Vorrichtung und Verfahren zur Eigenschaftsänderung dreidimensionaler Formteile mittels Elektronen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren 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, Verpackungen oder Stränge und Profile aus verschiedenen Materialien (zum Beispiel Kunststoffe, Papier) werden in unterschiedlichen Branchen (zum Beispiel Verpackungsindustrie, Pharmazie, Medizintechnik, Kunststoffindustrie) eingesetzt. Für bestimmte Anwendungen ist eine Eigenschafts- änderung (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 Elektronenenergie- dichten beaufschlagt werden, was zu unterschiedlichen Eigenschaften führen würde.

Nach dem Stand der Technik wird die gesamte Oberfläche eines dreidimensionalen Formteils 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 (absorbierte 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 und ein Verfahren zu schaffen, mittels denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere sollen Vorrichtung und Verfahren geeignet sein, Stoffeigenschaften dreidimensionaler Formteile mit geringem zeitlichem Aufwand zu modifizieren. Dabei soll der überdosisfaktor möglichst auf der gesamten Formteiloberfläche gering sein bzw. sollen gleichmäßige Stoffeigenschaftsänderungen auf der gesamten Oberfläche, Randschicht oder im gesamten Volumen der Formteile durchgeführt werden können.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zur Stoffeigenschaftsänderung eines dreidimensionalen Formteils mittels Elektronen, umfassend mindestens einen Elektronengenerator zum Erzeugen beschleunigter Elektronen, mit denen die gesamte Oberfläche, Randschicht oder das gesamte Volumen des Formteils während eines Prozessdurchlaufs beaufschlagbar ist, und mindestens drei Elektronenaustrittsfenster, wobei die Elektronen- austrittsfenster derart angeordnet sind, dass diese den Querschnitt eines Prozessraumes weitgehend vollständig umschließen, wobei mittels einer ersten Einrichtung die über die Fläche mindestens eines Elektronenaustrittsfensters abgegebene Elektronenenergiedichte derart steuerbar ist, dass über einzelne Teilbereiche des Elektronenaustrittsfensters in Abhängigkeit von der Geometrie des Formteils oder/und der Position des Formteils innerhalb des Prozessraumes unterschiedliche Elektronenenergiedichten abgegeben werden.

Zum Erzeugen der beschleunigten Elektronen kann ein Elektronengenerator verwendet werden, von dem die Elektronen mit einer entsprechenden Umlenksteuerung auf zwei oder mehr Elektronenaustrittsfenster aufgeteilt werden. Alternativ kann jedoch auch jedem Elektronenaustrittsfenster ein separater Elektronengenerator zugeordnet sein. Als Elektronengenerator sind sowohl Bandstrahler als auch Axialstrahler sowie andere Einrichtungen, mit denen beschleunigte Elektronen generierbar sind, geeignet.

Mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise in den Teilbereichen eines Elektronenaustrittsfensters, 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 Bewegungsrichtung 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.

Neben eben geformten Elektronenaustrittsfenstern können einzelne oder alle Elektronenaustrittsfenster beispielsweise auch zum Formteil hin konkav ausgebildet oder der Geometrie des Formteils angepasst sein, was bewirkt, dass möglichst viele Oberflächenabschnitte eines Formteils mit annähernd gleichem Maß vom gegenüberliegenden Elektronenaustrittsfenster beabstandet sind, wodurch geringere überdosisfaktoren erzielt bzw. gleichmäßigere Eigenschaftsmodifikationen durchgeführt werden können. Die Anzahl der Elektronenaustrittsfenster einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nach oben hin unbegrenzt.

Vorteilhaft wirkt sich auch ein Sensorsystem aus, welches erfasst, ob sich ein Formteil im Prozessraum befindet und welches 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. ganz auf Null reduziert wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Elektronenaustrittsfenster bewegbar angeordnet ist. So kann dieses Elektronenaustritts- fenster beispielsweise zu Beginn, wenn ein Formteil in den Prozessraum 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 ursprünglicher Ausrichtung und beim Verlassen des Prozessraumes in Richtung Rückseite des Formteiles verkippt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass mit einem 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 ein Elektronenaustritts- fenster 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 vakuumdichte Folie und somit als Druckbarriere zwischen Strahlführungsraum und Prozessraum ausgebildet. Alternativ kann ein Elektronenaustrittsfenster auch als gasdurchlässige Druckstufenanordnung zwischen Elektronengenerator und Prozessraum ausgebildet sein.

Vorhergehend wurden erfindungsgemäße Vorrichtungen nur dahingehend beschrieben, dass mit diesen annähernd gleiche Eigenschaften in allen Teilbereichen eines Formteils umsetzbar sind. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch auch durch die in Teilbereichen separat steuerbare Elektronenenergiedichte dafür geeignet, ein Formteil in Teilbereichen mit unterschiedlichen Stoffeigenschaften auszustatten, wenn dies eine Aufgabenstellung fordert.

Erfindungsgemäße Vorrichtungen können beispielsweise zum Modifizieren der Stoffeigenschaften von Kunststoffformteilen (beispielsweise Kabel, Rohe, Schläuche, Profile, Stränge), Sterilisieren von Ausgangs-, Zwischen- oder Endprodukten der Pharmaindustrie, Sterilisieren von Verpackungen (beispielsweise aus Kunststoff, Pappe oder Papier) oder Desinfizieren von Gegenständen verwendet werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum ändern der Stoffeigenschaften eines dreidimensionalen Formteils mittels Elektronen erzeugt mindestens ein Elektronengenerator Elektronen, die derart durch mindestens drei Elektronenaustrittsfenster, die den Querschnitt eines Prozessraumes weitgehend vollständig umschließen, beschleunigt werden, dass die Elektronen die gesamte Oberfläche, Randschicht oder das gesamte Volumen des Formteils während einer Durchquerung des Prozessraumes beaufschlagen, wobei mittels einer ersten Einrichtung die über die Fläche mindestens eines Elektronenaustrittsfensters abgegebene Elektronenenergiedichte derart gesteuert wird, dass über einzelne Teilbereiche des Elektronenaustrittsfensters in Abhängigkeit von der Geometrie des Formteils oder/und der Position des Formteils im Prozessraum unterschiedliche Elektronenenergiedichten abgegeben werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden mittels einer Messeinrichtung während der Elektronenbehandlung Werte erfasst, die die Elektronenenergiedichte in verschiedenen Teilbereichen des Prozessraumes charakterisieren. In Abhängigkeit von den erfassten Werten kann dann beispielsweise mittels eines Regelkreises die über einzelne Teilbereiche des Elektronenaustrittsfensters abgegebene Elektronenenergiedichte separat gesteuert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass an einem Teilbereich der Formteiloberfläche auch die dafür vorgesehene Elektronenenergiemenge ankommt. Veränderte Elektronenenergie- dichteverhältnisse innerhalb eines Prozessraumes während der Lebensdauer einer Behandlungseinrichtung beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen der Einrichtung, Verunreinigungen eines Elektronenaustrittsfensters oder anderen Prozessschwankungen können durch einen derartigen Regelkreis ausgeglichen 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 gesamten Oberflächenschicht eines Formteils 2 im Querschnitt dargestellt. Vorrichtung 1 besteht aus drei als Axialstrahler ausgebildeten Elektronenerzeugern 3a, 3b, 3c, die jeweils einen Elektronengenerator 4a, 4b, 4c mit Strahlführungsraum 5a, 5b, 5c und ein als vakuumdichte Folie ausgebildetes Elektronenaustrittsfenster 6a, 6b, 6c umfassen. Die drei Elektronenerzeuger sind derart zueinander ausgerichtet, dass deren Elektronenaustrittsfenster den dreieckigen Querschnitt eines Prozessraumes 7 vollständig umschließen. Formteil 2, welches den Querschnitt eines unregelmäßigen Fünfecks aufweist, wird mittels eines nicht dargestellten Transportsystems während der Elektronenbehandlung durch den Prozessraum 7 geführt.

Elektronenerzeuger 3c umfasst des Weiteren eine Steuereinrichtung 8, die mit einem zusätzlichen Ablenksystem 9 in Form eines Magnetspulensystems innerhalb des Strahlführungsraumes 5c gekoppelt ist. Steuereinrichtung 8 und Ablenksystem 9 ermöglichen das unterschiedliche Verändern der über das zeitliche Mittel betrachteten Verweilzeit des von Elektronengenerator 4c erzeugten Elektronenstrahls in verschiedenen Teilbereichen über dem Elektronenaustrittsfenster 6c. Dabei wird die Verweildauer des Elektronenstrahls in einem Teilbereich des Fensters 6c umso mehr verlängert je weiter der Oberflächenbereich des Formteils 2, der dem Teilbereich des Fensters 6c gegenüberliegt, entfernt ist. Beim Elektronenaustrittsfenster 6c trifft dies auf die beiden Seitenbereiche des Fensters zu, die den zum Fenster 6c nicht parallel verlaufenden Seiten des Formteils 2 gegenüberliegen.

Auf diese Weise lässt sich die über die Fläche des Elektronenaustrittsfensters 6c abgegebene Elektronenergiedichte in einzelnen Teilbereichen separat derart steuern, dass annähernd alle Teilbereiche der Oberfläche des Formteils 2, die dem Elektronenaustrittsfenster 6c gegenüberliegen, die gleiche Dosis Elektronenenergie absorbieren und somit nach dem Modifizieren annähernd gleiche Stoffeigenschaften aufweisen.

Bei den Elektronenerzeugern 3a und 3b ist eine derartige zusätzliche Ablenksteuerung für die Elektronen nicht vorhanden, weil alle Oberflächenbereiche des Formteils 2, die den Elektronenaustrittsfenstern der Elektronenerzeuger 3a und 3b gegenüberliegen, parallel zu diesen ausgerichtet sind und eine separate Steuerung der Elektronenenergiedichte in Teilbereichen über diesen Fenstern somit nicht erforderlich ist.