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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schicht durch elektrochemisches Beschichten auf einem Bauteil mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche. Auf diesem Bauteil wird für das elektrochemische Beschichten eine Startlage erzeugt und auf dieser bei dem elektrochemischen Beschichten anschließend eine Decklage aufgetragen.
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Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in der
US 2011/0083885 A1 beschrieben. Um einen Körper aus einem elektrischen Isolierstoff beschichten zu können, wird in diesem Dokument vorgeschlagen, dass vor einem chemischen Prozess zur Abscheidung von Nickel ein Aktivierungsprozess für die elektrisch isolierende Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks durchgeführt wird. Dieser Aktivierungsprozess besteht darin, dass Palladiumpartikel auf der zu beschichtenden Oberfläche adsorbiert werden. Diese dienen anschließend für ein chemisches Beschichten mit Nickel. Die Nickelschicht kann dann als Startschicht für ein elektrochemisches Beschichten beispielsweise mit Kupfer dienen.
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Das Adsorbieren von Palladiumpartikeln in der beschriebenen Weise ist für kleinere Bauteile wie Leiterplatten gut geeignet. Allerdings wird dieses Verfahren sehr aufwendig, wenn größere Bauteile beschichtet werden sollen. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, dass es auch zur Beschichtung von großen Bauteilen, wie z. B. Formteilen, geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Startlage ein metallisches Gitter oder eine metallische Folie auf das Bauteil aufgebracht und stoffschlüssig verbunden wird. Der Vorteil metallischer Gitter oder Folien ist, dass diese flexibel sind und daher der Form von großen Bauteilen folgen können. Bevorzugt sind diese Folien oder Gitter aus Eisen, Nickel oder Kupfer gefertigt. Die metallischen Folien oder metallischen Gitter können als Halbzeuge kostengünstig beschafft werden und dann großflächig auf das zu beschichtende Bauteil aufgebracht werden. Hiermit ist vorteilhaft ein geringerer Aufwand verbunden, als wenn eine Startschicht mit Hilfe von Partikeln aus Palladium hergestellt wird.
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Mögliche Alternativen für die Herstellung der Schicht sind, dass die Startlage aus der metallischen Folie besteht und diese vor oder nach der Aufbringen auf das Bauteil mit der Decklage beschichtet wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das metallische Gitter oder die metallische Folie mit einem Klebstoff stoffschlüssig verbunden wird. Hierdurch gelingt eine zuverlässige Anbindung an das zu beschichtende Bauteil, so dass die anschließend auf chemischem oder elektrochemischem Wege hergestellte Schicht gut auf dem Bauteil haftet. Als Kleber kann beispielsweise ein Kunstharz zum Einsatz kommen, welches zum Ausbilden der Klebeverbindung aushärtet.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird ein metallisches Gitter verwendet, welches mit einer Metallpaste stoffschlüssig mit dem Bauteil verbunden wird. Dabei kann die Metallpaste vorteilhaft in die Zwischenräume des Gitters eingestrichen werden, wenn das Gitter auf der Oberfläche des Bauteils aufliegt. Zwecks einer vorläufigen Fixierung kann das Gitter zusätzlich mit einem Klebstoff versehen sein. Spätestens durch Auftragen der Metallpaste wird das Gitter jedoch zuverlässig auf dem zu beschichtenden Bauteil fixiert. Vorteilhaft ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung, dass das Gitter nicht nur als metallische Grundlage für ein elektrochemisches Beschichten dient, sondern gleichzeitig als Abstandhalter dient, so dass die Metallpaste in gleichmäßiger Dicke aufgetragen wird. Dabei kann die Verteilung der Metallpaste großflächig durch vergleichsweise einfache Handhabungsschritte, beispielsweise mittels einer Rakel oder eines Spachtels, aufgetragen werden, was diesen Fertigungsschritt bedeutend vereinfacht. Gleichzeitig wird es möglich, ein Gitter mit verhältnismäßig großer Maschenweite zu verwenden. Der Vorteil einer großen Maschenweite liegt darin, dass das Gitter flexibler bleibt und daher besser an die Kontur des zu beschichtenden Bauteils angepasst werden kann. Hierbei können die Maschenweiten lokal verändert werden, indem das Gitter in Vertiefungen hineingedrückt oder über Erhebungen der Bauteilfläche gespannt wird, wobei die beschriebene Eigenschaft des Gitter, als Abstandhalter zu fungieren, erhalten bleibt.
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Mit vergleichsweise großer Maschenweite ist im Sinne dieser Erfindung eine Maschenweite gemeint, die an sich nicht mehr ausreichen würde, um eine zuverlässige Beschichtung des Bauteils auf elektrochemischem Wege zu gewährleisten. Allerdings wird dieses Problem dadurch behoben, dass die Metallpaste zusätzliche metallische Partikel zur Verfügung stellt, welche die Lücken in dem Gitter durch Einstreichen in die Zwischenräume des Gitters ausfüllt. Auf diesem Wege ist eine zuverlässige elektrochemische Beschichtung sichergestellt.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Metallpaste oder der Klebstoff ein Kunstharz enthalten, welches nach dem Aufbringen des Gitters oder der Folie aushärtet. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Startlage zuverlässig auf dem Bauteil haftet und gleichzeitig eine genügende Stabilität erlangt, um die anschließend auf elektrochemischem Wege hergestellte Decklage zu tragen. Insbesondere, wenn das zu beschichtende Bauteil selbst auch aus einem Kunstharz besteht, ist hierdurch eine besonders zuverlässige Verbindung der Lagen erreichbar. Wenn das Bauteil selbst ein Material auf Kunstharzbasis aufweist, z. B. ein faserverstärkter Kunststoff ist, kann die Folie oder das metallische Gitter vorteilhaft auch während der Fertigung des Bauteils vor dem Aushärten der obersten Kunstharzlage auf dieses aufgelegt werden. Die gesonderte Verwendung eines Klebstoffs ist dann nicht notwendig, weil das Material des herzustellenden Bauteils aufgrund seiner Eigenschaften im noch nicht ausgehärteten Zustand als Klebstoff verwendet werden kann. Bei der Verwendung von Metallfolien und Metallgittern bei Kunststoffbauteilen ist als zusätzlicher Vorteil zu nennen, dass diese zusätzlich eine mechanisch versteifende Wirkung erzielen. Dies kann konstruktiv bei der Auslegung dieser Bauteile berücksichtigt werden.
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Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Startlage vor dem elektrochemischen Beschichten angeschliffen oder angelöst wird. Dabei werden metallische Anteile der Startlage freigelegt, die vorher keinen Anteil an der elektrochemisch zu beschichtenden Oberfläche gehabt haben. Hierdurch wird das elektrochemische Beschichten vereinfacht, auch wenn bereits vor dem Anschleifen oder Anlösen des oberflächennahen Materials der Startlage metallische Komponenten an der Oberfläche freigelegen haben können.
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Das Anschleifen kann mit einem Schleifmittel wie Sandpapier oder auch durch Sandstrahlen erfolgen. Das Sandstrahlen ist insbesondere bei großflächigen Bauteilen eine vorteilhaft besonders kostengünstige Variante. Ein Anlösen kann mit Lösungsmitteln erfolgen, die das Matrixmaterial der Startlage zu lösen vermögen. Durch einen anschließenden Waschprozess kann das angelöste Material entfernt werden, wodurch die metallischen Anteile der Startlage freigelegt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn auf der Startlage elektrochemisch eine die Haftung vermindernde Oberfläche zur Verfügung stellende Decklage hergestellt wird. Diese Decklage weist eine metallische Matrix auf, in der Partikel aus einem Kunststoff eingelagert sind, die zumindest einen Teil der Oberfläche der Decklage bilden. Dieser Kunststoff kann bevorzugt PTFE (Teflon) sein. Die metallische Matrix kann bevorzugt durch Nickel ausgebildet werden. Sowohl Nickel als auch PTFE und insbesondere ein Oberfläche, die Flächenanteile beider Komponenten zur Verfügung stellt, ist schwer benetzbar und insbesondere für die Auskleidung von Formwerkzeugen geeignet. Insbesondere Bauteile aus Kunstharz können aus derart beschichteten Formen gut ausgelöst werden, so dass im günstigsten Falle sogar auf die Verwendung von Trennmitteln in der Form verzichtet werden kann.
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Die eingelagerten Partikel aus Kunststoff können gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung einer Wärmebehandlung unterworfen werden, indem die Oberfläche der Decklage mit Wärme beaufschlagt wird, bis zumindest die Partikel aus Kunststoff an der Oberfläche angeschmolzen werden. Hierbei vergrößert sich der Oberflächenanteil des Kunststoffs im Verhältnis zum metallischen Oberflächenanteil (durch metallische Matrix zur Verfügung gestellt), was die haftungsvermindernden Eigenschaften der Oberfläche noch verbessert. Insbesondere, wenn großflächige Bauteile mit der Decklage versehen werden, kann die Wärmebehandlung durch eine Heißluftbehandlung sichergestellt werden. Hierbei wird beispielsweise eine Heißluftdüse über die Oberfläche bewegt, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit langsam genug gewählt wird, damit es zu einem Anschmelzen der oberflächennahen Kunststoffpartikel kommt.
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Wie bereits erwähnt, ist die Beschichtung von Formwerkzeugen mit der erfindungsgemäßen Schicht besonders vorteilhaft. Auf diesem Weg lassen sich Formoberflächen erzeugen, die haftungsvermindernde Eigenschaften haben und das Entformen der hergestellten Bauteile damit erleichtern. Das Formwerkzeug kann beispielsweise für die Flügel von Windkraftwerken zur Verfügung gestellt werden. Diese Formen weisen beträchtliche Längen auf, da die Flügel der Windkraftanlagen in einem Stück gefertigt werden und eine Länge von bis zu 75 m aufweisen können. Gleichzeitig sind die Flügel von Windkraftanlagen im Wesentlichen nur in einer Richtung gekrümmt, so dass sich Folien oder Gitter leicht in die Form einlegen lassen. Die Herstellung einer haftungsvermindernden Innenoberfläche einer solchen Form wird auf diesem Wege sehr erleichtert.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 bis 3 ausgewählte Fertigungsschritte aus einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittdarstellungen,
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4 eine alternative Ausgestaltung des Fertigungsschritts gemäß 1 nach einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schnitt und
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5 und 6 ausgewählte Fertigungsschritte eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in dreidimensionaler Darstellung.
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Gemäß 1 wird ein Bauteil 11 mit einer Startlage 12 versehen, die das Bauteil 11 aus faserverstärktem Epoxidharz (nicht näher dargestellt) in den Stand versetzt in nachfolgenden Schritten elektrochemisch beschichtet zu werden. Auf die Oberfläche des Bauteils 11 wird daher ein Gitter 13 gelegt, welches aus Drähten 14 besteht. Dieses Gitter 13 kann beispielsweise auf das Bauteil 11 aus Epoxidharz aufgebracht werden, bevor dieses aushärtet, so dass die Drähte 14 mit der Oberfläche des Bauteils 11 verkleben. Alternativ kann das Gitter 13 auch auf das ausgehärtete Bauteil 11 aufgelegt werden.
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In einem nächsten Fertigungsschritt wird eine Metallpaste 15 mittels einer Rakel 16 auf die Oberfläche des Bauteils 11 aufgebracht. Die Metallpaste 15, die aus Metallpartikeln 17 und einem Binder 18 aus Kunstharz besteht, wird dabei in die Zwischenräume des Gitters 13 eingestrichen, wobei das Gitter 13 gleichzeitig als Abstandhalter dient und so die Dicke der Startlage 12 bestimmt. Anschließend härtet die Startlage 12 aus.
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Der 2 lässt sich entnehmen, wie die ausgehärtete Startlage oberflächenbehandelt wird. Hierzu wird eine Sandstrahldüse 19 auf die Oberfläche der Startlage gerichtet und durch den erzeugten Sandstrahl 20 ein Stück weit abgetragen. Zu erkennen ist, dass hierdurch der Draht 14 sowie die an der Oberfläche liegenden Metallpartikel 17 angeschliffen werden und so einen Teil der zu beschichtenden Oberfläche bilden. Auch vor dem Sandstrahlen haben Teile der metallischen Komponenten (Metallpartikel 17, Draht 14) schon freigelegen, jedoch wird durch das Sandstrahlen dieser Anteil vergrößert.
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In 3 wurde das Bauteil 11 mit einer Decklage 21 versehen, welche sich auf der Startlage 12 befindet. Diese beiden Lagen ergeben zusammen die zu erzeugende Schicht 22. Zu erkennen ist, dass die Decklage 21 eine Matrix 23 aufweist, die metallisch ist (elektrochemisch hergestellt wurde) und Partikel 24 aus PTFE enthält. Diese Partikel ragen teilweise aus der Schichtoberfläche 25 heraus. Der Zustand direkt nach dem elektrochemischen Beschichten ist in 3 links einer Bruchlinie 26 dargestellt. Rechts der Bruchlinie 26 ist der Zustand nach einer Wärmebehandlung dargestellt. Die Wärmebehandlung hat die Decklage 21 zumindest oberflächennah so stark erwärmt, dass die die Oberfläche durchtretenden Partikel 24a geschmolzen sind. Hierdurch wurden sie abgeflacht und überdecken nun einen größeren Flächenanteil der Oberfläche 25. Je nach Dichte der Partikel 24 kann sich hierbei sogar eine geschlossene Oberfläche aus PTFE ausbilden. Sollte diese nach fortschreitendem Verschleiß der Form abgetragen werden, steht unterhalb der PTFE Partikel der metallische Matrixwerkstoff zur Verfügung. Bevorzugt wird als Werkstoff Nickel gewählt, weil Nickel ebenfalls hervorragende Oberflächeneigenschaften aufweist und daher als Oberfläche für die Schicht in Frage kommt. Außerdem werden die in der Matrix 23 unterhalb der Oberfläche 25 verteilten Partikel 24 freigelegt, die dann ebenfalls Oberflächenanteile aus PTFE zur Verfügung stellen. Durch eine später nachfolgende Wärmebehandlung kann auch mit den so freigelegten Partikeln 24 wieder eine vergrößerte Oberfläche an PTFE zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß 4 wurde als Startlage 12 eine Metallfolie 27 verwendet. Diese wurde mittels einer Schicht aus Klebstoff 28 auf dem Bauteil 11 fixiert. Die Metallfolie 27 stellt für den nachfolgenden elektrochemischen Beschichtungsvorgang, der gemäß 3 erfolgen kann, eine geschlossene metallische Oberfläche zur Verfügung. Alternativ kann der Beschichtungsvorgang auch vor dem Aufkleben der Folie erfolgen (nicht dargestellt). In diesem Falle wird auf der Folie 27 eine Decklage 21, wie in 3 dargestellt, elektrochemisch erzeugt und die Folie anschließend auf das Substrat aufgeklebt. Auch eine Wärmebehandlung der beschichteten Folie kann vorher erfolgen.
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Statt eine Klebeschicht 28 vorzusehen, die bevorzugt aus einem Kunstharz bestehen kann, kann die Metallfolie 27 auch vor dem endgültigen Aushärten des Bauteils 11 (wenn dieses aus Kunstharz besteht) aufgelegt werden. Diese Variante des Verfahrens gewährleistet, dass sich während des Aushärtungsprozesses des Bauteils 11 eine zuverlässige Verbindung zur Folie 27 ausbildet.
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In 5 ist als Bauteil 11 eine Form für den Flügel einer Windkraftanlage zu sehen. Diese bildet lediglich eine Formhälfte, die durch eine komplementäre Formhälfte ergänzt wird (nicht dargestellt). Zu erkennen ist in dem Bauteil 11 eine Vertiefung 29, in der der Flügel später hergestellt wird. In 6 sind unterschiedliche Fertigungsschritte auf einmal dargestellt, die eigentlich nacheinander durchgeführt werden. Zunächst ist zu erkennen, wie ein Gitter 13a in die Vertiefung 29 eingelegt werden kann. Dabei muss das Gitter im Wesentlichen nur eindimensional gekrümmt werden, um dem Profil des herzustellenden Flügels zu folgen, welches in der Vertiefung 29 abgebildet ist.
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Weiter ist zu erkennen, dass ein Gitter 13b, welches bereits eingelegt wurde, mittels der Rakel 16 in der in 1 dargestellten Weise mit der Metallpaste 15 ausgefüllt werden kann, wodurch die Startlage 12 entsteht.
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Die Startlage 12 ist ohne die gemäß 2 dargestellten Details in 6 dargestellt. Auch hier wird das Bauteil 11 durch die Form gemäß 5 gebildet, wobei die Startlage 12 bereits ausgehärtet ist. Um die Oberfläche entsprechend dem Verfahren gemäß 2 zu aktivieren, wird mittels der Sandstrahldüse 19 ein Sandstrahl 20 auf die Oberfläche gerichtet.
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Ein Fertigungsschritt, wie zu 3 beschrieben, um die oberflächennahen Partikel 24a aufzuschmelzen, würde entsprechend 6 ausgebildet sein. Hierbei käme eine Heißluftdüse zum Einsatz, die in gleicher Weise wie die Sandstrahldüse 19 geführt werden würde. Statt der Startlage 12 befindet sich in dem Bauteil 11 dann bereits die vollständige Schicht 22.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0083885 A1 [0002]
