DE102009052983A1 - Beschichten von Kunststoffbauteilen mittels kinetischen Kaltgasspritzens - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Kunststoffoberfläche sowie ein entsprechend beschichtetes Kunststoffbauteil, wobei mindestens eine Teilschicht (3) der Beschichtung mittels kinetischen Kaltgasspritzens aufgebracht wird, wobei zwischen Kunststoffoberfläche (1) und kaltgasgespritzter Teilschicht eine Grundschicht (2) mit einem anderen, vom kinetischen Kaltgasspritzen unterschiedlichen Verfahren aufgebracht wird, welche so ausgewählt wird, dass sowohl eine Haftung der Grundschicht auf der Kunststoffoberfläche gewährleistet ist als auch eine Abscheidung der Teilschicht durch Kaltgasspritzen möglich wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Kunststoffoberfläche, wobei mindestens eine Teilschicht der Beschichtung mittels kinetischen Kaltgasspritzens aufgebracht wird, sowie ein entsprechend beschichtetes Kunststoffbauteil.
  • STAND DER TECHNIK
  • Das kinetische Kaltgasspritzen wird seit einiger Zeit in verschiedensten Bereichen zur Abscheidung von Schichten auf Bauteilen eingesetzt. Beim kinetischen Kaltgasspritzen werden Feststoffpartikel mit hoher Geschwindigkeit auf das zu beschichtende Bauteil bzw. dessen Oberfläche beschleunigt, wo die Partikel unter Bildung einer Schicht haften bleiben. Das kinetische Kaltgasspritzen zeichnet sich dadurch aus, dass die Prozesstemperaturen so gewählt werden, dass die Partikel aus dem Beschichtungsstoff weder aufschmelzen noch anschmelzen. Im Gegensatz zu thermischen Spritzverfahren, wie beispielsweise Lichtbogenspritzen oder Flammspritzen, bei denen das zu verspritzende Pulver durch einen Lichtbogen bzw. durch das verbrannte Brenngas aufgeschmolzen wird, treffen beim kinetischen Kaltgasspritzen nicht geschmolzene Feststoffpartikel auf die zu beschichtende Oberfläche auf. Die Ausbildung der Schicht und die Haftung der Schicht auf dem Grundwerkstoff werden hierbei durch eine entsprechende plastische Deformation der Beschichtungspartikel sowie im Bereich der Grenzfläche zwischen der zu erzeugenden Schicht und dem Grundwerkstoff auch des Grundwerkstoffs bewirkt. Dadurch kommt es zu einem Ineinanderfließen der Werkstoffe, was zu einem formschlüssigen Verbund führt. Außerdem kann durch das Umwandeln der hohen kinetischen Energie in Deformationsenergie auch entsprechende Wärmeenergie erzeugt werden, die zu einem Verschweißen der Partikel führen kann.
  • Während dies für vielfältige Werkstoffpaarungen, also einem entsprechenden Paar aus dem Grundwerkstoff und dem Beschichtungswerkstoff, in guter Weise funktioniert, können Bauteile aus bestimmten Werkstoffen nicht mit entsprechenden Schichten durch Kaltgasspritzen versehen werden, wenn die oben beschriebenen Haftungsmechanismen nicht oder nur unzureichend gegeben sind. Dies hat bisher zu einer eingeschränkten Anwendung des Kaltgasspritzens geführt, obwohl das Kaltgasspritzen hinsichtlich bestimmter Aspekte, wie geringe Temperaturbelastung, gezielte Beschichtung, wenig Overspray, etc. vorteilhaft ist.
  • Insbesondere ist es problematisch, Kunststoffe und insbesondere faserverstärkte Kunststoffe mit entsprechenden Schichten durch Kaltgasspritzen zu versehen.
  • Zwar ist in der DE 10 2005 047 688 B3 beschrieben, dass bei der Herstellung eines Lampensockels für KFZ-Scheinwerfer mikroverkapselte Agglomerate von Nanopartikeln zur Ausbildung einer Beschichtung zum Schutz gegen UV-Strahlung durch kinetisches Kaltgasspritzen auf einen Kunststoffkörper aufgebracht werden können, jedoch gilt dies nicht für gegen Verschleiß beständige Schichten, die aus hochfesten Materialien mit insbesondere Hartstoffpartikeln gebildet sind, die beispielsweise auf faserverstärkten Kunststoffen abgeschieden werden sollen, da hier beim Kaltgasspritzen der Schicht Beschädigungen am faserverstärkten Kunststoff auftreten können.
  • Zwar ist in der DE 10 037 212 A1 beschrieben, dass faserverstärkte Kunststoffe mit einer verschleißbeständigen Beschichtung aus exotherm wirkenden Materialien und insbesondere Zink, Zinklegierungen, Aluminiumlegierungen, Nickelaluminium oder Molybdän gebildet werden können, aber offensichtlich wird die Prozesstemperatur hier auch beim Kaltgasspritzen so hoch gewählt, dass überwiegend Haftungsprozesse gemäß thermischer Spritzverfahren zur Geltung kommen.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Dem gegenüber soll jedoch ein Verfahren zur Beschichtung einer Kunststoffoberfläche bereitgestellt werden, bei welchem eine Schicht aus einem hochfesten, harten verschleißbeständigen Material mittels kinetischen Kaltgasspritzens aufgebracht werden kann. Insbesondere soll die Schicht bei einer Temperatur abgeschieden werden, bei welcher die mittels kinetischen Kaltgasspritzens aufgebrachten Partikel zumindest teilweise nicht auf- oder anschmelzen. Gleichwohl soll eine gute Haftung der Schicht auf der Kunststoffoberfläche erzielt werden und eine Beschädigung des Kunststoffmaterials vermieden werden. Das Verfahren soll einfach und effizient durchführbar sein. Darüber hinaus besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin ein entsprechendes Bauteil zur Verfügung zu stellen.
  • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Kunststoffbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der anhängigen Ansprüche.
  • Entgegen dem Vorgehen im Stand der Technik, wie es in der DE 10 037 2131 A1 beschrieben ist, wo die entsprechende Schicht unmittelbar durch kinetisches Kaltgasspritzen auf der Kunststoffoberfläche aufgebracht wird und entgegen dem Vorgehen bei der DE 10 2005 047 688 B3 , bei der die Zusammensetzung der mittels kinetischen Kaltgasspritzens aufgebrachten Schicht im Grenzbereich zwischen Kunststoffoberfläche und Schicht entsprechend modifiziert wird, schlägt die vorliegende Erfindung eine andere Lösung dahingehend vor, dass eine Zwischenschicht zwischen dem Kunststoffgrundwerkstoff und der kaltgasgespritzten Funktionsschicht als Grundschicht vorgesehen wird, welche mit einem anderem Beschichtungsverfahren als dem kinetischen Kaltgasspritzen abgeschieden wird. Die Grundschicht stellt hierbei sowohl eine gute Haftung zum Kunststoffgrundwerkstoff her und ermöglicht auch eine entsprechende Abscheidung einer nachfolgenden Schicht durch kinetisches Kaltgasspritzen. Entsprechend wird die Zusammensetzung der Grundschicht so gewählt, dass beim Auftreffen der Partikel beim kinetischen Kaltgasspritzen ein entsprechendes Ineinanderfließen und/oder Verschweißen der Werkstoffe miteinander möglich ist. Darüber hinaus gewährleistet die Grundschicht, dass die darunter liegende Kunststoffoberfläche durch die mechanische Belastung mittels des kinetischen Kaltgasspritzens nicht zu einer Beschädigung der Kunststoffoberfläche führt.
  • Dies kann insbesondere für Werkstoffpaare eingesetzt werden, die ansonsten nicht zusammen in entsprechender Weise genutzt werden könnten. Als Werkstoffpaar können hierbei beispielsweise Kunststoffe genannt werden, die gegenüber einer Stoß- oder Schlagbelastung, wie sie durch auftreffende Partikel beim kinetischen Kaltgasspritzen auftreten, empfindlich sind. Insbesondere kann die Kunststoffoberfläche durch einen faserverstärkten Kunststoff gebildet sein, während die Funktionsschicht eine hochfeste, verschleißbeständige Schicht sein kann, die insbesondere entsprechende Hartstoffpartikel mit hoher Härte und Festigkeit umfassen kann, wie beispielsweise diamantähnliche Werkstoffe, Nitride, Karbide oder Oxyde.
  • Die Grundschicht kann insbesondere eine metallische Schicht aus einem im Wesentlichen reinen Metall oder Metallgemisch oder einer Metalllegierung sein, die die entsprechende Duktilität bereitstellt.
  • Die Grundschicht kann durch verschiedenste Beschichtungsverfahren auf dem Kunststoff aufgebracht werden, wie beispielsweise durch galvanische Abscheidung, physikalische Dampfphasenabscheidung, Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder chemische Dampfphasenabscheidung. Insbesondere können Verfahren gewählt werden, die ähnlich dem kinetischen Kaltgasspritzen auch lediglich eine geringe Temperaturbelastung des Substrats erfordern.
  • Die Grundschicht kann in einer Dicke aufgebracht werden, die sicher eine Beschädigung der Kunststoffoberfläche bei der nachfolgenden Abscheidung der kaltgasgespritzten Funktionsschicht vermeidet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
  • 1 eine Prinzipskizze einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und in
  • 2 eine Schnittansicht eines Kunststoffbauteils, das mit der Anordnung in der 1 hergestellt worden ist.
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zur Beschichtung eines Kunststoffbauteils 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung umfasst ein Kunststoffbauteil 1, welches eine Grundschicht 2 aufweist, auf der mittels kinetischen Kaltgasspritzens eine Funktionsschicht 3 aufgebracht wird. Hierzu ist eine Kaltgasspritzvorrichtung 4 mit einer Düsenanordnung, zum Beispiel einer Laval-Düse 5, vorgesehen, bei welcher über eine Prozessgaszuführung 6 Prozessgas mit hohem Druck zugeführt wird, so dass Pulverpartikel, die über die Pulverpartikelzuführung 7 zugeführt werden, unter hoher Geschwindigkeit die Düse 5 verlassen und auf die Oberfläche der Grundschicht 2 des Kunststoffbauteils 1 treffen. Die Geschwindigkeit der Partikel 9 im Spritzstrahl 8 kann hierbei bis in und über den Bereich der Schallgeschwindigkeit gehen. Kennzeichen des kinetischen Kaltgasspritzens ist, dass die Pulverpartikel 9 nicht aufgeschmolzen oder angeschmolzen werden und somit die Prozesstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des gespritzten Werkstoff gewählt werden kann.
  • Beim Auftreffen der Partikel 9 auf die Oberfläche der Grundschicht 2 des Kunststoffbauteils 1 werden diese sowie die Grundschicht 2 oder bereits abgeschiedene Partikel deformiert und die Werkstoffe der Grundschicht 2 und der Partikel 9 bilden durch die starke, insbesondere gegenseitige Deformation mit eventuell gegenseitigen Verschweißungen eine kompakte und gut haftende Funktionsschicht 3 auf dem Kunststoffbauteil 1 aus. Beim weiteren Schichtaufbau der Funktionsschicht 3 kommt es zu einer gegenseitigen Deformation der abgeschiedenen Partikel und möglicherweise gegenseitigem Verschweißen, so dass eine dichte und gut haftende Funktionsschicht 3 auf dem Kunststoffbauteil 1 ausgebildet wird.
  • Die 2 zeigt ein fertig gestelltes Bauteil 1 mit der Beschichtung mit den Teilschichten 2, 3, wobei die Teilschicht 2 die Grundschicht 2 darstellt und die Teilschicht 3 die eigentliche Funktionsschicht.
  • Die Grundschicht 2 ist eine Teilschicht, die auf dem Kunststoffbauteil 1 abgeschieden worden ist, um eine anschließende Beschichtung mittels kinetischen Kaltgasspritzens zu ermöglichen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Grundschicht 2 eine metallische Grundschicht, die aus einem einzelnen Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist. Die Grundschicht 2 kann über verschiedenste Beschichtungsverfahren aufgebracht werden. Die Beschichtungsverfahren und/oder der Werkstoff der Grundschicht 2 sind dabei so gewählt, dass beim Aufbringen der Grundschicht 2 auf die Oberfläche des Kunststoffbauteils 1 keine Beschädigung der Kunststoffoberfläche bzw. des Kunststoffgrundwerkstoffs erfolgt. So können andere Beschichtungsverfahren als das kinetische Kaltgasspritzen, wie beispielsweise galvanisches Abscheiden, physikalische Dampfphasenabscheidung, Kathodenzerstäuben (sputtern), chemische Dampfphasenabscheidung oder dergleichen eingesetzt werden, mit denen eine schonende Beschichtung der Kunststoffoberfläche des Kunststoffbauteils 1 möglich ist.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise das Kunststoffbauteil durch einen faserverstärkten Kunststoff gebildet sein, welcher gegenüber der Stoßbeanspruchung durch Auftreffen von Partikeln beim kinetischen Kaltgasspriten empfindlich ist. Entsprechend kann beispielsweise durch Sputtern eine metallische Grundschicht in einer ausreichenden Dicke abgeschieden werden, die bei einem nachfolgenden Beschichtungsprozess mit kinetischen Kaltgasspritzen als duktile Zwischenschicht zum einen den Schutz der Kunststoffoberfläche übernimmt und zum anderen durch eine entsprechende Deformation und Ineinanderfließen der Werkstoffe ein sicheres Anhaften der kaltgasgespritzten Funktionsschicht 3 ermöglicht. Insbesondere kann auf diese Weise die Funktionsschicht als eine Verschleißschutzschicht oder Erosionsschutzschicht oder dergleichen ausgebildet werden, bei der harte Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche der Grundschicht 2 des Kunststoffbauteils 1 auftreffen. Entsprechend kann eine hoch feste bzw. harte Funktionsschicht 3, insbesondere mit eingelagerten Hartstoffpartikeln, wie zum Beispiel Diamant oder diamantähnlichen Werkstoffen, kubischem kristallinen Bornitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxyd, Borkarbid, Wolframkarbid, Titankarbid, Titannitrid oder Zirkondioxid bzw. allgemein mit entsprechenden Karbiden, Nitriden und Oxyden, mittels kinetischen Kaltgasspritzens abgeschieden werden, wobei durch das kinetische Kaltgasspritzen eine geringe thermische Belastung des Kunststoffbauteils ermöglicht wird und eine gezielte Beschichtung mit einem fokussierten Spritzstrahl und einem geringen Overspray, d. h. entsprechend niedrigerem Abdeckaufwand, durchgeführt werden kann.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels und den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Änderungen im Rahmen des Schutzbereichs, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, möglich sind. Insbesondere können einzelne der vorgestellten Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen der vorgestellten Merkmale verwirklicht werden. Die Erfindung umfasst insbesondere sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Merkmale.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005047688 B3 [0005, 0009]
    • DE 10037212 A1 [0006]
    • DE 100372131 A1 [0009]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Beschichtung einer Kunststoffoberfläche, wobei mindestens eine Teilschicht der Beschichtung mittels kinetischen Kaltgasspritzens aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kunststoffoberfläche und kaltgasgespritzter Teilschicht eine Grundschicht (2) mit einem anderen, vom kinetischen Kaltgasspritzen unterschiedlichen Verfahren aufgebracht wird, welche so ausgewählt wird, dass sowohl eine Haftung der Grundschicht auf der Kunststoffoberfläche gewährleistet ist, als auch eine Abscheidung der Teilschicht durch Kaltgasspritzen möglich wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Kunststoffoberfläche und die Zusammensetzung der kaltgasgespritzten Schicht (3) derart sind, dass eine direkte Abscheidung der kaltgasgespritzten Schicht unmittelbar auf der Kunststoffoberfläche nicht möglich ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (2) eine metallische Schicht ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (2) mittels galvanischer Abscheidung, physikalischer Dampfphasenabscheidung, Kathodenzerstäuben (Sputtern) oder chemischer Dampfphasenabscheidung aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass. die Grundschicht (2) auf einem faserverstärkten Kunststoff (1) aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (2) mit einer Dicke aufgebracht wird, bei der nachfolgenden Abscheidung der kaltgasgespritzten Teilschicht eine Beschädigung der Kunststoffoberfläche vermieden wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (2) mit einer Dicke von 20 μm bis 200 μm aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim kinetischen Kaltgasspritzen der Teilschicht (3) auf der Grundschicht (2) Hartstoffpartikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Grundschicht beschleunigt werden.
  9. Kunststoffbauteil mit einer Beschichtung, die mindestens eine Teilschicht aus einer kaltgasgespritzten Schicht umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kunststoffoberfläche und kaltgasgespritzter Teilschicht (3) eine Grundschicht (2) mit einem anderen, vom kinetischen Kaltgasspritzen unterschiedlichen Verfahren aufgebracht ist, welche so ausgewählt ist, dass sowohl eine Haftung der Grundschicht (2) auf der Kunststoffoberfläche gewährleistet ist, als auch eine feste Verbindung der kaltgasgespritzten Schicht (3) auf der Grundschicht (2) gegeben ist.
  10. Kunststoffbauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffoberfläche einen faserverstärkten Kunststoff (1) umfasst.
  11. Kunststoffbauteil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kaltgasgespritzte Teilschicht (3) eine hochfeste, verschleißbeständige Schicht, insbesondere mit Hartstoffpartikeln ist.
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