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Die Erfindung betrifft ein selektiv metallisierbares Kunststoffteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Galvanisierungsverfahren von Kunststoff bekannt, welche in mehreren aufeinanderfolgenden, zeitaufwändigen Schritten ablaufen. Zunächst bedarf es der Galvanisierungsvorbereitung mittels oxidativen Metallsalzlösungen zum Aufrauen der Oberfläche. Anschließend wird der Kunststoff mit Metallkeimen aktiviert, um dann mit Kupfer oder Nickel chemisch metallisiert zu werden. Schließlich erfolgt die Aufbringung bzw. Abscheidung der eigentlichen Metallschicht in den entsprechenden Galvanisierbädern.
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Dieses bekannte Vier-Schritt-Verfahren ist insbesondere dahingehend nachteilig, da die oxidativen Metallsalzlösungen sowie die Verwendung des Schwermetalls Nickel eine deutliche Gesundheitsgefährdung für das Personal und auch für die Umwelt darstellen. Ferner ist eine entsprechende Kunststoffgalvanisierung nach dem bekannten Vier-Schritt-Verfahren zudem nachteilig, da aufgrund der vier durchzuführenden, einzelnen Schritte eine lange Herstellungszeit für die resultierenden Werkstücke bedingt ist. Nach jedem Schritt bedarf es in der Regel der Trocknung der Zwischenschicht. Ferner ist es mehr als schwierig und komplex, lediglich gewünschte partielle Bereiche des Kunststoffteils zu galvanisieren. Dies ist mit bekannten Tauchverfahren nahezu unmöglich. Ein solches Verfahren ist bspw. aus
EP 1 332 238 B1 bekannt, wobei stets auf die komplette Oberfläche eines Substrats eine Bekeimungsschicht aufgebracht wird. Zuvor wird in Bereichen, die nicht mit einer Metallschicht versehen werden sollen, eine lösliche Waschfarbe aufgebracht, wobei nach dem Aufbringen der Bekeimungsschicht die Waschfarbe mitsamt der darüber befindlichen Bekeimungsschicht entfernt wird, so dass anschließend nur die Bereiche mit einer Metallschicht versehen werden können, die nicht mit der Waschfarbe bedruckt wurden.
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Insbesondere im Automobilsektor wird die Verchromung von Kunststoffoberflächen entweder mittels aufwendigem Mehrkomponentenspritzguss-Verfahren oder durch das Zusammenfügen eines, wie oben beschriebenen, verchromten Bauteils mit dem unverchromten Kunststoffbauteil umgesetzt. Gerade bei dem Mehrkomponentenspritzguss-Verfahren bestehen die Nachteile in dem aufwändigen Herstellungsverfahren sowie in der Kombination der Werkstoffe. So sind beispielsweise Strichdicken von kleiner 1,5 mm nicht realisierbar. Auch ist die Formenvielfalt durch das Mehrkomponentenspritzguss-Verfahren begrenzt, da sich hier stets nur Materialpaarungen bedingen, welche einen festen Haftverbund untereinander ermöglichen. Dünne, mehrschichtige, metallische Oberflächen sind mit dem Mehrkomponentenspritzguss-Verfahren nicht zu realisieren. Gerade diese dünnen, metallischen Kunststoffoberflächen sind im Kraftfahrzeuginnenraum wünschenswert, dass sie eine optische und ästhetische Aufwertung der reinen Kunststoffoberfläche bedingen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Kunststoffteil bereitzustellen, welches geometrieunabhängig mit Metall beschichtet ausgebildet werden kann. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches insbesondere im Hinblick auf Umwelt und Gesundheit verträglicher ist, als die bisher bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik und zudem schneller und einfacher durchführbar ist. Zudem ist es ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine selektive Galvanisierung von Kunststoffen ermöglicht, welche in dem herkömmlichen Galvanisierungsprozess nicht verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie dem nebengeordneten Anspruch 6 gelöst.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass das Kunststoffteil wenigstens einen zumindest teilweise gekrümmt ausgebildeten Trägerabschnitt aus mindestens einem thermoplastischen Kunststoff aufweist, wobei der Trägerabschnitt an wenigstens einer Oberfläche zumindest teilweise eine leitfähige Schicht aufweist, auf welcher wenigstens ein Metall und/oder eine Metall enthaltende Verbindung aufgebracht ist.
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Das Kunststoffteil und/oder wenigstens der zumindest teilweise gekrümmt ausgebildete Trägerabschnitt des Kunststoffteils ist aus wenigstens einem Kunststoff ausgebildet, welcher vorteilhaft mittels Spritzgussverfahren verarbeitet werden kann.
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Vorteilhaft ist der Trägerabschnitt derjenige Abschnitt des Kunststoffteils, welcher zu metallisieren ist. Weiterhin vorteilhaft handelt es sich bei dem zu metallisierenden Trägerabschnitt nicht um das komplette Kunststoffteil, sondern lediglich um einen vorbestimmbaren Abschnitt, welcher weiterhin vorteilhaft zumindest teilweise gekrümmt ausgebildet ist. Gerade derart konvex und/oder konkav gekrümmte Kunststoffoberflächen sind nach bisherigem Kenntnisstand nicht zufriedenstellend metallisierbar und/oder galvanisierbar, insbesondere wenn es sich zusätzlich um Kunststoffe wie Polycarbonat oder Polymetyhlmethacrylat handelt, welche mit dem klassischen Galvanisierungsprozess nicht metallisiert werden können.
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Weiterhin vorteilhaft weist der Trägerabschnitt an wenigstens einer Oberfläche zumindest teilweise eine leitfähige Schicht auf. Besonders vorteilhaft ist diese Schicht elektrisch leitend und/oder temperaturleitend ausgebildet. Diese Eigenschaft hat den Vorteil, dass auf dieser leitfähigen Schicht wenigstens ein Metall und/oder eine Metall enthaltende Verbindung aufgebracht werden kann, sodass sich ein Verbund ergibt. Das wenigstens eine Metall und/oder die Metall enthaltende Verbindung geht mit der leitfähigen Schicht vorteilhaft eine chemische und/oder physikalische Verbindung ein, so dass sich ein untrennbarer Verbund ergibt.
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Auf der leitfähigen Schicht ist weiterhin vorteilhaft wenigstens ein Metall und/oder eine Metall enthaltende Verbindung, besonders vorteilhaft als Schicht, aufgebracht. Im einfachsten Ausführungsbeispiel weist diese Schicht Chrom auf.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die leitfähige Schicht aus der Gruppe Metalle, Metallverbindungen, Metalloxidverbindungen und/oder einer Kombination hieraus ausgewählt.
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Die leitfähige Schicht, welche zumindest teilweise auf dem Trägerabschnitt aufgebracht ist, stellt eine Zwischenschicht und/oder eine Vermittlerschicht dar, so dass darauf das gewünschte Metall, vorteilhaft mittels Galvanisierung, abscheidbar ist. Durch Vorsehen von wenigstens Silberkationen und/oder elementarem Silber in der leitfähigen Schicht wird eine deutliche Haftungsverbesserung einer weiteren Beschichtung, vorteilhaft der Galvanisierungsbeschichtung, erzielt, welche auf die leitfähige Schicht aufgebracht ist.
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Der Trägerabschnitt, welcher vorteilhaft Bestandteil des Kunststoffteils ist, kann oberflächenbehandelt sein. Unter oberflächenbehandelt ist jegliche Art und Weise zu verstehen, die ursprüngliche Ausgangsoberfläche des Kunststoffteils und/oder des Trägerabschnitts zu verändern, beispielsweise wenigstens eine Beschichtung aufzubringen. Vorteilhaft ist die Beschichtung als leitfähige Beschichtung ausgebildet. Unter leitfähig sind jegliche Formen an Leitfähigkeit zu verstehen, welche physikalisch und/oder chemisch möglich sind, beispielsweise elektrisch leitfähig. So ist zudem auch denkbar, dass die leitfähige Schicht als thermisch leitfähige Schicht ausgebildet ist, welche eine erhöhte Temperaturbeaufschlagung des Kunststoffsubstrats schnell und zuverlässig aus diesem ableitet, um beispielsweise ein Schmelzen zu verhindern.
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Die wenigstens eine leitfähige Schicht ist zumindest teilweise auf dem Trägerabschnitt aufgebracht. Die Aufbringung erfolgt in Abhängigkeit des Metallisierungswunsches, da die spätere Metallisierung und/oder Galvanisierung nur dort stattfindet, wo die leitfähige Schicht auf der Kunststoffoberfläche aufgebracht ist.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Schicht mit einer Schichtdicke von 0,01 µm bis 8 mm, vorteilhafter von 0,5 µm bis 1 mm, auf dem Trägerabschnitt aufzubringen. Dieser Schichtdickenbereich ist auch auf dünnwandigen Folien applizierbar, ohne dass deren Biegsamkeit verloren geht. Zudem ist aber auch die Schichtdicke dünn genug, dass beim Aushärten der Schicht Risse oder Abplatzungen vermieden werden.
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Es hat sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, dass die leitfähige Schicht wenigstens ein Metall, vorteilhaft wenigstens eine Silberverbindung, beispielsweise Silbernitrat, Silberacetat, Silberchlorid, Silberoxid und/oder elementares Silber enthält. Das Metall stellt sicher, dass die leitfähige Schicht elektrisch leitend und/oder thermisch leitend ausgebildet ist. Insbesondere die Verwendung von Silber erweist sich als vorteilhaft, da derartige leitfähige Schichten korrosionsbeständig sind und sich zugleich, vorteilhaft ohne Vorbehandlung der Kunststoffoberfläche, auf diese aufbringen lassen und entsprechend anhaften.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen Trägerabschnitt und leitfähiger Schicht wenigstens ein Haftvermittler aufgebracht und/oder die leitfähige Schicht selbst weist wenigstens einen Haftvermittler auf.
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Dies ist von Vorteil, da somit der Verbund zwischen Kunststoffoberfläche und Beschichtung deutlich gestärkt wird. Der wenigstens eine Haftvermittler dient der Adhäsion zwischen leitfähiger Schicht und Kunststoffoberfläche und verhindert das Abpeelen der leitfähigen Schicht bei Kraftbeaufschlagung oder Bauteilbeanspruchung. Somit wird sichergestellt, dass die leitfähige Schicht dauerhaft und unlösbar an der Kunststoffoberfläche angeordnet ist.
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Je nach Ausführungsform ist denkbar, dass der Haftvermittler als vollständige Schicht zwischen Trägerabschnitt und leitfähiger Schicht ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft nimmt der Haftvermittler diejenige, geometrische Form einer Schicht an, welche später auch metallisiert werden soll. Somit ist eine Vielzahl an geometrischen Formen und Strukturen umsetzbar.
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Selbstverständlich ist dies nicht begrenzend zu verstehen, sodass es auch denkbar ist, auf das Vorsehen der Haftvermittlerschicht zwischen Trägerabschnitt und leitfähiger Schicht zu verzichten. Es hat sich hierbei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn direkt die leitfähige Schicht selbst den Haftvermittler aufweist, welcher dann nach Auftragung der leitfähigen Schicht auf den Trägerabschnitt eine chemische und/oder physikalische Verbindung mit den Trägerabschnitt eingeht. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein Herstellungsschritt eingespart werden kann, was zudem zu einer zusätzlichen Zeitersparnis und Kostenersparnis führt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Haftvermittler wenigstens einen Härter und wenigstens ein Bindemittel auf. Vorteilhaft weist der Haftvermittler wenigstens eine polyolefinische Verbindung und/oder silanhaltige Verbindung, beispielsweise mit zusätzlich funktionellen Gruppen wie Vinyl-, Methacrylsäure-, Epoxy-, Amino-, Harnstoff- oder Thiol-Gruppen und/oder metallorganische Verbindung, wie beispielsweise Titantetraisopropylat, Zirkontetrabutylat oder wenigstens einen Chelat-Komplex, auf.
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Ist der Haftvermittler vorteilhaft bereits in der leitfähigen Schicht vorgesehen, so kann der Haftvermittler auch auf Polyethylenterephthalat-Basis, Polyvinylchlorid-Basis, Polyurethan-Basis und/oder Epoxid-Basis bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Kunststoffteil und/oder der Trägerabschnitt wenigstens Polycarbonat, Polypropylen, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Celluloseacetat, Celluloosenitrat, High Impact Polytyrene, Polybutylenterephthalat, Polyester, Polyetherimid, Polyethersulfon, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polyimid, Polylactid, Polymethacrylmethylimid, Polytrimethylenterephthalat, Polymethylmethacrylat, Polyacetal, Polyphenylenether, Acryl-Butadien-Styrol , Polystyrol, Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Styrol-Acrylnitril- Copolymerisat, thermoplastisches Polyurethan und/oder eine Kombination hieraus auf. Ferner sind auch insbesondere Blockcopolymere, Polyolefine, Polymerblends als vorteilhaft. Der Trägerabschnitt kann sowohl als Folie, in plattenartiger Form oder auch als Bulk ausgebildet sein.
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Zur zusätzlichen Stabilisierung kann der Trägerabschnitt und/oder das Kunststoffteil selbst wenigstens einen Verbundbereich aufweisen, welcher beispielsweise durch Glasfasern, Kohlefasern, Keramikfasern oder Polymerfasern, verstärkt ausgebildet ist. Vorteilhaft haben sich Faseranteile von 20 bis 60 Gewichts-% erwiesen.
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Darüber hinaus ist auch denkbar, anstelle der Fasern Partikel, vorteilhafter Nanopartikel, im Kunststoffteil und/oder im Trägerabschnitt vorzusehen. Beispielsweise kann Polypropylen eine Talkumfüllung im Bereich von 10 bis 40 Gewichts-% aufweisen.
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Bei den Nanopartikel kann es sich um organische Partikel, wie beispielsweise Blockcopolymer-Partikel, und/oder um anorganische Nanopartikel, beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Titandioxid, handeln.
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Sowohl Fasern als auch Partikel weisen die Funktion auf, das Kunststoffteil und/oder den Trägerabschnitt gegenüber Kraftbeaufschlagung von außen zu stabilisieren und/oder dem Kunststoffteil und/oder dem Trägerabschnitt zusätzlich funktionale Eigenschaften zu vermitteln und beispielsweise eine Oberflächenaktivierung oder auch Oberflächenpolarisierung bereitzustellen.
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Ferner hat sich das Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils wenigstens die folgenden Schritte aufweisend:
- a. Herstellen des Kunststoffteils mittels Spritzgießverfahren;
- b. Aufbringen einer leitfähigen Schicht auf wenigstens einen zumindest teilweise gekrümmt ausgebildeten Trägerabschnitt des Kunststoffteils, wobei die leitfähige Schicht auf den Trägerabschnitt aufgedruckt und partiell auf das Kunststoffteil aufgebracht wird,;
- c. Aushärten und/oder Abreagieren der leitfähigen Schicht; und
- d. Abscheiden von wenigstens einem Metall und/oder wenigstens einer metallenthaltenden Verbindung auf der leitfähigen Schicht
als besonders vorteilhaft erwiesen.
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In einem 1. Schritt wird das Kunststoffteil mittels Spritzgießverfahren hergestellt. Besonders vorteilhaft ist das Kunststoffteil lediglich aus einem Kunststoff der oben aufgeführten Liste ausgebildet. Somit können Produktionskosten und Produktionszeiten gering gehalten werden.
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In einem 2. Schritt wird anschließend die leitfähige Schicht auf wenigstens einem zumindest teilweise gekrümmt ausgebildeten Trägerabschnitt des Kunststoffteils aufgebracht. Vorteilhaft ist der Trägerabschnitt fester Bestandteil des Kunststoffteils. Der Trägerabschnitt selbst wird vorteilhaft zumindest teilweise, noch vorteilhafter vollständig, mit der leitfähigen Schicht beschichtet. Somit kann sichergestellt werden, dass lediglich der Trägerabschnitt später metallisiert wird während das restliche Kunststoffteil unbehandelt verbleibt. Somit ist ein selektives Metallisieren und/oder späteres, selektives Galvanisieren des Kunststoffteils möglich.
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In einem 3. Schritt erfolgt das Aushärten und/oder Abreagieren der leitfähigen Schicht, so dass ein fester Verbund zwischen leitfähiger Schicht und Trägerabschnitt ausgebildet ist. Die Zeitdauer des Aushärtens und/oder des Abreagierens richtet sich nach den vorgesehenen Haftvermittlern, welche vorteilhaft direkter Bestandteil der leitfähigen Schicht sind.
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In einem 4. Schritt erfolgt das Abscheiden von wenigstens einem Metall, beispielsweise Chrom, und/oder einer Metall enthaltenden Verbindung, beispielsweise wenigstens ein Chromsalz, auf der leitfähigen Schicht. Insbesondere dieser Schritt kann direkt nach dem Aushärten und/oder Abreagieren der leitfähigen Schicht erfolgen, ohne dass es einer weiteren Aktivierung der leitfähigen Schicht bedarf. Somit können wiederum Zeit und Kosten eingespart werden.
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Selbstverständlich ist dies nicht begrenzend zu verstehen, so dass es auch denkbar ist, die leitfähige Schicht vor dem Aufbringen des Metalls und/oder der Metall enthaltenden Verbindung chemisch und/oder physikalisch zu aktivieren, umso die Adhäsion zwischen Metall und/oder Metall enthaltenden Verbindung und der leitfähigen Schichtoberfläche zu verbessern. Zur Aktivierung haben sich besonders folgende Verfahren als vorteilhaft erwiesen: Plasmabehandlung, in der beispielsweise die leitfähige Schichtoberfläche mit einem Luftplasma für einen Zeitraum von 0,5-60 Sekunden beaufschlagt wird. Ferner sind auch kurzzeitige Beflammungen, beispielsweise in einem Zeitraum von 0,1-2 Sekunden von Vorteil. Auch die Gasphasenfluorierung kann zur Oberflächenaktivierung verwendet werden.
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Die Aufbringung des Metalls und/oder der Metall enthaltenden Verbindung auf die (aktivierte) Oberfläche der leitfähigen Schicht erfolgt im einfachsten Fall gemäß dem üblichen Galvanisierungsprozess. Ferner sind auch Verfahren wie Physical Vapor Deposition (PVD) oder Chemical Vapor Deposition (CVD) zur Abscheidung von elementarem Metall verwendbar.
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Ferner ist zudem denkbar, mittels des hier beschriebenen Verfahrens, auch die funktionellen Eigenschaften der hiermit beschichteten Kunststoffe zu verbessern, beispielsweise deren Biegemodul, Korrosionsbeständigkeit, UV-Beständigkeit, Alterungsbeständigkeit, Farbbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit. Diese Aufzählung ist nicht abschließend zu verstehen, sondern kann entsprechend den verwendeten Kunststoffmaterialien sowie der entsprechenden Galvanisierungsmetall weitergehend eingestellt werden.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass die leitfähige Schicht auf den Trägerabschnitt aufgedruckt wird. Insbesondere das Aufdrucken hat sich als vorteilhaft erwiesen, da hierdurch konkrete, vorbestimmte geometrische Formen der späteren Metallisierung erzielt werden können. Zur Erzeugung der leitfähigen Schicht wird vorteilhaft eine Metall-Leitpaste, vorteilhafter eine Silberleitpaste, verwendet. Diese weist eine ausreichende Viskosität auf, um insbesondere nach dem Druckvorgang in der gewünschten Position zu verbleiben und nicht zu verlaufen.
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Als besonders vorteilhaft weist diese Leitpaste zugleich den Haftvermittler auf, um eine ausreichende Adhäsion zum Trägerabschnitt auszubilden. Das Metall, vorteilhaft das Silber, liegt als kolloidales Silber, Silberplättchen oder Silbersalz vor.
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Als geeignete Druckverfahren haben sich erstaunlicherweise Tampondruck, Siebdruck, Rotationsdruck, Stempeldruck, Sublimationsdruck, Thermodruck erwiesen. Insbesondere Tampondruck und Siebdruck eignen sich hervorragend dazu, gekrümmte Oberflächen gleichmäßig zu beschichten.
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Diese selektiven Druckverfahren erlauben das zu bedruckende Kunststoffmaterial ebenfalls selektiv, positionsbestimmt zu bedrucken. Folglich ist es nicht notwendig, dass vollständige Kunststoffsubstrat zu beschichten, sondern es besteht die Möglichkeit, lediglich partiell aufgebrachte Metallisierungsschichten und/oder Galvanisierungsschichten auszubilden. Jegliche geometrische Form des Kunststoffteils und/oder des Trägerabschnitts ist mit dem hier beschriebenen Verfahren zumindest teilweise oberflächenbeschichtbar ausgebildet.
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Wird die leitfähige Schicht aufgestrichen, so werden vorteilhaft entsprechende Masken verwendet, um die gewünschte geometrische Struktur zu erhalten.
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Das hier beschriebene Kunststoffteil, welches selektiv metallisiert und/oder galvanisiert ausgebildet ist, findet Verwendung im Kfz-Innenraum Kunststoffdekorteil und/oder Funktionsteil und/oder Betätigungselement und/oder als Luftausströmergehäuse und/oder Luftleitlamelle und/oder Türöffner und/oder Türgriff und/oder Lenkradbestandteil und/oder Schaltknauf und/oder Verzierungselement von Geschwindigkeits- oder Drehzahlanzeige und/oder als Bestandteil des Armaturenbretts und/oder als Bestandteil der Handbremse.
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Vorteilhaft ist das Kunststoffteil ein Kunststoffdekorteil und/oder ein Funktionsteil und/oder ein Bedienteil. Unter Kunststoffdekorteil ist vorteilhaft ein Flächenelemente, wie beispielsweise eine Behältnis- oder Lochabdeckung, ein Verblendungselement oder ein Armaturenbrett zu verstehen, welches durch seine zumindest teilweise metallisierte Oberfläche einen von reinem Kunststoff verschiedenen optischen Eindruck erweckt und sich beispielsweise als Umrahmung von anderen Kunststoffbauteilen abhebt.
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Unter einem Funktionsteil ist vorteilhaft ein Bauteil zu verstehen, welches selbst eine Funktion aufweist, beispielsweise eine Lamelle zum Leiten eines Lüftungsstromes oder eines Reglers des Lüftungsstromes. Unter Bedienteil sind vorteilhaft diejenigen Bauteile zu verstehen, welche durch die Fahrzeuginsassen bedient werden können, beispielsweise Regler, Schaltknauf, oder auch das Navigationsrad zum Steuern der Bordelektronik.
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Hierunter ist vorteilhaft zu verstehen, dass die Kunststoffteile im Fahrzeuginnenraum, beispielsweise zur Dekoraufwertung, zumindest teilweise galvanisiert, ausgebildet sind.