DE102021127112A1

DE102021127112A1 - Dekoratives Kunststoffbauteil und Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils

Info

Publication number: DE102021127112A1
Application number: DE102021127112.6A
Authority: DE
Inventors: Dennis Lemke; Alexander Göttgens; Selvedina Usanovic
Original assignee: Gerhardi Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: Gerhardi Kunststofftechnik GmbH
Priority date: 2021-06-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2022-12-22
Also published as: DE202021002143U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein dekoratives Kunststoffbauteil mit einer Beschichtung zur Darstellung optional farblicher, korrosionsstabiler Metallschichten, umfassend ein Substrat bestehend aus einem Kunststoff (a), auf dem eine erste Schicht (c) abgeschieden ist und eine Zink-, Zink-Nickel-, oder Nickelschicht (e) aufgebracht ist. Die Oberfläche ist gefärbt und versiegelt (f). Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen dekorativen Kunststoffbauteils.

Description

Die Erfindung beschreibt ein im Kunststoffspritzguss hergestelltes Bauteil mit einer Beschichtung zur Darstellung optional farblicher, korrosionsstabiler Metallschichten, umfassend ein Substrat bestehend aus Kunststoff. Die Erfindung beschreibt darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.
Unter Beschichten wird im Wortlaut der vorliegenden Erfindung das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück verstanden. Schicht und Substrat bilden hierbei einen untrennbaren Körper aus unterschiedlichen Stoffen. Die abschließende Beschichtung und im speziellen die dekorative Schicht übernimmt die Kontaktfunktion, also Schutz gegen chemischen, korrosiven und mechanischen Angriff. Die Dekorschicht bedient optische oder dekorative Zwecke, während das Substrat die Tragfunktion übernimmt.
In der Automobilindustrie werden verschiedene und unterschiedlich dekorierte Kunststoffbauteile zur optischen Aufwertung eingesetzt. Herkömmliche Oberflächentechnologien solcher oberflächendekorierter Bauteile sind das Lackieren der Kunststoffoberflächen, das Galvanisieren der Kunststoffoberfläche, Beschichtungen mittels PVD oder verwandter Technologien, das Dekorieren im Spritzgießwerkzeug durch Foliendekorationen nach der IMD oder FIM Methode sowie das Metallfolienhinterspritzen.
Neben all diesen klassischen Oberflächentechnologien ist die Darstellung metallische Oberflächen besonders hoch im Trend, suggeriert doch diese Oberfläche wie keine andere eine hochwertige, korrosionsstabile und robuste Anmutung.
Neben den Echtmetall dekorierten Bauteilen, also verblendete, gefügte oder hinterspritzte Bauteile mit dünnen Edelstahl oder Aluminiumblechen, werden auch besonders bevorzugt metallisch beschichtete Kunststoffbauteile als Dekorelemente eingesetzt.
Eine Beschichtungsart mit der es möglich ist, optisch metallische Oberflächen zu erzielen ist z.B. die Gasphasenabscheidung, zu der das PVD-Verfahren (Physical-Vapour-Deposition) sowie deren modifizierte Technologien wie z.B. CVD (Chemical-Vapour-Deposition) und PeCVD (Plasma-Enhanced-Chemical-Vapour-Deposition) sowie weitere gehören. Hierbei werden dünne Metallschichten in eine evakuierte Vakuumkammer auf ein Substrat abgeschieden. Das abzuscheidende Material liegt in fester Form vor. Das verdampfte Material bewegt sich durch die Beschichtungskammer und trifft auf das zu beschichtenden Bauteil, wo es durch Niederschlag zur Schichtausbildung kommt. Zwar ist das PVD-Verfahren generell geeignet metallische Schichten darzustellen; als problematisch hat sich jedoch erwiesen, dass die sehr dünne Metallbeschichtung nicht ohne eine zusätzliche Schutzschicht eine hinreichende Festigkeit gegen Abrieb und Korrosion aufweisen kann. Aus diesem Grund ist es erforderlich, eine Schutzschicht, beispielsweise ein Klarlacksystem, zu applizieren. Um eine ausreichende Grundhaftung auf das abzuscheidenden Kunststoffbauteil zu erzielen ist in der Regel auch eine Lackierung eines Haftvermittlers oder Primers notwendig. Vorteil einer solchen Beschichtung ist jedoch die optional farbliche Variantenbildung.
Eine weitere und industriell sehr wichtige Beschichtung ist die galvanische Abscheidung von Metallen auf Kunststoffbauteilen. Dabei werden die Teile zunächst im Spritzgießverfahren, beispielsweise aus galvanisierbaren Butadien-haltigen Copolymerisaten wie ABS oder ABS/PC, hergestellt. Nach dem Spritzgieß-Vorgang werden die Bauteile erst chemisch vorbehandelt, um dann auf ihnen autokatalytisch eine erste dünne und leitende Metallschicht, in der Regel eine dünne Nickel- oder Kupferschicht, abzuscheiden. Im weiteren Galvanikprozess werden dann elektrolytisch weitere Metallschichten abgeschieden, bis abschließend meist mit einer abgeschiedenen Chromschicht der Galvanisierprozess beendet ist.
Bei der galvanischen Abscheidung erzielt man einen hohen ästhetischen Anspruch sowie eine ausgezeichnete hohe Widerstandskraft gegen mechanische Beschädigungen sowie auch eine hohe Medienbeständigkeit, weshalb galvanisierte Bauteile gerne im automobilen Exterieur sowie im Interieur verbaut werden.
Als nachteilig bei dieser Art der Oberflächenbeschichtung muss allerdings die geringe Farbvarianz genannt werden. Konventionell galvanisch abgeschiedene Oberflächengüten und Farben reichen in der Regel von Hochglanz über verschiedene Mattigkeiten bis, durch modifizierte Elektrolyte und Prozesse, zu leicht anthrazit und bräunlichen Tönen.
Lange wurde diese farbliche Einschränkung der galvanisierten Chromoberflächen toleriert, wobei stets der Wunsch nach mehr Individualität, designtechnischer Freiheit sowie farblicher und struktureller Ausgestaltung der Oberflächen bestand. Besonders bei den metallischen Oberflächen wie der galvanischen Beschichtung wünscht sich gerade die Automobilindustrie mehr farblichen Spielraum.
Um farbliche und gleichzeitig metallisch wirkende Oberflächen darzustellen, gibt es viele Ansätze. So beschreibt zum Beispiel die DE 102 33 120 A1 eine Technologie, bei der eine Kombination von Lack, Gasphasenabscheidung wie z.B. eine PVD Beschichtung und einem getönten, also schwach pigmentierten Lack angewandt wird.
In der EP 2 369 032 A1 wird eine weitere Technologie beschrieben, bei der die abzuscheidenden Metallschichten über PVD direkt über spezielle Metalllegierungen farblich auf das Substrat abgeschieden werden. Hierbei ist jedoch ebenso eine Grundierung zur Haftvermittlung sowie eine nachgeschaltete, dann jedoch Klarlackierung, notwendig.
Auch die DE 10 2010 019 913 A9 beschreibt eine Gasphasenabscheidung mittels PVD und weiterer Technologien auf Kunststoff und Metall mit dem Ziel, farbliche und gleichzeitig metallisch anmutende Oberflächen zu erzeugen. Auch bei dieser Anwendung wird und muss die abgeschiedene Oberfläche mit einer abschließenden Beschichtung geschützt werden.
Weiter beschreibt zum Beispiel die EP 1 033 416 A1 ein Verfahren, bei dem auf einem Substrat wenigstens eine Korrosionsschutzschicht und eine äußere Schicht aus Zirkon, Stickstoff, Kohlenstoff und/oder Hafnium mittels PVD-Beschichtung abzuscheiden, wobei die äußere Schicht unter Luft- oder Wassereinwirkung eine Passivschicht bildet.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache, effiziente und ressourcensparende bzw. schonende Technologie zur Schaffung eines metallischen, korrosionsstabilen und optional farblichen Kunststoffbauteils vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine hochwertige, korrosionsstabile sowie optional einzufärbende Metallschicht auf bevorzugt Kunststoffbauteilen und besonders bevorzugt auf Mehr-Komponenten-Kunststoffbauteilen selektiv auszubilden.
Hierzu werden die zu beschichtenden Bauteile zunächst im Kunststoffspritzgussverfahren aus einem galvanisierbaren Kunststoff, bevorzugt aus Polyamid, besonders bevorzugt aus einem galvanisierbaren Butadien-haltigen Copolymerisat wie ABS oder ABS/PC, hergestellt. Nach dem Spritzgieß-Vorgang werden die Bauteile durch Direktmetallisierung, besonders bevorzugt durch einen konventionellen Galvanikprozess, chemisch vorbehandelt, um auf dieser bearbeiteten Oberfläche anschließend autokaltalytisch eine erste dünne und vor allem leitende Metallschicht, in der Regel eine dünne Nickel oder Kupferschicht, abzuscheiden. Im weiteren Galvanikprozess wird dann elektrolytisch wenigstens eine weitere Metallschicht abgeschieden, welche bevorzugt eine glänzende oder matte Kupferschicht darstellt.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann auch die erste elektrisch leitende Schicht für die weitere elektrolytische Abscheidung durch Gasphasenabscheidung wie PVD, CVD oder PeCVD stattfinden. Hierbei ist vorteilhaft, dass bei Verwendung dieser Vorbeschichtung weitestgehend auf die speziellen galvanisierbaren Kunststoffe und auf die meist chemische Vorbehandlung verzichtet werden kann, und somit auch nicht galvanisierbare Kunststoffe wie zum Beispiel Polycarbonat u.w. zum Einsatz kommen können.
In Weiterbildung der Erfindung wird auf der weiteren Metallschicht eine abschließend dekorative Zink, Nickel-Zink, Kupfer-, Nickel oder Chrom Schicht aufgebracht.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auch die dekorativen Zink-, Nickel-Zink-, Nickel- oder Chromschichten durch Gasphasenabscheidung wie PVD, CVD oder PeCVD aufgebracht werden oder die dekorativen Schichten als metallische oder metallisch beschichtete Folieninserts vom Kunststoffsubstrat hinterspritzt werden.
Durch die Ausbildung der dekorativen Schichten in matt und glänzend kann auch direkt auf die gewünschte Darstellung der Endschicht Einfluss genommen werden.
Um die dekorativen Schichten zusätzlich zu ihren metallischen Eigenfarben farblich einzustellen, kann über organische oder anorganische Verbindungen aus z.B. Kohlenstoffverbindungen oder Metallsalzen eine Färbung und aber auch eine Passivierung der Metallschichten vorgenommen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird abschließend und optional auf der dekorativen Metallschicht eine weitere Deckschicht aus einer anorganischen, aus einer organischen oder auch als sehr dünnen und semitransparenten metallischen Schicht aufgebracht, welche durch Lackieren, Pulverbeschichten, Bedrucken, Tauchen oder durch Gasphasenabscheidung appliziert wird.
Die Schichtfolge von wenigstens einer metallischen und einer organischen oder anorganischen Schicht oder als Schichtfolge von wenigstens einer anorganischen und einer organischen Schicht erzeugt in Kombination mit der dekorativen Metallschicht die gewünschte Farbe des dekorativen Kunststoffbauteils.
Da die Deckschicht unter Umständen einem hohem Verschleiß ausgesetzt ist, muss sie eine hohe mechanische Beständigkeit sowie eine hohe Medienbeständigkeit aufweisen. Die Erfindung sieht daher vor, dass auf die dekorative und optional gefärbte Metallschicht eine organische oder anorganische Polymerverbindung als transparente, keramische Hartstoffschicht, insbesondere aus AlSi_xO_yN_z, AlO_xN_y, Al₂O₃ oder SiO₂, als Deckschicht aufgebracht werden kann. Diese Hartstoffschicht stellt eine transparente Kratzschutzschicht auf der farbgebenden und dekorativen Metallschicht dar. Sie wirkt zudem als Barriereschicht oder Diffusionsschutzschicht, wodurch die chemische Beständigkeit der darunter liegenden Metallschichten nochmals erhöht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. In den Zeichnungsunterlagen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Schichten. Es zeigen:

1 zeigt einen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Gegenstandes;
2 einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines zweiten erfindungsgemäßen Gegenstandes;
3 einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines dritten erfindungsgemäßen Gegenstandes.

Der in 1 dargestellte Gegenstand weist ein im Spritzgussverfahren hergestelltes Bauteil (a) aus einem Substrat aus Kunststoff (1) auf. Mittels chemischer Vorbehandlung (2) wird die Oberfläche des galvanisierbaren Kunststoffmaterials (b) zur anschließenden autokatalytischen Abscheidung einer ersten leitenden Grundbeschichtung (3) in Form einer Metallschicht (c) vorbehandelt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die erste leitende Metallschicht (c) durch Gasphasenabscheidung aufgebracht.
Die erste (Grund)Beschichtung (3) besteht bevorzugt aus einem Element oder einer Verbindung mehrerer Elemente aus der Gruppe Zirkonium, Titan, Chrom, Zinn und Zink.
Auf dieser ersten Grundbeschichtung (3) wird bevorzugt elektrolytisch wenigstens eine weitere Mittelschicht (d) abgeschieden, welche als metallische Zwischenschicht (4) einebnend und verbindend wirkt. Alternativ kann direkt elektrolytisch oder physikalisch die dekorative Schicht (5) aufgebracht werden (e).
Eine Behandlung mit organischen oder anorganischen Verbindungen (6) sorgt anschließend für eine Passivierung der Oberfläche und oder für eine Färbung der metallischen dekorativen Beschichtung (f), auf der abschließend noch eine, bevorzugt transparente oder einfärbende und semitransparente Deck- und Schutzschicht (g) durch abgeschiedene oder aufgebrachte organische oder anorganische Polymerverbindungen (7) abgebildet werden kann. Passivierung meint in diesem Zusammenhang die spontane Entstehung oder gezielte Erzeugung einer nichtmetallischen Schutzschicht auf einem metallischen Werkstoff, um die Sauerstoffkorrosion des Grundwerkstoffes zu verhindern oder stark zu verlangsamen.
Gemäß der Ausführung des in 1 beschriebenen Aufbaus kann somit ein metallisches, korrosionsstabiles und optional farbliches Kunststoffbauteil hergestellt werden (h).
Der in 2 dargestellte Gegenstand beschreibt einen prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Beschichtung, bei dem auf dem Substrat (1) durch konventionelle Kunststoffgalvanik Vorbehandlung, durch physikalische Abscheidung oder durch Direktmetallisierung (2) eine erste metallische und leitende Grundbeschichtung (3) abgeschieden und auf diese optional eine organische oder metallische Schicht (4, 5) aus bevorzugt Kupfer verstärkend, einebnend und verbindend aufgebracht wird, welche die dekorative Zink, Zink-Nickel-, Nickel- oder Chrom-Beschichtung (6) aufnimmt, die durch Behandlung einer organischen oder anorganischen Verbindung (7) passiviert und eingefärbt werden kann. Zum Schutz der metallischen Dekorationsschicht vor Umwelteinflüssen oder Medienangriffen kann diese mit einer weiteren Beschichtung aus organischen und anorganischen Polymerverbindungen (8) versehen werden.
Der in 3 dargestellte Gegenstand umfasst wiederum ein Substrat 1 aus bevorzugt Kunststoff. Dieses wird durch konventionelle Kunststoffgalvanik, durch physikalische Abscheidung oder durch Direktmetallisierung (2) eine erste metallische und leitende Grundbeschichtung (3) abgeschieden und auf diese optional eine organische oder metallische Schicht (4,) aus bevorzugt Kupfer verstärkend, einebnend und verbindend aufgebracht wird. Im Gegensatz zu 2 wird in dieser Darstellung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung noch eine weitere Metallabscheidung aus bevorzugt Nickel oder anderen Metallen (5) aufgebracht, welche die dekorative Zink, Zink-Nickel-, Nickel- oder Chrom-Beschichtung (6) aufnimmt, die durch Behandlung einer organischen oder anorganischen Verbindung (7) passiviert und eingefärbt werden kann. Zum Schutz der metallischen Dekorationsschicht vor Umwelteinflüssen oder Medienangriffen kann diese mit einer weiteren Beschichtung aus organischen und anorganischen Polymerverbindungen (8) versehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10233120 A1 [0011]
EP 2369032 A1 [0012]
DE 102010019913 A9 [0013]
EP 1033416 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dekorativen Kunststoffbauteils umfassend folgende Verfahrensschritte: - Spritzgießen des Bauteils (1) - Aufbringen einer ersten, metallisch leitenden Grundbeschichtung (3) - Aufbringen einer einebnenden und verbindenden Zwischenschicht (4, 5) - Passivieren und/oder Färbung der Oberfläche - Abscheiden oder Aufbringen einer Schutzschicht (7)
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundbeschichtung (3) autokatalytisch abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Grundbeschichtung (3) das Bauteil (1) chemisch vorbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundbeschichtung (3) physikalisch abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4, 5) verstärkend aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschicht (4, 5) eine organische oder metallische Schicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Zwischenschicht (4) eine weitere Metallabscheidung (5) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Metallabscheidung (5) aus Nickel oder anderen Metallen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) eine dekorative Zink-, Zink-Nickel-, Nickel- oder Chrombeschichtung (6) aufnimmt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dekorativen Zink-, Nickel-Zink-, Nickel- oder Chromschichten durch Gasphasenabscheidung wie PVD, CVD oder PeCVD aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (7) durch Behandlung mit anorganischen oder organischen Polymerverbindungen abgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (7) mit einer weiteren Beschichtung (8) aus organischen oder anorganischen Polymerverbindungen versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) als transparente, keramische Hartstoffschicht, insbesondere aus AlSi_xO_yN_z, AlO_xN_y, Al₂O₃ oder SiO₂ aufgebracht wird.
Dekoratives Kunststoffbauteil mit einer Beschichtung zur Darstellung optional farblicher, korrosionsstabiler Metallschichten, umfassend ein Substrat (1) bestehend aus Kunststoff (a), auf dem eine erste Schicht (c) abgeschieden ist und eine Zink-, Zink-Nickel-, oder Nickelschicht (6) (e) aufgebracht ist, deren Oberfläche gefärbt und versiegelt (f) ist.
Dekoratives Kunststoffbauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat chemisch vorbehandelt ist.
Dekoratives Kunststoffbauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht autokatalytisch abgeschieden ist.
Dekoratives Kunststoffbauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht physikalisch abgeschieden ist.
Dekoratives Kunststoffbauteil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Metallschicht elektrolytisch abgeschieden ist (d).
Dekoratives Kunststoffbauteil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche eine Schutzschicht (8) (g) aufgebracht ist.
Dekoratives Kunststoffbauteil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht als organische Schicht (2), metallische Schicht (3) oder eine Schichtfolge von wenigstens einer organischen Schicht (2) und wenigstens einer metallischen Schicht (3) gebildet ist.
Dekoratives Kunststoffbauteil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (3) aus einem Element oder einer Verbindung mehrerer Elemente aus der Gruppe Zirkonium, Titan, Chrom, Zinn und Zink besteht.
Dekoratives Kunststoffbauteil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (8) als anorganische Schicht (5), als weitere metallische Schicht, als organische Schicht (6), als Schichtfolge von wenigstens einer anorganischen und einer organischen Schicht oder als Schichtfolge von wenigstens einer weiteren metallischen und einer organischen Schicht gebildet ist.