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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit wenigstens einem elektrischen Funktionsteil versehenen Kunststoffwerkstückes.
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Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen Kunststoffwerkstücke ganz oder teilweise eine metallische Oberfläche aufweisen sollen. Dieses ist oftmals vor dem Hintergrund designerischer Anforderungen gefordert. Jedoch kann einer solchen metallischen Oberfläche neben designerischen Aspekten auch eine andere Funktionalität, etwa die eines elektrischen Leiters, zukommen. Ein oftmals angewendetes Verfahren zum Erzeugen einer solchen metallischen Oberfläche auf einem Kunststoffwerkstück ist das Aufkleben von metallischen Folien auf die Oberfläche des Werkstückes beispielsweise durch Heißprägen. Gerade wenn derartige metallische Oberflächenbereiche designerischen Ansprüchen genügen sollen, eignet sich dieses Verfahren zumeist nicht, da die dabei entstehenden Stöße an den Kanten der Metallfolien mitunter als störend empfunden werden, wobei nicht nur die Dicke einer Metallfolie sondern auch die Materialstärke des zwischen der Folie und der Kunststoffoberfläche befindlichen Klebemittels zu berücksichtigen ist.
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Bekannt ist auch, metallische Überzüge durch galvanische Abscheidungsprozesse auf die Oberfläche von Kunststoffwerkstücken aufzubringen. Dieses setzt allerdings voraus, dass der Kunststoff selbst eine für die Anlagerung der Metallionen hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Diesem Erfordernis genügen nur die wenigsten Kunststoffe.
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Wenn ein Kunststoffteil nicht vollständig, sondern nur bereichsweise und vor allem auch mit unregelmäßiger Geometrie, wie dieses beispielsweise bei einem Schriftzug der Fall ist, beschichtet werden soll, lässt sich dieses bei dreidimensionalen Bauteilen mit einer aufzuklebenden Metallfolie nur mit einem nicht vertretbarem Aufwand herstellen. Für eine Serien- oder Massenfertigung ist dieses Verfahren kaum geeignet, ungeachtet der bereits vorstehend zu diesem Verfahren aufgezeigten Nachteile. Gleiches gilt auch für die Aufbringung eines metallischen Überzuges auf einen Kunststoff mit elektrisch leitenden Eigenschaften im Wege eines Galvanisierprozesses. Auch diesbezüglich würde das notwendige Maskieren nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand durchzuführen sein. Eine weitere Schwierigkeit bei den vorbekannten Verfahren insbesondere bei selektiver metallischer Oberflächenbeschichtungen kommt auf, wenn die zu beschichtende Oberfläche des Kunststoffwerkstückes nicht eben ist, sondern eine dreidimensionale Geometrie aufweist. Es versteht sich, dass dann ein reproduzierbares Bekleben der Oberfläche mit Metallfolienabschnitten kaum möglich ist. Gleiches gilt für das Maskieren zur Vorbereitung eines Kunststoffwerksstückes im Wege eines galvanischen Beschichtungsverfahrens, abgesehen davon, dass für letzteres Verfahren die meisten Kunststoffe nicht geeignet sind.
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DE 101 43 523 A1 offenbart eine Metallfolie, die selektiv mit Metallen, Legierungen oder Isolatoren beschichtet ist. Letztere bilden eine funktionelle Schicht, wobei die beschichtete Folie insbesondere als Sicherheitselement für Wertdokumente dienen kann. Zur Herstellung wird ein Foliensubstrat zunächst mit einem löslichen partiellen Farbauftrag versehen. Anschließend wird eine Vorbehandlung mittels eines Inline-Plasma-, Corona- oder Flamm-Prozesses durchgeführt, gefolgt von einer Beschichtung mit der funktionellen Schicht, z.B durch Bedampfen, Sputtern, Drucken, Sprühen oder Galvanisieren. Schließlich wird der partielle Farbauftrag abgelöst.
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DE 102 12 662 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Schaltung auf einer Oberfläche einer Fahrzeug-Verkleidungsplatte. Hierbei wird eine flexible Maske mittels eines Vakuum-Formwerkzeugs auf die Oberfläche aufgebracht, wo sie ggf. mittels einer Haftschicht anhaftet. Anschließend werden Teile der Maske ausgeschnitten, die herzustellenden Schaltungselementen entsprechen. Mittels geeigneter Verfahren, wie Thermo- oder Plasmaspritzen, wird eine Metallschicht aufgebracht, anschließend wird die Maske von der Oberfläche abgenommen.
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DE 10 2004 034 417 A1 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten von Substraten mit optischen Schichten. Hierzu wird auf eine Oberfläche des Substrats, z.B. einer Linse, eine segmentierte Beschichtung aufgebracht. In einem ersten Schritt wird das Substrat maskiert, wobei gemäß einer Ausführungsform eine Lackschicht zur Abschirmung des Substrats, vorzugsweise mittels einer rechnergesteuerten Düse, selektiv aufgebracht wird. Anschließend erfolgt eine Beschichtung der teilweise maskierten Oberfläche durch ein Vakuumabscheidungsverfahren, z.B. PVD. Schließlich wird die Lackschicht abgezogen, aufgelöst o. Ä.
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In
EP 1 349 967 B1 wird ein Verfahren zum Metallisieren von Kunststofffilmen beschrieben. Hierbei werden zunächst mittels Rotationstiefdruck Teile des Films mit wasserlöslicher Farbe beschichtet. Danach erfolgt eine Metallisierung mittels eines Vakuum-Prozesses, wobei die beschichteten Teilbereiche durch die Farbe abgeschirmt sind. Schließlich wird die wasserlösliche Farbe zusammen mit der auf ihr befindlichen Metallschicht abgewaschen.
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WO 2006/126 234 A2 offenbart ein Verfahren zu Herstellung von Schmucksteinen. Hierbei wird ein Substrat, das ggf. aus Kunststoff bestehen kann, über ein PVD-Verfahren dekorativ beschichtet, z.B. mit einer Metallschicht. Bevorzugt wird das Substrat vorab selektiv maskiert. Gemäß einer Ausführungsform wird hierfür eine Lackschicht aufgebracht, die anschließend bereichsweise mittels eines Lasers entfernt wird. Nach dem Beschichten wird die Maske entfernt.
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Die
DE 39 24 716 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten, wobei auf ein elektrisch nicht leitendes Substrat, das bspw. aus Kunststoff bestehen kann, zunächst ein Fotolack aufgebracht und dieser anschließend durch eine Maske hindurch belichtet wird. Nach Entfernen der belichteten Teile wird durch Niedertemperatur-Lichtbogenbeschichten eine Metallschicht aufgebracht. Anschließend wird eine Klebeschicht, die bspw. durch einen selbstklebenden Film gebildet sein kann, aufgebracht und anschließend wieder abgezogen. Hierbei löst sich die Metallschicht vom Fotolack, nicht jedoch vom Substrat. Schließlich wird der verbleibende Fotolack entfernt.
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Die
DE 40 37 747 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer gedruckten Schaltungsplatte, wobei die Oberfläche eines Substrats der Platte mit einer Metallmaske in Kontakt gebracht wird und anschließend die Schaltung durch Dampfabscheidung auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird. Zur Herstellung der Metallmaske wird eine fotoempfindliche Schicht auf eine Grundplatte aufgebracht, belichtet und entwickelt. Anschließend wird, bspw. stromlos oder elektrolytisch, eine Metallschicht auf die Teile der Oberfläche aufgebracht, von denen die fotoempfindliche Schicht entfernt wurde. Schließlich werden die Grundplatte (die bspw. aus Aluminium bestehen kann) sowie die Reste der fotoempfindlichen Schicht entfernt.
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Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Verfahren dergestalt weiterzubilden, dass unter Vermeidung der zum Stand der Technik beschriebenen Nachteile vor allem auch Kunststoffwerkstücke mit nicht elektrisch leitenden Eigenschaften vor allem auch selektiv bezogen auf die Oberfläche des Kunststoffwerkstückes mit wenigsten einem elektrischen Funktionsteil versehen werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Verfahren, bei dem zum Aufbringen einer metallischen Beschichtung auf das Kunststoffwerkstück folgende Schritte durchgeführt werden:
- - Beschichten der nicht-ebenen, dreidimensionalen Oberfläche des Werkstückes mit einem einem nachfolgenden Beschichtungsprozess standhaltenden, wasserlöslichen Überzug, bei welchem Beschichtungsprozess der Überzug in flüssiger Form appliziert wird,
- - Abtragen des Überzuges in denjenigen Bereichen der Werkstückoberfläche, an denen die metallische Beschichtung ausgebildet werden soll, bis das Material des Werkstückes freigelegt ist, wobei das Abtragen durch Lasern erfolgt,
- - Beschichten der freigelegten Werkstückoberfläche zum Ausbilden wenigstens einer metallischen Schicht im Wege eines oder mehrerer PVD-Beschichtungsprozesse, wobei die metallische Schicht oder ein Bereich derselben das wenigstens eine elektrische Funktionsteil bildet, und
- - Entfernen des Überzuges durch einen Waschprozess.
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Bei diesem Verfahren wird die metallische Beschichtung durch einen physikalischen, vakuumbasierten Gasabscheidungsprozess - einem sogenannten Physical-Vapour-Deposition-Prozess (PVD-Prozess) - auf die Oberfläche des Kunststoffwerkstückes aufgebracht. Dabei macht man sich zunutze, dass mit einem derartigen Beschichtungsprozess metallische Schichten auf der Werkstückoberfläche ausgebildet werden können, wobei sich eine Vielzahl von Metallen und Halbmetallen dazu eignen. Zum Definieren der zu beschichtenden Oberflächenbereiche des Werkstückes wird der diesbezüglich relevante Oberflächenabschnitt des Werkstückes, zumindest soweit dem PVD-Prozess ausgesetzt, oder auch das gesamte Werkstück mit einem Überzug versehen. Dieser ist resistent gegenüber dem vorgenannten Beschichtungsprozess, verbleibt mithin während des Beschichtungsprozesses auf der Oberfläche des Werkstückes. In denjenigen Oberflächenbereichen des Werkstückes, an denen die eine oder die mehreren metallischen Schichten aufgebracht werden sollen, wird vor dem Beschichtungsprozess der Überzug allerdings entfernt, bis das Material des Werkstückes freigelegt ist. Sodann bildet der auf dem Werkstück verbliebene Überzug eine Maske, damit sich an denjenigen Stellen die metallische Schicht in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstückes ausbildet, an denen der Überzug entfernt worden ist. Anschließend wird der PVD-Beschichtungsprozess durchgeführt, der wiederum ein- oder mehrstufig ausgelegt sein kann, um ein oder mehrere auch materialunterschiedliche, auch übereinander liegende Schichten zu erstellen. Für die Abscheidung der Metalle auf der Oberfläche des Kunststoffwerkstückes ist es nicht erforderlich, dass dieses elektrisch leitend ist. Bei diesem Verfahren ist es auch möglich, dass nach einem ersten PVD-Beschichtungsprozess zum Ausbilden einer auch teilweise unterschiedlichen Maskierung für einen nachfolgenden PVD-Beschichtungsprozess ein solcher auch auf andere, zuvor nicht beschichtete Oberflächenbereiche aufgebracht werden kann, wobei anschließend die in dem weiteren PVD-Beschichtungsprozess zu beschichtenden Oberflächenbereiche der Werkstückoberfläche freigelegt werden.
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Die auf diese Weise ausgebildeten metallischen Oberflächenbereiche können verschiedene elektrische Funktionsteile darstellen, wie etwa elektrische Leiter, Elektroden, Dünnschichtsensoren und/oder Widerstandheizleiter.
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Somit lassen sich mit diesem Verfahren auf eine Kunststoffoberfläche auch hinsichtlich ihrer Geometrie derartige elektrische Funktionsteile vor allem auch auf dreidimensionalen Oberflächen ausbilden.
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Von Vorteil bei einem solchen PVD-Beschichtungsprozess ist, dass die metallischen Schichten in einer sehr geringen Stärke aufgebracht werden. Verbunden sein kann dieses auch mit einer besonderen Einstellung der Oberflächenbeschaffenheit.
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Ein derartiges Maskieren durch Applizieren eines Überzuges, anschließendes Abtragen des Überzuges, erfindungsgemäß durch einen Laserprozess, und anschließendes PVD-Beschichten freigelegter Bereiche lässt sich besonders gut an dreidimensionalen Körpern, wie diese für Oberflächen von Kunststoffwerkstücken typisch sind, einsetzen.
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Das Abtragen des Überzuges wird erfindungsgemäß mittels eines oder mehrerer Laser durchgeführt. Mittels eines solchen Laserabtrages kann nicht nur der Überzug mit einer exakten, scharfen Begrenzung zum Freilegen der zu beschichtenden Bereiche des Werkstückes abgetragen werden. Das Abtragen des Überzuges und das Freilegen der zu beschichtenden Oberflächenbereiche kann auch derart durchgeführt werden, dass durch den Abtragungsprozess in die Oberfläche des Werkstückes eine Vertiefung eingebracht wird. Damit ist es möglich, die metallische Schicht vertieft zu den angrenzenden Oberflächenbereichen des Werkstückes anordnen zu können.
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Der Überzug zum Ausbilden der Maskierung, aus dem die zu beschichtenden Oberflächenbereiche des Werkstückes freigelasert werden, ist nicht nur, wie vorbeschrieben, resistent in Bezug auf den durchzuführenden PVD-Beschichtungsprozess, sondern ebenfalls für einen Laservorgang geeignet. Dieses bedeutet, dass sich der Überzug durch ein Laserverfahren verdampfen lässt. Zweckmäßigerweise sind in den Überzug entsprechende Partikel, beispielsweise Graphit oder Ruß eingearbeitet, die die Energie des Lasers absorbieren, in Wärme umsetzen und sodann den Verdampfungsprozess zum Entfernen des Überzuges einleiten. Vorzugsweise weist der Überzug in Bezug auf eine partielle Entfernung desselben mittels eines Lasers solche Eigenschaften auf, dass dieser mit bereits geringerer Laserenergie zum Verdampfen gebracht werden kann, verglichen mit dem Material des Kunststoffwerkstückes. Infolge dessen wird man bemüht sein, hinsichtlich der Verdampfungsfähigkeit einen Überzug zu verwenden, der sich mit deutlich geringerer Energie mittels eines Lasers verdampfen lässt als das darunter liegende Kunststoffmaterial. Somit kann der Überzug an den gewünschten Stellen selektiv entfernt werden, ohne die darunter liegende Kunststoffoberfläche zu beschädigen.
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Dass zum Ausbilden der metallischen Schicht ein PVD-Beschichtungsverfahren eingesetzt wird, hat zudem den Vorteil, dass der zum Ausbilden der Maskierung eingesetzte Überzug auf der Werkstückoberfläche nur mit relativ geringer Bindungskraft anhaften und vor allem keinen nasschemischen Beanspruchungen, wie dieses bei einem Galvanisieren der Fall ist, standhalten muss. Die Bindung an die Oberfläche des Kunststoffwerkstückes braucht lediglich so stark zu sein, dass der Überzug bei dem Beschichtungsverfahren, bei dem das Werkstück für die Zwecke des PVD-Beschichtungsverfahrens in eine Vakuumkammer eingelegt wird, auf der Oberfläche verbleibt und nicht abgesaugt wird. Zudem soll der Überzug vakuumstabil sein, sich mithin keine Bestandteile aus diesem durch das angelegte Vakuum während des Beschichtungsprozesses herauslösen. Diesem Zweck genügt beispielsweise ein auf der Werkstückoberfläche anhaftendes Harz oder Harzgemisch, mithin ein Material, welches ohne weiteres in einem Waschprozess, ohne Verwendung aggressiver Mittel und grundsätzlich auch ohne Verwendung eines Verdünnungsmittels abgewaschen werden kann. Schließlich weisen die nach dem Beschichtungsprozess von dem Überzug zu befreienden Oberflächenbereiche des Werkstückes typischerweise vor dem Ausrüsten desselben mit der metallischen Beschichtung bereits ihre endgültige Ausgestaltung auf, sind beispielsweise glänzend. Der Überzug muss ferner temperaturbeständig sein, um den bei dem Beschichtungsprozess auftretenden Temperaturen standzuhalten. Geeignet ist für die Zwecke des Ausbildens des Überzuges ein durch ein Verdünnungsmittel in flüssig applizierbarem Zustand gehaltenes graphithaltiges Harz oder Harzgemisch. Dabei wird bei diesem Konzept ausgenutzt, dass nach Applizieren dieses durch das Verdünnungsmittel zunächst in flüssiger Form gehaltenen Überzuges das Verdünnungsmittel verdampft und sodann das Harz bzw. Harzgemisch an der Oberfläche des Werkstückes anhaftet. Das Applizieren in flüssiger Form erlaubt ein sehr gleichmäßiges Beschichten der Werkstückoberfläche, beispielsweise mittels eines Sprühprozesses.
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Die Struktur einer solchen durch den PVD-Prozess gebildeten metallischen Schicht begünstigt das Entfernen des Überzuges mittels eines Waschprozesses. Bei dem Vorgang des Abscheidens des Metalls auf der Werkstückoberfläche bildet sich dieses als dendritisches Gemenge aus mit der Folge, dass es sich bei dieser Schicht letztendlich nicht um eine durchgängige, undurchlässige Schicht handelt. Vielmehr wird bei diesem Verfahren der verbliebene Porenraum genutzt, damit die Waschflüssigkeit an den Überzug gelangen kann. Dieses und die typischerweise sehr geringe Schichtdicke des metallischen Überzuges gewährleisten, dass sich eine sehr exakte, sich scharf abbildende Randausgestaltung der beschichteten Oberflächenbereiche gegenüber den angrenzenden, nicht beschichteten Oberflächenbereichen des Werkstückes ausbildet.
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In vielen Fällen wird man die Oberfläche des Kunststoffwerkstückes mit seiner auch selektiv ausgeführten metallischen Beschichtung mit einem transparenten oder transluzenten Schutzüberzug, beispielsweise in Form eines Lackes, ausrüsten. Ein solcher Schutzüberzug kann farblos sein oder auch eine gewisse Färbung aufweisen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. 1a - 1e zeigen in einer Abfolge schematisiert anhand eines im Schnitt dargestellten Kunststoffwerkstückteils 1 ein Verfahren zum Ausrüsten desselben mit einer selektiven metallischen Beschichtung B, das heißt: Einer metallischen Beschichtung B, die sich nicht über die gesamte Oberfläche des Kunststoffwerkstückes 1 erstreckt. Die zu beschichtende Oberfläche 2 des Kunststoffwerkstückes 1 stellt die Sicht- bzw. Benutzungsseite des Werkstückes 1 dar. Die Oberfläche 2 des Werkstückes 1 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel glänzend. Das Werkstück 1 ist aus einem Kunststoff, der den Temperaturen eines PVD-Beschichtungsverfahrens Stand hält.
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1a zeigt das Werkstück 1 mit seiner selektiv metallisch zu beschichtenden Oberfläche 2.
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Zum Ausrüsten des Werkstückes 1 mit einer selektiven metallischen Beschichtung B, wird das Werkstück 1 in einem ersten Schritt an seiner Oberfläche 2 mit einem Überzug 3 versehen. Ein vollständiges Überziehen des Werkstückes 1 mit dem Überzug 3 ist möglich aber grundsätzlich nicht erforderlich, da für die nachfolgenden Vorgang des PVD-Beschichtens üblicherweise Masken eingesetzt werden, damit nur die den Überzug 3 aufweisende Seite des Werkstückes 1 dem eigentlichen Beschichtungsprozess unterworfen ist. Bei dem in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigten Überzug 3 handelt es sich um ein graphithaltiges Harzgemisch. Dieses ist unter Verwendung eines Verdünnungsmittels in flüssiger Form, beispielsweise durch einen Sprühvorgang auf das Werkstück 1 aufgebracht worden. Nach Verdampfen des Verdünnungsmittels bleibt der Überzug 3 zurück, der mittels seiner Harzbestandteile an der Oberfläche 2 des Werkstücks 1 anhaftet. Der Überzug 3 ist graphithaltig, um den Temperaturbeanspruchungen standzuhalten. 1 b zeigt das Werkstück 1 mit dem vorbeschriebenen Überzug 3.
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In einem nachfolgenden Schritt wird durch Lasern der Überzug 3 in denjenigen Bereichen des Werkstückes 1 entfernt, in denen die metallische Beschichtung ausgebildet werden soll. Der Prozess zum Abtragen des Überzuges 3 B in diesen Bereichen wird durch Lasern durchgeführt. Dabei ist der Laser dergestalt eingestellt, dass ausschließlich das Material des Überzuges 3 zum Verdampfen gebracht wird und nicht das darunter befindliche Werkstück 1. Insofern lässt sich der Überzug 3 bereits mit einer deutlich geringeren Energie verdampfen als das Material des Werkstückes 1.
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Im Wege eines PVD-Beschichtungsprozesses, wobei es sich versteht, dass je nach Anforderung einer der unter dieser Gruppe der Beschichtungsprozesse möglichen Beschichtungsprozesse eingesetzt wird, wird an den zuvor freigelegten Oberflächenbereichen die gewünschte metallische Schicht B abgelagert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Beschichtungsprozess im Wege einer Kathodenzerstäubung durchgeführt.
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Das Ergebnis des Beschichtungsprozesses ist schematisiert in 1d gezeigt. Die Beschichtung B lagert sich in den freigelegten Bereichen der Oberfläche 2 des Werkstückes 1 ab. Durch entsprechende Steuerung des Beschichtungsprozesses lässt sich die Schichtdicke einstellen.
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In einem sich an den PVD-Beschichtungsprozess anschließenden Waschprozess wird der am Werkstück 1 anhaftende Überzug 3 von dem Werkstück 1 entfernt. Abgewaschen wird der Harzgemischüberzug 3 mit Wasser, dem gegebenenfalls ein Verdünnungsmittel beigemischt sein kann.
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Von besonderem Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist, dass die aufzutragenden Schichtdicken sehr gering sein können, beispielsweise 50 bis 300 nm, oder auch im Mikrometerbereich liegen können. Es versteht sich, dass dann auch zum bündigen Anschließen einer solchen metallischen Schicht an die benachbarten Oberflächenbereiche bereits bei geringstem Materialabtrag das Ausbilden einer Vertiefung, wie vorbeschrieben, möglich ist. Die geringe Schichtdicke der metallischen Schichten macht sich auch ohne Vorsehen einer Vertiefung makroskopisch auf der Oberfläche 2 des Werkstückes 1 nicht bemerkbar.
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In einem nachgeschalteten Schritt wird zum Schutze der Oberfläche 2 einschließlich seiner metallischen Beschichtungen B des Kunststoffwerkstückes 1 diese mit einem durchsichtigen Schutzlack 4 überzogen.
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Aus der schematisierten Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren wird deutlich, dass sich auf diese Weise auf quasi beliebig konturierten Oberflächen metallische Beschichtungen in einer sehr einheitlichen Schichtdicke in quasi beliebiger Geometrie aufbringen lassen. Besonders bemerkenswert ist, dass diese metallischen Schichten durch entsprechende Auswahl des Beschichtungsmetalls zudem elektrische Funktionalitäten aufweisen können. Somit lassen sich beispielsweise ohne weiteres auf einer Kunststoffoberfläche beispielsweise Elektroden, etwa zur Ausbildung eines berührungssensitiven Schalters oder eines Näherungsschalters, ausbilden. Die elektrischen Anschlussleiter lassen sich in gleicher Weise als metallischer Überzug erstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- Oberfläche
- 3
- Überzug
- 4
- Schutzlack
- B
- metallische Beschichtung
