Bei der flächenorientierten UV-Lichthärtung von Klebzonen werden häufig Glasfaserbündel oder Flüssiglichtleiter zur Strahlungsübertragung eingesetzt. Anwender mussten bisher bei beiden Komponenten spürbare Nachteile in Kauf nehmen. Endverschmolzene Faserbündel ermöglichen es, die volle Leistungsintensität der Strahlquelle zu nutzen.
Bei endverschmolzenen Faserbündeln wird nur in den Mantelbereichen der Einzelfasern – hier als dunklere Stellen in der Fläche wahrnehmbar – nicht die volle Lichtleistung transportiert. Dieser Nachteil lässt sich jedoch durch geschickte Wahl des Kern-Mantel-Verhältnisses minimieren.
Ceramoptec
In der industriellen Materialbearbeitung wird UV-Licht bereits seit vielen Jahren erfolgreich zum Härten von Klebstoffen, aber auch von Beschichtungen und Vergussmassen eingesetzt. Die Anwendungsbereiche sind vielseitig und reichen von der Möbelherstellung über die Additive Fertigung bis hin zur Automobilbranche. Der wichtigste Vorteil des Verfahrens liegt auf der Hand: Die Härtung kommt ohne Lösungsmittel aus und kann mit Hilfe der Lichtquelle sehr kontrolliert realisiert werden. Um eine sichere und zuverlässige Aushärtung zu erzielen, müssen die ermittelten UV-Härtungsparameter jedoch sehr präzise umgesetzt werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Wahl des Lichtleiters, der die UV-Strahlung von der Lichtquelle zum Werkstück transportiert. Anwendungen, die eine besonders enge Fokussierung erfordern, werden zum Beispiel meist unter Einsatz von Glasfasern umgesetzt. Sie ermöglichen eine verlustarme Leistungsübertragung und eignen sich optimal für eine gezielte punktuelle Bestrahlung.
Großflächige Verklebung
Beim großflächigen Verkleben transparenter Werkstücke – beispielsweise zur Befestigung von Front- und Heckscheiben im Automobilbau – sind Glasfasern hingegen ungeeignet. Hier kommen acrylatbasierte Klebstoffe zum Einsatz, deren Photoinitiatoren unter UV-Licht-Bestrahlung in freie Radikale zerfallen und so die Bildung vernetzter und thermoplastischer Polymerketten anregen. Dabei gilt: Je höher die Intensität der UV-Strahlung ist, desto schneller entstehen die materialhärtenden Polymerketten. Deshalb müssen die Klebflächen durch eine konzentrierte und homogene Bestrahlung mit UV-Licht aus Deutriumlampen oder LED-Strahlern gehärtet werden. Die Querschnitte herkömmlicher Glasfasern reichen jedoch nicht aus, um UV-Spots von angemessener Größe und mit homogener Intensitätsverteilung zu erzeugen.
In der UV-Härtepraxis werden deshalb bisher bevorzugt Faserbündel oder Flüssiglichtleiter eingesetzt, die einen größeren Spot als herkömmliche Glasfasern besitzen und somit eine flächige Bestrahlung ermöglichen. Vollends überzeugen konnten indes auch diese beiden Lösungen nicht. Flüssiglichtleiter etwa sind aufgrund ihrer aus Fluorpolymer gefertigten Schläuche sehr biegsam und weisen deutlich höhere Öffnungswinkel als Glasfasern auf. Zudem punkten sie mit hohem Lichtdurchsatz: Die enthaltenen Fluide – Spezialgemische aus Wasser, Salzlösungen, Ölen, Gelen und anderen Bestandteilen – besitzen einen hohen Brechungsindex und verleihen den Fasern dadurch exzellente Transporteigenschaften sowie homogene Ausgangsstrahlungen. Dafür sind Flüssiglichtleiter allerdings nur in Längen unter 10 m verfügbar und hohe Temperaturen nur für kurze Zeit. Dadurch kann nicht kontinuierlich mit der vollen Leistung der Lichtquelle gearbeitet werden.
Faserbündel wiederum eignen sich sehr gut zum Überbrücken großer Distanzen und halten auch hohen Temperaturen länger stand. Im Gegenzug sind sie den Flüssiglichtleitern jedoch an anderer Stelle unterlegen, denn beim Einsatz von Glasfaserbündeln mussten die Anwender bisher regelmäßig Schwächen beim Lichtdurchsatz hinnehmen: Durch blinde Faserzwischenräume gehen bei herkömmlichen Faserbündeln rund 25 bis 50 % des eingekoppelten UV-Lichts verloren, was eine verminderte Bestrahlungswirkung beziehungsweise eine verminderte Ausschöpfung der Lichtleistung zur Folge hat.
Endverschmolzene Faserbündel
Weiterentwicklungen in der Glasfasertechnik könnten diesen unbefriedigenden Zustand jedoch künftig beenden. Der Faseroptikspezialist Ceramoptec etwa stellt lichtübertragende Faserbündel her, deren Transmission den Lichtdurchsatz herkömmlicher Bündel um bis zu 27 % übersteigen soll. Diese sogenannten ‘PowerLightGuides‘ tolerieren nach Angaben des Herstellers Temperaturen bis zu 500 °C und können bei Lichtleistungen bis zu 500 W eingesetzt werden. Erreicht werden diese Parameter durch eine neue Bündelungstechnik: Die Faserenden werden nicht mehr mit Epoxydharz verklebt, sondern unter hoher Temperatureinwirkung verschmolzen. Während dieses Verschmelzungsprozesses nehmen die ursprünglich runden Fasern eine hexagonale Form an, wodurch Faserzwischenräume entfallen. Lediglich in den Mantelbereichen werde auch hier nicht die volle Lichtleistung übertragen. Dieser Nachteil könne jedoch durch geschickte Wahl des Kern-Mantel-Verhältnisses deutlich verringert werden.