DE102016012956B3

DE102016012956B3 - Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils mit metallischer Oberfläche und hiermit hergestellte Fahrzeugteile

Info

Publication number: DE102016012956B3
Application number: DE102016012956.5A
Authority: DE
Inventors: Maik König
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-10-29
Filing date: 2016-10-29
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2036-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils mit metallischer Oberfläche (310), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeugs (100); – Auftragen einer dünnen Metallschicht (310) auf die Kavitätswandung (135) des geöffneten Spritzgießwerkzeugs (100); – Schließen des Spritzgießwerkzeugs (100) und Ausführen eines Spritzgießvorgangs, wobei die dünne Metallschicht (310) mit Kunststoff hinterspritzt wird; – Öffnen des Spritzgießwerkzeugs (100) und Entformen des Kunststoffteils, nachdem der Kunststoff verfestigt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein verfahrensgemäß hergestelltes Fahrzeuginnenteil sowie ein verfahrensgemäß hergestelltes Fahrzeugaußenteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils mit metallischer Oberfläche, insbesondere mit einer verchromten Oberfläche. Die Erfindung betrifft ferner zwei verfahrensgemäß hergestellte Fahrzeug-Kunststoffteile mit metallischer Oberfläche.
Kunststoffteile können zumindest teilweise bzw. bereichsweise mit einer metallischen Oberfläche versehen werden, die einen Designakzent setzt und/oder eine technische Funktion (bspw. eine Schutz- oder Reinigungsfunktion) hat.
Die DE 10 2007 052 849 A1 beschreibt die Herstellung eines teilweise verchromten Fahrzeuginnenteils durch Spritzgießen eines Kunststoffmaterials und anschließendes galvanisches Aufbringen eines Chromüberzugs. Nur einige Kunststoffe sind hierfür geeignet, wie bspw. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polycarbonat (PC).
Die DE 103 08 989 B4 beschreibt die Herstellung eines mehrschichtigen Kunststoffformteils, bspw. eines Automobilteils, durch Hinterspritzen einer mittels Plasmabehandlung vorbehandelten Metallfolie, die zwischen die Werkzeughälften einer Spritzgießmaschine eingelegt wird.
Die DE 10 2011 016 757 A1 beschreibt ein den nächstliegenden Stand der Technik bildendes Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundbauteils, umfassend die Verfahrensschritte:

– Einlegen eines bspw. aus Stahlblech gebildeten Dekorelements in die geöffnete Werkzeugkavität eines Spritzgießwerkzeugs;
– Durchführen einer die Haftung der freiliegenden Oberfläche des Dekorelements steigernden Maßnahme;
– Schließen des Spritzgießwerkzeugs;
– Einspritzen eines ersten plastifizierten Kunststoffs und nachfolgendes Einspritzen eines zweiten plastifizierten Kunststoffs zur Bildung eines Grundkörpers;
– Öffnen des Spritzgießwerkzeugs und Entformen des Kunststoffverbundbauteils.

Zum Stand der Technik wird außerdem hingewiesen auf die DE 103 43 259 A1 und DE 20 2007 018 495 U1 .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils mit zumindest bereichsweise metallischer Oberfläche anzugeben, welches wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist und welches insbesondere auch dazu geeignet ist, nahezu beliebige Kunststoffe mit einer Metallschicht zu versehen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit den nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf Fahrzeugteile bzw. Fahrzeugbauteile, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils, insbesondere eines Fahrzeug- bzw. Automobilteils, mit zumindest bereichsweise metallischer Oberfläche weist die folgenden, insbesondere automatisiert ausgeführten, Schritte auf:

– Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeugs;
– Aufbringen bzw. Auftragen einer dünnen Metallschicht auf die Kavitätswandung des geöffneten Spritzgießwerkzeugs, wobei die dünne Metallschicht durch Zerstäuben eines Metallpulvers mittels Zerstäubungsdüse, durch Lichtbogendrahtspritzen oder durch Kaltgasspritzen auf die Kavitätswandung aufgebracht wird;
– Schließen des Spritzgießwerkzeugs und Ausführen eines Spritzgießvorgangs, wobei die auf der Kavitätswandung aufgebrachte Metallschicht mit Kunststoff hinterspritzt wird;
– Öffnen des Spritzgießwerkzeugs und Entformen des Kunststoffteils, nachdem der eingespritzte Kunststoff durch Abkühlen und/oder Aushärten verfestigt ist.

Die beim Spritzgießvorgang in die geschlossene Kavität eingespritzte flüssige Kunststoffmasse wird mit hohem Druck und vorzugsweise auch mit hoher Temperatur auf die zuvor auf die Kavitätswandung aufgetragene dünne Metallschicht aufgebracht. Dabei entsteht weitgehend unabhängig vom Metall- und Kunststoffmaterial eine dauerhafte mikroformschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff und der dünnen Metallschicht. Gegebenenfalls kann sich sogar auch eine stoffschlüssige Verbindung ausbilden. Die Metallschicht benetzt bzw. behaftet also nur vorübergehend bzw. temporär die Kavitätswandung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die umweltfreundliche und kostengünstige Herstellung oberflächenmetallisierter Kunststoffteile mit geringem Aufwand, kurzer Taktzeit und weitgehend ohne Material- bzw. Materialkombinationseinschränkungen.
Bevorzugt weist die auf die Kavitätswandung aufgebrachte dünne Metallschicht eine Schichtdicke von nicht mehr als 100 μm, bevorzugt nicht mehr als 50 μm und insbesondere nicht mehr als 20 μm auf. Dies entspricht dann im Wesentlichen auch der Dicke der metallischen Oberflächenbeschichtung am hergestellten Kunststoffteil.
Die dünne Metallschicht kann durch Zerstäuben eines Metallpulvers (bspw. Aluminium-, Edelstahl- oder Kupferpulver; s. u.) oder Metallpulvergemischs mittels Zerstäubungsdüse aufgebracht werden. Dieser Vorgang kann ähnlich wie beim Pulverbeschichten durch Anlegen eines elektrischen Feldes unterstützt werden. Anstatt eines trockenen Metallpulvers können prinzipiell auch metallpulverhaltige bzw. Metallpartikel enthaltende Flüssigkeiten (ähnlich einem Metalleffektlack) verwendet werden.
Die dünne Metallschicht kann auch durch Lichtbogendrahtspritzen (LDS) oder Kaltgasspritzen (CGDM) auf die Kavitätswandung aufgebracht werden. Beide Verfahren sind für andere Anwendungsfälle aus dem Stand der Technik bekannt.
Die genannten Aufbringungs- bzw. Auftragungsverfahren bilden eine porenhaltige dünne Metallschicht. Der Kunststoff kann sich dann mittels Verankerungen in diesen Metallporen sehr gut mit der Metallschicht. verbinden, wodurch eine besonders feste mikroformschlüssige Verbindung entsteht. Über die gezielte Einstellung von Verfahrensparametern können Metallschichten erzeugt werden, die eine besonders günstige Porenstruktur aufweisen.
Auf die zuvor auf die Kavitätswandung aufgetragene dünne Metallschicht kann zusätzlich ein Haftvermittler aufgebracht bzw. aufgetragen werden, der eine stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen dem Kunststoff und der dünnen Metallschicht begünstigt. Der Haftvermittler wird vorzugsweise aufgesprüht.
Als Kunststoff kann jeder spritzgießgeeignete Kunststoff verwendet werden. Vorzugsweise wird ein thermoplastischer Kunststoff verwendet, der als Kunststoffschmelze in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingespritzt wird. Es kann aber auch ein duroplastischer Kunststoff verwendet werden, der insbesondere als heißhärtendes Harz in die Kavität eingespritzt wird. Die Wärme (Schmelzewärme bzw. Härtungswärme) begünstigt die Verbindung mit der dünnen Metallschicht. Der Kunststoff kann außerdem zur Herstellung eines FKV-Bauteils mit Verstärkungsfasern versetzt sein und/oder zur Herstellung eines Kunststoffschaumbauteils chemisch oder physikalisch aufgeschäumt werden.
Vorzugsweise besteht die dünne Metallschicht im Wesentlichen aus Aluminium oder Edelstahl (rostfreier Stahl), zur Ausbildung einer Aluminium- oder Edelstahloberfläche auf dem herzustellenden Kunststoffteil. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise eignet sich aber auch zur Ausbildung höherwertigerer Metallbeschichtungen, insbesondere aus Silber oder Gold, und kann somit andere aufwändigere, teurere und/oder umweltbelastendere Verfahren zum Versilbern oder Vergolden ersetzten.
Die dünne Metallschicht kann im Wesentlichen auch aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung bestehen. Bevorzugt ist dann vorgesehen, dass das mit einer Kupferschicht versehene Kunststoffteil nach dem Entformen aus dem Spritzgießwerkzeug in einem weiteren Schritt noch verchromt wird, insbesondere in einem galvanischen Verfahren, wie in der DE 10 2007 052 849 A1 beschrieben. Fast alle Kunststoffe lassen sich auf diese Weise verchromen, ohne dass eine Vorbehandlung in einem Beizebad oder dergleichen erforderlich ist.
Die Erfindung eignet sich zur Herstellung eines Fahrzeuginnenteils, bspw. einer Luftauslassdüse oder eines Türöffners, oder eines Fahrzeugaußenteils, bspw. eines Front- bzw. Kühlergrills, mit einem Kunststoffkörper bzw. Kunststoffgrundkörper, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, der zumindest teilweise bzw. bereichsweise eine metallisierte bzw. metallische Oberfläche, insbesondere eine verchromte Oberfläche, aufweist. Ein solches Fahrzeugteil bzw. -bauteil zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Kunststoff bzw. Kunststoffkörper und die Metallschicht mikroformschlüssig verbunden sind, wie oben erläutert.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
1 veranschaulicht in zwei schematischen Einzeldarstellungen den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf.
2 zeigt in einer schematischen und nicht maßstabsgerechten Schnittansicht ein verfahrensgemäß hergestelltes Kunststoffbauteil mit einem Kunststoffkörper und einer metallischen Oberfläche.
1a zeigt ein geöffnetes Spritzgießwerkzeug 100 mit zwei Werkzeughälften 110 und 120 und einer Werkzeugkavität 130. Die gezeigte Werkzeugausrichtung ist nur beispielhaft. Mithilfe einer Metallisierungsdüse 200, die an eine Lanze 210 befestigt ist, wird auf die Kavitätswandung bzw. -oberfläche 135 eine dünne Metallschicht 310, bspw. aus Aluminium oder Edelstahl, aufgetragen. Geeignete Aufbringungs- bzw. Auftragverfahren sind oben beschrieben. Die Metallschicht 310 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nur auf die Kavitätsoberfläche der linken Werkzeughälfte 120 aufgetragen. Die dünne Metallschicht 310 kann vollflächig oder nur bereichsweise aufgetragen werden. Ferner kann die dünne Metallschicht 310 mit homogener Schichtdicke oder inhomogener Schichtdicke aufgetragen werden. In gleicher Weise kann auch auf die Kavitätsoberfläche der rechten Werkzeughälfte 110 eine dünne Metallschicht aufgetragen werden. Gegebenenfalls können hierbei auch unterschiedliche Metalle oder Metalllegegierungen verwendet werden.
Nach dem Schließen des Spritzgießwerkzeugs 100 wird eine Kunststoffschmelze 320 in die Kavität 130 eingespritzt, wie in 1b gezeigt. Das Spritzgießen erlaubt eine weitgehend freie Formgestaltung. Hierbei wird die Metallschicht 310 vom Kunststoff 320 hinterspritzt, wobei sich eine mikroformschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff 320 und der dünnen Metallschicht 310 ausbildet.
Nachdem die Kunststoffschmelze 320 verfestigt ist, kann das Spritzgießwerkzeug 100 geöffnet und das mit metallischer Oberfläche ausgebildete Kunststoffteil 300 (siehe 2) entnommen und gegebenenfalls einer weiteren Bearbeitung (bspw. Entgratung, Beschriftung oder dergleichen) zugeführt werden.
Auf diese Weise kann auch ein Kunststoffteil 300 mit einer Kupferschicht hergestellt werden. Dieses kann dann in einem nachgeschalteten Schritt verchromt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils (300) mit metallischer Oberfläche (310), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeugs (100); – Aufbringen einer dünnen Metallschicht (310) auf eine Kavitätswandung (135) des geöffneten Spritzgießwerkzeugs (100); – Schließen des Spritzgießwerkzeugs (100) und Ausführen eines Spritzgießvorgangs, wobei die dünne Metallschicht (310) mit Kunststoff (320) hinterspritzt wird; – Öffnen des Spritzgießwerkzeugs (100) und Entformen des Kunststoffteils (300), nachdem der Kunststoff (320) verfestigt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Metallschicht (310) durch Zerstäuben eines Metallpulvers mittels Zerstäubungsdüse (200), durch Lichtbogendrahtspritzen oder durch Kaltgasspritzen auf die Kavitätswandung (135) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Metallschicht (310) nicht mehr als 100 μm, bevorzugt nicht mehr als 50 μm und insbesondere nicht mehr als 20 μm dick ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die dünne Metallschicht (310) zusätzlich ein Haftvermittler aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoplastischer Kunststoff oder ein duroplastischer Kunststoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Metallschicht (310) aus Aluminium oder Edelstahl besteht.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Metallschicht (310) aus Kupfer besteht und dass das Kunststoffteil (300) nach dem Entformen in einem weiteren Schritt noch verchromt wird.
Fahrzeuginnenteil aus Kunststoff mit einer metallischen Oberfläche (310), hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 5.
Fahrzeuginnenteil aus Kunststoff mit einer verchromten Oberfläche, hergestellt mit dem Verfahren gemäß Anspruch 6.
Fahrzeugaußenteil aus Kunststoff mit einer metallischen Oberfläche (310), hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 5.
Fahrzeugaußenteil aus Kunststoff mit einer verchromten Oberfläche, hergestellt mit dem Verfahren gemäß Anspruch 6.