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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundmaterials umfassend mindestens ein metallisches Substrat und mindestens eine Kunststoffschicht und eine Vorrichtung zur Herstellen eines Schichtverbundmaterials umfassend mindestens ein metallisches Substrat und mindestens eine Kunststoffschicht. Zudem betrifft die Erfindung ein Schichtverbundmaterial umfassend mindestens ein metallisches Substrat, mindestens eine Kunststoffschicht und mindestens eine dazwischen angeordnete Haftvermittlerschicht.
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Die Verwendung von gattungsgemäßen Schichtverbundmaterialien, wie beispielsweise Sandwichblechen, welche zwischen zwei metallischen dünnen Deckschichten eine thermoplastische Kunststoffschicht aufweisen, ist bei der Realisierung von Leichtbaukonzepten im Kraftfahrzeugbereich vorteilhaft. Unter Verwendung dieser Schichtverbundmaterialien können die Gewichtseinsparungspotentiale im Kraftfahrzeugbau weiter vergrößert werden. Zudem können Schichtverbundmaterialien verschiedene vorteilhafte, sich häufig ausschließende Eigenschaften bereitstellen. So weisen gattungsgemäße Schichtverbundmaterialien aufgrund der Kunststoffschicht ein deutlich geringeres Gewicht als Vollbleche auf und stellen gleichzeitig hohe Festigkeitswerte zur Verfügung. Darüber hinaus können die Schichtverbundmaterialien schalldämpfend sein und eine hohe Steifigkeit bieten.
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Zur Verbindung der Kunststoffschicht mit den metallischen Substraten kann eine Haftvermittlerschicht zwischen metallischen Substrat und Kunststoffschicht vorgesehen werden. Die Haftvermittlerschicht wird etwa unter Verwendung von nasschemischen Verfahren, wie etwa Walzbeschichten, Sprühen oder Tauchbeschichten auf die metallischen Bänder aufgetragen.
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Allerdings kann es erforderlich sein, dass die Schichtverbundmaterialen in Abhängigkeit von kundenspezifischen Erfordernissen Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften ausweisen sollen. Dies kann notwendig sein, da unterschiedliche Bereiche unterschiedlichen Anforderungen ausgesetzt sein können. Beispielsweise können bestimmte Bereiche höheren Umformgraden ausgesetzt sein als andere. Bei einem Einsatz der Schichtverbundmaterialien als Karosserieelemente können ebenfalls Bereiche wünschenswert sein, welche im Falle eines Unfalles bestimmte Eigenschaften haben oder ein bestimmtes Verhalten zeigen. Grundsätzlich wäre denkbar, dies mittels etwa entsprechend maßgeschneiderten Deckschichten oder Kunststoffschichten zu erreichen. Dies führt jedoch zu aufwendigen Herstellungsverfahren.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Schichtverbundmaterial anzugeben, wobei auf einfache und prozesssichere Weise eine an den jeweiligen Einsatzzweck maßgeschneiderte Anpassung von Eigenschaften des Schichtverbundmaterials erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Verfahren die Schritte umfasst:
- – Bereitstellen des metallischen Substrats und der Kunststoffschicht,
- – Auftragen einer Haftvermittlerschicht entlang einer Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht mittels Plasmabeschichtens durch eine Plasmabeschichtungsanlage, wobei zur Erzeugung der Haftvermittlerschicht die Plasmabeschichtungsanlage während des Plasmabeschichtens derart angesteuert wird, dass zumindest bereichsweise ein gezieltes Profil der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht eingestellt wird und
- – Verbinden der Kunststoffschicht mit der die Haftvermittlerschicht aufweisenden Oberfläche des metallischen Substrats und/oder Verbinden des metallischen Substrats mit der die Haftvermittlerschicht aufweisenden Oberfläche der Kunststoffschicht zur Herstellung des Verbundmaterials.
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Durch das Auftragen der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht mittels Plasmabeschichtens wird zunächst erreicht, dass sehr hohe Hafteigenschaften zwischen den einzelnen Schichten des Schichtverbundmaterials erreicht werden können. Derartige Hafteigenschaften konnten bisher mit konventionellen Haftvermittlerschichten, beispielsweise durch nasschemische Verfahren, wie etwa Walzbeschichten, Sprühen oder Tauchbeschichten aufgetragen, nicht erreicht werden.
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Gleichzeitig wird durch die Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage während des Plasmabeschichtens erreicht, dass eine präzise Beeinflussung der Erzeugung der Haftvermittlerschicht während des Beschichtens erreicht werden kann. Dies führt dazu, dass ein gezielt eingestelltes Profil der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht erreicht wird, was mit bisherigen Verfahren nicht möglich war. Beispielsweise können auch erst während des Beschichtens auftretende Abweichungen (im Falle von Metallbändern beispielsweise eine Änderung der Bandlaufgeschwindigkeit) berücksichtigt werden.
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Unter Einstellen eines gezielten Profils der Haftvermittlerschicht wird insbesondere verstanden, dass die Eigenschaften der Haftvermittlerschicht (beispielsweise die Dicke der Haftvermittlerschicht, die Dichte der Haftvermittlerschicht, die Zusammensetzung der Haftvermittlerschicht, die Oberflächenstruktur der Haftvermittlerschicht etc.) entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht gezielt eingestellt werden. Hierdurch kann die daraus resultierende Haftfestigkeit lokal präzise und ressourceneffizient eingestellt werden.
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Das Einstellen des gezielten Profils der Haftvermittlerschicht kann beispielsweise auf Vorgaben für bestimmte Eigenschaften der Haftvermittlerschicht beruhen. Ebenfalls ist denkbar, dass Vorgaben für die der Haftfestigkeit gemacht werden, auf dessen Basis die Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage erfolgt.
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Die Beschichtung entlang der Oberfläche kann beispielsweise durch eine relative Bewegung des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht und der Plasmabeschichtungsanlage erreicht werden.
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Das Schichtverbundmaterial kann auch mehr als ein metallisches Substrat und/oder mehr als eine Kunststoffschicht aufweisen. Insofern ist das metallische Substrat als mindestens ein metallisches Substrat zu verstehen. Das Schichtverbundmaterial ist beispielsweise ein Sandwichblech, welches zwei metallische Deckschichten als metallische Substrate und eine dazwischen angeordnete beispielsweise thermoplastische Kunststoffschicht aufweist.
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Ebenfalls kann mehr als eine Plasmabeschichtungsanlage vorgesehen sein. Insofern ist die Plasmabeschichtungsanlage als mindestens eine Plasmabeschichtungsanlage zu verstehen. Beispielsweise ist jeweils eine Plasmabeschichtungsanlage pro metallisches Substrat und/oder Kunststoffschicht vorgesehen.
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Das metallische Substrat ist beispielsweise eine Platine oder bandförmig ausgebildet, beispielsweise ein Metallband. Ein Band kann beispielsweise durch ein Coil, von dem es abgewickelt wird, bereitgestellt werden. Beispielsweise erfolgt die Beschichtung des Bandes in-line mit dem Schritt des Verbindens der einzelnen Schichten, beispielsweise in einer Laminieranlage.
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Das metallische Substrat ist beispielsweise ein unbeschichtetes oder beschichtetes Substrat. Beispielsweise besteht das metallische Substrat aus Stahl, insbesondere Edelstahl, Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Magnesium, einer Magnesiumlegierung, Zink, Kupfer, Titan, oder Kombinationen hiervon. Ein beschichtetes metallisches Substrat kann zink-beschichtet, zinkmagnesium-beschichtet, chrom-beschichtet oder auf Aluminiumbasis beschichtet sein. Beispielsweise ist das metallische Substrat elektrolytisch verzinkt, elektrolytisch verchromt oder auf einer Zinkbasis oder Aluminiumbasis schmelztauchbeschichtet.
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Die Kunststoffschicht ist beispielsweise ein Polymer, bevorzugt ein thermoplastisches Polymer.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das gezielte Profil der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht ein entlang der Oberfläche gezielt gleichmäßiges oder gezielt variierendes Profil.
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Ist ein entlang der Oberfläche gezielt gleichmäßiges Profil der Haftvermittlerschicht vorgesehen, kann eine Steigerung der Ressourceneffizienz erreicht werden. Beispielsweise kann durch die Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage während des Plasmabeschichtens eine Anpassung der Beschichtung an die Bandgeschwindigkeit erreicht werden, sodass Ressourcen, wie Präkursormaterial, optimal eingesetzt werden.
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Ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ein entlang der Oberfläche gezielt variierendes Profil der Haftvermittlerschicht vorgesehen, können absichtlich inhomogene Haftfestigkeiten präzise eingestellt werden. Beispielsweise können Bereiche des Schichtverbundmaterials, welche (später) einer erhöhten Umformung ausgesetzt sind, mit einer erhöhten Haftfestigkeit versehen werden, um ein Ablösen der einzelnen Schichten zu vermeiden. Beispielsweise können Bereiche eines als Karosserieelement eingesetzten Schichtverbundmaterials, welche im Falle eines Crashs gezielt delaminieren sollen, selektiv mit einer verringerten Haftfestigkeit versehen werden. Durch die Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage können auch in diesem Fall während der Beschichtung auftretende Änderungen, wie eine Änderung der Bandgeschwindigkeit, berücksichtigt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Plasmabeschichtungsanlage mehrere Plasmamodule und das Ansteuern der Plasmabeschichtungsanlage umfasst ein zumindest teilweise getrenntes Ansteuern der Plasmamodule. Hierdurch wird eine Möglichkeit, um insbesondere ein gezielt variierendes Profil der Haftvermittlerschicht zu erreichen, bereitgestellt. Die erforderliche örtliche Präzision beim Auftragen der Haftvermittlerschicht kann beispielsweise durch die Anordnung und die Anzahl der Plasmamodule erreicht werden. Je nach Anforderungen kann die Anordnung aufgrund der einzelnen Module flexibel geändert, erweitert oder reduziert werden. Mehrere Plasmamodule können zum Beispiel zwei Plasmamodule, drei Plasmamodule, vier Plasmamodule etc. sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die mehreren Plasmamodule entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht zueinander benachbart, insbesondere matrixartig, angeordnet. Hierdurch können auch komplexe Profile der Haftvermittlerschicht durch eine vergleichsweise einfache Anordnung der einzelnen Plasmamodule der Plasmabeschichtungsanlage erreicht werden. Beispielsweise können zwei oder mehr Plasmamodule benachbart angeordnet werden. Beispielsweise können zwei oder mehr Plasmamodule in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet werden und/oder zwei oder mehr Plasmamodule in einer zweiten Richtung (beispielsweise quer zur ersten Richtung) nebeneinander angeordnet werden. Beispielsweise werden die Plasmamodule matrixförmig in einer 2×1-Matrix, 1×2-Matrix, 2×2-Matrix etc. angeordnet. Ist das metallische Substrat und/oder die Kunststoffschicht beispielsweise länglich ausgebildet, können die Plasmamodule in Längsrichtung gesehen beispielsweise hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt das Ansteuern der Plasmabeschichtungsanlage eine Änderung der relativen Position zumindest eines Teils der Plasmabeschichtungsanlage, insbesondere eines oder mehrerer Plasmamodule, zum metallischen Substrat und/oder zur Kunststoffschicht.
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Hierdurch wird eine Möglichkeit, um insbesondere ein gezielt variierendes Profil der Haftvermittlerschicht zu erreichen, bereitgestellt, auch ohne Prozessparameter der Plasmabeschichtungsanlage oder einzelner Plasmamodule ändern zu müssen. Stattdessen kann die Plasmabeschichtungsanlage oder ein Teil hiervon, etwa ein Plasmamodul, während des Beschichtens verfahren werden. Grundsätzlich ist diese Ausgestaltung jedoch auch in Kombination mit anderen Ausgestaltungen der Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage zur Einstellung eines gezielten Profils möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Plasmabeschichten einen oder mehrere der Schritte:
- – Bereitstellen eines Prozessgases,
- – Erzeugen eines Plasmas,
- – Einspeisen eines Präkursors zur Erzeugung der Haftvermittlerschicht in das Plasma oder das Plasmanachglühen und
- – zumindest teilweises Abscheiden einer plasmapolymerisierten Haftvermittlerschicht auf dem metallischen Substrat und/oder der Kunststoffschicht.
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Es hat sich gezeigt, dass bei einem derartigen Plasmabeschichten eine effiziente und präzise Einstellung der Haftfestigkeit über die Haftvermittlerschicht möglich ist. Vorzugsweise erfolgt das Plasmabeschichten unter Atmosphärendruck. Dadurch kann das Plasmabeschichten vergleichsweise einfach realisiert werden, da keine Vakuumkammer oder Druckkammer vorgesehen sein muss. Das Plasma kann beispielsweise zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode erzeugt werden. Dabei kann das metallische Substrat vorteilhaft ebenfalls eine der Elektroden darstellen. Die Dicke der Haftvermittlerschicht kann beispielsweise zwischen 2 und 50 nm betragen bzw. zwischen diesen Werten variieren, was zu einer verlässlichen Haftfestigkeit und einer ausreichenden Freiheit bei der Einstellung der Haftfestigkeit führt.
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Der Präkursor kann beispielsweise pulverförmig, flüssig oder gasförmig sein. Beispielsweise kann ein flüssiger Präkursor zerstäubt werden und mit einem Trägergas als Aerosol eingespeist werden. Der Präkursor umfasst beispielsweise eine organische Säure, insbesondere eine organische Carbonsäure, vorzugsweise Acrylsäure oder Methacrylsäure. Der Präkursor kann beispielsweise Allylamin, Allylmethacrylate, Hydroxyethylacrylat, (3-aminopropyl)triethoxysilan und/oder (3-glycidoxypropyl)trimethoxysilan umfassen.
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Das Prozessgas umfasst beispielsweise N2, CO2, Ar und/oder He. Weiterhin kann das Prozessgas Wasserstoff als reaktives Gas (beispielsweise max. 5%) umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt das Ansteuern der Plasmabeschichtungsanlage eine Änderung eines oder mehrerer Prozessparameter der Plasmabeschichtungsanlage, insbesondere eines oder mehrere Plasmamodule, insbesondere eines Prozessparameters bezüglich einer Plasmaleistung, einer Päkursoreinspeisung und/oder eines Prozessgases. Durch die Änderung eines oder mehrerer Prozessparameter während des Plasmabeschichtens wird eine Möglichkeit, um insbesondere ein gezielt variierendes Profil der Haftvermittlerschicht zu erreichen, bereitgestellt. Wird ein Prozessparameter eines einzelnen Plasmamoduls geändert, kann eine weiterhin erhöhte Ortsauflösung des Profils der Haftvermittlerschicht erreicht werden. Ein Prozessparameter bezüglich der Plasmaleistung kann beispielsweise die Änderung der Elektrodenspannung sein. Eine Änderung eines Prozessparameters bezüglich der Präkursoreinspeisung kann beispielsweise eine Änderung der Zusammensetzung des Präkursors oder der Durchflussmenge des Präkursors sein. Eine Änderung eines Prozessparameters bezüglich des Prozessgases kann beispielsweise eine Änderung der Zusammensetzung des Prozessgases oder der Durchflussmenge des Prozessgases sein.
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Ebenfalls kann das Ansteuern der Plasmabeschichtungsanlage eine Änderung eines oder mehrerer Prozessparameter nur eines Teils eines Plasmamoduls einer Plasmabeschichtungsanlage bewirken, um die Ortsauflösung weiterhin zu erhöhen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Plasmabeschichtungsanlage, insbesondere ein oder mehrere Plasmamodule der Plasmabeschichtungsanlage, mehrere Einspeiseorte auf, und das Ansteuern der Plasmabeschichtungsanlage umfasst ein zumindest teilweise getrenntes Ansteuern der Einspeisung an den mehreren Einspeiseorten. Hierdurch kann eine weiterhin erhöhte Ortsauflösung des gezielt eingestellten Profils der Haftvermittlerschicht erreicht werden. Durch die Ansteuerung der Einspeisung kann beispielsweise eine Änderung von Einspeiseparametern erreicht werden, beispielsweise der Präkursorzusammensetzung oder -menge, der Prozessgaszusammensetzung oder -menge.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, erfolgt die Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage in Abhängigkeit eines zumindest teilweise vorgegebenen Haftfestigkeitsprofils. Es kann also beispielsweise ein ortsaufgelöstes Haftfestigkeitsprofil vorgegeben werden, aus dem dann das gezielte Profil der Haftvermittlerschicht ermittelt wird. Beispielsweise ist hierzu eine Steuereinheit vorgesehen, welche zumindest teilweise die Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage durchführt. Beispielsweise kann die Ermittlung der Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage zur Erstellung des gezielten Profils der Haftvermittlerschicht auf Basis von einer oder mehreren Kennlinien und/oder einem oder mehreren Rechenmodellen erfolgen. Vorteilhaft kann dabei die aktuelle Bandgeschwindigkeit im Falle eines bandförmigen metallischen Substrats und/oder Kunststoffschicht berücksichtigt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Schichtverbundmaterial ein erstes metallisches Substrat und ein zweites metallisches Substrat, wobei die Kunststoffschicht zwischen dem ersten und dem zweiten metallischen Substrat angeordnet ist, und die Haftvermittlerschicht auf das erste und/oder das zweite metallische Substrat und/oder die Kunststoffschicht aufgetragen wird. Hierdurch kann die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere zur Herstellung von Sandwichblechen eingesetzt werden. Für das erste und das zweite metallische Substrat gelten die Ausführungen zum zuvor beschriebenen metallischen Substrat. Dabei können das erste und das zweite metallische Substrat gleich oder unterschiedlich sein. Es können auch mehr als zwei metallische Substrate vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste metallische Substrat mittels einer ersten Plasmabeschichtungsanlage beschichtet und das zweite metallische Substrat mittels einer zweiten Plasmabeschichtungsanlage beschichtet. Dabei kann die erste und/oder zweite Plasmabeschichtungsanlage eine zuvor beschriebene Plasmabeschichtungsanlage sein. Es können auch weitere Plasmabeschichtungsanlagen, wie zuvor beschrieben, vorgesehen sein. Dabei können die Plasmabeschichtungsanlagen auch unabhängig voneinander einzelne der zuvor beschriebenen Merkmale aufweise. Beispielsweise sind die Plasmabeschichtungsanlagen gleich oder unterschiedlich.
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Hierdurch ist ein gezieltes Abstimmen der Haftfestigkeiten der beiden metallischen Substrate zur dazwischen angeordneten Kunststoffschicht möglich. Somit kann nicht nur gezielt die Haftfestigkeit flächig (sprich 2-dimensional) zwischen zwei Schichten des Schichtverbundmaterials eingestellt werden, sondern es kann auch die Haftfestigkeit bezüglich unterschiedlicher Schichten des Schichtverbundmaterials eingestellt werden, also bezüglich einer weiteren Dimension (sprich 3-dimensional). Beispielsweise kann nicht nur eingestellt werden, an welcher Stelle eine Schicht gezielt delaminieren soll, sondern auch welche der Schichten bei Belastung gezielt delaminieren soll.
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Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung umfasst:
- – eine Einrichtung zum Bereitstellen des metallischen Substrats und der Kunststoffschicht,
- – eine Plasmabeschichtungsanlage zum Auftragen einer Haftvermittlerschicht entlang einer Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht mittels Plasmabeschichtens,
- – eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage während des Plasmabeschichtens zur Erzeugung der Haftvermittlerschicht, sodass zumindest bereichsweise ein gezieltes Profil der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht eingestellt werden kann und
- – eine Einrichtung zum Verbinden der Kunststoffschicht mit der die Haftvermittlerschicht aufweisenden Oberfläche des metallischen Substrats und/oder Verbinden des metallischen Substrats mit der die Haftvermittlerschicht aufweisenden Oberfläche der Kunststoffschicht zur Herstellung des Schichtverbundmaterials.
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Wie bereits ausgeführt, werden durch das Auftragen der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht mittels Plasmabeschichtens sehr hohe Hafteigenschaften zwischen den einzelnen Schichten des Schichtverbundmaterials erreicht. Zudem wird durch das Vorsehen einer Steuereinheit die Ansteuerung der Plasmabeschichtungsanlage während des Plasmabeschichtens erreicht, sodass eine präzise Beeinflussung der Erzeugung Haftvermittlerschicht während des Beschichtens erreicht werden kann. Hierdurch kann die daraus resultierende Haftfestigkeit lokal präzise und ressourceneffizient eingestellt werden.
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Bezüglich vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren und dessen Ausgestaltungen verwiesen, welche für die Vorrichtung entsprechend gelten sollen.
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Insbesondere sollen durch die vorherige und folgende Beschreibung von Verfahrensschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen des Verfahrens auch entsprechende Mittel oder Einrichtungen zur Durchführung der Verfahrensschritte durch bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung offenbart sein. Ebenfalls soll durch die Offenbarung von Mitteln zur Durchführung eines Verfahrensschrittes der entsprechende Verfahrensschritt offenbart sein.
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Gemäß einer dritten Lehre des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Schichtverbundmaterial dadurch gelöst, dass das Schichtverbundmaterial nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schichtverbundmaterials weist das gezielte Profil der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche des metallischen Substrats und/oder der Kunststoffschicht ein gezielt variierendes Profil auf, sodass das Schichtverbundmaterial Bereiche mit unterschiedlicher Haftfestigkeit aufweist.
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Im Gegensatz zu bekannten Schichtverbundmaterialien weisen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbundmaterials verbesserte Haftfestigkeiten auf. Zudem weisen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schichtverbundmaterials eine präzise eingestellte variierende Haftfestigkeit, wobei die Haftfestigkeit nicht nur örtlich innerhalb einer Haftvermittlerschicht gezielt eingestellt sein kann, sondern auch unterschiedlichen Haftvermittlerschichten gezielt aufeinander abgestimmt sein können.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schichtverbundmaterials;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines Plasmabeschichtungsschrittes;
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4–5 unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Plasmabeschichtungsschritten;
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6 eine schematische Draufsicht einer alternativen Anordnung der Plasmamodule;
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7 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von gesteuerten Prozessparametern;
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8 eine schematische Darstellung eines metallischen Substrats mit einer Haftvermittlerschicht mit gezielt variierendem Profil.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Als metallische Substrate sind ein erstes und ein zweites Metallband 1, 2 vorgesehen, welche von den Coils 1', 2' durch eine Abwickelvorrichtung (nicht dargestellt) abgewickelt werden. Auf einem dritten Coil 3' wird eine thermoplastische Zwischenschicht 3 bereitgestellt. Hierdurch werden Einrichtungen zum Bereitstellen der metallischen Substrate und der Kunststoffschicht realisiert. Jedes Metallband 1, 2 wird durch die Plasmabeschichtungsanlagen 4, 4' plasmabeschichtet, welche zum Auftragen einer Haftvermittlerschicht entlang der jeweiligen Oberflächen der Metallbänder 1, 2 mittels Plasmabeschichtens dient. Alternativ wäre auch denkbar, dass eine oder beide Plasmabeschichtungsanlagen 4, 4' die Kunststoffschicht 3 ein- bzw. beidseitig beschichten. Jede Plasmabeschichtungsanlage 4, 4' weist in diesem Fall jeweils zwei Plasmamodule 4a und 4b bzw. 4a' und 4b' auf. Diese Plasmamodule 4a, 4b bzw. 4a', 4b' sind in Bandlaufrichtung (wie durch die Pfeile dargestellt) hintereinander angeordnet. Die Plasmamodule werden in weiteren Details weiter unten beschrieben. Nach dem Beschichten der jeweiligen inneren, der Kunststoffschicht 3 zugewandten Oberflächen beider Metallbänder 1, 2 werden die Metallbänder 1, 2 und die Kunststoffschicht 3 zu einem bandförmigen Schichtverbundmaterial 5 durch Laminieren verbunden. Dies erfolgt mittels einer Laminiereinrichtung 6, welche als Einrichtung zum Verbinden der Kunststoffschicht 3 mit den die Haftvermittlerschichten aufweisenden Oberflächen des jeweiligen Metallbandes 1, 2 zur Herstellung des Schichtverbundmaterials 5 dient und ebenfalls schematisch dargestellt ist. Durch das Plasmabeschichten der Metallbänder 1, 2 mit einer plasmapolymerisierten Haftvermittlerschicht kann eine vorteilhafte Haftfestigkeit des Schichtverbundmaterials 5 nach dem Laminieren mittels der Laminiereinrichtung 6 erreicht werden.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung weist weiterhin eine Steuereinheit (nicht dargestellt) zur getrennten Ansteuerung der Plasmamodule der Plasmabeschichtungsanlagen 4, 4' während des Plasmabeschichtens zur Erzeugung der Haftvermittlerschicht auf. Damit kann zumindest bereichsweise ein gezieltes Profil, beispielsweise ein gezielt variierendes Profil der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche der Metallbänder 1, 2 eingestellt werden.
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Das Plasmabeschichten verläuft bevorzugt bei Atmosphärendruck. Dabei wird ein Prozessgases bereitgestellt, ein Plasma erzeugt, ein Präkursor zur Erzeugung der Haftvermittlerschicht in das Plasma oder das Plasmanachglühen eingespeist und eine plasmapolymerisierte Haftvermittlerschicht auf dem jeweiligen Metallband 1, 2 abgeschieden.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schichtverbundmaterials in Form eines Verbundblechs 7, welches aus dem bandförmigen Schichtverbundmaterial 5 hergestellt wurde. Das Verbundblech 7 umfasst 2 metallische Deckbleche 1, 2, beispielsweise Stahlbleche. Beide metallische Deckbleche 1, 2 weisen eine der thermoplastischen Kunststoffschicht 3 zugewandte Oberflächen mit plasmapolymerisierten Haftvermittlerschichten 1a, 1b auf, welche ein örtlich gezielt an den Einsatzbereich angepasstes Profil aufweisen.
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3 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Plasmabeschichtungsschrittes, hier exemplarisch für das Metallband 2. Das Plasmabeschichten kann so beispielsweise in den Plasmamodulen 4', 4b, 4a', 4b' ablaufen. Das Prozessgas 8 strömt zwischen einer ersten Elektrode 9 und einer zweiten Elektrode 10 hindurch. Ein Plasma 12 wird zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 9, 10 gebildet. Das Plasmanachglühen kann sich bis auf die Oberfläche des Metallbandes 2 erstrecken. Ein Aerosol 11 wird in das Plasmanachglühen 13 eingespeist. Das Aerosol wird durch ein Trägergas und einen flüssigen Präkursor gebildet und zusammen mit dem Prozessgas 8 und dem Plasma auf die Innenseite des Metallbandes 2 gerichtet. Dadurch wird der plasmapolymerisierte Präkursor als Haftvermittlerschicht 2a auf das Metallband 2 abgeschieden. Das Plasma 12 bzw. das Plasmanachglühen 13 aktiviert die Oberfläche des Metallbandes 2 und den in dem Aerosol enthaltenen Präkursor. Durch die relative Bewegung von Metallband 2 und Plasmabeschichtungsanlage 4, 4' wird eine sehr dünne Beschichtung mittels der plasmapolymerisierten Haftvermittlerschicht 2a auf dem Metallband 2 aufgebaut, welche beispielsweise 2 bis 50 nm, bevorzugt 5 bis 30 nm dick sein kann.
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4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Plasmabeschichtungsschrittes, hier exemplarisch für das Metallband 2. Das Plasma 12 ist in diesem Fall durch beidseitig des Metallbandes 2 angeordnete Elektroden 9', 10' erzeugt. Wie durch den Pfeil dargestellt wird das Aerosol 11 in das Plasma 12 eingespeist, was zu einer Abscheidung einer plasmapolymerisierten Haftvermittlerschicht 2a auf dem Metallband führt. Anstelle eines Aerosols kann ein gasförmiger Präkursor eingespeist werden.
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5 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Plasmabeschichtungsschrittes, wiederum exemplarisch für das Metallband 2. Das Plasma 12 wird zwischen der ersten Elektrode 9'' und dem metallischen Substrat 2, welches als zweite Elektrode fungiert, erzeugt.
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6 zeigt eine schematische Draufsicht einer alternativen Anordnung der Plasmamodule. Hierbei ist eine Plasmabeschichtungsanlage 14 umfassend zwei Plasmamodule 14a, 14b oberhalb eines metallischen Substrats vorgesehen, welches hier das Metallband 2 ist, jedoch auch das Metallband 1 sein kann. Die Plasmamodule können beispielsweise wie in den 3–5 gezeigt aufgebaut sein und wie in 1 gezeigt eingesetzt werden. Im Unterschied zu den in 1 gezeigten Plasmamodulen 4a, 4b, 4a', 4b' sind die Plasmamodule 14a, 14b nicht hintereinander sondern nebeneinander, sprich quer zur durch den Pfeil dargestellten Bandlaufrichtung, angeordnet. Durch die Plasmabeschichtungsanlage 14 erfolgt ein Auftragen einer Haftvermittlerschicht entlang einer Oberfläche des metallischen Substrats 2 mittels Plasmabeschichtens. Dabei wird zur Erzeugung der Haftvermittlerschicht 2a die Plasmabeschichtungsanlage 14 während des Plasmabeschichtens derart angesteuert, dass zumindest bereichsweise ein gezielt variierendes Profil der Haftvermittlerschicht entlang der Oberfläche des Metallbandes 2 eingestellt wird.
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Hierzu zeigt 7 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von gesteuerten Prozessparametern. Das Diagramm zeigt entlang der x-Achse 16 die Zeit und entlang der y-Achse 17 die Größe eines Prozessparameters 18a des Plasmamoduls 14a und eines Prozessparameters 18b des Plasmamoduls 14b. Die Plasmabeschichtungsanlage 14 wird derart angesteuert, dass eine Änderung eines Prozessparameters der Plasmamodule 14a, 14b der Plasmabeschichtungsanlage 14 über die Zeit erreicht wird. Der Prozessparameter kann die durch die Haftvermittlerschicht erzielte Haftfestigkeit beeinflussen. Im diesem Fall wird durch einen hohen Wert des Prozessparameters eine hohe Haftfestigkeit und durch einen niedrigen Wert des Prozessparameters eine niedrige Haftfestigkeit erzielt. Der Prozessparameter kann beispielsweise die Plasmaleistung, die Präkursoreinspeisung oder das Prozessgas betreffen.
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In diesem Beispiel ist der Prozessparameter 18a des Plasmamoduls 14a in Abschnitt I auf einem niedrigen Niveau, in Abschnitt II und III auf einem mittleren Niveau und in Abschnitt IV auf einem hohen Niveau. Der Prozessparameter 18b des Plasmamoduls 14b ist in Abschnitt I auf einem mittleren Niveau, in Abschnitt II auf einem hohen Niveau, in Abschnitt III auf einem mittleren Niveau und in Abschnitt IV auf einem hohen Niveau. Es können natürlich entsprechend andere Verläufe vorgesehen werden. Die Steuerung der Plasmaparameter 18a, 18b kann beispielsweise darauf beruhen, dass aus einem gewünschten Haftfestigkeitsprofil ein gezieltes Profil der Haftvermittlerschicht abgeleitet wird und daraus die Steuerung der Prozessparameter erstellt wird, wozu beispielsweise eine oder mehrere Kennlinien und/oder ein oder mehrere Rechenmodelle verwendet werden können. Wird die Haftvermittlerschicht 2a mit dem gezielten Profil aufgetragen, führt dies zu dem gewünschten Haftfestigkeitsprofil. Vorteilhaft kann dabei die aktuelle Bandgeschwindigkeit des Metallbandes 2 berücksichtigt werden.
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8 zeigt das Metallband 2 nach der Beschichtung mit der plasmapolymerisierten Haftvermittlerschicht 2a. In dem durch das Plasmamodul 14a beschichteten Bereich weist das Metallband 2 in Abschnitt Ia eine geringe Haftfestigkeit, in Abschnitt IIa und IIIa eine mittlere Haftfestigkeit und in Abschnitt IVa eine hohe Haftfestigkeit auf. In dem durch das Plasmamodul 14b beschichteten Bereich weist das Metallband 2 in Abschnitt Ib eine mittlere Haftfestigkeit, in Abschnitt IIb eine hohe Haftfestigkeit, in Abschnitt IIIb eine mittlere Haftfestigkeit und in Abschnitt IVb eine hohe Haftfestigkeit auf.
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Ein identisches oder abweichendes Profil der Haftvermittlerschicht kann beispielsweise auf der Oberfläche des Metallbandes 1 eingestellt werden. Aus den Metallbändern 1, 2 und der Kunststoffschicht 3 kann wie beschrieben ein Schichtverbundmaterial 5 bzw. ein Verbundblech 7 hergestellt werden. Durch das Auftragen der Haftvermittlerschicht gemäß einem gezielten Profil entlang der Oberfläche der Metallbänder mittels Plasmabeschichtens kann die daraus resultierende Haftfestigkeit lokal präzise und ressourceneffizient eingestellt werden. Die Haftfestigkeit kann im Ergebnis in drei Dimensionen (auf übereinander angeordneten Oberflächen metallischer Substrate) prozesssicher eingestellt werden.
