DE3737455A1 - Einrichtung und verfahren zum erzeugen von farbmustern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen von Farbmustern auf Oberflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Markieren von Oberflächen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft das automatische Aufbringen von Ziermarkierungen auf Automobilen während ihrer Herstellung.

Beim Aufbringen von Schutzüberzügen und Zierstreifen oder Markierungen auf einer Vielzahl von Handelswaren hat man schon lange versucht, einen möglichst hohen Automationsgrad zu erzielen. Ein derartiges Beispiel betrifft das automatische Lackieren von Automobilen unter Verwendung einer Vielzahl von Robotern in aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstationen. Während das Auftragen eines Schutzüberzugs auf ein Automobil im wesentlichen automatisiert ist, stießen Versuche zum automatischen Aufbringen von Zierelementen in der Autofarbe, wie beispielsweise Streifenmuster oder Monogramme, auf Probleme.

Bei der Herstellung von Automobilen ist es heute üblich, Zierstreifen längs verschiedener Teile der Karosserie aufzubringen. Beispielsweise werden relativ häufig Streifenmuster auf Automobile aufgebracht. Derartige Streifenmuster bestehen aus engen Farblinien, mit denen gewisse Teile der Karosserie hervorgehoben werden sollen. In den Automobilherstellwerken ist das Aufbringen von derartigen Streifenmustern ein echt manueller Vorgang. Im allgemeinen gibt es zwei Methoden, um Streifenmuster auf Automobile aufzubringen. Welches dieser Verfahren angewandt wird, hängt üblicherweise davon ab, zu welcher Preisklasse das hergestellte Auto gehört. Ein Verfahren zum Aufbringen von Streifenmustern verwendet einen Kunststoffilm, der eine gewisse Ähnlichkeit mit einer Rolle Klebeband aufweist. Dieser Kunststoffilm wird manuell auf den gewünschten Teil der Karosserie aufgeklebt. Ein zweites Verfahren für teurere Fahrzeuge verlangt das manuelle Aufbringen von Farbe auf das Fahrzeug. Die Automobile auf einem Montageband werden an einer bestimmten Bearbeitungsstation individuell mit Streifen versehen. In vielen Fällen können derartige Bearbeitungsstationen die durchlaufende Menge von Automobilen nicht bearbeiten, so daß Pufferbänder vorgesehen werden, mit deren Hilfe ein Fahrzeug vom Montageband entnommen werden kann, um das Streifenmuster aufzubringen, und später wieder auf das Montageband zurückgeführt wird. Das Verfahren des Farbauftrags von Hand erfordert im allgemeinen, daß eine Führungsvorrichtung an einer gewünschten Stelle des Automobils mit einer Vakuumbefestigung angebracht wird. Ein Arbeiter führt dann ein Werkzeug, das aus einem Rändelrad mit einer Farbzuführungsröhre besteht, längs der Führungsvorrichtung entlang, um den Streifen auszubilden. Mehrfachstreifen verlangen Mehrfachdurchgänge mit verschiedenen Werkzeugen, die sowohl von der Breite als auch der Komplexität des Farbstreifenmusters abhängen und von der Kontur der Autokarosserie. Da die Auftragwalzen gerne abrutschen, sind die sich verengenden Enden eines Zierstreifens sehr schwierig herzustellen. Die Führungsvorrichtung ist schwierig zu handhaben und kann gelegentlich Kratzer auf der Farboberfläche des Automobils hinterlassen. Das gegenwärtig angewendet manuelle Verfahren ist extrem arbeitsintensiv und sollte daher automatisch durchgeführt werden können.

Es wurden schon Versuche durchgeführt, das bisherige manuelle Verfahren zum Auftragen von Streifen einfach dadurch zu automatisieren, daß der Arbeiter durch einen Roboter ersetzt wird. Jedoch sind dabei fast alle der oben angegebenen Probleme weiterhin aufgetreten und zusätzlich ein noch größeres Problem nicht unwesentlicher Beschädigungen der Karosserie des Automobils durch einen fehlgelenkten Roboter. Um die oben angegebenen Probleme und Schwierigkeiten zu lösen, die sich beim Auftragen von Streifenmustern und Farbverzierungen bei Automobilen ergeben, sollte ein automatisiertes kontaktloses Verfahren zur Verfügung stehen.

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für eine automatische Vorrichtung zum Farbauftrag ohne die oben beschriebenen Probleme eine Farbe vorgeschlagen, die durch Ultraviolettlicht gehärtet werden kann. Im Stand der Technik sind pigmentierte polymerisierte Bindemittel bekannt, die durch Ultraviolett- oder Laserlicht gehärtet werden können. Ein Beispiel dafür ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 38 47 711 zu finden, während andere Farben, die mit Lichtwellenlängen im Ultraviolettbereich gehärtet werden können, aus der Beschreibung der US-Patente 33 64 387, 40 52 280, 41 07 353 und 43 51 708 bekannt sind, sowie aus dem Artikel von Rybny et al. "New Developments in Ultraviolet Curable Coatings Technology". Auf den Inhalt dieser Dokumente wird hier ausdrücklich Bezug genommen.

Es ist außerdem bekannt, Farbe auf eine Automobilkarosserie durch einen Roboter aufzubringen. Beispielsweise beschreibt US-Patent 45 39 932 ein Robotersystem zum elektrostatischen Auftragen von Farbe auf eine Automobilkarosserie, in dem ein Farbauftragmodul enthalten ist, der die Automobilkarosserie in einer stationären Lage relativ zu mindestens zwei Farbauftragrobotern hält. Jeder der Farbauftragroboter trägt eine Sprühvorrichtung und führt eine programmierte Bewegung um fünf Steuerachsen mit einer Geschwindigkeit durch, die verhindert, daß das kegelförmige Muster von zerstäubten Farbpartikeln durch irgendwelche gyroskopische Effekte gestört wird, die sich bei der Bewegung des Sprühgeräts um seine Steuerachsen ergeben können. Ein anderes Beispiel eines Roboters für den Farbauftrag auf eine Fahrzeugkarosserie ist im US- Patent 44 98 414 zu finden. Dort wird ein Farbauftragroboter für eine Fahrzeugkarosserie beschrieben, der automatisch Farbe auf Fahrzeugkarosserien aufbringt, die auf einem Transportband verschoben werden. Zu dem Roboter gehört ein Arm, der auf einem Fußgestell gehaltert ist, das sowohl in vertikalen als auch in horizontalen Ebenen bewegt werden kann, sowie eine Farbauftragvorrichtung zum Sprühen der Farbe auf eine Fahrzeugkarosserie, die in eine Überzugbox gegeben wird.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Einrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen die im Stand der Technik bekannten Schwierigkeiten beim Erzeugen von Farbverzierungen auf die Oberfläche von Gegenständen nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 definierte Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung ist besonders geeignet zum Auftragen von Farbverzierungen auf Automobilkarosserien, sie kann aber auch für beliebige andere Produkte eingesetzt werden, z. B. Haushaltsgeräte, Möbel oder selbst Spielzeuge, die bemalt oder mit Farbe verziert werden sollen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden photoempfindliche Farben verwendet, die unter Lichteinfluß gehärtet werden, beispielsweise mit Ultraviolettlicht. Um eine vorbestimmte Farbverzierung auf eine Oberfläche aufzubringen, beispielsweise eine Automobilkarosserie, wird zuerst ein Streifen der unter UV-Licht härtbaren Farbe auf die Oberfläche aufgebracht. Die Abmessungen des Streifens sind größer als die der gewünschten Farbverzierung, die schließlich entstehen soll. Anschließend wird ein kollimierter Laserlichtstrahl im Ultraviolettbereich oder Licht aus einer breitbandigen Ultraviolettstrahlungsquelle entsprechend einem vorbestimmten Muster auf den so aufgebrachten Streifen UV-härtbarer Farbe gerichtet. Beispielsweise können Manipulatoren das Licht auf den Farbstreifen in einer Weise richten, daß die Farbe nur entsprechend dem vorbestimmten Muster gehärtet wird. Der Roboterarm kann dabei eine Lichtquelle oder ein Lichtstrahlenbündel selbst manipulieren. Schließlich wird die nicht gehärtete Farbe und aller Farbüberschuß entfernt. Die nicht gehärtete Farbe und der Farbüberschuß werden mit einem ausgewählten Lösungsmittel entfernt, das bezüglich der gehärteten Farboberfläche neutral ist. Bei diesem Prozeß wird eine saubere Kantenqualität für die Farbverzierung erzielt, die auf den schon mit Farbe überzogenen Körper aufgebracht wurde.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Aufbringen von Markierungen auf der Oberfläche eines Artikels mit einem vorbestimmten Satz von Schablonenmustern. Diese Schablonenmuster können zusammen mit einem Laser eingesetzt werden, der ein Laserstrahlenbündel erzeugt und auf die Oberfläche des zu markierenden Artikels richtet, oder mit einer Ultraviolettbreitbandquelle, die zusammen mit geeigneten Fokussierlinsen verwendet wird. Die Schablonenvorrichtung enthält ein Element aus einem Material, das für das Laserstrahlenbündel undurchlässig ist und eine Vielzahl von verschieden geformten Öffnungen aufweist, die den vorbestimmten Satz von Mustern darstellen. Die Schablonenvorrichtung ist so aufgebaut, daß selektiv ein bestimmtes Muster in den Pfad des Laserstrahlenbündels gebracht werden kann, um auf der dem Laser abgewandten Seite der Schablone ein Laserstrahlenbündel zu erzeugen, dessen Querschnitt dem ausgewählten Muster entspricht, das auf der Oberfläche des Artikels erzeugt werden soll. Wenn die Schablone zusammen mit einer Breitbandquelle für Ultraviolettstrahlen verwendet wird, müssen die Linsen auf beiden Seiten der Schablone in geeigneter Weise angeordnet werden, wie es später noch genauer beschrieben wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schablonenvorrichtungen in Form eines drehbaren Schablonenrades ausgebildet, das die Vielzahl von verschieden geformten Öffnungen auf dem Umfang um das Rad aufweist und wobei das Rad gedreht werden kann, um selektiv eine bestimmte Öffnung in den Pfad des durchgelassenen Lichtes zu bringen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vielzahl von Schablonenrädern auf konzentrischen Wellen montiert, wobei jedes Schablonenrad einen verschiedenen Satz von Schablonenmustern aufweist. Jedes Schablonenrad ist mit einer neutralen Öffnung versehen, durch die das Licht im wesentlichen ungehindert hindurchtritt; wenn also ein Muster von einem der Schablonenräder im Lichtweg positioniert ist, werden die anderen Schablonenräder so gedreht, daß ihre neutrale Öffnung im Lichtpfad liegt, der Lichtstrahl also entsprechend dem ausgewählten Muster geformt wird und ungehindert durch die anderen Schablonenräder auf den zu markierenden Artikel auftrifft.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen erläutert, in denen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Roboters zeigt, der in einem Produktionsband zum Aufbringen von Zierstreifen auf ein Automobil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung verwendet wird;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Bearbeitungszelle zum Aufbringen von Farbe zeigt, in der die Merkmale dieser Erfindung enthalten sind;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines optischen Systems zeigt, das in vorbearbeiteten Härteexperimenten mit Ultraviolettlasern verwendet wurde, um das Grundprinzip der Erfindung zu demonstrieren;

Fig. 4 ein typisches Impulsprofil eines Excimerlasers zeigt;

Fig. 5 ein eindimensionales Modell für die Wechselwirkung eines Laserstrahlenbündels mit einer bemalten Metalloberfläche zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm zeigt, das den geschätzten Temperaturanstieg auf der Oberfläche des Grundmaterials als Funktion der Länge des Laserimpulses für mehrere verschiedene Werte der Laserenergiedichte wiedergibt;

Fig. 7 ein Diagramm zeigt, in dem der geschätzte Temperaturanstieg der Farbschicht als eine Funktion der Filmdicke für verschiedene unterschiedliche Werte der absorbierten Laserenergiedichte wiedergibt;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum feinen Farbauftrag nach dieser Erfindung zeigt;

Fig. 9 eine schematische perspektivische Ansicht eines im Stand der Technik bekannten Lasermarkierungssystems zeigt, das eine Schablone verwendet;

Fig. 10 eine schematische perspektivische Ansicht eines Lasermarkierungssystems zeigt, das in einer Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird;

Fig. 11 eine schematische perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des in Fig. 6 dargestellten Lasermarkierungssystems zeigt;

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines optischen Systems zeigt, das in Verbindung mit einem Schablonenrad verwendet wird, bei dem eine breitbandige UV-Lichtquelle eingesetzt wird, um die photoempfindliche Farbe zu härten;

Fig. 13A und 13B in schematischer Weise die Schritte zur Herstellung eines gehärteten Ziermusters zeigen, bei denen eine computergesteuerte Farbauftragvorrichtung mit einer breitbandigen UV-Quelle als Aushärtlampe verwendet wird;

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Sprühdüse zeigt, die in einem Farbsprühprintkopf des Standes der Technik verwendet wird;

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Sprühdüse zeigt, die in einem computergesteuerten Farbauftragsystem eingesetzt werden kann, das UV-härtbare Farbe verwendet;

Fig. 16A und 16B Beispiele von Streifenmustern zeigen, die unter Verwendung der in Fig. 15 dargestellten Sprühdüse hergestellt werden können; und

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer automatischen Farbauftrag- und Aushärtestation mit UV-Licht zeigt, die zum Einsatz für Automobile geeignet ist.

Das Verfahren und die Einrichtung dieser Erfindung betreffen das Markieren eines Substrats und das Auftragen eines Schutzüberzugs aus photoempfindlicher Farbe und/ oder das Auftragen von Farbverzierungen mit einem vorbestimmten Muster auf ein Substrat. Wird das Verfahren gemäß dieser Erfindung bei einer Automobilkarosserie angewandt, so kann insbesondere das heute in der Automobilindustrie angewandte manuelle Verfahren zum Auftragen von Farbstreifen vollständig automatisiert werden. Das System dieser Erfindung kann dazu verwendet werden, auf ein Substrat oder auf ähnliches jede Art von Farbverzierungen zusätzlich zu Streifen aufzubringen, beispielsweise alphanumerische Zeichen und Muster. Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung richtet sich zwar auf das Herstellen von Farbstreifen und Farbverzierungen auf Automobilen, doch ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Verfahren dieser Erfindung auch für die Dekoration und/oder die kundenspezifische Behandlung jedes beliebigen anderen Objekts eingesetzt werden kann, beispielsweise die Erzeugung von Mustern für Autobahn-Hinweisschilder, Hausgeräte usw. Wenn auch eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung das Erzeugen von Verzierungen auf Automobilen betrifft, so ist doch ohne weiteres klar, daß die hier beschriebenen Verfahren und Systeme auch ohne weiteres für eine beliebige Vielzahl von Farbauftraganwendungen eingesetzt werden können.

In einer Ausführungsform verwendet das System zum Auftragen von Farbverzierungen eine Farbe, die mit Ultraviolettlicht ausgehärtet werden kann und die durch einen Roboter in Form eines breiten Streifens auf Automobile aufgetragen wird, die mit einer Farbgrundschicht versehen sind. Dieser breite Streifen ist breiter als die endgültig gewünschte Streifenbreite. Eine Quelle für Ultraviolettlicht, beispielsweise ein Excimer-Laser, der Licht im Ultraviolettbereich aussendet, oder eine breitbandige UV-Quelle wird durch einen Manipulator gesteuert, so daß das Strahlenbündel dieser Lichtquelle die Farbe nur gemäß dem gewünschten Muster oder an der gewünschten Stelle aushärtet. Der Überschuß an nicht gehärteter Farbe mit Einschluß von Übersprühungen wird dann automatisch durch die Verwendung eines Manipulators entfernt. Auf diese Weise wird eine Farbauftragvorrichtung zur Verfügung gestellt, die echt automatisch und berührungsfrei arbeitet und programmierbar ist.

Farben, die mit Ultraviolettlichtstrahlung aushärtbar sind, werden in der Patentliteratur beschrieben, beispielsweise in den US-Patenten 38 47 771; 40 52 280; 41 07 353 und 43 51 708. Die Verwendung einer kollimierten Laserlichtquelle oder einer fokussierten breitbandigen UV-Lichtquelle zum Aushärten der Farbe garantiert die genaueste Kantenformung und die Plazierung der aushärtbaren Farbe auf einem Substrat, die ohne herkömmliche Maskenverfahren erzielt werden kann.

Die Firma Westinghouse Electric Corporation hat ein Manipulatorsystem für allgemeinen Einsatz und orthogonalen Achsen entwickelt und auf den Markt gebracht, das im US-Patent 45 71 149 beschrieben ist. Dieser besondere Manipulator ist ein Manipulatorsystem mit orthogonalen Achsen vom Krangerüsttyp, bei dem für die X- und Y-Achsen ein Antrieb mit Zahnstangengetriebe vorgesehen ist und für den Antrieb in Richtung der Z-Achse eine Kugelumlaufspindel. Dieses Manipulatorsystem verwendet geregelte Gleichstromservoantriebe, die durch herkömmliche numerische Steuerverfahren gesteuert werden. Ein Dreharm erlaubt am Ende der Verschiebestrecke für die Verschiebevorrichtung in X- Achse die horizontale Drehung der Verschiebevorrichtung für die Y-Achse, auf der die Verschiebevorrichtung für die Z-Achse montiert ist, um Arbeitszonen auf beiden Seiten der Verschiebevorrichtung für die X-Achse zu bedienen, oder um die Wartung der Endeffektoren zu vereinfachen, die von der Verschiebevorrichtung für die Z-Achse gehaltert werden.

Dieser nach dem Typ eines Krangerüstes aufgebaute Roboter kann als Träger für eine Excimer-Laserquelle eingesetzt werden, wie es später noch im einzelnen beschrieben wird, oder für eine breitbandige UV-Lichtquelle, oder er kann zusammen mit dem Robotersystem zur Abgabe eines Laserstrahlenbündels eingesetzt werden, wie es im US- Patent 45 39 462 beschrieben ist. Dieses Robotersystem zur Abgabe eines Laserstrahlenbündels enthält eine Vorrichtung zur Führung eines Lichtstrahlenbündels, das es einem reflektierten kollimierten Lichtstrahlenbündel, wie beispielsweise einem Laser, erlaubt, längs eines Weges geführt zu werden, der eine Vielzahl von geraden Segmenten umfaßt. Jedes Segment des Strahlenbündels ist dem Segment eines Roboterarms in einer festen räumlichen Beziehung zugeordnet. Ein derartiges System ermöglicht es einem Roboter, wie beispielsweise dem Krangerüstroboter der Serie 6000, der in dem oben erwähnten Patent beschrieben ist, ein Laserstrahlenbündel an einen beliebigen Punkt innerhalb des Arbeitsbereichs des Roboters abzugeben.

Fig. 1 zeigt ein Manipulatorsystem 113 mit drei senkrechten Achsenverschiebevorrichtungen, nämlich der Verschiebevorrichtung 115 für die X-Achse, der Verschiebevorrichtung 117 für die Y-Achse und der Verschiebevorrichtung 119 für die Z-Achse. Ein Drehgelenkmechanismus 121 mit Mehrfachachsen kann mechanisch an der Verschiebevorrichtung 119 für die Z-Achse befestigt werden, um geeignete Endeffektoren aufzunehmen, die zur Durchführung der Lehre dieser Erfindung notwendig sind.

Die betriebsfähige Kombination der Verschiebevorrichtungen für die X-, Y- und Z-Achsen wird in einer Konfiguration vom Krangerüsttyp durch die vertikalen Haltelemente 123 gehaltert, die auf dem Boden 125 der Arbeitsvorrichtung befestigt sind. Die Steuerung der Betriebsweise des Manipulatorsystems 113 nach Art einer Werkzeugmaschine ist in einer herkömmlichen Konsole 127 für numerische Steuerungen enthalten, die von der Firma Westinghouse Electric Corporation erhältlich ist. Die Konfiguration der Verschiebevorrichtungen für die X-, Y- und Z-Achsen gemäß dem Typ einer Werkzeugmaschine mit orthogonalen Achsen ergibt bei der erhöhten Anordnung in der Konfiguration eines Krangerüsts einen optimierten Arbeitsbereich, der der Arbeitszone mit rechteckigem Volumen entspricht. Diese Konfiguration des Manipulatorsystems mit orthogonalen Achsen gemäß einem Krangerüst verringert wesentlich die Anzahl der Gelenkbetätigungen, die erforderlich sind, um das gewünschte Arbeitsverfahren durchzuführen und setzt weiterhin die Anforderungen für Hilfsgeräte herab. Ein impulsbreitenmodulierter Antrieb für die geregelten Gleichstromservomotoranordnungen in der Verschiebevorrichtung für jede Achse wird durch Verwendung herkömmlicher Antriebsschaltungen erreicht, die in dem Teil der Robotersteuerung 127 untergebracht sind, in dem die Antriebe liegen. Die direkt gekoppelten Gleichstromservomotoranordnungen enthalten einen Motor-Tachometerteil und einen Koordinatenwandler oder Kodierer. Der Tachometer liefert Rückkoppelinformation über die Geschwindigkeit an die Steuerkonsole, während der Koordinatenwandler die Steuerkonsole mit Rückkoppelinformation über die Position direkt vom Antriebsmotor versorgt. Das führt zu einem sehr stabilen Servoverhalten.

Die Verschiebevorrichtung 115 für die X-Achse, die in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus einer Konstruktion nach Art einer geschlossenen Zelle, die Ablenkungen des Schlittens 129 für die X-Achse bei seiner Bewegung längs des Führungssystems für die X-Achse durch Torsion auf ein Minimum herabsetzt und so die gewünschte Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Systems ermöglicht. Das Führungssystem für die X-Achse oder das Wegesystem enthält zwei Führungsschienen 131 und 133 mit einem Durchmesser von drei Zoll (7,62 cm), die maximale Steife und Starrheit für Biegemoden vom Torsionstyp aufweisen. Das Wegesystem mit Doppelschiene, das von den Halteelementen 123 gehaltert wird, stellt weiterhin sicher, daß der Schlitten für die X-Achse eine sanfte und reibungsarme Verschiebung durchführt, wenn er von der geregelten Gleichstromservosteuerung angesprochen wird. Der Schlitten 129 für die X-Achse ist mit den Führungsschienen 131 und 133 über Linearlager gekoppelt, die vorgespannt und in den Gehäusen 135 abgedichtet sind, um die Lager von Schmutz freizuhalten. Der mechanische Antrieb für die Verschiebevorrichtung in X-Achse stellt ein Zahnstangengetriebe dar, das aus einer Zahnstange und einer Ritzelwelle besteht, die direkt mit dem Tachometer eines Gleichstrommotors verbunden ist.

Die Verschiebevorrichtung 117 für die X-Achse stellt einen Arm dar, der sich senkrecht von der Verschiebevorrichtung 115 für die X-Achse erstreckt. Die Verschiebevorrichtung für die Y-Achse enthält ein Halteelement 137 und eine Führungsanordnung mit einer Doppelschiene, die Spannungen und Drehbewegungen während der Verschiebung des Schlittens für die Y-Achse auf ein Minimum herabsetzt, und ebenso während der Positionierung der Verschiebevorrichtung für die Z-Achse innerhalb der Arbeitszone Z. Die Führungsschienen sind durch Abdeckungen 139 geschützt.

Die Verschiebevorrichtung 119 für die Z-Achse verwendet einen Mechanismus, in dem eine Kugelumlaufspindel und eine feste Mutter zusammen mit einem Führungsmechanismus eingesetzt wird, der aus Führungsschienen besteht, um den Schlitten für die Z-Achse zu transportieren, wenn er von dem Antriebsmotor in der Motor-Tachometeranordnung angesprochen wird. Der Führungsmechanismus mit Doppelschiene funktioniert in ähnlicher Weise, wie es oben für die X- und Y-Achse beschrieben wurde. Zusätzliche besondere Merkmale, die in dem oben beschriebenen Manipulatorsystem mit orthogonalen Achsen enthalten sind, werden im US-Patent 47 51 149 beschrieben, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Fig. 2 zeigt eine Arbeitszelle, die allgemein mit Bezugszeichen 151 versehen ist und die Lehren dieser Erfindung enthält. Die Arbeitszelle 151 ist längs einem Montageband in einem Automobilherstellwerk positioniert. Ein allgemein mit 153 bezeichnetes Transportband führt ein Fahrzeug 155 durch eine Reihe von Arbeitsstationen, in denen die Montage des Fahrzeugs 155 erfolgt. Man wird vernünftigerweise annehmen, daß die hier dargestellte Arbeitszelle 151 für den Auftrag von Farbverzierungen an einer Stelle angeordnet ist, die nahe beim Ende des Montagebandes liegt. Am Fahrzeug 155 ist die Vorderseite mit F und die linken und rechten Seiten mit L bzw. R bezeichnet. Die Arbeitszelle 151 verwendet zwei Roboter 113 vom Typ UNIMATE Series 6000. Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 hat der Roboter 113 der Serie 6000 mit orthogonalen Achsen eine Arbeitszone Z′. Da zwei Serie 6000 Roboter dargestellt sind, werden die Arbeitszonen mit Z′ und Z′′ bezeichnet. Wenn das Fahrzeug die Arbeitszelle 151 durchläuft, passiert die linke Seite L des Fahrzeugs 155 die Arbeitszone Z′ und die rechte Seite R des Fahrzeugs 155 die Arbeitszone Z′′. In der Arbeitszelle 151 ist somit die X-Achse 115 jedes der Manipulatoren 113 parallel bezüglich des Transportbandes 153 angeordnet. Der Schlitten 129 für die X-Achse jedes der Roboter 113 kann somit die Verschiebevorrichtung für die Y-Achse mit einer Geschwindigkeit verschieben, die erforderlich ist, um die gewünschte Farbverzierung auf dem Automobil 155 aufzubringen. Auf dem Transportband 153 können Vorrichtungen vorgesehen sein, um Information über die Geschwindigkeit des Bandes 153 durch die Arbeitszelle 151 zu erzeugen, um die Bewegung mit dem Schlitten 129 für die X-Achse zu koordinieren.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Skizze eine optischen Systems mit dem Bezugszeichen 174, das verwendet wurde, um das hier beschriebene Verfahren experimentell zu verifizieren. Das experimentelle optische System 175 enthält ein Grundelement 177, auf dem ein Excimer- Laser 179 montiert ist, sowie eine Verschiebestufe 181, auf der eine Probe 183 montiert ist. Die Verschiebestufe wurde in der Richtung bewegt, die durch Pfeil 191 angezeigt ist.

Die UV-härtbaren Farben, die von der Firma Westinghouse Electric Corporation entwickelt wurden, erfordern für ihr wirksames Aushärten Strahlung im Wellenlängenbereich von 250 bis 400 Nanometer. Diese Strahlung kann durch im Handel erhältliche UV-Lampensysteme oder durch geeignete Lasersysteme zur Verfügung gestellt werden. Unter den im Handel erhältlichen Lasern, die für diesen Zweck verwendet werden können, sind wahrscheinlich Excimer-Laser am besten geeignet, die Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 193 bis 350 Nanometer abgeben. Excimer-Laser wurden mittlerweile zu verläßlichen industriellen Werkzeugen entwickelt, die für Leistungspegel bis ungefähr 300 Watt zur Verfügung stehen.

Bei der hier beschriebenen experimentellen Verifizierung der Erfindung wurde ein Excimer-Laser 179 mit Xenonfluoridgas verwendet, der eine mittlere Leistung von 150 Watt aufweist, Ultraviolettstrahlung bei 350 Nanometer Wellenlänge abgibt und eine Impulsrepetierfrequenz von bis zu 500 Hz aufweist. Zur Untersuchung der Aushärtebedingungen der photoempfindlichen Farbe wurden Aluminiumtafeln verwendet. Farbe 193 mit einer Dicke von 25,4 Mikron (1 Mil) wurde mit einem Gärtnermesser aufgetragen. Die Strahlungsintensität auf der Tafel ist durch die Wiederholrate, die Impulsenergie, die Brennpunktfläche des Lasers und die Verschiebegeschwindigkeit der Probe bestimmt. Um ein Streifenmuster aus gehärteter Farbe auf der Probetafel zu erhalten, wurden zwei Wege beschritten. Anfänglich wurde eine Sammellinse verwendet, die das Laserstrahlenbündel in Flecke verschiedener Größe fokussieren kann, doch war die Strahlungsintensität zu hoch, um die Farbe ordnungsgemäß zu härten und es wurde eine Zersetzung der photoempfindlichen Farbe beobachtet. Dann wurde das Streifenmuster erzeugt, indem das Laserstrahlenbündel durch den Schlitz einer Blende 195 geführt wurde, bevor das Strahlenbündel 197 auf die Probetafel auftraf. Das der Strahlung ausgesetzte Gebiet ist auf eine bestimmte Breite beschränkt, die von der Öffnung der Blende 195 und der Linse 189 abhängt. Man hat festgestellt, daß dieses Vorgehen sehr wirksam ist, um Streifenmuster mit verschiedener Breite zu erhalten. Die Lage des Schlitzes hängt von der gewünschten Breite des Streifens ab. Für eine beliebige Streifenbreite von weniger als 0,317 cm (1/8 inch) muß der Schlitz sehr nahe zur Tafel gebracht werden (1,25 cm), und zwar sowohl hinter die Fokuslinse als auch die Lichtquelle; für alle anderen Bereiche kann der Schlitz zwischen der Lichtquelle und der Fokuslinse angeordnet werden.

Zwei photoempfindliche Epoxyfarben, eine weiße Farbe und eine rote Farbe, wurden in den Untersuchungen verwendet. Die weiße Farbe ist aufgrund der UV- Absorption des weißen Pigments schwieriger zu härten als die rote Farbe, so daß die Aushärtebedingungen zuerst für die weiße Farbe bestimmt wurden; dazu wurde zuerst ein Leistungspegel für den Laser ausgewählt. Anfangs wurde der Laser auf 290 Millÿoule/Impuls und 100 Hz (äquivalent 29 Watt) eingestellt, und die Tafel wurde mit einer Geschwindigkeit von 2,54 cm/sec verschoben (durch die computergesteuerte Verschiebestufe); unter diesen Bedingungen wurde statt eines Aushärteeffekts eine Qualitätsverschlechterung festgestellt. Die Laserenergie wurde dann auf 150 mJ/Impuls herabgesetzt und während des gesamten Experiments beibehalten. Die Laserleistung war ziemlich stabil und blieb während zehnstündigem Experimentieren konstant. Nach der Auswahl der Leistung wurde das Aushärten der Farbe durch die Verschiebegeschwindigkeit der Probentafel bestimmt. Verschiedene Geschwindigkeiten wurden untersucht. Ein berührungstrockener Überzug wurde nach einmaligem Belichtungsdurchgang mit einer Geschwindigkeit von 1,27 cm/sec erhalten. Die endgültigen Aushärtebedingungen wurden daher zu 15 Watt, 100 Hz und 1,27 cm/sec festgelegt, um Farbstreifen auf der bemalten Tafel zu prüfen.

Photoempfindliche Farben haben den Vorteil eines schnellen Härtens auf einem wärmeempfindlichen Substrat, wie beispielsweise einer farbüberzogenen Autokarosserie, doch hängen bei weißen Farbstoffen sowohl der Grad als auch die Art des durchgeführten Aushärtens sehr empfindlich von der Dicke des Farbüberzugs ab, der gehärtet werden soll. Wenn der Überzug dicker ist als 25,4 Mikrometer (1 Mil), so wird nur die Oberfläche gehärtet und erhält ein verschrumpeltes Aussehen. Nach der Laserbestrahlung wurde die Farbe im nicht belichteten Gebiet unter Verwendung von Methanol abgewaschen. Das belichtete Gebiet zeigte Kanten mit sehr hoher Auflösung. Dieses Experiment bestätigt das Konzept der steuerbaren Aushärtung von Farbstoffen mit Ultraviolettbestrahlung: ein Muster mit hoher Auflösung läßt sich mit dieser besonderen Aushärtemethode erzielen.

Eine vorläufige Abschätzung der Betriebsparameter für einen UV-Laser, die beim Aushärten von Streifenmustern oder ähnlichem in einer "Produktionslinie" bei der Anwendung für Automobile erforderlich wären, kann aus den Daten abgeleitet werden, die in diesen Experimenten erhalten wurden. Excimer-Laser arbeiten im Impulsbetrieb und haben eine sehr kurze Impulslänge, typischerweise 20 bis 100 Nanosekunden, so daß Impulse aus UV-Strahlung erzeugt werden, die eine sehr hohe Leistungsdichte aufweisen. Die Auswirkungen dieser hohen Strahlungsleistung auf die Farbproben wurde in anfänglichen Experimenten beobachtet, bei denen die Sammellinse eingesetzt wurde. Bei diesen Tests erzeugte ein einzelner Laserimpuls eine Qualitätsverschlechterung der Farboberfläche. Aus den Betriebsparametern des Lasers für dieses Experiment kann abgeschätzt werden, daß die Laserleistungsdichte auf der Farboberfläche ungefähr 2,5 × 10⁶ W/cm² bei einer Größe des Strahlenbündels von ungefähr 1 cm mal 1 cm betrug. Andere Tests, die mit größeren Strahldurchmessern von der Sammellinse für das Strahlenbündel durchgeführt wurden, weisen darauf hin, daß eine vorläufige obere Grenze für die auf die Farboberfläche auftreffende Excimer-Laserstrahlung von ungefähr 0,5 × 10⁶ W/cm² eingestellt werden sollte. Für den Excimer-Laser in diesem Experiment entspricht diese Bedingung einer Energiedichte von ungefähr 40 mJ/Impuls/cm².

Die Untersuchungen für das Aushärten von Farbe auf den Tafeln mit einem Excimer-Laser wurden unter Verwendung von Schlitzblenden durchgeführt. Für diese Tests wurde der Laser mit einer Wiederholrate von 100 Hz betrieben, wo er eine Energie von 15 Watt auf die Farboberfläche abgab. Das Farbmuster wurde mit einer Geschwindigkeit von 1,25 cm/sec durch das Laserstrahlenbündel durchgeführt. Mit diesen Parametern und der gemessenen Querschnittsfläche des Laserstrahlenbündels auf der Farboberfläche wurde eine gesamte Laserenergie von ungefähr 7,5 Joule/cm² abgeschätzt, die zum Aushärten der Farbproben erforderlich ist. Um die Betriebsparameter des Lasers in einer Produktionsumgebung abzuschätzen, wird angenommen, daß eine gesamte Laserenergie von 8 Joule/cm² erforderlich ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß dieser Wert ziemlich gut mit der geschätzten gesamten UV-Energie übereinstimmt, die erforderlich ist, wenn herkömmliche UV-Lampen als Strahlungsquelle eingesetzt werden. Wenn dieses Ergebnis mit der obigen geschätzten maximalen Energiedichte kombiniert wird, so zeigt sich, daß insgesamt ungefähr 200 Laserimpulse auf jedem Oberflächengebiet erforderlich sind, um die Farbe zu härten.

Eine Abschätzung der Aushärtegeschwindigkeit, die in einer Produktionsumgebung erzielt werden kann, läßt sich erhalten, wenn die Leistung des Lasers extrapoliert und die obigen Parameter eingesetzt werden. Wenn auf dem XeF-Laserübergang gearbeitet wird, erzeugt der Laser eine Ausgangsenergie von 100 Watt mit einer Impulsrate von 300 Hz. Die entsprechende Impulsenergie beträgt 333 mJ/Impuls. Diese Energie reicht aus, um ein Farboberflächengebiet von ungefähr 8,3 cm² ohne Beschädigung der Oberfläche zu bestrahlen. Wird mit einer Impulsrate von 300 Hz gearbeitet, so kann jede Sekunde eine Gesamtfläche von 12,5 cm² (8,3 × 300/200 = 12,5) gehärtet werden. Wenn das zu härtende Streifenmuster eine Breite von 1,27 cm aufweist, kann eine Aushärtegeschwindigkeit von ungefähr 10,16 cm/sec erzielt werden. Die Querschnittsabmessungen des Laserstrahlenbündels, das in diesem Fall eingesetzt werden müßte, sind 1,27 cm × 6,6 cm.

Die Art der zugrundeliegenden elektrischen Entladung hat zur Folge, daß Excimer-Laser immer im Impulsbetrieb arbeiten, wobei die Impulsebreite sehr kurz ist und üblicherweise weniger als 100 Nanosekunden beträgt. Das Diagramm in Fig. 4 zeigt einen typischen Impulszug, der von einem Excimer-Laser erzeugt wurde. In dieser Figur ist die vom Laser abgegebene Impulsleistung als Funktion der Zeit aufgetragen. Das Zeitintervall zwischen den Impulsen T₃-T₂ oder T₂-T₁ kann von sehr großen Werten, die dem Einzelimpulsbetrieb entsprechen, bis zu Werten von 1/500 Sekunde reichen, bei dem ein Betrieb mit hoher Wiederholrate vorliegt. Die im eingeschwungenen Zustand vom Laser erzeugte mittlere Leistung ist in der Figur durch P _av dargestellt. Mit Excimer-Laser können Werte von P _av bis zu 300 Watt erreicht werden.

Da die Impulsbreiten der Strahlung eines Excimer-Lasers so kurz sind und die Intervalle zwischen den Impulsen, T₂-T₁, relativ lang und größer als 2 Millisekunden, sind die Spitzenleistung des Lasers, P _peak , und die mittlere Leistung über die Impulsbreite, P′, üblicherweise sehr hoch. Typische Werte für P′ bei einem in der Industrie verwendeten Excimer-Laser liegen im Bereich von 10 bis 100 Megawatt. Bei dieser sehr hohen mittleren Spitzenleistung während der Laserstrahlungsimpulse muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß die bestrahlte Farboberfläche nicht beschädigt wird. Diese Beschädigung erfolgt hauptsächlich durch Überhitzen der Farbschicht und der Oberfläche des Substrats. Um diese Oberflächenbeschädigung zu vermeiden, muß das Laserstrahlenbündel in den meisten Fällen defokussiert werden, so daß die mittlere Laserspitzenleistungsdichte herabgesetzt wird. Experimentelle Untersuchungen zeigen, daß die mittlere Laserspitzenleistungsdichte unter einem Wert von ungefähr 0,5 Megawatt/cm² gehalten werden sollte.

Viele Gesichtspunkte bei der Wechselwirkung eines Excimer-Laserstrahlenbündels mit einer farbüberzogenen Oberfläche können aus der Untersuchung des eindimensionalen Modells abgeleitet werden, das schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Bei dieser Analyse wird angenommen, daß das Laserstrahlenbündel LB gleichförmig ist und in transversaler Richtung keine Variation aufweist, und daß die Farbschicht F gleichförmig ist und die Oberfläche SU planar und senkrecht zur Einfallsrichtung des Laserstrahlenbündels. Diese Bedingungen sind näherungsweise erfüllt, wenn:

• 1. die transversalen Abmessungen des tatsächlichen Laserstrahlenbündels sehr viel größer sind als die Dicke der Farbschicht;
• 2. die transversalen Abmessungen des tatsächlichen Laserstrahlenbündels sehr viel größer sind als die thermische Diffusionslänge im Grundmaterial;
• 3. die laterale Maßstabsgröße für Änderungen in der Oberflächenkontur und der Dicke der Farbschicht sehr viel größer ist als die mittlere Dicke der Farbschicht.

Eine weitere Bedingung, die eingehalten werden muß, damit Farbe erfolgreich durch einen Excimer-Laser gehärtet werden kann, besteht darin, daß das Laserstrahlenbündel teilweise durch die Farbschicht durchgelassen werden muß. Diese Bedingung ist notwendig, damit die Photoinitiatoren, die das "Härten" der Farbe bewirken, durch die Photonen des Laserstrahlenbündels aktiviert werden können. Fällt also ein impulsförmiges Strahlenbündel von einem Excimer-Laser auf eine Farboberfläche, so wird ein Teil der Strahlung in der Farbschicht absorbiert und der Rest des Strahlenbündels zur Oberfläche des Grundmaterials durchgelassen, wo er in die Farbschicht zurückreflektiert wird oder vom Grundmaterial absorbiert wird. Der vom Grundmaterial reflektierte Teil des Laserstrahlenbündels wird wieder in der Farbschicht teilweise absorbiert und der Rest in den Raum abgegeben und geht verloren.

Die obige Bedingung Nr. 1 ist in der vorliegenden Situation erfüllt, wenn die Laserstrahlenbündel einen Durchmesser von einigen Zentimetern aufweisen und die interessierenden Farbschichten typischerweise eine Dicke von weniger als 127 Mikron (5 Mil) aufweisen. Die zweite obige Bedingung erfordert eine Betrachtung der Wärmeleitzahl K des Materials und der Impulsbreite t₀ des Lasers. Die Wärmeleitzahl ist gegeben durch

wobei k die Wärmeleitfähigkeit ist, ρ₀ die Dichte und C die spezifische Wärme. Für typische Grundmaterialien ist k = 0,7 Watt/cm°K, ρ₀ = 7,8 gm/cm³ und C = 0,12 cal/gm°K, so daß K = 0,18 cm²/sec. Der Abstand d, den eine thermische Welle während einer typischen Impulslänge eines Excimer-Lasers von 100 Nanosekunden in ein derartiges Material eindringt, ist

d = (Kt₀)^1/2 ≅ 1.3 × 10^-4cm = 5.3 × 10^-5 in. (2)

damit wird die zweite Bedingung leicht erfüllt. Die dritte Bedingung sollte im größten Teil der Fläche des Automobils erfüllt sein.

Wie oben erwähnt, sollte die mittlere Laserspitzenleistungsdichte unter 0,5 Megawatt/cm² gewählt werden, um eine thermische Beschädigung der Farbschichten zu vermeiden. Nach dem Obengesagten wird ein Teil der auftreffenden Laserenergie in der Farbschicht selbst absorbiert und ein Teil der Energie wird im Grundmaterial absorbiert. Es soll nun der Temperaturanstieg abgeschätzt werden, der in der Farbschicht und im Grundmaterial aufgrund der absorbierten Laserenergie erfolgt. Der letztgenannte Fall wird zuerst betrachtet.

Für das in Fig. 5 dargestellte eindimensionale Modell wird die Wärmeströmungsgleichung im Grundmaterial

wobei T(z, t) die Temperatur als Funktion des Ortes z und der Zeit t darstellt, und A(z, t) die Wärmeerzeugung pro Einheitsvolumen pro Einheitszeit als Funktion von Ort und Zeit.

Wenn ein konstanter Laserfluß F₀ an der Oberfläche (z = 0) des Grundmaterials absorbiert wird und in dem Material keine Phasenänderung auftritt, ergibt sich die Lösung von Gleichung (3) zu

(Die Funktion ierfc bezeichnet das Integral der komplementären Fehlerfunktion erfc.) An der Oberfläche mit z = 0 hat diese Lösung eine einfache parabolische Form, die gegeben ist durch

Die Beziehung zwischen dem absorbierten Laserfluß F₀ und dem einfallenden Laserfluß I₀ ist

F₀ = (1-R(λ))I₀ = α(λ)I₀ (6)

wobei R(λ) die Oberflächenreflektivität darstellt und α(λ) die Absorption. Sowohl R(λ) und α(λ) hängen im allgemeinen von der Wellenlänge λ der Laserstrahlung ab, so daß auch F₀ wellenlängenabhängig wird. Das heißt F₀→F₀(λ). Werden diese Ergebnisse in Gleichung (5) eingesetzt, erhält man schließlich

Zusätzlich zu den schon erwähnten Bedingungen ist für die in Gleichung (7) angegebene Lösung angenommen, daß die Parameter α(λ), k und K Konstante sind, die weder von Zeit noch von der Temperatur abhängen. Im allgemeinen wird dies nicht der Fall sein; jedoch sind die Variationen in dem interessierenden Bereich üblicherweise nicht sehr groß. Außerdem erzeugen die meisten impulsförmigen Laser keine konstante Spitzenleistung F₀(λ), sondern einen sich kontinuierlich verändernden Ausgang, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Trotz dieser Einschränkungen ist die in Gleichung (7) wiedergegebene einfache analytische Lösung recht nützlich, um die geeigneten Betriebsparameter des Lasers auszuwählen.

Die berechneten Anstiege der Oberflächentemperatur im Grundmaterial als Funktion der Impulslänge des einfallenden Lasers, die unter Verwendung von Gleichung (5) erhalten werden, sind in Fig. 6 dargestellt. Die verschiedenen Kurven entsprechen verschiedenen angenommenen Werten der absorbierten Laserimpulsenergiedichte.

Wie früher erwähnt, muß die Farbschicht für das Laserstrahlenbündel partiell durchlässig sein, damit die Photoinitiatoren aktiviert werden können, die das "Aushärten" der Farbe verursachen. Wenn der Laser durch die Farbschicht hindurchläuft, wird ein Teil der Energie des Laserstrahlenbündels absorbiert. Ein Teil dieser absorbierten Energie dient zur Aktivierung der Photoinitiatoren und der Rest der Energie des Strahlenbündels wird in Wärme umgewandelt, die zu einer Temperaturerhöhung der Farbschicht führt. Der erwartete Temperaturanstieg T _p der Farbschicht kann näherungsweise ausgedrückt werden als

wobei F _p der in der Farbschicht absorbierte Laserfluß ist, C _p die spezifische Wärme des Farbmaterials, ρ _p die Dichte des Farbmaterials und d _p die Dicke der Farbschicht. Für typische UV-härtbare Farbmaterialien ist C _p = 0,22 cal/gm°K und ρ _p = 1,1 gm/cm³. Die berechneten Anstiege der Farbschichttemperatur als Funktion der Schichtdicken, die unter Verwendung von Gleichung (8) erhalten werden, sind in Fig. 7 wiedergegeben. Die verschiedenen Kurven entsprechen verschiedenen angenommenen Werten der absorbierten Laserimpulsenergiedichte.

Die oben dargestellte Analyse kann zusammen mit den Diagrammen der Fig. 6 und 7 verwendet werden, um einen Bereich der Betriebsparameter des Lasers zu bestimmen, der bei Anwendungen mit UV-härtbaren Farben eingesetzt werden soll. Nachdem einmal die Farbparameter festgestellt wurden, d. h. die Transmission der Farbe gegenüber UV-Strahlung, die Dicke der Farbschicht, die Länge des Laserimpulses usw., können die geeigneten Betriebsparameter des Lasers ausgewählt werden. Das zum Transport des Laserstrahlenbündels zum Werkstück verwendete optische System kann dann so eingestellt werden, daß die Laserenergiedichte an der farbüberzogenen Oberfläche der Farbschicht oder dem Substratmaterial keine Schäden zufügt.

Die experimentellen Studien zur Aushärtung von Farbe mit Lasern zeigen, daß Laserenergiedichten von ungefähr 0,040 Joule/Impuls/cm² keine Farbschädigung hervorrufen. Diese Untersuchungen zeigen auch, daß eine gesamte Laserenergiedichte von ungefähr 7,5 Joule/cm² erforderlich ist, um die Farbproben zu härten. (Interessanterweise stimmt dieser Wert ziemlich gut mit der geschätzten gesamten UV-Energie überein, die erforderlich ist, wenn herkömmliche UV-Lampen als Strahlungsquelle verwendet werden.) Wenn diese Ergebnisse kombiniert werden, stellt man fest, daß eine Gesamtzahl von 180 bis 200 Laserimpulsen auf jedem Oberflächenbereich erforderlich sind, um die Farbe zu härten. Wenn ein Excimerlasersystem für Farbdekorationen auf Automobilen oder zum Erzeugen eines Streifenmusters verwendet wird, muß die Bewegung des Werkstücks oder des Robotermanipulators für das Laserstrahlenbündel so gesteuert werden, daß alle zu härtenden Farbbereiche die erforderliche Anzahl von Laserimpulsen empfangen, damit die Farbe ausreichend gehärtet wird. Das Verfahren zum Aufbringen von Farbe und zur Farbverzierung ist in Fig. 8 erkennbar, wie es auf der linken ′L′-Seite des Fahrzeugs 155 erfolgt, das in der Arbeitszone von Fig. 2 dargestellt ist. Die Breite des anfangs aufgebrachten Streifens ′S′ ist nur zur Illustration beträchtlich größer dargestellt als die Breite des gewünschten Verzierungsstreifens ′D′. Die nicht gehärtete Farbe braucht nur so aufgebracht werden, daß sie breiter ist als der gehärtete Verzierungsstreifen ′D′. Der UV-gehärtete Teil des Streifens ′D′ erstreckt sich nach der Darstellung in den nicht gehärteten Streifen ′S′. Der Teil der Farbe ′S′, der nach der UV-Härtung des Streifens ′D′ entfernt wird, ist gestrichelt dargestellt und mit ′C′ bezeichnet. Der nicht gehärtete Teil des Streifens ′S′ ist gestrichelt dargestellt und als ′U′ bezeichnet. Das Ende des am Arm befestigten Werkzeugs, das den Farbauftrag, die Härtung und das Reinigen bewirkt, bewegt sich von links nach rechts.

Das Verfahren dieser Erfindung bietet sich an, die "Zwei- Ton"-Lackierung von Automobilen zu vereinfachen, indem ein Maskierungsstreifen dort längs der Automobilkarosserie angebracht wird, wo sich die beiden verschiedenen Farben treffen. Dieses Verfahren zum Aufbringen einer Farbverzierung erleichtert so die modernen Mehrfarb- Konzepte für Automobile.

Wie oben beschrieben, kann ein auf einer Oberfläche aufzubringendes bestimmtes Farbmuster durch die Manipulation des Laserstrahlenbündels oder der breitbandigen UV-Lichtquelle gesteuert werden. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Markierung einer Oberfläche eines Artikels zur Verfügung gestellt. Zu diesem Markierungsverfahren kann es gehören, die Oberfläche eines Artikels mit Farbe zu überziehen, und anschließend die überzogene Oberfläche des Artikels nach einem vorgegebenen Muster zu bestrahlen, und zwar entweder mit einem Laser oder einer breitbandigen Quelle, um so die im belichteten Muster enthaltene Farbe zu härten und die Farbe außerhalb des belichteten Musters in einem nicht gehärteten Zustand zu belassen. Das Verfahren, mit dem das Lichtmuster gesteuert und definiert werden kann, wird durch ein Lasermarkierungssystem durchgeführt, zu dem ein Schablonenrad besonderer Konstruktion gehört.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung im Stand der Technik für ein Lasermarkierungssystem mit einem herkömmlichen Laser 1, um ein kollimiertes Lichtstrahlenbündel zu erzeugen und zu projizieren, das im folgenden als Laserstrahlenbündel 3 bezeichnet wird. Eine Schablone 5, die aus einem für das Laserstrahlenbündel 3 undurchlässigen Material hergestellt ist, wird im Weg des Laserstrahlenbündels angeordnet. Die Schablone 5 weist eine Öffnung mit einer gewünschten Formgebung auf, die in Fig. 9 dem "W" entspricht und die ein Schablonenmuster darstellt, um den Querschnitt des Laserstrahlenbündels entsprechend zu formen, das durch die Öffnung hindurchtritt und auf die Oberfläche 7 eines zu markierenden Artikels auftrifft. Eine Linse 9 ist zwischen der Schablone 5 und der Oberfläche 7 angeordnet, um das Laserstrahlenbündel in bekannter Weise zu fokussieren. Das Laserstrahlenbündel markiert die Oberfläche 7, indem es auf ihr eine sichtbare dauernde Beschädigung in einem Muster hervorruft, das durch die Gestalt der Öffnung in der Schablone 5 bestimmt ist. Die Abmessung des auf der Oberfläche des Artikels ausgebildeten Musters hängt vom Abstand zwischen der Schablone und dem Artikel und von der Brennweite der Linse ab. Im allgemeinen wird die Schablone 5 auf einer (nicht dargestellten) Halterung montiert, die von beliebiger Art sein kann. Jedesmal, wenn auf dem Artikel ein verschiedenes Muster ausgebildet werden soll, muß die Schablone physisch von der Halterung entfernt werden und eine neue Schablone mit einem anderen gewünschten Muster in die Halterung eingesetzt werden. Das Lasermarkierungssystem nach Fig. 9 ist somit in seiner Bedienung etwas unhandlich und zeitaufwendig.

Um die obenerwähnten Nachteile auszuräumen, wird ein Markierungssystem vorgeschlagen, das nicht nur die oben beschriebenen Möglichkeiten des Farbauftragsystems zur Verfügung stellt, sondern auch die Oberflächenmarkierung eines Substrats ermöglicht. Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform eines Lasermarkierungssystems, bei dem die Einzelteile im wesentlichen ähnlich wie in Fig. 9 angeordnet sind, wobei für die gleichen Teile wie in Fig. 9 die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Nach Fig. 10 wird anstelle der einzelnen Schablone 5, die im System von Fig. 9 eingesetzt wird, ein Schablonenrad 11 verwendet, das eine Drehachse 13 aufweist und mit einer Vielzahl von Schablonenmustern ausgestattet ist, die aus verschieden geformten Öffnungen 15 in kreisbogenförmiger Anordnung um den Umfang des Schablonenrads 11 vorgesehen sind. Das Schablonenrad 11 kann somit gedreht werden, um selektiv ein auf dem Schablonenrad enthaltenes gewünschtes Schablonenmuster in den Weg des Laserstrahlenbündels 3 zu positionieren, das von Laser 1 ausgeht.

Wie in Fig. 9 weist der Teil des Laserstrahlenbündels, der durch die Schablone hindurchtreten kann, einen Querschnitt auf, der der Gestalt des Schablonenmusters im Weg des Laserstrahlenbündels entspricht. Das so geformte Laserstrahlenbündel wird dann durch Linse 9 auf die Oberfläche 7 eines Artikels fokussiert, um den Artikel gemäß dem ausgewählten Schablonenmuster zu markieren. Um den Artikel mit einem anderen Schablonenmuster zu markieren, kann dieser in der einen oder der anderen Richtung gedreht werden, oder er kann in der gleichen Position bleiben, wenn mehrere Muster übereinander aufgebracht werden sollen; das Schablonenrad wird dann selektiv in die Position eines anderen gewünschten Musters im Weg des Laserstrahlenbündels 3 gedreht. In Fig. 10 wurden die Buchstaben "A" und "B" auf der Oberfläche 7 eines Artikels ausgebildet, indem die Schablonenmuster für die Buchstaben "A" und "B" des Schablonenrads 11 in den Weg des Laserstrahlenbündels 3 gebracht wurden.

Das Schablonenrad 11 kann entweder manuell gesteuert werden, um ein ausgewähltes Schablonenmuster in den Weg des Laserstrahlenbündels zu bringen, oder es kann automatisch in gleicher Weise gesteuert werden wie ein Typenrad auf einer Typenradschreibmaschine, bei dem verschiedene alphanumerische Symbole eingestellt werden; derartige automatische Steuersysteme sind allgemein bekannt und bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung.

Das Schablonenrad 11 kann aus einem beliebigen Material bestehen, das für ein Laserstrahlenbündel optisch undurchlässig ist und mit dem eine dünne Scheibe hergestellt werden kann, wie beispielsweise Kupferaluminium oder verschiedene Typen von hochschmelzenden Materialien, wie beispielsweise Wolfram. Jeder geeignete im Handel erhältliche Laser kann für das Oberflächenmarkierungssystem eingesetzt werden. Die Anforderungen an den Laser hängen in gewissem Maße von den Charakteristiken des zu markierenden Materials ab. Im allgemeinen kann jedoch jeder geeignete CO₂-Laser, Excimer-Laser oder YAG-Laser verwendet werden, und zwar unabhängig von den besonderen Anforderungen des zu markierenden Materials und der Größe des Bildes, das auf dem Artikel ausgebildet werden soll.

(Aus der Diskussion über die Laser bezüglich UV-härtbarer Farbe sollte klar sein, daß CO₂- und YAG- Laser für Anwendungen, bei denen Farbe UV-gehärtet wird, nicht geeignet sind.) Zur Fokussierung des Laserstrahlenbündels sind im Handel verschiedene Linsentypen erhältlich. Beispielsweise kann eine aus Germanium, Galliumarsensid, Zinkselenid oder verschiedenen Salzen, wie beispielsweise Natriumchlorid, Kaliumchlorid oder Kaliumbromid zum Fokussieren des Strahlenbündels eines CO₂-Lasers herangezogen werden. Für das Fokussieren des Strahlenbündels aus einem YAG-Laser kann eine gewöhnliche Glaslinse eingesetzt werden. Eine Quarzlinse kann zur Fokussierung des Strahlenbündels eines Excimer- Lasers dienen. Obwohl in Fig. 10 Linse 9 als Einzellinse dargestellt ist, können kompliziertere Linsensysteme verwendet werden, mit Einschluß einer Gummilinse. Außerdem kann anstelle der Linse 9 ein Spiegel zum Fokussieren des Laserstrahlenbündels herangezogen werden.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform eines Lasermarkierungssystems gemäß der Erfindung, bei dem zwei Schablonenräder 17 a und 17 b vorgesehen sind, die drehbar um Drehachse 19 montiert sind. Die Schablonenräder 17 a und 17 b sind auf getrennten Wellen 23 a bzw. 23 b montiert, die konzentrisch relativ zueinander liegen, wobei Welle 23 b eine Hohlwelle ist und Welle 23 a umschließt. Die Schablonenräder können auf diese Weise separat gedreht und unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Schablonenräder 17 a und 17 b haben jeweils eine neutrale Öffnung 21 a bzw. 21 b, deren Größe in beiden Fällen im wesentlichen den Querschnittsabmessungen des Laserstrahlenbündels entspricht, das aus Laser 1 austritt. Wenn somit eines der Schablonenräder 17 a und 17 b so eingestellt ist, daß seine neutrale Stellung mit dem Weg des Laserstrahlenbündels ausgerichtet ist, kann das andere der Schablonenräder gedreht werden, um eines seiner Schablonenmuster selektiv mit dem Laserstrahlenbündel auszurichten, um den Artikel mit diesem ausgewählten Schablonenmuster zu markieren. Der Einfachheit halber sind nur zwei Schablonenräder gezeichnet; es ist jedoch für die auf diesem Gebiet Tätigen klar, daß drei oder mehr Schablonenräder in der gleichen Weise verwendet werden können, wie es in Fig. 11 für den Fall von zwei Rädern dargestellt ist.

Das Lasermarkierungssystem, wie es oben beschrieben ist, kann zusammen mit einer Farbe eingesetzt werden, die zum Überziehen der Oberfläche eines zu markierenden Artikels dient und durch Strahlung eines Laserstrahlenbündels härtbar ist. Bei einer derartigen Konfiguration arbeitet das in den Fig. 10 und 11 dargestellte Lasermarkierungssystem ähnlich der Blendenvorrichtung 195 in Fig. 5, um den Teil des Laserstrahlenbündels zu steuern, dem die mit Farbe überzogene Oberfläche ausgesetzt wird. Außerdem kann in einer alternativen Ausführungsform dieser Erfindung statt des oben beschriebenen Lasers eine breitbandige Quelle für UV-Licht mit entsprechender Optik eingesetzt werden. Diese alternative Ausführungsform, bei der das Markierungssystem mit UV-Laser und Schablonenrad so modifiziert ist, daß gewöhnliche breitbandige UV-Lampen als Strahlungsquelle eingesetzt werden können, ist in Fig. 12 dargestellt und allgemein durch Bezugszeichen 201 angegeben. Eine herkömmliche breitbandige UV-Lampe 203 ist mit einer geeigneten Kollimatorlinse 205 versehen und dient zur Beleuchtung der Schablone 207. Die Schablone 207 in Fig. 12 ist in jeder Hinsicht mit den in den obigen Fig. 10 und 11 dargestellten Schablonen identisch. Die durch die Schablone hindurchtretende UV-Strahlung wird durch eine Gummilinse 209 aufgefangen und auf die Farbschicht 211 fokussiert, die auf ein Substrat 213 aufgebracht wurde. Wenn eine Gummilinse 209 verwendet wird, läßt sich die Größe des in der Farbe erzeugten Bildes leicht ändern, indem einfach die effektive Brennweite der Gummilinse verändert wird. Das Gummilinsensystem 209 könnte auch mit einer automatischen Fokussierungsvorrichtung ausgerüstet werden, wie es bei modernen Kameras der Fall ist. Mit diesem Merkmal läßt sich das Bild der Schablone auf der Farbschicht selbst dann scharfhalten, wenn der Abstand D zwischen der Schablone 207 und der Farbschicht geändert wird. Die kombinierte Wirkung der Gummilinse und der automatischen Fokussiervorrichtung stellt einen weiten Bereich von Bildgrößen zur Verfügung, die mit einer einzigen Schablonengröße erreicht werden können.

Dieses besondere Ausführungsbeispiel, das mit einer breitbandigen UV-Quelle arbeitet, macht ein Lasersystem überflüssig. Da in der Ausführungsform mit einer breitbandigen UV-Quelle die benötigte Einrichtung nur relativ klein und leicht ist, kann das gesamte optische System dieser besonderen Ausführungsform ohne weiteres in den Endeffektor eines Roboters eingebaut werden.

Die Fig. 13 bis 16 zeigen ein Verfahren zum Auftragen von Farbe, bei dem UV-härtbare Farbe verwendet wird und dessen Grundprinzip insoweit eine gewisse Ähnlichkeit zu den Verfahren aufweist, die gegenwärtig beim kundenspezifischen Auftragen von Farbmustern angewandt werden, als die Farbe nur auf die gewünschte Stelle aufgetragen und dann gehärtet wird. Die Fig. 13A bzw. 13B zeigen die Verfahrensschritte, die beim Auftragen von Farbstreifen auf Automobilteile durchgeführt werden und bei denen ein computergesteuertes Farbauftraggerät (CCPA) 225 mit Hilfe eines robotergesteuerten Mechanismus über das zu bemalende Substrat 227 geführt wird. Ein derartiger Mechanismus ist hier nicht eingezeichnet, hätte aber gewisse Ähnlichkeiten mit dem in Fig. 1 dargestellten. Nach Fig. 13B wird eine herkömmliche UV- Härtelampe 229 in einem geeigneten Gehäuse 230 über die Oberfläche des Substrats 227 geführt. Die UV-Strahlung aus der Lampe 229 dient zum Härten der vom CCPA 225 aufgetragenen Farbe 231. Es ist klar, daß in der Praxis diese Schritte durch ein Mehrfachwerkzeug durchgeführt werden, das sowohl ein CCPA 225 und eine UV-Härtelampe mit Gehäuse 231 enthält. Ein derartiges Werkzeug trägt die Farbe auf und belichtet dann diese Farbe mit der UV-Härtestrahlung. Die offensichtlichen Vorteile dieses Vorschlags bestehen darin, daß es nicht notwendig ist, ein Lasersystem für das Härten vorzusehen und daß keine überschüssige, nicht gehärtete Farbe von den Oberflächen entfernt werden muß.

Die computergesteuerte Farbauftragvorrichtung 225 verwendet ein Sprühdüsensystem ähnlich den Tintenstrahlsystemen, die bei Computerdruckern im Einsatz sind. Ein Beispiel für ein derartiges Gerät ist der "Think-Jet"- Drucker, der von der Firma Hewlett Packard hergestellt wird. Der Kopf eines derartigen Tintenstrahldruckers ist schematisch in Fig. 14 dargestellt und trägt das Bezugszeichen 241. Diese Köpfe 241 enthalten eine enggepackte Anordnung kleiner Sprühdüsen 243, die mit elektrischen Impulsen einzeln betätigt werden können. Fig. 14 zeigt eine Darstellung einer derartigen Düsenanordnung im Stand der Technik. Die zu druckenden alphanumerischen oder graphischen Symbole werden ausgebildet, indem die geeignete Menge von Spraydüsen 243 beaufschlagt wird. Andere Beispiele eines derartigen Geräts finden sich in den US-Patenten 43 56 216; 36 02 193; 28 39 425 und 35 29 572.

Soll beispielsweise ein dekoratives Farbmuster auf ein Automobil aufgebracht werden, wird die geeignete Anordnung von Sprühdüsen betätigt, mit der die gewünschte Breite des Streifenmusters erzeugt wird und das CCPA wird längs des Substrats bewegt. Wenn die Breite der Farbstreifen geändert werden soll, können einige Düsen betätigt oder abgestellt werden, ganz so, wie es erforderlich ist.

Ein wichtiger Qualitätsaspekt beim Auftragen von Farbstreifen oder jeder beliebigen Farbverzierung liegt darin, daß eine glatte, nicht verwackelte Kante erzielt werden muß. Um dieses Resultat zu erhalten, müssen die einzelnen Sprühdüsen 243 relativ eng beieinander stehen. Der minimal erzielbare Abstand, der in Fig. 14 mit d _h und d _v angegeben ist, liegt im Bereich von 0,127 mm bis 0,254 mm. Dieser Abstand kann zu groß sein, um die für die Farbverzierungen notwendige Kantenqualität zu erzielen. Wenn jedoch die Düsenanordnung in einer Richtung bewegt wird, die einen kleinen Winkel mit den Düsenzeilen einschließt, wie es in Fig. 15 dargestellt ist, so läßt sich die Regelmäßigkeit der Kanten genauer steuern. In der Darstellung von Fig. 15 weist der Düsenkopf 245 eine Vielzahl von Sprühdüsen 247 auf und ist zum Auftragen von Zierstreifen gut geeignet. Wie man dort erkennt, können die Kanten des Streifens sehr sorgfältig kontrolliert werden, da das Breiteninkrement d′ sehr viel kleiner sein kann als d _h oder d _v , die in der Anordnung der Sprühdüsen von Fig. 14 angezeigt sind. Das CCPA 225 von Fig. 15 ist in einem Betriebszustand dargestellt. Die ausgefüllten Kreise stellen Sprühdüsen 247 dar, die gerade aktiv sind. Die Bewegungsrichtung des CCPA ist in der Figur durch Pfeil 249 angegeben. Ein Farbstreifen 251 ist dargestellt. Aus dieser Figur wird klar, daß die Breite des Streifens 251 geändert werden kann, indem die Anzahl und die Verteilung der gerade aktivierten Sprühdüsen 247 geändert wird. Die Breite des Streifens kann in Inkrementen mit einem Minimalwert d′ geändert werden, dessen Größe zwischen ungefähr 0,025 und 0,05 mm (0,001 bis 0,002 inch) liegt. Die Lage des Streifens in einer Richtung senkrecht zur Bewegung des CCPA läßt sich ändern, wenn das CCPA durch den in Fig. 1 dargestellten Robotermechanismus insgesamt verschoben wird. Die Lage des Streifens kann außerdem geändert werden, indem eine unterschiedliche Menge von Sprühdosen aktiviert wird. Diese Bewegung, die nach Wunsch bis auf den Wert d′ absinken kann, stellt eine Möglichkeit zur Feinsteuerung der Streifenlage dar, die der Steuerung durch den Robotermechanismus überlegen ist und somit an sich eine bedeutende Verbesserung auf dem Gebiet des Anbringens von Zierstreifen darstellt. Mit dem CCPA 225 können komplexere Streifenmuster erzeugt werden als mit allen anderen Vorrichtungen.

Aus den Fig. 16A und B ist ersichtlich, daß Streifenmuster erzeugt werden können, die ein völlig ausgefülltes Muster mit verschiedener Dicke darstellen, wie es in Fig. 16A gezeigt ist, oder komplexe Streifen mit eingeschlossenen Leerstellen V, in denen die darunterliegende Farbe zum Vorschein kommt. Offensichtlich können mit dieser Düsenanordnung verschiedene offene Konfigurationen erzeugt werden, indem einfach die Zusammenstellung der aktivierten Sprühdüsen geändert wird, wenn das CCPA über die Länge eines Substrats wandert.

Als zusätzliches Beispiel wird beschrieben, wie das hier vorgeschlagene System zum Farbauftrag eingesetzt werden kann, um ein volles Farbbild oder eine Wandbemalung zu erzeugen. Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird das CCPA über das zu bemalende Oberflächengebiet gerastert. In einem ersten Durchgang des CCPA wird eine der drei Grundfarben auf der Oberfläche aufgebracht, die erforderlich sind, um ein Farbbild zu erzeugen. Diese Farbe wird dann, wie oben beschrieben, mit UV- Härtelampen gehärtet. Das CCPA wird dann ein zweites Mal über die Oberfläche gerastert, wobei die zweite Grundfarbe aufgebracht wird. Diese zweite Farbe wird dann ebenfalls gehärtet. Eine dritte Grundfarbe wird dann nach dem gleichen Verfahren über die anderen beiden Farben aufgebracht. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist eine Wiedergabe des Bildes in voller Farbe. Der gesamte Prozeß ist in vieler Hinsicht ähnlich dem Verfahren zur Herstellung von farbigen Lithographiedrucken, mit der Ausnahme, daß im letztgenannten Fall herkömmliche Druckverfahren eingesetzt werden. Bei dem hier beschriebenen Verfahren zum farbigen Malen ist es wünschenswert, semitransparente Farben zu verwenden, so daß alle drei Grundfarben aufscheinen.

Ein alternatives Verfahren, das bei dieser Anwendung eingesetzt werden kann, verwendet drei CCPAs für die drei Grundfarben in einem Mehrfachwerkzeug, das sich über die Oberfläche bewegt und alle drei Farben in einem einzigen Durchgang aufbringt. Eine an diesem Werkzeug befestigte UV-Lampe dient dann zum Härten der Farbe auf der Oberfläche, um ein volles Farbbild zu erzeugen. Es ist klar, daß bei der Anwendung auf große Gebiete ein breites CCPA mit einer Vielzahl von darin enthaltenen Düsen eingesetzt wird, um die Anzahl der erforderlichen Rasterbewegungen auf ein Minimum herabzusetzen. Eine Ausführungsform des CCPA kann auch ein langes lineares Gerät sein, in gewisser Weise analog zu Zeilendruckern bei Computern, um Farbmuster mit einer höheren Geschwindigkeit aufzubringen. Ein CCPA dieser Art kann dann eingesetzt werden, um ein vollständiges Bild in einem einzigen Durchgang zu malen, so daß kein Rasterabtastverfahren mehr durchgeführt werden muß.

Fig. 17 zeigt eine Struktur 301 ähnlich einer Arbeitszelle, die verwendet werden kann, um ein Objekt, wie beispielsweise ein Automobil, ein Flugzeug, ein Haushaltsgerät oder ähnliches 303 mit einer oder mehreren Farben aus UV-härtbarer Farbe zu beschichten. Die Struktur enthält weiterhin Vorrichtungen 305, um das Aufbringen der UV-Farbe zu bewerkstelligen. Eine derartige vollständige Zelle, wie sie hier dargestellt ist, kann beispielsweise dazu verwendet werden, den endgültigen Tarnanstrich für ein Militärfahrzeug aufzubringen, wobei von den hier beschriebenen Verfahren zum Farbauftrag Gebrauch gemacht wird. Außerdem ist eine Anordnung von breitbandigen UV-Lichtquellen 307 um die Zelle herum angeordnet, mit denen die UV-Farbe gehärtet wird, die auf dem durch die Zelle geführten Objekt aufgebracht ist. In der Arbeitszellenstruktur 301 können die Vorrichtungen 305 zum Farbauftrag und die Lichtquellen 307 so montiert sein, daß die relative Bewegung zwischen der Farbquelle und dem mit Farbe zu beschichtenden Objekt 303 durch ein Transportband 309 erfolgt. Damit kann das Markierverfahren dieser Anwendung an einem sich bewegenden oder einem stationären Objekt durchgeführt werden.

Es wurde ein Verfahren zum Aufbringen und zum Härten einer photoempfindlichen Farbe mit Hilfe einer Lichtquelle beschrieben, die eine geeignete Lichtwellenlänge erzeugt. Dieses Verfahren kann für Anwendungen, wie beispielsweise das Beschichten eines ganzen Objekts, das Aufbringen von dekorativen Markierungen und Streifen und das Aufbringen von alphanumerischen Zeichen auf einer Oberfläche eingesetzt werden.

Claims (16)

1. Einrichtung zur Erzeugung eines Farbmusters vorbestimmter Gestalt auf einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
Vorrichtungen zum Auftragen eines Überzugs aus einer durch Ultraviolettstrahlung härtbaren Farbe auf der Oberfläche in einem Gebiet, in dem das vorbestimmte Muster aufgebracht werden soll und mit Abmessungen, die größer sind als die des vorbestimmten Musters,
Vorrichtungen (1, 5; 179, 195), mit denen ein kollimiertes Laserstrahlenbündel (3; 197) im Ultraviolettbereich und entsprechend dem vorbestimmten Muster auf den aufgebrachten Farbüberzug gerichtet wird, um die Farbe gemäß dem vorbestimmten Muster zu härten, wobei nicht gehärtete Farbe auf der Oberfläche zurückbleibt, und
Vorrichtungen zur Entfernung nicht gehärteter und überschüssiger Farbe durch Einwirkung eines bezüglich der gehärteten Farboberfläche neutralen Lösungsmittels.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen vorgesehen sind, um das kollimierte Laserstrahlenbündel gemäß dem vorbestimmten Muster auf der Oberfläche zu verschieben.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, zum Auftragen von Farbverzierungen auf einem Automobil, das auf einem Transportband (153) durch eine Bearbeitungszelle hindurchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
erste und zweite Manipulatoren (121), die auf gegenüberliegenden Seiten des Transportbandes angeordnet sind und Vorrichtungen zur Verschiebung in X-, Y- und Z-Achse aufweisen, um auf der Oberfläche des Automobils durch Ultraviolettlicht härtbare Farbe in Gebieten aufzutragen, die mit einer Farbmarkierung versehen werden sollen,
Vorrichtungen zum Richten und Verschieben eines Ultraviolettstrahlenbündels auf die aufgebrachten Farbgebiete, um diese entsprechend dem vorbestimmten Muster zu belichten, und
Vorrichtungen zur Entfernung überschüssiger nicht gehärteter Farbe von der Oberfläche des Automobils.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Markierung der Oberfläche eines Artikels mit einem aus einem Mustersatz ausgewählten vorbestimmten Muster vorgesehen sind:
ein Laser zur Erzeugung eines Laserstrahlenbündels und Vorrichtungen zum Projizieren des Strahlenbündels auf eine Oberfläche des zu markierenden Artikels,
Schablonenvorrichtungen für das Laserstrahlenbündel mit einer Vielzahl von verschieden geformten Öffnungen, die dem vorbestimmten Mustersatz entsprechen und selektiv in den Weg des Laserstrahlenbündels positioniert werden können, um dessen Querschnitt entsprechend dem vorbestimmten Muster zu formen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schablonenvorrichtungen ein drehbares Schablonenrad (11) mit einer Drehachse (13) enthalten, und daß die verschieden geformten Öffnungen für das Laserstrahlenbündel auf einem Kreisbogen um die Drehachse des Schablonenrades angebracht sind.

6. Einrichtungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schablonenvorrichtungen eine Mehrzahl von drehbaren Schablonenrädern aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei jedes Schablonenrad einen verschiedenen Mustersatz aufweist und eine neutrale Öffnung enthält, durch die das Laserstrahlenbündel ungehindert hindurchtreten kann.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines Automobils markiert wird, das auf einem Transportband eine Bearbeitungszelle mit Manipulatorvorrichtungen zum Auftragen einer ultravioletthärtbaren Farbschicht durchläuft.

8. Ein Verfahren zum Markieren der Oberfläche eines Artikels, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte enthalten sind:
Beschichten der Oberfläche des Artikels mit einer Farbe, die bei Bestrahlung mit Ultraviolettlicht gehärtet werden kann,
Bestrahlen der beschichteten Oberfläche des Artikels gemäß einem gewünschten Muster mit einem Laserstrahlenbündel, dessen Wellenlänge für das Härten der Farbe geeignet ist,
Härten der im bestrahlten Muster enthaltenen Farbe, und
Entfernen der nicht gehärteten Farbe von der Oberfläche des Artikels.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt des Bestrahlens der Querschnitt des Laserstrahlenbündels senkrecht zu seiner Fortpflanzungsrichtung gemäß dem gewünschten Muster geformt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Laserstrahlenbündels durch eine Blende geformt wird, deren Öffnung die gewünschte Gestalt aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine Schablone in Form einer drehbaren Scheibe darstellt, die eine Vielzahl von verschieden geformten Öffnungen aufweist, und so angeordnet ist, daß die Öffnungen durch Drehen der Scheibe selektiv in den Weg des Laserstrahlenbündels gebracht werden.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen einer Farbverzierung mit vorbestimmtem Muster auf einer Oberfläche die Schritte durchgeführt werden:
Auftragen eines durch Ultraviolettbestrahlung härtbaren Farbüberzugs auf der Oberfläche in einem Gebiet, das größer ist als die Abmessungen des vorbestimmten Musters,
Verschieben eines Laserstrahlenbündels im Ultraviolettbereich gemäß einem vorbestimmten Muster, um den aufgebrachten Farbüberzug zu härten, und
Entfernen der überschüssigen nicht gehärteten Farbe mit einem Lösungsmittel, das bezüglich der gehärteten Farboberfläche neutral ist.

13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbüberzug auf dem Gebiet aufgebracht wird, in dem das vorbestimmte Muster erzeugt werden soll und größere Abmessungen aufweist als das Muster, daß Ultraviolettlicht gemäß dem vorbestimmten Muster auf den Farbüberzug gerichtet wird, um die Farbe gemäß dem vorbestimmten Muster zu härten, und daß der Überschuß an nicht gehärteter Farbe mit einem Lösungsmittel entfernt wird, das bezüglich der gehärteten Farboberfläche neutral ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraviolettlicht mit Hilfe einer Gummilinse auf den aufgebrachten Farbüberzug fokussiert wird, um so das vorbestimmte Muster durch Änderung der effektiven Brennweite der Gummilinse zu ändern.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragen der Farbe auf die Oberfläche mit Hilfe einer computergesteuerten Farbauftragvorrichtung erfolgt, in der eine dichtgepackte Matrix von Sprühdüsen enthalten ist, die selektiv aktiviert werden können, um Farbe auf die Oberfläche zu sprühen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen von Farbverzierungen auf der Oberfläche eines Automobils die weiteren Schritte durchgeführt werden:
Auftragen mindestens eines zweiten Überzugs aus ultravioletthärtbarer Farbe mit einem von der ersten Farbe verschiedenen Farbton, wobei der zweite Überzug eine Abmessung aufweist, die dem vorbestimmten Muster entspricht, und
Bestrahlen mit Ultraviolettlicht, um den zweiten aufgebrachten Farbüberzug zu härten.