Anlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mit UV-, NIR- oder IR-Strahlung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mit UV-, NIR- oder IR-Strahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung eines hochreflektierenden flächigen Verbundmaterials in einer derartigen Anlage.

Zur thermischen Behandlung von Oberflächen, Bearbeitung von Materialien und Herstellung von Verbundwerkstoffen werden im industriellen Umfeld vielfach Bestrahlungsverfahren angewendet, bei denen das Bestrahlungsgut mit elektromagnetischer Strahlung mit einem wesentlichen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot (NIR), insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm, beaufschlagt und so erwärmt wird. Strahlung im UV- oder sichtbaren Bereich wird jedoch von vielen Materialien ebenfalls absorbiert und ruft entsprechende thermische Wirkungen hervor. Beim Einsatz von UV-Strahlung für Bearbeitungszwecke, etwa zum Trocknen der Druckfarbe auf schnelllaufenden Druckbildträgern oder zum Härten spezieller Lackformulierungen, ist zudem neben oder vorrangig vor ihrer thermischen Wirkung ihre vernetzungs-initialisierende Wirkung für bestimmte Polymere von Bedeutung.

Bekannt ist bspw. der Einsatz von Bestrahlungsanordnungen zum Trocknen von Lacken, etwa Flüssig- oder auch Pulverlacken, auf Metall, Holz, Papier oder Kunststoffen, vgl. die Patentschriften DE 100 48 361 Cl oder DE 101 08 926 Cl der Anmelderin. Auch zum Trocknen von Farben, Druckfarben, Lasuren oder ölen wird das beschichtete Substrat vielfach mit einer Strahlung beaufschlagt, die in die Be- schichtung und teilweise auch in das Substrat eindringt; für weitere Informationen hierzu sei etwa auf das Patent DE 100 38 896 B4 der Anmelderin verwiesen. Auch zur Streckblasformung von Kunststoffprodukten, bspw. PET-Behältern, werden entsprechende Preforms mit Strahlung beaufschlagt; Details finden sich etwa in der Patentschrift DE 197 36 462 C2 der Anmelderin.

Bei der Realisierung von Applikationen von im nahen Infrarot arbeitenden Bestrahlungsanordnungen werden vielfach Gegenreflektoren auf der der Strahlungsquelle

abgewandten Seite des Bearbeitungsgegenstandes und/oder Seitenreflektoren, ggfs. zur Ausbildung eines im wesentlichen geschlossenen Strahlungsraumes, vorgesehen. Dies gilt insbesondere für Applikationen zur Bestrahlung eines schnell geförderten Bearbeitungsgegenstandes, wie einer Papierbahn, einer Kunststofffolie, eines Metallbandes, eines Elastomerprofiles oder von Preforms o. ä. Hierdurch ergeben sich wesentliche Verbesserungen beim behandelten Produkt und in der Prozessführung.

Die Reflektoren bilden Wandungen einer Bestrahlungszone bzw. eines Strahlungsraumes. Entsprechende Anordnungen sind bspw. den Patenten DE 198 07 643 C2 und DE 198 57 044 C2 sowie den Offenlegungsschriften DE 100 51 641 Al und DE 100 51 642 Al der Anmelderin zu entnehmen. Die unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2005 000 837.2 der Anmelderin beschreibt schließlich die spezielle Auskleidung eines Strahlungsraumes mit kachel-artigen Reflektorplatten mit reflektierender Vorderseite und abstrahlender Rückseite.

Der vorliegenden Erfindung liegt angesichts dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine weiter verbesserte Anlage der gattungsgemäßen Art anzugeben, welche besonders einfach aufgebaut sein kann und mit hoher Energieeffizienz arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der hiervon abhängigen Ansprüche. Im Kontext der Lösung dieser Aufgabe stehen ferner eine neue Verwendung gemäß Anspruch 18 sowie deren Ausgestaltungen in den hiervon abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken einer bis an die Grenzen des praktisch Machbaren getriebenen Verbesserung der Reflexionseigenschaften der Werkstückumgebung ein, um bei bekannten Anlagen dort noch auftretende (und in der Summe durchaus erhebliche) Energieverluste zu minimieren. Hierdurch wird es in überraschend hohem Maße möglich, durch Mehrfachreflexionen auch eine vielfache Beaufschlagung des Werkstücks mit dort noch nicht wirksam gewordenen An-

teilen der Arbeitsstrahlung zu erreichen. Selbst bei Werkstücken mit für die Arbeitsstrahlung ungünstigen Reflexionseigenschaften lassen sich hierdurch Wirkungsgrade von über 40%, bezogen auf eine typische Werkstückbeschichtung, von über 70% (thermisch) erzielen.

Die erfindungsgemäß mögliche erhebliche Steigerung des Anlagen-Wirkungsgrades erhöht natürlich zum einen die Energieausbeute, sie schlägt sich aber auch deshalb in verringerten Prozess- und damit Produktkosten nieder, weil sich die Kühleinrichtungen einer derartigen Anlage geringer dimensionieren lassen oder auf besonders aufwändige Kühlungen (Flüssigkeitskühlung) ggf. zugunsten weniger aufwendiger Kühlverfahren (Gebläseluftkühlung) verzichtet werden kann.

Zur Umsetzung dieses Prinzips schließt die Erfindung weiter den Gedanken ein, die Innenwandung einer Bestrahlungskammer mindestens zum überwiegenden Teil - bevorzugt so vollständig als möglich - mit einem hochreflektierenden flächigen Verbundmaterial auszukleiden, welches seine ausgezeichneten Reflexionseigenschaften auch bei der üblichen hohen thermischen Belastung und im Anlagen- Dauerbetrieb behält. In diesem Sinne ist ein Verbundmaterial vorgesehen, das auf einem Metallblech-Träger eine Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 97,5% oder mehr für die UV-, NIR- oder IR-Strahlung und hierauf eine transparente oxidische oder glasartige Korrosionsschutzschicht aufweist.

In einer ersten vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der Träger des hochreflektierenden flächigen Verbundmaterials aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Aluminiumblech eignet sich gut als Substrat für hochreflektierende Beschichtungen und für Bauelemente mit dem hier in Rede stehenden Einsatzzweck auch wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, günstigen Kosten und leichten Bearbeitbarkeit. Alternativ kommen aber auch Stahl- oder Kupfer- oder für spezielle Anwendungen auch andere Metallbleche als Träger des Verbundmaterials in Betracht.

Ein vorteilhaftes Beschichtungsmaterial mit besonders guten Reflexionseigenschaften ist Silber mit hohem Reinheitsgrad, oder auch eine Silberlegierung (etwa mit

Gold). Wegen der Korrosionsneigung stellt eine Ag-Reflexionsschicht aber hohe Anforderungen an die Qualität der überdeckenden Korrosionsschutzschicht, so dass auch eine Beschichtung des Trägers mit Reinst-Aluminium als zweckmäßige Lösung anzusehen ist, insbesondere bei Einsatz von AI-Blech als Träger. Das Aufbringen der Beschichtung auf den Träger erfolgt in zweckmäßiger Weise mit bekannten Va- kuum-Beschichtungsverfahren.

Da sich auch bei sehr hohem Reflexionsgrad - bevorzugt sind Werte von über 99% - beim Einsatz von Höchstleistungs-Strahlern das Reflektormaterial in erheblichem Maße erwärmt, ist vorteilhafterweise die Rückseite des Metallblech-Trägers zur verbesserten Wärmeabstrahlung dunkel gefärbt, insbesondere geschwärzt. Dies begünstigt die Wärmeabstrahlung vom Verbundmaterial bzw., in Verbindung mit einer Fluidstromkühlung der Rückseite, auch die Wärmeableitung bzw. -konvektion von dort.

Speziell in Verbindung mit einer Rückseiten-Kühlung, aber auch unabhängig hiervon aus baulichen und wartungsseitigen Gründen ist ein Aufbau der Strahlungskammer von Vorteil, bei dem das Verbundmaterial der Außenwandung der Bestrahlungskammer mit vorbestimmten Abstand, insbesondere auf einer Tragkonstruktion montiert, vorgeblendet ist.

Im Interesse optimierter Gesamt-Reflexionseigenschaften ist es bevorzugt, dass die Bestrahlungskammer optisch im Wesentlichen allseitig geschlossen ist. Wie bereits weiter oben erwähnt, sollte sie zu diesem Zweck auch so vollständig als möglich mit dem hier vorgeschlagenen Reflektormaterial ausgekleidet sein.

In einer Fortbildung dieses Gedankens ist vorgesehen, dass die Bestrahlungskammer zur Bearbeitung eines durchlaufenden Werkstücks, insbesondere in Form eines Flächenkörpers oder eines quasi-endlosen Bandes, einen an die Abmessungen des Werkstückes mit geringer Toleranz angepassten Ein- und Auslaufbereich aufweist, denen optische Dichtmittel zur Vermeidung von Strahlungslecks zugeordnet sind. Allein schon eine strikt an den funktionswesentlichen bzw. vom Anwender geforderten Toleranzen orientierte Dimensionierung des Ein- bzw. Auslaufbereiches

sorgt für die Verringerung von Strahlungslecks. Zusätzlich in diese Richtung wirkt das Vorsehen geeigneter "optischer Dichtmittel", insbesondere einer Ein- und/oder Auslaufschräge oder -kurve aufweisen, die mindestens abschnittsweise mit dem hochreflektierenden flächigen Verbundmaterial belegt oder verblendet ist.

Zur Realisierung optimaler Gesamt-Reflexionseigenschaften auch in verschiedenen Einsatz-Situationen bzw. bei wechselnden Nutzeranforderungen ist weiter vorgesehen, dass der Ein- und/oder Auslaufschräge oder -kurve Einstellmittel zur Einstellung ihres Neigungswinkels zugeordnet sind und/oder die Ein- und/oder Auslaufschräge mehrere Abschnitte mit unterschiedlichem, wahlweise separat einstellbarem Neigungswinkel aufweist.

Eine vorteilhafte Ausführung der oben erwähnten einfachen und kostengünstigen Kühlsysteme besteht darin, dass die Bestrahlungskammer eine Gasumlaufkühlung aufweist, die die Erzeugung und Führung eines Kühlgasstromes an einer Oberfläche des auskleidenden flächigen Verbundmaterials, insbesondere dessen Rückseite, und nach Erwärmung des Gases über eine Werkstückoberfläche umfasst. Hierdurch wird erreicht, dass nicht nur die Arbeitsstrahlung als solche möglichst vollständig dem Werkstück zugeführt wird, sondern dass auch die unvermeidlich im Reflektor in Wärme umgewandelten Strahlungsanteile der Erwärmung des Werkstücks zugute kommen. Es versteht sich, dass eine bei entsprechenden Einsatzbedingungen sinnvolle Alternative in einer Abführung der erwärmten Luft aus der Bestrahlungskammer und in deren anderweitige Nutzung außerhalb der Kammer bestehen kann, etwa zu einer Vorerwärmung des Werkstücks.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in den anhängenden Ansprüchen und der Beschreibung der Begriff "Werkstück" in seinem allgemeinsten Sinne eines Bearbeitungsobjektes verstanden werden soll, also auch quasi-endlose Flächenkörper oder nicht formgebundene Medien, etwa einen Teilchen- oder Flüssigkeitsstrom, einschließen soll. Weiter wird darauf hingewiesen, dass bei der Benennung von UV-, NIR- oder IR-Strahlung der zwischen diesen Bereichen liegende Bereich der sichtbaren Strahlung keineswegs ausgeschlossen sein soll, sofern das sichtbare Licht im Bezug auf das Werkstück eine Bearbeitungsfunktion hat.

Für gewisse Applikationen, bei denen im Verlaufe der Bestrahlung etwa Lösungsmittel oder andere Bestandteile aus dem Werkstück bzw. einer darauf angeordneten Beschichtung austreten, ist eine Ausführung der Anlage zweckmäßig, bei der in der Bestrahlungskammer zwischen den Strahlern und/oder dem flächigen Verbundmaterial und dem Werkstück eine für die eingesetzte UV-, NIR- und/oder IR- Strahlung hochtransparente Schutzscheibe angeordnet ist. Die Schutzscheibe verhindert eine Verschmutzung der Strahler und/oder des Reflektormaterials. Es versteht sich, dass sie dann selbstverschmutzt und in bestimmten Abständen zu reinigen ist. Dies kann durch eine Kammerkonstruktion erleichtert werden, bei der die Schutzscheibe herausnehm- oder -fahrbar oder durch Aufklappen o.a. leicht zugänglich ist. In Kombination hiermit, oder auch unabhängig hiervon, ist des Weiteren ein Kammeraufbau vorteilhaft, bei dem das auskleidende hochreflektierende Verbundmaterial mindestens abschnittsweise leicht gereinigt und/oder ausgetauscht werden kann. Konkrete Konstruktionsmerkmale einer derartigen Bestrahlungskammer sind aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Im Interesse des grundsätzlichen Zieles, die Arbeitsstrahlung möglichst vollständig in das Werkstück einzuleiten, ist es von Vorteil, wenn die Schutzscheibe mindestens auf der den Strahlern zuwandten Oberfläche mit einer für die eingesetzte UV-, NIR- und/oder IR-Strahlung reflexmindernden Beschichtung versehen ist.

In einer konstruktiv besonders einfachen und somit auch besonders kostengünstigen Ausführung der vorgeschlagenen Anlage ist vorgesehen, dass eine thermische Isolation der Bestrahlungskammer mindestens überwiegend durch das hochreflektierende flächige Verbundmaterial bewirkt wird. Dieses Konzept, welches auch als "light weight thermal insulation" bezeichnet werden kann, wird also die Entkopplung zwischen thermisch hoch belasteter Bestrahlungszone und vor hohen Temperaturen zu schützender Umgebung weitestgehend durch die ausgezeichneten Reflexionseigenschaften der Bestrahlungskammer-Innenseite erreicht, und auf den Einsatz voluminöser und weitgehend manuell zu verarbeitender Wärmeisolierstoffe kann weitgehend verzichtet werden. Besonders gut gelingt dies, wenn die thermische Isolation zur Wirkung des die Bestrahlungskammer auskleidenden hochreflek-

tierenden flächigen Verbundmaterials durch einen an dessen Oberfläche entlangstreichenden Kühlgasstrom unterstützt wird. Aber auch ohne einen rückseitigen Kühlgasstrom, allein durch Anordnung des Reflektormaterials mit Abstand zur Bestrahlungskammer-Außenwand, lassen sich die vergleichsweise guten Wärmeisolationseigenschaften von Luft zur Realisierung des erwähnten Leichtbau-Konzeptes nutzen.

Der extrem hohe Wirkungsgrad und die damit mögliche Leichtbau-Ausführung bedeuten, dass die vorgeschlagene Vorrichtung eine geringe thermische Masse hat und daher besonders schnell in ihrer Temperatur steuerbar ist. Andererseits erfordert die geringe thermische Masse aber auch eine schnelle und hochpräzise Temperatursteuerung, um Temperaturschwankungen des zugeführten Werkstücks oder der Umgebung ohne nachteilige Einflüsse auf die Qualität des Endprodukts schnell kompensieren zu können. Daher ist zweckmäßiger Weise den Strahlern eine im Wesentlichen trägheitslose Leistungssteuerung zur Einstellung einer Prozesstemperatur in der Bestrahlungskammer zugeordnet.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele und -aspekte der Erfindung anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage in einer schematischen Längsschnittdarstellung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage in einer schematischen Längsschnittdarstellung und

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels des bei der erfindungsgemäßen Anlage als Reflektor eingesetzten flächigen Verbundmaterials.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Trocknungsanlage 1 zur Trocknung von Beschichtun- gen auf einem schnell durchlaufenden Metallblech (Coil) 3 mittels naher Infrarot-

Strahlung, die von bei hoher Strahlertemperatur oberhalb von 2900 K betriebenen Glühfaden-Halogenlampen 5 ausgesandt wird.

Die Anlage 1 umfasst eine Bestrahlungskammer 7, in der das Metallblech 3 durch drehende Walzen 9 gelagert ist und die einen Einlaufbereich 11 und einen Auslaufbereich 13 hat, in denen keine Strahler angeordnet sind. Der Einlaufbereich 11 dient hier zugleich als Vorwärmbereich, während der Auslaufbereich 13 als Nach- temperzone wirken kann.

Der Mittenbereich der Anlage, die eigentliche Bestrahlungskammer 7 hat in der dargestellten Ausführung im Wesentlichen Trapezform mit einer zum durchlaufenden Metallblech 3 und zur Boden-Wandung 7.1 parallelen Decken-Wandung 7.2 und in einem stumpfen Winkel zur Boden-Wandung 7.1 geneigten stirnseitigen Wandungen 7.3. Der Ein- und Auslaufbereich 11, 13 sind in ihrer Durchlassweite knapp auf die für den schnellen Durchlauf des Bleches 3 festgelegten Toleranzen abgestimmt, wobei die lichte Weite des Einlaufbereiches 11 aus einem weiter unten zu erläuternden Grund etwas größer bemessen ist als diejenige des Auslaufbereiches 13. Die Oberseiten beider Bereiche sind geringfügig gegenüber der Ebene des Blechs 3 geneigt.

Praktisch die gesamte Innenfläche der Bestrahlungskammer 7, wie auch die Oberseiten des Ein- und Auslaufbereiches 11, 13 sind mit einem hochreflektierenden Flächenmaterial 15 ausgekleidet. Dieses ist durch eine geeignete Tragkonstruktion 17 von der Wandung der Bestrahlungskammer 7 beabstandet angebracht, während es auf die oberen Wandungsabschnitte des Ein- und Auslaufbereiches 11, 13 an Befestigungspunkten 19 direkt aufgelegt ist. Auch in den Zwischenräumen zwischen den Walzen 9 ist, auf geeigneten Ständern 19, das Reflektormaterial 15 vorgesehen.

Im übergangsbereich zwischen dem Einlaufbereich 11 und der Bestrahlungskammer 7 ist in der dortigen Stirnwand ein Lufteinlass 21 vorgesehen, über den Gebläseluft in den Zwischenraum zwischen dem Reflektormaterial 15 und der Außenwand der Bestrahlungskammer 7 in der in der Figur mit Pfeilen bezeichneten Strömungsrich-

tung eingeblasen wird. Nach Passieren der Rückseite der die Strahler 5 umgebenden und sich besonders stark erwärmenden Abschnitte der Reflektorkonstruktion 15/17 gelangt die Luft, unterstützt durch geeignete Formgebung der Reflektoreinheiten und eine (nicht dargestellte) Absaugeinrichtung am äußeren Ende des Einlaufbereiches 11, auf die Oberfläche des Metallblechs 3 und strömt entgegen dessen Laufrichtung zum Absaugpunkt am äußeren Ende des Einlaufbereiches 11. Sie bewirkt hierbei eine zusätzliche Erwärmung der Oberfläche des Bleches und kühlt sich dabei selbst im Einlaufbereich 11 etwas ab.

Durch die nahezu vollständige Auskleidung aller Wandungsbereiche der Bestrahlungskammer 7 und der wichtigeren Abschnitte des Ein- und Auslaufbereiches 11, 13 mit dem Flächenmaterial 15 mit extrem guten und stabilen Reflexionseigenschaften, in Verbindung mit der engen Bemessung des Ein- und Auslaufbereiches, gelingt eine herausragend effiziente Ausnutzung der NIR-Strahlung der Strahler 5. Die thermische Effizienz der Anordnung wird durch die Rückführung von hinter den Reflektorflächen entlangstreichender Kühlluft über der Werkstückoberfläche zusätzlich erhöht. Zudem kann aufgrund der besonders wirksamen Rückreflexion der Arbeitsstrahlung, in Verbindung mit der speziellen Kühlluftführung, weitgehend auf eine spezielle Wärmeisolation der Bestrahlungskammer 7 verzichtet werden.

Fig. 2 zeigt als weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsanlage eine hier mit der Ziffer 1' bezeichnete Abwandlung der Anlage 1 aus Fig. 1, zur Trocknung und/oder Vernetzung einer Beschichtung auf einem Metallblech 3. Soweit diese Anlage gleiche oder funktionell übereinstimmende Teile wie die Anlage 1 aufweist, sind diese mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet und werden hier nicht nochmals erläutert. Ein wesentlicher konstruktiver Unterschied besteht darin, dass die Bestrahlungskammer T bei dieser Ausführung gekrümmt an die Decken-Wandung angeformte (in der Figur nicht gesondert bezeichnete) Stirnwandbereiche hat, ihre Wandung im oberen Bereich also als Gewölbe 7.2' ausgeführt ist. Dieser Teil der Bestrahlungskammer ist mit direkt auf der Wandung aufliegendem flächigen Reflektormaterial 15 verkleidet, welches an Befestigungspunkten 19 mit der Wandung verbunden ist. Im Einlaufbereich 11' und Auslaufbereich 13' ist eine massive obere bzw. Deckenwand entfallen und lediglich frei

aufgeständertes flächiges Reflektormaterial 15 vorgesehen. Während dieses im Auslaufbereich 13' fest angebracht ist, ist im Einlaufbereich 11' seine Neigung durch geeignete Stellmittel 23 verstellbar.

Eine Kühlluftzuführung befindet sich bei dieser Ausführung am übergang zwischen der Bestrahlungskammer 7' und dem Auslaufbereich 13' und ist hier mit 21' bezeichnet. Wie durch den Verlauf der Pfeile dargestellt, strömt die Kühlluft hier im Wesentlichen nur an der Oberfläche des Metallblechs 3 entlang zum Einlaufbereich 11' und wird dort abgesaugt; eine Luftkühlung der Reflektorflächen 15 ist also hier nicht vorgesehen; es können aber gesonderte (nicht dargestellte) Kühleinrichtungen für die Strahler 5 vorhanden sein.

Fig. 3 zeigt schematisch den Querschnitt einer Ausführungsform des zur Auskleidung der Bestrahlungskammern eingesetzten hochreflektierenden Flächenmaterials 15. Dieses ist auf einem AI-Blech 15a mit hoher Walzgüte durch Vakuum-Abscheidung einer Reinst-Al-Schicht 15b mit einer Reinheit von mindestens 99,99% und anschließender Abscheidung einer hochtransparenten SiO ₂ -Schicht 15c auf der Reflexionsschicht 15b gebildet und auf der der Reflexionsschicht 15b gegenüberliegenden Oberfläche des Trägers 15a durch Anodisieren mit einer fest haftenden schwarzen Schicht 15d versehen.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Konstruktionsbeispiel und den dargestellten bevorzugten Aufbau des hochreflektierenden flächigen Verbundmaterials beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Insbesondere sollen sämtliche möglichen Kombinationen der Merkmale der abhängigen Ansprüche als im Schutzbereich der Erfindung liegend angesehen werden.