DE102017206950A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verkleben von Fügepartnern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Aushärten von Klebeverbindungen, umfassend die folgenden Schritte: – Positionieren eines ersten Fügepartners (1) gegenüber mindestens einem zweiten Fügepartner (2) – Einbringen eines unter Einwirkung elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Klebstoffs (3) in einen Fügebereich zwischen den Fügepartnern – Beaufschlagen des Klebstoffs (3) mit elektromagnetischer Strahlung im mindestens infraroten und ultravioletten Spektralbereich Dabei wird die elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Bereich mindestens teilweise unter Verwendung von LED’s erzeugt und die elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich wird mindestens teilweise unter Verwendung einer zusätzlichen Infrarotlichtquelle (4) erzeugt. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verkleben von Fügepartnern mit einem unter elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Klebstoff.
• Insbesondere in der optischen Industrie werden Fügungen zwischen optischen Bauelementen geklebt, wie z.B. optische Linsen mit deren Fassungen. Zur Aushärtung des Klebstoffs wird üblicherweise eine ultraviolette Strahlungsquelle, insbesondere eine Quecksilberdampflampe, eingesetzt.
• Nachteilig an dem genannten Stand der Technik ist jedoch, dass Quecksilberdampflampen einen nicht einstellbaren Spektralbereich in Bezug auf den aushärtbaren Klebstoff sowie eine nur in einem kleinen Bereich regelbare Ausgangsleistung aufweisen. Daneben zeigen sie einen hohen Stromverbrauch und benötigen nach dem Einschalten eine gewisse Aufwärmzeit. Durch das Erfordernis einer aktiven Kühlung besteht ein erhöhtes Kontaminationsrisiko für die Umgebung der Lampen, wo üblicherweise Reinraumbedingungen herrschen. Darüber hinaus machen die in den Lampen enthaltenen Gefahrstoffe ihre Entsorgung vergleichsweise aufwändig.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gegenüber dem genannten Stand der Technik weiter verbesserte Vorrichtung beziehungsweise ein Verfahren anzugeben, die beziehungsweise das das optische Aushärten von Klebeverbindungen mit geringem Aufwand ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum optischen Aushärten von Klebeverbindungen umfasst eine Positionierung der Fügepartner zueinander, wobei in den gewünschten Fügebereich ein unter Einwirkung elektromagnetischer Strahlung aushärtbarer Klebstoff eingebracht wird. Dabei wird üblicherweise zunächst der Klebstoff in den Fügebereich eingebracht beziehungsweise auf den ersten Fügepartner im entsprechenden Bereich aufgetragen; nachfolgend wird der zweite Fügepartner relativ zu dem ersten Fügepartner positioniert. Beispielsweise können zunächst Fassungsbereiche mit Klebstoff versehen werden und nachfolgend kann eine Linse relativ zu der Fassung positioniert werden, insbesondere in die mit Klebstoff versehene Fassung definiert positioniert eingelegt werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, zunächst die Positionierung vorzunehmen und nachfolgend den Klebstoff in den Fügebereich einzubringen. Dieser Klebstoff wird anschließend mit elektromagnetischer Strahlung im infraroten und ultravioletten Spektralbereich beaufschlagt und somit ausgehärtet. Die ultraviolette Strahlung wird erfindungsgemäß mindestens teilweise von UV-LED‘s erzeugt, hierzu kann insbesondere ein LED-Array, welcher systemimmanent eine große Ausfallssicherheit bietet, Verwendung finden. Die Benutzung von UV-LEDs ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil derartige Bauelemente einen geringen Stromverbrauch aufweisen, keine umweltschädlichen Stoffe an die Umgebung abgeben, eine vergleichsweise lange Betriebsdauer ermöglichen und einen sehr geringen Wartungsaufwand benötigen. Zur Erzeugung der benötigten UV-Strahlung kann beispielsweise das von der Dr. Hönle GmbH, München unter der Bezeichnung Bluepoint LED angebotene UV-LED-Gerät verwendet werden.
• Die infrarote Strahlung wird dabei mindestens teilweise durch eine zusätzliche Infrarotlichtquelle, z.B. eine im infraroten Spektralbereich emittierende Leuchtdiode, erzeugt. Die Beaufschlagung des Klebstoffs mit UV- und IR-Strahlung kann dabei gleichzeitig oder auch nacheinander erfolgen. Vorteilhaft ist es, zunächst die IR-Strahlung und nachfolgend die UV-Strahlung auf den Klebstoff einwirken zu lassen, da die Wirkung der UV-Strahlung sich in einem durch IR-Strahlung aufgeheizten Klebstoff besser entfaltet. Die zusätzliche Infrarotlichtquelle kann auch dadurch realisiert werden, dass UV- und IR-LED’s auf einem gemeinsamem Array angeordnet sind – in diesem wäre die zusätzliche Lichtquelle durch die IR-LED’s auf dem Array realisiert.
• In einer ersten Variante der Erfindung kann zur Markierung des Fügebereichs elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich verwendet werden. Hierdurch kann der Fügevorgang in der Weise vorbereitet werden, dass zunächst der mit der UV- bzw. Infrarotstrahlung zur Aushärtung zu beaufschlagende Bereich für einen Benutzer optisch markiert wird. Da die Strahlung im sichtbaren Bereich keine aushärtende Wirkung auf den Klebstoff hat, verbleibt einem Anwender ausreichend Zeit, eine genaue Einstellung des Fokus auf den Klebstoff vorzunehmen. Durch die für den Benutzer sichtbare Ausleuchtung des nachfolgend mit IR- bzw. UV-Strahlung zu beaufschlagenden Bereiches wird es so ermöglicht, die zur Aushärtung des Klebstoffes verwendete Strahlung hinsichtlich ihrer räumlichen/örtlichen Verteilung optimal einzustellen, so dass die erzeugte UV- bzw. IR-Strahlung zum Aushärten bestmöglich ausgenutzt werden kann.
• Denkbar ist auch die Verwendung eines Lichtleiters zur Führung der elektromagnetischen Strahlung zum Fügebereich. Über diesen kann sowohl die ultraviolette Strahlung als auch die Strahlung im sichtbaren Spektralbereich zum Fügebereich geführt werden. Ebenfalls ist es vorstellbar, die infrarote Strahlung mit einem geeigneten Lichtleiter zum Fügebereich zu führen. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Freiheitsgrade im Hinblick auf die Positionierung der Strahlungsquelle gegenüber dem Fügebereich, wodurch der zur Verfügung stehende Raum besser ausgenutzt werden kann. Insbesondere können auch mehrere an unterschiedlichen Positionen angeordnete Fügebereiche ohne Bewegung der Strahlungsquelle oder aufwändige Justageschritte nacheinander oder auch parallel mit sichtbarer, infraroter oder UV-Strahlung beaufschlagt werden.
• Weiterhin ist eine Variante der Erfindung denkbar, in welcher mit einer Umschaltvorrichtung, beispielsweise einem schwenkbaren Spiegel oder mittels durchstimmbarer LED‘s wahlweise sichtbare oder ultraviolette Strahlung in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass der Fokus der sichtbaren Strahlung und der der UV-Strahlung in der gleichen Ebene liegen. In einer besonders vorteilhaften Variante weist die Umschaltvorrichtung einen selektiv schaltbaren Leuchtdioden-Array auf, in dem die infrarote, ultraviolette und sichtbare Strahlungsquelle integriert ist. Bei diesem Aufbau erfolgt die Einkopplung der gewünschten Strahlungsquellen in den Lichtleiter sequentiell oder parallel, je nach Ansteuerung des Leuchtdioden-Arrays.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum optischen Aushärten von Klebeverbindungen zeigt Mittel zur Erzeugung von ultravioletter Strahlung im infraroten und ultravioletten Spektralbereich. Diese weisen mindestens eine LED zur Erzeugung der ultravioletten Strahlung und eine zusätzliche Infrarotlichtquelle für die Bereitstellung des infraroten Spektralbereichs zur Aushärtung.
• In einer möglichen Alternative der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Lichtquelle im sichtbaren Spektralbereich zur Markierung des Fügebereichs vorhanden.
• In einer zusätzlichen Variante wird ein Lichtleiter zur Führung der elektromagnetischen Strahlung verwendet. Über diesen kann die ultraviolette Strahlung in den Fügebereich geführt werden.
• Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung enthält Mittel zur Einkopplung der Strahlung im sichtbaren Spektralbereich in den Lichtleiter. Denkbar ist eine Umschaltvorrichtung, mit welcher man wahlweise sichtbare oder ultraviolette Strahlung in den Lichtleiter einkoppeln kann.
• Die beschriebene Erfindung kann für eine Vielzahl möglicher Fügepartner zur Anwendung kommen. So ist es beispielsweise denkbar, auch während der Herstellung von Komponenten diese unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Aufnahmen einzukleben, in welchen die Komponenten lediglich zur weiteren Bearbeitung, beispielsweise für Schleif- oder Polierverfahren, gehaltert werden.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Wie in 1 dargestellt wird der erste Fügepartner, im gezeigten Beispiel eine optische Linse 1 einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie, mit dem zweiten Fügepartner, beispielsweise einer Linsenfassung 2 aus Edelstahl oder einem anderen Werkstoff, der sich für Linsenfassungen eignet, in einem Fügebereich mit einem optisch aushärtbaren Klebstoff 3, in Kontakt gebracht. Üblicherweise handelt es sich bei dem Klebstoff 3 um einen einkomponentigen Epoxidharzklebstoff. Nachfolgend wird der Klebstoff 3 mittels einer Infrarotlichtquelle 4 und einer UV-Lichtquelle mit mindestens einer LED 5 als Mittel zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten Spektralbereich bestrahlt. Nach einer materialspezifischen und auch von der Intensität der Strahlung abhängigen Zeit tritt die Aushärtung des Klebstoffs 3 aufgrund der Bestrahlung ein, wodurch das Zusammenfügen der Linse 1 und der Linsenfassung 2 erfolgt. Die Bestrahlung des Klebstoffs 3 erfolgt üblicherweise durch die Linse 1 hindurch, kann aber auch direkt erfolgen.
• Die ultraviolette Strahlungsquelle 5 ist wie in der Figur gezeigt mit einer Strahlungsquelle 6 für sichtbare elektromagnetische Strahlung in einer Umschaltvorrichtung 8 integriert. Die ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung wird dabei mit einem Lichtleiter 7 zum Klebstoff 3 geführt.
• Dabei wird zuerst mit einem schwenkbaren Spiegel 9 innerhalb der Umschaltvorrichtung 8 die die von der Strahlungsquelle 6 emittierte sichtbare Strahlung in den optischen Pfad des Lichtleiters 7 eingekoppelt und an gewünschter Stelle fokussiert. Anschließend wird der schwenkbaren Spiegels 9 in eine zweite, gestrichelt dargestellte Position geschwenkt, so dass nunmehr die von der Strahlungsquelle 5 emittierte UV-Strahlung in den Lichtleiter 7 eingekoppelt wird, wodurch der Klebstoff 3 gehärtet wird. Ergänzend wird der Klebstoff im gezeigten Beispiel von der Lichtquelle 4 mit infraroter Strahlung zur Verbesserung und Beschleunigung der Aushärtung bestrahlt. Typischerweise sind hierzu Bestrahlungszeiten von ca. 20 Minuten erforderlich.
• Bezugszeichenliste

1

Erster Fügepartner

2

Zweiter Fügepartner

3

Klebstoff

4

Infrarotlichtquelle

5

UV-Lichtquelle

6

Weitere Lichtquelle für sichtbares Licht

7

Lichtleiter

8

Umschaltvorrichtung

9

Schwenkbarer Spiegel

Claims (12)

1. Verfahren zum optischen Aushärten von Klebeverbindungen, umfassend die folgenden Schritte: – Positionieren eines ersten Fügepartners (1) gegenüber mindestens einem zweiten Fügepartner (2) – Einbringen eines unter Einwirkung elektromagnetischer Strahlung aushärtbaren Klebstoffs (3) in einen Fügebereich zwischen den Fügepartnern – Beaufschlagen des Klebstoffs (3) mit elektromagnetischer Strahlung im mindestens infraroten und ultravioletten Spektralbereich dadurch gekennzeichnet, dass – die elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Bereich mindestens teilweise unter Verwendung von LED’s erzeugt wird und – die elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich mindestens teilweise unter Verwendung einer zusätzlichen Infrarotlichtquelle (4) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Markierung des Fügebereiches elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtleiter (7) zur Führung der elektromagnetischen Strahlung vorhanden ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ultraviolette Strahlung mittels des Lichtleiters (7) in den Fügebereich geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sichtbare elektromagnetische Strahlung ebenfalls durch den Lichtleiter (7) geführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltvorrichtung (8) vorhanden ist, mittels derer wahlweise sichtbare oder ultraviolette Strahlung in den Lichtleiter (7) eingekoppelt werden kann.
7. Vorrichtung zum optischen Aushärten von Klebeverbindungen, umfassend Mittel zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im mindestens infraroten und ultravioletten Spektralbereich, dadurch gekennzeichnet, dass – die Mittel (5) mindestens eine LED zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten Bereich umfassen und – mindestens eine zusätzliche Infrarotlichtquelle (4) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im infraroten Bereich vorhanden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Lichtquelle (6) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich zur Markierung des Fügebereiches vorhanden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtleiter (7) zur Führung der elektromagnetischen Strahlung vorhanden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ultraviolette Strahlung mittels des Lichtleiters (7) in den Fügebereich geführt werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltvorrichtung (8) vorhanden ist, mittels derer wahlweise sichtbare oder ultraviolette Strahlung in den Lichtleiter (7) eingekoppelt werden kann.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (8) einen schwenkbaren Spiegel (9) umfasst.

Images