In der modernen Leichtbaufertigung werden Bleche immer dünner, und genau dort, geraten Prozesse wie das Bolzenschweißen an ihre Grenzen. Schweißbolzen, per Lichtbogen auf Metallblech aufgebracht, schaffen stabile Verbindungen, solange das Material dick genug ist. Denn wo der Bolzen aufgeschweißt wird, entstehen auf der Rückseite sichtbare Verformungen und Verfärbungen. In der Automobilkarosserie oder der weißen Ware ist das ein K.O.-Kriterium.
Die Lösung kommt aus der Photonik und wird etwa von Böllhoff, einem Systemlieferanten für Verbindungselemente und Montagtechnik, angeboten.
Bei der Onsert-Klebetechnik wird ein UV-reaktiver Klebstoff auf einen Bolzen aufgetragen. Dieser besitzt eine Umspritzung aus transparentem Kunststoff, damit das Aushärtungslicht auf den Klebstoff treffen kann. Anschließend wird er auf die zu fügende Oberfläche gepresst und mit einer UV-LED-Leuchte belichtet.
Nach wenigen Sekunden ist die Verbindung vollständig ausgehärtet und belastbar. Die Rückseite bleibt einwandfrei. Die Festigkeitswerte sind vergleichbar mit denen einer Schweißverbindung. Und der Gesamtprozess? Schlanker als der Schweißprozess – kein Schweißgerät, keine Erwärmung, keine Abkühlzeit, keine Spritzer und keine Nacharbeit. Das Bauteil kann sofort nach der Belichtung weiterverarbeitet werden.
Martin Weller, Geschäftsführer von Diana Electronic-Systeme aus Schwaikheim, kennt solche Anwendungen aus dem täglichen Projektgeschäft. Das Unternehmen zählt zu den führenden Herstellern von UV-Maschinenleuchten für industrielle Ausgabeprozesse und liefert die präzisen Lichtquellen, die UV-reaktive Klebstoffe. „Die Bolzenverbindung erfolgt in wenigen Sekunden und die rückseitige Oberfläche bleibt unversehrt." Für Bleche, die immer dünner werden, ist das ein enormer Vorteil gegenüber dem klassischen Schweißen.“ Zudem bietet der Prozess Vorteile, wo thermische Fügeverfahren technisch überhaupt nicht umsetzbar sind. Etwa auf duroplastischen Kunststoffverbundmaterialien oder bereits lackierten und beschichteten Oberflächen.
Vom Quecksilberdampf zur Präzisionswellenlänge
UV-härtende Klebstoffe existieren seit Jahrzehnten. Ausgehärtet wurden sie traditionell mit Quecksilberdampflampen oder HQI-Brennern – Lichtquellen, die zwar große UV-Mengen liefern, aber kaum gezielte Prozesskontrolle erlauben. Die starke Wärmestrahlung ist bei Kunststoffbauteilen problematisch. Hinzu kommt: Diese Brenner lassen sich nicht kurzfristig ein- und ausschalten, jeder Schaltzyklus verkürzt die Nutzungsdauer erheblich. Dauerhafter Betrieb wiederum stellt Anforderungen an den Arbeitsschutz. Die Möglichkeiten, den bedeutenden Faktor Licht prozessoptimiert einzusetzen, blieben damit stark eingeschränkt.
Die LED ändert das: Sie liefert Licht in einem eng definierten Wellenlängenband und in einem klar definierten Zeitfenster. Klebstoffhersteller wie Delo oder Henkel veröffentlichen detaillierte Spektralangaben zu ihren Produkten: bei 365 nm härtet ein Klebstoff anders aus als bei 405 nm. Die Wahl der Wellenlänge beeinflusst, ob die Reaktion schneller oder langsamer abläuft, welche Energiedichte nötig ist – und welche Eigenschaften der ausgehärtete Werkstoff am Ende hat.
Licht als Werkzeugparameter: Elastizität und Härte gezielt einstellen
„Hinter diesem Potenzial steckt Polymerchemie“, sagt Ingenieur Weller. Bei der UV-Aushärtung startet das Licht einen Polymerisationsprozess: Photoinitiatoren im Klebstoff absorbieren die Lichtenergie, zerfallen in reaktive Radikale und lösen so eine Kettenreaktion aus, bei der flüssige Monomere zu langen, stabilen Polymerketten verknüpfen und ein dreidimensionales Netzwerk bilden.
Die Anfangsintensität des Lichts bestimmt dabei, wie viele Startzentren gleichzeitig aktiviert werden: Bei hoher Lichtleistung entstehen viele kurze Ketten, bei niedriger Intensität wachsen wenige Ketten länger. Entscheidend ist jedoch nicht allein die Kettenlänge, sondern die Vernetzungsdichte, also wie stark die Ketten untereinander querverbunden sind. Je nach Klebstoff und Belichtungsprofil lässt sich so ein hartes, abriebfestes oder ein zähes, elastisches Material erzeugen.
Hinzu kommt die Wellenlänge: Verschiedene Initiatoren im Klebstoff reagieren auf unterschiedliche Spektralbereiche. Wer zunächst mit einer Wellenlänge vorvernetzt und dann mit einer anderen nachbelichtet, kann durch den Querschnitt eines Bauteils hinweg unterschiedliche Zonen mit verschiedenen Eigenschaften erzeugen – innen weich und elastisch, außen hart und abriebfest. Weller beschreibt den industriellen Mehrwert: „Mit LED kann ich ganz spezifisches Licht anbieten und damit den Klebstoff sozusagen programmieren“.
Für die industrielle Praxis eröffnet das neue Konstruktionsfreiheiten. Ein und derselbe Klebstoff kann je nach Belichtungsprofil unterschiedliche Aufgaben übernehmen: als elastische Dämpfung oder als formstabile Fixierung.
Dichtungen: Ausgehärtet statt getrocknet
Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Dichttechnik. In der Gehäusetechnik, im Maschinenbau und im Fahrzeugbau werden Dichtungen häufig als PU-Schaum über Mehrachssysteme appliziert. Klassische Einkomponenten-Dichtwerkstoffe müssen dabei trocknen oder über eine Zweikomponentenreaktion ausgehärtet werden. Das kostet Zeit, erfordert Zwischenlagerung und schränkt die Prozesssicherheit ein. Fotoreaktive Dichtwerkstoffe ermöglichen hier einen anderen Ansatz: Das Material wird appliziert, positioniert – und härtet gezielt aus, sobald UV-Licht auftrifft.
In Verbindung mit gezielter Wellenlängensteuerung lassen sich dabei gradierte Eigenschaften im Querschnitt realisieren: ein härterer Kern für die Formstabilität, eine weichere Außenzone für die Dichtwirkung.
Acrylverbindungen: sauberer, schneller, präziser
Wer Acrylglas mit Acrylglas verbinden will, kennt das klassische Verfahren: ein lösemittelhaltiger Klebstoff, der den Kunststoff anlöst und durch chemisches Schweißen – auch Lösemittelschweißen genannt – eine Verbindung erzeugt. Die Festigkeit ist gut, der Prozess aber alles andere als angenehm: Das Lösemittel verdunstet, der Arbeitsplatz benötigt eine aufwändige Absauganlage und die Luft muss über kostenintensive Filter gereinigt werden. Außerdem müssen die Teile während des gesamten Prozesses exakt positioniert gehalten werden, damit am Ende eine saubere Verbindung entsteht.
Der Einsatz von UV-härtenden Klebstoffen ermöglicht einen neuen Prozessansatz: „Das Klebstoffmaterial bleibt beliebig lang flüssig, solange kein UV-Licht auftrifft. Die Teile können exakt ausgerichtet werden und sobald die Position stimmt, wird die LED aktiviert“, erklärt Weller. Daraus ergeben sich prozesstechnische Vorteile: Die Aushärtung erfolgt in Sekunden, die Verbindung ist dauerhaft. Lösemittelfreiheit bedeutet deutlich reduzierte Arbeitsschutzanforderungen: keine Abluftanlage, geringere Risiken durch Dampfexposition, kein Verdunstungseintrag ins Bauteil – auch wenn Schutzmaßnahmen weiterhin einzuhalten sind.
Verarbeiter berichten Diana von deutlich reduzierten Fertigungszeiten. Was früher durch Trocknungsprozess oder Reaktionszeit einer Zweikomponenten-Fügung gebunden war, kann mit UV-reaktiven Klebstoffen auf ein Minimum komprimiert werden – in einzelnen Fällen auf die Hälfte der ursprünglichen Prozesszeit.
Herausforderungen der Implementierung: Wellenlänge, Know-how…
So überzeugend die Möglichkeiten erscheinen, die Umsetzung stellt eigene Anforderungen an die Prozesskette. Die Wellenlänge des UV-Lichts muss auf den Initiator im Klebstoff abgestimmt sein. Weicht das Spektrum der LED auch nur wenige Nanometer vom Optimum ab, verlängert sich die Aushärtezeit oder die angestrebten Werkstoffeigenschaften werden nicht erreicht.
Erschwerend kommt hinzu, was in der LED-Fertigung als Binning-Problem bekannt ist: Kein Halbleiterhersteller kann die exakte Emissionswellenlänge einer LED vollständig kontrollieren. Die gefertigten Komponenten werden nach der Produktion in Wellenlängenklassen sortiert. Weller beschreibt die Konsequenz: „Wenn ich 100.000 LEDs brauche, bei genau 412 Nanometer, dann kann der Hersteller das nicht einfach liefern. Er produziert einen Bereich von 405 bis 415 Nanometer und sortiert danach“. Je spezifischer die Anforderung, desto geringer die Ausbeute – und desto höher der Preis.
Die systemische Frage lautet daher nicht nur: Welche Wellenlänge ist optimal? Sondern auch: Welche Intensität, welche Belichtungszeit, welche Lichtführung passen zum Prozess? Diese Parameter lassen sich nicht aus dem Datenblatt ablesen. Sie erfordern das Zusammenspiel von Werkstoffkunde, Lichttechnik und Prozesstechnik – ein interdisziplinäres Know-how, das Anwendungstechniker vertreten. Wirklich gute Anwendungstechniker sind rar; das Wissen ist breit gefächert und knifflige Aufgabenstellungen erfordern neben fundierter Theorie jahrzehntelange Erfahrung.
Für Weller ist klar: „Die LED ist das Werkzeug. Den Prozess beherrschen kann aber nur, wer Chemie, Optik und Fertigungstechnik zusammendenkt.“
