DE102015117652A1

DE102015117652A1 - Metallisiertes Kunststoffbauteil mit durchleuchtbarer Struktur im Tag- und Nachtdesign; Verfahren zur Herstellung des Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102015117652A1
Application number: DE102015117652.1A
Authority: DE
Inventors: Franz Huber; Marco Läufle; Carsten Brockmann
Original assignee: KUNSTSTOFFTECHNIK BERNT GmbH
Current assignee: KUNSTSTOFFTECHNIK BERNT GmbH
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-04-20
Also published as: DE202015009357U1; CN107002269B; WO2017063768A1; CN107002269A; US20180305834A1; US11292290B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisiertes Kunststoffbauteil (10), umfassend einen Grundkörper (20) aus wenigstens einem lichtdurchlässigen Kunststoff, auf den eine Metallschicht (30) aufgebracht ist, in welche wenigstens eine durchleuchtbare Struktur (40; 41) eingebracht ist. Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine durchleuchtbare Struktur (40; 41) durch einen Bereich in der Metallschicht (30) gebildet, in dem mehrere lichtdurchlässige Öffnungen (50; 51) in einer Punktmatrix angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisiertes Kunststoffbauteil, umfassend einen Grundkörper aus wenigstens einem lichtdurchlässigen Kunststoff, auf den eine Metallschicht aufgebracht ist, in welche wenigstens eine durchleuchtbare Struktur eingebracht ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunststoffbauteils.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Oberfläche von Kunststoffbauteilen zu metallisieren, um ihnen insbesondere aus dekorativen Gründen ein ansprechendes Äußeres zu verleihen. Dies wird beispielsweise für Bedienelemente in Kraftfahrzeugen wie Griffe, Tasten, Knöpfe und Schaltknaufe, aber auch für Zierleisten, Lautsprecher, etc. durchgeführt. Auch im Bereich der Haushaltsgeräte werden derartige Kunststoffbauteile oftmals eingesetzt.
Dabei werden im Wesentlichen zwei Verfahren zur Erzeugung von metallisierten Elementen aus Kunststoff angewendet. Diese basieren entweder auf der Metallisierung eines aus einem Kunststoff gefertigten Bauteils mittels PVD-Verfahren (PVD – physical vapor deposition), oder auf der Galvanisierung eines Elements aus Kunststoff mittels elektrochemischer Verfahren. Beide Verfahren erlauben es grundsätzlich, haltbare Metallbeschichtungen auf Bauteile aus Kunststoff aufzubringen, wobei die Verfahren unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Beispielsweise ist es problematisch, mittels PVD-Verfahren Bedienelemente so zu metallisieren, dass die auf dem Kunststoffbauteil abgeschiedene Metallschicht auch ohne zusätzliche Schutzschicht z.B. aus einem transparenten Schutzlack eine ausreichende Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Auch weisen mittels PVD-Verfahren metallisierte Kunststoffbauteile aufgrund der geringen Schichtdicken der aufgebrachten Metallschichten nicht den häufig gewünschten „cold touch“ auf, d.h. die Haptik des metallisierten Kunststoffbauteils entspricht nicht der eines Metallteils. Die Galvanisierung von Kunststoffbauteilen hat sich daher insbesondere im Bereich der Bedienelemente in Kraftfahrzeugen als vorteilhafter erwiesen.
Oftmals soll ein solches Kunststoffbauteil bereichsweise hinterleuchtbar sein, wobei in der Metallschicht eine durchleuchtbare Symbolik ausgebildet ist, die auf diese Weise auch bei Dunkelheit gut sichtbar bleibt. Diese Symbolik kann auf verschiedene Arten in der Metallschicht ausgebildet werden. Beispielsweise beschreibt die Patentschrift DE 102 08 674 B4 ein Verfahren zur Herstellung von Bedien, Dekor- oder Anzeigeelementen mit hinterleuchtbaren Symboliken, bei dem ein Bereich eines Kunststoffbauteils zuerst auf der Rückseite abgedeckt wird, um in diesem Bereich eine Galvanisierung des Kunststoffs zu verhindern. Die Abdeckung kann beispielsweise durch einen Aufkleber oder einen sogenannten Stopplack erfolgen. Anschließend wird zunächst eine dünne Metallschicht aufgebracht, die jedoch im Bereich der Symbolik wieder leicht entfernt werden kann. Daraufhin kann im verbleibenden Bereich der Metallschicht durch Galvanisieren die metallische Oberflächenbeschichtung fertiggestellt werden, wobei die Symbolik erhalten bleibt.
So können Kunststoffbauteile bereitgestellt werden, die durch Leuchtmittel wie LEDs und/oder Lichtleiter hinterleuchtbar sind und im sogenannten Nachtdesign ein Bauteil mit ansprechender Optik bilden. Die Form der hinterleuchtbaren Struktur ist dabei annähernd frei wählbar. Je nach eingebrachter Struktur und den an das Bauteil gestellten Anforderungen kann es jedoch nachteilig sein, wenn die Struktur bei Tageslicht und ohne Hinterleuchtung ebenfalls sichtbar ist. Unter Umständen tritt die Struktur bei diesen Bedingungen so stark hervor bzw. ist so auffällig, dass sie das gewünschte Tagdesign für das Bauteil beeinträchtigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein metallisiertes Kunststoffbauteil mit einer hinterleuchtbaren Struktur bereitzustellen, die ohne Hinterleuchtung im sogenannten Tagdesign das Erscheinungsbild einer Metallschicht haben kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kunststoffbauteil gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Kunststoffbauteils ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–9. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 11–14.
Das erfindungsgemäße metallisierte Kunststoffbauteil umfasst einen Grundkörper aus wenigstens einem lichtdurchlässigen Kunststoff, auf den eine Metallschicht aufgebracht ist, in welche wenigstens eine durchleuchtbare Struktur eingebracht ist. Erfindungsgemäß wird diese wenigstens eine durchleuchtbare Struktur durch einen Bereich in der Metallschicht gebildet ist, in dem mehrere lichtdurchlässige Öffnungen in einer Punktmatrix angeordnet sind. In einem Bereich der Metallschicht, in dem eine durchleuchtbare Struktur ausgebildet werden soll, ist dieser Bereich somit nicht vollständig frei von Material der Metallschicht, sondern dieser Bereich wird durch eine durchleuchtbare Gitterstruktur mit einer Vielzahl von geeigneten Öffnungen gebildet.
Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl und die Abmessungen der Öffnungen der Punktmatrix innerhalb einer Struktur so gewählt werden können, dass die gestellte optische Aufgabe erfüllt werden kann. Die Parameter können dann insbesondere so gewählt werden, dass die Fläche der Struktur im Nachtdesign so durchleuchtbar ist, dass die Struktur gut erkennbar ist. Die Parameter können gleichzeitig so gewählt werden, dass die Struktur ohne Hinterleuchtung im sogenannten Tagdesign kaum wahrnehmbar ist, d.h. annähernd das Erscheinungsbild einer durchgehenden Metallschicht hat.
Es kann jedoch auch eine Teilsichtbarkeit der Struktur im Tagdesign gewünscht sein. Bei entsprechender Wahl der Parameter der Punktmatrix ist die Struktur dann im Nachtdesign gut durchleuchtet, aber auch im Tagdesign noch erkennbar. Allerdings sind die Parameter so gewählt, dass sich ein optisch ansprechendes Tagdesign ergibt.
Dabei kann die durchleuchtbare Struktur nur in einem Teilbereich der Metallschicht des Bauteils vorgesehen werden, um dort beispielsweise eine Symbolik oder ein Dekorelement auszuformen. Die Metallschicht kann jedoch auch vollständig mit einer Punktmatrix aus einer Vielzahl von Öffnungen strukturiert sein, um so ein Kunststoffbauteil bereitzustellen, das im Nachtdesign vollständig durchleuchtbar ist. Ohne Hinterleuchtung wirkt das Bauteil dagegen im Tagdesign als vollständig metallisiertes Bauteil mit einem entsprechenden Metalldekoreffekt.
Ferner können Strukturen wie Symbole, Schriftzüge, Grafikelemente, etc. innerhalb einer Metalloberfläche so ausgeformt werden, dass die jeweilige Struktur durchleuchtbar ist. Es ist jedoch auch möglich, eine Struktur durch eine Metallfläche auszubilden, die sich innerhalb einer durchleuchtbaren Fläche befindet. In diesem Fall wäre nicht die Struktur selbst durchleuchtbar, sondern die die Struktur umgebende Fläche. Auch auf diese Weise wäre die Struktur im Nachtdesign erkennbar, während sie im Tagdesign annähernd nicht sichtbar ist oder zumindest eine ansprechende Optik aufweist.
Die Öffnungen können innerhalb der verwendeten Punktmatrix bzw. der Gitterstruktur in verschiedenen Mustern angeordnet sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um geordnete oder ungeordnete Muster handeln. Vorzugsweise kommen jedoch regelmäßige Muster zur Anwendung, wobei die Öffnungen insbesondere in mehreren Reihen angeordnet werden können. Dies hat den Vorteil, dass die Öffnungen eine Fläche möglichst gleichmäßig ausfüllen, wobei der Abstand zwischen benachbarten Öffnungen einer Reihe annähernd gleich gewählt werden kann. Dies trägt zu einem homogenen Erscheinungsbild der durch die Öffnungen gebildeten Gitterstruktur bei.
Die Form der jeweiligen Öffnungen kann ebenfalls verschieden sein. Beispielsweise kommen runde oder rechteckige bzw. quadratische Öffnungen in Betracht. Als vorteilhaft haben sich beispielsweise Öffnungen mit einer polygonen Form mit abgerundeten Ecken erwiesen, aber auch mit rechteckigen Öffnungen mit abgerundeten Ecken konnte gute Ergebnisse erzielt werden..
Wesentlich für das angestrebte Tag- und Nachtdesign sind die Abmessungen der Öffnungen und deren Abstand zueinander. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die maximale Ausdehnung der Öffnungen zwischen 0,02 und 0,3mm liegt. In diesem Bereich lassen sich sowohl annähernd unsichtbare, als auch teilsichtbare Strukturen erzeugen. Für annähernd unsichtbare Strukturen hat sich beispielsweise ein Bereich zwischen 0,02 und 0,08mm als vorteilhaft herausgestellt, in dem eine entsprechende optische Wirkung erzielt werden kann. Bei runden Öffnungen konnte insbesondere bei einem Durchmesser zwischen 0,04 und 0,06mm gute Ergebnisse erzielt werden. Dabei wurde die Durchleuchtung der Strukturen bei Durchmessern unterhalb von 0,04mm schlechter, während die Öffnungen bei Durchmessern oberhalb von 0,06mm so groß waren, dass die Struktur ohne Hinterleuchtung relativ auffällig war.
Die beste Wahl der Ausdehnung der Öffnungen hängt dabei jedoch auch von den an das jeweilige Bauteil gestellten Anforderungen ab. Um teilsichtbare Strukturen zu erzeugen, haben sich beispielsweise Ausdehnungen zwischen 0,09 und 0,3mm als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere zwischen 0,07 und 0,15mm konnten gute Ergebnisse erzielt werden.
Beim Abstand zwischen den Öffnungen hat sich ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Öffnungen zwischen 0,1 und 0,2mm als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere wurden mit einem Abstand von 0,12mm gute Ergebnisse erzielt. Dabei handelt es sich bei direkt nebeneinander liegenden Öffnungen einer Reihe um benachbarte Öffnungen.
Die Metallisierung des Grundkörpers aus Kunststoff kann auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise können PVD-Verfahren oder die Galvanisierung eines galvanisierbaren Kunststoffes verwendet werden. Als galvanisierbare Kunststoffe können beispielsweise Polyamid, ABS oder ABS/Polykarbonat-Blends eingesetzt werden. Die Dicke der Metallschicht kann dabei beispielsweise zwischen 10–50μm liegen.
Die Öffnungen für die Ausbildung der durchleuchtbaren Gitterstruktur können nach der Herstellung der Metallschicht in diese eingebracht werden, oder bereits bei der Herstellung der Metallschicht erzeugt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Maskierung bestimmter Bereiche und/oder eine Laserablation erfolgen.
Von der Erfindung umfasst ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Kunststoffbauteils mit wenigstens einer durchleuchtbaren Struktur in einer Metallschicht, bei dem auf einem Grundkörper eine Metallschicht erzeugt wird, die durch ein oder mehrere Schichten gebildet ist. Zur Erzeugung der wenigstens einen durchleuchtbaren Struktur in einem Bereich der Metallschicht erfolgt eine Strukturierung der Metallschicht, wobei mehrere Öffnungen in Form einer Punktmatrix in der Metallschicht erzeugt werden.
Dies lässt sich besonders vorteilhaft durch ein Galvanisierungsverfahren erreichen, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) Erzeugen eines Kunststoffrohlings,
b) Chemisches oder physikalisches Abscheiden einer elektrisch leitfähigen ersten Metallschicht auf dem Kunststoffrohling,
c) Strukturieren der ersten Metallschicht durch partielles Abtragen zur Ausbildung einer Struktur, und
d) Elektrochemisches Abscheiden zumindest einer zweiten Metallschicht auf der strukturierten ersten Metallschicht,

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Struktur somit nicht in eine fertige Metallschicht gelasert, sondern in eine erste Metallschicht, die zunächst für eine Galvanisierung eines Kunststoffrohlings auf diesem erzeugt wird. Beim anschließenden elektrochemischen Abscheiden einer zweiten Metallschicht werden die gelaserten Öffnungen nicht mit dieser zweiten Metallschicht beschichtet, so dass sich auch in der resultierenden Metallschicht entsprechende Öffnungen ergeben.
Dabei werden die Konturen der gelaserten Öffnungen durch die anschließende Galvanisierung typischerweise weicher, was die Anforderungen an die Laserablation reduzieren kann. Rechteckige oder polygone Öffnungen würden nach der Galvanisierung abgerundete Ecken aufweisen. Beispielsweise müssen auch keine kreisrunden Öffnungen in eine erste Metallschicht gelasert werden, um annähert runde Öffnungen in der resultierenden Dekorschicht zu erhalten. Vielmehr können Öffnungen auch durch mehrere dicht nebeneinander gelaserte Linien erzeugt werden. Beispielsweise sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass jede Öffnung durch wenigstens zwei Linien gebildet wird, die in gleicher Ausrichtung nebeneinander in die erste Metallschicht gelasert werden. Vorzugsweise werden drei solche Linien in gleicher Ausrichtung nebeneinander in die erste Metallschicht gelasert.
Diese Linien bilden bei gleicher Länge ein Rechteck mit leicht abgerundeten Ecken. Bei der anschließenden Galvanisierung scheidet sich Metall an den Rändern der Öffnungen ab, wodurch die Ecken weicher werden, so dass sich die Form einer so gebildeten Öffnung einem Kreis annähert. Wird eine mittlere Linie mit einer größeren Länge als die beiden anderen gewählt, ergibt sich ebenfalls ein Rechteck, dessen Ecken bei der Galvanisierung weicher werden. Die maximale Ausdehnung der in die erste Metallschicht gelaserten Öffnungen wird somit etwas größer gewählt als die maximale Ausdehnung der angestrebten Öffnungen in der resultierenden Metallschicht.
So kann auf vorteilhafte Weise ein Kunststoffbauteil gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen erzeugt werden, wobei die durchleuchtbare Struktur auf einfache Weise mittels Laserung einer Zwischenschicht auf einem galvanisierbaren Kunststoffrohling herstellbar ist. Dabei werden die Konturen der Öffnungen durch die anschließende Galvanisierung weicher, was das optische Erscheinungsbild der Struktur insbesondere im Tagdesign verbessern kann.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils;
2 eine schematische Draufsicht auf ein Kunststoffbauteil mit zwei hinterleuchtbaren Strukturen;
3 ein Ablaufschema der Schritte bei einem möglichen Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Kunststoffbauteils;
4 eine schematische Draufsicht auf ein Kunststoffbauteil mit einer hinterleuchtbaren Struktur innerhalb einer Fläche;
5 eine schematische Draufsicht auf ein Kunststoffbauteil mit einer Struktur innerhalb einer hinterleuchtbaren Fläche;
6 eine vergrößerte Ansicht rechteckiger Öffnungen innerhalb einer hinterleuchtbaren Struktur; und
7 eine vergrößerte Ansicht annähernd runder Öffnungen innerhalb einer hinterleuchtbaren Struktur.
Der schematischen Darstellung der 1 ist ein Schnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils 10 zu entnehmen. Das Bauteil 10 besteht wenigstens aus einem transparenten Grundkörper 20, auf den eine Metallschicht 30 aufgebracht ist. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Metallschicht 30 gegenüber dem Grundkörper 20 relativ dick dargestellt, wobei die Dicke der Metallschicht 30 beispielweise in der Größenordnung von 10–30μm liegen kann, während der Grundkörper 20 um ein Vielfaches dicker ist. Der Grundkörper 20 ist beispielsweise so dick, dass er für den jeweiligen Einsatzzweck ein stabiles Bauteil formt, jedoch dabei von einer Lichtquelle durchleuchtbar ist. Seine Dicke kann beispielsweise größer als 2mm sein, insbesondere größer als 4mm sein.
In die Metallschicht 30 ist eine Vielzahl von Öffnungen eingebracht, von denen in der 1 lediglich zwei Öffnungen beispielhaft mit den Bezugsziffern 50 und 51 bezeichnet sind. Diese Öffnungen durchdringen die Metallschicht 30 vollständig und der Grundkörper 20 ist lichtdurchlässig, so dass das Bauteil mit einer Lichtquelle hinterleuchtet werden kann. Licht kann so durch den Grundkörper 20 und die Öffnungen 50, 51 treten, wodurch auf der Metallschicht 30 eine leuchtende Struktur ausgebildet werden kann. In 1 bilden mehrere Öffnungen zwei Strukturen 40 und 41, wie sie auch der schematischen Draufsicht der 2 zu entnehmen sind. 1 zeigt einen Schnitt durch mehrere dieser Öffnungen.
Dabei ist die Größe der Öffnungen in den Figuren nicht maßstabsgetreu, sondern diese sind um eine Vielfaches kleiner, so dass eine Struktur aus weitaus mehr Öffnungen gebildet wird, als dies zur einfacheren Darstellung in den Figuren gezeigt ist.
Die Durchleuchtung des Kunststoffbauteils und damit einer Struktur kann auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise können hierzu ein oder mehrere Lichtquellen hinter dem Grundkörper vorgesehen werden. Als Lichtquellen können insbesondere LEDs zum Einsatz kommen. Auch ein Grundkörper in Form eines Lichtleiters kann für eine Hinterleuchtung von Strukturen verwendet werden.
Die Strukturen 40 und 41 in 2 stellen beispielhaft einfache Strukturen dar. Dabei deckt die Struktur 40 einen linken Bereich des Bauteils 10 vollständig ab, was verdeutlicht, wie ein Bauteil strukturiert werden könnte, um es vollständig im durchleuchteten Nachtdesign und Tagdesign mit Metalloptik erscheinen zu lassen. Auch der übrige Bereich der Metallschicht des Bauteils 10 könnte somit mit der Gitterstruktur der Struktur 40 versehen werden.
Die zweite Struktur 41 bildet dagegen den Buchstaben „T“ aus, um aufzuzeigen, wie das Bauteil teilweise strukturiert werden kann, um eine Symbolik auszubilden. Es können jedoch auch jegliche andere Strukturen wie Wörter, Zahlen, Symbole, Muster, langgestreckte Linien, etc. gewählt werden. Die Strukturen 40, 41 werden jeweils durch eine Vielzahl von Öffnungen gebildet, die eine entsprechend geformte Punktmatrix bilden. Eine zu durchleuchtende Fläche innerhalb der Metallschicht 30 wird so durch einen Bereich gebildet, in dem sich mehrere Öffnungen befinden.
Die Form der Öffnungen ist im Ausführungsbeispiel der 2 annähernd kreisförmig, wobei ein Polygon mit leicht abgerundeten Ecken gewählt wurde. Die Öffnungen sind in der Punktmatrix in mehreren Reihen angeordnet. Bei der rechten Struktur 41 verlaufen die einzelnen Reihen in einem Winkel von 90° zu den Seitenflächen des Bauteils 10. In der linken Struktur 40 sind diese Reihen versetzt zueinander angeordnet, beziehungsweise die Gitterstruktur ist um 45° gedreht.
Die Anzahl bzw. die Abmessungen der Öffnungen der jeweiligen Strukturen 40, 41 sind so gewählt, dass die Strukturen hinterleuchtbar sind, d.h. die Öffnungen sind ausreichend groß und so voneinander beabstandet, dass sich bei einer Hinterleuchtung optisch eine durchgehende Fläche ergibt, die durch Hinterleuchtung auf der Metallschicht 30 sichtbar ist. Ohne Hinterleuchtung wirkt eine Struktur jedoch nicht als ungleichmäßige Fläche mit einer Vielzahl von Öffnungen, sondern die Abmessungen der Öffnungen sind beispielsweise gleichzeitig so gewählt, dass eine Struktur ohne Hinterleuchtung optisch annähernd erscheint wie eine durchgehende Metallfläche.
3 zeigt ein Ablaufschema der Schritte bei einem möglichen Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunststoffbauteils.
Im Verfahrensschritt 1 wird ein Körper aus einem galvanisierbaren Kunststoff (z.B. ABS/Polykarbonat-Blend) beispielsweise mittels Spritzguss hergestellt. Dies kann in einem konventionellen Spritzgussverfahren erfolgen, wobei der Körper auch durch ein Zweikomponenten-Kunststoffbauteil gebildet werden kann, bei dem eine Teilkomponente aus einem galvanisierbaren Kunststoff besteht, während eine andere Teilkomponente aus einem nicht galvanisierbaren Kunststoff (z.B. Polykarbonat) besteht.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt 2 wird zumindest die Oberfläche der galvanisierbaren Schicht des Bauteils 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-Bauteils werden u.a. Verunreinigungen von der galvanisierbaren Oberfläche entfernt, insbesondere evtl. anhaftende organische Verunreinigungen.
Im Verfahrensschritt 3 wird die galvanisierbare Oberfläche des Grundkörpers aktiviert, d.h. es wird beispielsweise 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.
Im Verfahrensschritt 4 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 beispielsweise eine Dicke von 1μm auf.
In einer alternativen Verfahrensführung wird im Verfahrensschritt 3a 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.
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.
Im optionalen Verfahrensschritt 5 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“).
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.
Im nächsten Verfahrensschritt 6 wird die erste Metallschicht mittels eines Lasers strukturiert, um in der resultierenden Metallschicht wenigstens eine Struktur auszubilden bzw. die Metallschicht annähernd vollständig zu strukturieren. Dies kann beispielsweise mit einem IR-Beschriftungslaser erfolgen. Dazu wird der Kunststoffrohling geeignet auf einer Aufnahme fixiert, und für die Laserablation kann ein Nd:YAG oder ein CO₂-Laser eingesetzt werden. Um in der resultierenden Struktur die gewünschten Öffnungen auszubilden, können Öffnungen mit ähnlicher Form in die erste Metallschicht gelasert werden. Hierbei kann es sich um Kreise, Ovale, Rechtecke, Polygone, Linien, etc. handeln.
Es hat sich herausgestellt, dass eine zweckmäßige Form einer Öffnung beispielsweise durch das Lasern von mehreren Linien hergestellt werden kann, die nebeneinander in die erste Metallschicht gelasert werden. So bildet sich ein Rechteck oder Polygon mit leicht abgerundeten Ecken aus. Beispielsweise werden hierfür drei gelaserte Linien verwendet. Diese können die gleiche Länge haben oder eine mittlere Linie ist beispielsweise länger als eine obere und eine untere Linie. Beim anschließenden Galvanisieren runden sich die Ecken dieser Öffnungen weiter ab, so dass sich die jeweilige Öffnung einer runden Form annähert oder zumindest ihre Ecken abgerundet werden.
Nachfolgend werden ein oder mehrere der so hergestellten Kunststoffrohlinge mit nunmehr strukturierter erster Metallschicht dem Galvanik-Prozess zugeführt. Hierbei wird im nächsten Verfahrensschritt 7 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 20 Mikrometern auf.
In den nachfolgenden Verfahrensschritten 8 und 9 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 5–10 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 Bauteile 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.
Schließlich wird im Verfahrensschritt 10 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.
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.
So hergestellte Bauteile können am Ende des Herstellungsprozesses einer Durchlichtprüfung unterzogen werden, um die optischen Eigenschaften der durch Laserablation strukturierten Flächen zu untersuchen.
Während bei der Ausführungsform der 2 polygone Öffnungen mit einer annähernd kreisförmigen Form verwendet wurden, zeigen die 4 und 5 Ausführungsformen mit rechteckigen Öffnungen, deren Ecken leicht abgerundet sind. Die rechteckigen Öffnungen sind vorzugsweise in einer Ausdehnungsrichtung länger als in einer anderen Ausdehnungsrichtung. Bei den jeweils eingebrachten Strukturen „GTI“ handelt es sich um Schriftzüge, deren Form ebenfalls in einer Ausdehnungsrichtung länger ist als in einer anderen Ausdehnungsrichtung. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die rechteckigen Öffnungen in der gleichen Längsrichtung erstrecken wie ein Schriftverlauf. Auf diese Weise erscheinen die Strukturen optisch sehr ansprechend. Das heißt, für einen horizontal verlaufenden Schriftzug werden auch die rechteckigen Öffnungen horizontal liegend angeordnet. Im Fall der 4 und 5 werden die Öffnungen dabei in einer Punktmatrix in mehreren Reihen angeordnet.
Bei der Ausführungsform eines Kunststoffbauteils 10‘ gemäß der 4 ist der Schriftzug „GTI“ als Struktur 42 hinterleuchtbar, während die den Schriftzug umgebende Fläche nicht hinterleuchtbar ist, sondern aus einer durchgehenden Metallschicht besteht. Die rechteckigen Öffnungen 53 liegen in Richtung des Schriftverlaufs, wobei auch hier die Abmessungen des Öffnungen nicht maßstabsgetreu sind, sondern zur Vereinfachung der Darstellung nur eine begrenzte Anzahl von Öffnungen 53 dargestellt ist.
Bei der Ausführungsform eines Kunststoffbauteils 10‘‘ gemäß der 5 ist hingegen der Schriftzug „GTI“ als Struktur 43 nicht hinterleuchtbar, während die den Schriftzug umgebende Fläche hinterleuchtbar ist. Auch hier liegen rechteckige Öffnungen 53 in Richtung des Schriftverlaufs.
Die maximale Ausdehnung von Öffnungen und deren Abstand zueinander ist so gewählt, dass sich das gewünschte Tag- und Nachtdesign ergibt. 6 zeigt dazu einen Ausschnitt einer hinterleuchtbaren Struktur, die durch mehrere rechteckige Öffnungen 53 mit abgerundeten Ecken gebildet wird. Soll mit einer solchen Punktmatrix beispielsweise die Teilsichtbarkeit einer Struktur im Tagdesign erreicht werden, haben sich Abmessungen in bestimmten Größenordnungen als vorteilhaft erwiesen. Beispielsweise können diese zwischen 0,09 und 0,3mm, insbesondere zwischen 0,07 und 0,15 liegen. Bei rechteckigen Öffnungen kann die Länge L beispielsweise zwischen 0,09mm und 0,15mm liegen, während die Breite B zwischen 0,07 und 0,12mm liegen kann. Der Abstand A zwischen den kurzen Seiten einer rechteckigen Öffnungen kann dabei zwischen 0,04mm und 0,05mm liegen, während der Abstand a zwischen zwei langen Seiten einer rechteckigen Öffnung zwischen 0,05mm und 0,08mm liegen kann. Falls die Sichtbarkeit einer Struktur im Tagdesign verringert sein soll, werden entsprechend kleinere Öffnungen gewählt. Soll die Sichtbarkeit weiter erhöht werden, werden entsprechend größere Öffnungen gewählt.
7 zeigt einen Ausschnitt einer hinterleuchtbaren Struktur, die durch mehrere polygone Öffnungen 52 mit annähernd runder Form gebildet wird. Soll mit einer solchen Punktmatrix beispielsweise eine fast unsichtbare Struktur im Tagdesign erreicht werden, haben sich ebenfalls Abmessungen in bestimmten Größenordnungen als vorteilhaft erwiesen. Dabei liegt der Durchmesser D einer Öffnung 52 beispielsweise zwischen 0,02 und 0,08mm, insbesondere zwischen 0,04 und 0,06mm. Der Abstand A_m zwischen den Mittelpunkten von zwei benachbarten Öffnungen in einer Reihe liegt beispielsweise zwischen 0,1 und 0,2mm, insbesondere bei etwa 0,12mm. Soll eine Teilsichtbarkeit der Struktur im Tagdesign erreicht werden, werden entsprechend größere Durchmesser D gewählt und der Abstand A_m zwischen den Öffnungen kann gegebenenfalls auch erhöht werden.
Bezugszeichenliste

10, 10‘, 10‘‘: Kunststoffbauteil
20: Grundkörper
30: Metallschicht
40, 41, 42, 43: Struktur, durchleuchtbar/hinterleuchtbar
50, 51, 52: Öffnung, runde Form
53: Öffnung, rechteckige Form

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10208674 B4 [0005]

Claims

Metallisiertes Kunststoffbauteil (10), umfassend einen Grundkörper (20) aus wenigstens einem lichtdurchlässigen Kunststoff, auf den eine Metallschicht (30) aufgebracht ist, in welche wenigstens eine durchleuchtbare Struktur (40; 41; 42; 43) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine durchleuchtbare Struktur (40; 41; 42; 43) durch einen Bereich der Metallschicht (30) gebildet ist, in dem mehrere lichtdurchlässige Öffnungen (50; 51; 52; 53) in einer Punktmatrix angeordnet sind.
Metallisiertes Kunststoffbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (50; 51; 52; 53) in der Punktmatrix mehrere gerade Reihen formen.
Metallisiertes Kunststoffbauteil nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (50; 51; 52; 53) eine runde Form oder eine rechteckige oder polygone Form mit abgerundeten Ecken haben.
Metallisiertes Kunststoffbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ausdehnung der Öffnungen (50;51;52;53) zwischen 0,02 und 0,3mm liegt.
Metallisiertes Kunststoffbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ausdehnung der Öffnungen (50; 51; 52; 53) zwischen 0,02 und 0,08mm liegt.
Metallisiertes Kunststoffbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ausdehnung der Öffnungen (50; 51; 52; 53) zwischen 0,09 und 0,3mm, insbesondere zwischen 0,07 und 0,15 liegt.
Metallisiertes Kunststoffbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Öffnungen (50; 51; 52; 53) zwischen 0,1 und 0,2mm, insbesondere bei etwa 0,12mm liegt.
Metallisiertes Kunststoffbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) aus einem galvanisierbaren Kunststoff besteht.
Metallisiertes Kunststoffbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metallschicht (30) zwischen 10–50μm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Kunststoffbauteils (10) mit wenigstens einer durchleuchtbaren Struktur (40; 41; 42; 43) in einer Metallschicht, bei dem auf einem Grundkörper (20) eine Metallschicht erzeugt wird, die durch ein oder mehrere Schichten gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der wenigstens einen durchleuchtbaren Struktur (40; 41; 42; 43) in einem Bereich der Metallschicht eine Strukturierung der Metallschicht erfolgt, wobei mehrere Öffnungen in Form einer Punktmatrix in der Metallschicht erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a. Erzeugen eines Kunststoffrohlings, b. Chemisches oder physikalisches Abscheiden einer elektrisch leitfähigen ersten Metallschicht auf dem Kunststoffrohling, c. Strukturieren der ersten Metallschicht durch partielles Abtragen zur Ausbildung einer Struktur, und d. Elektrochemisches Abscheiden zumindest einer zweiten Metallschicht auf der strukturierten ersten Metallschicht, wobei die Strukturierung der ersten Metallschicht mittels Laserablation erfolgt, indem zur Ausbildung einer Struktur (40; 41; 42; 43) mehrere Öffnungen in Form einer Punktmatrix in die erste Metallschicht gelasert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Öffnung durch wenigstens zwei Linien gebildet wird, die in gleicher Ausrichtung nebeneinander in die erste Metallschicht gelasert werden.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffrohling wenigstens teilweise aus Polyamid, ABS oder ABS/Polykarbonat-Blend besteht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren ein Kunststoffbauteil (10) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet wird.