DE102019104407A1

DE102019104407A1 - Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102019104407A1
Application number: DE102019104407.3A
Authority: DE
Inventors: Tristan Klein; Kai Rudhof; Daniel Johann
Original assignee: Epic Consulting GmbH
Current assignee: Epic Projekt De GmbH
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbauteils (26), bei dem auf ein Kunststoffprodukt (10), welches eine Kunststoffmatrix (12) sowie in die Kunststoffmatrix (12) eingebettete Keramikpartikel (4) umfasst, mittels eines Beschichtungsverfahrens eine Schicht (20) aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbauteils.
In zahlreichen Industriebereichen liegt die Verwendung von Kunststoffbauteilen stark im Trend. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie Metallbauteile zunehmend durch Kunststoffbauteile ersetzt. Dadurch ist es unter anderem möglich, Automobile gewichtssparend auszugestalten und folglich deren Energieverbrauch zu reduzieren.
Um bei Kunststoffbauteilen optische und haptische Eigenschaften zu erreichen, welche den optischen und haptischen Eigenschaften von Metallbauteilen gleichkommen, und/oder um einen Schutz für den Kunststoff zu gewährleisten, ist es bekannt,
die Oberfläche des Kunststoffs zu metallisieren, d. h. mit einer metallischen Schicht oder einem Schichtsystem aus mehreren metallischen Schichten zu beschichten. Eine spezielle, weit verbreitete Form der Kunststoff-Metallisierung ist die Kunststoff-Galvanisierung. Alternativ oder zusätzlich zu einer metallischen Beschichtung kann der Kunststoff beispielsweise mit einer oder mehreren Lackschichten beschichtet werden, insbesondere um eine gewünschte Färbung des Kunststoffbauteils zu erreichen.
Bei der Herstellung beschichteter Kunststoffbauteile, insbesondere bei der Kunststoff-Galvanisierung, wird vor allem Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder eine Mischung aus Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC+ABS) als Ausgangsmaterial verwendet. Das Butadien wird dabei hauptsächlich genutzt, um oberflächlich herausgeätzt zu werden und dadurch Kavitäten (auch Kavernen genannt) auszubilden. In die Kavitäten werden Palladiumkeime eingelagert, die von einer Zinnhülle umgeben sind. Dann wird die Zinnhülle der Palladiumkeime, die für die Haftung der Palladiumkeime in den Kavitäten sorgt, entfernt. Aufgrund des hohen Standardpotenzials des Palladiums wirken die Palladiumkeime als Nukleationszentren für die Ausbildung einer Schicht auf dem Kunststoff.
Um das Butadien herauszulösen und dadurch die Kavitäten zu bilden, wird der Kunststoff bislang in Beizebädern mit hochkonzentrierter Chromschwefelsäure (H₂SO₄ / CrO₃) behandelt. Anschließend erfolgt, beispielsweise mittels mehrerer Spülgänge in einer Reduktionslösung, eine Reduzierung der Chrom(VI)-Ionen zu Chrom(III)-Ionen, um eine Verunreinigung nachfolgender Prozessbäder mit Chrom(VI) zu vermeiden.
Gemäß einer Verordnung der europäischen Chemikalienagentur (ECHA) sind Chrom(VI)-Verbindungen, wie sie beispielsweise in Form von Chrom(VI)-oxid in Chromschwefelsäure vorliegen, seit dem Jahr 2017 wegen ihrer gesundheits- und umweltschädlichen Wirkung verboten. Verfahren zur Beschichtung von Kunststoff, bei denen Chromschwefelsäure zum Einsatz kommt, können unter strengen Auflagen zeitlich begrenzt mit Sondergenehmigungen weiter genutzt werden, bis ein gleichwertiges Ersatzverfahren entwickelt worden ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gesundheits- und umweltfreundliche Herstellung eines beschichteten Kunststoffbauteils zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbauteils wird auf ein Kunststoffprodukt, welches eine Kunststoffmatrix sowie in die Kunststoffmatrix eingebettete Keramikpartikel umfasst, mittels eines Beschichtungsverfahrens eine Schicht aufgebracht.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass mithilfe der Keramikpartikel eine hohe Rauigkeit der Oberfläche des Kunststoffprodukts realisiert werden kann. An der Oberfläche des Kunststoffprodukts befindliche Keramikpartikel können - insbesondere anstelle von in Kavitäten eingelagerten Palladiumkeimen - als Nukleationszentren dienen, welche die Anhaftung besagter Schicht am Kunststoffprodukt verbessern. Da zwischen Keramikpartikeln und Kunststoff im Allgemeinen eine gute Kompatibilität besteht, lassen sich die Keramikpartikel aufwandsgünstig in die Kunststoffmatrix einbetten, ohne dass die Kunststoffmatrix instabil wird oder sich die Keramikpartikel auf andere Weise negativ auf die Kunststoffmatrix auswirken.
Zum Anlösen der Oberfläche des Kunststoffprodukts zum Zwecke der Freilegung der Keramikpartikel kann anstelle von Chromschwefelsäure ein umweltfreundlicheres und gesundheitlich unbedenklicheres Beizmittel verwendet werden. Je nach Herstellungsprozess des Kunststoffprodukts kann gegebenenfalls vollständig auf die Verwendung eines Beizmittels zur Freilegung der Keramikpartikel verzichtet werden. Durch den Verzicht auf Chromschwefelsäure als Beizmittel kann das Verfahren, verglichen mit bisherigen Verfahren zur Herstellung beschichteter Kunststoffbauteile, sicherer und umweltfreundlicher realisiert werden. Ferner ist es durch den Verzicht auf Chromschwefelsäure als Beizmittel möglich, Reinigungsbäder einzusparen oder gegebenenfalls vollständig auf Reinigungsbäder zu verzichten, wodurch das Verfahren, verglichen mit bisherigen Verfahren zur Herstellung beschichteter Kunststoffbauteile, zeiteffizienter und kostengünstiger realisiert werden kann.
Da die Keramikpartikel als Nukleationszentren für die Ausbildung der Schicht wirken können, ist es grundsätzlich nicht erforderlich, dass die Kunststoffmatrix Butadien zur Bildung von Kavitäten enthält. Auf diese Weise wird das Spektrum der für die Herstellung beschichteter Kunststoffbauteile verwendbaren Kunststoffe vergrößert.
Ein weiterer Vorteil der Keramikpartikel ist, dass sie die thermische Stabilität und die Steifigkeit des Kunststoffprodukts erhöhen können. Ferner kann mithilfe der Keramikpartikel eine Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kunststoffprodukts erreicht werden, wodurch die Haftung der Schicht weiter verbessert werden kann. Darüber hinaus ermöglichen die Keramikpartikel eine Verwendung von Reststoffen aus der keramischen Industrie, beispielsweise in Form von Schleifenabrieb, Zyklonstaub und/oder Bruchmaterial, welche ansonsten ungenutzt entsorgt werden würden.
Der Begriff „eingebettet“ ist vorliegend nicht so zu verstehen, dass die Keramikpartikel vollständig von der Kunststoffmatrix eingeschlossen sein müssen. Zumindest einige der in die Kunststoffmatrix eingebetteten Keramikpartikel können aus der Kunststoffmatrix herausragen. Anders ausgedrückt, der Begriff „eingebettet“ schließt auch eine teilweise Einbettung der Keramikpartikel in die Kunststoffmatrix ein.
Das Verfahren zur Herstellung des beschichteten Kunststoffbauteils kann unter anderem die Herstellung des Kunststoffprodukts umfassen.
Zweckmäßigerweise werden die Keramikpartikel bei der Herstellung des Kunststoffprodukts in die Kunststoffmatrix eingebettet. Zum Zwecke ihrer Einbettung in die Kunststoffmatrix werden die Keramikpartikel vorteilhafterweise mit einem die Kunststoffmatrix bildenden Kunststoff oder einer die Kunststoffmatrix bildenden Kunststoffmischung vermischt.
Bei den Keramikpartikeln kann es sich um runde, insbesondere kugelförmige Partikel oder um kantige Partikel handeln. Insbesondere können die Keramikpartikel ein Gemisch aus runden Partikeln und kantigen Partikeln sein.
Die Keramikpartikel weisen vorteilhafterweise einen Massenanteil von mindestens 0,5%, vorzugsweise mindestens 2%, am Kunststoffprodukt auf. Bei einem sehr geringen Massenanteil der Keramikpartikel am Kunststoffprodukt haben die Keramikpartikel gegebenenfalls einen zu geringen Einfluss auf die Anhaftung der Schicht am Kunststoffprodukt, da in diesem Fall die Keramikpartikel zu wenige Nukleationszentren bilden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Keramikpartikel einen Massenanteil von höchstens 10%, vorzugsweise höchstens 6%, am Kunststoffprodukt aufweisen. Ein sehr hoher Massenanteil der Keramikpartikel am Kunststoffprodukt kann sich nachteilig auf das Gesamtgewicht des Kunststoffprodukts auswirken.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung weisen die Keramikpartikel jeweils eine Partikelgröße von mindestens 0,25 µm, vorzugsweise mindestens 0,5 µm, auf. Keramikpartikel mit einer sehr geringen Partikelgröße können sich gegebenenfalls zu leicht aus der Kunststoffmatrix herauslösen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Keramikpartikel jeweils eine Partikelgröße von höchstens 2 µm, vorzugsweise höchstens 1 µm, aufweisen, insbesondere da Keramikpartikel mit einer großen Partikelgröße, verglichen mit kleineren Keramikpartikeln, einen eher geringen Beitrag zur Anhaftung der Schicht am Kunststoffprodukt leisten.
Im Falle kugelförmiger oder annähernd kugelförmiger Keramikpartikel bezieht sich der Begriff „Partikelgröße“ vorzugsweise auf den Durchmesser der Keramikpartikel. Andernfalls kann hierunter die längste Abmessung der Keramikpartikel verstanden werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Beschichtungsverfahren, mittels welchem besagte Schicht auf das Kunststoffprodukt aufgebracht wird, ein chemisches Beschichtungsverfahren, bei dem das Kunststoffprodukt mit einer Beschichtungslösung benetzt wird (auch bekannt als chemical solution deposition (CSD)). Insbesondere kann das chemische Beschichtungsverfahren ein sogenanntes Tauchbeschichtungsverfahren sein. Derartige chemische Beschichtungsverfahren sind gut erprobt und stellen eine kosten- und aufwandsgünstige Möglichkeit dar, die Schicht auf das Kunststoffprodukt aufzubringen.
Alternativ kann das Beschichtungsverfahren, mittels welchem die Schicht auf das Kunststoffprodukt aufgebracht wird, ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (auch bekannt als chemical vapour deposition (CVD)) oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren (auch bekannt als physical vapour deposition (PVD)) sein. Bei Ersterem kann es sich insbesondere um ein plasmaunterstütztes chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (auch bekannt als plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD)) handeln.
Die Kunststoffmatrix des Kunststoffprodukts enthält vorzugsweise Polycarbonat (PC) und/oder Styrol-Acrylnitril (SAN). Diese Kunststoffe zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit sowie eine gute thermische Beständigkeit aus. Alternativ oder zusätzlich kann die Kunststoffmatrix Acrylnitril-Butadien-Styrol, insbesondere eine Mischung aus Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol, und/oder einen anderen Kunststoff enthalten.
Vorzugsweise enthalten die Keramikpartikel Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) , Zirkonoxid (ZrO₂) und/oder zirkonverstärktes Aluminiumoxid (ZTA). Keramikpartikel mit diesen Stoffen sind kostengünstig erhältlich, zum Beispiel als Recyclingprodukte.
Es ist vorteilhaft, wenn zumindest einige der Keramikpartikel aus der Kunststoffmatrix herausragen, bevor die Schicht auf das Kunststoffprodukt aufgebracht wird. Dieser Zustand kann beispielsweise durch eine Behandlung der Oberfläche des Kunststoffprodukts erreicht werden. Alternativ kann dieser Zustand auch ohne eine Behandlung der Oberfläche des Kunststoffprodukts vorliegen, was zum Beispiel möglich ist, wenn bei der Herstellung des Kunststoffprodukts die Keramikpartikel derart im Kunststoff verteilt werden, dass zumindest einige der Keramikpartikel aus der Kunststoffmatrix herausragen.
Gemäß einer vorteilhaften Erfindungsvariante wird zumindest ein Teil der Oberfläche des Kunststoffprodukts derart behandelt, dass nach Abschluss der Oberflächenbehandlung zumindest einige der Keramikpartikel aus der Kunststoffmatrix herausragen. Bei der Oberflächenbehandlung kann das Kunststoffprodukt zum Beispiel mit einem Beizmittel, welches frei von Chromschwefelsäure ist, behandelt werden. Ein solches Beizmittel kann zum Beispiel Aceton, Butylacetat und/oder Butanon enthalten.
Vorzugsweise wird das Kunststoffprodukt aus einem Granulat, welches zum einen die Keramikpartikel und zum anderen den Kunststoff oder die Kunststoffmischung enthält, hergestellt. Gegebenenfalls kann das Granulat ein oder mehrere Additive zur Verbesserung seiner Fließfähigkeit enthalten.
In bevorzugter Weise wird das Kunststoffprodukt mittels eines Spritzgussverfahrens aus dem Granulat hergestellt. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Granulat mittels einer Spritzgussmaschine homogenisiert, d. h. in eine homogene Masse umgewandelt, wird und unter Druck in eine Spritzgussform (auch Spritzgusswerkzeug genannt) eingespritzt wird. Vorteilhafterweise kühlt das homogenisierte Material in der Spritzgussform ab und härtet aus, wobei das Kunststoffprodukt ausgebildet wird. Spritzgussverfahren sind kosten- und aufwandsgünstig durchführbar und eignen sich gut für die Fertigung von Kunststoffprodukten in industriellem Maßstab.
Das Granulat kann beispielsweise mithilfe eines Extruders, insbesondere eines Doppelschneckenextruders, hergestellt werden. Zweckmäßigerweise werden die Keramikpartikel, beispielsweise in Form von Keramikpulver, im Extruder mit dem die Kunststoffmatrix bildenden Kunststoff oder mit der die Kunststoffmatrix bildenden Kunststoffmischung vermischt. Mithilfe eines Extruders lässt sich aufwandsgünstig eine homogene Dispergierung der Keramikpartikel im Kunststoff oder in der Kunststoffmischung realisieren. Mithilfe eines Doppelschneckenextruders lässt sich eine besonders homogene Verteilung der Keramikpartikel im Kunststoff oder in der Kunststoffmischung erreichen.
Vorteilhafterweise werden die Keramikpartikel über eine Seitenbeschickung des Extruders in den Extruder eingebracht. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Keramikpartikel über einen am Anfang des Extruders angeordneten Einzug in den Extruder einzubringen.
Zweckmäßigerweise wird der Kunststoff im Extruder mittels einer oder mehrerer rotierender Schneckenwellen durch einen an seiner Außenseite mit einer Heizvorrichtung ausgestatteten Zylinder des Extruders gefördert. In einer Kompressionszone des Extruders wird der Kunststoff vorteilhafterweise durch Scherwärme, durch Reibungswärme und aufgrund der von außen einwirkenden Heizvorrichtung aufgeschmolzen, sodass sich die Keramikpartikel im Kunststoff verteilen können.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Keramikpartikel beschichtet sind, insbesondere mit einem Metall, wie zum Beispiel Palladium. Die Beschichtung der Keramikpartikel kann zu einer besseren Anhaftung besagter Schicht am Kunststoffprodukt beitragen. Ferner kann die Beschichtung der Keramikpartikel gegebenenfalls die Anhaftung Keramikpartikel an der Kunststoffmatrix verbessern. Zweckmäßigerweise erfolgt das Beschichten der Keramikpartikel, bevor die Keramikpartikel in den Kunststoff eingebettet werden. Zum Beschichten der Keramikpartikel kann beispielsweise eine Wirbelschichtanlage verwendet werden.
Die Schicht, die auf das Kunststoffprodukt aufgebracht wird, kann beispielsweise eine Dicke von mindestens 0,1 µm, vorzugsweise mindestens 0,3 µm, aufweisen. Ferner ist es bevorzugt, wenn die Dicke der Schicht höchstens 1 µm, insbesondere höchstens 0,8 µm beträgt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Schicht eine Dicke von 0,5 µm aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist besagte Schicht eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine metallische Schicht. Mit anderen Worten, bei dem Verfahren ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine metallische Schicht, auf das Kunststoffprodukt aufgebracht wird. Zum Beispiel kann es sich bei der Schicht um eine Nickel-Schicht handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Schicht beispielsweise Kupfer, Chrom und/oder ein anderes Metall enthalten.
Bei einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung kann die Schicht, die auf das Kunststoffprodukt aufgebracht wird, eine Lackschicht sein. In diesem Fall kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass auf die Schicht eine oder mehrere weitere Schichten, insbesondere eine oder mehrere metallische Schichten, aufgebracht werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird auf das mit besagter Schicht beschichtete Kunststoffprodukt mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens eine metallische Schicht oder ein Schichtsystem aus mehreren metallischen Schichten aufgebracht. Das Verfahren kann also insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines galvanisierten Kunststoffbauteils sein. Die erstgenannte Schicht, die auf das Kunststoffprodukt aufgebracht wird, dient dabei vorzugsweise als elektrisch leitfähige Grundschicht für den Galvanisierungsprozess.
Die metallische Schicht bzw. das Schichtsystem, die/das mittels des galvanischen Abscheideverfahrens auf die erstgenannte Schicht aufgebracht wird, kann zum Beispiel Nickel, Kupfer, Chrom und/oder ein anderes Metall enthalten.
Vor dem Aufbringen der metallischen Schicht bzw. des Schichtsystems mittels des galvanischen Abscheideverfahrens können eine oder mehrere weitere elektrisch leitfähige Schichten, beispielsweise aus Nickel, Kupfer und/oder Chrom, auf das mit der erstgenannten Schicht beschichtete Kunststoffprodukt aufgebracht werden, insbesondere jeweils mithilfe eines Tauchbeschichtungsverfahrens.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein beschichtetes Kunststoffbauteil.
Das erfindungsgemäße Kunststoffbauteil weist ein Kunststoffprodukt auf, welches eine Kunststoffmatrix sowie in die Kunststoffmatrix eingebettete Keramikpartikel umfasst. Ferner weist das erfindungsgemäße Kunststoffbauteil eine auf dem Kunststoffprodukt angeordnete Schicht auf.
Auf der auf dem Kunststoffprodukt angeordneten Schicht kann ferner eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht oder ein galvanisch abgeschiedenes Schichtsystem aus mehreren metallischen Schichten angeordnet sein.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils kann das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden.
Das Kunststoffbauteil kann in einem Fahrzeug, wie zum Beispiel einem PKW oder LKW, verwendet werden. Insbesondere kann das Kunststoffbauteil im Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs verwendet werden, beispielsweise als dekoratives Element.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckdienlich, sind hierbei gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungen beschränkt - auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Die bisherige Beschreibung und die nachfolgende Figurenbeschreibung enthalten zahlreiche Merkmale, die in den abhängigen Ansprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wird der Fachmann jedoch auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfügen. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder dem erfindungsgemäßen Kunststoffbauteil kombinierbar.
Es zeigen:

1 einen schematischen Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines galvanisierten Kunststoffbauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen Extruder zur Herstellung eines Granulats;
3 eine Spritzgussvorrichtung zur Herstellung eines Kunststoffprodukts aus dem Granulat;
4 ein mithilfe der Spritzgussvorrichtung hergestelltes Kunststoffprodukt sowie ein mit einem Beizmittel gefülltes Becken zur Behandlung der Oberfläche des Kunststoffprodukts;
5 das mit dem Beizmittel behandelte Kunststoffprodukt sowie ein mit einer Beschichtungslösung gefülltes Becken zur Beschichtung des Kunststoffprodukts mit einer elektrisch leitfähigen Grundschicht;
6 eine Galvanikanlage zur Abscheidung einer galvanischen Schicht auf dem Kunststoffprodukt;
7 das beschichtete Kunststoffprodukt, das ein galvanisiertes Kunststoffbauteil bildet;
8 einen schematischen Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines galvanisierten Kunststoffbauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

1 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines beschichteten, insbesondere galvanisierten Kunststoffbauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Verfahren nach 1 umfasst fünf nacheinander durchgeführte Verfahrensschritte (Verfahrensschritte S1 bis S5).
Im ersten Verfahrensschritt (Verfahrensschritt S1) wird mithilfe eines Extruders 2 (siehe 2) aus Keramikpartikeln 4 sowie einem Kunststoff oder einer Kunststoffmischung ein Granulat 6 hergestellt.
Im zweiten Verfahrensschritt (Verfahrensschritt S2) wird mithilfe einer Spritzgussvorrichtung 8 (siehe 3) aus dem Granulat 6 ein Kunststoffprodukt 10 hergestellt, welches eine Kunststoffmatrix 12 aufweist, in welche die Keramikpartikel 4 eingebettet sind.
Das Kunststoffprodukt 10, genauer gesagt dessen Oberfläche 14, wird im dritten Verfahrensschritt (Verfahrensschritt S3) mit einem Beizmittel 16 behandelt (vgl. 4), um einige der Keramikpartikel 4 freizulegen, sodass diese Keramikpartikel 4 teilweise aus der Kunststoffmatrix 12 herausragen, oder - falls einige Keramikpartikel 4 bereits aus der Kunststoffmatrix 12 herausragen - um eine größere Anzahl von Keramikpartikeln 4 freizulegen.
Da Kunststoff nicht leitend ist, wird das behandelte Kunststoffprodukt 10, um eine spätere Galvanisierung des Kunststoffprodukts 10 zu ermöglichen, in eine Beschichtungslösung 18 getaucht (vgl. 5), sodass auf dem Kunststoffprodukt 10 eine metallische Grundschicht 20 abgeschieden wird (Verfahrensschritt S4).
Mithilfe einer Galvanikanlage 22 (siehe 6) wird im folgenden Verfahrensschritt (Verfahrensschritt S5) eine metallische Schicht 24 auf die Grundschicht 20 aufgebracht.
Das mit der metallischen Grundschicht 20 und der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht 24 beschichtete Kunststoffprodukt 10 bildet ein galvanisiertes Kunststoffbauteil 26 (vgl. 7).
2 zeigt schematisch den zuvor erwähnten Extruder 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Extruder 2 um einen Doppelschneckenextruder, also um einen Extruder mit zwei rotierbaren Schneckenwellen. Die Schneckenwellen des Extruders 2 sind in dessen Gehäuse 28 angeordnet und daher in 2 nicht sichtbar.
Anstelle eines Doppelschneckenextruders kann grundsätzlich eine andere Art von Extruder zur Herstellung des Granulats 6 zum Einsatz kommen, wobei sich Doppelschneckenextruder besonders gut eignen, um eine besonders homogene Verteilung der Keramikpartikel 4 im Kunststoff oder in der Kunststoffmischung zu erreichen.
Der Extruder 2 weist einen Primär-Einlass 30 sowie einen Sekundär-Einlass 32 auf, über welche zu verarbeitendes Material in den Extruder 2 eingebracht werden kann. Ferner ist der Extruder 2 an seinem Auslass 34 mit einer Schneidvorrichtung 36 ausgestattet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Kunststoff oder eine Kunststoffmischung, welcher/welche die Kunststoffmatrix 12 des herzustellenden Kunststoffbauteils 26 bilden soll, über den Primär-Einlass 30 in den Extruder 2 eingebracht, wohingegen die in Form von Keramikpulver vorliegenden Keramikpartikel 4 über den Sekundär-Einlass 32 (auch Seitenbeschickung genannt) in den Extruder 2 eingebracht werden. Alternativ können sowohl der Kunststoff bzw. die Kunststoffmischung als auch die Keramikpartikel 4 über denselben Einlass 30, 32 des Extruders 2, beispielsweise über den Primär-Einlass 30, in den Extruder 2 eingebracht werden.
Bei den Keramikpartikeln 4 kann es sich beispielsweise um Partikel aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirkonoxid und/oder zirkonverstärktes Aluminiumoxid handeln. Vorzugsweise haben die Keramikpartikel 4 eine Größe zwischen 0,5 µm und 1 µm. Gegebenenfalls können die Keramikpartikel 4 beschichtet sein, insbesondere mit einer Metallschicht.
Der Kunststoff bzw. die Kunststoffmischung, welcher/welche die Kunststoffmatrix 12 des herzustellenden Kunststoffbauteils 26 bilden soll, kann beispielsweise Polycarbonat und/oder Styrol-Acrylnitril enthalten.
Mithilfe des Extruders 2 wird ein zylindrischer Strang 38 erzeugt, welcher den Kunststoff bzw. die Kunststoffmischung und die darin verteilten Keramikpartikel 4 enthält. Der Strang 38 wird mithilfe der Schneidvorrichtung 36 des Extruders 2 in einzelne Granulatkörner geschnitten, welche das Granulat 6 bilden.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der zuvor erwähnten Spritzgussvorrichtung 8.
Die Spritzgussvorrichtung 8 umfasst eine Spritzgussmaschine 40 sowie eine Spritzgussform 42, welche einen formgebenden Hohlraum 44 aufweist.
Die Spritzgussmaschine 40 weist einen Einlass 46, einen Auslass 48, ein Gehäuse 50, eine im Gehäuse 50 angeordnete Schneckenwelle 52 sowie eine Heizeinrichtung 54 auf.
Über den Einlass 46 der Spritzgussmaschine 40 wird das mithilfe des Extruders 2 hergestellte Granulat 6 in die Spritzgussmaschine 40 eingebracht. Das Granulat 6 wird mithilfe der Schneckenwelle 52 der Spritzgussmaschine 40 in Richtung des Auslasses 48 gefördert und unter anderem mithilfe der Heizeinrichtung 54 in eine homogene Masse umgewandelt. Mithilfe der Schneckenwelle 52 wird die Masse unter Druck in die Spritzgussform 42 eingespritzt. In der Spritzgussform 42 kühlt die Masse ab und härtet aus, wodurch das zuvor erwähnte Kunststoffprodukt 10 ausgebildet wird.
4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des mithilfe der Spritzgussvorrichtung 8 hergestellten Kunststoffprodukts 10, in welcher die Kunststoffmatrix 12 und die in die Kunststoffmatrix 12 eingebetteten Keramikpartikel 4 abgebildet sind.
Ferner ist in 4 ein Becken 56 dargestellt, welches mit dem zuvor erwähnten Beizmittel 16 zur Behandlung der Oberfläche 14 des Kunststoffprodukts 10 gefüllt ist.
Das Kunststoffprodukt 10 wird in das Beizmittel 16 eingetaucht, um die Oberfläche 14 des Kunststoffprodukts 10 anzulösen und so einige der Keramikpartikel 4 freizulegen oder, falls bereits einige der Keramikpartikel 4 aus der Kunststoffmatrix 12 herausragen, eine größere Anzahl der Keramikpartikel 4 freizulegen.
Das zum Anlösen der Oberfläche 14 des Kunststoffprodukts 10 verwendete Beizmittel 16 ist frei von Chromschwefelsäure. Zum Beispiel kann das Beizmittel 16 Aceton, Butylacetat und/oder Butanon enthalten.
5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des mithilfe des Beizmittels 16 behandelten Kunststoffprodukts 10, bei dem einige der Keramikpartikel 4 freiliegen, also teilweise aus der Kunststoffmatrix 12 herausragen.
Außerdem ist in 5 ein Becken 58 dargestellt, welches mit der zuvor erwähnten Beschichtungslösung 18 gefüllt ist.
Die aus der Kunststoffmatrix 12 herausragenden Keramikpartikel 4 dienen als Nukleationszentren für die Ausbildung der zuvor erwähnten Grundschicht 20 (siehe 7).
Das Kunststoffprodukt 10 wird in die Beschichtungslösung 18 eingetaucht, um das Kunststoffprodukt 10 mithilfe eines Tauchbeschichtungsverfahrens mit besagter Grundschicht 20 zu beschichten. Gegebenenfalls können eine oder mehrere weitere Tauchbehandlungen, insbesondere in unterschiedlichen Becken mit verschiedenen Beschichtungslösungen, erfolgen, um auf der metallischen Grundschicht 20 bzw. zwischen der Grundschicht 20 und der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht 24 weitere metallische Schichten auszubilden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die gesamte Oberfläche 14 des Kunststoffprodukts 10 mit der metallischen Grundschicht 20 beschichtet. Alternativ ist es möglich, lediglich einen Teil der Oberfläche 14 des Kunststoffprodukts 10 mit der metallischen Grundschicht 20 zu beschichten.
6 zeigt schematisch die zuvor erwähnte Galvanikanlage 22 zur Galvanisierung des Kunststoffprodukts 10.
Die Galvanikanlage 22 umfasst ein Becken 60, welches mit einer Lösung 62 gefüllt ist, sowie eine Spannungsquelle 64. Des Weiteren umfasst die Galvanikanlage 22 eine in die Lösung 62 eingetauchte Anode 66, beispielsweise aus Kupfer, Nickel oder Chrom. Das mit der metallischen Grundschicht 20 beschichtete Kunststoffprodukt 10 wird bei der Galvanisierung als Kathode 68 benutzt.
Mithilfe der Galvanikanlage 22 wird auf die Grundschicht 20 die zuvor erwähnte metallische Schicht 24 (siehe 7) abgeschieden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die gesamte Grundschicht 20 mit der metallischen Schicht 24 beschichtet. Alternativ ist es möglich, lediglich einen Teil der Grundschicht 20 mit der metallischen Schicht 24 zu beschichten.
Gegebenenfalls können bei der Galvanisierung des Kunststoffprodukts 10 eine oder mehrere weitere metallische Schichten, insbesondere aus unterschiedlichen Metallen, auf die zuvor erwähnte metallische Schicht 24 aufgebracht werden.
7 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung das beschichtete Kunststoffprodukt 10, welches das galvanisierte Kunststoffbauteil 26 bildet.
In 7 sind die Kunststoffmatrix 12 des Kunststoffprodukts 10, die in die Kunststoffmatrix 12 eingebetteten Keramikpartikel 4, die mithilfe des Tauchbeschichtungsverfahrens auf das Kunststoffprodukt 10 aufgebrachte metallische Grundschicht 20 sowie die galvanisch auf die Grundschicht 20 aufgebrachte metallische Schicht 24 zu sehen.
8 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines beschichteten, insbesondere galvanisierten Kunststoffbauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Verfahren nach 8 umfasst vier nacheinander durchgeführte Verfahrensschritte (Verfahrensschritte S'1 bis S'4).
Die ersten beiden Verfahrensschritte S'1, S'2 dieses Verfahrens entsprechen den ersten beiden Verfahrensschritten S1, S2 des Verfahrens aus 1. Die letzten beiden Verfahrensschritte S'3, S'4 des Verfahrens aus 8 entsprechen den letzten beiden Verfahrensschritten S4, S5 des Verfahrens aus 1. Das heißt, das Verfahren aus 8 entspricht dem Verfahren aus 1, jedoch ohne den Verfahrensschritt, bei dem die Oberfläche 14 des Kunststoffprodukts 10 mit einem Beizmittel 16 behandelt wird. Dieser Verfahrensschritt kann entfallen, wenn bei dem mithilfe der Spritzgussvorrichtung 8 hergestellten Kunststoffprodukt 10 bereits eine ausreichend große Anzahl an Keramikpartikeln 4 aus der Kunststoffmatrix 12 herausragt, um eine gute Anhaftung der Grundschicht 20 an der Oberfläche 14 des Kunststoffprodukts 10 zu ermöglichen.
Ob bei dem mithilfe der Spritzgussvorrichtung 8 hergestellten Kunststoffprodukt 10 bereits eine ausreichend große Anzahl an Keramikpartikeln 4 aus der Kunststoffmatrix 12 herausragt, kann unter anderem vom Material der Keramikpartikel 4, der Größe der Keramikpartikel 4, dem verwendeten Kunststoffmaterial und/oder Prozessparametern, wie zum Beispiel der Temperatur, abhängig sein.
Die Erfindung wurde anhand der dargestellten Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf oder durch die offenbarten Beispiele beschränkt. Andere Varianten können vom Fachmann aus diesen Ausführungsbeispielen abgeleitet werden, ohne von den der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken abzuweichen.
Bezugszeichenliste

2: Extruder
4: Keramikpartikel
6: Granulat
8: Spritzgussvorrichtung
10: Kunststoffprodukt
12: Kunststoffmatrix
14: Oberfläche
16: Beizmittel
18: Beschichtungslösung
20: Grundschicht
22: Galvanikanlage
24: Schicht
26: Kunststoffbauteil
28: Gehäuse
30: Primär-Einlass
32: Sekundär-Einlass
34: Auslass
36: Schneidvorrichtung
38: Strang
40: Spritzgussmaschine
42: Spritzgussform
44: Hohlraum
46: Einlass
48: Auslass
50: Gehäuse
52: Schneckenwelle
54: Heizeinrichtung
56: Becken
58: Becken
60: Becken
62: Lösung
64: Spannungsquelle
66: Anode
68: Kathode

Claims

Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbauteils (26), bei dem auf ein Kunststoffprodukt (10), welches eine Kunststoffmatrix (12) sowie in die Kunststoffmatrix (12) eingebettete Keramikpartikel (4) umfasst, mittels eines Beschichtungsverfahrens eine Schicht (20) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel (4) einen Massenanteil von mindestens 0,5%, vorzugsweise mindestens 2%, am Kunststoffprodukt (10) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel (4) einen Massenanteil von höchstens 10%, vorzugsweise höchstens 6%, am Kunststoffprodukt (10) aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel (4) jeweils eine Partikelgröße von mindestens 0,25 µm, vorzugsweise mindestens 0,5 µm, aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel (4) jeweils eine Partikelgröße von höchstens 2 µm, vorzugsweise höchstens 1 µm, aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsverfahren, mittels welchem besagte Schicht (20) auf das Kunststoffprodukt (10) aufgebracht wird, ein chemisches Beschichtungsverfahren, insbesondere ein Tauchbeschichtungsverfahren, ist, bei dem das Kunststoffprodukt (10) mit einer Beschichtungslösung (18) benetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix (12) Polycarbonat und/oder Styrol-Acrylnitril enthält.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel (4) Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirkonoxid und/oder zirkonverstärktes Aluminiumoxid enthalten.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, bevor besagte Schicht (20) auf das Kunststoffprodukt (10) aufgebracht wird, zumindest einige der Keramikpartikel (4) aus der Kunststoffmatrix (12) herausragen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, bevor besagte Schicht (20) auf das Kunststoffprodukt (10) aufgebracht wird, zumindest ein Teil der Oberfläche (14) des Kunststoffprodukts (10) derart behandelt wird, dass nach Abschluss der Oberflächenbehandlung zumindest einige der Keramikpartikel (4) aus der Kunststoffmatrix (12) herausragen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffprodukt (10) bei der Oberflächenbehandlung mit einem Beizmittel (16), welches frei von Chromschwefelsäure ist, behandelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffprodukt (10) mittels eines Spritzgussverfahrens aus einem Granulat (6), welches zum einen die Keramikpartikel (4) und zum anderen einen die Kunststoffmatrix (12) bildenden Kunststoff oder eine die Kunststoffmatrix (12) bildende Kunststoffmischung enthält, hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (6) mithilfe eines Extruders (2), insbesondere eines Doppelschneckenextruders, hergestellt wird, in welchem die Keramikpartikel (4) mit dem Kunststoff oder der Kunststoffmischung vermischt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel (4) beschichtet sind, insbesondere mit einem Metall.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Schicht (20) eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine metallische Schicht, ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das mit besagter Schicht (20) beschichtete Kunststoffprodukt (10) mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens eine metallische Schicht (24) oder ein Schichtsystem aus mehreren metallischen Schichten aufgebracht wird.
Beschichtetes Kunststoffbauteil (26), insbesondere hergestellt nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend ein Kunststoffprodukt (10), welches eine Kunststoffmatrix (12) sowie in die Kunststoffmatrix (12) eingebettete Keramikpartikel (4) umfasst, und eine auf dem Kunststoffprodukt (10) angeordnete Schicht (20).