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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten und Fügen von Bauteilen und eine Baugruppe.
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STAND DER TECHNIK
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Die in vorliegender Erfindung adressierten Bauteile und Baugruppen umfassen insbesondere Reflektoren und andere lichttechnische oder dekorative Elemente mit spiegelnden Eigenschaften für Scheinwerfer und Rückleuchten von Fahrzeugen. Derartige Bauteile werden nach dem Stand der Technik vakuummetallisiert, d.h. mittels eines Verfahrens der Physikalischen Gasphasenabscheidung in einer Vakuumkammer mit einer metallischen Dünnschicht beschichtet. Häufig wird die Metallschicht nur abschnittsweise auf die Bauteile appliziert und es werden die Bauteile daher für den Beschichtungsprozess mit entsprechenden Masken teilabgedeckt. Aufgrund seines hohen spezifischen Reflexionsgrades wird die Metallschicht üblicherweise aus Aluminium gefertigt. Um die spiegelnde Metallschicht langfristig vor Degeneration durch Umwelteinflüsse, insbesondere Korrosion, zu schützen wird nach dem Stand der Technik im Anschluss an die Metallisierung eine Schutzschicht appliziert, üblicherweise mittels Chemischer Gasphasenabscheidung, insbesondere Plasmapolymerisation, eines Präkursors aus Hexamethyldisiloxan (HMDSO). Die Aufbringung der Metallschicht und der Schutzschicht wird dabei entweder in derselben Vakuumkammer vorgenommen oder es werden die Bauteile in unterschiedlichen Kammern beschichtet. Anschließend werden die beschichteten Bauteile zu funktionalen Baugruppen, insbesondere für Scheinwerfer und Rückleuchten, zusammengefügt.
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Nachteilig an derartigen Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass die zur Aufbringung der Schutzschicht verwendeten Verfahren der Chemischen Gasphasenabscheidung auf einem ungerichteten Abscheideprozess basieren, so dass die Schutzschicht trotz Maskierung der Bauteile typischerweise auch in gewissem Maße auf die Fügeflächen der Bauteile appliziert wird. So führen schon geringste Spalte zwischen Maske und Bauteiloberfläche zu einer Beschichtung mit Schutzschicht im Maskenschatten, d.h. in eigentlich zur Abdeckung durch die Maske vorgesehenen Fügeabschnitten der Bauteile. Diese ungewollt applizierte Schutzschicht macht nachfolgende Fügeverfahren, die auf einen stoffschlüssigen Haftungsmechanismus zwischen den Fügeflächen der Bauteile abzielen, wie Verkleben oder Schweißen, unmöglich oder erschwert diese zumindest. Dies gilt auch für das Aufbringen von Klebebändern, Etiketten oder Schaumdichtungen auf einer mit der Schutzschicht verunreinigten Bauteiloberfläche.
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Im Stand der Technik gibt es unterschiedliche Ansätze, dieses Problem einer als Trennschicht wirkenden Schutzschicht auf den Fügeflächen zu beheben. Einerseits kann eine aufwendigere Maskierung zur Verhinderung der Abscheidung der Schutzschicht auf den späteren Fügeflächen dienen. Dazu muss allerdings eine im Wesentlichen gasdichte Abdeckung der Bauteiloberfläche erzeugt werden, wozu die Maske mit einer ausreichenden Kraft auf die Bauteile gepresst werden muss. Diese Maßnahme ist apparativ aufwendig und daher teuer, außerdem kann sie bei mechanisch empfindlichen Bauteilen unter Umständen nicht eingesetzt werden, da diese mit Verkratzen, Verzug oder Maßänderungen auf den Anpressdruck reagieren könnten. Insbesondere kann auch bei solch aufwendiger Maskierung eine unbeabsichtigte Beschichtung der Fügeflächen nicht mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen werden, so dass eine nachfolgende Überprüfung notwendig ist, um sicherzustellen, dass die Verbindung der Bauteile mechanisch zuverlässige Festigkeitsniveaus erreichen können. Alternativ wird eine nachträgliche Entfernung der Schutzschicht von den Fügeabschnitten durchgeführt. Obwohl dabei teilweise mechanische Reinigungsprozesse eingesetzt werden, gilt die Methode als nicht prozesssicher und ist auch nicht bei allen Bauteilgeometrien einsetzbar.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Weiterbildung eines Verfahrens zum Beschichten und Fügen von Bauteilen vorzuschlagen, welches die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Beschichten zumindest von wenigstens einem Beschichtungsabschnitt von wenigstens einem der Bauteile mit einer Metallschicht, wobei der Beschichtungsabschnitt keine Überdeckung mit dem Fügeabschnitt des Bauteils aufweist, Erzeugen einer Baugruppe durch Fügen der Bauteile in den jeweiligen Fügeabschnitten aneinander, und Beschichten zumindest des mit der Metallschicht beschichteten Beschichtungsabschnittes mit einer Schutzschicht.
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Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die Reihenfolge der Verfahrensschritte geeignet zu vertauschen, so dass der Vorgang des Fügens vor dem Aufbringen der potentiell die Fügeflächen verunreinigenden Schutzschicht erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Fügevorgang zu einer Verbindung der Bauteile mit mechanisch zuverlässigen Festigkeitsniveaus führt, wobei im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik auf zeit- und kostenintensive Zwischenbearbeitungsschritte und Qualitätskontrollen verzichtet werden kann.
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In vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Beschichten mit der Schutzschicht mittels eines Verfahrens der Vakuum- oder Atmosphärendruck-Plasmabeschichtung ausgeführt, wobei Letzteres als besonders vorteilhaft anzusehen. Die Atmosphärendruck-Plasmabeschichtung basiert auf Ausgangswerkstoffen in Form von Pulvern oder Präkursoren, welche in einen fokussierten und auf die zu beschichtende Oberfläche gerichteten Plasmastrahl eingebracht werden. Der für das erfindungsgemäße Verfahren entscheidende Vorteil liegt darin, dass die Atmosphärendruck-Plasmabeschichtung nicht in einer evakuierten Prozesskammer durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu wäre die Anwendung eines nach dem Stand der Technik verwendeten CVD Prozesses zur Abscheidung der Schutzschicht nach dem Fügen der Bauteile zwar möglich, aber doch häufig ungeeignet, da in diesem Fall die gesamte Prozessdauer durch die abermalige Einstellung eines Vakuums erheblich verlängert würde. Des Weiteren entfallen durch den Wegfall der CVD-Prozesskammer auch einschränkende Randbedingungen an die Größe und Geometrie der zu einer Baugruppe gefügten Bauteile. Somit ist es auch bei großen Bauteilen oder einer großen Anzahl von Bauteilen möglich, diese erfindungsgemäß bereits vor dem Applizieren der Schutzschicht zu einer Baugruppe zusammenzufügen.
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Alternativ kann das Beschichten mit der Schutzschicht mittels Lackieren oder mittels Bedrucken oder mittels Laminieren ausgeführt werden. Das Lackieren erfolgt mit geeigneten Schutzlacken. Zur gezielten Aufbringung von Schutzlack nur auf die zuvor vakuummetallisierten Flächen sind vorzugsweise feinstrahlige Lackiertechniken anzuwenden, z.B. die Airbrush-Technik.
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Die Schutzschicht wird vorzugsweise aus HMDSO als Präkursor gebildet, jedenfalls aber aus einem eine Korrosionsschutzschicht bildenden Material. Insbesondere sind plasmapolymere Schichten aus siliziumorganischen Verbindungen für den Korrosionsschutz von metallischen Oberflächen geeignet, da diese sich sowohl durch eine hohe Haftstärke als auch eine ausgeprägte Barrierewirkung gegenüber korrosiven Medien auszeichnen. Die Schichtdicke der Schutzschicht beträgt bei Abscheidung mittels Plasmaverfahren typischerweise 10 nm bis 1 µm, insbesondere 30 nm bis 100 nm.
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Zur selektiven Schichtabscheidung wird in vorteilhafter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Beschichten mit der Metallschicht und/oder vor dem Beschichten mit der Schutzschicht jeweils eine Maske auf dem Bauteil angeordnet wird, wobei die jeweilige Maske den Beschichtungsabschnitt nicht maskiert. Maskierung ist eine etablierte Methode in der Beschichtungstechnik und liefert in Kombination mit einem gerichteten Beschichtungsprozess scharf umrandete Schichtstrukturen.
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Vorzugsweise wird das Beschichten mit der Metallschicht mittels eines Verfahrens der Physikalischen Gasphasenabscheidung ausgeführt. Damit können hochreine und dichte Metallschichten appliziert werden, wobei zur Erzielung der gewünschten reflektierenden Eigenschaften typischerweise Schichtdicken von 30 bis 200 nm abgeschieden werden.
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Bevorzugt wird die Metallschicht aus Aluminium gebildet, da Aluminium einen hohen spezifischen Reflexionsgrad im sichtbaren Frequenzbereich aufweist und zudem einen vergleichsweise kostengünstigen Rohstoff darstellt.
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In vorteilhafter Ausführung wird das Fügen der Bauteile mittels Schweißen oder mittels Verkleben ausgeführt. Diese beiden Fügeverfahren sind anfällig für Verunreinigungen oder Trennschichten auf den Fügeflächen und profitieren daher in besonderem Maße von dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Baugruppe, wobei die wenigstens gebildet ist durch ein erstes Bauteil mit einem Beschichtungsabschnitt und einem sich mit dem Beschichtungsabschnitt nicht überdeckenden Fügeabschnitt, wobei der Beschichtungsabschnitt mit einer Metallschicht und mit einer Schutzschicht beschichtet ist, wobei die Metallschicht zwischen dem Bauteil und der Schutzschicht angeordnet ist, und ein zweites Bauteil mit einem Fügeabschnitt, wobei die Bauteile in den jeweiligen Fügeabschnitten aneinander gefügt sind. Die Baugruppe ist dabei vorzugsweise mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gefertigt.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Baugruppe, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gefertigt ist.
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1 zeigt ein Lichtmodul 100 für einen Fahrzeugfrontscheinwerfer als eine erfindungsgemäße Baugruppe 100. Die Baugruppe 100 umfasst das Bauteil 1, welches zur Erzeugung des Fernlichtes dient, und das daran gefügte Bauteil 2, welches die Funktion eines Abblendlichtes innehat. Als Lichtquellen für das Abblendlicht dienen die drei LED Lichtquellen 51, welche auf einem Schaltungsträger in der LED Einheit 5 angeordnet sind. Der Tragrahmen 4 dient der Aufnahme der Bauteile 1, 2 und der LED Einheiten 5 und deren Befestigung im Fahrzeugscheinwerfer.
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Das Licht der LED Lichtquellen 51 wird jeweils durch die Lichteinkopplungselemente 22 in das Bauteil 2 und gegebenenfalls darin angeordnete optische Elemente geführt und tritt als definierter Lichtstrahl aus der Lichtaustrittsöffnung 20 in Fahrtrichtung es Fahrzeuges aus. Auf dem unterseitigen, in der 1 nicht sichtbaren Abschnitt der Baugruppe 100 ist eine weitere LED Einheit angeordnet, welche Lichtquellen für das Fernlicht aufweist. Nach Durchlaufen des Bauteils 1 tritt ein das Fernlicht bildender Lichtstrahl aus der Lichtaustrittsfläche 10 in Fahrtrichtung aus. Der rechteckige Beschichtungsabschnitt 12 auf der Oberseite des Bauteils 1 ist mit einer spiegelnden Metallschicht aus Aluminium sowie darauf mit einer vor Korrosion und/oder Verkratzen schützenden Schutzschicht basierend auf HMDSO beschichtet. Die spiegelnde Metallschicht dient unter anderem der Umlenkung von divergenten Strahlanteilen des aus der Lichtaustrittsfläche 20 austretenden Lichtstrahls als sogenannte Overhead-Beleuchtung, beispielsweise zur Beleuchtung von Verkehrsschildern.
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In den jeweils seitlich neben dem Beschichtungsabschnitt 12 angeordneten Fügeabschnitten 11 und 21 sind die beiden Bauteile 1 und 2 mittels je einer Klebeverbindung 3 aneinander gefügt. Die beiden Fügeabschnitte 11 des Bauteils 1 weisen dabei jeweils die Gestalt eines Napfes auf, in welchen jeweils der Endabschnitt der armförmigen Fügeabschnitte 21 des Bauteils 2 aufgenommen ist. Das verbleibende frei Volumen der Näpfe ist zumindest teilweise mit einem Klebstoff gefüllt, wodurch die Klebeverbindungen 3 zwischen den Bauteilen 1 und 2 zustande kommen. Alternativ dazu könnten die Fügeabschnitte der Bauteile 1 und auch durch plane, miteinander zu verklebende Flächen gebildet werden, jedoch ermöglicht die in 1 dargestellte, vorteilhafte Variante mehr Freiheitsgrade hinsichtlich der relativen Positionierung der beiden Bauteile 1 und 2 zueinander.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Baugruppe 100 hergestellt durch die folgenden Schritte. Zunächst erfolgt eine Beschichtung des Beschichtungsabschnittes 12 des Bauteils 1 mit einer Metallschicht aus Aluminium, typischerweise mit einem Verdampfungs- oder Sputterverfahren und mit einer Schichtdicke von 30 - 200 nm. Eine auf das Bauteil 1 aufgebrachte Maske sorgt dafür, dass lediglich der Beschichtungsabschnitt 12 mit der Metallschicht versehen wird. Im Anschluss an die Abscheidung der Metallschicht werden die Bauteile 1 und 2 in den Fügeabschnitten 11 und 21 mittels Verkleben aneinander gefügt, wobei hier im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik keine zwischengeschalteten Reinigungsmaßnahmen oder Qualitätskontrollen hinsichtlich der Sauberkeit der Fügeabschnitte 11 und 21 notwendig sind. Zuletzt wird eine Schutzschicht von bis zu 1 µm Dicke basierend auf einem HMDSO Präkursor auf die Metallschicht im Beschichtungsabschnitt 12 aufgetragen. Da die Fügeverbindung zwischen den Bauteilen 1 und 2 zu diesem Zeitpunkt bereits etabliert ist, sind dabei zumindest hinsichtlich der mechanischen Stabilität der Baugruppe keine aufwendigen Maßnahmen zum Schutz vor Verunreinigungen mit HMDSO vonnöten. Vielmehr ist die abermalige Verwendung einer geeigneten Beschichtungsmaske ausreichend; gelegentlich kann auch einfach die gesamte Baugruppe ohne Beschichtungsmaske mit der transparenten Schutzschicht beschichtet werden. Vorteilhaft wird die Applikation der Schutzschicht mittels Atmosphärendruck-Plasmabeschichtung durchgeführt, da diese im Vergleich zu einem Vakuumbeschichtungsverfahren eine wesentlich kürzere Prozessdauer ermöglicht und zudem nahezu keine Restriktionen hinsichtlich der Größe der aus den Bauteilen 1 und 2 gebildeten Baugruppe 100 setzt.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Bauteil
- 10, 20
- Lichtaustrittsfläche
- 11, 21
- Fügeabschnitt
- 12
- Beschichtungsabschnitt
- 22
- Lichteinkopplungselement
- 3
- Klebeverbindung
- 4
- Tragrahmen
- 5
- LED Einheit
- 51
- LED Lichtquelle
- 100
- Baugruppe
