Bei der Auswahl eines UV-Flächenhärtungssystem ist es relativ einfach, den beworbenen Aushärtungsbereich und die Spitzenintensität der verschiedenen Systeme zu vergleichen und anzunehmen, dass höhere Werte eine höhere Lichtabgabe bedeuten. Wie oft berücksichtigt der Benutzer jedoch die Gleichmäßigkeit des vom System abgegebenen Lichts? Die Gleichmäßigkeit ist ein Maß dafür, wie nahe die Emission über den gesamten auszuhärtenden Bereich an der Spitzenintensität liegt, und sie kann zwischen verschiedenen Aushärtungsgeräten stark variieren.
Beim Aushärten eines UV-Klebstoffs ist die Gesamtlichtdosis der wichtigste Faktor für eine erfolgreiche Aushärtung. Die Gesamtdosis ist definiert als Bestrahlungszeit multipliziert mit der Intensität. Bei der Auswahl eines Fluthärtungssystems sucht der Benutzer normalerweise nach einer Intensität, die für eine bestimmte Zeit abgegeben werden kann, um eine vollständige Aushärtung zu erreichen. Die Kombination aus Zeit und Intensität wird von mehreren Faktoren bestimmt, darunter davon, was der Klebstoff benötigt, um eine vollständige Aushärtung zu erreichen, und von der verfügbaren Zeit in einem Prozess, bevor der Aushärtungsschritt zum Engpass wird.
Am einfachsten kann der Benutzer zwei Fluthärtungssysteme vergleichen, indem er sich die angegebene Spitzenintensität und den Aushärtungsbereich ansieht, um eine Gesamtbestrahlungsstärke über einen bestimmten Zeitraum abzuschätzen. Daraus kann der Benutzer schließen, dass sein Prozess die entsprechende Dosis liefert. Unterschiede in der Gleichmäßigkeit können sich jedoch auf die abgegebene Dosis auswirken und die optimale Konfiguration für dieses Fluthärtungssystem ändern.
Bei vielen Anwendungen, wie z. B. beim Klebung medizinischer Geräte, ist ein Versagen des ausgehärteten Teils vor Ort keine Option. Aufgrund der kritischen Endanwendungen der Endprodukte, wie z. B. bei der Verabreichung von Impfstoffen und endoskopischen Verfahren, müssen die Teile sicher und zuverlässig funktionieren. Aus diesem Grund werden die Teile umfangreichen Tests unterzogen, um Qualität und Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Während Zuverlässigkeit an erster Stelle steht, ist Zeit beim Einrichten eines Aushärtungsprozesses oft ein wichtiger Nebenaspekt. Ingenieure und Bediener, die diese Prozesse erstellen und durchführen, müssen das Design ihres Systems sorgfältig überdenken, um die Gewissheit einer ordnungsgemäßen Aushärtung zu gewährleisten und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass der Aushärtungsschritt den Rest des Vorgangs nicht verlangsamt.
Optimierte Aushärtung
Die meisten Hersteller werben für ein bestimmtes Fluthärtungsgerät mit einem Aushärtungsbereich und einer Spitzenintensität. Diese Spitzenintensität wird jedoch häufig nur in einem kleinen Kreis in der Mitte des Aushärtungsbereiches abgegeben. Normalerweise nimmt die Intensität zu den Rändern des Aushärtungsbereiches hin deutlich ab, und in den Ecken noch deutlicher. Dieser Unterschied wird nur größer, wenn der Abstand zur Lampe zunimmt.
Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Gleichmäßigkeitsprofile zweier verschiedener LED-Fluthärtungsstrahler. Diese beiden Strahler haben dieselbe Härtungsfläche und Nennintensität. Betrachtet man nur die Linien auf einem Datenblatt, könnte man zu dem Schluss kommen, dass sie die gleiche Leistung erbringen.
Abbildung 1. 5 x 5 Zoll LED-Flutlichtemitter 1.
Während die Spitzenintensität in der Mitte bei beiden ähnlich ist, fällt die Intensität bei LED-Flutlichtemitter 1 auf unter 50 % dieser Spitze ab. LED-Flutlichtemitter 2 weist einen Abfall von weniger als 10 % auf (siehe Abbildung 2). Dieser Unterschied kann einige Auswirkungen auf den Prozess des Benutzers haben.
Abbildung 2. 5 x 5 Zoll LED-Flutlichtemitter 2.
Betrachten wir den Fall einer Leiterplatte, auf die in mehreren Bereichen eine lichthärtende Beschichtung aufgetragen wird. Diese hypothetische Platte ist fast so groß wie der Aushärtungsbereich des Fluters und über die gesamte Breite Beschichtung . In diesem Fall wird der LED-Flutstrahler 1 weniger als die Hälfte der Intensität seines angegebenen Spitzenwerts an die Beschichtung abgeben, die an den Kanten der Leiterplatte aufgetragen wird.
Wie bereits erwähnt, ist die Gesamtdosis die Bestrahlungszeit multipliziert mit der Intensität. Um die richtige Gesamtdosis zu erreichen, müsste LED-Flutlichtemitter 1 die Zeit, in der er die Platine belichtet, verdoppeln, um die Dosis zu erreichen, die durch die angegebene Spitzenintensität impliziert wird.
LED-Flood-Emitter 2 hingegen weist nur einen geringen Intensitätsabfall zu den Rändern hin auf und benötigt daher nur eine geringfügige Erhöhung der Belichtungszeit. Darüber hinaus erhalten die Bereiche in der Mitte der Platine eine deutlich höhere Dosis. Während das Risiko einer Überhärtung von lichthärtenden Materialien tendenziell viel geringer ist als das einer Unterhärtung, besteht dennoch die Möglichkeit, dass dem Substrat zu viel Wärme zugeführt wird und die Aushärtungszeit zu lange dauert.
Darüber hinaus kann das Fluthärtungssystem mit dem gleichmäßigeren Gleichmäßigkeitsprofil besser optimiert werden. Um eine vollständige Aushärtung an den Kanten zu erreichen, muss der LED-Flutstrahler 1 viel näher an seiner maximalen Leistung betrieben werden, um die Mindestbestrahlungsstärke an den Kanten zu erreichen. Der LED-Flutstrahler 2 bietet dem Benutzer die Möglichkeit, das Fluthärtungssystem mit einer niedrigeren Einstellung zu betreiben, wodurch die Hardware weniger beansprucht wird. In LED-Systemen kann dies die Lebensdauer einer LED erheblich über die normalerweise angegebene Lebensdauer hinaus verlängern.
Alternativ kann der Benutzer die Intensität erhöhen, um die Aushärtungszeit zu verkürzen. Dies beschleunigt den Aushärtungsprozess und erhöht den Durchsatz. Eine Halbierung der Aushärtungszeit kann die Leistung einer Fertigungsstraße verdoppeln, sodass fertige Komponenten viel schneller hergestellt werden können, ohne dass die Qualität oder Zuverlässigkeit darunter leidet.
Das Aushärtungssystem mit besserer Gleichmäßigkeit kann auch den Aufwand verringern, der zum Einrichten eines Prozesses und zur Aufrechterhaltung der Prozesskontrolle erforderlich ist. Bei jedem Prozess ist es äußerst wichtig, die abgegebene Intensität mithilfe eines Radiometers zu überprüfen. Benutzer, die ihren Prozess auf der Spitzenintensität basieren, die in der Mitte einer Flut mit schlechter Gleichmäßigkeit abgegeben wird, müssen die Intensität häufiger und an mehr Punkten im gesamten Aushärtungsbereich messen, um sicherzustellen, dass dem Aushärtungsprozess eine ausreichende Intensität zugeführt wird.
Die mangelnde Gleichmäßigkeit verringert auch den verfügbaren Sicherheitsfaktor zwischen dem, was das Aushärtungssystem liefern kann, und dem, was für eine vollständige Aushärtung erforderlich ist. Da die Intensität der Lichtquelle mit der Zeit nachlässt, kann dies den Prozess gefährden. Der Benutzer muss den Prozess häufiger anpassen oder früher neue Geräte installieren. Ein System mit besserer Gleichmäßigkeit kann den Aufwand für die Prozesssteuerung verringern, indem die Anzahl der Messpunkte verringert wird, was einen größeren Spielraum gegen Verschlechterung bietet und eine längere Verwendung der Geräte ermöglicht.
Mehrere Aushärtungsgeräte
Betrachten wir den Fall eines Lichthärtendes Förderband mit mehreren nebeneinander angeordneten Flutlichtlampen. In dieser Situation ist neben einem zuverlässigen Prozess oft die Durchsatzgeschwindigkeit der kritischste Faktor.
Die Abbildungen 3 und 4 zeigen, wie sich die Einheitlichkeit verstärkt, wenn mehrere Härtungsgeräte, z. B. zwei Flutlichtstrahler, zusammen verwendet werden. Nach der Installation auf dem Förderband liefert der LED-Flutlichtstrahler 1 eine solide Spitzenintensität in der Mitte seines Härtungsbereichs, aber zwischen den beiden Strahlern ist ein sichtbares Tal zu sehen, wo die Intensität geringer ist. Der Abfall ist mit fast 25 % von der Spitzenintensität in der Mitte signifikant.
Abbildung 3. Gleichmäßigkeitsprofil von LED Flood 1 in einer Anordnung mit zwei nebeneinander angeordneten Emittern. Die eingekreisten Bereiche zeigen die Intensitätsabnahme in der Mitte der Anordnung.
Mittlerweile gestalten Anwender ihren Aushärtungsprozess oft so, dass das Teil entweder zentriert auf dem Förderband platziert wird oder die gesamte Breite des Förderbands genutzt wird. Die unglückliche Folge ist, dass das Teil seine volle Dosis nur in zwei Bändern außerhalb der Mitte des Aushärtungsbereichs erhält.
Wie bereits erwähnt, muss der Benutzer sein Fluthärtungssystem jetzt mit höherer Intensität laufen lassen, um sicherzustellen, dass der Mittelabschnitt die richtige Dosis erhält, wobei er gleichzeitig die Ausrüstung zusätzlich belastet. Alternativ kann er die Fördergeschwindigkeit verringern, um die Belichtungszeit zu verlängern. Dieser Weg stellt sicher, dass die richtige Dosis erhalten wird, allerdings auf Kosten einer längeren Zykluszeit.
Abbildung 4. Gleichmäßigkeitsprofil von LED Flood 2 in einer Anordnung mit zwei nebeneinander angeordneten Emittern. Die hervorragende Gleichmäßigkeit stellt sicher, dass es im Randbereich zu keinem Abfall kommt.
Der LED-Flood-Emitter 2 hingegen weist eine deutlich bessere Gleichmäßigkeit auf und hat bei seiner Side-by-Side-Anordnung keine Mulde in der Mitte (siehe Abbildung 4). Somit kann der Anwender den Prozess optimieren, indem er geringere Intensitätseinstellungen verwendet oder die Förderbandgeschwindigkeit erhöht. Der Anwender profitiert nun entweder von einem erhöhten Produktdurchsatz oder von der langfristigen Rentabilität der Anlage.
Langfristige finanzielle Vorteile
Durch die Berücksichtigung der Gleichmäßigkeit der Lichtabgabe können Ingenieure, Bediener und letztlich auch Benutzer einen Vorteil in ihrem gesamten Aushärtungsprozess erzielen. Dies kann zu Kosteneinsparungen durch weniger Ausschuss aufgrund schlechter Qualität oder zu höheren Umsätzen durch die schnellere Lieferung von mehr Produkten führen. Obwohl es aus den einfachen Spezifikationen auf dem Datenblatt eines Fluthärtungsgeräts nicht immer leicht ersichtlich ist, sollten Benutzer die Dosis berücksichtigen, die an alle Bereiche des zu härtenden Teils abgegeben wird, und das Profil der von ihnen ausgewählten Ausrüstung studieren.
Veröffentlicht in der digitalen Ausgabe des Magazins Adhesives & Sealants Industry vom September 2021.