DE102016101456A1

DE102016101456A1 - Spritzgussbauteil mit Einlegeteil, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendungen dafür

Info

Publication number: DE102016101456A1
Application number: DE102016101456.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Buske; Artur Grishin; Kay Fehling; Alexander Knospe
Original assignee: Plasmatreat GmbH
Current assignee: Plasmatreat GmbH
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Spritzgussbauteils (64, 70, 90, 110) mit Einlegeteil (40, 72, 92, 112), bei dem ein Einlegeteil (40, 72, 92, 112) mit einer anorganischen Oberfläche (42) bereitgestellt wird und bei dem das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) im Spritzguss zumindest teilweise umspritzt wird, wobei der beim Spritzguss umspritzte Bereich der anorganischen Oberfläche (42) des Einlegeteils (40, 72, 92, 112) vor dem Umspritzen zumindest bereichsweise beschichtet wird, indem die anorganische Oberfläche (42) mit einem atmosphärischen Plasmastrahl (26, 48) und einem Precursor (28, 50) beaufschlagt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Spritzgussbauteil (64, 70, 90, 110) mit Einlegeteil (40, 72, 92, 112), wobei das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) eine zumindest teilweise umspritzte anorganische Oberfläche (42) aufweist und wobei zwischen der anorganischen Oberfläche (42) und dem umspritzten Kunststoff zumindest bereichsweise eine durch Plasmabeschichtung, insbesondere Plasmapolymerisation, aufgebrachte Schicht (44) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgussbauteil mit Einlegeteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Spritzgussbauteils mit Einlegeteil. Die Erfindung betrifft weiterhin vorteilhafte Verwendungen für ein solches Spritzgussbauteil.
Elektrische Bauteile werden zur besseren Handhabbarkeit, zur Isolation und zum Schutz vor Umwelteinflüssen im Spritzguss umspritzt. Bei der Herstellung eines solchen Spritzgussbauteils wird das elektrische Bauteil als Einlegeteil an gewünschter Position in einer Spritzgussform angeordnet. Anschließend wird der flüssige Kunststoff in das Spritzgießwerkzeug eingeleitet. Nach dem Aushärten des Kunststoffs ist das elektrische Bauteil in den Kunststoff eingebettet und geschützt.
Es hat sich herausgestellt, dass es bei Einlegeteilen mit einer anorganischen Oberfläche, insbesondere elektrischen Bauteilen aus Metall bzw. mit einer Metalloberfläche, schwierig ist, im Spritzguss einen mediendichten und langzeitbeständigen Verbund zwischen der Oberfläche des Einlegeteils und dem Kunststoff zu erreichen. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die Verbindung zwischen der Oberfläche des Einlegeteils und des Kunststoffs leicht von Wasser oder organischen Lösungsmitteln, wie zum Beispiel Öl oder Benzin, unterwandert werden kann, so dass derartige Medien in das Innere des Spritzgussbauteils gelangen und dessen Funktionsweise beeinträchtigen können, insbesondere durch Korrosion des Einlegeteils.
Es wurde versucht, die Oberfläche des Einlegeteils mit chemischen Primerlösungen zu bestreichen, um eine bessere Haftung zwischen der Oberfläche und dem Kunststoff zu erreichen. Allerdings ist dies verfahrenstechnisch sehr aufwändig, schwer automatisierbar und kostenintensiv. Weiterhin sind am Markt erhältliche Primersysteme in der Regel umweltschädlich und haben sich häufig als nicht ausreichend korrosionsbeständig erwiesen.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein mediendichtes Spritzgussbauteil mit Einlegeteil und ein zuverlässiges und ökonomisches Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Spritzgussbauteils mit Einlegeteil, bei dem ein Einlegeteil mit einer anorganischen Oberfläche bereitgestellt wird und bei dem das Einlegeteil im Spritzguss zumindest teilweise umspritzt wird, erfindungsgemäß zumindest teilweise dadurch gelöst, dass der beim Spritzguss umspritzte Bereich der anorganischen Oberfläche des Einlegeteils vor dem Umspritzen zumindest bereichsweise beschichtet wird, indem die anorganische Oberfläche mit einem atmosphärischen Plasmastrahl und einem Precursor beaufschlagt wird.
Es wurde festgestellt, dass sich eine mit einem atmosphärischen Plasmastrahl aufgebrachte Schicht besonders gut dazu eignet, um eine langzeitbeständige und mediendichte Verbindung zwischen der anorganischen Oberfläche des Einlegeteils und dem Kunststoff zu erzeugen. Versuche haben insbesondere gezeigt, dass derartig erzeugte Schichten besonders korrosions- und medienbeständig sind, so dass ein Unterwandern der Verbindung zwischen Oberfläche und Kunststoff durch Feuchtigkeit, Öl oder organische Lösungsmittel wie zum Beispiel Benzin unterdrückt bzw. verhindert wird. Weiterhin lässt sich eine solche atmosphärische Plasmabeschichtung einfach in einen Fertigungsprozess integrieren und automatisieren, so dass sich das vorgeschlagene Verfahren wirtschaftlich umsetzen lässt. Schließlich können mit dem beschriebenen Verfahren auch die aufwändigen, teuren und umweltschädlichen Primerlösungen aus dem Stand der Technik vermieden werden.
Das Einlegeteil weist eine anorganische Oberfläche auf. Eine stoffschlüssige und langzeitbeständige Verbindung zwischen einer anorganischen Oberfläche und einem Kunststoff ist in der Regel nicht ohne weiteres möglich. Durch die atmosphärische Plasmabeschichtung der Oberfläche lässt sich auch bei anorganischen Oberflächen eine gute Verbindung erreichen.
Bei der anorganischen Oberfläche kann es sich insbesondere um eine Metalloberfläche, eine Glasoberfläche oder um eine Keramikoberfläche handeln. Besonders bei einer Metalloberfläche wurden durch die atmosphärische Plasmabeschichtung gute Ergebnisse bei der Korrosions- und Mediendichtigkeit der Verbindung zwischen Oberfläche und Kunststoff erreicht. Als Metall kommt beispielsweise eine Bronze, eine Aluminiumlegierung, eine Messinglegierung, eine Kupferlegierung, ein Edelstahl, ein Kohlenstoffstahl oder ein verzinkter Stahl in Betracht.
Das Einlegeteil kann beispielsweise im Wesentlichen aus anorganischem Material, beispielsweise Metall, bestehen oder zumindest eine Komponente aus dem anorganischen Material aufweisen, die eine anorganische Oberfläche aufweist. Das Einlegeteil kann auch mit einem anorganischen Material, zum Beispiel einem Metall, beschichtet sein, so dass sich eine anorganische Oberfläche ergibt.
Das Einlegeteil wird im Spritzguss zumindest teilweise umspritzt. Unter dem Umspritzen wird verstanden, dass das Einlegeteil beim Spritzguss zumindest teilweise in Kunststoff eingebettet wird. Zu diesem Zweck wird das Einlegeteil insbesondere an gewünschter Stelle in einer Spritzgussform angeordnet, in die sodann flüssiger bzw. erweichter Kunststoff hinein gespritzt wird. Nach dem Erstarren oder Aushärten des Kunststoffs ist das Einlegeteil zumindest teilweise von dem Kunststoff umgeben bzw. in diesem eingebettet.
Der beim Spritzguss umspritzte Bereich der anorganischen Oberfläche des Einlegeteils wird vor dem Umspritzen zumindest bereichsweise beschichtet, insbesondere mit einer Haftvermittlerschicht, vorzugsweise mit einer organischen, insbesondere siliziumorganischen Haftvermittlerschicht. Unter dem beim Spritzguss umspritzten Bereich der anorganischen Oberfläche wird der Bereich verstanden, der nach dem Spritzgießen mit Kunststoff bedeckt bzw. in den Kunststoff eingebettet ist. Dieser Bereich stellt demnach einen Kontaktbereich zwischen dem Einlegeteil und dem Kunststoff dar. Dieser Kontaktbereich wird vor dem Umspritzen zumindest bereichsweise beschichtet, so dass die auf diese Weise aufgebrachte Schicht die Verbindung von anorganischer Oberfläche und Kunststoff verbessern kann.
Das Beschichten erfolgt, indem die anorganische Oberfläche mit einem atmosphärischen Plasmastrahl und einem Precursor beaufschlagt wird. Unter einem Plasmastrahl wird ein gerichteter, zumindest teilweise ionisierter Gasstrahl verstanden. Unter einem atmosphärischen Plasmastrahl wird verstanden, dass der Plasmastrahl in einer Umgebung mit im Wesentlichen Atmosphärendruck betrieben wird. Eine aufwändige Unterdruckumgebung ist damit nicht erforderlich.
Als Precursor wird insbesondere ein zur Herstellung einer Haftvermittlerschicht geeigneter Precursor verwendet, vorzugsweise ein organischer, insbesondere siliziumorganischer Precursor. Der Precursor kann in den Plasmastrahl gegeben werden, bevor dieser auf die anorganische Oberfläche trifft. Alternativ kann der Precursor auch auf die anorganische Oberfläche aufgebracht werden, die dann mit dem Plasmastrahl überstrichen wird.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin bei einem Spritzgussbauteil mit Einlegeteil, wobei das Einlegeteil eine zumindest teilweise umspritzte anorganische Oberfläche aufweist, erfindungsgemäß zumindest teilweise dadurch gelöst, dass zwischen der anorganischen Oberfläche und dem umspritzten Kunststoff zumindest bereichsweise eine durch Plasmabeschichtung, insbesondere Plasmapolymerisation, aufgebrachte Schicht angeordnet ist. Das Spritzgussbauteil mit Einlegeteil ist vorzugsweise mit dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar oder hergestellt.
Die mit der Plasmabeschichtung aufgebrachte Schicht führt zu einer langzeitbeständigen und mediendichten Verbindung zwischen Einlegeteil und Kunststoff, so dass auf diese Weise ein mediendichtes Spritzgussbauteil bereitgestellt wird.
Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß zumindest teilweise gelöst durch die Verwendung des zuvor beschriebenen Spritzgussbauteils bzw. einer Ausführungsform davon für den Einsatz in einer feuchten und lösungsmittelhaltigen Umgebung, insbesondere in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug.
Durch die höhere Langzeitbeständigkeit und Mediendichtigkeit der Verbindung zwischen der anorganischen Oberfläche des Einlegeteils und dem umspritzten Kunststoff eignen sich die Spritzgussbauteile besonders für Einsatzbereiche, in denen Bauteile besonderen Korrosions- oder Medienbelastungen durch die Umgebung ausgesetzt sind. Dies ist insbesondere in Fahrzeugen der Fall. Beispielsweise können offen liegende Spritzgussbauteile Feuchtigkeit und Spritzwasser ausgesetzt sein. Die hier beschriebenen Spritzgussbauteile können auch innerhalb von Kühl-, Schmier- oder Treibstoff-führenden Komponenten eingesetzt werden, da die Langlebigkeit und Mediendichtigkeit eine vorzeitige Beschädigung oder Zerstörung der Bauteile durch das Eindringen von Kühl-, Schmier- oder Treibstoffen verhindert.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben, die jeweils sowohl für das Verfahren zur Herstellung eines Spritzgussbauteils als auch für das Spritzgussbauteil selbst sowie für dessen Verwendung gelten. Die verschiedenen Ausführungsformen können zudem untereinander kombiniert werden.
Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens wird das Einlegeteil im Spritzguss nur teilweise umspritzt, so dass ein Bereich des Einlegeteil nach dem Spritzgießen freiliegt. Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Spritzgussbauteils ist das Einlegeteil nur teilweise umspritzt, so dass ein Bereich des Einlegeteils freiliegt. Bei dem freiliegenden Bereich kann es sich beispielsweise um einen Anschlussbereich handeln, um das Einlegeteil an andere Komponenten anzuschließen. Beispielsweise liegt bei einem Stecker ein Steckerstift frei, um diesen in eine Buchse einstecken zu können. Durch den freiliegenden Bereich des Einlegeteils ergibt sich ein ebenfalls freiliegender Übergang zwischen Einlegeteil und Kunststoff, der bei nicht ausreichend mediendichter Verbindung durch Feuchtigkeit oder andere Medien unterwandert werden kann. Daher ist das vorliegend beschriebene Verfahren bzw. das vorliegend beschriebene Spritzgussbauteil insbesondere zum Schutz eines solchen Übergangsbereichs geeignet.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Einlegeteil ein elektrisches Bauteil. Unter einem elektrischen Bauteil wird vorliegend ein im Betrieb stromführendes Bauteil verstanden. Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich um einen einfachen Leiter handeln oder auch um ein komplexeres elektronisches Bauteil, beispielsweise mit einem Mikrochip. Elektrische Bauteile sind besonders empfindlich gegenüber Feuchtigkeit oder aggressiven Medien wie zum Beispiel Ölen oder Lösungsmitteln. Durch die mittels Plasmabeschichtung erreichte Mediendichtigkeit werden derartige Bauteile besonders geschützt, so dass die Spritzgussbauteile eine längere Lebensdauer aufweisen bzw. in widrigeren Umgebungen, beispielsweise mit hoher Feuchtigkeit, verwendet werden können.
Insbesondere kann das Einlegeteil ein zu umspritzendes Steckerelement, einen zu umspritzenden Sensor oder eine zu umspritzende Leiterstruktur, insbesondere ein Leadframe, umfassen.
Bei dem Steckverbindungselement kann es sich insbesondere um einen Steckerstift oder um eine Steckerbuchse handeln, die mit Kunststoff umspritzt wird. Da das Steckverbindungselement zum Anschluss an ein korrespondierendes Steckverbindungselement vorgesehen ist, beispielsweise ein Steckerstift zum Anschluss an einer korrespondierende Steckerbuchse, ist das Steckverbindungselement nur teilweise mit Kunststoff umspritzt, während ein Teil des Steckverbindungselements freiliegt, um das Herstellen einer Steckverbindung zu ermöglichen. Durch die mittels Plasmabeschichtung aufgebrachte Schicht auf die Oberfläche des Steckverbindungselements kann ein Unterwandern der Kunststoffumhüllung insbesondere von der freiliegenden Seite des Steckverbindungselements unterbunden werden.
Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um einen Sensor mit einer freiliegenden Fläche handeln, d. h. mit einer Fläche, die nicht im Kunststoff eingebettet ist. Auf diese Weise kann der Sensor unmittelbar in Kontakt mit seiner Umgebung treten und auf diese Weise Informationen über die Umgebung messen, ohne durch eine Kunststoffschicht behindert zu werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensor um einen Temperatursensor oder um einen optischen Sensor handeln. Durch die mittels Plasmabeschichtung aufgebrachte Schicht wird ein Unterwanden der Kunststoffumhüllung des Sensors insbesondere von der freiliegenden Fläche des Sensors verhindert, so dass der gegenüber Feuchtigkeit und aggressiven Medien typischerweise besonders empfindliche Sensor geschützt wird.
Bei der Leiterstruktur kann es sich beispielsweise um ein Leitungsgerüst eines Schaltkreises handeln mit einer Mehrzahl elektrischer Kontaktpunkte zum Anschluss elektrischer Komponenten und mit einer Mehrzahl an Leitungsverbindungen, die die Kontaktpunkte elektrisch miteinander verbinden. Ein solches Leitungsgerüst wird im Spritzguss insbesondere derart umspritzt, dass zumindest einige der elektrischen Kontaktpunkte freibleiben, um elektrische Komponenten an die Kontaktpunkte anschließen zu können. Derartig umspritzte Leitungsgerüste werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet, um vorkonfektionierte elektrische Komponenten zu einem Schaltkreis zusammenzuschalten.
Bei der Leiterstruktur kann es sich insbesondere auch um ein Leadframe handeln. Unter einem Leadframe wird ein metallischer Leitungsträger in Form eines Rahmens oder Kamms verstanden, der zur Herstellung von Chipgehäusen von Mikrochips oder anderen elektrischen Bauteilen verwendet wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die anorganische Oberfläche vor dem Beschichten vorgereinigt, insbesondere plasmavorgereinigt, vorzugsweise durch Beaufschlagung mit einem atmosphärischen Plasmastrahl. Beispielsweise kann die anorganische Oberfläche zunächst mit dem atmosphärischen Plasmastrahl ohne Zugabe eines Precursors vorgereinigt und dann durch Zugabe eines Precursors beschichtet werden. Durch die Plasmavorreinigung kann eine bessere und gleichmäßigere Beschichtung der anorganischen Oberfläche erreicht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der atmosphärische Plasmastrahl mit einer Plasmadüse erzeugt, wobei die Plasmadüse eine Düsenöffnung aufweist, aus der im Betrieb der Plasmastrahl austritt. Auf diese Weise kann die Richtung des Plasmastrahls durch die Ausrichtung der Plasmadüse eingestellt werden, so dass eine zielgenaue Beaufschlagung der anorganischen Oberfläche des Einlegeteils ermöglicht wird. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die anorganische Oberfläche des Einlegeteils in einem vorgegebenen Bereich zu beschichten. Weiterhin lässt sich die relative Positionierung einer solchen Plasmadüse zum Einlegeteil gut automatisieren, so dass ein effizienter Produktionsverlauf ermöglicht wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der atmosphärische Plasmastrahl mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird. Als Arbeitsgas wird vorzugsweise Stickstoff verwendet. Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird typischerweise eine Spannung von 1–100 kV, insbesondere 1–50 kV, vorzugsweise 10–50 kV, bei einer Frequenz von 1–300 kHz, insbesondere 1–100 kHz, vorzugsweise 10–100 kHz, weiter bevorzugt 10–50 kHz verstanden. Auf diese Weise kann ein Plasmastrahl erzeugt werden, der sich gut fokussieren lässt und sich zudem gut für eine Plasmabeschichtung eignet. Insbesondere weit ein derart erzeugter Plasmastrahl eine verhältnismäßig geringe Temperatur auf, so dass eine Beschädigung des Einlegeteils verhindert werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Precursor in den Plasmastrahl eingeleitet. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Plasmadüse mit integrierter Precursorzufuhr verwendet werden. Der Precursor kann beispielsweise im Bereich des Düsenauslasses der Plasmadüse in den Plasmastrahl eingeleitet werden. Durch die Wechselwirkung des Precursors mit dem Plasmastrahl kann der Precursor chemisch aktiviert werden, so dass er auf der anorganischen Oberfläche eine dünne und gleichmäßige Schicht bildet. Insbesondere kann der Plasmastrahl eine Polymerisation des Precursors hervorrufen, so dass die Moleküle des Precursors miteinander vernetzen und damit eine vernetzte Schicht auf der anorganischen Oberfläche bilden. Das Einbringen des Precursors in den Plasmastrahl hat zudem den Vorteil, dass der Precursor fragmentiert und gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt werden kann.
Aus der EP 1 230 414 B1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks bekannt, bei der in den Bereich des Plasmastrahls ein Precursor eingebracht wird. Der Precursor kann dabei in der Düsenöffnung selbst oder im Bereich strömungsabwärts der Düsenöffnung in den Plasmastrahl eingebracht werden. Der Precursor reagiert dann innerhalb des Plasmas und bildet ein Reaktionsprodukt, das auf der zu behandelnden Oberfläche abgeschieden wird. Somit lassen sich Oberflächen mittels Plasmabeschichtung gleichmäßig beschichten.
Das Precursormaterial wird bevorzugt im gasförmigen Zustand in den Plasmastrahl eingebracht. Zudem kann der Precursor auch in einem flüssigen Zustand, gelöst oder dispergiert in einem Fluid, oder in festem, vorzugsweise pulverförmigem Zustand eingespeist werden. In diesem Fall verdampft bzw. schmilzt das Precursormaterial erst in der Reaktionszone des Plasmastrahls.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird als Precursor ein organischer, vorzugsweise siliziumorganischer, insbesondere ein siliziumorganisch funktionalisierter Precursor verwendet.
Mögliche Präkursoren sind: Siliziumorganische Verbindungen wie Hexamethyldisiloxan oder Tetraethoxysilan, aber auch funktionalisierte siliziumorganische Verbindungen mit Epoxidgruppe wie z. B. 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane, mit Acrylatgruppe wie γ-Methacryloxypropyl trimethoxysilan, mit Aminogruppe wie 3-Aminopropyltrimethoxysilane, 3-Aminopropyltriethoxysilan oder [3-(2-Aminoethyl)aminopropyl]trimethoxysilan, mit Vinylgruppe wie Vinyltrimethoxysilan oder 1,3-Divinyltetramethyldisiloxan, mit Thiolgruppen wie (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilan oder Sulfangruppen wie Bis[3-(triethoxysilyl)propyl]tetrasulfid. Desweiteren können auch rein organische also aliphatische, cyclische und aromatische Präkursoren eingesetzt werden wie z. B. Heptan, 1-Hexen, 1-Okten, 1-Heptin, 1,7-Oktadien, 1,5-Hexadien, 1,5-Cyclooktadien, Tolul und Xylole.
Ein besonders bevorzugter Precursor ist γ-Methacryloxypropyl trimethoxysilan, mit dem gute Haftvermittlereigenschaften erreicht wurden.
Weiterhin kann als Precursor auch eine Mischung aus mehreren der oben genannten Verbindungen verwendet werden.
Die zuvor beschriebenen Präkursoren haben sich als besonders geeignet erwiesen, um eine langzeitstabile und mediendichte Verbindung zwischen der anorganischen Oberfläche und dem umspritzten Kunststoff zu vermitteln.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Einlegeteil mit einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC), einem Flüssigkristallpolymer oder Mischungen daraus, wie zum Beispiel einer Mischung aus Polyamid und Polycarbonat, umspritzt. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Mediendichtigkeit wurden mit Polyamid, insbesondere mit PA6, PA66 und PA66/6, in Kombination mit einem Einlegeteil aus Metall und der mittels atmosphärischer Plasmabeschichtung aufgebrachten Schicht erzielt.
Anstelle von thermoplastischen Kunststoffen ist auch ein Umspritzen des Einlegeteils mit einem duroplastischen Kunststoff denkbar, beispielsweise mit einem Polyurethan oder einem Epoxidharz.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Spritzgussbauteil für den Einsatz in feuchter oder lösungsmittelhaltiger Umgebung eingerichtet, insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug. Beispielsweise kann es sich bei dem Spritzgussbauteil um einen in einem Medium wie zum Beispiel einem Kühl-, Schmier- oder Treibstoffmedium zu platzierenden Sensor handeln.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
In der Zeichnung zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel für eine Plasmadüse, die für das Verfahren verwendet werden kann,
2a–d ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Spritzgussbauteils mit Einlegeteil sowie ein Ausführungsbeispiel des Spritzgussbauteils mit Einlegeteil,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Spritzgussbauteils mit Einlegeteil,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Spritzgussbauteils mit Einlegeteil und
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Spritzgussbauteils mit Einlegeteil.
1 zeigt in schematischer Schnittansicht zunächst eine Plasmadüse, die in dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Spritzgussbauteils mit Einlegeteil eingesetzt werden kann.
Die Plasmadüse 2 weist ein Düsenrohr 4 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Düsenöffnung 6 verjüngt. Am der Düsenöffnung 6 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 4 eine Dralleinrichtung 8 mit einem Einlass 10 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Stickstoff.
Eine Zwischenwand 12 der Dralleinrichtung 8 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 14 auf, durch die das Arbeitsgas verdrallt wird. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 16 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft. An der Unterseite der Zwischenwand 12 ist mittig eine Elektrode 18 angeordnet, die koaxial in Richtung des verjüngten Abschnittes in das Düsenrohr hineinragt. Die Elektrode 18 ist elektrisch mit der Zwischenwand 12 und den übrigen Teilen der Dralleinrichtung 8 verbunden. Die Dralleinrichtung 8 ist durch ein Keramikrohr 20 elektrisch gegen das Düsenrohr 4 isoliert. Über die Dralleinrichtung 8 wird an die Elektrode 18 eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die von einem Transformator 22 erzeugt wird. Der Einlass 10 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer unter Druck stehenden Arbeitsgasquelle mit variablem Durchsatz verbunden. Das Düsenrohr 4 ist geerdet. Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form eines Lichtbogens 24 zwischen der Elektrode 18 und dem Düsenrohr 4 erzeugt.
Der Begriff ”Lichtbogen” wird hier als phänomenologische Beschreibung der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff ”Lichtbogen” wird aber bei Gleichspannungsentladung mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verstanden.
Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 4 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Düsenöffnung 6 zur Wand des Düsenrohres 4 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 24 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl 26 durch die Düsenöffnung 6 aus der Plasmadüse 2 austritt.
Zur Plasmabeschichtung einer Oberfläche wird die Oberfläche mit dem Plasmastrahl 26 und einem geeigneten Precursor 28 beaufschlagt. Insbesondere kann der Precursor 28 in den Plasmastrahl 26 eingebracht werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise im Bereich der Düsenöffnung 6 eine Precursorzuleitung angeordnet sein, die den Precursor 28 in den Plasmastrahl 26 einleitet. Eine solche Precursorzuleitung kann auch in die Plasmadüse 2 integriert sein. Beispielsweise kann an die Düsenöffnung 6 ein Rohr mit einer Precursorzuleitung angeschlossen sein, so dass der Plasmastrahl 26 durch das Rohr geführt wird und der Precursor im Rohr in den Plasmastrahl eingebracht wird. Ebenfalls ist eine Precursorzuleitung denkbar, die den Precursor in den Innenraum des Düsenrohrs 4 einbringt. Der Precursor kann auch zusammen mit dem Arbeitsgas durch den Einlass 10 in das Düsenrohr 4 eingebracht werden. Bevorzugt ist es jedoch, den Precursor 28 außerhalb des Düsenrohrs 4 in den Plasmastrahl einzubringen, um den Precursor 28 durch den Lichtbogen 24 oder die hohen Temperaturen innerhalb des Düsenrohrs 4 nicht zu beeinträchtigen.
Die Wechselwirkung des Plasmastrahls 26 mit dem Precursor 28 führt zu einer Aktivierung und ggf. Fragmentierung des Precursors 28. Der aktivierte Precursor 28 bildet dann beim Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche eine gleichmäßige Schicht aus.
Die 2a–d zeigen nun ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Spritzgussbauteils mit Einlegeteil sowie ein Ausführungsbeispiel des Spritzgussbauteils mit Einlegeteil.
In einem ersten, in 2a in schematischer Schnittansicht dargestellten Schritt wird zunächst ein Einlegeteil 40 bereitgestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Einlegeteil um einen Steckerstift. Das Verfahren kann in entsprechender Weise auch mit anderen Einlegeteilen durchgeführt werden. Der Steckerstift ist aus Metall und weist daher als anorganische Oberfläche 42 eine Metalloberfläche auf.
Es hat sich gezeigt, dass eine langzeitbeständige und mediendichte unmittelbare Verbindung der Metalloberfläche 42 mit einem Kunststoff schwer zu erreichen ist. Daher wird die Metalloberfläche 42 im zweiten, in 2b in schematischer Teilschnittansicht dargestellten Schritt mit einer durch atmosphärische Plasmabeschichtung aufgebrachten Schicht 44 versehen. Zu diesem Zweck wird mit einer Plasmadüse 46 ein atmosphärischer Plasmastrahl 48 erzeugt und auf die Metalloberfläche 42 gerichtet. Die Plasmadüse 46 kann insbesondere wie die in 1 dargestellte Plasmadüse 2 ausgebildet sein und der Plasmastrahl 48 kann demnach dem Plasmastrahl 26 entsprechen.
Dem Plasmastrahl 48 wird ein Precursor 50 zugeführt, so dass dieser durch den Plasmastrahl 48 aktiviert wird und zusammen mit dem Plasmastrahl 48 auf die Metalloberfläche gelangt, wo er durch Plasmapolymerisation die Schicht 44 bildet. Bei dem Precursor 50 kann es sich vorzugsweise um eine organische, insbesondere siliziumorganische Verbindung handeln.
Vor der Plasmabeschichtung kann die Metalloberfläche optional einer Plasmavorreinigung unterzogen werden. Beispielsweise kann die Metalloberfläche zur Vorreinigung zunächst nur mit dem Plasmastrahl 48 ohne Zugabe des Precursors 50 beaufschlagt werden, bevor der Precursor 50 dem Plasmastrahl 48 zugegeben wird.
In dem in 2c in schematischer Schnittansicht gezeigten dritten Schritt wird das beschichtete Einlegeteil 40 in einer Spritzgussform 52 angeordnet. Die Spritzgussform 52 besteht aus zwei Hälften 54a–b, die im zusammengesetzten Zustand einen Hohlraum 56 umschließen, der die äußere Form des herzustellenden Spritzgussbauteils vorgibt. Das Einlegeteil 40 ist so in der Spritzgussform 52 positioniert, dass ein Umspritzungsbereich 58 des Einlegeteils 40 innerhalb des Hohlraums 56 angeordnet ist und ein Anschlussbereich 60 des Einlegeteils 40 eng von der Spritzgussform 52 umfasst wird, so dass er außerhalb des Hohlraums 56 liegt. Der Umspritzungsbereich 58 umfasst zumindest teilweise den mit der Schicht 44 beschichteten Bereich der Metalloberfläche 42, so dass die Schicht 44 zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums 56 angeordnet ist.
Beim Spritzgießvorgang wird durch einen Angussstutzen 62 flüssiger Kunststoff unter Druck in die Spritzgussform 52 gespritzt, so dass der Kunststoff den Hohlraum 56 ausfüllt. Das Einlegeteil 40 wird dadurch im Umspritzungsbereich 58 vom Kunststoff eingebettet, wobei die Schicht 44 eine gute Haftung zwischen der Metalloberfläche 42 und dem Kunststoff vermittelt. Der Anschlussbereich 60 des Einlegeteils 40 bleibt beim Spritzgießvorgang frei von Kunststoff.
Nach dem Erstarren des Kunststoffs kann das fertige Spritzgussbauteil 64 der Spritzgussform 52 entnommen werden. Das fertige Spritzgussbauteil 64 ist in 2d in schematischer Schnittansicht dargestellt. Durch die Schicht 44 wird eine langzeitbeständige und mediendichte Verbindung zwischen dem Einlegeteil 40 und dem Kunststoff 66 gewährleistet. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Verbindung zwischen Einlegeteil 40 und Kunststoff 66 von Seiten des Anschlussbereichs 60 z. B. durch Feuchtigkeit, Öl oder organische Lösungsmittel unterwandert wird. Das auf diese Weise hergestellte Spritzgussbauteil 64 ist demnach besonders für den Einsatz in feuchter, öl- oder lösungsmittelhaltiger Umgebung geeignet, beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs oder innerhalb eines Kühlmittel-, Schmiermittel- oder Treibstoffleitungssystems oder -tanks.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spritzgussbauteils 70 mit Einlegeteil 72 in schematischer Ansicht. Bei dem Einlegeteil 72 handelt es sich um ein Leadframe für einen Mikrochip 74. Das Leadframe 72 umfasst eine Leiteranordnung 76 aus Metall mit einer Mehrzahl an Leitern, die jeweils von einem Kontaktpunkt des Mikrochips 74 nach außen zu einem lötbaren Kontaktfuß 78 führen. Zur besseren Handhabung ist die Leiteranordnung 76 in einen Rahmen 80 eingebettet.
Bei der Einhausung von Mikrochips wird der Mikrochip 74 in die Mitte der Leiteranordnung 76 gesetzt und die Kontaktpunkte des Mikrochips werden mit Golddrähten an die einzelnen Leiter der Leiteranordnung 76 gebonded. Zum Schutz des Mikrochips vor Umwelteinflüssen werden der Mikrochip 74 und die Leiteranordnung 76 dann im Spritzguss mit einem Kunststoffgehäuse 82 vergossen, wobei die Kontaktfüße 78 freibleiben. Nach dem Spritzgießen kann der fertig eingehauste Mikrochip, d. h. das fertige Spritzgussbauteil 70, vom Rahmen 80 getrennt werden.
Um zu verhindern, dass Feuchtigkeit oder andere Medien die Verbindung zwischen den Kontaktfüßen 78 und dem Kunststoffgehäuse 82 unterwandern, wird das Leadframe 72 vor dem Spritzgießen in dem an die freiliegenden Kontaktfüße 78 anschließenden Bereich 84 plasmabeschichtet, indem dieser Bereich 84 des Leadframes 72 mit einem Plasmastrahl und einem Precursor beaufschlagt wird. Die dadurch hergestellte Schicht gewährleistet eine langzeitbeständige und mediendichte Verbindung zwischen der Leiteranordnung 76 und dem Kunststoffgehäuse 82.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spritzgussbauteils 90 mit Einlegeteil 92 in schematischer Ansicht. Bei dem Einlegeteil 92 handelt es sich um ein Leadframe zur Herstellung einer Mehrzahl von Steckern. Das Leadframe 92 weist eine Mehrzahl von Leiterstrukturen 92 auf, die zur einfacheren Handhabung auf einem kammartigen Rahmen 94 angeordnet sind. Zur Herstellung der Stecker wird das Leadframe 92 in einer Spritzgussform angeordnet die für jede Leiterstruktur 92 einen separaten Hohlraum aufweist, so dass beim Spritzgießen jede Leiterstruktur 92 in einem separaten Kunststoffgehäuse 96 eingebettet wird, wobei jeweils ein Anschlussbereich 98 freibleibt. Nach dem Spritzgießen können die fertigen Stecker vom Rahmen 94 getrennt werden.
Um zu verhindern, dass Feuchtigkeit oder andere Medien die Verbindung zwischen den Leiterstrukturen 92 und dem Kunststoffgehäuse 96 unterwandern, wird das Leadframe 92 vor dem Spritzgießen im dem an die freiliegenden Anschlussbereiche 98 anschließenden Bereich 100 plasmabeschichtet, indem dieser Bereich 100 des Leadframes 92 mit einem Plasmastrahl und einem Precursor beaufschlagt wird. Die dadurch hergestellte Schicht gewährleistet beim fertigen Stecker eine langzeitbeständige und mediendichte Verbindung zwischen der Leiterstruktur 92 und dem Kunststoffgehäuse 96.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spritzgussbauteils 110 mit Einlegeteil 112 in schematischer Schnittansicht. Bei dem Einlegeteil 112 handelt es sich um einen Sensor mit einer an einer Außenseite des Spritzgussbauteils 110 angeordneten Sensorfläche 114, über die der Sensor 112 eine Eigenschaft der Umgebung messen kann, beispielsweise die Temperatur oder die Helligkeit. Der Sensor 112 ist durch Spritzgießen in ein Kunststoffgehäuse 116 eingebettet, das die Elektronik des Sensors 112 vor Umwelteinflüssen schützt. Um ein Unterwandern der Verbindung zwischen dem Sensor 112 und dem Kunststoffgehäuse 116 von Seiten der Sensorfläche 114 zu verhindern, wird der Sensor 112 vor dem Spritzgießen in dem an die Sensorfläche 114 angrenzenden Bereich 118 plasmabeschichtet, indem dieser Bereich 118 mit einem Plasmastrahl und einem Precursor beaufschlagt wird. Die dadurch hergestellte Schicht gewährleistet eine langzeitbeständige und mediendichte Verbindung zwischen Sensor 112 und Kunststoffgehäuse 116.
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Spritzgussbauteils mit Einlegeteil lassen sich demnach langzeitbeständige und mediendichte Spritzgussbauteile herstellen, die sich insbesondere zum Einsatz in feuchter oder lösungsmittelhaltiger Umgebung eignen, insbesondere in einem Fahrzeug wie zum Beispiel einem Kraftfahrzeug oder einem Luftfahrzeug.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1230414 B1 [0031]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Spritzgussbauteils (64, 70, 90, 110) mit Einlegeteil (40, 72, 92, 112), – bei dem ein Einlegeteil (40, 72, 92, 112) mit einer anorganischen Oberfläche (42) bereitgestellt wird und – bei dem das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) im Spritzguss zumindest teilweise umspritzt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der beim Spritzgießen umspritzte Bereich der anorganischen Oberfläche (42) des Einlegeteils (40, 72, 92, 112) vor dem Umspritzen zumindest bereichsweise beschichtet wird, indem die anorganische Oberfläche (42) mit einem atmosphärischen Plasmastrahl (26, 48) und einem Precursor (28, 50) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) im Spritzguss nur teilweise umspritzt wird, so dass ein Bereich (60, 98) des Einlegeteil (40, 72, 92, 112) nach dem Spritzgießen freiliegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Oberfläche (42) eine Metall-, Glas- oder Keramikoberfläche ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) ein elektrisches Bauteil ist und vorzugsweise ein zu umspritzendes Steckerelement, einen zu umspritzenden Sensor oder eine zu umspritzende Leiterstruktur, insbesondere ein Leadframe, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der atmosphärische Plasmastrahl (26, 48) mit einer Plasmadüse (2, 46) erzeugt wird, wobei die Plasmadüse (2, 42) eine Düsenöffnung (6) aufweist, aus der im Betrieb der Plasmastrahl (26, 48) austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der atmosphärische Plasmastrahl (26, 48) mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt wird, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Precursor (28, 50) in den Plasmastrahl eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Precursor (28, 50) ein organischer, insbesondere siliziumorganischer, vorzugsweise siliziumorganisch funktionalisierter Precursor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) mit einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat, einem Flüssigkristallpolymer oder Mischungen daraus, oder mit einem duroplastischen Kunststoff, insbesondere Polyurethan oder einem Epoxidharz, umspritzt wird.
Spritzgussbauteil (64, 70, 90, 110) mit Einlegeteil (40, 72, 92, 112), insbesondere herstellbar oder hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) eine zumindest teilweise umspritzte anorganische Oberfläche (42) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der anorganischen Oberfläche (42) und dem umspritzten Kunststoff zumindest bereichsweise eine durch Plasmabeschichtung, insbesondere Plasmapolymerisation, aufgebrachte Schicht (44) angeordnet ist.
Spritzgussbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) nur teilweise umspritzt ist, so dass ein Bereich (60, 98) des Einlegeteil (40, 72, 92, 112) freiliegt.
Spritzgussbauteil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (40, 72, 92, 112) ein elektrisches Bauteil ist, insbesondere umfassend ein umspritztes Steckerelement, einen umspritzten Sensor oder eine umspritzte Leiteranordnung.
Spritzgussbauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussbauteil (64, 70, 90, 110) für den Einsatz in feuchter oder lösungsmittelhaltiger Umgebung eingerichtet ist, insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug.
Verwendung eines Spritzgussbauteils (64, 70, 90, 110) nach einem der Ansprüche 10 bis 13 für den Einsatz in einer feuchten und lösungsmittelhaltigen Umgebung, insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug oder Luftfahrzeug.