UV-LED-Punkthärtung

Bei der Punkthärtung wird UV-Licht auf eine kleine, klar begrenzte Fläche konzentriert, typischerweise wenige Millimeter im Durchmesser. Sie härtet einen dosierten Klebstoffpunkt oder eine Raupe genau dort, wo sie sitzt, in Sekunden, während der Rest des Teils weitgehend unbelichtet bleibt. Sie ist das Standardverfahren zum Verkleben kleiner Teile in der Elektronik-, Optik-, Faseroptik- und Medizinproduktemontage.

So funktioniert es

Ein UV-LED-Punkthärtungssystem besteht aus drei Teilen:

• Der LED-Kopf: ein kleines, stiftförmiges Gehäuse mit einer Hochleistungs-UV-LED, einem Kühlkörper und einer Linse.
• Das Kabel: verbindet den Kopf mit der Steuerung, sodass sich der Kopf an einer Vorrichtung, einem Roboter oder einer Dosierstation montieren lässt.
• Die Steuerung: betreibt jeden Kopf mit eigener Intensität und Belichtungszeit und wird über I/O-Signale oder eine serielle Schnittstelle an die Linie angebunden.

Der Klebstoff wird dosiert, die Teile werden positioniert, und die Steuerung schaltet die LED für eine festgelegte Zeit ein. Da die LED sofort ihre volle Leistung erreicht und ohne Verzögerung abschaltet, wird die Belichtung allein durch die Steuerung bestimmt, ohne Aufwärmphase und ohne Shutter.

Vor den UV-LEDs arbeitete die Punkthärtung mit einer Quecksilberlampe und einem flexiblen Lichtleiter. LED-Köpfe ersetzen das durch eine Quelle, die Zehntausende Stunden läuft, kein Infrarot abstrahlt und kein Quecksilber enthält. Lampenbasierte UV Lamp Spot-Systeme bleiben nützlich für Klebstoffe, die ein breites Spektrum benötigen.

Optik und Arbeitsabstand

Die Linse formt das Licht zu einem Spot bestimmten Durchmessers in einem bestimmten Abstand vom Kopf. Kleine Spots bündeln die Leistung der LED und erreichen die höchste Bestrahlungsstärke; große Spots verteilen sie auf mehr Fläche und erreichen weniger. Jede Linse ist für einen nominalen Arbeitsabstand spezifiziert, gemessen vom Kopf bis zum Teil.

Die Tabelle zeigt den Zielkonflikt deutlich: Die 2-mm-Linse erreicht 18.000 mW/cm², die 15-mm-Linse 650 mW/cm². Wählen Sie den kleinsten Spot, der die gesamte Klebstoffraupe mit etwas Reserve für Positioniertoleranzen noch abdeckt.

Wird der Kopf aus seinem nominalen Abstand bewegt, ändern sich sowohl das Maximum als auch die Form des Spots. Die folgenden Bestrahlungsprofile zeigen das für sechs Linsen: Im nominalen Abstand ist das Profil schmal und hoch, weiter entfernt wird es niedriger und breiter. Fixieren Sie den Kopf in einem Halter in einem reproduzierbaren Abstand und messen Sie neu, wenn sich die Vorrichtung ändert.

Neben dem runden Standardspot erzeugen Speziallinsen einen linienförmigen Spot für kurze Klebefugen oder strahlen im rechten Winkel ab, für Köpfe, die parallel zum Teil montiert werden müssen.

Bestrahlungsstärke und Dosis

Zwei Größen beschreiben die Belichtung:

• Bestrahlungsstärke (mW/cm²) ist die UV-Leistung, die pro Flächeneinheit an der Klebstoffoberfläche ankommt. Sie hängt von LED, Linse, Arbeitsabstand und Intensitätseinstellung ab.
• Dosis (mJ/cm²) ist die pro Flächeneinheit eingebrachte Energie: Bestrahlungsstärke multipliziert mit der Belichtungszeit. 1.000 mW/cm² über 3 s ergeben 3.000 mJ/cm².

Klebstoffdatenblätter nennen meist eine erforderliche Dosis und oft eine minimale Bestrahlungsstärke. Beides ist wichtig. Unterhalb einer bestimmten Bestrahlungsstärke kann Sauerstoff an der Oberfläche die Härtung stoppen, und eine längere Belichtung gleicht das nicht vollständig aus. Oberhalb davon verkürzt eine höhere Bestrahlungsstärke die Belichtungszeit bei gleicher Dosis. Eine sehr hohe Bestrahlungsstärke kann den Klebstoff jedoch so schnell härten, dass sich Schrumpfspannungen aufbauen, weshalb Stufen- oder Pulsbestrahlung bei Präzisionsklebungen nützlich ist.

Messen Sie die Bestrahlungsstärke an der Arbeitsposition beim Einrichten des Prozesses mit einem UV Radiometer und wiederholen Sie die Messung in regelmäßigen Abständen.

Wellenlänge

Punkthärtungsköpfe sind mit 365, 385, 395, 405 und 450 nm erhältlich. Die richtige Wahl gibt der Klebstoff vor:

• 365 nm eignet sich für die meisten UV-Universalklebstoffe und viele ursprünglich für Quecksilberlampen entwickelte Formulierungen.
• 385 bis 405 nm eignet sich für LED-optimierte Klebstoffe, für die Härtung durch Kunststoffe wie Polycarbonat, die kürzere Wellenlängen absorbieren, und für eine tiefere Durchhärtung dickerer Raupen.
• 450 nm (sichtbares Blau) eignet sich für Klebstoffe, die für die Härtung mit sichtbarem Licht formuliert sind.

Verwenden Sie die im Klebstoffdatenblatt empfohlene Wellenlänge und prüfen Sie die Transmission jeder Schicht, die das Licht durchdringt.

Typische Anwendungen

• Verkleben von Linsen, Prismen und Kameramodulen in der Optik
• Fixieren von Spulen, Drähten und Bauteilen sowie Abdichten von Gehäusen in der Elektronik
• Vorfixieren von Fasern, Linsen und Faserarrays in der Glasfaserkommunikation
• Verkleben von Schläuchen, Konnektoren und Kanülen in der Medizintechnik

Grenzen

• Kleine Fläche. Ein Spot deckt wenige Millimeter bis etwa 15 mm ab. Für größere Klebeflächen oder viele Teile gleichzeitig eignen sich die Linienhärtung oder die Flächenhärtung besser.
• Sichtlinie. UV härtet nur dort, wo es ankommt. Klebstoff unter einem lichtundurchlässigen Teil oder in einem tiefen Spalt bleibt flüssig, sofern er keinen zweiten Härtungsmechanismus hat.
• Positionierung. Spotgröße und Bestrahlungsstärke hängen von der Position des Kopfes ab, daher benötigen die Köpfe eine starre, reproduzierbare Montage.
• Wärme bei hoher Leistung. Die LEDs strahlen kein Infrarot ab, doch absorbiertes UV erwärmt das Teil dennoch. Bei sehr hoher Bestrahlungsstärke und langer Belichtung prüfen Sie die Bauteiltemperatur.

So spezifizieren Sie ein Punkthärtungssystem

1. Anzahl der Härtungspunkte je Teil oder Station, die die Anzahl der Köpfe und Kanäle bestimmt.
2. Spotgröße und Arbeitsabstand, abgeleitet aus der Raupengröße und dem verfügbaren Platz in der Vorrichtung.
3. Wellenlänge aus dem Klebstoffdatenblatt.
4. Erforderliche Dosis und minimale Bestrahlungsstärke, aus denen sich mit der gewählten Linse die Belichtungszeit ergibt.
5. Kopfform: Standardlänge, lang, mit zusätzlichen Kühlrippen oder mit Winkellinse.
6. Steuerung: Touchscreen oder Tasten, SPS-Triggerung, Alarmausgänge, RS232 und Parametersperre.
7. Kabellänge von der Steuerung zum Kopf und ob sich der Kopf an einem Roboter bewegt.

Punkthärtungssysteme von Awellcure

Die UV LED Spot-Steuerungen von Awellcure betreiben vier oder acht Köpfe mit jeweils eigener Intensität, Belichtungszeit und Betriebsart, einstellbar in Schritten von 0,1 s. Sie lassen sich über externe Signale auslösen, geben bei einem defekten Kopf einen Alarm aus, sperren ihre Einstellungen und protokollieren die Betriebsstunden je Kopf. Jeder Kopf hat einen Temperatursensor mit Rückmeldung an die Steuerung, die die Bestrahlungsstärke bei 80 % Leistung innerhalb von ±3 % hält. Die Köpfe werden standardmäßig mit 2 m Kabel geliefert, 5 m oder länger auf Bestellung, und für bewegte Köpfe sind robotertaugliche Kabel erhältlich.