GOHS, Uwe (Weinbergstrasse 68 f, Dresden, 01169, DE)
KIRCHHOFF, Volker (Wetroer Strasse 7, Dresden, 01324, DE)
MATTAUSCH, Gösta (Dorfstrasse 42, Ullersdorf, 01454, DE)
ROEDER, Olaf (Weisser-Hirsch-Strasse 9, Dresden, 01326, DE)
KUBUSCH, Jörg (Troppauer Strasse 19, Dresden, 01279, DE)
BARTEL, Rainer (Stangestrasse 2, Dresden, 01324, DE)
GOHS, Uwe (Weinbergstrasse 68 f, Dresden, 01169, DE)
KIRCHHOFF, Volker (Wetroer Strasse 7, Dresden, 01324, DE)
MATTAUSCH, Gösta (Dorfstrasse 42, Ullersdorf, 01454, DE)
ROEDER, Olaf (Weisser-Hirsch-Strasse 9, Dresden, 01326, DE)
KUBUSCH, Jörg (Troppauer Strasse 19, Dresden, 01279, DE)
Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Eigenschaftsänderung eines dreidimensionalen Formteils (2) mittels Elektronen, umfassend mindestens einen Elektronengenerator (4a; 4b) zum Erzeugen von beschleunigten Elektronen und zwei Elektronenaustrittsfenster (6a; 6b), wobei die beiden Elektronenaustrittsfenster (6a; 6b) gegenüberliegend angeordnet sind und einen Prozessraum begrenzen, durch den das Formteil (2) mittels eines Formteil- führungssystems (7) hindurchführbar und die gesamte Oberfläche, die gesamte Randschicht oder das gesamte Volumen des Formteils (2) in einem Durchlauf mit Elektronen beaufschlagbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der Elektronenaustrittsfenster (6a; 6b) eben ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der Elektronenaustrittsfenster (6a; 6b) parallel zueinander ausgerichtet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der Elektronenaustrittsfenster einen Winkel zueinander aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche mindestens eines Elektronenaustrittsfensters zum Formteil hin konkav ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche mindestens eines Elektronenaustrittsfensters der Geometrie des Formteils angepasst ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (8), mittels der die über die Fläche mindestens eines Elektronenaustrittsfensters (6a) abgegebene Elektronenenergiedichte derart steuerbar ist, dass über einzelne Teilbereiche des Elektronenaustrittsfensters (6a) unterschiedliche
Elektronenenergiedichten abgegeben werden.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Messeinrichtung, mittels der während der Elektronenbehandlung Werte erfassbar sind, die die Elektronenenergiedichte in verschiedenen Teilbereichen des Prozessraumes charakterisieren.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Elektronenaustrittsfenster in Abhängigkeit von der Geometrie des
Formteils oder/und der Position des Formteils zwischen den Elektronenaustrittsfenstern bewegbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Elektronenaustrittsfenster (6a; 6b) als vakuumdichte Folie ausgebildet ist.
1 1. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Elektronenaustrittsfenster als gasdurchlässige Druckstufen- anordnung zwischen Elektronengenerator und Prozessraum ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sensorsystem, mittels dem die Leistung der Elektronenerzeuger in Abhängigkeit davon, ob sich ein Formteil im Prozessraum befindet, auf einen prozessspezifischen Wert einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung, mittels der die Austrittsrichtung eines Elektrons aus einem Elektronenaustrittsfenster steuerbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronengenerator als Bandstrahler oder Axialstrahler ausgebildet ist.
15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Modifizieren von Kunststoffen, Sterilisieren von Produkten der Pharmaindustrie,
Sterilisieren von Verpackungen oder Desinfizieren von Gegenständen. |
Vorrichtung zur Eigenschaftsänderung dreidimensionaler Formteile mittels Elektronen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Modifizieren von Stoffeigenschaften an der Oberfläche, im Randbereich oder im gesamten Volumen dreidimensionaler Formteile mittels der Energie von Elektronen.
Mittels Elektronen kann Energie räumlich und zeitlich determiniert in Materialien eingetragen werden, um deren Stoffeigenschaften an der Oberfläche, in der Randschicht oder im Volumen zu verändern. Die dazu benötigten Elektronen werden in so genannten Elektronengeneratoren erzeugt, formiert und beschleunigt, ehe sie über ein meist ebenes Elektronenaustrittsfenster an einen Prozessraum abgegeben werden. Dabei ist die Elektronendichte über die gesamte Ausdehnung des Fensters annähernd konstant. Nach dem Durchdringen einer Gasschicht (zum Beispiel Luft) erreichen die Elektronen eine zu behandelnde Produktoberfläche.
Als Elektronengeneratoren werden Bandstrahler oder Axialstrahler eingesetzt. Ein als Axial- strahier ausgebildeter Elektronengenerator nach dem Stand der Technik umfasst zusätzlich einen Elektronenstrahlablenkraum mit einem Strahlablenksystem, mittels dem ein erzeugter Elektronenstrahl periodisch über das gesamte Elektronenaustrittsfenster und im zeitlichen Mittel in allen Teilbereichen des Fensters mit annähernd gleicher Verweildauer abgelenkt wird.
Dreidimensionale Formteile, wie beispielsweise Kabel, Rohre oder Verpackungen aus verschiedenen Materialien (zum Beispiel Kunststoffe, Papier) werden in unterschiedlichen Branchen (zum Beispiel Verpackungsindustrie, Pharmazie, Medizintechnik, Kunststoffindustrie) eingesetzt. Für bestimmte Anwendungen ist eine Eigenschaftsänderung (zum Beispiel Vernetzung, Härtung, Sterilisation) der gesamten Oberfläche, der Randschicht und/oder des Volumens des Formteiles erforderlich.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Eigenschaften der gesamten Oberfläche von dreidimensionalen Formteilen mittels Elektronenenergie zu beeinflussen, indem ein Formteil in mehreren Durchläufen und in veränderter Position an einem Elektronenaustrittsfenster vorbeigeführt wird. Bekannte Vorrichtungen zum Erzeugen von Elektronen für das Modifizieren von Formteileigenschaften sind derart gestaltet, dass über das gesamte Elektronenaustrittsfenster eine annähernd gleiche Elektronenenergiedichte abgegeben wird.
Durch das Verändern der Position eines Formteils wird sichergestellt, dass die gesamte Formteiloberfläche mit Elektronenenergie beaufschlagt wird. Ein Nachteil derartiger Vorrichtungen besteht darin, dass ein Mehrfachdurchlauf mit einem relativ hohen Zeitaufwand verbunden ist. Das Verändern der Position des Formteils zwischen den einzelnen Durchläufen kann auch nicht wahllos erfolgen, sondern muss derart abgestimmt sein, dass einzelne Oberflächenbereiche in der Summe nicht mit unterschiedlichen Elektronen- energiedichten beaufschlagt werden, was zu unterschiedlichen Eigenschaften führen würde.
Nach dem Stand der Technik wird die gesamte Oberfläche eines dreidimensionalen Form- teils während nur eines Durchlaufs mittels Elektronenenergie modifiziert, indem mehrere (mindestens drei) Elektronenaustrittsfenster derart angeordnet werden, dass diese den Querschnitt des Formteils umschließen, wobei das Formteil zwischen diesen Elektronenaustrittsfenstern hindurchgeführt und somit über den gesamten Querschnittsumfang mit Elektronen beaufschlagt wird.
Von der Firma LINAC Technologies (Technische Beschreibung „ELECTRON BEAM SURFACE STERILISATION SYSTEM 200 KeV - The Ke VAC S") ist eine Vorrichtung zum Sterilisieren der Oberfläche von Formteilen mittels Elektronenenergie bekannt, bei der drei Elektronengeneratoren derart angeordnet sind, dass deren zugehörige Elektronenaustrittsfenster ein Volumen mit dem Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks umschließen, durch das die zu sterilisierenden Formteile in einem Durchlauf hindurchgeführt werden. Mit derartigen Vorrichtungen wird zwar gegenüber bekannten Lösungen, bei denen ein Formteil in mehreren Durchläufen mit Elektronen beaufschlagt wird, der zeitliche Aufwand verringert, der technische Aufwand jedoch erheblich erhöht.
Es sind ähnliche Anordnungen von drei Elektronenaustrittsfenstern bekannt, bei denen die Elektronen jedoch nur mittels eines Generators erzeugt und mittels Ablenksystemen auf die drei Elektronenaustrittsfenster aufgeteilt werden.
Bei den bekannten Einrichtungen, bei denen drei und mehr Elektronenaustrittsfenster ein Formteil umschließen und bei denen über ein gesamtes Elektronenaustrittsfenster eine annähernd gleiche Elektronenenergiedichte abgegeben und ein Formteil nur in einem Durchlauf mit Elektronen beaufschlagt wird, können einzelne Oberflächenteilbereiche des Formteils in Abhängigkeit von dessen Geometrie und dem daraus resultierenden unter- schiedlichen Abstand der Oberflächenteilbereiche von einem Elektronenaustrittsfenster mit einer unterschiedlichen Dosis (Energie pro Flächeneinheit oder Energie pro Masseeinheit) an Elektronenenergie beaufschlagt werden.
Um eine bestimmte Eigenschaft an einem Formteil zu realisieren, ist eine bestimmte Dosis an Elektronenenergie erforderlich. Zweckmäßigerweise wird die Leistung der Elektronenerzeuger derart eingestellt, dass an jenen Oberflächenbereichen, an denen die geringste Dosis ankommt, die dort ankommende Dosis genau oder mindestens der Dosis entspricht, die für das Modifizieren der Eigenschaft erforderlich ist. Alle anderen Oberflächenbereiche des Formteils werden zwangsläufig mit einer erhöhten Dosis beaufschlagt. Diese erhöhte Dosis an Energie wird auch als überdosis bezeichnet. Je höher die überdosis in einzelnen Bereichen eines Formteils ist, umso stärker weichen die Eigenschaften in diesen Bereichen von den Zielparametern ab. Eine überdosis an Elektronenenergie wirkt sich jedoch nicht nur negativ auf die zu modifizierenden Eigenschaften eines Formteils aus, sondern kann auch zu unerwünschten oder gar prozessschädlichen Nebenwirkungen durch das Bilden un- erwünschter Reaktionsprodukte (zum Beispiel Ozon) im Prozessgas (zum Beispiel Luft) führen.
Ein als überdosisfaktor bezeichneter Parameter gibt an, um das Wievielfache eine erforderliche Dosis zum Einstellen einer gewünschten Eigenschaft überschritten wird. Mit den bekannten Einrichtungen werden in Abhängigkeit von der Geometrie zu modifizierender Formteile in einzelnen Oberflächenbereichen überdosisfaktoren erreicht, die für viele Anwendungen nicht akzeptabel sind, um hinreichend gleichmäßige Eigenschaften über die gesamte Oberfläche zu realisieren und was auch die bereits genannten unerwünschten Nebenwirkungen mit sich bringt.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere soll die Vorrichtung geeignet sein, Eigenschaften dreidimensionaler Formteile mit einem geringen zeitlichen und technischen Aufwand zu modifizieren. Dabei soll der überdosis- faktor so gering sein, dass dieser den technisch/technologischen Anforderungen der Formteile entspricht.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Ging man im Stand der Technik bisher davon aus, dass mindestens drei Elektronen- austrittsfenster erforderlich sind, um den Querschnittsumfang eines dreidimensionalen Formteils in einem Durchlauf vollständig mit Elektronen beaufschlagen und gewünschte Eigenschaftsveränderungen herbeiführen zu können, hat sich überraschend gezeigt, dass hierfür oftmals nur zwei gegenüberliegend angeordnete Elektronenaustrittsfenster erforderlich sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Eigenschaftsänderung eines dreidimensionalen Formteils mittels Elektronen umfasst mindestens einen Elektronengenerator zum Erzeugen von beschleunigten Elektronen und zwei Elektronenaustrittsfenster, wobei die beiden Elektronenaustrittsfenster gegenüberliegend angeordnet sind und einen Prozessraum begrenzen, durch den das Formteil mittels eines Formteilführungssystems hindurchführbar und währenddessen die gesamte Oberfläche, die gesamte Randschicht oder das gesamte Volumen des Formteils in einem Durchlauf mit Elektronen beaufschlagbar ist.
Eine derartige Vorrichtung ist besonders geeignet für Formteile, die einen weitestgehend runden, ovalen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Damit können jedoch auch Formteile mit andersartigem Querschnitt modifiziert werden.
Zum Erzeugen der beschleunigten Elektronen kann ein Elektronengenerator verwendet werden, von dem die Elektronen mit einer entsprechenden Umlenksteuerung auf die beiden Elektronenaustrittsfenster aufgeteilt werden. Alternativ kann jedoch auch jedem
Elektronenfenster ein separater Elektronengenerator zugeordnet sein. Als Elektronengenerator sind sowohl Bandstrahler als auch Axialstrahler geeignet.
Allein mit einer parallelen Ausrichtung der gegenüberliegenden, eben ausgebildeten Elektronenaustrittsfenster konnten während der Elektronenbehandlung von Formteilen mit weitestgehend trapezförmigem Querschnitt maximale überdosisfaktoren realisiert werden, die unter 4 lagen, wohingegen bei der Behandlung gleicher Formteile in Vorrichtungen nach dem Stand der Technik überdosisfaktoren von weit über 4 hingenommen werden mussten. Gegenüber bekannten Lösungen werden somit einerseits Energie gespart und andererseits aufgrund des geringeren Ausstoßes an Ozon prozessschädigende Nebenwirkungen reduziert.
In diesem Zusammenhang wirkt sich auch ein Sensorsystem vorteilhaft aus, welches erfasst, ob sich ein Formteil im Prozessraum befindet und in Abhängigkeit davon das Erzeugen von Elektronen steuert, so dass die Leistung der Elektronengeneratoren beispielsweise dann, wenn sich ein Formteil im Prozessraum befindet, auf einen prozessspezifischen Wert eingestellt wird und anderenfalls abgesenkt bzw. auf Null reduziert wird.
Bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung kann der maximal auftretende überdosisfaktor bzw. ein gleichmäßiges Beaufschlagen der Formteiloberfläche mit Elektronen weiter optimiert werden, indem die beiden Elektronenaustrittsfenster in Abhängigkeit von der Geometrie eines zu behandelnden Formteils in einem Winkel zueinander ausgerichtet werden, so dass möglichst viele Oberflächenabschnitte des Formteils mit annähernd gleichem Maß vom gegenüberliegenden Elektronenaustrittsfenster beabstandet sind.
Neben eben geformten Elektronenaustrittsfenstern können diese beispielsweise auch zum Formteil hin konkav ausgebildet oder auch der Geometrie des Formteils angepasst sein, was ebenfalls bewirkt, dass möglichst viele Oberflächenabschnitte des Formteils mit annähernd gleichem Maß vom gegenüberliegenden Elektronenaustrittsfenster beabstandet sind, wo- durch geringere überdosisfaktoren erzielt werden können.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Elektronenerzeuger eine Einrichtung, mittels der die über das zeitliche Mittel betrachtete Verweildauer eines Elektronenstrahls beim Scannen über ein Elektronenaustrittsfenster in einzelnen Teilbereichen unterschiedlich gesteuert werden kann. So kann beispielsweise in den Teilbereichen des Fensters, in denen dem
Fenster Oberflächenbereiche eines Formteils mit großem Abstand gegenüberliegen, die Elektronenenergiedichte erhöht werden gegenüber Teilbereichen des Fensters, in denen dem Fenster Oberflächenbereiche des Formteils mit geringem Abstand gegenüberliegen, so dass möglichst alle Oberflächenbereiche des Formteils die gleiche Dosis absorbieren und somit über die gesamte Oberfläche in der zu modifizierenden Bearbeitungstiefe (Oberfläche, Randschicht oder das ganze Volumen) gleichmäßige Eigenschaften ausgebildet werden. Als Mittel zum Modifizieren der Elektronenenergiedichte über einzelne Teilbereiche eines Elektronenaustrittsfensters können beispielsweise zusätzliche magnetische oder/und elektrische Systeme verwendet werden, welche die Richtung der beschleunigten Elektronen beeinflussen.
Beim Verwenden von Axialstrahlern kann beispielsweise ein zusätzliches Magnetsystem eingesetzt werden, das beim Scannen des Elektronenstrahls über ein Elektronenaustrittsfenster die zeitlich gemittelte Verweildauer des Elektronenstrahls in einzelnen Teilbereichen des Elektronenaustrittsfensters unterschiedlich verlängert oder verkürzt und somit die Elektronenenergiedichte über den Teilbereichen des Elektronenaustrittsfensters erhöht oder verringert.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Elektronenaustrittsfenster bewegbar angeordnet ist. So kann dieses Elektronenaustrittsfenster beispielsweise zu Beginn, wenn ein Formteil in den Prozessraum zwischen beiden Fenstern eingebracht wird, zur Stirnseite des Formteils hin verkippt werden, um stirnseitig das Beaufschlagen mit Elektronen zu verbessern. Beim weiteren Transport des Formteils durch den Prozessraum hindurch kann das Fenster dann in Richtung paralleler Ausrichtung zum gegenüberliegenden Fenster und beim Verlassen des Prozessraumes in Richtung
Rückseite des Formteiles verkippt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass mit dem Fenster andere Bewegungsformen ausgeführt werden. So kann das Fenster beispielsweise zeitweise in Bewegungsrichtung des Formteils mitgeführt werden.
Um festzustellen, ob alle Oberflächenbereiche eines Formteils mit annähernd der gleichen Elektronendosis beaufschlagt werden, kann eine Messeinrichtung eingesetzt werden, die in verschiedenen, für das Beaufschlagen eines Formteils relevanten, Teilbereichen des Prozessraumes Werte erfasst, die die Elektronenenergiedichte charakterisieren. In Abhängigkeit von diesen Messergebnissen kann dann beispielsweise die über ein Elektronenaustrittsfenster
abgegebene Elektronenenergiedichteverteilung gesteuert oder/und das Elektronenaustrittsfenster bewegt werden.
Eine weitere Optimierung bei der Zielstellung, die Eigenschaften gleichmäßig über die gesamte Oberfläche eines Formteils zu modifizieren, ist mittels einer Einrichtung möglich, die über magnetische oder/und elektrische Ablenksysteme nicht nur den Punkt steuert, an dem ein Elektron ein Elektronenaustrittsfenster verlässt, sondern auch die Austrittsrichtung des Elektrons an diesem Punkt. Damit lassen sich noch gezielter bestimmte Oberflächenbereiche des Formteils mit Elektronen beaufschlagen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Elektronenaustrittsfenster als Folie und somit als Druckbarriere zwischen Strahlführungsraum und Prozessraum ausgebildet. Alternativ kann ein Elektronenaustrittsfenster auch als gasdurchlässige Druckstufenanordnung zwischen Strahlführungsraum und Prozessraum ausgebildet sein.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen können beispielsweise zum Modifizieren von Kunststoffen, Sterilisieren von Produkten der Pharmaindustrie, Sterilisieren von Verpackungen oder Desinfizieren von Gegenständen verwendet werden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Elektronenbehandlung zum Zwecke der Vernetzung der Oberflächenschicht eines Formteils 2 im Querschnitt dargestellt. Formteil 2 ist ein länglicher Gegenstand mit trapezförmigem Querschnitt. Vorrichtung 1 besteht aus zwei als Axialstrahler ausgebildeten Elektronenerzeugern 3a, 3b die jeweils einen Elektronengenerator 4a, 4b mit Strahlführungsraum 5a, 5b und ein Elektronenaustrittsfenster 6a, 6b umfassen. Die Elektronenerzeuger 3a, 3b sind derart angeordnet, dass die eben geformten Elektronenaustrittsfenster parallel gegenüberliegend ausgerichtet sind. Zwischen beiden Elektronenaustrittsfenstern 6a, 6b wird Formteil 2 auf einem auf Höhe des Elektronenaustrittsfensters 6b unterbrochenen Förderbandsystems 7 hindurchgeführt und dessen gesamte Oberfläche mit Elektronenenergie beaufschlagt.
Der Elektronenerzeuger 3a ist mit einer Ablenksteuerung 8 gekoppelt, mittels der die über das Elektronenaustrittsfenster 6a verteilte abgegebene Elektronenenergiedichte gesteuert wird, indem die über das zeitliche Mittel betrachtete Verweildauer des vom Generator 3a erzeugten Elektronenstrahls in Teilbereichen des Fensters 6a durch zusätzliche, nicht dar- gestellte Magnetspulen im Strahlführungsraum 5a verändert wird. Dabei wird die Verweildauer des Elektronenstrahls in einem Teilbereich des Fensters 6a umso mehr verlängert je weiter der Oberflächenbereich des Formteils 2, der dem Teilbereich des Fensters 6a gegenüberliegt, entfernt ist. Beim Elektronenaustrittsfenster 6a trifft dies auf die Seitenbereiche des Fensters zu, die den schräg verlaufenden Seiten des Formteils 2 gegenüberliegen.
Next Patent: DISTRIBUTOR DEVICE FOR USE IN METAL CASTING