DE10035507A1 - Verfahren zur Verminderung von Knarzgeräuschen zwischen Bauteilen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von Knarzgeräuschen, die bei der Relativbewegung von zwei in Kontakt tretenden Oberflächenbereichen entstehen. Bei dem Verfahren wird auf einem oder beiden der in Kontakt tretenden Oberflächenbereiche mittels Plasmaabscheidung eine dünne Schicht abgeschieden, die eine geringere Adhäsionskomponente und eine geringere Deformationskomponente der Reibungskraft aufweist als die unbeschichteten Oberflächenbereiche. DOLLAR A Durch das Verfahren lassen sich Knarzgeräusche vermindern oder vollständig unterdrücken, ohne den optischen Eindruck der zugrundeliegenden Oberflächenbereiche zu verändern.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von Knarzgeräuschen, die bei der Relativbewegung von zwei in Kontakt tretenden Ober­ flächenbereichen entstehen. Derartige Knarzgeräusche gehen auf Stick-Slip-Effekte (Ruckgleiten) zurück und treten vor allem bei der Berührung von Kunststoffteilen auf, wie sie beispielsweise im Innenraum von Kraft­ fahrzeugen eingesetzt werden. Auch in anderen Lebens­ bereichen werden derartige Knarzgeräusche häufig als störend empfunden, wie dies beispielsweise beim Öffnen oder Schließen von Türen in Gebäuden oder von Klappen an Gebrauchsgegenständen der Fall ist.

Stand der Technik

Gerade auf dem Gebiet der Automobilindustrie werden verstärkt Vorkehrungen getroffen, die das Knarzen von sich gegeneinander bewegenden Kunststoff­ bauteilen im Kraftfahrzeug vermindern sollen. Hierbei werden in der Regel Gleitmittel und Schmiermittel auf die gegeneinander reibenden Bauteile aufgetragen, um den Reibungskoeffizienten der Bauteile herabzusetzen, insbesondere um den Unterschied in der Höhe des Haft- und des Gleitreibungskoeffizienten herabzusetzen. Darüberhinaus sind weitere Maßnahmen, wie das Auf­ bringen von Filzen, das Vorsehen einer Antiknarznarbe sowie das Aufbringen eines teflonbeschichteten Klebebandes auf einen der gegeneinander reibenden Oberflächenbereiche der Bauteile, zur Verminderung der Knarzgeräusche bekannt. Eine weitere Technik besteht im Auftragen einer geeigneten reibungsmindernden Lack­ schicht auf zumindest einen der sich berührenden Ober­ flächenbereiche.

Der grundsätzliche Nachteil dieser bisher zur Verminderung der Knarzgeräusche eingesetzten Techniken besteht darin, dass die aufgetragenen Zwischenstoffe in der Regel sichtbar sind, so dass es an den jeweiligen Stellen zu einer Veränderung der Farbe, des Glanzgrades und der Haptik der sich gegeneinander bewegenden Bauteile kommt.

Dieser Nachteil kann bei Bauteilen umgangen werden, bei denen eine genaue Abgrenzung zwischen Sichtbereich und Kontaktbereich möglich ist. In diesem Fall kann ein gezielter Auftrag der Zwischenstoffe nur in dem nicht sichtbaren Kontaktbereich der Bauteile erfolgen. Die hierfür notwendige gezielte Auftragung bzw. Abgrenzung ist jedoch technisch sehr aufwendig einzuhalten.

An bestimmten beweglichen Bauteilen, wie beispielsweise Klappen oder Manschetten, ist eine derartige Abgrenzung von vornherein nicht möglich, da der Zwischenstoff abhängig von der Stellung der Bauteile - geöffnet oder geschlossen - wieder sichtbar oder spürbar ist. Ein weiterer Nachteil der bisher eingesetzten Verfahren besteht darin, dass der gezielte Auftrag von Zwischenstoffen an den jeweiligen Ober­ flächenbereichen der Bauteile sehr kostenintensiv ist, um die erforderliche Prozesssicherheit gewährleisten zu können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verminderung von Knarz­ geräuschen bei der Relativbewegung von zwei in Kontakt tretenden Oberflächenbereichen anzugeben, das den optischen Eindruck der dem Verfahren unterzogenen Oberflächenbereiche nicht verändert und über einen größeren Zeitraum zu einer deutlichen Verminderung der Knarzgeräusche führt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patent­ anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest auf einen der beiden in Kontakt tretenden Oberflächen­ bereiche der Bauteile mittels Plasmaabscheidung eine dünne Schicht abgeschieden, die eine geringere Adhäsionskomponente und eine geringere Deformations­ komponente der Reibungskraft aufweist als die zugrunde­ liegenden unbeschichteten Oberflächenbereiche. Die Plasmaabscheidung dieser Schicht erfolgt hierbei mit einer derart geringen Dicke, dass sie den optischen Eindruck der Oberflächenbereiche nicht verändert. Vorzugsweise wird die Schicht hierfür mit einer Dicke zwischen 10 und 50 nm abgeschieden.

Grundsätzlich wird die Technik der Plasmaab­ scheidung in anderen Bereichen der Technik eingesetzt, um die Oberflächeneigenschaften von Bauteilen gezielt zu verändern. Für die plasmagestützte Abscheidung bzw. Plasmapolymerisation sind zahlreiche Reaktorgeometrien bekannt wie sie auch - abhängig von den Dimensionen der zu beschichtenden Bauteile - beim vorliegenden Verfah­ ren eingesetzt werden können. Aus anderen Anwendungs­ bereichen ist es auch bekannt, den Reibungskoeffizien­ ten von Bauteilen durch eine Beschichtung im Nieder­ druckplasma zu senken. So werden beispielsweise Hart­ stoffschichten wie DLC (diamond-like carbon) zur Reibungsminderung und als Verschleißschutz für Werk­ zeuge eingesetzt. Eine Anwendung einer derartigen Hartstoffbeschichtung zur Verminderung von Knarz­ geräuschen führt jedoch nicht zum gewünschten Ergebnis. Vielmehr zeigen Versuche an einem speziell entwickelten Knarzprüfstand, dass derart reibungsmindernde Hart­ stoffschichten nicht zu einer Verminderung der Knarz­ geräusche führen. Auch eine Aufbringung von hydrophoben Schichten zur Verringerung der Adhäsion führte - zumindest bei ABS-PC als Bauteilmaterial - mit den bekannten Techniken nicht zu einer deutlichen Ver­ ringerung der Knarzgeräusche, so dass auch dieser Ansatz bei der vorliegenden Problematik nicht zum Erfolg führt.

Die Erfinder des vorliegenden Verfahrens haben dennoch erkannt, dass sich die Knarzgeräusche durch Plasmaabscheidung einer dünnen Schicht vermindern lassen, wenn die Plasmabedingungen bei der Abscheidung geeignet gewählt werden. Hierbei wurde insbesondere beachtet, dass sich die Reibungskraft F_R der beiden gegeneinander reibenden Oberflächenbereiche aus zwei Anteilen zusammensetzt, einer Adhäsionskomponente F_A und einer Deformationskomponente F_D, wobei F_R = F_A + F_D. Für die Plasmaabscheidung der dünnen Schicht ist es hierbei wesentlich, dass sowohl die Adhäsionskomponente F_A als auch die Deformationskomponente F_D der abge­ schiedenen Schicht geringer sein müssen als die ent­ sprechenden Komponenten der Oberflächenbereiche vor der Abscheidung. Dies erfordert, insbesondere im Hinblick auf die bisher nicht beachtete Deformationskomponente F_D, eine gezielte Einstellung der Parameter bei der Plasmaabscheidung. Grundsätzlich ist hierbei eine möglichst geringe Deformationskomponente, d. h. geringe Scherfestigkeit und möglichst hohe Duktilität der Schicht von Vorteil. Während die Adhäsionskomponente im Wesentlichen durch die gewählten Materialien vorgegeben ist, wird die Deformationskomponente durch die Ver­ knäulung und Quervernetzung der abgeschiedenen Schicht bestimmt. Der Fachmann auf dem Gebiet der Plasma­ technologie ist hierbei in der Lage, die zur Plasma­ abscheidung eingesetzten Materialien durch gezielte Einstellung der Plasmaparameter in Form einer dünnen Schicht mit der gewünschten Quervernetzung und Verknäulung abzuscheiden.

Besonders gute Ergebnisse lassen sich durch Plasmaabscheidung einer dünnen Schicht erzielen, bei der die Länge der Kettenstücke zwischen 5 und 100 Wiederholeinheiten liegt. Hierzu müssen die Plasma­ parameter derart eingestellt werden, dass bereits im Plasmavolumen eine Plasmapolymerisation stattfindet, die ausreichend lange Polymerketten zwischen 5 und 100, vorzugsweise um 10, Wiederholeinheiten erzeugt, die dann auf dem Bauteil während der Abscheidung hin­ reichend quervernetzt werden. Eine derart abgeschiedene Schicht weist eine ausreichende Stabilität bei guten knarzverhindernden Eigenschaften auf. Hierbei ist insbesondere der Einsatz einer Reaktorgeometrie von Vorteil, die milde Plasmabedingungen während des Schichtwachstums ermöglicht, d. h. bei einer niedrigen Leistungsdichte betrieben werden kann.

Die Wiederholeinheit kann durch chemische Analyse der abgeschiedenen Schicht mittels Elektronenspektros­ kopie ermittelt werden. Im Beispiel von Siloxanen als abzuscheidende Schicht ist die Wiederholeinheit als Quotient aus (atomarem) Siliziumanteil und dem Betrag der Differenz aus Silizium- und Sauerstoffanteil definiert.

Die Plasmaabscheidung erfolgt vorzugsweise durch Einsatz eines HMDSO-Plasmas, da eine derart mit diesem Material abgeschiedene Schicht neben der knarzmindern­ den Wirkung zusätzlich eine besondere Verschleiß­ festigkeit aufweist. Selbstverständlich lassen sich jedoch auch andere Materialien zur Plasmaabscheidung einsetzen, wie beispielsweise Polyethylen oder Poly­ tetrafluorethylen. Selbstverständlich müssen auch in diesem Fall die Plasmaparameter Leistung, Druck und Monomerfluss in der Art eingestellt werden, dass die Deformationskomponente der abgeschiedenen Schicht die obige Bedingung erfüllt.

Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich Knarz­ geräusche zwischen zwei in Kontakt stehenden Ober­ flächenbereichen, die sich relativ zu einander bewegen, deutlich verringern, ohne den optischen Eindruck dieser Oberflächenbereiche zu verändern. Die vorzugsweise ca. 50 nm dicke abgeschiedene Schicht ist elastisch, duktil, farblos und kratzfest. Sie gleicht zudem Oberflächenrauigkeiten aus. Mit einer entsprechenden hochskalierten Reaktortechnik lassen sich auch komplexe Bauteilgeometrien problemlos beschichten. Die Beschich­ tung hat im Vergleich zu den bisher in diesem Bereich eingesetzten Techniken den Vorteil, dass sie unsicht­ bar, nicht fühlbar, kratzfest und temperaturstabil ist. Weiterhin sind keine Nacharbeiten an den gemäß dem Verfahren behandelten Bauteilen erforderlich und der Beschichtungsprozess an sich ist kostengünstig durch­ führbar. Die Beschichtung haftet bei entsprechender Plasmavorbehandlung auf allen Substraten.

Selbstverständlich wird bei der Plasmaabscheidung an Kunststoffteilen ein Niederdruck- bzw. Niedertem­ peraturplasma eingesetzt. Für andere Bauteilmaterialien bzw. Anwendungsbereiche zur Knarzverminderung lässt sich jedoch auch ein Hochtemperaturplasma einsetzen. Als Anwendungsgebiete kommt hierbei selbstverständlich nicht nur die Automobilindustrie, sondern auch andere, beispielsweise in der Beschreibungseinleitung genannte, Anwendungsgebiete in Frage, bei denen durch gegenein­ ander Bewegen von Oberflächenbereichen störende Knarz­ geräusche auftreten. Dies betrifft auch Bauteile, die nicht aus Kunststoff bestehen, oder bei denen nur ein Reibpartner aus Kunststoff besteht.

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das vorliegende Verfahren wird in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel zur Verminderung von Knarzgeräuschen eingesetzt, die zwischen einem Bauteil aus einem PUR und einem Bauteil aus einem anderen Polymer, wie beispielsweise ABS/PC, bestehen. Die Beschichtung erfolgt in einem üblichen Plasmareaktor in einem durch Hochfrequenz angeregten Plasmaprozess. Die Funktions­ weise sowie der Aufbau derartiger Plasmareaktoren sind dem Fachmann aus der Fachliteratur bekannt. Die Art der Leistungseinbringung in den Reaktor spielt bei dem vorliegenden Verfahren keine Rolle.

Als Kontrollparameter für die Plasmaabscheidung dienen die Hochfrequenz-Leistung, der Druck im Reaktor sowie der Monomerfluss des eingesetzten Materials, wobei der interessierende Parameterraum durch die Größen Leistung/Fluss (Yasuda-Faktor), Druck/Fluss (Verweildauer) und Leistung/Druck aufgespannt wird. Weitere Voraussetzungen sind eine physikalisch und chemisch homogene Plasmazone sowie im vorliegenden Beispiel eine niedrige Bauteil- bzw. Substrattemperatur zwischen 30 und 100°C. Die Dicke der abgeschiedenen Schicht wird über die Behandlungsdauer eingestellt. Die Oberflächenprozesse, d. h. das Schichtwachstum, werden über das Plasmapotential kontrolliert, um eine hinreichende Vernetzung der Schicht zu erreichen.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird die Schicht derart abgeschieden, dass ihre Adhäsionskomponente F_A und ihre Deformationskomponente F_D geringer sind als die entsprechenden Komponenten der zu beschichtenden Oberflächenbereiche. Die Wirkung der Adhäsions- und der Deformationskomponente an der Grenzfläche ist anhand der Fig. 1 zwischen zwei Oberflächenbereichen 1 und 2 durch Pfeile veranschaulicht. Die abgeschiedene dünne Schicht muss hierbei insbesondere eine niedrige Deformationskomponente, d. h. geringe Scherfestigkeit und hohe Duktilität, besitzen. Dies wird durch die entsprechende Wahl der Plasmaparameter erreicht, die zu einer geeigneten Linearisierung der Ausgangssubstanz (Plasmapolymerisation) führt.

Bei dem vorliegenden Beispiel beträgt die Anre­ gungsfrequenz 13,56 MHz. Das ABS/PC-Substrat wird zur Vorbehandlung zunächst in den Plasmareaktor eingebracht und für 5 Sekunden bei einem Druck von 0,25 mbar (0,25.10² Pa) und bei einer Anregungsleistung von 300 W in einem Heliumplasma aktiviert. Anschließend erfolgt die Plasmabeschichtung gemäß dem vorliegenden Ver­ fahren. Hierfür wird das Substrat direkt im Anschluss an die Vorbehandlung für 30 Sekunden einem reinen HMDSO-Plasma ausgesetzt, wobei der Druck 0,15 mbar (0,15.10² Pa), die Leistung 95 W und der Monomerfluss 90 sccm (standard cubic centimeter per minute) be­ tragen. Als Resultat wird eine 20 nm dicke Siloxan­ schicht auf dem ABS/PC-Substrat abgeschieden, die eine Wiederholeinheit von 10 aufweist.

Die in diesem Beispiel mit dem Verfahren abge­ schiedene Schicht verhindert die Entstehung von Knarz­ geräuschen gegenüber einem PUR-Reibpartner. Durch die sehr geringe Dicke von nur 20 nm ergibt sich keinerlei Veränderung des optischen Eindrucks sowie der Haptik des zugrundeliegenden Substrats.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verminderung von Knarzgeräuschen, die bei der Relativbewegung von zwei in Kontakt tretenden Oberflächenbereichen entstehen, bei dem auf einem oder beiden der in Kontakt tretenden Oberflächenbereiche mittels Plasma­ abscheidung eine dünne Schicht abgeschieden wird, die eine geringere Adhäsionskomponente und eine geringere Deformationskomponente der Reibungskraft als die unbeschichteten Oberflächenbereiche aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht mit einer Dicke zwischen 10 und 50 nm abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Plasmaabscheidung die Prozessparameter derart eingestellt werden, dass die aufgebrachte dünne Schicht einen Vernetzungsgrad mit einer Wiederholeinheit aufweist, die im Bereich zwischen 5 und 100 liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaabscheidung durch Erzeugung eines HMDSO-Plasmas erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Plasmaabscheidung mit HMDSO die Prozessparameter derart eingestellt werden, dass die aufgebrachte dünne Schicht eine Wiederhol­ einheit von ca. 10 aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaabscheidung mit einem Niederdruck­ plasma erfolgt.