UV-härtende Klebstoffe haben sich vor allem in der Unterhaltungselektronik etabliert. Im Sekundentakt müssen hier beispielsweise Einzelteile von Minilautsprechern verklebt, Displays versiegelt oder Mikroschalter vergossen werden. Aber auch im Automobilbereich, wie bei der Verklebung von Stator und Gehäuse bei E-Motoren, ermöglicht der Einsatz UV-härtender Klebstoffe schnelle Klebprozesse.

Das Besondere an diesen Klebstoffen ist ihr Härtungsmechanismus. Sie sind mit einem Photoinitiator ausgestattet, einer chemischen Verbindung, die durch die Absorption von UV-Licht in funktionale Gruppen zerfällt und somit die Polymerisation startet. In der Aushärtungsreaktion verbinden sich die Monomere im Klebstoff zu einem Polymer, und damit zu einer fest vernetzten Struktur. Ein Lichtimpuls von unter einer Sekunde kann ausreichen, um den Klebstoff vollständig auszuhärten und Bauteile dauerhaft zu verbinden.

Zum Aushärten von UV-härtenden Klebstoffen werden heute vorrangig leistungsstarke LED-Strahler eingesetzt. Wie auch in anderen Beleuchtungsbereichen mittlerweile etabliert, sind mit LEDs bestückte Lampen hoch effizient und energiesparend. Die typische Lebensdauer von LED-Aushärtungslampen liegt häufig bei mehr als 20.000 Stunden und übertrifft konventionelle Strahler damit um das 20-fache. Mussten Entladungslampen bis zu 20 Minuten vorgewärmt werden, erlangen LEDs in Millisekunden ihre volle Leuchtkraft. Das schmale Emissionsspektrum der Leuchtdioden sowie ihre hohen Intensitäten ermöglichen eine optimale Anpassung zwischen Klebstoff und Aushärtungslampe. Um tatsächlich von den Vorteilen des Einsatzes UV-härtender Klebstoffe und Hochleistungs-LED-Strahlern zu profitieren, gilt es jedoch, ein paar wichtige Faktoren zu beachten.

Die Lampe muss zum Klebstoff passen

Ein entscheidendes Kriterium, damit die Lichthärtungsreaktion überhaupt ablaufen kann ist, dass das Wellenlängenspektrum der Aushärtungslampe sich mit dem Absorptionsspektrum des Photoinitiators überschneidet.

Die Wellenlänge der Lampe muss zum Absorptionsspektrum des Klebstoffs passen. Delo

Die Wellenlänge der Lampe muss zum Absorptionsspektrum des Klebstoffs passen. Delo

Photoinitiatoren haben ein für sie typisches Absorptionsspektrum, das je nach chemischer Verbindung bei 370 bis 480 Nanometern endet. Damit es nicht zu einer unkontrollierten Aushärtung kommt, sind die Absorptionsspektren meist so gewählt, dass z.B. Tageslicht den Klebstoff nicht oder nur sehr langsam aushärten kann. LED-Aushärtungslampen emittieren bei 365, 400 oder 460 Nanometer – analog zu den Absorptionsspektren der Klebstoffe.

Die Lampe muss zum Fügeteil passen

Damit ein spezifischer lichthärtender Klebprozess tatsächlich ablaufen kann ist es wichtig, dass noch eine zweite Bedingung erfüllt ist: Mindestens ein Fügeteil muss im Absorptionsbereich des Klebstoffs durchstrahlbar sein.

Ein Beispiel: Displays von Smartphones oder Tablets werden zum Schutz meist mit einem „Deckglas“ versehen. Dieses kann sowohl aus Glas als auch aus einem Kunststoff wie PMMA (Polymethylmethacrylat) oder PC (Polycarbonat) bestehen. Während Glas bereits ab 325 Nanometern Wellenlänge eine Durchlässigkeit für das Licht der Strahlungsquelle hat, blocken die genannten Kunststoffe in diesem Bereich das Licht noch vollständig. PC hat beispielsweise erst ab 400 Nanometern Wellenlänge eine Transmission. Würde eine Verklebung mit PC also mit einem UV-Strahler (365 Nanometer) belichtet, würde keine Polymerisation ablaufen, da das Licht den Klebstoff nicht erreicht.

Transmissionsspektren verschiedener Materialien im Vergleich.

Transmissionsspektren verschiedener Materialien im Vergleich. Delo

Für die Auswahl eines passenden LED-Strahlers muss also auch das Transmissionsspektrum des Bauteils bekannt sein. Dieses lässt sich über entsprechende Messgeräte bestimmen.

Einen weiteren Einfluss auf den Aushärtungsprozess hat die Intensität der Lampe. Handelsübliche LED-Lampen für die Klebstoffaushärtung, wie die des Herstellers Delo, liegen bei bis zu 12.000 mW/cm².  Der Vorteil dieser hohen Intensitäten ist in erster Linie, dass sich Prozesszeiten verkürzen lassen – auch bei „schwierigeren“ Verklebungen: Beispielsweise, wenn baulich bedingt zwischen der Lichtquelle und den zu verklebenden Bauteilen größere Abstände bestehen oder dickere Klebschichten sehr schnell ausgehärtet werden sollen. Auch kann eine Klebstoffschicht zwischen teiltransparenten Fügeteilen, die oft nur 10 % des Initialwerts durchlassen, ausgehärtet werden.

Lampen mit hoher Intensität bringen noch einen weiteren Vorteil mit sich. Die Lebensdauer der Lampe kann über die Herstellerangaben hinaus erhöht werden, wenn die volle Intensität der LEDs (z.B. 2.000 mW/cm²) nicht benötigt wird und die Aushärtung bei niedrigeren Intensitäten erfolgt. Durch die Vorgabe des Stroms lässt sich auch bei LED-Lampen die Intensität stufenlos zwischen 0 – 100 Prozent einstellen.

Für die Auswahl der Intensitätshöhe ist es enorm wichtig, den Gesamtprozess zu betrachten. Denn nicht immer ist die Einstellung besonders hoher Intensitäten vorteilhaft, da diese auch zu einer fehlerhaften Aushärtung führen kann. Der Gesamtprozess umfasst den Arbeitsabstand, die Durchstrahlbarkeit der Bauteile ebenso wie die Dicke der Klebstoffschicht. Die Distanz zwischen Lichtquelle und Fügeteil hat beispielsweise einen Einfluss darauf, wieviel Intensität am Bauteil ankommt. Je geringer der Arbeitsabstand ist, desto schmaler ist das Strahlprofil und desto höher die Intensität. Dieser Effekt ist bei Punktstrahlern noch massiver als bei Flächenstrahlern und schon zwei Millimeter machen hier einen deutlichen Unterschied. Als Faustregel gilt: Bei einer Verdopplung des Arbeitsabstands nimmt die Intensität um Faktor vier ab.

Die Lampengröße muss passen

In der Industrie werden zwei verschiedene Lampentypen unterschieden: Punkt- und Flächenstrahler. Bei punktuellen oder linienförmigen Verklebungen, wie sie bei der Fertigung von Mikroelektronik oft vorkommen, werden Punktstrahler verwendet. Sollen große Flächen wie Displays oder gleichzeitig viele Bauteile (z.B. Mikroschalter-Vergüsse) im Batchprozess belichtet werden, kommen Flächenstrahler zum Einsatz. Je nach Anwendung können also unterschiedliche Strahler dienlich sein.

Flächen homogen aushärten: Flächenstrahler sorgen für die gleichzeitige Belichtung großer Flächen oder für die Durchlaufbelichtung in langen Produktionsstraßen. Bei der Ausgestaltung von Fertigungslinien empfiehlt es sich, Flächenstrahler einzusetzen, die beliebig modular aneinanderreihbar sind, ohne dass es zu Abschattungen kommt, weil das Gehäuse größer ist als die Leuchtfläche. Die Flächenstrahler Delolux 20 und Delolux 202 erfüllen mit den zwei Bauformen mit einer Lichtaustrittsfläche von 100 x 100 mm² sowie 200 x 50 mm² diese Anforderung und weisen einen besonders schlanken Randbereich auf.

Die kompakten UV-Flächenstrahler sorgen für ein homogenes Aushärten.  Delo

Die kompakten UV-Flächenstrahler sorgen für ein homogenes Aushärten. Delo

Ziel sollte es immer sein, die gesamte zu verklebende Fläche mit gleicher Intensität zu belichten. Werden große Flächen belichtet, ist zudem entscheidend, dass der Klebstoff spannungsfrei aushärten kann, damit es nicht zu Verzug kommt. Nur durch eine homogene Belichtung kann sichergestellt werden, dass der Klebstoff in allen Bereichen gleichmäßig und vollständig aushärtet und seine für die Anwendung erforderlichen Eigenschaften erreicht. Weniger gute Lampen haben oft aufgrund billiger Optiken und LEDs ein inhomogenes Belichtungsprofil, sodass die Intensität in der Mitte des Strahlers hoch ist, an den Rändern jedoch abfällt. Schlechte Klebstoffeigenschaften bis hin zum Bauteilversagen sind die Folge.

Punktgenaues Aushärten: Punktstrahler werden meist eingesetzt, wenn Flächen, die nur wenige Quadratmillimeter groß sind, zuverlässig belichtet werden sollen. Die meisten Punkstrahler verwenden Fokusoptiken, die, z.B. bei der Aushärtungslampe Delolux 50, vom Anwender flexibel gewählt und aufgeschraubt werden können. Dadurch lassen sich anwendungsspezifisch Spotgrößen von 1 – 10 mm Durchmesser und Intensitäten von bis zu 12.000 mW/cm² realisieren. Punktstrahler werden meist passiv gekühlt; eine Besonderheit unter den Punktstrahlern bietet die Lampe Delolux 80 (23 mm Ø Belichtungsfläche), bei der die LEDs durch eine festverbaute, wartungsfreie Wasserkühlung gekühlt werden.

Delolux 50 Punktstrahler von Delo

Delolux 50 Punktstrahler. Delo

Qualitätskontrolle

Schon minimale Verunreinigungen, irrtümliche Parameteränderung oder der Ausfall einer LED wirken sich auf die Intensität von LED-Strahlern aus. Um dauerhaft eine homogene Beleuchtung und damit eine hohe Verklebungsqualität sicherzustellen, muss die Intensität der einzelnen Lampenköpfe folglich regelmäßig überprüft werden. Hierzu können spezielle Messgeräte wie das Radiometer Delolux control eingesetzt werden.

Fazit

UV-härtende Klebstoffe ermöglichen in Kombination mit leistungsstarker Lampentechnik schnelle Aushärtungsprozesse – vorausgesetzt, alle Parameter wurden aufeinander abgestimmt. Es muss immer das gesamte System aus Klebstoff, Aushärtungslampe (Wellenlänge, Intensität und Typ), Bauteil und Rahmenbedingungen der Fertigungslinie betrachtet werden, um optimale Prozesse zu realisieren. Außerdem ist es empfehlenswert einen Lampentyp zu wählen, mit dem sich Produktionslinien beliebig erweitern lassen, um eine große Flexibilität bei der Ausgestaltung der Fertigungslinien zu haben.

Anforderungen an UV-Strahler

  • Wellenlänge des UV-Strahlers muss zum Absorptionsbereich des Klebstoffs passen.
  • Mindestens ein Fügeteil muss im Absorptionsbereich des Klebstoffs durchstrahlbar sein.
  • Unterschiedliche Lampenarten sorgen für optimale Belichtung für das entsprechende Anwendungsfeld.
  • Strahlungsprofil und Intensität ändern sich (besonders bei Punktstrahlern) durch den Arbeitsabstand.
  • Homogene Belichtung ist entscheidend für spannungsfreies Aushärten großer Flächen.
  • Intensitätskontrolle zur Qualitätssicherung erforderlich.
  • LED-Strahler erreichen Lebensdauer von bis zu 20.000 Stunden.
  • Für die Auswahl des passenden UV-Strahlers muss immer der gesamte Prozess betrachtet werden.