DE19754633A1 - Monochromatic ultra violet radiation curing of varnish coatings - Google Patents
Monochromatic ultra violet radiation curing of varnish coatingsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vernetzen und Härten von Lack auf einem Substrat.The invention relates to a method and an apparatus for Crosslinking and hardening paint on a substrate.
Die UV-Vernetzung (Härtung) von Lacken ist Stand der Technik. Als Quelle für UV-Strahlung werden im Stand der Technik breit bandige UV-Strahler eingesetzt, d. h. es wird ein breites Spek trum von Wellenlängen auf das mit Lack beschichtete Substrat ge richtet. Im Lack sind sog. Photoinitiatoren (PI) beigemischt. Die Photoinitiatoren absorbieren die UV-Strahlung und bewirken die Vernetzung. Entsprechend der breitbandig eingestrahlten UV-Strahlung wurden im Stand der Technik verschiedene Photoinitia toren in einem Lack eingesetzt, so daß über den gesamten Wellen längenbereich der eingestrahlten Strahlung eine hinreichende Ab sorption erfolgt. Photoinitiatoren sind teuer. Werden Photoi nitiatoren beim Vernetzen nicht aktiviert, besteht eine Vergil bungsgefahr für den Lack. Die im Stand der Technik verwendeten herkömmlichen UV-Strahler weisen eine sehr hohe Betriebstempera tur auf (z. B. mehr als 1000°C). Diese hohen Betriebstemperatu ren der UV-Leuchten machen den Einsatz von Kühlluft oder anderen Kühlmitteln erforderlich. Diese Kühlung ist aufwendig und Kühl luft bedingt auch technische Probleme hinsichtlich Staub, Tempe raturgradienten und Luftwirbel.UV crosslinking (curing) of paints is state of the art. In the prior art, the source of UV radiation is wide banded UV lamps used, d. H. it will be a broad spec of wavelengths on the substrate coated with lacquer judges. So-called photoinitiators (PI) are added to the paint. The photoinitiators absorb and cause UV radiation the networking. Corresponding to the broadband radiation UV radiation has been used in the prior art for various photoinitia gates used in a varnish, so that over the entire waves length range of the irradiated radiation a sufficient Ab sorption takes place. Photoinitiators are expensive. Become Photoi initiators not activated during networking, there is a compensation danger of paintwork. The used in the prior art Conventional UV lamps have a very high operating temperature door (e.g. more than 1000 ° C). This high operating temperature UV lights make use of cooling air or others Coolants required. This cooling is complex and cooling air also causes technical problems regarding dust, temperature temperature gradients and air vortices.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Einsatz ei ner monochromatischen Quelle für UV-Strahlung erhebliche Vortei le mit sich bringt. Der Begriff "monochromatisch" bedeutet hier einen relativ engen Wellenlängenbereich der UV-Strahlung, wie er beispielsweise von einem Excimerlaser erzeugt wird, der keine besonderen Mittel für die Wellenlängenselektion (sei es im Reso nator oder außerhalb des Resonators) aufweist. Die Bandbreite eines Excimerlasers ist in diesem Sinne als "monochromatisch" zu verstehen. Wird eine in diesem Sinne monochromatische UV-Strahlungsquelle verwendet, so braucht der Lack vorteilhafter weise nur einen ganz bestimmten Photoinitiatortyp zu enthalten, der beim Aushärten vollständig umgesetzt wird, so daß keine "unverbrauchten" Photoinitiatoren verbleiben, die die oben ange sprochene Vergilbungsgefahr bringen.The invention is based on the knowledge that the use of egg ner monochromatic source of UV radiation considerable advantage le brings with it. The term "monochromatic" means here a relatively narrow wavelength range of UV radiation, as he for example, is generated by an excimer laser that does not special means for wavelength selection (be it in Reso nator or outside the resonator). The bandwidth In this sense, an excimer laser is considered to be "monochromatic" understand. In this sense, it becomes monochromatic UV radiation source used, the varnish needs more advantageous wise to contain only a very specific type of photoinitiator, which is fully implemented during curing, so that none "Unused" photoinitiators remain that the above spoken risk of yellowing.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrich tung zum Vernetzen (Härten) von Lack sind deshalb durch eine in diesem Sinne im wesentlichen monochromatische UV-Strahlungs quelle gekennzeichnet, insbesondere die Verwendung ei nes Excimerlasers.The method according to the invention and the device according to the invention processing for curing (hardening) of lacquer is therefore ensured by an in in this sense essentially monochromatic UV radiation source marked, especially the use of egg excimer laser.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Preferred embodiments of the invention are in the dependent Described claims.
So ist bevorzugt vorgesehen, daß die Wellenlänge der UV-Strahlung im Bereich von 190 bis 250 nm, insbesondere bei etwa 248 nm liegt.It is preferably provided that the wavelength of the UV radiation in the range from 190 to 250 nm, in particular at about 248 nm.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Wel lenlänge der UV-Strahlung, die Absorptionscharakteristik der Photoinitiatoren im Lack und die Leistungsdichte der Strahlung so aufeinander abgestimmt werden, daß die UV-Strahlung über die gesamte gewünschte Dicke der zu härtenden Lackschicht absorbiert wird.Another embodiment of the invention provides that the wel len length of UV radiation, the absorption characteristics of the Photoinitiators in the paint and the power density of the radiation be coordinated so that the UV radiation over the absorbs the entire desired thickness of the lacquer layer to be hardened becomes.
Die Erfindung ermöglicht die homogene Vernetzung und Verhärtung von Lackschichten mit Stärken von 50 µm und mehr.The invention enables homogeneous crosslinking and hardening of layers of paint with a thickness of 50 µm and more.
Wird ein Laser für die Lackhärtung verwendet, so hat dies wei terhin den Vorteil, daß die Laserstrahlung dreidimensional mit optischen Mitteln in einfacher Weise geführt werden kann, und zwar mit relativ großem Abstand zum Objekt (Substrat). Auch ist der Winkel steuerbar, unter dem die Strahlung auf die Objekto berfläche auftrifft.If a laser is used for paint curing, this has white terhin the advantage that the laser radiation with three-dimensional optical means can be performed in a simple manner, and with a relatively large distance to the object (substrate). Is too the angle controllable at which the radiation hits the object surface hits.
Die Verwendung eines Lasers als UV-Strahlungsquelle, insbesonde re eines Excimerlasers, hat weiterhin den Vorteil, daß beim Stand der Technik noch zu verzeichnende technische Probleme hin sichtlich der Dimensionsstabilität des Substrates (beschichteten Objektes) weitgehend überwunden sind. Die Aushärtung mit Laser strahlung ermöglicht eine gezielte lokale Absorption, ohne daß das darunterliegende Substrat (Objekt) stark erhitzt wird. Bei Verwendung von Excimerlasern werden Verbiegungen, mikroskopische Risse des Substrates, Feuchtigkeitsaustritt und andere Phänome ne, die die Qualität der Lackschicht und insbesondere deren Haf tung am Substrat, vermieden.The use of a laser as a UV radiation source, in particular re of an excimer laser, has the further advantage that the State of the art technical problems still to be noted the dimensional stability of the substrate (coated Object) are largely overcome. Laser curing radiation enables targeted local absorption without the underlying substrate (object) is strongly heated. At Using excimer lasers, bending, microscopic Cracks in the substrate, moisture leakage and other phenomena ne, the quality of the paint layer and in particular the Haf processing on the substrate, avoided.
Durch die Parallelität der Laserstrahlung über weite Strecken ist weiterhin gewährleistet, daß der Einstrahlwinkel, unter dem die Strahlung auf die Substratoberfläche auftrifft, genau und reproduzierbar steuerbar ist. Es hat sich gezeigt, daß hierdurch ebenfalls die Qualität der ausgehärteten Lackschicht verbessert werden kann. Der Abstand zwischen der Strahlungsquelle (dem La ser) und dem Substrat ist nicht entscheidend für das Vernet zungsergebnis, so daß bei der Steuerung einer Relativbewegung zwischen Laserstrahlung und Objekt nicht auf den Abstand geach tet zu werden braucht.Due to the parallelism of the laser radiation over long distances it is also guaranteed that the angle of incidence at which the radiation hits the substrate surface, exactly and is reproducibly controllable. It has been shown that this also improved the quality of the hardened lacquer layer can be. The distance between the radiation source (the La ser) and the substrate is not crucial for networking result, so that when controlling a relative movement Do not match the distance between the laser radiation and the object needs to be tested.
Auch ermöglicht die Aushärtung mit Laserstrahlung sehr gute Er gebnisse bei Objekten mit scharfen Kanten. Die Vernetzung er folgt auch auf den Kanten ohne wesentlichen Unterschied zur Ver netzung auf den Flächen.Hardening with laser radiation also enables very good He results for objects with sharp edges. The networking he also follows on the edges with no significant difference to Ver wetting on the surfaces.
Es wird eine gleichmäßige Aushärtung über die gesamte Schicht dicke und eine sehr gute Untergrundhaftung des Lackes erreicht.There will be an even hardening over the entire layer thick and very good substrate adhesion of the paint is achieved.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt: Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to Drawing described in more detail. It shows:
Fig. 1 und 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Lenken von Excimer-Laser strahlung auf eine Lackschicht, die auf ein dreidimensional geformtes Substrat auf getragen ist; und Figures 1 and 2 schematically an embodiment for an arrangement for directing excimer laser radiation on a lacquer layer which is carried on a three-dimensionally shaped substrate. and
Fig. 3 und 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Lenken von Laserstrahlung auf eine Lackschicht, die auf ein dreidimensio nales Objekt aufgetragen ist. FIGS. 3 and 4, another embodiment of an arrangement for directing laser radiation onto a layer of lacquer which is applied to a dreidimensio dimensional object.
Die Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht des optischen Systems und Fig. 2 eine Draufsicht. FIG. 1 shows a side view of the optical system and FIG. 2 shows a top view.
Ein Substrat (Objekt) 10 soll mit einer Lackschicht versehen werden. Das Substrat 10 besteht beim dargestellten Ausführungs beispiel aus einem Holzwerkstoff. Andererseits kann das Substrat beispielsweise auch aus einem Kunststoff, Metall oder einem Ver bundwerkstoff bestehen.A substrate (object) 10 is to be provided with a layer of lacquer. The substrate 10 consists in the illustrated embodiment, for example, from a wood material. On the other hand, the substrate can also consist of a plastic, metal or a composite material, for example.
Die Lackschicht 12 hat eine Stärke von 50 µm.The lacquer layer 12 has a thickness of 50 microns.
Als Quelle für UV-Strahlung dient ein Excimerlaser 14 (Typ EMG 50 von LAMDA PHYSIK) mit KrF-Gas. Der Laser 14 emmitiert bei ei ner Wellenlänge von etwa 248 nm. Besondere Einrichtungen zur Re duzierung der Bandbreite der emmitierten Strahlung 16 weist der Laser 14 nicht auf (also z. B. kein Gitter im Resornator).An excimer laser 14 (type EMG 50 from LAMDA PHYSIK) with KrF gas serves as the source of UV radiation. The laser 14 emits at a wavelength of approximately 248 nm. The laser 14 does not have any special devices for reducing the bandwidth of the emitted radiation 16 (that is to say, for example, no grating in the resorator).
Der Excimerlaser 14 wird gepulst betrieben. Die Repititionsrate der Pulse und die Energie der einzelnen Pulse ist einstellbar.The excimer laser 14 is operated in a pulsed manner. The repetition rate of the pulses and the energy of the individual pulses can be set.
Mit UV-Strahlung vernetzt - und aushärtbare Lacke werden am Markt mit unterschiedlichen Absorptionscharakteristiken gelie fert. Es sind Lacke erhältlich, die bei 248 nm sehr stark absor bieren und Lacke, die bei 248 nm weniger stark absorbieren, also z. B. ein Absorptionsmaximum bei 270 nm aufweisen. Es wurden un terschiedliche Lacke getestet und es hat sich dabei gezeigt, daß es nicht unbedingt erforderlich, ja sogar vorteilhaft ist, einen Lack zu verwenden, der sein Absorptionsmaximum nicht genau bei 248 nm, also der verwendeten Wellenlänge der UV-Strahlungsquelle hat. Wichtig ist, daß die Absorptionscharakteristik der im Lack enthaltenen Photoinitiatoren, die Leistungsdichte der Laser strahlung und deren Wellenlänge so aufeinander abgestimmt sind, daß die UV-Strahlung über die gesamte gewünschte Dicke der zu härtenden Lackschicht möglichst gleichmäßig absorbiert wird, beim beschriebenen Ausführungsbeispiel also über die gesamte Dicke von 50 µm. Diese Optimierung muß experimentell mit dem ge gebenen Lasersystem, den gegebenen Lacken und den gewünschten Lackstärken durchgeführt werden. Wird z. B. die Abstimmung zwi schen der Absorptionscharakteristik der Photoinitiatoren im Lack und der Wellenlänge der UV-Strahlung nicht in der beschriebenen Weise durchgeführt, kann die UV-Strahlung bereits in den oberen Lagen der Lackschicht vollständig absorbiert werden, so daß die unteren Lagen der Lackschicht direkt über dem Substrat nur man gelhaft ausgehärtet werden. Ist umgekehrt die Leistungsdichte der Laserstrahlung, die Wellenlänge der Strahlung und die Ab sorptionscharakteristik der Photoinitiatoren so aufeinander ab gestimmt, daß ein Großteil der UV-Strahlung nicht absorbiert durch die Lackschicht durchtritt, erfolgt eine zu starke Aufhei zung des Substrates mit den oben beschriebenen nachteiligen Fol gen hinsichtlich der Dimensionsstabilität, Rißbildung etc.Crosslinked with UV radiation - and curable coatings are made on Market with different absorption characteristics finished. Lacquers are available that absorb very strongly at 248 nm beers and varnishes that absorb less strongly at 248 nm, that is e.g. B. have an absorption maximum at 270 nm. It was un Different paints tested and it has been shown that it is not absolutely necessary, even advantageous, for one To use paint that does not exactly absorb its maximum 248 nm, i.e. the wavelength of the UV radiation source used Has. It is important that the absorption characteristics of the paint contained photoinitiators, the power density of the laser radiation and their wavelength are so coordinated that the UV radiation over the entire desired thickness of the hardening lacquer layer is absorbed as evenly as possible, So in the described embodiment over the entire Thickness of 50 µm. This optimization must be done experimentally with the ge given laser system, the given paints and the desired Paint thicknesses are carried out. Is z. B. the vote between absorption characteristic of the photoinitiators in the paint and the wavelength of UV radiation not described in the Carried out in this way, UV radiation can already be in the upper Layers of the lacquer layer are completely absorbed, so that the lower layers of the lacquer layer directly above the substrate only one to be cured. Conversely, is the power density of the laser radiation, the wavelength of the radiation and the Ab sorption characteristics of the photoinitiators voted that much of the UV radiation does not absorb passes through the lacquer layer, there is too much heating tion of the substrate with the disadvantageous fol dimensional stability, cracking etc.
Die Fig. 1 und 2 zeigen das optische System zum Lenken der Strahlung des Excimerlasers 14 auf das mit der Lackschicht 12 versehene Substrat 10. Eine Bühne 20 ist gemäß Fig. 1 vertikal auf- und abwärtsbewegbar. Über ein Prisma 18 gelangt der Laser strahl 16 zu einem weiteren Prisma 22 und in ein Doppelprisma 24. Die Anordnung bewirkt eine Aufteilung des Laserstrahls 16 in drei Strahlteile, die jeweils über Linsen 26a, 26b und 26c (Fig. 2) auf die Lackschicht 12 gelangen. Ein Strahlanteil wird vom Doppelprisma 24 geradlinig durchgelassen und über die Linse 26b abgebildet, ein Strahlanteil wird vom Doppelprisma 24 nach oben auf einen Spiegel 28 abgelenkt, von wo er über die Linse 26a auf die Lackschicht 12 gelangt und ein dritter Strahlanteil wird vom Doppelprisma 24 auf einen Spiegel 30 gelenkt, von wo der Strahlanteil über die Linse 26c auf die Lackschicht 12 ge richtet wird. Figs. 1 and 2 show the optical system for directing the radiation of the excimer laser 14 to the resist layer 12 provided with the substrate 10. A stage 20 is shown in FIG. 1 up vertically and abwärtsbewegbar. Via a prism 18 , the laser beam 16 arrives at a further prism 22 and in a double prism 24. The arrangement causes the laser beam 16 to be divided into three beam parts, each of which has lenses 26 a, 26 b and 26 c ( FIG. 2) get the paint layer 12 . A beam component is passed straight through from the double prism 24 and imaged via the lens 26 b, a beam component is deflected upwards by the double prism 24 onto a mirror 28 , from where it reaches the lacquer layer 12 via the lens 26 a, and a third beam component is from the double prism 24 directed to a mirror 30 , from where the beam portion on the lens 26 c is directed to the lacquer layer 12 ge.
Durch Verschieben der Bühne 20 gemäß dem Pfeil P (Fig. 1) wird die Laserstrahlung über die Lackschicht 12 geführt. Es ist vor teilhaft, das Substrat 10 stationär zu halten und den Laser strahl zu bewegen. Die Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 be wirkt eine Strahlaufweitung mittels einer Zerstreuungslinse und hat zur Folge, daß die Laserstrahlung aus unterschiedlichen Richtungen aber genau reproduzierbar auf die Lackschicht und das Substrat 10 gelenkt wird. Es erfolgt mit dieser Anordnung eine weitestgehend homogene Aushärtung der Lackschicht.By moving the stage 20 according to the arrow P ( FIG. 1), the laser radiation is guided over the lacquer layer 12 . It is geous before to keep the substrate 10 stationary and to move the laser beam. The arrangement according to FIGS. 1 and 2 be a beam expansion by means of a diverging lens and has the result that the laser radiation is directed from different directions but exactly reproducible on the coating layer and the substrate 10 . With this arrangement, the coating layer is cured as homogeneously as possible.
Die Fig. 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für optische Einrichtungen zum Lenken der UV-Laserstrahlung. In den Figuren sind aneinander entsprechende oder funktionsähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. FIGS. 3 and 4 show a further embodiment for optical means for directing the ultraviolet laser radiation. Corresponding or functionally similar components are provided with the same reference symbols in the figures.
Auf einer Bühne 20' ist eine in Bezug auf die Bühne 20' bewegba re Platte 34 angeordnet, die ein Prisma 32 und eine Linse 26 ab stützt. Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des optischen Systems und Fig. 4 eine Draufsicht (von oben). Die Bühne 20' ist ent sprechend dem Pfeil P2 vertikal auf- und abwärts verschiebbar. Die Platte 34 ist um eine Achse A entsprechend dem Pfeil P1 drehbar (in Bezug auf die Bühne 20'). Durch Drehung der Platte 34 um die Achse A wird gemäß Fig. 4 die über die Linse 26 auf die Lackschicht und das Substrat 10 gerichtete Laserstrahlung entsprechend dem Pfeil P3 verschwenkt. Auch diese Anordnung er möglicht eine homogene Aushärtung der Lackschicht 12 auf dem Substrat 10. On a stage 20 'with respect to the stage 20 ' movable plate 34 is arranged, which supports a prism 32 and a lens 26 from. FIG. 3 shows a side view of the optical system and FIG. 4 shows a top view (from above). The stage 20 'is accordingly the arrow P 2 vertically up and down. The plate 34 is rotatable about an axis A according to the arrow P 1 (with respect to the stage 20 '). By rotating the plate 34 about the axis A, according to Fig. 4 pivoted directed through the lens 26 onto the resist layer and the substrate 10 the laser radiation according to the arrow P3. This arrangement also enables homogeneous curing of the lacquer layer 12 on the substrate 10.
Bei Verwendung eines Lackes, der zwar bei 248 nm absorbiert, aber bei 285 nm eine Spitze in der Absorptionskurve aufweist, wurden optimale Ergebnisse mit folgenden Einstellungen des La sers erzielt: Es wurde mit Laserpulsen mit einer Energie von 45 mJ/Puls und mit einer Frequenz von 1 Hz gearbeitet. Der Beginn der Vernetzung ist nach 10 Pulsen erkennbar. Der Lack ist dann sofort vollständig durchvernetzt und besitzt eine sehr gute Un tergrundhaftung. Dies bedeutet, daß für eine Fläche von 10 × 20 mm2 und eine Schichtdicke von 50 µm nach 10 Pulsen mit einer Energie von 45 mJ eine vollständige Vernetzung der Lackschicht erreicht ist, ohne daß zuviel überschüssige Energie vom Substrat absorbiert wird. Dies ergibt eine Energiedichte von 250 mJ/cm2, was mit kommerziellen Excimerlasern bei einer Vorschubgeschwin digkeit zwischen Strahl und Substrat von 6 m/min erreichbar ist.When using a lacquer that absorbs at 248 nm, but has a peak in the absorption curve at 285 nm, optimal results were achieved with the following settings of the laser: It was done with laser pulses with an energy of 45 mJ / pulse and with a frequency worked from 1 Hz. The start of networking can be seen after 10 pulses. The varnish is then immediately completely cross-linked and has a very good sub-adhesion. This means that for an area of 10 × 20 mm 2 and a layer thickness of 50 μm after 10 pulses with an energy of 45 mJ, a complete crosslinking of the lacquer layer is achieved without too much excess energy being absorbed by the substrate. This results in an energy density of 250 mJ / cm 2 , which can be achieved with commercial excimer lasers at a feed rate between the beam and the substrate of 6 m / min.
Eine Gitterschnitt-Prüfung ergab einen sehr guten Gitter schnitt-Kennwert im Bereich zwischen Gt1 und Gt2. Eine Abriebprüfung mit Stahlwolle zeigte eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit der Lackschicht.A cross-cut test showed a very good grid Cut characteristic in the range between Gt1 and Gt2. An abrasion test with Steel wool showed a high mechanical resistance of the Paint layer.
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