffnung

12 Reflektor

13 -

14 -

15 -

16 -

17 -

18 Glockenkurve

19 Linie

20 Lichtstrahlen

21 Linsen

22 Sammellinse

23 Eintrittsöffnung

24 Ausgang

25 Blende

26 Gem. Ausgang

27 Lichtintensität

28 UV-Bestrahlungsvorrichtung

29 Ausgänge

30 Halterung

31 Halterung

32 Halterung

33 Druckschlitten

34 Druckköpfe

35 Blende

36 -

37 Kühlmittelkanäle

38 Vorlauf

39 Rücklauf

40 -

41 -

42 Fokuslinie


Anspruch[de]
  1. 1. Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit insbesondere ultravioletter und/oder infraroter und/oder sichtbarer elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einer in einem Gehäuse angeordneten langgestreckten Strahlungsquelle für die elektromagnetische Strahlung und einer Austrittsöffnung für die elektromagnetische Strahlung, dadurch gekennzeichnet,

    dass in Längsrichtung jeder Strahlungsquelle (1) mehrere Einkopplungen (5) nebeneinander angeordnet sind, wobei über die Einkopplungen (5) die elektromagnetische Strahlung (20) in flexible, optische Wellenleiter (6) eintritt,

    dass in dem Gehäuse (2) wenigstens ein optisches System (12) angeordnet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (20) zumindest teilweise in auf einer Linie (42) oder auf mehreren Linien (42) liegende Brennpunkte vereinigt, wobei sich auf jeder Linie (42) mehrere Einkopplungen (5) befinden, in die die elektromagnetische Strahlung (20) eintritt und

    dass zumindest einzelne Einkopplungen (5) von jeder Linie (42) der Brennpunkte weg bewegbar sind.
  2. 2. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu Gruppen zusammengefasste Einkopplungen (5) von mindestens einer der Linien (42) der Brennpunkte gruppenweise weg bewegbar sind.
  3. 3. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (24) der optischen Wellenleiter (6) in einem gemeinsamen optischen Wellenleiter zusammenlaufen, um das Licht zu bündeln.
  4. 4. Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (24) der optischen Wellenleiter (6) in einer Halterung (7) zusammengefasst sind.
  5. 5. Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplungen (5) eine Kühlmittelkanäle (37) aufweisende Halterung (30) umgibt.
  6. 6. Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (24) der optischen Wellenleiter (6) mit einem gegenüber dem zu bestrahlenden Objekt (35) beweglich angeordneten Bauteil (33) verbunden sind, wobei die Ausgänge (24) auf das Objekt (35) ausgerichtet sind.
  7. 7. Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (25, 35) zum Zurückhalten zumindest eines Teils der elektromagnetischen Strahlung (20) an der Einkopplung (5) und/oder dem Ausgang (24) jedes optischen Wellenleiters (6) angeordnet ist.






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