Derartige Kaltlicht-UV-Bestrahlungsvorrichtungen finden Ver- wendung bei der Beschichtung von Substraten aus wärmeempfind- lichen Materialien, insbesondere Kunststoffen, mit UV-Lacken und-Druckfarben. Die Substrate können beispielsweise als Formkörper (Flaschen, Scheiben, etc.) oder als Folien und Bahnen vorliegen. Scheibenförmige Formkörper sind beispiels- weise optische Informationsträger wie Compact Discs (CD's) oder Digital Versatile Discs (DVD's). Weitere temperatur- empfindliche Bestrahlungsgüter sind keramikähnliche Mate- rialien, wie sie beispielsweise in elektronischen Bauteilen eingesetzt werden. Auch in elektronischen Bauteilen enthal- tene Metall-und Kunststoffteile sind häufig temperatur- empfindlich.

Um die UV-Lacke und-Druckfarben in den kurzen Zykluszeiten von hochproduktiven Fertigungslinien aushärten zu können, ist eine hohe W-Lichtintensität notwendig. Üblicherweise wird zur Härtung UV-Licht im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm eingesetzt. Neben dem zur Hartung erforderlichen W-Licht, strahlen alle gängigen Lampen aber auch die langwellige Wär- mestrahlung (Infrarot-Strahlung/IR-Strahlung) ab. Die lang- wellige Wärmestrahlung führt jedoch zu einer Verformung und Versprödung des Substrats und ist daher unerwünscht.

Aus der DE 39 02 643 C2 ist es bekannt, die Lichtquelle di- rekt über dem Bestrahlungsgut anzuordnen und hinter der Lichtquelle zwei Kaltlichtspiegel zur Reduktion der Wär- mestrahlung anzuordnen. Nachteilig ist, daß durch den direk- ten Strahlengang von der Lampe ein hoher Wärmeanteil auf das Substrat gelangt.

In G 901 46 52.2 und in DE 440 942 6 werden Anordnungen ge- zeigt, die die Wärmebelastung des Objektes durch einen Wärme- filter im direktem Strahlengang senken. Diese Wärmefilter be- stehen aus einer beschichteten Quarzglasscheibe und reduzie- ren die Infrarot-Strahlung auf das Substrat nur geringfügig.

Außerdem wird von den Quarzglasscheiben auch ein Teil der W- Strahlung absorbiert.

Aus der US 4,048,490 ist eine Anordnung bekannt, die den di- rekten Strahlengang auf das Substrat ausblendet. Dabei wird der direkte Strahlengang aber eine reflektierende Barriere, an der Lampe vorbei auf Reflektoren unterhalb der Lampe und von dort auf das Substrat geführt. Nachteilig bei dieser An- ordnung sind die extrem langen Strahlungswege. Die UV-Inten- sität nimmt jedoch mit steigender Weglänge ab. Nachteilig ist weiterhin, daß die Barriere auch die Wärmestrahlung vollstän- dig reflektiert, wodurch die Trennung von W-und IR-Strah- lung nicht ausreichend ist. Des weiteren kann diese Anordnung das Substrat nur flächig ausleuchten, da Lampe und Barriere zwei Strahlungsquellen darstellen. Die aufwendige geome- trische Anordnung der Reflektoren und der notwendige Abstand zwischen Barriere und Lampe erfordern einen sehr großen Bau-

raum für derartige Anordnungen. Sie sind daher in kleinen Fertigungslinien nicht einsetzbar.

Aus der DE 38 01 283 Cl ist eine Vorrichtung zum Härten einer W-Schutzlackschicht auf flachen Objekten bekannt, bei der sich zwischen der Vorrichtung und dem Objekt eine flache Aus- trittsdüse befindet, der aber eine Leitung Inertgas, z. B.

Stickstoff zugeführt wird, wodurch beim Belichtungsvorgang der Luftsauerstoff verdrängt und eine bessere Qualität der gehärteten Schutzlackschicht erreicht werden kann.

Aus der DE 26 22 993 A1 ist eine UV-Lampenanordnung zur Aus- härtung von photopolymerisierbaren Stoffen bekannt. Um die für die Aushärtung nicht nutzbare Wärmestrahlung abzuführen, umgibt die Lampe ein Wasserkühlmantel aus klarsichtigem ge- schmolzenen Quarz. In einer Ausführungsform ist ein halb- kreisförmiger reflektierender Überzug direkt auf der Quarzum- hüllung der Lampe. Er fokussiert die Strahlung der Lampe all- gemein in Richtung auf eine Brennebene in der Nachbarschaft des Substrats.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Härten einer UV- Beschichtung zu schaffen, die eine wirksame Trennung der W- von der IR-Strahlung ermöglicht, um die Wärmebelastung des Substrates zu reduzieren, bei der gleichzeitig durch kurze Strahlungswege eine hohe W-Intensität erzielt wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung soll die W-Strahlung auf dem Substrat fokussierbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 oder des Anspruchs 3 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt eine effektive Trennung der W-von der IR-Strahlung, in dem mehr als 90 % der IR-Strahlung absorbiert werden kann. Aufgrund der mini- mierten Weglänge der Strahlung ist die W-Intensität mit der von konventionellen Vorrichtungen, wie nach der DE 39 02 643 C2 vergleichbar, bei denen die Lichtquelle direkt über dem Bestrahlungsgut angeordnet ist. Die Trennung von UV-und IR- Strahlung ermöglicht darüber hinaus den Einsatz von Licht- quellen mit bis zu 8-facher Leistung im Vergleich zu den bis- her eingesetzten Lichtquellen, ohne die Wärmebelastung des Substrats zu erhöhen. Dadurch können extrem kurze Zykluszei- ten, bzw. hohe Durchlaufgeschwindigkeiten in den Fertigungs- linien erreicht werden.

Durch eine spezielle Geometrie der Barriere mit einer Ausfor- mung für die W-Reflexionsschicht und deren Anordnung direkt unterhalb der Lichtquelle wird die Reflexion der W-Strahlung durch die Lichtquelle verwirklicht, anstatt wie bisher üb- lich, die Strahlung an der Lampe vorbei zu richten. Die in der Ausformung angeordnete im Querschnitt teilkreisförmige W-Reflexionsschicht umgibt die Lichtquelle an deren Unter- seite teilweise. Mindestens 50 % der auf die UV-Reflexions- schicht auftreffenden UV-Strahlung wird aufgrund deren erfin- dungsgemäßer Gestaltung und Anordnung durch die Lichtquelle hindurch auf die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflek- toren reflektiert.

Ist die W-Reflexionsschicht gemäß Anspruch 3 direkt an der Außenseite der Lichtquelle aufgebracht, wird die W-Strahlung fast vollständig durch die Lichtquelle hindurch reflektiert.

Die Verluste beim Durchgang der UV-Strahlung durch den Glas- körper der Lichtquelle und das Gas sind relativ gering. Der Weg der UV-Strahlung ist minimal. Da es für diese Lösung kei- ner besonderen Ausformung für die Reflexionsschicht an der Barriere bedarf, um die W-Strahlung durch die Lichtquelle hindurch zu reflektieren, kann die Barriere als geometrisch einfacher, wärmeabsorbierender Körper, beispielsweise als Platte, ausgeführt sein.

Der wärmeabsorbierende Körper der Barriere vermeidet in Ver- bindung mit der W-Reflexionsschicht den direkten Wärmestrah- lengang auf das Substrat.

Werden W-Lacke verwendet, bei denen niedermolekulare Be- standteile verdampfen, wird durch die geringe Wärmeentwick- lung auf dem Substrat das Austreten dieser Bestandteile ver- ringert.

Eine effektive Trennung der W-von der IR-Strahlung ist mög- lich, wenn die W-Reflexionsschicht an der Barriere Bestand- teil eines Kaltlichtspiegels ist. Die vorzugsweise ebenfalls als Kaltlichtspiegel ausgebildeten Reflektoren hinter der Lichtquelle lenken nur die zur Härtung erforderliche UV- Strahlung zumindest teilweise an der Barriere vorbei auf das Substrat.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind in der Barriere Bohrungen vorgesehen, durch die Kühlmedien und/oder Gase geleitet werden können. Eine Kühlung verhindert, daß die Barriere Wärmestrahlung emittiert oder reflektiert. Die ab- sorbierte Wärmestrahlung kann an das Kühlmedium abgegeben werden, jedoch auch an einen Kühlluftstrom, wenn die Barriere gemäß Anspruch 6 ausgestaltet ist. Durch die Kühlung kann der wärmeabsorbierende Körper der Barriere auf konstanter Tempe- ratur gehalten werden, in dem die abgeführte Wärmemenge regu- liert wird.

Über die Bohrungen lassen sich auch Gase, z. B. Stickstoff, leiten, um das Substrat damit zu beaufschlagen. Hierdurch lassen sich kurze Härtungszeiten bei optimaler Härtung erzie- len. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Gas durch wei- tere Bohrungen in Form von Düsen in der Barriere direkt über dem Substrat aufzubringen. Über diese weiteren Bohrungen in der Barriere lassen sich jedoch nicht nur Gase aufbringen, sondern alternativ auch absaugen, um beispielsweise zu ver- hindern, daß die aus Beschichtungen mit minderer Qualität austretenden niedermolekularen Stoffe sich auf den Reflekto- ren niederschlagen.

Um die W-Strahlung in einem Punkt zu fokussieren, sind die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflektoren zumindest teilweise zylindrisch mit teilkreisförmigem Querschnitt aus- geführt. Der teilkreisförmige Querschnitt der Reflektoren fo- kussiert die Strahlung in einem Brennpunkt auf dem Substrat.

Will man dagegen eine flächige Ausleuchtung erreichen, ist es zweckmäßig die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflekto- ren zumindest teilweise plattenförmig auszuführen.

Die asymetrische Anordnung der Barriere und Reflektoren nach Anspruch 11 bewirkt, daß das Substrat beim Durchlaufen unter der Vorrichtung zuerst vorgehärtet und anschließend mit hoher W-Intensität bestrahlt wird. Durch eine derartige Vorhärtung erreicht man eine Mattierung der UV-Lackschicht.

Wenn der Abstand zwischen der Barriere und der Lichtquelle verstellbar ist, läßt sich die Intensität der W-Strahlung variieren, wobei mit größerem Abstand die Intensität abnimmt.

Ein geringer Anteil an Wärmestrahlung ist notwendig, um eine optimale Härtung zu erreichen. Durch eine mittels eines Blen- denssytems verstellbare Barrierengeometrie nach Anspruch 13 kann der Anteil der Strahlung der noch an der Barriere vorbei geht, verstellt werden. Wärmeblenden nach Anspruch 14 ermög- lichen ebenfalls eine Verstellung der auf dem Substrat ein- fallenden Strahlung. Sie können die Strahlung auch vollstän- dig verhindern (Shutter) und somit bei Stillständen der Pro- duktionslinien das Substrat vor einer zu langen UV-Be- strahlung schützen.

Verstellmöglichkeiten der Blenden des Blendensystems gemäß den Ansprüchen 15 und 16 erlauben es, die auf dem Substrat wirksame Wärmestrahlung bei laufender Produktion an sich än- dernde Produktionsbedingungen (Umgebungstemperatur, Luft- feuchtigkeit, Prozeßgeschwindigkeit usw.) anzupassen.

In dem zumindest teilweise Kontakt zwischen Lichtquelle und Barriere, insbesondere durch Stützkörper besteht, wird eine Durchbiegung des Lampenkörpers verhindert. Dies erlaubt den Einsatz von Lampenkörpern mit einer Länge bis zu 4m, wie sie

beispielsweise für die Lackhärtung auf sehr breiten Ver- packungsfolien oder Bodenbelägen erforderlich sind.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Ein- schränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispie- len. Es zeigen : Fig. 1 eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung ; Fig. 2 eine Vorderansicht eines zweiten bevorzugten Aus- führungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Vor- richtung in schematischer Darstellung ;.

Fig. 3 eine Vorderansicht eines dritten bevorzugten Aus- führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vor- richtung in schematischer Darstellung ;.

Fig. 4 schematische Darstellung der Funktionsweise von Absaug-und Begasungsbohrungen in Barrieren ; Fig. 5 verschiedenen Ausführungsbeispiele fur Barrieren ;.

Fig. 6 Vorder-und Seitenansicht eines Details einer er- findungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Dar- stellung.

Fig. 7 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Figur 1 in schematischer Darstellung.

Fig. 8 eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt A-A nach Figur 7 schematisch dargestellt. Fig. 7 zeigt die Seitenansicht dieser Vorrichtung. Eine Barriere besteht aus einem wärmeabsorbierenden Körper (1), einer UV-Reflexions- schicht (2) und Bohrungen (3,4) durch die Kühlmedien oder Gase geleitet werden können. Die Bohrung (3) ist mit Düsen (3b) versehen, die es ermöglichen, Gase direkt über einem Substrat (12) mit einer W-Lackschicht (13) auszubringen bzw. davon abzusaugen. Oberhalb der Barriere ist eine stabförmige Lichtquelle (5) angeordnet. Hinter der Lichtquelle (5) ange- ordnete Reflektoren (6) und (7) sind zylindrisch mit teil- kreisförmigem Querschnitt, wodurch es möglich ist, die W- Strahlung in den zwei Punkten (20a) auf dem Substrat (12) zu fokussieren. Die Reflektoren (6,7) werden bevorzugt als Kalt- lichtspiegel ausgelegt, um eine effektive Trennung von UV- und IR-Strahlung zu gewährleisten. Um die durch die Reflekto- ren (6,7) transmittierende IR-Strahlung zu absorbieren, wer- den hinter den Reflektoren Wärmeabsorber (8,9) angeordnet, die mit Kühlkanälen (10) versehen sind. Es ist aber auch mög- lich, die Wärmeabsorber (8,9) durch einen Luftstrom zu küh- len.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Vorrichtung mit Wärmeblenden (14,14b) und 3 Fokuspunkten (20 b) der UV-Strahlung. Über- einstimmend weist sie eine Barriere, eine Lichtquelle und Wärmeabsorber auf. Im Gegensatz zu Fig. 1 sind die Reflekto- ren (17,18) aus je zwei zylindrischen Teilen mit teilkreis-

förmigem Querschnitt zusammengesetzt. Dadurch wird die UV- Strahlung in den drei Punkten (20b) fokussiert. Mit den Wär- meblenden (14,14b) ist es möglich, einen Teil der Wärmestrah- lung (19) auszublenden. Dazu werden die Wärmeblenden (14,14b) mit der Verstelleinrichtung (15,16,15b, 16b) soweit ge- schlossen, daß die Wärmestrahlung (19) nicht mehr, oder nur zum Teil auf die UV-Lackschicht (13) des Substrates (12) trifft. Bei Stillständen der Fertigungslinien ist es möglich, das beschichtete Substrat (12,13) vor der Strahlung abzu- schirmen, indem die Wärmeblenden (14,14b) bis zur Barriere vorgeschoben werden, wodurch der Strahlengang auf das Sub- strat vollständig verschlossen wird (vgl. gestrichelt darge- stellte Position der Wärmeblende (14b) (Shutterfunktion)).

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Vorrichtung wie Fig. 2. Allerdings sind hierbei die Wärmeabsorber (8b, 9b) plattenförmig ausge- führt.

Fig. 4 verdeutlicht die Funktionsweise der Bohrungen in der Barriere. Durch die Bohrung (3) und die Düsen (3b) kann ent- sprechend der oberen Abbildung Stickstoff (21) oder ein ver- gleichbares Gas auf das beschichtete Substrat (12,13) gelei- tet werden. Der AusschluB von Luftsauerstoff ermöglicht eine schnellere und bessere Aushärtung der UV-Lackschicht (13) auf dem Substrat (12).

Verzichtet man auf eine Begasung so besteht nach der mittle- ren Abbildung die Möglichkeit, die Bohrung (3) als Absaugvor- richtung einzusetzen. Die von der UV-Lackschicht (13) austre- tenden niedermolekularen Bestandteile bewirken im normalen

Betrieb eine schnelle Verschmutzung der Reflektoren (6, 7,17,18)). Um dieses zu vermeiden, kann eine nicht darge- stellte Absaugvorrichtung an den Kanal (3) angeschlossen wer- den. Durch die Düsen (3b) wird das aufsteigende Gas (22) abge- saugt.

Bei besonders wärmeempfindlichen Substraten kann die Bohrung (3) nach der unteren Abbildung für die Leitung von Kühlluft (23) eingesetzt werden, die in einem leichten Luftstrom das beschichtete Substrat (12,13) kühlt. Gleichzeitig verhindert der Kühlluftstrom (23), daß die niedermolekularen Substanzen aufsteigen können, in dem er diese Substanzen aus der Be- strahlungsvorrichtung herausdrückt.

In Fig. 5 werden verschiedene Ausführungsformen der Barriere dargestellt. Grundsätzlich besteht die Barriere aus einer W- Reflexionsschicht (2) und einem wärmeabsorbierendem Körper (1), es sei denn die W-Reflexionsschicht (2) ist auf der Lichtquelle (5) aufgebracht.

Die W-Reflexionsschicht (2), reflektiert vorwiegend kurz- wellige W-Strahlung, während sie für Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässig ist. Bei Kaltlichtspiegeln (2c) ist die W-Reflexionsschicht auf Glas aufgebracht. Der Kaltlicht- spiegel (2c) ist auf dem wärmeabsorbierenden Körper (25) ange- ordnetet. Die UV-Reflexionsschicht (2e) kann beispielsweise auch dirket auf der Lichtquelle (5) aufgebracht werden, wobei dann deren Glaskörper als Trägermaterial für die W-Re- flexionsschicht (2e) dient. Weiterhin kann die W-Reflexions- schicht (2,2d, 2f) auch unmittelbar auf dem wärmeabsorbieren-

den Körper (24,26,28) der Barriere aufgebracht werden, der dann beispielsweise aus einem Aluminium-Profil mit einer In- frarot-Absorptionsschicht in der Ausformung bestehen kann, die eine Rückfluß der IR-Strahlung aus dem Aluminium-Profil verhindert.

Die wärmeabsorbierenden Körper (24,25,27,28) der Barrieren sind mit einer Flüssigkeitskühlung versehen, während der wär- meabsorbierende Körper (26) eine Luftkühlung aufweist. Die Geometrie der Barriere hängt von deren Abstand zur Licht- quelle (5) und von der Anordnung der UV-Reflexionsschicht (2) ab. Ist die UV-Reflexionsschicht (2e) direkt auf der Licht- quelle (5) aufgebracht, so kann der die Barriere bildende wärmeabsorbierenden Körper (27) plattenförmig ausgeführt wer- den. Bei direkt auf der Barriere aufgebrachten Reflexions- schichten (2,2d, 2f) muß der wärmeabsorbierende Körper (24,25,26,29) der Barriere entsprechend den gewünschten Re- flexionseigenschaften ausgeformt sein. Auch bei der Verwen- dung von teilkreisförmigen Kaltlichtspiegeln (2c) empfiehlt sich deren Anordnung in einer entsprechenden teilkreisförmi- gen Ausformung des wärmeabsorbierenden Körpers (25) der Barriere. Kaltlichtspiegel (2c) sind leichter austauschbar, als direkt auf dem wärmeabsorbierenden Körper der Barriere bzw. der Lichtquelle (5) aufgebrachte W-Reflexionsschichten (2,2d, 2e, 2f).

Der wärmeabsorbierende Körper (28) weist höhenverstellbare Blenden (29) auf, durch die der Anteil der direkten Wär- mestrahlung (19), der die Barriere passiert und auf das Sub- strat (12) trifft, geregelt werden kann. Bei voll ausgefahre-

nen Blenden (29) trifft keine Wärmestrahlung direkt auf das Substrat, bei ganz eingefahrenen Wärmeblenden (29) trifft ein Anteil der Wärmestrahlung auf das Substrat. Die Wärmeblenden (29) lassen sich einzeln verstellen.

In Fig. 6 werden Stützkörper (30,31) dargestellt, die die Lichtquelle (5) vor einer Durchbiegung schützen. Bei beson- ders langen Lichtquellen ist deren Glaskörper bei hohen Tem- peraturen nicht in der Lage, seine Form zu halten. Die Barriere zusammen mit den Stützkörpern (30,31), die einen Kontakt zwischen Lichtquelle und Barriere herstellen, verhin- dern die Durchbiegung. Auf den Stützkörpern (30) liegt die Lichtquelle punktuell auf, während der Stützkörper (31) die Lichtquelle auf der gesamten Länge stützt. Die Stützkörper (30,31) können auf dem wärmeabsorbierenden Körper (1) oder auf der W-Reflexionsschicht (2) angeordnet sein.

Fig. 8 zeigt eine asymmetrisch zu einer vertikalen Ebene auf- gebaute Vorrichtung, wobei die vertikale Ebene die Längsachse der Lichtquelle (5) enthält und senkrecht auf der Oberfläche des Substrates (12) steht. Bei einer solchen Vorrichtung wird die UV-Strahlung nicht wie in Fig. 1 gezeigt, in zwei Punkten (20a) auf dem Substrat fokussiert, sondern im Bereich (20c) flächig aufgestrahlt. Diese flächige Bestrahlung bewirkt eine leichte Vorhärtung der UV-Lackschicht (13), die nachfolgend im Punkt (20a) ausgehärtet wird. Durch diese Härtung erzielt man eine leichte Aufrauhung der UV-Lackschicht (13), die op- tisch wie eine Mattierung der Oberfläche aussieht. Dieser Effekt wird zum Beispiel zur Herstellung blendfreien Ober- flächen in Instrumententafeln ausgenutzt.