Polimerizzazione UV LED a punto

La polimerizzazione a punto concentra la luce UV su un'area piccola e ben definita, in genere di pochi millimetri di diametro. Polimerizza un punto o un cordone di adesivo dosato esattamente dove si trova, in pochi secondi, mentre il resto del pezzo resta in gran parte non esposto. È la tecnica standard per l'incollaggio di piccoli pezzi nell'assemblaggio di elettronica, ottica, fibre ottiche e dispositivi medici.

Come funziona

Un sistema spot UV LED è composto da tre parti:

• La testa LED: un piccolo alloggiamento a penna con un LED UV ad alta potenza, un dissipatore e una lente.
• Il cavo: collega la testa al controller, così la testa si può montare su un'attrezzatura, un robot o una stazione di dosaggio.
• Il controller: comanda ogni testa con intensità e tempo di esposizione propri e si collega alla linea tramite segnali I/O o un'interfaccia seriale.

Si dosa l'adesivo, si posizionano i pezzi e il controller accende il LED per un tempo impostato. Poiché il LED raggiunge subito la piena potenza e si spegne senza ritardo, l'esposizione è definita solo dal controller, senza riscaldamento né otturatore.

Prima dei LED UV, la polimerizzazione a punto utilizzava una lampada al mercurio e una guida di luce flessibile. Le teste LED la sostituiscono con una sorgente che funziona per decine di migliaia di ore, non emette infrarossi e non contiene mercurio. I sistemi a lampada UV Lamp Spot restano utili per gli adesivi che richiedono uno spettro ampio.

Ottiche e distanza di lavoro

La lente modella la luce in uno spot di un determinato diametro a una determinata distanza dalla testa. Gli spot piccoli concentrano l'emissione del LED e raggiungono l'irraggiamento più elevato; quelli grandi la distribuiscono su un'area maggiore e ne raggiungono meno. Ogni lente è specificata a una distanza di lavoro nominale, misurata dalla testa al pezzo.

La tabella mostra chiaramente il compromesso: la lente da 2 mm raggiunge 18.000 mW/cm², quella da 15 mm 650 mW/cm². Conviene scegliere lo spot più piccolo che copra ancora l'intero cordone di adesivo con un certo margine per la tolleranza di posizionamento.

Allontanare la testa dalla distanza nominale modifica sia il picco sia la forma dello spot. I profili di irraggiamento qui sotto lo mostrano per sei lenti: alla distanza nominale il profilo è stretto e alto; più lontano diventa più basso e più largo. La testa va fissata in un supporto a una distanza ripetibile, e la misura va ripetuta se l'attrezzatura cambia.

Oltre allo spot rotondo standard, lenti speciali producono uno spot lineare per brevi linee di incollaggio oppure emettono ad angolo retto, per teste che devono essere montate parallele al pezzo.

Irraggiamento e dose

Due valori descrivono l'esposizione:

• L'irraggiamento (mW/cm²) è la potenza UV che arriva per unità di area sulla superficie dell'adesivo. Dipende dal LED, dalla lente, dalla distanza di lavoro e dall'intensità impostata.
• La dose (mJ/cm²) è l'energia erogata per unità di area: l'irraggiamento moltiplicato per il tempo di esposizione. 1.000 mW/cm² per 3 s danno 3.000 mJ/cm².

Le schede tecniche degli adesivi indicano di solito una dose richiesta e spesso un irraggiamento minimo. Contano entrambi. Al di sotto di un certo irraggiamento, l'ossigeno in superficie può bloccare la polimerizzazione, e un'esposizione più lunga non compensa del tutto. Al di sopra, un irraggiamento più alto accorcia il tempo di esposizione a parità di dose. Un irraggiamento molto elevato può anche polimerizzare l'adesivo così rapidamente da generare tensioni da ritiro: per questo l'irraggiamento a step o a impulsi è utile negli incollaggi di precisione.

In fase di messa a punto del processo, l'irraggiamento va misurato nella posizione di lavoro con un UV Radiometer, ripetendo la misura a intervalli regolari.

Lunghezza d'onda

Le teste spot sono disponibili a 365, 385, 395, 405 e 450 nm. La scelta giusta dipende dall'adesivo:

• 365 nm è adatta alla maggior parte degli adesivi UV di uso generale e a molte formulazioni progettate in origine per lampade al mercurio.
• Da 385 a 405 nm è adatta agli adesivi ottimizzati per LED, alla polimerizzazione attraverso plastiche come il policarbonato che assorbono le lunghezze d'onda più corte e a una polimerizzazione più profonda nei cordoni spessi.
• 450 nm (blu visibile) è adatta agli adesivi formulati per la polimerizzazione a luce visibile.

Si usa la lunghezza d'onda raccomandata nella scheda tecnica dell'adesivo, verificando la trasmissione di ogni strato attraversato dalla luce.

Impieghi tipici

• Incollaggio di lenti, prismi e moduli fotocamera in Ottica
• Fissaggio di bobine, fili e componenti e sigillatura di alloggiamenti in Elettronica
• Fissaggio di fibre, lenti e fiber array in Comunicazioni in fibra ottica
• Incollaggio di tubi, connettori e aghi in Dispositivi medici

Limiti

• Area ridotta. Uno spot copre da pochi millimetri a circa 15 mm. Per incollaggi più grandi o molti pezzi contemporaneamente sono più adatte la polimerizzazione lineare o ad area.
• Linea di vista. La luce UV polimerizza solo dove arriva. L'adesivo sotto un pezzo opaco o in una fessura profonda resta liquido, a meno che non disponga di un meccanismo di polimerizzazione secondario.
• Posizionamento. Diametro dello spot e irraggiamento dipendono dalla posizione della testa, quindi le teste richiedono un montaggio rigido e ripetibile.
• Calore ad alta potenza. I LED non emettono infrarossi, ma la luce UV assorbita riscalda comunque il pezzo. Con irraggiamenti molto elevati ed esposizioni lunghe, occorre controllare la temperatura del pezzo.

Come specificare un sistema spot

1. Numero di punti di polimerizzazione per pezzo o stazione, che determina il numero di teste e di canali.
2. Diametro dello spot e distanza di lavoro, in base alle dimensioni del cordone e allo spazio disponibile nell'attrezzatura.
3. Lunghezza d'onda, dalla scheda tecnica dell'adesivo.
4. Dose richiesta e irraggiamento minimo, che con la lente scelta determinano il tempo di esposizione.
5. Forma della testa: lunghezza standard, lunga, con alette di raffreddamento aggiuntive o con lente ad angolo retto.
6. Controllo: touch screen o pulsanti, attivazione da PLC, uscite di allarme, RS232 e blocco dei parametri.
7. Lunghezza del cavo tra controller e testa, e se la testa si muove su un robot.

Sistemi di polimerizzazione a punto Awellcure

I controller UV LED Spot di Awellcure comandano quattro o otto teste, ciascuna con intensità, tempo di esposizione e modalità propri, impostabili a passi di 0,1 s. Possono essere attivati da segnali esterni, emettono un allarme in caso di testa guasta, bloccano le impostazioni e registrano le ore di funzionamento per ogni testa. Ogni testa ha un sensore di temperatura collegato al controller, che mantiene l'irraggiamento entro ±3 % all'80 % della potenza. Le teste sono fornite di serie con un cavo da 2 m, su richiesta da 5 m o più, e per le teste in movimento sono disponibili cavi per robot.