WO2011054578A1

WO2011054578A1 - Vorrichtung zur strahlungsbehandlung einer beschichtung

Info

Publication number: WO2011054578A1
Application number: PCT/EP2010/063771
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Tobisch; Jürgen Weschke
Original assignee: Dürr Systems GmbH
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2011-05-12
Also published as: DE102009046407A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung (200) einer Beschichtung eines Objekts (252), insbesondere zum Aushärten von Lack. Die Vorrichtung hat eine Strahlungsquelle (208). Sie umfasst wenigstens ein optisches Element (206) für das Zuführen von Strahlung (212) aus der Strahlungsquelle (208) an das Objekt (252). Erfindungsgemäß ist das wenigstens eine optische Element (206) an einer Handhabungsvorrichtung (228) aufgenommen, mittels der zur Einstellung des optischen Weges von der Strahlungsquelle (208) zum Objekt (252) das optische Element (206) relativ zu der Strahlungsquelle (208) und relativ zu dem Objekt (252) verlagerbar ist.

Description

Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung einer Beschichtung Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung einer Beschichtung eines Objekts, insbesondere zum Aushärten von Lack, mit einer Strahlungsquelle und mit wenigstens einem optischen Element für das Zuführen von Strahlung aus der Strahlungsquelle an das Objekt. Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2004 023 539 A1 bekannt. Dort ist eine Vorrichtung für das Aushärten von Lackbeschichtungen an Fahrzeugkarosserien mittels UV-Licht beschrieben. Die Vorrichtung hat ein Fördersystem für Fahrzeugkarosserien. Sie enthält ein Portalgerüst, das mehrere Strahlungsquellen für UV-Licht trägt. Die Strahlungsquellen für UV-Licht sind als Strahler ausgebildet. Die Strahler enthalten eine stabförmige Lichtquelle und einen Reflektor. Die stabförmige Lichtquelle in einem Strahler ist vor dem Reflektor des Strahlers positioniert. Der Reflektor wirkt als optisches Element, welches das nach rückwärts abgestrahlte UV-Licht in die entgegengesetzte Richtung umlenkt. Mittels des Fördersystems können mit Lack beschichtete Fahrzeugkarosserien durch das Portalgerüst an den Strahlungsquellen vorbei bewegt werden. Der Lack auf den Fahrzeugkarosserien wird dabei im Strahlungsfeld der Strahler ausgehärtet. Zur Anpassung an unterschiedliche Oberflächenneigungen einer Fahrzeugkarosserie können die Strahler an dem Portalgerüst bewegt wer- den.

Lacke, die mittels UV-Licht ausgehärtet werden können, enthalten im Regelfall sogenannte Fotoinitiatoren. Diese Fotoinitiatoren werden durch das auf den Lack einwirkende UV-Licht in Radikale verwandelt. Diese Radikale be- wirken eine chemische Reaktion in dem Lack. Bei dieser Reaktion werden Polymerketten des Bindemittels aufgebrochen. Hierdurch entsteht eine Ver- netzung, die zu einer hohen Festigkeit der Lackschicht führt und insbesondere eine hohe Kratzfestigkeit der Oberfläche der Lackschicht bewirkt.

Für das Lackieren von Kraftfahrzeugen werden als Lacke in der Kraftfahr- zeugindustrie verbreitet sogenannte Acrylatsysteme eingesetzt. Diese Lacke können sowohl thermisch mit Heißluft als auch unter Einwirkung von UV- Licht getrocknet werden. Um die Lackschicht eines frisch lackierten Fahrzeugs thermisch zu trocknen, muss die Lackschicht für mehrere Minuten auf eine Prozesstemperatur erwärmt werden. Besonders bevorzugt liegt diese Prozesstemperatur zwischen 145 ^°C und 150 ^°C. Aufgrund der guten Wärmeleitung zwischen Lackschicht und Karosserie muss bei der thermischen Trocknung auch die Fahrzeugkarosserie erheblich erwärmt werden. Das hat einen sehr hohen Energieverbrauch zur Folge. Gegenüber der thermischen Trocknung hat das Härten und Trocknen von Lack mittels UV-Licht den Vor- teil, dass hier weniger Energie verbraucht wird. In alternativen Ausführungsbeispielen sind ähnliche Prozesse auch mit elektromagnetischen Wellen anderer Wellenlänge denkbar, so dass das erfindungsgemäße Prinzip grundsätzlich nicht nur für Systeme mit UV-Licht anwendbar ist. Die Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen anhand von UV-Licht ist daher als beispielhaft zu verstehen.

Durch Einstrahlung von UV-Licht stellt sich die gewünschte Vernetzung bei Acrylatsystemen besonders gut dann ein, wenn die Strahlung in einem Prozessfenster mit definierter Dosis bereitgestellt wird. An der Lackschicht wird hierzu erfindungsgemäß ein Strahlungsfeld mit UV-Licht erzeugt, das über einen bestimmten Zeitraum mit der richtigen Intensität vorliegt. Bei einer Intensität des UV-Lichts von 1 000 mW/cm² im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 400 nm beträgt eine bevorzugte Mindestdauer zur Belichtung für ein Acrylatsystem etwa 1 s. Werden Lacke auf der Basis von Acrylatsystemen unvollständig ausgehärtet, hat dies u.a. das sogenannte„Fogging" zur Folge. Hier tritt über einen langen Zeitraum Lösungsmittel aus dem Lack aus. Die Lackschicht ist dann weniger kratzfest. Das austretende Lösungsmittel kann auch einen unange- nehmen Geruch hervorrufen.

Als Strahlungsquellen für UV-Licht zum Aushärten von Lack eignen sich insbesondere Gasentladungslampen wie z. B. Mitteldruck-Quecksilberdampflampen, Quecksilberdampf-Hochdrucklampen, Metallhalogenidlampen sowie Schwarzlicht-Fluoreszenzlampen. Es sind auch Gasentladungslampen ohne Elektroden bekannt, die durch Mikrowellen gezündet werden. Solche Lampen haben einen länglichen Glaskolben, in dem ein Lichtbogen erzeugt wird.

Der Glaskolben, der für das Aushärten von Lack eingesetzten leistungsstar- ken Gasentladungslampen ist i. d. R etwa 40 cm lang. Die Gasentladungslampen werden bei einer Spannung von ca. 400 V und einem Lampenstrom von ca. 10 A betrieben. Die günstige Betriebstemperatur solcher Lampen liegt im Bereich zwischen 600 ^°C und 900 ^°C. Um diese Betriebstemperatur einhalten zu können, werden die Lampen gekühlt.

Die Energiezufuhr und das erforderliche Kühlen der Lampen hat zur Folge, dass bei einer bewegbaren Anordnung der Lampen ein hoher technischer Aufwand getrieben werden muss. Um mittels der Lampen an der Oberfläche eines Objekts ein Strahlungsfeld zu erzeugen, das ein für die Serienfertigung geeignetes Prozessfenster für das Aushärten von Lack gewährleistet, werden die Lampen wie in der DE 10 2004 023 539 A1 beschrieben, in einer Aufnahmevorrichtungen in Form von Strahlern angeordnet. Die DE 10 2004 023 539 A1 wird diesbe- züglich vollumfänglich in Bezug genommen. Ein solcher Strahler enthält einen Reflektor. Um Acrylatsysteme mit UV-Licht mittels eines solchen Strah- lers hinreichend aushärten zu können, wird der Abstand zwischen Strahler und Lackschicht auf einen Wert von etwa 10 cm ± 5 cm eingestellt, um eine entsprechende Strahlungsintensität zu erhalten. Aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Strahler ist es bislang nicht möglich, den Lack an verwinkelten, schwer zugänglichen Bereichen an der Karosserie von Kraftfahrzeugen, wie z.B. an dem nur über den Kofferraum zugänglichen Kardantunnel bei Limousinen, an den Längsträgern von Kraftfahrzeugen im Bereich der Kotflügel, an der Innenseite von Türen und Tür- Scharnieren zuverlässig mit UV-Licht auszuhärten. Der erforderliche geringe Abstand zwischen Lackschicht und Strahler kann weiterhin dazu führen, dass sich an Kühleinrichtungen des Strahlers Kondensat niederschlägt, das auf die mittels Strahlung behandelte Lackschicht tropft und diese beschädigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung einer Beschichtung eines Objekts bereitzustellen, mittels der insbesondere an verwinkelten, schwer zugänglichen Oberflächen ein Strahlungsfeld mit intensitätsstarker UV-Strahlung erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung der eingangs genannten Art gelöst, bei der das wenigstens eine optische Element an einer Handhabungsvorrichtung aufgenommen ist, mittels der zur Einstellung des optischen Weges von der Strahlungsquelle zum Objekt das optische Element relativ zu der Strahlungsquelle und relativ zu dem Objekt verlagerbar ist. Eine Idee der Erfindung ist insbesondere, das wenigstens eine optische Element derart an einer Handhabungsvorrichtung aufzunehmen, dass es relativ zu einer Halteeinrichtung für die Strahlungsquelle mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden bewegt werden kann. Als Strahlungs- quellen kommen erfindungsgemäß bevorzugt in Betracht: UV-Strahler, IR- Strahler, Röntgenlicht-Strahler und/oder Strahler, die sichtbares Licht emit- tieren. Je nach Strahlungsquelle kann die emittierte Strahlung ein schmal- bandiges oder auch ein breitbandiges Wellenlängenspektrum umfassen. Die Strahlungsquellen können einen thermischen Strahler enthalten oder auch mit einer Laserlichtquelle oder eine Gasentladungslampe ausgeführt wer- den.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Handhabungsvorrichtung für die Aufnahme eines optischen Elements, mit dem Strahlung aus einer Strahlungsquelle einem Objekt zugeführt werden kann, geringeren mechanischen Anforderungen genügen muss und einfacher aufgebaut werden kann, als eine bewegbare Halteeinrichtung für die Strahlungsquelle. Im Unterschied zu einer Strahlungsquelle wird in einer Variante für ein solches optisches Element keine Kühleinrichtung bereitgestellt. Für das optische Element sind dann auch keine aufwändigen elektrischen Versorgungsleitun- gen erforderlich. Ein Grundgedanke der Erfindung besteht deshalb darin, ein Strahlungsfeld zur Strahlungsbehandlung einer an einem Objekt aufgetragenen Beschichtung primär nicht dadurch einzustellen, dass die Strahlungsquelle als Ganzes mit einer Strahleranordnung bewegt wird, sondern dadurch, dass ein optisches Element mittels der Handhabungsvorrichtung ver- lagert wird, um die Strahlung aus der Strahlungsquelle an das Objekt zu führen. Wenn das optische Element nicht gekühlt wird, kann es mit geringem Abstand entlang der Oberfläche einer bestrahlten Beschichtung bewegt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Beschichtung durch Kondensat beschädigt wird.

Günstig ist es, als Handhabungsvorrichtung für das optische Element einen Industrieroboter einzusetzen, der wenigstens zwei, vorzugsweise drei, vier, fünf, sechs oder auch mehr Bewegungsachsen aufweist. Als Handhabungsvorrichtung eignet sich insbesondere ein Industrieroboter mit rotatorischen und/oder translatorischen Bewegungsachsen und einer präzisen und einfach steuerbaren Seriellkinematik. Das optische Element kann z. B. als ein die Strahlung reflektierender Reflektor mit einstellbarer Reflektorgeometrie ausgebildet sein. Das optische Element kann auch mit einer Linse ausgebildet sein. Es kann z. B. eine Sam- mellinse enthalten oder auch eine Fresnel-Linse aufweisen. Insbesondere kann das optische Element ein einstellbares Spiegel-Array umfassen. Als optisches Element eignet sich auch ein Spiegel, der vorzugsweise eine aus Aluminium bestehende Spiegelschicht hat. Ein solcher Spiegel ist vergleichsweise kostengünstig herstellbar. Ein solcher Spiegel kann mit hervor- ragenden Reflexionseigenschaften für UV-Licht im Wellenlängenbereich zwischen 50 nm und 400 nm durch Aufdampfen von metallischen Schichten gefertigt werden. Als optisches Element eignet sich ein Spiegel mit wenigstens einer dichroitischen Spiegelschicht. Aufgrund der wellenlängenselektiven Reflexionseigenschaften eines solchen dichroitischen Spiegels kann so das Wellenlängenspektrum der zu dem Objekt gelenkten Strahlung für die Strahlungsbehandlung der Beschichtung optimiert werden. Besonders geeignet ist ein dichroitischer Spiegel, dessen Reflexionsvermögen für UV- Licht bevorzugt in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 400 nm liegt und der Licht mit einer Wellenlänge größer als 800 nm, d. h. Infrarotstrahlung, nur schwach reflektiert. Damit lässt sich ein unerwünschtes Aufheizen einer mit Strahlung behandelten Beschichtung vermeiden.

Eine Erkenntnis der Erfindung ist, dass für die Strahlungsbehandlung von unebenen Lackoberflächen mit UV-Licht mittels eines optischen Elements in Form eines die Strahlung diffus reflektierenden Reflektors der Lack an der Oberfläche eines Objekts besonders effizient gehärtet werden kann.

Es zeigt sich, dass insbesondere Reflektoren mit einer aus Teflon bestehenden Reflektorschicht zur diffusen Streuung von UV-Licht geeignet sind. Mit einer solchen Reflektorschicht kann UV-Licht im Wellenlängenbereich zwi- sehen 200 nm und 400 nm gleichmäßig in alle Raumwinkelbereiche und ohne wesentliche Strahlungsverluste verteilt werden.

Teflon wird bei der Betriebstemperatur von Gasentladungslampen in Strah- lern für das Erzeugen von UV-Strahlung, die bevorzugt in einem Bereich zwischen 600 °C und 900 °C liegt, physikalisch und chemisch instabil. Deshalb kann im Inneren solcher Strahler kein Reflektor mit Teflonschicht eingesetzt werden. Da sich ein an einer Handhabungsvorrichtung aufgenommener Reflektor mit entsprechendem Abstand von einem Strahler für UV- Licht bewegen lässt, ermöglicht die Erfindung insbesondere, dass auch Teflon enthaltende optische Elemente für die Strahlungsbehandlung von Oberflächen mit UV-Licht eingesetzt werden können, um das UV-Licht zum Aushärten einer Beschichtung an eine Objektoberfläche zu führen. Vorzugsweise ist die Handhabungsvorrichtung für das automatische Auswechseln des an ihr aufgenommenen optischen Elements ausgelegt. Damit wird eine Anpassung der Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung an Objekte mit unterschiedlicher Oberflächengeometrie ermöglicht. Indem der Handhabungsvorrichtung ein Magazin für die Lagerung verschiedener mittels der Handhabungsvorrichtung automatisch aufnehmbarer optischer Elemente zugeordnet ist, kann eine automatische Einstellung der Vorrichtung zur Anpassung der Strahlungsbehandlung an unterschiedliche Objektgeometrien ermöglicht werden. Von Vorteil ist es, die Strahlungsquelle in einem Strahler mit Reflektor anzuordnen, der gerichtete Strahlung erzeugt, die dem optischen Element zugeführt wird. Für das Erzeugen eines Strahlbündels mit gerichteter Strahlung kann der Strahler insbesondere eine Optikbaugruppe mit wenigstens einer Sammellinse und/oder einer Fresnel-Linse aufweisen. Besonders günstig ist ein Reflektor in Form eines Hohlspiegels, der für das Erzeugen eines gerichteten Strahlungsfeldes eine Reflexionsfläche mit konkaver Querschnittsge- ometrie hat. Bevorzugt ist die Geometrie der Reflektionsfläche so gestaltet, dass die Strahlungsflussdichte der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung in einer von der Austrittsöffnung des Hohlspiegels beabstandeten Ebene maximiert ist. Günstigerweise beträgt dieser Abstand ein Mehrfaches des Durchmessers der Austrittsöffnung, insbesondere das zwei-, fünf-, zehn- oder auch zwanzigfache des Durchmessers. Darüber hinaus kann in dem Strahler auch ein Reflektor vorgesehen werden, der eine einstellbare Reflektorgeometrie aufweist. Eine besonders große Variabilität des Strahlungsfeldes am Objekt wird erreicht, indem der Strahler an einer mittels Antrieben verstellbaren Halteeinrichtung aufgenommen ist. Diese Halteeinrichtung kann beispielsweise als Industrieroboter ausgebildet sein, vorzugsweise als ein Industrieroboter, der wenigstens zwei, insbesondere drei, vier, fünf, sechs oder auch mehr Bewe- gungsachsen aufweist. Als Aufnahme für die Strahlungsquelle ist insbesondere ein Industrieroboter mit rotatorischen sowie translatorischen Bewegungsachsen und Seriellkinematik geeignet.

Von Vorteil ist es, für die Strahlungsbehandlung des Objekts ein gasdichtes Anlagengehäuse vorzusehen, in dem die Strahlung der Strahlungsquelle durch eine Inertgasatmosphäre oder durch Vakuum für die Strahlungsbehandlung an die Oberfläche eines Objekts gelangen kann. Auf diese Weise können Absorptions- und Streuverluste für die Strahlung zwischen Strahlungsquelle und Objekt minimiert werden. Das ermöglicht insbesondere ei- nen größeren Abstand zwischen Strahlungsquelle und Objekt, da dann die UV-Strahlung auch bei einem langen optischen Weg zwischen Strahlungsquelle und Objektoberfläche geringere Intensitätsverluste erfährt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schemati- scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. zeigen:

. 1 eine erste Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung der Lackschicht von Lackierten Fahrzeugkarosserien;

Fig. 2 einen Schnitt der Vorrichtung entlang der Linie II-II in Fig. 1 ;

Fig. 3 einen Strahler in der Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung; Fig. 4 einen Schnitt der Vorrichtung entlang der Linie IV-IV in Fig. 1 ;

Fig. 5 bis Fig. 8 weitere Strahler für eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung; Fig. 9 eine Halteeinrichtung mit Strahlungsquelle und eine Handhabungsvorrichtung mit Reflektor in einer zweiten Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung;

Fig. 10 eine Halteeinrichtung mit Strahlungsquelle und eine Handha- bungsvorrichtung mit Reflektor in einer dritten Vorrichtung zur

Strahlungsbehandlung;

Fig. 1 1 einen Reflektor mit veränderbarer Reflektorgeometrie; und Fig. 12 eine Handhabungsvorrichtung mit Optikbaugruppe für eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung.

In der Vorrichtung 2 aus Fig. 1 kann eine Lackschicht 4 an frisch lackierten Fahrzeugkarosserien mittels UV-Licht gehärtet werden. Die Vorrichtung 2 hat ein gasdichtes Anlagengehäuse 6. Das Anlagengehäuse 6 weist zwei Tore 8, 10 auf, die sich öffnen und schließen lassen. In dem Anlagengehäu- se 6 ist eine Fahrzeugkarossehe 12 und eine Fahrzeugkarosserie 14 angeordnet. Die Fahrzeugkarosserien 12, 14 sind jeweils auf einer Linearbewe- gungseinheit 16, 18 positioniert. Mittels der linearen Bewegungseinheit 16, 18 können die Fahrzeugkarosserien 12, 14 entsprechend der Doppel- pfeile 20, 22 bewegt werden. Für das Erzeugen von UV-Licht gibt es in der Vorrichtung 2 mehrere Strahler 24, 26, 38, 44, 46. Jeder Strahler 24, 26, 38, 44, 46 enthält eine Gasentladungsröhre und umfasst einen Reflektor. Die Strahler 24, 26 sind jeweils an einer als Linearbewegungseinheit ausgebildeten Halteeinrichtung 28, 30 aufgenommen. Mittels der Halteeinrichtungen 28, 30 können die Strahler 24, 26 entsprechend der Doppelpfeile 32, 34 verlagert werden. Die Strahler 24, 26 dienen dazu, den Seitenbereich 36 einer Fahrzeugkarosserie 12, 14 mit UV-Licht zu beaufschlagen. Die Strah- ler 38 sind an einen Industrieroboter 40 montiert. Der Industrieroboter 40 hat fünf rotatorische Bewegungsachsen. Mittels des Industrieroboters 40 können die Strahler 38 an der Oberseite 42 der Karosserien 12, 14 bewegt werden.

Die Strahler 44, 46 können mittels eines Industrieroboters 48 und mittels eines Industrieroboters 50 als Halteeinrichtung manipuliert werden. Die Industrieroboter 48, 50 haben ebenfalls fünf angetriebene rotatorische Bewegungsachsen. Die Industrieroboter 48, 50 können mittels eines Schleppkettensystems 51 entsprechend der Doppelpfeile 52, 54 in Längsrichtung entlang einer Fahrzeugkarosserie 14 bewegt werden.

Jedem der Strahler 24, 26, 28, 44, 46 in der Vorrichtung 2 ist ein Kühlsystem zugeordnet. An den Halteeinrichtungen 28, 30, 40, 48, 50 für die Strahler gibt es elektrische Versorgungsleitungen. Die Vorrichtung 2 hat eine Steuerkonsole 55, die außerhalb des Anlagengehäuses 6 angeordnet ist. An dieser Steuerkonsole 55 kann die Vorrichtung 2 gesteuert werden. Die Fig. 2 ist ein Schnitt der Vorrichtung 2 entlang der Linie II-II in Fig. 1 . Der Industrieroboter 48 für den Strahler 46 ist ein Knickarm-Roboter. Er hat ein Karussell 56. Der Roboter umfasst eine Schwinge 58 und einen Arm 60 mit einem Handgelenk 62. Das Handgelenk 62 trägt den Strahler 46. Das Karussell 56 kann mittels eines elektromotorischen Antriebs entsprechend einem ersten mit dem Doppelpfeil 64 kenntlich gemachten rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad um die Drehachse 66 bewegt werden. Das Karussell 56 trägt die Schwinge 58. Die Schwinge 58 ist in einem Drehgelenk 66 an dem Karussell 56 gelagert. In dem Drehgelenk 64 kann die Schwinge 58 mittels eines weiteren elektromotorischen Antriebs mit einem zweiten rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad entsprechend dem Doppelpfeil 68 um die Drehachse 70 bewegt werden. Der Arm 60 ist an der Schwinge 58 mit einem Drehgelenk 72 angelenkt. Er kann dort mittels eines Antriebs mit einem dritten rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad entsprechend dem Doppelpfeil 74 um die Drehachse 76 bewegt werden. Der Arm 60 trägt das Handgelenk 62 des Industrieroboters. An dem Handgelenk 62 kann der Strahler 46 mit rotatorischen Bewegungsfreiheitsgraden entsprechend der Doppelpfeile 78, 80 und 82 um die Drehachsen 84, 86 und 88 bewegt werden.

Der Industrieroboter 50, der den Strahler 44 trägt, ist ein dem Industrieroboter 48 entsprechender Knickarm-Roboter. An dem Handgelenk 90 des Industrieroboters 50 kann der Strahler 44 entsprechend der Doppelpfeile 92, 94 und 96 um die Drehachsen 98, 100 und 102 bewegt werden. Die Strahler 44,46 enthalten jeweils eine Gasentladungslampe 104 und einen Reflektor 106. Die Gasentladungslampe 104 ist eine Hochdruck- Quecksilberdampflampe. Sie erzeugt im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 400 nm intensitätsstarkes UV-Licht.

Die Gasentladungslampe 104 wird bei 400 V Betriebsspannung und 10 A Nennstrom betrieben. Für die Gasentladungslampen 104 ist an den Industrierobotern 48, 50 jeweils ein leistungsstarker Versorgungsstrang 108 für elektrische Energie geführt. Um die Strahler 44, 46 auf einer Betriebstempe- ratur für die Gasentladungslampe 104 zwischen 600 °C und 900 °C zu halten, sind diese über eine an den Industrierobotern 48, 50 geführte Kühlwasserleitung 109 an einen Kühlwasserkreislauf angeschlossen.

Mittels des Reflektors 106 in einem Strahler 44, 46 wird das Licht der Gas- entladungslampe 104 umgelenkt und als parallelisiertes Strahlungsbündel 1 10, 1 12 mit den optischen Achsen 1 14, 1 16 abgegeben. Durch Verstellen der Bewegungsachsen der Industrieroboter 48, 50 kann die Lage und die Richtung der optischen Achsen 1 14, 1 16 der Strahlungsbündel 1 10, 1 12 eingestellt werden.

Die Fig. 3 zeigt die Gasentladungslampe 104 und den Reflektor 106 im Strahler 44. Der Reflektor 106 ist ein sich in Längsrichtung erstreckender Parabolspiegel. Der Parabolspiegel hat eine Brennachse 107. Die Gasentladungslampe 104 des Strahlers 44 ist in der Brennachse 107 des Parabol- spiegeis angeordnet. Die Gasentladungslampe 104 erzeugt UV-Strahlung 109, die von der Wandung des Parabolspiegels reflektiert wird. Die von der Wandung des Parabolspiegels reflektierte UV-Strahlung ist parallelisiert. Mittels des Strahlers 44 wird gerichtete UV-Strahlung 109 erzeugt, die mit der optischen Achse 1 1 1 abgegeben wird. Die Strahler 44, 46 haben die Länge L

Breite B der Strahler beträgt 10 cm.

In der Vorrichtung 2 aus Fig. 1 ist den an den Industrierobotern 48, 50 auf- genommenen Strahlern 44 und 46 ein Reflektor 1 18 und ein Reflektor 120 zugeordnet. Der Reflektor 1 18 und der Reflektor 120 sind mit einer Trägerstruktur ausgebildet, die eine Teflonschicht aufweist, welche das UV-Licht der Strahler diffus reflektiert. Die Reflektoren 1 18, 120 wirken damit als sogenannter diffuser Reflektor.

Der Reflektor 1 18 ist an einer Handhabungsvorrichtung in Form eines weiteren Industrieroboters 122 aufgenommen. Der Industrieroboter 122 ist ein Handhabungsroboter. In der Vorrichtung 2 kann der Industrieroboter 122 auch mit einem Greiferelement betrieben werden, um so robotergesteuert die Türen und die Hauben an einer Fahrzeugkarosserie öffnen und schließen zu können. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn in Anbetracht der zur Verfügung stehenden Taktzeit bei dem Lackier- bzw. Beschichtungs-Prozess für das Substrat an der Fahrzeugkarosserie so viel zeitlicher Spielraum besteht, dass ein Austausch von Greiferelementen und Reflektoren möglich ist.

Der Reflektor 120 ist entsprechend an einer Handhabungsvorrichtung in Form eines Industrieroboters 138 gehalten. Der Industrieroboter 122 hat die gleiche Bauform wie der Industrieroboter 138. Auch der Industrieroboter 138 kann für das robotergesteuerte Öffnen von Türen und Motorhaube an einem Kraftfahrzeug mit einem Greiferelement betrieben werden. Der Industrieroboter 122 und der Industrieroboter 138 sind mittels des Schleppkettensystems 51 entsprechend der Doppelpfeile 154, 158 zu beiden Seiten der Fahrzeugkarosserie 12 verlagerbar. Die Fig. 4 ist ein Schnitt der Vorrichtung 2 entlang der Linie IV-IV in Fig. 1 . Der Industrieroboter 122 ist ein Knickarm-Roboter mit 6 rotatorische Bewegungsachsen 124, 126, 128, 130, 132 und 134 sowie einer Linearbewegungsachse 136. Auch der Industrieroboter 138 hat 6 rotatorische Bewe- gungsachsen 140, 142, 144, 146, 148 und 150 sowie eine Linearbewegungsachse 152.

Mittels der Industrieroboter 122, 138 können die Reflektoren 1 18, 120 mit 6 Bewegungsfreiheitsgraden in den drei Raumrichtungen x,y,z translatorisch verlagert und um die Raumrichtungen entsprechend den Drehachsen α, ß, γ rotatorisch bewegt werden.

Eine oder mehrere Abmessungen der Reflektoren 1 18, 120 sind kleiner als die entsprechenden Abmessungen der Strahler 44, 46. Mittels der Industrie- roboter 122, 138 können die Reflektoren 1 18, 120 in den Strahlengang der mittels der Strahler 44, 46 erzeugten UV-Strahlung bewegt werden, um so den optischen Strahlengang für das UV-Licht von den Strahlern zum Objekt definiert einzustellen. Aufgrund der wenigstens einen im Vergleich zu den korrespondierenden Abmessungen der Strahler 44, 46 kleineren Abmessung des jeweiligen Reflektors 1 18, 120 ist es dabei möglich, die Reflektoren 1 18, 120 mittels der Industrieroboter 122, 138 auch in Abschnitten des Innerraums der Fahrzeugkarosserie 12 zu manipulieren, in dem ein Strahler 44, 46 mit Gasentladungslampe nicht bewegt werden kann. Damit lassen sich auch schwer zugängliche Abschnitte der Karosserie 12 mit UV-Licht beaufschlagen.

Damit die Reflektoren an den Industrierobotern 122 und 138 schnell ausgewechselt werden können, gibt es in der Vorrichtung 2 in Fig. 1 drei Magazine 154, 156 und 158 für die Aufnahme von Reflektoren mit unterschiedlicher Größe, Geometrie und unterschiedlichem Reflexionsverhalten. Die Magazine 154, 156, 158 sind so gestaltet, dass sich die dort abgelegten Reflekto- ren automatisch bzw. von der Bedienkonsole 55 gesteuert mit den Industrierobotern 122, 138 aufnehmen lassen. Entsprechend können die Industrieroboter 122, 138 die nicht eingesetzten Reflektoren dort ablegen. Um Streu- und Absorptionsverluste für die mittels der Strahler 24, 26, 28, 44, 46 in der Vorrichtung erzeugten UV-Strahlung zu minimieren, kann in dem gasdichten Anlagengehäuse 6 eine Vakuumumgebung mit einem Druck im Bereich zwischen 50 mbar und 100 mbar eingestellt werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, in dem Anlagengehäuse 6 eine Inert- gasatmosphäre mit einem Intergas einzustellen, das kein UV-Licht streut bzw. absorbiert und die Sauerstoffinhibierung verhindert.

Nach der Abarbeitung einer kompletten Fahrzeugkarosserie 12, 14 werden die Roboter in ihre Ausgangsstellungen bewegt. Die Fahrzeugkarosserien 12, 14 können dann aus der Vorrichtung 2 ausgefahren werden.

Insbesondere für den Fall, dass eine Werkzeugwechseldauer im Bezug auf die entsprechende Taktzeit im Produktionsprozess eine zu lange, nicht vertretbare Zeitdauer in Anspruch nimmt, können die Reflektoren 1 18 und 120 auch an separaten Handhabungsvorrichtungen angebracht sein.

Ein entsprechender Prozess mit Werkzeugwechsel kann z.B. folgendermaßen ablaufen: Nach dem Einfahren der Fahrzeug karosserien 12, 14 in einen UV-Behandlungsraum werden mittels der Handhabungsroboter zunächst die Türen und/oder Hauben geöffnet, um die von Türen oder Hauben abgedeckten Bereiche der Fahrzeugkarosserie zugänglich zu machen. Daraufhin werden die Strahler 44 und 46 über die Roboter 48 und 50 an die Positionen bewegt, die zur Bestrahlung der Innenbereiche erforderlich und erreichbar sind. Nach diesem Schritt verbleibt dann eine Anzahl zu bestrahlender Be- reiche, die ausschließlich über die von den Strahlern separat angeordneten Reflektoren mit UV-Licht beaufschlagt werden können. Mittels der Handhabungsroboter werden dann zunächst die Türen und Hauben einer Fahrzeugkarosserie in solche Positionen bewegt, die eine günstige Zugänglichkeit der zu bestrahlenden Bereiche der Fahrzeugkarosserie für Strahler und Reflektoren gewährleisten. Für den Fall, dass die Reflektoren an separaten Handhabungsvorrichtungen angebracht sind, werden diese anschließend oder gegebenenfalls auch zeitgleich mit der Bewegung der Tür- und Haubenöffner in die Nähe der zu bestrahlenden Bereiche der Fahrzeugkarosserie bewegt. Dort werden die Reflektoren mit Strahlung aus den UV-Strahlern beaufschlagt. Mittels der Reflektoren wird die UV-Strahlung dann zu den schlecht zugänglichen Bereichen der Fahrzeugkarosserie geleitet.

Wenn ein gemeinsamer Handhabungsroboter für Tür-Hauben-Bewegungen und Reflektorhandling vorgesehen ist, wird dieser günstigerweise nach Positionierung der Türen bzw. Hauben das Handlingswerkzeug ablegen und einen passenden Reflektor aufnehmen, mit dem UV-Licht auf die Fahrzeugkarosserien gelenkt werden kann. Es ist möglich, den Handhabungsroboter auch so auszubilden, dass dieser ohne Werkzeugwechsel sowohl Hand- lings- als auch Reflektoraufgaben übernehmen kann. Für den Fall, dass der Einsatz von unterschiedlichen Reflektoren günstig ist, etwa um eine gleichwertige Bestrahlung von geometrisch unterschiedlich ausgebildeten Bereichen einer Fahrzeugkarosserie zu gewährleisten, kann vorgesehen werden, die Reflektoren zwischen aufeinander folgenden Bestrahlungsschritten aus- zuwechseln.

Für die Bestrahlung einer Fahrzeugkarosserie können ein, zwei oder auch mehrere Paare von Handhabungs- und Strahlungsrobotern zeitgleich eingesetzt werden. Mit dieser Maßnahme lassen sich die Taktzeiten im Produkti- onsprozess verkürzen. Die Fig. 5 zeigt einen Strahler 160 mit einem Reflektor 162. Der Reflektor 162 ist ein Hohlspiegel mit einer konkaven Querschnittsgeometrie. Mittels des Reflektors 162 wird die mit der Gasentladungslampe 164 erzeugte UV- Strahlung 166 in der Achse 168 fokussiert. Der Strahler 160 erzeugt gerich- tete UV-Strahlung, die mit einer optischen Achse 169 aus der Austrittsöff- nung 163 des Reflektors 162 austritt. Die Austrittsöffnung 163 hat einen Durchmesser d. In der von der Austrittsöffnung 163 des Reflektors 162 mit dem Abstand a beabstandeten Ebene 165, in der die Achse 168 verläuft, hat die Strahlungsflussdichte 161 die von der Gasentladungslampe 164 erzeug- ten UV-Strahlung 166 ein globales Maximum 159.

In der Fig. 6 ist ein Strahler 170 mit einem Reflektor 172 gezeigt. Der Reflektor 172 ist ein Hohlspiegel mit einer konkaven Querschnittsgeometrie. Die UV-Strahlung 174 der Gasentladungslampe 176 in dem Strahler 170 wird mittels des Reflektors 172 in ein gerichtetes Strahlenbüschel 178 überführt. Der Öffnungswinkel φ des Strahlenbündels 178 beträgt etwa 50°. Das Strahlenbüschel 178 hat eine optische Achse 180. In der von der Austrittsöffnung 173 des Reflektors 172 mit dem Abstand a beabstandeten Ebene 175 hat die Strahlungsflussdichte 171 der von der Gasentladungslampe 176 erzeug- ten UV-Strahlung ein globales Maximum 179. Hier beträgt der Abstand a ein Mehrfaches des Durchmessers d der Austrittsöffnung 173.

Die Fig. 7 zeigt einen Strahler 182, in dem ein Reflektor 184 mit einer Gasentladungslampe 186 angeordnet ist. Der Strahler 182 umfasst eine Sam- mellinse 188, durch die gerichtete UV-Strahlung 190 mit der optischen Achse 192 bereitgestellt wird.

In der Fig. 8 ist ein Strahler 194 mit einem Reflektor 196 einer Gasentladungslampe 198 gezeigt, der eine Fresnel-Linse 199 aufweist. Durch die Fresnel-Linse 199 wird parallelisierte UV-Strahlung 201 mit der optischen Achse 203 bereitgestellt. Durch die in Fig. 3, 5, 6, 7 und 8 gezeigten Geometrien der Reflektoren für Strahler ist es möglich, gerichtete UV-Strahlung zu erzeugen. Diese Strahlung wird mit einem eine optische Achse aufweisenden Strahlengang auf ein an einer Handhabungsvorrichtung aufgenommen optischen Element gerichtet. Dieses optische Element reflektiert oder streut die auftreffende UV- Strahlung bzw. lenkt diese um, so dass die Strahlung für die Strahlungsbehandlung an die Oberfläche eines Objekts geführt wird. Die Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung 200 mit einer Fahrzeugkarosserie 202. Die Vorrichtung 200 umfasst einen Strahler für UV- Strahlung 204 und einen Spiegel 206 als Reflektor für das in dem Strahler 204 erzeugte UV-Licht. Der Strahler 204 enthält eine Gasentladungslampe 208 und einen Parabolspiegel-Reflektor 210. Der Reflektor 210 hat eine dichroitische Spiegelschicht 21 1 . Der Strahler 204 erzeugt gerichtete UV-Strahlung 212 mit einer optischen Achse 214. Aufgrund der dichroitischen Spiegelschicht 21 1 enthält die von dem Strahler 204 abgegebene UV-Strahlung 212 praktisch kei- ne Infrarot-, d.h. Wärmestrahlung.

Der Strahler 204 ist an einem Gelenkroboter 216 mit Seriellkinematik aufgenommen. Der Gelenkroboter 216 hat vier rotatorische Bewegungsachsen 218, 220, 222, 224 und weist eine translatorische Bewegungsachse 226 auf. Der Spiegel 206 kann mittels einer Handhabungsvorrichtung in Form eines weiteren Gelenkroboters 218 bewegt werden. Der Gelenkroboter 228 hat sechs rotatorische Bewegungsachsen 230, 232, 234, 236, 238, 240 und zwei translatorische Bewegungsachsen 242, 244. Der Spiegel 206 ist insbesondere entsprechend dem Doppelpfeil 246 um die rotatorische Bewe- gungsachse 240 verstellbar. Die Gelenkroboter 216 für den Strahler 204 und der Gelenkroboter 228 für den Spiegel 204 sind einander gegenüberliegend angeordnet. In der Einstellung in Fig. 9 ist der Strahler 204 mittels des Gelenkroboters 216 in die Kofferraumöffnung 248 der Fahrzeugkarosserie 202 bewegt. Hier ist der Strahler 204 über einer Ausnehmung 250 im Kardantunnel 252 der Karosserie 202 angeordnet.

Der Spiegel 206 ist mit dem Gelenkroboter 228 in das Innere des Kardantunnels 252 eingeführt. Die UV-Strahlung 212 aus dem Strahler 204 ist mit der optischen Achse 214 durch die Ausnehmung im Kardantunnel 252 geführt. Im Innern des Kardantunnels 252 trifft sie auf den Spiegel 206. In dem Kardantunnel 252 ist der Spiegel 206 nahe an einer mit Lack beschichteten Oberfläche positioniert, die mittels UV-Licht gehärtet werden soll. Der Abstand des Spiegels 206 von der Oberfläche im Kardantunnel 252 beträgt nur wenige Zentimeter. Mittels des bewegbaren Spiegels 206 kann der optische Weg der mit dem Strahler 204 erzeugten UV-Strahlung 212 eingestellt wer- den, um ein für das Härten von UV-empfindlichem Lack günstiges Strahlungsfeld 254 in einem Oberflächenabschnitt im Kardantunnel 252 einzustellen.

Die Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung 300 mit einem Abschnitt 302 einer Fahrzeugkarosserie. Der Abschnitt 302 der Fahrzeugkarosserie umfasst eine Vordertüre 304, ein Türscharnier 306 sowie den Teil 308 eines Kotflügels. Die Vorrichtung 300 hat einen Strahler 310 mit einer Gasentladungslampe 312 und einem Reflektor 314. Der Strahler 310 ist an einer verstellbaren Halteeinrichtung in Form eines Manipulators 315 aufge- nommen. Für das Einstellen des optischen Weges der mittels des Strahlers 310 erzeugten UV-Strahlung hat die Vorrichtung 300 einen als Spiegel-Array ausgebildeten Reflektor 314. Der Reflektor 314 enthält eine große Anzahl verstellbarer Spiegel 316. Die Spiegel 316 können mittels einer Steuereinrichtung 318 definiert verlagert werden, um auf diese Weise das Strahlungs- feld 320 für UV-Strahlung 322 in den schwer zugänglichen Bereichen des Abschnitts 302 der Fahrzeugkaroserie einzustellen. Die Fig. 1 1 zeigt einen Reflektor 400 mit veränderbarer Reflektorgeometrie, der für den Einsatz in einer Vorrichtung zur Strahlerbehandlung ausgelegt ist. Der Reflektor 400 weist mehrere verstellbare, mittels Drehgelenken 401 verbundene Glieder 402, 404, 406 auf, die jeweils mit einer dichroitischen Spiegelschicht 410 verspiegelt sind.

Die Fig. 12 zeigt eine Handhabungsvorrichtung 500 mit einer Optikbaugruppe 502, die Linsen 504 enthält, um den optischen Weg der mittels eines Strahlers erzeugten UV-Strahlung in einer Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung einzustellen.

Zusammenfassend sind die folgenden bevorzugten Merkmale der Erfindung festzuhalten:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung 2 einer Beschichtung eines Objekts 14, insbesondere zum Aushärten von Lack. Die Vorrichtung hat eine Strahlungsquelle 104. In der Vorrichtung 2 gibt es wenigstens ein optisches Element 1 18, 120 für das Zuführen von Strahlung 109 aus der Strahlungsquelle 104 an das Objekt 14. Das wenigstens eine optische Element 1 18, 120 ist an einer Handhabungsvorrichtung 122, 138 aufgenommen. Zur Einstellung des optischen Weges von der Strahlungsquelle 104 zu dem Objekt 14 kann das optische Element 1 18, 120 relativ zu der Strahlungsquelle 104 und relativ zu dem Objekt 14 verlagert werden.

Claims

Patentansprüche

1 . Vorrichtung zur Strahlungsbehandlung (2, 200, 300) einer Beschich- tung eines Objekts (14, 252, 304) , insbesondere zum Aushärten von Lack,

mit einer Strahlungsquelle; und

mit wenigstens einem optischen Element (1 18, 120, 206, 314) für das Zuführen von Strahlung (109, 166, 190, 208) aus der Strahlungsquelle (104, 164, 186, 198, 176, 210, 312) zu dem Objekt (14, 252, 304); dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (1 18, 120, 206, 314) an einer Handhabungsvorrichtung (122, 138) aufgenommen ist, mittels der das optische Element (1 18, 120, 206, 314) relativ zu der Strahlungsquelle

(104, 164, 186, 198, 176, 210, 312) und relativ zu dem Objekt (14, 252, 304) zur Einstellung des optischen Weges von der Strahlungsquelle (104, 164, 186, 198, 176, 210, 312) zum Objekt (14, 252, 304) verlagerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle an einer Halteeinrichtung (48,50) aufgenommen ist und das wenigstens eine optische Element (1 18,120,206,314) relativ zu der Halteeinrichtung (48,50) mit mehreren Bewegungsfreiheitsgra- den bewegbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungsvorrichtung als ein wenigstens zwei, vorzugsweise drei, vier, fünf oder sechs Bewegungsachsen aufweisender Industrie- roboter (122, 138) ausgestaltet ist, insbesondere als ein Industrieroboter (122, 138) mit rotatorischen Bewegungsachsen und Seriellkinema- tik.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einen die Strahlung reflektierenden Reflektor (400) mit vorzugsweise einstellbarer Reflektorgeometrie umfasst.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einen Spiegel (206) aufweist, vorzugsweise einen Spiegel mit einer aus Aluminium bestehenden Spiegelschicht und/oder einen Spiegel mit einer dichroitischen Spiegelschicht.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein einstellbares Spiegel-Array (314) umfasst.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einen die Strahlung diffus reflektierenden Reflektor (1 18, 120) umfasst, vorzugsweise einen Reflektor mit einer aus Teflon bestehenden Reflektorschicht.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (502) eine Linse (503, 504) umfasst, insbesondere eine Fresnel-Linse (199).

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungsvorrichtung (122, 128) für das automatische Auswechseln des an ihr aufgenommenen optischen Elements (1 18, 120) ausgelegt ist. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Handhabungsvorrichtung (122, 138) ein Magazin (154, 156, 158) für die Lagerung verschiedener mittels der Handhabungsvorrichtung (122, 138) automatisch aufnehmbarer optischer Elemente (1 18,120) zugeordnet ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (104, 176) in einem Strahler mit Reflektor (106, 172) angeordnet ist, insbesondere in einem Strahler (44, 170) mit Reflektor, der eine einstellbare Reflektorgeometrie hat.

Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (162, 172) für das Erzeugen eines gerichteten Strahlungsfeldes als Hohlspiegel ausgebildet ist, der eine Reflexionsfläche mit konkaver Querschnittsgeometrie hat, welche die Strahlungsflussdichte (161 , 171 ) der von der Strahlungsquelle (104, 176) abgegebenen Strahlung (166, 174) in einer von der Austrittsöffnung (163, 173) des Hohlspiegels für Strahlung beabstandeten Ebene (165, 175) maximiert.

Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (182) für das Erzeugen eines Strahlbündels mit gerichteter Strahlung (190) eine Optikbaugruppe mit wenigstens einer Sammellinse (188) und/oder einer Fresnel-Linse (199) aufweist. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (44, 46) an einer mittels Antrieben verstellbaren Halteeinrichtung (48, 50) aufgenommen ist, insbesondere an einer als Industrieroboter (48,50) ausgebildeten Halteeinrichtung, wobei der Industrieroboter vorzugsweise ein wenigstens zwei, insbesondere drei, vier, fünf oder sechs Bewegungsachsen aufweisender Industrieroboter (48,50) ist, insbesondere ein Industrieroboter mit rotatorischen Bewegungsachsen und Sehellkinematik.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Strahlungsbehandlung des Objekts (14) ein gasdichtes Anlagengehäuse (6) vorgesehen ist, in dem die Strahlung der Strahlungsquelle (104) durch eine Inertgasatmosphäre oder durch Vakuum zum Objekt (14) gelangen kann.