РАЗДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА И СВЕТА ДЛЯ ИСТОЧНИКА УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ
HEAT AND LIGHT SEPARATION FOR THE UV RADIATION SOURCE

Настоящее изобретение относится к устройству для облучения согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Лаки УФ-отверждения используются во множестве различных областей. Главным образом, отверждение должно пониматься, как сшивание полимерных цепочек. В лаках с УФ-отверждением это сшивание вызывается УФ-излучением.
В общем случае эти лаки при нанесении на изделие содержат растворители, которые подлежат удалению перед отверждением. Это удаление может быть ускорено посредством повышения температуры выше окружающей температуры. Чем выше температура, тем быстрее удаляются растворители. Тем не менее, при этом не должна быть превышена определенная, зависящая от лака температура (температура стеклования, температура химического разложения). Также не должна быть превышена температура деформации материала изделия.
Источники высокоинтенсивного УФ-излучения основаны на газоразрядных лампах, которые испускают помимо требуемого УФ-излучения также сильный видимый свет (ВС) и инфракрасное (ИК) излучение. ВС и ИК-излучение способствуют значительному дополнительному подъему температуры при отверждении лаков. Таким образом, необходимо предотвращать увеличение температуры во время процесса отверждения выше температуры стеклования лака. Желательно подавлять влияние ВС и ИК-излучения насколько это возможно, теряя при этом как можно меньше ультрафиолетового излучения.
Типичные источники УФ-излучения состоят из газоразрядной лампы и отражательного элемента, который собирает излучаемое в противоположном изделию направлении УФ излучение и отражает в направлении зоны применения. Таким образом, распространяемое к зоне применения УФ-излучение состоит из прямого излучения и отраженного излучения. В случае практически линейного источника лампа имеет по существу форму трубы. Лампа также может состоять из ряда отдельных, практически точечных ламп, которые расположены в ряд.
Для ослабления доли нежелательного ВС и ИК-излучения лампы, которая падает в зону применения, отражательный элемент может быть снабжен покрытием, которое в как можно меньшей степени отражает ВС и ИК-излучение. Это можно осуществлять с помощью поглощающего слоя, однако предпочтительно реализуется в виде покрытия из дихроической пленки, которое, с одной стороны, сильно отражает составляющую УФ-излучения и пропускает ВС и ИК-излучение, т.е. отклоняет от зоны применения. Выполненный таким образом источник УФ-излучения уменьшает ВС и ИК-излучение в зоне применения в зависимости от отражательного элемента (обычно эллиптического элемента в форме цилиндра) в 2-5 раз.
Однако при таком подходе не происходит ослабления доли ВС и/или ИК-излучения в прямом излучении. В дополнение к этому, все еще существенная остаточная доля ВС и ИК-излучения, которая не пропускается покрытием отражателя, попадает в зону применения.
Дополнительное подавление ВС и ИК-излучения может достигаться с помощью дополнительного отклоняющего зеркала, расположенного на оптическом пути прямого излучения. Это отклоняющее зеркало должно отражать УФ-излучение настолько хорошо, насколько это возможно, должно отражать ВС и ИК-излучение в наименьшей возможной степени. Такое отклоняющее зеркало выполняется в виде плоского зеркала. В большинстве случаев применяется стеклянная пластина с покрытием из дихроического тонкопленочного фильтра, которая расположена под углом 45° к основному лучу источника УФ-излучения. Зона применения находится ниже по оптическому пути УФ-излучения, отраженного отклоняющим зеркалом.
УФ-излучение отклоняется с помощью такого отклоняющего зеркала на 90°, в то время как ВС и ИК-излучение пропускаются и тем самым не направляются к зоне применения.
В зависимости от отражательного элемента и от отклоняющего зеркала достигается подавление ВС и ИК-излучения в 10-20 раз. Без отклоняющего зеркала достигается, как указывалось выше, ослабление лишь в 2-5 раз. При этом с помощью отражательного элемента лампы можно обычно собирать свыше 80% УФ-излучения, однако за счет дополнительного отклоняющего зеркала и в зависимости от его выполнения и геометрического расположения обычно теряется 30-50% УФ-излучения до зоны применения. Отсюда получается отношение световой мощности УФ/(ВС и ИК) в диапазоне свыше 10:1 относительных долей при обычно используемой газоразрядной лампе со средним давлением ртути. С другой стороны, без отклоняющего зеркала это отношение обычно составляет лишь от 2:1 до 4:1. Это уменьшенное УФ-излучение с отклоняющим зеркалом могло бы быть скомпенсировано с помощью более сильной УФ-лампы, если она имеется в распоряжении, без чрезмерного увеличения доли ВС и ИК-излучения. Однако необходимое охлаждение лампы в источниках интенсивного УФ-излучения устанавливает технические и экономические пределы увеличению мощности; на практике они могут приводить к большим расстояниям до источника УФ-излучения, что в свою очередь уменьшает желаемую интенсивность УФ-излучения в зоне применения.
Однако использование дихроического отклоняющего зеркала приводит к удлинению пути света между источником УФ-излучения и зоной применения, обычно на примерно 70% длины отклоняющего зеркала.
Соответствующая ситуация показана на фиг. 1 относительно отраженного излучения и на фиг. 2 – относительно прямого излучения. На фигурах УФ-излучение показано в виде точечной линии, в то время как излучение ВС и ИК показано штриховой линией. Общее излучение показано сплошной линией.
При этом из фиг. 2 ясно, что основная часть отраженного УФ-излучения не распространяется в показанную на фигурах заштрихованной зону применения.
Поэтому удлинение пути излучения приводит прежде всего для прямого излучения к тому, что вследствие угла апертуры, в котором испускается излучение, интенсивность УФ-излучения на единицу поверхности (поверхностная интенсивность) также уменьшается, особенно в зоне применения. Для отверждения лакового слоя требуется определенная доза, которая задается произведением интенсивности излучения и времени облучения (точнее, интегралом интенсивности по времени). Указанная выше уменьшенная поверхностная интенсивность для достижения требуемой дозы может быть скомпенсирована только за счет увеличения времени облучения. Это приводит к более длительному времени обработки и тем самым к более высокой стоимости обработки.
Однако указанная выше уменьшенная поверхностная интенсивность имеет еще один дополнительный серьезный недостаток: обычно применяемые лаки УФ-отверждения имеют нелинейные характеристики отверждения относительно поверхностной интенсивности. Это означает, что степень отверждения не только пропорциональна дозе облучения, но и, начиная с определенного порогового значения, сверхпропорционально уменьшается с уменьшением поверхностной интенсивности. При слишком малой поверхностной интенсивности полное отверждение может даже не произойти.
Сниженная поверхностная интенсивность может быть частично скомпенсирована за счет выбора конфигурации отражательного элемента так, что свет в приблизительно коллимированном или даже частично сфокусированном виде направляется в зону применения. В случае неплоских изделий с наклонными боковыми поверхностями или углублениями это приводит к недостатку, который состоит в том, что на эти зоны воздействует существенно меньше УФ-света. В случае необходимости требуемая доза облучения может достигаться за счет более длительного облучения, если связанное с этим чрезмерное облучение плоских зон не приводит к недостаткам, и может быть еще достигнута минимально необходимая интенсивность. Если это не так, то существует еще возможность вращения изделия во время относительного перемещения изделий по отношению к источнику УФ-излучения, однако это дополнительное движение означает существенные затраты на держатель изделий и приспособления для перемещения, а также к недостаткам из-за пониженной плотности размещения изделий в установке для отверждения и к существенному удлинению времени облучения.
Эти связанные с использованием отклоняющего зеркала недостатки опять же могут быть устранены с помощью источников УФ-излучения более высокой мощности. Однако, наряду с большей стоимостью более сильного источника УФ-излучения, возникают проблемы с подлежащим отводу отходящим теплом. При применении высокомощного УФ-излучения, используемого в промышленных установках, повышенные температуры системы приводят как к отклонениям процесса, так и к дефектам ускоренного старения аппаратуры и приспособлений. Хотя они могут быть уменьшены или исключены обычно с помощью дополнительных охлаждающих устройств, однако это снова связано с дополнительными инвестиционными и эксплуатационными затратами.
Заявителем было обнаружено, что указанные выше недостатки могут быть сильно уменьшены с помощью отклоняющего зеркала с практически вогнутой формой поверхности. При этом с помощью кривизны можно не только легко скомпенсировать удлиненный путь излучения, но и дополнительно по меньшей мере в одной плоскости может быть достигнута частичная фокусировка отраженного УФ-излучения, что приводит к увеличению поверхностной интенсивности. При этом форма изогнутого отклоняющего зеркала зависит от точного положения и ориентации зоны применения.
Таким образом, подложка изогнутого отклоняющего зеркала предпочтительно является проницаемой для ВС и ИК-излучения. Поэтому в качестве материала подложки можно использовать, например, стекло и пластмассу, при этом следует учитывать, что подложка подвергается воздействию высоких температур и остаточного УФ-излучения. Вместе с тем, можно также выбирать для подложки материал, который эффективно поглощает ВС и ИК-излучение, однако он будет сильно нагреваться за счет поглощаемой мощности и поэтому потребует отдельного охлаждения.
Для достижения необходимых оптических свойств можно покрывать вогнуто изогнутую стеклянную поверхность интерференционным фильтром. Интерференционный фильтр выполнен, например, в виде системы чередующихся тонких слоев, при этом близкие к поверхности слои обеспечивают отражение УФ-излучения, а система чередующихся слоев образует в целом антиотражающий слой для ВС и ИК-излучения. Однако связанные с изготовлением изогнутой стеклянной поверхности проблемы могут быть решены только при увеличении затрат. Дополнительно к этому, трудность составляет угловая зависимость оптических свойств интерференционного фильтра. С одной стороны, при покрытии изогнутых поверхностей трудно достигается равномерное покрытие по всей оптически релевантной поверхности. С другой стороны, для оптимального функционирования этот вариант выполнения требует так называемых градиентных фильтров, с целью учета зависящих от положения углов падения. Однако имеющаяся в распоряжении технология нанесения покрытий позволяет по меньшей мере частично решать эти проблемы, хотя это связано с большими затратами и, тем самым, с большой стоимостью.
При решении с изогнутым зеркалом дополнительно возникает та проблема, что при некоторых применениях иногда изменяется расстояние от источника излучения до зоны применения излучения. Это имеет место, например, в случаях, когда, с одной стороны, необходимо подвергать воздействию УФ-излучения большие снабженные лаком подложки, которые лежат в одной плоскости, и с помощью одной и той же аппаратуры для отверждения необходимо также подвергать УФ-облучению небольшие, расположенные на шпинделе подложки, при этом из-за шпинделя эти подложки, а значит, и зона применения, лежат ближе к отклоняющему зеркалу. В самом неблагоприятном случае требуется замена изогнутого отклоняющего зеркала другим отклоняющим зеркалом с другой кривизной.
Поэтому существует потребность в просто реализуемом, но эффективном устройстве для облучения УФ-излучением, с помощью которого достигается то, что на зону применения воздействует УФ-излучение с достаточной поверхностной интенсивностью.
Согласно изобретению эта задача решена в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения тем, что используется составленное из плоских зеркальных полос отклоняющее зеркало, при этом плоские зеркальные полосы наклонены относительно друг друга таким образом, что они по меньшей мере грубо имитируют желаемую кривизну. Используются по меньшей мере две полосы, однако предпочтительно больше двух полос, и особенно предпочтительно - три полосы.
Таким образом, можно просто обойти оба основных недостатка изогнутой формы. Покрытие зеркальных полос можно осуществлять так, что сначала наносится покрытие на плоское стекло. Покрытая таким образом стеклянная пластина затем разрезается на полосы, и эти полосы закрепляются в удерживающем элементе. Этот удерживающий элемент выполнен так, что каждая из зеркальных полос располагается с ориентацией под заранее заданным углом к основному лучу источника УФ-излучения. Отдельные углы выбираются так, чтобы как можно больше ультрафиолетового излучения падало в зону применения. За счет того, что зеркальные полосы практически пропускают ВС и ИК-излучение, их доля в зоне применения в любом случае остается небольшой.
С помощью выбора по отдельности спектральных свойств тонкопленочного зеркального слоя для каждой зеркальной полосы могут быть дополнительно оптимизированы оба требования. Таким образом, для каждого угла можно покрывать выбранную стеклянную пластину специально оптимизированным для этого угла тонкопленочным интерференционным фильтром. Затем отклоняющее зеркало согласно изобретению составляется из полос, состоящих из покрытых различным образом стеклянных пластин.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения крепления, с помощью которых зеркальные полосы крепятся на держателе, выполнены так, что они могут поворачиваться по меньшей мере в определенном угловом диапазоне вокруг оси, параллельной длинной кромке зеркальных полос. За счет этого можно регулировать имитируемую кривизну отклоняющего зеркала и тем самым оптимизировать мощность УФ-излучения для различных плоскостей применения.
С регулируемыми углами зеркальных сегментов можно существенно более равномерно осуществлять и тем самым улучшать освещение различных поверхностных элементов трехмерных конструктивных элементов с углублениями и боковыми поверхностями, за счет установки сегментов так, что свет падает в сфокусированном виде в широком угловом диапазоне на зону применения. Хотя результаты для плоских зон имеют слегка меньшую интенсивность, посредством этого достигается более равномерное облучение по всей поверхности изделия. Этот вариант реализации позволяет простую и, в первую очередь, гибкую регулировку углового распределения и пространственного распределения облучающего света. Регулировка углов этих зеркальных сегментов можно также быть реализована с помощью управляемых извне приводов, что открывает возможность оптимального выполнения управляемого облучения имеющих различную форму элементов. В другой модификации зеркала можно перемещать с помощью специально выполненных приводов также синхронно с прохождением изделий через зону применения.
Таким образом, можно динамически согласованно и оптимально освещать форму поверхности деталей.
Далее настоящее изобретение поясняется подробно с помощью чертежей.
Фигура 1 показывает устройство УФ-облучения с плоским отклоняющим зеркалом, а также путь луча от отражателя излучения.
Фигура 2 показывает устройство облучения согласно фиг. 1, а также путь лучей для прямого излучения.
Фигура 3 показывает устройство облучения согласно одному предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, при этом отклоняющее зеркало выполнено из трех зеркальных полос.
Фигура 4 показывает возможный держатель для отклоняющего зеркала согласно изобретению.
На Фигуре 5 приведен вид сверху показанного на фиг. 4 держателя.
Фигура 6а показывает блок отверждения;
Фигура 6b также показывает блок отверждения;
Фигура 7 показывает подлежащее обработке изделие, поперечное сечение которого является сегментом круга;
Фигура 8 показывает зависящий от положения профиль дозы;
Фигура 9 показывает изменение мощности источника УФ-излучения синхронно с перемещением изделия;
Фигура 10 показывает результат для локального распределения дозы УФ-излучения на поверхности предполагаемых изделий в соответствии с конфигурацией по фиг. 6а и 6b.
На практике подложки часто перемещают через зону применения. Например, по круговой траектории, когда они смонтированы на так называемом шпинделе. За счет этого достигается периодическое освещение лака. С помощью этого перемещения дополнительно уменьшается нежелательное повышение температуры, поскольку поверхность может охлаждаться во время углового диапазона вращения, который противоположен зоне применения.
В последующем осуществляется количественное сравнение накопленной УФ-дозы (= интенсивность × время) на перемещаемой через зону применения подвижной плоской подложке, при этом в случае без дихроического зеркала доза принимается равной 100. Дихроическое зеркало имеет в данном принятом случае коэффициент отражения примерно 93% для УФ-излучения и коэффициент пропускания ВС и ИК-излучения примерно 92%. Для УФ-дозы в зоне применения получается значение примерно 65, а для дозы ВС и ИК-излучения – значение примерно 25, т.е. за счет плоского дихроического зеркала нежелательное излучение уменьшается на 75%, в то время как желаемое УФ-излучение уменьшается только на 30%.
При переходе с плоского отклоняющего зеркала на две наклоненные относительно друг друга зеркальные полосы получается существенно более высокая УФ-доза, равная 79 (по сравнению с 65 для плоского отклоняющего зеркала). В противоположность этому, доза ВС и ИК-излучения слегка увеличивается до 28 (по сравнению с 25 для плоского отклоняющего зеркала).
При дальнейшем разделении отклоняющего зеркала на 3 полосы, как показано на фиг. 3, УФ-доза в зоне применения может быть дополнительно увеличена. Для этого схематично показанного на фиг. 3 случая УФ-доза получается равной 83, т.е. увеличивается на 30% по сравнению с плоским отклоняющим зеркалом, в то время как доза ВС и ИК-излучения увеличивается лишь до примерно 29.
С увеличением числа зеркальных сегментов эффективность для направления УФ-света в зону применения может быть теоретически дополнительно увеличена. Однако в этом случае увеличивается также число кромок полос, на которых происходят потери. Дополнительно к этому, увеличиваются затраты на изготовление такого многосегментного зеркала.
Наряду с дозой УФ-излучения, которая является важной для УФ отверждения, для некоторых процессов отверждения должен быть превышен порог интенсивности УФ-излучения в течение определенного промежутка времени. В то время как в случае плоского отклоняющего зеркала для приведенного примера достигается максимум интенсивности примерно 45 единиц, для состоящего из двух зеркальных полос отклоняющего зеркала достигается значение примерно 60, а в показанном на фиг. 3 случае с тремя полосами достигается даже значение примерно 80. Таким образом, с помощью разделения дихроического зеркала на полосы может быть достигнута почти та же поверхностная интенсивность, что и в случае выполнения без этого зеркала.
Таким образом, при нелинейной зависимости отверждения и дозы может быть обеспечено достижение порогового значения для этой поверхностной интенсивности.
Посредством настоящего изобретения достигается существенное увеличение желаемой интенсивности УФ-излучения в зоне применения без значительного увеличения нежелательной интенсивности ВС и ИК-излучения. Следовательно, этап отверждения чувствительного к УФ-облучению лака может быть сделан короче, и поэтому при увеличенной тактовой частоте может быть отверждено больше изделий за единицу времени. Альтернативно, может быть достигнут эквивалентный результат с помощью более слабого источника УФ-света с преимуществом меньшей стоимости более слабого источника УФ-света и меньших производственных затрат. Кроме того, большая эффективность направления УФ-излучения в зону применения имеет то преимущество, что требуемое охлаждение установки и, в частности, зоны применения, в которой находятся снабженные чувствительным к температуре лаком подложки, с одной стороны, может быть уменьшено и выполнено с меньшей стоимостью а, с другой стороны, можно работать с меньшим расходом энергии. В производственных технических установках все отходящее тепло процесса отверждения должно отводиться с сильным воздушным охлаждением, чтобы сдерживать повышение температуры в зоне применения. В таких воздушных потоках необходимо с помощью интенсивной фильтрации предотвращать попадание частиц пыли в поток и тем самым на находящиеся сначала в вязком состоянии лаковые поверхности, а также прилипание к ним. Любое уменьшение необходимого воздушного потока за счет уменьшения нежелательного излучения или улучшения эффективности направления УФ-света, как показано в изобретении, приводит к возможному уменьшению этих требуемых воздушных потоков.
В отношении примера отклоняющего зеркала, которое выполнено из трех зеркальных полос, на фиг. 4 показан держатель для зеркальных полос. На фигуре зеркальные полосы лишь обозначены в поперечном сечении штриховыми линиями. Держатель содержит крепежные элементы 3, 7, 9 и 11, которые расположены на полосах на короткой кромке, например, зажаты. При этом крепежный элемент 3 полосы соединен с крепежным элементом 7 соседней полосы через соединенные с помощью шарнира 15 перемычки 13, 17. При этом крепежный элемент 9 центральной полосы соединен с крепежным элементом 11 другой, соседней полосы через соединенные с помощью шарнира 21 перемычки 19, 23. Наружные полосы отклоняющего зеркала имеют дополнительные крепежные элементы 25 и 29. Эти крепежные элементы закреплены на круговых дугах 27, 31. Они могут быть сдвинуты вдоль этих круговых дуг, а затем зафиксированы. Круговая дуга 27 принадлежит к теоретическому кругу, центр которого лежит в шарнире 15. Круговая дуга 31 принадлежит к теоретическому кругу, центр которого лежит в шарнире 21.
Предпочтительно, на обеих сторонах расположенных таким образом зеркальных полос предусмотрен такой держатель. На фиг. 5 показан соответствующий вид сверху. С помощью этого держателя наклон зеркальных полос может быть отрегулирован и подстроен простым образом.
Другой аспект настоящего изобретения относится к устройствам и способу управляемого облучения деталей УФ-светом для отверждения чувствительных к УФ-излучению лаковых покрытий поверхностей. В частности, этот аспект относится к устройствам облучения УФ-светом для отверждения чувствительных к УФ-излучению лаковых слоев на поверхностях, с акцентом на однородное или следующее по определенному профилю облучение лаковых поверхностей на трехмерной детали.
Лакирование поверхностей используется для различных функций облагораживания поверхности, например, в виде слоев механической и химической защиты, а также для получения специальных декоративных свойств, таких как цвет или отражение света или рассеяние света. Применяемые лаки наносятся посредством распыления, погружения или с помощью кисти в виде пленки на подлежащие покрытию изделия, а затем с помощью процесса отверждения приводятся в конечное состояние с желаемыми свойствами. Во время этапа отверждения к пленке лака подводится энергия, с тем чтобы ускорить процесс отверждения. При обычных лаках термическая энергия подается в виде инфракрасного излучения или с помощью нагретого газа (воздуха). С помощью подходящих печей или инфракрасных излучателей лаковый слой может быть равномерно отвержден относительно простым образом также на поверхностях со сложной геометрией. Однако недостатком этих процессов отверждения является относительно большая длительность (обычно между 10 и 100 минутами), что, в частности, в серийном производственном процессе может усложнять логистику и увеличивать чувствительность к помехам процесса. С помощью альтернативных классов лаков, которые отверждаются при подводе УФ-света, эти проблемы могут быть максимально устранены. Отверждение осуществляется посредством облучения лаковых пленок высокоинтенсивными источниками УФ-света. Тем самым этап отверждения может быть значительно сокращен во времени, обычно до длительности облучения 1-10 минут. Однако равномерное облучение лаковой пленки УФ-светом затруднено, в частности, при сложных поверхностях и формах. При двумерных поверхностях с помощью стержнеобразных, линейных источников УФ-излучения достигается равномерное освещение в одном измерении, равномерность в другом измерении может быть достигнута за счет относительного перемещения изделия относительно источника УФ-излучения. При более сложной геометрии поверхности необходимо дополнительно вращать и/или наклонять изделие относительно источника УФ-излучения, что особенно затрудняет механику держателя изделия в установке для отверждения, что приводит, естественно, к ограничениям однообразия и равномерности свойств и качественных признаков отвержденных пленок, или ограничивает форму обрабатываемых поверхностей.
Важные свойства отвержденной лаковой пленки требуют минимальной дозы УФ-света, изменения для этих свойств за счет излишнего облучения могут быть небольшими. Поэтому недостаток УФ-света в некоторых зонах на поверхности изделия может быть скомпенсирован с помощью более длительного облучения, при этом другие зоны являются излишне облученными. Для свойств, которые критично зависят от дозы, следствием является потеря однородности.
Более однородное воздействие может быть достигнуто с помощью многократно вращающихся держателей для изделий. Такие держатели и приспособления для них являются дорогими в приобретении, сложными в обращении и обычно не гибкими в применении. Дополнительно к этому, уменьшается степень использования максимально имеющейся в установке поверхности для загрузки изделиями.
Поэтому проблемами текущего уровня техники могут быть:
- чрезмерное облучение;
- неравномерные свойства, например, охрупчивание в зоне чрезмерного облучения, механически менее качественные свойства пленки в зоне неполного отверждения;
- многократно вращаемые держатели для изделий означают существенное увеличение затрат при изготовлении, подготовке, обращении и складировании специальных держателей для изделий.
Сначала необходимо пояснить, как снабженные лаковой пленкой изделия подлежат перемещению через зону применения, на которую направляется УФ-свет из источника УФ-излучения. Равномерное освещение в направлении, перпендикулярном направлению перемещения, достигается с помощью удлиненной в этом измерении формы геометрии освещения (стержнеобразной УФ-лампы). Для искривленной формы перемещения изделий принимается в данном случае линейное или круговое движение на цилиндре, без ограничения этим поясняемого ниже способа согласно изобретению. На фиг. 6а схематично показано расположение в блоке отверждения с источником УФ-света. УФ-свет от УФ-лампы собирается с помощью отражателя и направляется в зону применения, в которой лаковая пленка на изделиях облучается и, как следствие, отверждается. Изделия в зоне применения нагреваются, все световое излучение источника УФ-излучения поглощается на большом протяжении в этой пространственной зоне. Однако лаковые пленки чувствительны к температуре, и температура не должна превышать максимальное значение. Эта проблема смягчается за счет циклического перемещения изделий через зону применения, тем самым изделия могут охлаждаться в течение тех временных промежутков, в которых они не находятся в зоне применения. Для изделий с ограниченной протяженностью это циклическое перемещение осуществляется предпочтительно по круговой траектории, при которой изделия закреплены на барабане, а этот барабан вращается вокруг его оси.
Усовершенствованный вариант реализации блока отверждения показан на фиг. 6b. С помощью дихроического зеркала, которое является прозрачным для ВС и ИК-излучения УФ-лампы, но сильно отражающим для УФ-света, нежелательные ВС и ИК-излучение отводятся от зоны применения, и, следовательно, может быть дополнительно ограничен рост температуры во время процесса отверждения.
Ниже в соответствии с изобретением показан способ однородного воздействия на изделие с более сложной геометрией поверхности, которое снабжено чувствительным к УФ-излучению лаковым слоем. В качестве примера описано цилиндрическое изделие, поперечное сечение которого представляет собой круговой сегмент (см. фиг. 7).
Если это изделие на барабане транспортируется с круговым перемещением через зону применения, для дозы (= интенсивность × время) воздействия УФ-светом получаются зависящие от положения профили, как показано на фиг. 8, соответственно, для блока отверждения по фиг. 6а и 6b.
Доза уменьшается на круговом сегменте цилиндра от центра к краю изделия примерно на 30%. Согласно изобретению синхронно с движением изделия изменяется лишь мощность источника УФ-излучения. Таким образом, мощность устанавливается в соответствии с определенной формой кривой в зависимости от времени. Для иллюстрации принципа действия для удобства в данном случае выбрана синусоидальная форма кривой, при этом фаза удерживается в постоянном соотношении с вращательным движением барабана (см. фиг. 9).
Частота этой модуляции мощности УФ-света задается расположением изделий на барабане, при этом принимается, что расстояние между изделиями на окружности барабана поддерживают небольшим для обеспечения плотной загрузки. Таким образом, модуляция непрерывно продолжается для каждого из изделий, которые последовательно проходят через зону применения.
На фиг. 10 показан результат локального распределения дозы УФ-излучения на поверхности принятого изделия, соответственно, для показанной на фиг. 6а и 6b конфигурации. Как следует из этого графика, изменение дозы от центра к краю почти исключено. Этот результат достигается в этом случае с помощью амплитуды модуляции мощности УФ-света, равной примерно 35% по отношению к постоянному значению. Фаза формы кривой модуляции выбрана так, что мощность модуляции является минимальной в момент времени, когда изделие находится на минимальном расстоянии до источника УФ-света, т.е. на нормали, параллельной оси распределения УФ-света.
Также принцип этой синхронной модуляции мощности света с перемещением изделия может быть применен согласно изобретению для существенно более сложных форм, чем показанные в данном случае формы. Для этого может быть использована практически произвольная периодическая форма кривой в заданном фазовом соотношении по отношению к перемещению подложки. Можно модулировать как амплитуду, так и фазу сами по себе при условии, что частота совпадает с частотой перемещения изделия через зону применения или превышает эту частоту в целое число раз. В этом случае форма кривой содержит более высокие гармонические составляющие, каждая с определенной фиксированной фазой, с целью сохранения синхронности с перемещением изделий.
Принцип синхронной модуляции мощности УФ-света для управления УФ-дозой на лаковых пленках на поверхностях изделий, которые расположены на вращающемся барабане, может быть также применен для компенсации неоднородного распределения дозы по окружности барабана. Такая неоднородность может быть результатом механических неточностей, ошибок установки и юстировки и т.д. Кроме того, также отклонение от равномерности вращения (т.е. при не постоянной скорости углового вращения) может приводить к неоднородному распределению дозы по окружности.
С помощью модуляции мощности УФ-света синхронно с вращательным движением барабана можно целенаправленно оказывать влияние на УФ-дозу на изделиях на барабане так, что достигается более равномерное распределение дозы по ширине изделий. Для этого в случае неравномерности вращения необходимо определять фазу модуляции из фактических значений датчика угла поворота, который жестко соединен с осью барабана.
Влияние УФ-дозы по ширине изделия с помощью синхронной модуляции мощности УФ-света не ограничивается исключением неравномерности УФ-дозы, но также может быть целенаправленно использовано для обеспечения определенного желаемого распределения дозы по изделию, с целью усиления или ослабления желательного свойства отвержденной лаковой пленки, на которую можно оказывать влияние с помощью дозы или интенсивности УФ-излучения, на поверхности изделия. В простейшем случае это может быть установлено с помощью амплитуды модуляции или фазы модуляции, исходя из того предположения, что основная частота модуляции задается загрузкой барабана изделиями и скоростью вращения барабана. Как амплитуда модуляции, так и фаза модуляции могут быть модулируемыми сами по себе, при этом основная частота модуляции снова должна быть согласована с частотой движения изделий через зону применения.
С помощью этого принципа возможно даже снабжать различные изделия на барабане оптимальным для соответствующих изделий распределением УФ-дозы, так что для различных углов поворота барабана применяется различная форма кривой модуляции. Тем самым может быть достигнута существенно более высокая гибкость в применении.
Другое преимущество этой синхронной модуляции может состоять в том, что в различных условиях производства, в которых подлежит облучению много различных изделий, может потребоваться существенно меньше разных держателей, подобранных для соответствующих изделий. За счет подбора форм кривых модуляции в инструкции процесса могут быть выровнены изменения дозы для различных изделий, которые фиксированы с помощью одних и тех же держателей.
При более сложных формах поверхности изделий может быть необходимо вращать сами держатели с держателями на барабане вокруг их осей, с целью получения достаточно высокой дозы облучения также на боковых поверхностях. С помощью использования синхронной модуляции мощности УФ-света можно в случаях не очень круто нарастающих или падающих боковых поверхностей достигать повышения дозы на этих боковых поверхностях также с помощью невращающихся держателей, что, с одной стороны, является существенным упрощением необходимого оборудования установки (без механизма вращения), а, с другой стороны, тем самым исключается неизбежная потеря производительности, которая получается при вращающихся держателях. В случае вращающихся держателей в норме можно размещать существенно больше деталей, однако в равной степени увеличивается время облучения. Однако за счет этих дополнительных механических приспособлений для вращения держателей теряется часть полезной поверхности в зоне применения, что приводит к упомянутой выше потере эффективной производительности.
В приведенном выше описании всегда применялся барабан, на котором с помощью держателей были закреплены изделия, и предполагалось, что этот барабан совершает вращательное движение вокруг своей оси. Все приведенные выше выкладки можно применять также для случая однократного или циклического перемещения закрепленных на держателях изделий через зону применения УФ-облучения, и тем самым они распространяются на случай поточной установки.
Полученные в результате усовершенствования по сравнению с уровнем техники или, соответственно, конкретные преимущества, которые получены за счет применения изобретения состоят в следующем:
улучшенная равномерность свойств и, тем самым, качества лаковой пленки на изделии;
существенное повышение гибкости по отношению к новым или многосторонним геометриям изделий, связанное с этим более быстрая перенастройка при изготовлении различных изделий;
уменьшение держателей, необходимых для различных изделий, при аналогичных изделиях можно выполнять облучение с одинаковыми держателями посредством регулирования модуляции;
для конкретных более простых изделий (с не слишком крутыми боковыми поверхностями) можно избежать использования вращающихся держателей, что, с одной стороны, приводит к более простым и дешевым держателям, а, с другой стороны, устраняет потери производительности за счет вращающихся держателей.