DE102004060481A1

DE102004060481A1 - Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004060481A1
Application number: DE102004060481A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Kalwa; Egbert Rath; Ralf Dr. Rochotzki
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-06-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff, umfassend mindestens ein Substrat aus Kunststoff und mindestens eine in einem Vakuumaufdampfprozess aufgebrachte Farbstoffschicht sowie mindestens eine auf die Farbstoffschicht aufgebrachte Schutzschicht, wobei mindestens eine die Farbstoffschicht überdeckende feuchtigkeitsabweisende oder vor Feuchtigkeit schützende organische Schutzschicht (14, 15) vorgesehen ist.

Description

STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff umfassend mindestens ein Substrat aus Kunststoff und mindestens eine in einem Vakuumaufdampfprozess aufgebrachte Farbstoffschicht sowie mindestens eine auf die Farbstoffschicht aufgebrachte Schutzschicht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils aus einem Mehrschichtwerkstoff.
Bauteile aus einem Mehrschichtwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Scheinwerfer von Kraftfahrzeugen oder deren Teile sein. Farbig dekorative Oberflächen in Kraftfahrzeugscheinwerfern werden bisher hauptsächlich durch Lackierung oder durch direkten Spritzguss farbiger Kunststoffe erzeugt. Derartige dekorative Oberflächen müssen aufgrund der im Scheinwerfer auftretenden klimatischen und thermischen Bedingungen eine gute Beständigkeit aufweisen. Das Kunststoffsubstrat, welches für Scheinwerfer und deren Bauteile Verwendung findet, wird häufig zunächst mit einer Metallisierungsschicht versehen, auf die dann eine Farbstoffschicht aufgebracht wird, nach einem herkömmlichen Verfahren beispielsweise durch Lackierung. Für die Aufbringung einer farbig dekorativen Oberflächenschicht kann man aber auch von transparenten Kunststoffen ausgehen, die mit einer Farbstoffschicht versehen werden. Insbesondere hochglänzende farbig-dekorative Oberflächen sind für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere für das Oberflächendesign von Scheinwerfern äußerst interessant.
Die DE 43 41 162 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten farbigen Schichten und deren Verwendung. Bei diesen bekannten Verfahren wird im Vakuum gleichzeitig ein im sichtbaren Spektralbereich absorptionsfreies Material, wie zum Beispiel ein Dielektrikum, beispielsweise Al₂O₃, SiO_x oder TiO₂ sowie mindestens ein organisch verdampfbarer beziehungsweise sublimierbarer Farbstoff aus getrennten Aufdampfquellen auf ein Substrat aus Glas, Metall, Keramik, Kunststoff oder dergleichen aufgedampft. Dabei wird durch Änderung der Abscheiderate einer Aufdampfquelle mindestens eine farbstoffreiche Schicht mit einer Farbstoffkonzentration > 50 Vol.% und mindestens eine farbstoffarme Schicht mit einer Farbstoffkonzentration < 50 Vol.% aufgebracht, wobei die Schichten übereinander aufgebracht werden und farbstoffreiche und farbstoffarme Schichten sich abwechseln. In der genannten Druckschrift wird auch erwähnt, dass man auf die der Außenseite zugewandte Teilschicht eine Schutzschicht aufbringen kann, die aus einem anderen Material als das Dielektrikum besteht. Die Schrift enthält jedoch keine näheren Ausführungen zu Art beziehungsweise Eigenschaften dieser Schutzschicht. Das bekannte Verfahren soll für verschiedenste Anwendungen einsetzbar sein, beispielsweise für die Oberflächengestaltung in der Architektur, beim Design und bei Kunstartikeln. Es wird auch die Anwendung in der Beleuchtungsindustrie erwähnt, zum Beispiel zur Herstellung selektiver Reflektoren, Filtergläser oder zum Beschichten von Lampen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Bauteile aus einem Mehrschichtwerkstoff der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, welche farbige, insbesondere glänzend reflektierende Oberflächen mit dekorativem Design aufweisen und für Anwendungen unter besonderen klimatischen und thermischen Bedingungen, wie sie beispielsweise in Scheinwerfern von Kraftfahrzeugen auftreten, eine ausreichende Beständigkeit aufweisen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht weiterhin darin, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen der genannten Art zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß ist mindestens eine die Farbstoffschicht überdeckende feuchtigkeitsabweisende oder vor Feuchtigkeit schützende organische Schutzschicht vorgesehen. Der Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Mehrschichtwerkstoffs umfasst also im einfachsten Fall mindestens ein Substrat aus Kunststoff, mindestens eine in einem Vakuumaufdampfprozess auf dieses Kunststoffsubstrat aufgebrachte Farbstoffschicht und mindestens eine die Farbstoffschicht überdeckende feuchtigkeitsabweisende oder vor Feuchtigkeit schützende organische Schutzschicht.
Besonders vorteilhaft ist es zur Erzielung einer hohen Beständigkeit der dekorativen Oberfläche des Bauteils unter den genannten Bedingungen, wenn mindestens zwei die Farbstoffschicht überdeckende Schutzschichten aufgebracht sind, die vorzugsweise eine jeweils unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Beispielsweise kann man eine die Farbstoffschicht überdeckende Schutzschicht vorsehen, die eine durch Plasmapolymerisation aufgebrachte organische Schutzschicht ist.
Weiterhin kann man vorzugsweise mindestens eine die Farbstoffschicht überdeckende anorganische Schutzschicht vorsehen, die vorzugsweise eine oberste Schicht ist. Weiterhin kann man vorzugsweise die Farbstoffschicht quasi zwischen mindestens zwei Schutzschichten einbetten, wobei dann mindestens eine Schutzschicht zwischen Substrat und Farbstoffschicht angeordnet ist, beispielsweise eine durch Plasmapolymerisation aufgebrachte organische Schutzschicht, und wobei dann mindestens eine weitere Schutzschicht auf die Farbstoffschicht aufgebracht ist.
Eine mögliche bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine unmittelbar auf das Substrat aufgebrachte vorzugsweise metallische Reflexionsschicht vorgesehen ist. Auf eine metallische Reflexionsschicht kann dann die Farbstoffschicht folgen oder es wird zunächst eine Schutzschicht zwischen der vorzugsweise metallischen Reflexionssicht und der Farbstoffschicht aufgebracht.
Die oberste Schutzschicht kann beispielsweise eine hydrophile Deckschicht sein, insbesondere eine Schutzschicht aus einem anorganischen Material, beispielsweise SiO_x.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Farbstoffschichten und geeignete Schutzschichten auf metallisierte oder auch nicht metallisierte Kunststoffoberflächen aufgebracht. Die metallisierten Oberflächen können beispielsweise aluminiumbedampfte Oberflächen sein, insbesondere von Scheinwerfern. Bei den Bauteilen im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es sich beispielsweise um Rahmen oder Reflektoren von Scheinwerfern für Kraftfahrzeuge handeln. Die Aufbringung der Farbstoffschichten und vorzugsweise auch der Schutzschicht beziehungsweise Schutzschichten geschieht in einem Vakuumaufdampfprozess. Je nach Farbstoff (Farbpigment), Schichtaufbau und Schichtdicke lassen sich hochglänzende, farbig-dekorative Oberflächen erzeugen, die für das Oberflächendesign äußerst interessant sind.
Eine mögliche bevorzugte Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil nur in definierten Bereichen mit einer Farbstoffschicht versehen ist. Man kann beispielsweise durch Schablonierung im Beschichtungsprozess auf einfache Weise nur bestimmte Bereiche mit einer farbigen Beschichtung versehen. Dies bietet vielfältige Möglichkeiten zur Schaffung eines dekorativen Designs.
Durch geeignete Wahl von Farbstoff und Schutzschicht beziehungsweise Schutzschichten kann man eine sehr gute Beständigkeit der dekorativen Oberfläche erzielen, so dass insbesondere Beständigkeit bei den im Scheinwerfer von Kraftfahrzeugen auftretenden klimatischen und thermischen Bedingungen gegeben ist.
Gemäß einer Variante der Erfindung können anstelle von metallisierten auch nichtmetallisierte Kunststoffe mit Farbstoffschichten versehen werden, beispielsweise transparente Kunststoffe.
Nach der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Abscheidung von verdampfbaren beziehungsweise sublimierbaren Farbstoffen/Farbpigmenten vorzugsweise in einem Hochvakuum-Aufdampfverfahren auf metallisierte oder unmetallisierte Kunststoffe. Wird beispielsweise ein metallisierter Abdeckrahmen oder Reflektor eines Kraftfahrzeugscheinwerfers mit einer Farbstoffschicht versehen, kann man die Schichtdicke dieser Farbstoffschicht so wählen, dass sich ein Reflexionsgrad einstellt, der zwischen dem der metallisierten Oberfläche und dem des reinen Farbstoffs liegt. Die Steuerung der Schichtdicke kann durch gängige Methoden der Vakuumaufdampftechnik erfolgen. Kompliziertere 3-D-Teile lassen sich beispielsweise mittels einer Relativbewegung des Substrats zur Beschichtungsquelle gleichmäßig beschichten.
Aufgrund der klimatischen Beanspruchung insbesondere in Scheinwerfern sollten die Farbstoffschichten durch eine oder mehrere Schutzschichten geschützt werden. Besonders vorteilhaft ist das Einbetten der Farbstoffschicht zwischen mindestens zwei Schutzschichten. Dies vermindert auch Reaktionen des Farbstoffs mit dem Untergrund. Als Schutzschichten kommen in erster Linie sogenannte Plasmapolymerschichten, aber auch anorganische Schichten in Betracht.
Ein mögliches bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Mehrschichtwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man einen in Pulverform oder als streichfähige Paste vorliegenden Farbstoff im Hochvakuum auf ein metallisiertes oder nicht metallisiertes, beispielsweise transparentes, Kunststoffsubstrat aufdampft.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
ZEICHNUNGEN
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt
1 eine schematisch vereinfachte Schnittansicht durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils aus einem Mehrschichtwerkstoff;
2 zeigt beispielhaft die spektrale Reflexion eines Schichtsystems gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es wird auf 1 Bezug genommen. Die Darstellung zeigt einen Ausschnitt aus einem Bauteil, welches erfindungsgemäß ein Substrat 10 aus einem Mehrschichtwerkstoff mit einem für die vorliegende Erfindung typischen Schichtaufbau aufweist. Das Substrat 10 besteht aus einem Kunststoff, der gemäß der vorliegenden Variante der Erfindung mit einer Reflexionsschicht 11 beschichtet ist. Hier kann es sich beispielsweise um eine Aluminium-Reflexionsschicht handeln. Für das Kunststoffsubstrat kommen beispielsweise Kunststoffe wie Polycarbonat oder dergleichen in Betracht. Auf die als Reflexionsschicht 11 dienende Metallisierungsschicht wird zunächst eine Schutzschicht 12 aufgebracht. Die Abscheidung der Schichten des Mehrschichtwerkstoffs kann in konventionellen Hochvakuumanlagen erfolgen. Die einzelnen Schichten können ohne Unterbrechung des Vakuums abgeschieden werden. Die Schutzschicht 12, die die Reflexionsschicht 11 überdeckt, kann beispielsweise eine Plasmapolymerisationsschicht aus Hexamethyldisiloxan (HMDSO) sein.
Auf die erste Schutzschicht 12 wird dann eine Farbstoffschicht 13 aufgebracht. Als Farbstoff kommt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Kupferphthalocyanin mit der Bezeichnung Heliogenblau L6700F in Betracht. Der in Pulverform vorliegende Farbstoff wird als streichfähige Paste auf Wolfram-Verdampferwendeln aufgetragen und im Druckbereich von beispielsweise 2 × 10^–4 bis 6 × 10^–4 mbar verdampft. Eine Verdampfung des Pulvers ist bei Verwendung geeigneter Verdampfer auch direkt möglich oder nach der Verpressung zu Farbstofftabletten. Die Schichtdicke der Farbstoffschicht 13 betrug in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 25 nm. Die Steuerung der Schichtdicke kann zum Beispiel durch eine inline Schwingquartzschichtdickenmessung erfolgen, die die Verdampferquelle bei Erreichen einer Soll-Schichtdicke abschaltet oder Shutter betätigt, die zwischen Verdampferquelle und Substrat angeordnet sind.
Auf die Farbstoffschicht 13 wird dann erneut eine Schutzschicht 14 aufgebracht, die ebenfalls eine Plasmapolymerisationsschicht aus Hexamethyldisiloxan (HMDSO) sein kann. Die Schutzschichten 12 und 14, die die Farbstoffschicht 13 einbetten, dienen einerseits dem Korrosionsschutz der Aluminiumschicht 11 und schützen andererseits die Farbstoffschicht 13 vor den im Scheinwerfer auftretenden klimatischen Einflüssen wie hohe Feuchte und/oder kondensierendes Wasser. Gleichzeitig werden mögliche Reaktionen zwischen Farbstoffschicht 13 und Aluminiumschicht 11 durch diesen Sandwich-Schichtaufbau verhindert. Die Schichtdicken der Schutzschichten 12, 14 liegen typischerweise im Bereich zwischen etwa 10 nm und 30 nm.
Auf die obere Schutzschicht 14 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine weitere Schutzschicht 15 als Deckschicht aufgebracht. Diese Schutzschicht 15, die zum Beispiel eine hydrophile Deckschicht ist, kann scheinwerferspezifische Funktionen übernehmen und funktionell von der eigentlichen Farbstoffbeschichtung (Farbstoffschicht 13) unabhängig sein.
2 zeigt in einem Diagramm die spektrale Reflexion eines Schichtaufbaus gemäß dem zuvor anhand von 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Deutlich erkennbar sind die farbgebenden Absorptionen des Farbstoffs. Die Beschichtung hat im Spektralbereich 400 nm bis 800 nm (VIS) eine Reflexion von ca. 72% im Vergleich zum System ohne Farbstoff. In dem Diagramm ist die prozentuale Reflexion in Abhängigkeit von der Wellenlänge [nm] aufgetragen.

Claims

Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff umfassend mindestens ein Substrat aus Kunststoff und mindestens eine in einem Vakuumaufdampfprozess aufgebrachte Farbstoffschicht sowie mindestens eine auf die Farbstoffschicht aufgebrachte Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine die Farbstoffschicht überdeckende feuchtigkeitsabweisende oder vor Feuchtigkeit schützende organische Schutzschicht (14, 15) vorgesehen ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei die Farbstoffschicht (13) überdeckende Schutzschichten (14, 15) unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebracht sind.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine die Farbstoffschicht (13) überdeckende Schutzschicht (14) eine durch Plasmapolymerisation aufgebrachte organische Schutzschicht ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine die Farbstoffschicht (13) überdeckende anorganische Schutzschicht (15) vorgesehen ist, die vorzugsweise eine oberste Schicht ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schutzschicht (12) zwischen Substrat (10) und Farbstoffschicht (13) angeordnet ist, wobei diese Schutzschicht (12) vorzugsweise eine durch Plasmapolymerisation aufgebrachte organische Schicht ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine unmittelbar auf das Substrat (10) aufgebrachte vorzugsweise metallische Reflexionsschicht (11) vorgesehen ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schutzschicht (12) zwischen einer vorzugsweise metallischen Reflexionsschicht (11) und der Farbstoffschicht (13) vorgesehen ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste Schutzschicht (15) eine hydrophile Deckschicht ist, die vorzugsweise SiOx umfasst.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses nur in definierten Bereichen mit der Farbstoffschicht (13) versehen ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs, eine Leuchte oder ein Teil davon ist.
Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Abdeckrahmen oder ein Reflektor für einen Scheinwerfer oder eine Leuchte ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Mehrschichtwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man einen in Pulverform oder als streichfähige Paste vorliegenden Farbstoff im Hochvakuum auf ein metallisiertes oder nicht metallisiertes, vorzugsweise transparentes, Kunststoffsubstrat aufdampft.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass man für eine Aufbringung einer Farbstoffschicht nur in definierten Bereichen des Substrats im Beschichtungsprozess eine Schablonierung vornimmt.