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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einseitig metallisierten Bedienelements aus Kunststoff mit hinterleuchtbarer Symbolik, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen beispielsweise als Bedienelement für bordeigene Fahrerinformationssysteme oder für die Aktivierung fahrzeugeigener Funktionen wie Innenraumbeleuchtung, Start/Stop-Knopf, Bedienelemente einer Klimaanlage, Schalter für Fahrzeugbeleuchtung etc.
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Aus dem Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei Verfahren zur Erzeugung von metallisierten Bedienelementen aus Kunststoff bekannt. Diese basieren entweder auf der Metallisierung eines aus einem Kunststoff gefertigten Bedienelements mittels PVD-Verfahren (physical vapor deposition), oder auf der Galvanisierung eines Bedienelements aus Kunststoff mittels elektrochemischer Verfahren. Während es beide Verfahren grundsätzlich erlauben, haltbare Metallbeschichtungen auf Bedienelemente aus Kunststoff aufzubringen, ist es bis zum heutigen Tag problematisch, mittels PVD-Verfahren Bedienelemente so zu metallisieren, dass die auf dem Kunststoffteil abgeschiedene Metallschicht auch ohne zusätzliche Schutzschicht z. B. aus einem transparenten Schutzlack eine ausreichende Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Auch weisen mittels PVD-Verfahren metallisierte Kunststoffteile aufgrund der geringen Schichtdicken der aufgebrachten Metallschichten nicht den häufig gewünschten „cold touch” auf, d. h. die Haptik des metallisierten Kunststoffteils entspricht nicht der eines Metallteils.
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Der
DE 101 208 674 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einseitig galvanisch metallisierter Kunststoff-Bedien-Elemente zu entnehmen. Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung eines vorderseitig galvanisch metallisierten Bedienelements mit hinterleuchtbaren Symbolen offenbart, wobei im Rahmen des offenbarten Verfahrens in einem ersten Schritt ein Grundkörper aus einem transparenten oder transluzenten Kunststoffmaterial mit einer Vorderseite und einer Rückseite hergestellt wird, wobei im nachfolgenden Verfahrensschritt ein Bereich der Rückseite abgedeckt oder abgeschirmt wird, um eine galvanische Beschichtung in diesem Bereich zu vermeiden. Dann wird der Grundkörper mit aufgebrachter Abdeckung bzw. Abschirmung elektrisch kontaktiert. Nachfolgend wird der Grundkörper chemisch bzw. optional galvanisch vorbehandelt zur Erzeugung einer dünnschichtigen Metallschicht außerhalb des abgedeckten Bereichs. Nachfolgend wird diese erste Metallschicht partiell abgetragen zur Erzeugung des Symbols. Schließlich wird auf galvanischem Wege die metallische Oberflächenbeschichtung fertiggestellt. In der genannten Patentanmeldung wird vorgeschlagen, zum partiellen Abtragen der Metallschicht entweder einen Schutzlack auf die Metallschicht aufzubringen und nachfolgend die nicht durch den Schutzlack abgedeckten Bereiche der Metallschicht auszuätzen. Alternativ wird vorgeschlagen, das Symbol mittels Laserablation zu erzeugen.
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Auch wenn sich das aus der
DE 10208674 A1 vorbekannte Verfahren in der Praxis grundsätzlich bewährt hat, so weist es dennoch den Nachteil auf, dass der erfindungsgemäß durchzuführende Verfahrensschritt des teilweisen Abdeckens der rückseitigen Oberfläche des galvanisierbaren Grundkörpers die Herstellung der metallisierten Bedienelemente im Großserienmaßstab aufwendig und damit kostenintensiv macht. Auch wird die Prozesssicherheit durch den zusätzlichen Verfahrensschritt des Aufbringens eines rückseitigen Schutzlacks negativ beeinflusst. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines einseitig metallisierten Kunststoff-Bedienelements anzugeben, welches sich auch im Großserienmaßstab zu geringen Kosten durchführen lässt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen zur Herstellung eines vorderseitig metallisierten Kunststoff-Bedienelements mit hinterleuchtbarer Symbolik, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
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- a. Erzeugen eines Kunststoff-Grundkörpers mit
- i. einem rückseitig angeordneten Teilkörper aus einem nicht galvanisierbaren Kunststoff A, und
- ii. einer vorderseitig angeordneten galvanisierbaren Schicht aus einem galvanisierbaren Kunststoff B,
- b. Chemisches oder physikalisches Abscheiden einer elektrisch leitfähigen ersten Metallschicht auf der galvanisierbaren Schicht des Kunststoff-Grundkörpers,
- c. Strukturieren der ersten Metallschicht durch partielles Abtragen zur Ausbildung der Symbolik, und
- d. Elektrochemisches Abscheiden zumindest einer zweiten Metallschicht auf der strukturierten ersten Metallschicht.
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Unter chemischem oder physikalischem Abscheiden der elektrisch leitfähigen ersten Metallschicht auf der galvanisierbaren Schicht des Kunststoff-Grundkörpers wird im Kontext der vorliegenden Erfindung eine stromlose, d. h. nicht elektrochemische Abscheidung der Metallschicht verstanden. Beispielhaft hierfür wird nachfolgend die Abscheidung einer Nickelschicht aus einer Elektrolytlösung mittels eines kolloidalen Verfahrens beschrieben.
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Im Rahmen des vorstehend genannten kolloidalen Verfahrens wird in einem ersten Schritt aus einer Elektrolytlösung eine Schicht aus Palladiumkeimen auf der galvanisierbaren Schicht abgeschieden. Dieser Verfahrensschritt wird häufig als „Aktivieren der Oberfläche” des zu galvanisierenden Bauteils bezeichnet. Hierzu wird beispielhaft auf die Ausführungen in der
DE 102 08 674 A1 verwiesen. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, dass zum Aktivieren der Oberfläche des Grundkörpers Palladiumkeime aus einer kolloidalen Lösung auf die galvanisierbare Schicht aufgebracht werden können, wobei diese aufgebrachten Palladiumkeime durch eine Zinn-Schutzkolloid-Schicht geschützt sein können. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn vor dem nachfolgenden Aufbringen der ersten Metallschicht auf die aktivierte galvanisierbare Schicht eine ggf. die Palladiumkeime abdeckende Zinn-Schutzkolloid-Schicht entfernt wird. Dieser Vorgang, der auch als „Stripping” bezeichnet wird, kann beispielsweise durch Waschen der aktivierten galvanisierbaren Oberfläche des Grundkörpers vorgenommen werden.
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Nachfolgend wird auf der aktivierten Oberfläche des Grundkörpers des Bedienelements auf chemischem nicht elektrochemischem Wege (d. h. stromlos) in einem geeigneten Metallbad eine erste Metallschicht, bevorzugt aus Nickel oder Kupfer, als erste Metallschicht abgeschieden (sog. „chem. Nickel” bzw. „chem. Kupfer”).
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Als Alternative zur chemischen Abscheidung der ersten Metallschicht steht eine Abscheidung mittels physikalischen Verfahren zur Verfügung, hier insbesondere mittels PVD-Verfahren (”physical vapor deposition”).
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Wird eine Nickel- oder eine Kupferschicht chemisch oder physikalisch abgeschieden, so weist diese typisch eine Schichtdicke zwischen 100 Nanometern und 5 Mikrometern auf, bevorzugt zwischen 500 Nanometern und zwei Mikrometern, und besonders bevorzugt von etwa 1 Mikrometer. Die minimale Schichtdicke ist dabei im wesentlichen davon abhängig, ab welcher Schichtdicke sich eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der ersten Metallschicht ausbildet. Auch wird die minimale Schichtdicke die Stromtragfähigkeit der ersten Metallschicht bestimmt, die für die nachfolgenden Galvanikschritte erforderlich ist. Die maximale Schichtdicke wird in erster Linie vor der Abscheidegeschwindigkeit bestimmt, die das zur stromlosen Abscheidung der ersten Metallschicht verwendete chemische oder physikalische Verfahren aufweist. Bei zu langer Verweildauer im entsprechenden Prozessschritt wird das gesamte Verfahren unwirtschaftlich.
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Bevorzugt werden zumindest die Prozessschritte „Aktivieren der Oberfläche”, „Aufbringen der ersten Metallschicht (chemisch Nickel/chemisch Kupfer)” und „Strukturieren der ersten Metallschicht zur Ausbildung der Symbolik” in weniger als 24 h durchlaufen, um eine Passivierung der reaktiven Oberfläche des chemisch Nickel/chemisch Kupfer zu vermeiden.
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Wie erwähnt weist die chemisch oder physikalisch abgeschiedene erste Metallschicht in der Regel eine Dicke von einem Mikrometer oder darunter auf. Diese erste Metallschicht kann dann beispielsweise mittels Laserablation oder mittels Lithographie, d. h. mittels strukturiert aufgebrachtem Schutzlack sowie nachfolgendem Ätzen der Metallschicht und Abwaschen des Schutzlacks strukturiert werden.
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Falls die stromlos abgeschiedene erste Metallschicht tatsächlich eine nur geringe Stromtragfähigkeit aufweist, was nachteilig für die nachfolgenden elektrochemischen Verfahrensschritte wäre, kann optional bei geringen Strömen eine erste Metallschicht z. B. aus Kupfer oder Nickel auf galvanischem Wege auf der ersten Metallschicht abgeschieden werden (sog. „Vor-Kupfer” bzw. „Vor-Nickel”), wobei dies sowohl vor- als auch nach der Strukturierung der ersten Metallschicht möglich ist.
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Zur Fertigstellung des metallisierten Bedienelements wird nachfolgend die Dicke der ersten, nunmehr strukturierten Metallschicht, die ggf. noch mit einer dünnen Schicht aus Vorkupfer oder Vornickel bedeckt ist, mittels eines galvanischen, d. h. elektrochemischen Verfahrens erhöht. In der Regel wird hierzu auf die erste Metallschicht eine erste Zwischenschicht aus Kupfer abgeschieden, die aufgrund ihrer hohen Duktilität eine Brücke bildet zwischen dem Kunststoff-Grundkörper, der eine hohe Elastizität aufweist, und einer in einem nachfolgenden Prozessschritt auf der Oberfläche des Bedienelements abgeschiedenen Dekorschicht aus einem harten Dekormetall wie Chrom oder auch Nickel. Diese erste Zwischenschicht aus Kupfer kann eine Schichtdicke von 10 bis 40 Mikrometern und darüber aufweisen. In der Regel wird der Galvanikprozess zur Abscheidung der ersten Zwischenschicht aus Kupfer so eingestellt, dass auf allen zugleich im Galvanikbad beschichteten Bedienelementen eine Schichtdicke dieser ersten Zwischenschicht von zumindest 20 Mikrometern sichergestellt ist.
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Oftmals wird auf der ersten Zwischenschicht aus Kupfer noch eine zweite metallische Zwischenschicht abgeschieden, um die Korrosionsbeständigkeit der Metallbeschichtung zu erhöhen. Auch kann diese zweite Zwischenschicht die Haftung der auf der Oberfläche des Bedienelements aufgebrachten Dekorschicht auf der ersten Zwischenschicht erhöhen. Schließlich kann auch die Optik der Dekorschicht durch geeignete Wahl des Materials der zweiten Zwischenschicht gezielt beeinflusst werden. Besonders bewährt hat sich die Aufbringung einer zweiten Zwischenschicht aus Nickel. Dabei kann diese zweite Zwischenschicht insbesondere aus Rissnickel, Mattnickel, Halbglanznickel oder Glanznickel bestehen und ihrerseits nochmals in Zwischenschichten unterteilt sein. So hat sich bei mechanisch besonders stark beanspruchten Bedienelementen wie z. B. dem Schaltkauf des Gangwahlhebels eines Getriebes, oder bei Bedienelementen, die dem Angriff korrosiver Medien wie Handschweiß besonders stark ausgesetzt sind, ein Schichtaufbau bewährt bestehend aus einer auf die erste Zwischenschicht aus Kupfer aufgebrachten Schicht aus Halbglanznickel und einer auf deren Oberfläche abgeschiedenen Schicht aus Mattnickel, auf deren Oberfläche schließlich eine Schicht aus Rissnickel aufgebracht wird. Die Rissnickelschicht trägt zu einer wesentlichen Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit des gesamten Schichtaufbaus bei, wobei als ursächlich hierfür ein kontrollierter Korrosionsangriff an der Rissnickelschicht angesehen wird. Aber auch die Haftung der Dekorschicht wird durch diese Zwischenschicht nochmals erhöht. Die Schichtdicke der zweiten Zwischenschicht beträgt typisch zwischen 5 und 30 Mikrometern, bevorzugt beträgt sie 10 Mikrometer und darüber, insbesondere bei einer zweiten Zwischenschicht aus Nickel.
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Nachfolgend wird auf der ersten Zwischenschicht aus Kupfer bzw. der optionalen zweiten Zwischenschicht aus Nickel galvanisch eine Schicht aus einem Dekormetall abgeschieden, bei welchem es sich beispielsweise um Chrom oder auch um Nickel handeln kann. Hierbei wird auf die an sich bekannten Verfahren zur Ausbildung einer Halbglanz- bzw. Mattnickelschicht (Aludesign), einer Rissnickelschicht oder einer Glanzchromschicht zurückgegriffen. Typische Schichtdicken dieser Dekorschicht liegen i. A. zwischen 100 Nanometern und wenigen Mikrometern, im Fall von Chrom bevorzugt bei zumindest 300 Nanometern.
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Abschließend kann die metallisierte Oberfläche des Bedienelements noch mit einem geeigneten Schutz- und/oder Dekorlack versehen werden, der auf die Dekorlage aus dem Dekormetall wie z. B. Chrom aufgebracht wird und die Korrosionsbeständigkeit des gesamten auf das Bedienelement aufgebrachten Schichtaufbaus nochmals erhöht.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird folgende spezielle Verfahrensführung zum Erzeugen des Grundkörpers angewendet:
- a. Erzeugen eines nicht galvanisierbaren Teilkörpers aus einem nicht galvanisierbaren Kunststoff A, und
- b. Aufbringen einer galvanisierbaren Schicht aus einem galvanisierbaren Kunststoff B vorderseitig des Teilkörpers.
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In einer alternativen Verfahrensführung wird die Folge der Erzeugung der galvanisierbaren Schicht aus einem galvanisierbaren Kunststoff B und des nicht galvanisierbaren Teilkörpers aus einem nicht galvanisierbaren Kunststoff A rückseitig der galvanisierbaren Schicht vertauscht.
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In beiden vorstehend genannten bevorzugten Ausgestaltungen kann es sich bei dem Grundkörper um ein sogenanntes 2-K-Bauteil handeln, welches mittels geeigneter Spritzgussverfahren aus zwei verschiedenen Kunststoffkomponenten hergestellt wird. Bevorzugt wird dabei eine solche Abfolge bei der Herstellung der beiden Komponenten des Grundkörpers eingehalten, bei der zuerst diejenige Kunststoffkomponente gespritzt wird, deren Kunststoffmaterial bei höherer Temperatur verarbeitet werden muss, also i. A. den höheren Schmelzpunkt aufweist, und in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die bei einer niedrigeren Temperatur zu verarbeitende zweite Kunststoffkomponente an die vorzugsweise bereits vollständig erstarrte erste Kunststoffkomponente angespritzt wird.
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Weiterhin hat sich das als Injektion Moulding Decoration (IMD)-Verfahren bekannte Spritzgussverfahren ebenfalls als geeignet zur Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Grundkörper erwiesen. Im Rahmen eines solchen IMD-Verfahrens wird eine Folie aus einem galvanisierbaren Kunststoff B in eine Spritzgussform eingelegt und nachfolgend mit einem nicht galvanisierbaren Kunststoff A hinterspritzt. Je nach Formgebung des Grundkörpers bzw. Materialeigenschaften der Folie ist es aber auch denkbar, zur Ausbildung der nicht galvanisierbaren Rückseite des Grundkörpers eine Folie aus einem nicht galvanisierbaren Kunststoff A in eine Spritzgussform einzulegen und diese mit einem galvanisierbaren Kunststoff B zu hinterspritzen, wobei die aus dem Kunststoff B bestehende Komponente im fertigen Grundkörper die galvanisierbare Oberfläche des Grundkörpers ausbildet. Letztere Variante des Verfahrens bietet den Vorteil, dass die Oberfläche eines spritzgegossenen Kunststoffteils zu metallisieren ist, wozu im Stand der deutlich mehr Erfahrungswerte existieren als zur Metallisierung von Kunststofffolien.
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Als besonders geeigneter Kunststoff A zur Ausbildung des nicht galvanisierbaren Teilkörpers hat sich Polykarbonat erwiesen. Dieses Material weist neben der Tatsache, dass es praktisch nicht an den nachfolgenden Prozessschritten teilnimmt, den Vorteil auf, dass es sich besonders gut als Lichtleiter eignet. Darüber hinaus lässt sich PC gut mit lichtstreuenden Partikeln dotieren, wodurch sich im Bedienelement eine besonders homogene Lichtverteilung erzielen lässt. Dies kann besonders bei der Verwendung nur einer Lichtquelle vorteilhaft sein, um eine homogene Ausleuchtung der Symbolik zu erzielen, insbesondere wenn diese Lichtquelle annähernd punktförmig ist.
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Als besonders geeignete Kunststoffe B zur Ausbildung der galvanisierbaren Schicht hingegen haben sich die Werkstoffe Polyamid, ABS oder ein ABS/Polykarbonat-Blend erwiesen. Eine hochbelastbare mechanische Verbindung des Teilkörpers mit der galvanisierbaren Schicht ergibt sich, wenn die galvanisierbare Schicht aus einem ABS/Polykarbonat-Blend besteht und der Teilkörper aus Polykarbonat. Wird für die galvanisierbare Schicht ein Polyamid verwendet, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn beispielsweise durch geeignete Formgebung der galvanisierbaren Schicht und des Teilkörpers eine zusätzliche mechanische Verkrallung zwischen beiden bewirkt wird. Alle verwendeten Kunststoffe A und B sind dabei bevorzugt transparent oder zumindest transluzent.
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Wird für die galvanisierbare Schicht auf ABS bzw. ein ABS/Polykarbonat-Blend zurückgegriffen, so kann eine besonders gute Haftung der auf der galvanisierbaren Schicht galvanisch abgeschiedene Metallschicht erzielt werden, wenn die galvanisierbare Schicht vor der Metallisierung einer zusätzlichen chemischen Behandlung unterzogen wird, welche die Rauigkeit der Oberfläche erhöht. Beispielsweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Butadienanteile des ABS-Kunststoffs zumindest teilweise aus der Oberfläche der galvanisierbaren Schicht herausgelöst werden. Dies kann beispielsweise mittels einer chemischen Behandlung zumindest der galvanisierbaren Schicht, bevorzugt aber des gesamten Grundkörpers, z. B. mittels eines Beizvorgangs in einem Chromschwefelsäurebad durchgeführt werden. Wird hingegen auf eine galvanisierbare Schicht aus Polyamid zurückgegriffen, so kann hier die Oberflächenrauhigkeit vor dem Aufbringen der Metallisierung erhöht werden, indem zumindest die galvanisierbare Schicht aus Polyamid, bevorzugt aber wiederum der gesamte Grundkörper, auf geeignete Weise chemisch vorbehandelt wird, um ein Aufquellen der Polyamidschicht zu bewirken. Details hierzu lassen sich beispielsweise dem Kapitel „Vorbehandlung und chemische Metallisierung” der Fachveröffentlichung „Kunststoff-Metallisierung – Handbuch für Theorie und Praxis", erschienen im Eugen G. Leuze Verlag, entnehmen, welches hiermit zum Offenbarungsumfang der vorliegenden Anmeldung hinzugefügt wird.
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Wird zur Ausbildung der Symbolik in der Metallschicht auf eine Strukturierung mittels Laserablation zurückgegriffen, so wird diese bevorzugt an der ersten Metallschicht durchgeführt, deren Dicke vorteilhaft zwischen 100 Nanometern und 2 Mikrometern beträgt, insbesondere etwa einem Mikrometer. Wie erwähnt ist die minimale Schichtdicke dabei im Wesentlichen davon bestimmt, bei welcher Schichtdicke das verwendete Metall eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und auch Stromtragfähigkeit für die nachfolgende Galvanisierung aufweist. Die maximale Schichtdicke ist – neben der Begrenzung durch eine ökonomisch noch zu vertretende Verweilzeit im Metallbad – im Wesentlichen dadurch bestimmt, dass sich die Metallschicht durch Laserablation partiell entfernen lassen muss, ohne dass hierzu ein solcher Energieeintrag erforderlich ist, dass die unter der ersten Metallschicht liegende Kunststoffschicht merklich beeinflusst wird, insbesondere beispielsweise angeschmolzen wird.
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Bei einer Laserstrukturierung ist es dabei von besonderem Vorteil, wenn für die Strukturierung ein Laser verwendet wird, dessen Wellenlänge nur eine geringe Absorption zumindest in der galvanisierbaren Schicht aus dem Kunststoff B erfährt, bevorzugt aber auch in der darunter liegenden Schicht aus dem nicht galvanisierbaren Kunststoff A. In diesem Zusammenhang hat sich die Verwendung von IR-Lasern wie Nd:YAG- oder CO2-Lasern besonders bewährt, die bevorzugt im Pulsbetrieb betrieben werden.
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Sollen großflächige Symbole in der metallisierten Oberfläche des Bedienelements ausgebildet werden, so kann dies u. a. mittels großflächiger Laserablation erfolgen, worauf nachfolgend noch genauer eingegangen wird. Es hat sich aber herausgestellt, dass großflächige Symbole vorteilhaft auch dadurch erzeugt werden können, dass die erste Metallschicht mit geringer Linienbreite strukturiert wird, dergestalt, dass elektrisch gegenüber den umliegenden Bereichen der ersten Metallschicht isolierte Inseln in der ersten Metallschicht erzeugt werden. Bei den sich an den Strukturierungsschritt anschließenden elektrochemischen Galvanisierungsschritten nimmt diese elektrisch isolierte Insel nicht an der galvanischen Abscheidung teil. Vielmehr löst sich die dort abgeschiedene erste Metallschicht im Galvanobad ab, so dass hier die galvanisierbare Oberfläche des Bedienelements freigelegt wird. Die erwähnten feinen Strukturen können dabei auf besonders einfache Weise mittels Laserstrukturierung in der ersten Metallschicht erzeugt werden, beispielsweise durch Laserbeschriftung mit einem scharf fokussierten Laserstrahl, der bevorzugt gepulst ist und nur eine geringe Leistung aufweisen muss.
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In einer besonders vorteilhaften Verfahrensführung werden die folgenden Schritte zur Ausbildung der Symbolik mittels Laserablation durchlaufen:
- a. Freiräumen der von der Kontur der Symbolik umschlossenen Fläche, und
- b. Schreiben der Kontur der Symbolik.
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Grundsätzlich ist die Reihenfolge der Verfahrensschritte dabei frei wählbar, wobei es sich in der praktischen Erprobung als vorteilhaft herausgestellt hat, zuerst die Fläche der Symbolik frei zu räumen und dann die Kontur der Symbolik nachzuschreiben. Beide Verfahrensführungen führen zu einem scharfen Übergang zwischen freien Kunststoffoberfläche und erster Metallschicht, was sich vorteilhaft auf die sich in den nachfolgenden Galvanikschritten ausbildenden weiteren Metallschichten auswirkt. So wurde festgestellt, dass die Metallisierung von Bedienelementen, bei denen die erste Metallschicht zur Ausbildung der Symbolik wie vorstehend beschrieben strukturiert wurde, nur geringe Überwachsungen im Bereich der zu durchleuchtenden Symbolik aufweist. Da Überwachsungen in diesen Bereichen praktisch nicht mit der Oberfläche des Kunststoff-Bedienelements verbunden sind, hat eine Minimierung von Überwachsungen unmittelbar vorteilhafte Auswirkungen auf die Haftung der Metallisierung auf der Oberfläche des Bedienelements am Rand der Symbolik und auf die Dichtigkeit des aufgebrachten metallischen Schichtaufbaus. Während ersteres die mechanische Belastbarkeit des Bedienelements verbessert, führt letzteres zu einer deutlichen Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Metallisierung.
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Zum Freiräumen der von der Kontur der Symbolik umschlossenen Fläche wird vorteilhaft der ablatierende Laserstrahl gepulst betrieben und z. B. in Form einer Schraffur über die frei zu räumende Fläche geführt. Dabei werden Vorschub, Verfahrweg, Pulsrepetitionsrate, Fokusgröße und Pulsenergie so eingestellt, dass die sich auf der Bedienelement-Oberfläche ausbildenden Laserspots, d. h. die Bereiche, in denen eine Ablation auftritt, eine ausreichende gegenseitige Überdeckung aufweisen, um in der Summe die gesamte Fläche der Symbolik frei zu räumen.
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Die auf diese Weise entstehende Symbolik in der ersten Metallschicht kann in Abhängigkeit von den gewählten Verfahrensparametern eine „ausgefranste” Umrandung aufweisen, die den Abstand und die Abmessungen der zum Freiräumen der Fläche verwendeten Laserspots widerspiegelt. Es hat sich daher als vorteilhaft herausgestellt, wenn in einem weiteren Verfahrensschritt nochmals die Kontur der Symbolik mit dem ablatierenden Laserstrahl abgefahren wird. Hierbei können die Ablationsparameter wie z. B. Pulsrepetitionsrate und – energie sowie Vorschub gezielt so verändert werden, dass die Kontur aus kleineren Laserspots mit geringerem Abstand besteht und damit feinere Strukturgrößen aufweist. Dies führt zu einer scharfen Konturierung der in der ersten Metallschicht ausgebildeten Symbolik, aus der die vorstehend beschriebenen Vorteile resultieren.
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Weiterhin kann beim Ausräumen der Fläche der Symbolik die Gefahr einer Schädigung der Kunststoffoberfläche minimiert werden, wenn sich der Verfahrweg des zum Ausräumen verwendeten Laserstrahls auf der innerhalb der Kontur liegenden Oberfläche möglichst nicht selbst schneidet. Auf diese Weise kann eine doppelte Einwirkung des ablatierenden Lasers auf eine Stelle der Oberfläche des Kunststoff-Bedienelements vermieden werden, wodurch laserbedingte Schäden in der Oberfläche minimiert werden.
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Beim Ausräumen der Fläche der Symbolik und auch beim Schreiben der Kontur kann die Gefahr einer laserbedingten Schädigung des Kunststoffteils noch weiter vermindert werden, indem in einem zweistufigen Verfahren ablatiert wird. Hierbei wird in einem ersten Ablationsschritt mehr als 75% der Schichtdicke der ersten Metallschicht abgetragen, und in einem nachfolgenden zweiten Ablationsschritt die Schichtdicke weiter auf weniger als 5% der ursprünglichen Schichtdicke, bevorzugt auf weniger als 2%, vermindert wird. Generell gilt, dass im zweiten Ablationsschritt die Schichtdicke so weit vermindert wird, dass evtl. verbleibende Reste der ersten Metallschicht in ihrer Dicke so weit reduziert sind, dass die erste Metallschicht lokal keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und/oder Stromtragfähigkeit für eine elektrochemische Abscheidung weiterer Metallschichten mehr aufweist. Ist diese Voraussetzung erfüllt, so nimmt dieser Teil der Oberfläche des Bedienelements nicht mehr an der sich anschließenden galvanischen Metallisierung teil. Auch bei dieser speziellen Verfahrensführung ist es zur Vermeidung laserbedingter Schäden vorteilhaft, wenn sich die Verfahrwege des Laserstrahls im ersten und im zweiten Ablationsschritt im Wesentlichen nicht überdecken.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, zur Ausbildung der Symbolik die erste Metallschicht mittels lithographischen Methoden zu strukturieren. Hierzu wird sie auf geeignete Weise mit einem Schutzlack versehen wird, der entweder direkt strukturiert aufgebracht oder in einem separaten Verfahrensschritt beispielsweise fotolithografisch strukturiert wird, wodurch die Oberfläche der ersten Metallschicht freigelegt wird. Nachfolgend wird ein Ätzschritt durchgeführt, bei welchem die erste Metallschicht dort abgetragen wird, wo ihre Oberfläche nicht durch den Schutzlack abgedeckt wird. Schließlich wird in einem weiteren Verfahrensschritt der Schutzlack wieder von der Oberfläche der ersten Metallschicht entfernt, so dass die unbedeckte, nunmehr aber strukturierte erste Metallschicht zurückbleibt, welche dann nachfolgend dem Galvanik-Prozess unterzogen wird.
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Figur (wird nachgereicht) eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.
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Im Verfahrensschritt 1 wird in einer Spritzgussform ein Teilkörper aus einem nicht galvanisierbaren Kunststoff A (z. B. Polykarbonat) mittels Spritzguss hergestellt.
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Im Verfahrensschritt 2 wird an diesen Teilkörper vorderseitig eine galvanisierbare Schicht aus einem galvanisierbaren Kunststoff B (z. B. ABS/Polykarbonat-Blend) angespritzt, wodurch der als Zwei-Komponenten-(2K)-Bauteil ausgebildete Grundkörper des erfindungsgemäßen Bedienelements ausgebildet wird.
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Im nachfolgenden Verfahrensschritt 3 wird zumindest die Oberfläche der galvanisierbaren Schicht des Bedienelements einem Beizprozess unterzogen, bei welchem die Butadienanteile aus der Oberfläche des ABS-Kunststoffanteils herausgelöst werden. Dieser Verfahrensschritt wird bevorzugt in einem Chromschwefelsäurebad ausgeführt. Neben der Aufrauhung der galvanisierbaren Oberfläche des Kunststoff-Bedienelements werden u. a. Verunreinigungen von der galvanisierbaren Oberfläche entfernt, insbesondere evtl. anhaftende organische Verunreinigungen.
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Im Verfahrensschritt 4 wird die galvanisierbare Oberfläche des Grundkörpers aktiviert, d. h. es wird auf aus dem Stand der Technik vorbekannte Weise aus kolloidaler Lösung die Oberfläche mit Palladiumkeimen bekeimt, wobei die Palladiumkeime bevorzugt von einem Zinn-Schutzkolloid bedeckt sind. Das Zinn-Schutzkolloid wird durch Waschen entfernt, wodurch eine Oberfläche mit aktivem Palladium entsteht.
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Im Verfahrensschritt 5 wird chemisch, d. h. ohne Anwendung eines Galvanisierungsstroms, eine elektrisch leitende erste Metallschicht auf die aktivierte Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht. Hierzu wird der Grundkörper in ein geeignetes Nickelbad eingebracht wird, aus welchem sich Nickel auf der aktivierten Oberfläche des Grundkörpers niederschlägt (sog. „chemisch Nickel”). Die hierbei entstehende dünne Nickelschicht („erste Metallschicht”) weist eine Dicke von etwa einem Mikrometer auf.
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In einer alternativen Verfahrensführung wird im Verfahrensschritt 4a die galvanisierbare Oberfläche des Grundkörpers aktiviert, d. h. die Oberfläche wird aus kolloidaler Lösung mit Palladiumkeimen bekeimt, wobei die Palladiumkeime bevorzugt von einem Zinn-Schutzkolloid bedeckt sind. Dieses wird in einem nicht dargestellten Verfahrensschritt in einer alkalischen Lösung durch Kupfer ersetzt. Die hierbei entstehende Kupferschicht bietet eine ausreichend hohe Bedeckung und damit elektrische Leitfähigkeit, um ohne weitere Zwischenschritte (wie z. B. die Abscheidung von chemisch Nickel/chemisch Kupfer) elektrochemisch galvanisiert werden zu können. Dieses Verfahren wird auch als Direktmetallisierung bezeichnet.
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Weiterhin ist bekannt, dass auch die Abfolge der in der Figur nicht dargestellten Verfahrensschritte Quellen des Kunststoffs (ABS, ABS-PC, PC, PES, PEI, PEEK, etc.), Beizen in einer oxidierenden Lösung (Chromschwefelsäure, Kaliumpermanganat, etc.), Aktivieren in einer metallkomplexhaltigen Lösung, Vernetzen durch Bildung von Metallsulfiden in einer alkalischen Sulfidlösung und schließlich elektrochemisches Galvanisieren in einem Metallbad es erlaubt, auf eine zeitaufwendige stromlose Abscheidung von chemisch Nickel bzw. chemisch Kupfer zu verzichten.
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Im optionalen Verfahrensschritt 6 wird die Schichtdicke der dünnen Nickelschicht mittels elektrochemischer Abscheidung von Nickel oder Kupfer bei niedriger Stromstärke um einige 100 Nanometer erhöht, um die Leitfähigkeit und/oder Stromtragfähigkeit der ersten Metallschicht zu erhöhen („Vornickel”, „Vorkupfer”).
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Im nicht dargestellten nächsten Verfahrensschritt wird der auf der galvanisierbaren Oberfläche mit der ersten Metallschicht (d. h. einer dünnen Nickelschicht und ggf. einer Schicht aus Vornickel oder Vorkupfer) bedeckte Grundkörper dem Galvanikprozess entnommen, gewaschen und getrocknet.
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Im nächsten Verfahrensschritt 7 wird die erste Metallschicht mittels eines IR-Beschriftungslasers zur Ausbildung der Symbolik strukturiert. Hierzu werden z. B. 8 oder 16 Bedienelemente auf eine Halterung aufgesteckt und mit einer Wiederholgenauigkeit von einem 10tel Millimeter oder besser relativ zum Strahl des Beschriftungslasers, z. B. eines Nd:YAG oder eines CO2-Lasers, positioniert. Nachfolgend wird bei festgehaltener Position der Halterung die Laserablation durchgeführt. Hierzu wird der Laserstrahl des Beschriftungslasers nacheinander über die zu strukturierende Oberfläche der im Halter befindlichen Bedienelemente geführt, d. h. die Bedienelemente werden nacheinander gelasert. Die für die vollständige Ausbildung der Symbolik erforderliche Bearbeitungszeit beträgt typisch einige Sekunden. Die Strahlführung erfolgt dabei automatisiert mittels geeigneter Stellmittel. Zur Ausbildung der Symbolik wird das im allgemeinen Teil beschriebene zweistufige Verfahren angewendet, d. h. in einer ersten Stufe wird die von der Kontur der Symbolik umfangene Fläche freigeräumt, und nachfolgend wird bei geänderten Laserparametern die Kontur der Symbolik nachgeschrieben. Um unerwünschte Reflexe des Beschriftungslasers zu vermeiden, kann der Halter in den Bereichen, in denen die Symbolik auf der Oberfläche der gehaltenen, zumindest transluzenten Bedienelemente ausgebildet wird, lokal freigemacht sein. Alternativ kann der Halter aus einem nicht-reflektierenden (Kunststoff-)Material wie Polyoxymethylen (POM) gefertigt oder mit einer nicht-reflektierenden Beschichtung versehen sein.
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Nachfolgend werden die Grundkörper mit nunmehr strukturierter erster Metallschicht dem Galvanik-Prozess zugeführt. Hierbei wird im nächsten Verfahrensschritt 8 in einem ersten (falls Vorkupfer oder Vornickel aufgebracht wurde: zweiten) elektrochemischen Galvanikschritt eine erste metallische Zwischenschicht galvanisch abgeschieden. Diese besteht in der Regel aus Kupfer und weist eine Dicke von typisch zwischen 10 und 40 Mikrometern auf. Bevorzugt wird dieser Galvanikschritt so ausgeführt, dass unabhängig von der Position eines Bedienelements auf dem Halter eine minimale Schichtdicke der ersten Zwischenschicht aus Kupfer von 20 Mikrometern erzielt wird.
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In den nachfolgenden Verfahrensschritten 9 und 10 wird auf der ersten Zwischenschicht aus Kupfer galvanisch eine zweite Zwischenschicht aus Nickel abgeschieden. Diese kann z. B. als einlagige Schicht aus Mattnickel mit einer Dicke von zumindest 10 Mikrometern ausgeführt sein. Alternativ kann die zweite Zwischenschicht auch als Schichtabfolge von Glanznickel, Halbglanznickel, Mattnickel, mikroporigem Nickel und/oder Rissnickel ausgebildet sein. Bewährt in der Praxis hat sich beispielsweise ein Schichtaufbau aus etwa 5 Mikrometern Halbglanznickel, auf welches nachfolgend eine Schicht mit einer Stärke von etwa 5 Mikrometern aus Mattnickel oder Glanznickel (je nach gewünschter Optik der fertig gestellten metallisierten Oberfläche) aufgebracht wird. Dieser Schichtaufbau weist aufgrund der positiven Eigenschaften von Halbglanznickel eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Sind die metallisierten Bedienelemente für eine Verwendung in einer stark korrosiven Umgebung vorgesehen, so hat es sich bewährt, zumindest eine Zwischenlage aus Rissnickel zu verwenden, insbesondere eine Schichtabfolge von Halbglanznickel, Glanz- oder Mattnickel und Rissnickel für die zweite Zwischenschicht zu verwenden.
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Schließlich wird im Verfahrensschritt 11 auf der zweiten Zwischenschicht aus Nickel galvanisch eine Schicht aus einem Dekormetall abgeschieden wird, bei welchem es sich beispielsweise um Chrom handeln kann. Typische Schichtdicken dieser Dekorschicht liegen i. A. zwischen 100 Nanometern und wenigen Mikrometern, im Fall von Chrom bevorzugt bei zumindest 300 Nanometern.
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Optional kann nach dem Herausnehmen des Grundkörpers aus der Galvanik, worauf ein Reinigungs- und ein Trocknungsschritt (in der Figur nicht dargestellt) folgen, in einem weiteren nicht dargestellten Verfahrensschritt eine Einfärbung der metallisierten Oberfläche mittels PVD-Verfahren erfolgen. Hierbei wird eine zwischen 100 Nanometer und wenigen Mikrometern dicke Metallschicht z. B. aus Gold aufgebracht. Hier ist ein weites Farbspektrum erzielbar.
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Abschließend kann in einem abschließenden Verfahrensschritt (nicht dargestellt) noch eine Lackschicht aufgebracht werden, welche beispielsweise die Optik der vorderseitig aufgebrachten Metallschicht bzw. deren Korrosionsbeständigkeit verändern bzw. verbessern kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 101208674 A1 [0003]
- DE 10208674 A1 [0004, 0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Kunststoff-Metallisierung – Handbuch für Theorie und Praxis”, erschienen im Eugen G. Leuze Verlag [0025]
