-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen einer partiellen Beschichtung auf der Oberfläche eines
Kunststoffteils gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Kunststoffteile werden aus den verschiedensten
Gründen
mit Beschichtungen, insbesondere mit galvanisch aufgebrachten Metallschichten
versehen. Die Beschichtungen können
beispielsweise dazu dienen, das Aussehen der Kunststoffteile attraktiver
zu gestalten, eine elektrische Leitfähigkeit herzustellen, die mechanische
Widerstandfähigkeit der
Oberfläche
zu verbessern usw. Häufig
ist es dabei erforderlich, die Beschichtung nur partiell auszuführen, so
daß die
Kunststoffteile neben beschichteten Bereichen auch unbeschichtete
Bereiche aufweisen. Die unbeschichteten Bereiche sind für eine Vielzahl
von Bearbeitungsschritten besser geeignet als die beschichteten
Bereiche. Bei diesen Bearbeitungsschritten kann es sich beispielsweise
um ein Verkleben, Lackieren oder um das Umspritzen mit einer weiteren
Kunststoffkomponente handeln. Weiterhin lassen sich Fügevorgänge, die
ein partielles Aufschmelzen oder Deformieren der Kunststoffteile
erfordern, an unbeschichteten Flächen
einfacher realisieren, wie z. B. Ultraschallschweißen, Heißumformen,
Rastungen bzw. Schnappverbindungen. Schließlich zeichnen sich die unbeschichteten
Bereiche gegenüber
den beschichteten Bereichen in der Regel durch eine bessere Maßhaltigkeit
aus.
-
Für
die Herstellung einer partiellen Beschichtung auf der Oberfläche eines
Kunststoffteils sind bereits eine Reihe von Verfahren bekannt. So
offenbart die
DE 37
26 744 C2 ein Verfahren zur Herstellung eines an seiner
Oberfläche
mit einem Metallmuster versehenen Kunststoffgegenstands. Bei diesem
Verfahren wird der Kunststoffgegenstand in Spritzgußtechnik
entsprechend dem gewünschten
Metallmuster aus einer amorphen thermoplastischen Harzverbindung
und einer kristallinen thermoplastischen Harzverbindung hergestellt.
Die amorphe thermoplastische Harzverbindung kann mittels eines Adhäsionspromotions-Verfahrens hydrophil
und aufnahmebereit für
eine Metallisierung gemacht werden. Die kristalline thermoplastische
Harzverbindung ist gegen das Adhäsionspromotions-Verfahren
resistent und behält
ihre hydrophoben Eigenschaften. Dies hat zur Folge daß bei einer
Metallisierung, die nach dem Adhäsionspromotions-Verfahren
durchgeführt
wird, lediglich im Bereich der amorphen thermoplastischen Harzverbindung
eine festhaftende Metallschicht ausgebildet wird.
-
Aus der
DE 195 10 855 A1 ist ein
Verfahren zum selektiven oder partiellen elektrolytischen Metallisieren
von Substraten aus nichtleitenden Materialien bekannt. Zur partiellen
Metallisierung werden auf die Substrate partiell nichtleitende Kunststoffschichten
aufgebracht. Anschließend
werden die Substrate mit diversen Lösungen behandelt und schließlich wird
eine elektrolytische Metallisierung durchgeführt. Die Metallisierung wird
dabei nur auf den Oberflächenbereichen
der Substrate ausgebildet, auf denen keine Kunststoffschicht aufgebracht
ist. Auch die aufgebrachte Kunststoffschicht selbst bleibt frei
von einer Metallisierung.
-
Aus der
DE 195 17 338 A1 ist ein
Verfahren zum selektiven Beschichten eines Kunststofferzeugnisses
bekannt. Das Kunststofferzeugnis wird aus einem beschichtbaren Polymer
und einem nicht beschichtbaren Polymer geformt. Dabei wird das beschichtbare
Polymer partiell in das nicht beschichtbare Polymer eingebettet,
so daß das
Kunststofferzeugnis durch eine Beschichtungslösung lediglich im Bereich des
beschichtbaren Polymers mit einem Metallüberzug versehen wird.
-
Die
DE 198 34 348 A1 offenbart ein Verfahren
zur Metallisierung einer Kunststoffoberfläche. Bei diesem Verfahren wird
die Kunststoffoberfläche
zumindest abschnittsweise mittels Koronabehandlung aktiviert. Anschließend wird
die aktivierte Oberfläche mit
Metallkeimen belegt und danach galvanisiert. Um eine partielle Metallisierung
zu ermöglichen,
wird das zu beschichtende Kunststoffteil im Spritzgußverfahren
aus zwei Komponenten hergestellt. Dabei wird zunächst nur die erste Komponente
gespritzt und vollflächig
aktiviert. Danach wird die erste Komponente abschnittsweise mit
der zweiten Komponente umspritzt, die nicht aktiviert wird, so daß die Metallisierung
lediglich im Bereich der ersten Komponente ausgebildet wird.
-
Die bekannten Verfahren haben jeweils
den Nachteil, daß nicht
zu beschichtende Bereiche abgedeckt werden müssen bzw. aus einem Material
ausgebildet werden müssen,
an dem die Beschichtung nicht haftet. Hierzu ist entweder ein aufwendiger
Abdeckprozeß erforderlich
oder eine vergleichsweise aufwendige Herstellung der Kunststoffteile.
Weitere Nachteile bestehen darin, daß diese Verfahren wenig flexibel
sind und bei komplexen dreidimensionalen Kunststoffteilen kaum anwendbar
sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
möglichst
universell einsetzbares Verfahren zur Herstellung einer partiellen
Beschichtung auf einer Oberfläche
eines Kunststoffteils anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine partielle Beschichtung auf der Oberfläche eines Kunststoffteils hergestellt,
wobei wenigstens ein Teilbereich der Oberfläche ausgespart wird. Vor dem Aufbringen
eines die Beschichtung ausbildenden Beschichtungsmaterials auf die
Oberfläche
des Kunststoffteils wird der auszusparende Teilbereich mit einem
Laserstrahl bestrahlt. Die Oberfläche wird durch die Bestrahlung
innerhalb des auszusparenden Teilbereichs derart verändert, daß beim Aufbringen
des Beschichtungsmaterials innerhalb des auszusparenden Teilbereichs
kein Beschichtungsmaterial angelagert wird oder keine fest anhaftende
Beschichtung ausgebildet wird.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, daß sich eine partielle
Beschichtung des Kunststoffteils mit einem vergleichsweise geringen
Aufwand realisieren läßt. Dabei
ist es insbesondere auch möglich,
sehr feine Beschichtungsstrukturen auszubilden. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß auch
bei Kunststoffteilen mit einer komplexen dreidimensionalen Struktur
eine partielle Beschichtung problemlos möglich ist. Außerdem ist
es vorteilhaft, daß die
Laserbearbeitung dauerhaft sehr gut reproduzierbar ist und dadurch
eine hohe Prozeßsicherheit
erreicht wird.
-
Die Oberfläche des Kunststoffteils kann
vor der Bestrahlung mit dem Laserstrahl einer Vorbehandlung unterzogen
werden, durch welche die Voraussetzungen für das Anlagern des Beschichtungsmaterials
an die Oberfläche
des Kunststoffteils und/oder für
die Ausbildung einer fest anhaftenden Beschichtung geschaffen werden.
Dabei wird vorzugsweise die gesamte Oberfläche des Kunststoffteils der
Vorbehandlung unterzogen. Welche Teilbereiche der Oberfläche des
Kunststoffteils von der Beschichtung ausgenommen werden, wird folglich
nicht durch die Vorbehandlung, sondern durch die Bestrahlung mit
dem Laserstrahl festgelegt. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren
sehr flexible eingesetzt werden und benötigt keine Abdeckschablonen oder ähnliche
Hilfsmittel.
-
Um eine gute Haftung der Beschichtung
sicherzustellen, kann die Oberfläche
des Kunststoffteils durch die Vorbehandlung aufgerauht werden. Das
Aufrauhen kann beispielsweise mittels eines Ätzprozesses erfolgen, dem die
Oberfläche
des Kunststoffteils im Rahmen der Vorbehandlung unterzogen wird.
Weiterhin kann die Oberfläche
des Kunststoffteils durch die Vorbehandlung elektrisch leitfähig gemacht
werden. Eine elektrisch leitfähige Oberfläche wird
beispielsweise für
eine Anwendung galvanischer Beschichtungsverfahren benötigt. Insbesondere
kann die Oberfläche
des Kunststoffteils im Rahmen der Vorbehandlung einer Bekeimung
vorzugsweise mit Palladium unterzogen werden. Weiterhin kann im
Rahmen der Vorbehandlung auf die Oberfläche des Kunststoffteils eine
vorzugsweise metallische Vorbeschichtung, insbesondere eine Nickelschicht
aufgebracht werden.
-
Die Vorbeschichtung kann durch die
Bestrahlung mit dem Laserstrahl innerhalb des auszusparenden Teilbereichs
abgetragen werden und dadurch das Kunststoffmaterial freigelegt
werden. Da der Abtrag der Vorbeschichtung mittels des Laserstrahls
mit hoher Präzision
vorgenommen werden kann, können
auf diese Weise sehr genau gearbeitete Übergangskanten zwischen beschichteten
und unbeschichteten Bereichen der Oberfläche ausgebildet werden. Außerdem kann
die Oberfläche
des Kunststoffteils durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl innerhalb
des auszusparenden Teilbereichs geglättet werden und dadurch die
Ausbildung einer Beschichtung im auszusparenden Teilbereich verhindert
werden. Während
und/oder nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl kann ein Gasstrom
am Kunststoffteil vorbeigeführt
werden. Dies hat den Vorteil, daß die Beeinflussung des Laserstrahls
durch das verdampfte Material in einem vertretbaren Rahmen gehalten wird
und außerdem
weitgehend verhindert wird, daß sich
verdampftes Material auf dem Kunststoffteil niederschlägt.
-
Das Beschichtungsmaterial kann chemisch oder
galvanisch aufgebracht werden. Dabei ist es auch möglich, beides
zu kombinieren, d. h. zunächst eine
Schicht auf chemischen Wege aufzubauen und anschließend eine
weitere Schicht durch eine galvanische Abscheidung zu erzeugen.
In der Regel wird die Beschichtung durch mehrere metallische Schichten
ausgebildet, insbesondere durch eine Unterschicht aus Nickel und/oder
Kupfer. Die Chromschicht wird vorzugsweise dann mit der Kupferschicht
bzw. Nickelschicht kombiniert, so daß man für eine dauerhafte und optisch
ansprechende Beschichtung mit einer relativ geringen Menge an Chrom
auskommt.
-
Das Kunststoffteil kann beispielsweise
als ein Bauteil für
ein elektrisches Kleingerät
ausgebildet sein.
-
Die Erfindung wird nachstehend an
Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
-
Es zeigen
-
1 einen
prinzipiellen Verfahrensablauf für
eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen
Darstellung,
-
2 ein
Ausführungsbeispiel
für die
Laserbearbeitung des Kunststoffteils in einer schematischen Darstellung
und
-
5 einen
prinzipiellen Verfahrensablauf für
eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer 1 entsprechenden Darstellung.
-
1 zeigt
einen prinzipiellen Verfahrensablauf für eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einer schematischen Darstellung. Dargestellt ist jeweils der
gleiche Ausschnitt eines Kunststoffteils 1 mit einer Oberfläche 2 in
verschiedenen Bearbeitungsphasen, die mit a, b, c und d bezeichnet sind.
Dabei ist der Ausschnitt jeweils so gewählt, daß die Oberfläche 2 die
obere Begrenzung des Ausschnitts bildet und sich das Kunststoffteil 1 zu
den Seiten und nach unten hin fortsetzt. Das Kunststoffteil 1 kann
beispielsweise aus einem Kunststoff der Polyarylfamilie hergestellt
sein, der einen hohen Glasfaseranteil aufweist. Dabei wirkt es sich
positiv auf das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Ergebnis
aus, wenn das Kunststoffteil 1 so ausgebildet ist, daß im Bereich
der Oberfläche 2 ein
reduzierter Glasfaseranteil vorhanden ist.
-
Zu Beginn der Bearbeitung ist die
Oberfläche 2 des
Kunststoffteils 1 glatt und elektrisch isolierend ausgebildet.
Dies ist 1a dargestellt.
Bei einer derartigen Ausbildung der Oberfläche 2 ergeben sich mit
den meisten Beschichtungsmaterialien Haftungsprobleme. Deshalb wird
die Oberfläche 2 vollflächig aufgerauht
und dadurch für
den Beschichtungsprozeß aktiviert.
Die Aufrauhung kann mittels einer schwefelsäurehaltigen Atmosphäre, beispielsweise in
einer entsprechenden Dampfkabine, erfolgen. Das derart behandelte
Kunststoffteil 1 ist 1b dargestellt.
Wenn das Kunststoffteil 1 in dem Bearbeitungszustand gemäß 1b ohne zusätzliche
Maßnahmen
dem Beschichtungsprozeß zugeführt würde, käme es zu
einer vollflächigen
Schichtausbildung auf der gesamten Oberfläche 2. Da jedoch lediglich
ein partielles Beschichten erfolgen soll, wird die Oberfläche 2 gemäß 1c in einem Teilbereich 3,
der nicht beschichtet werden soll, wieder deaktiviert. Die Deaktivierung
erfolgt erfindungsgemäß mittels
eines Laserstrahls 4, mit dem der nicht zu beschichtende Teilbereich 3 gezielt
bestrahlt wird. Durch die Bestrahlung wird der Teilbereich 3 der
Oberfläche 2 aufgeschmolzen
und dadurch geglättet.
Die Parameter des Laserstrahls 4 werden dabei so eingestellt,
daß nur
eine sehr geringe Eindringtiefe erreicht wird. Der Teilbereich 3 stellt
damit keinen Untergrund mehr dar, an dem das Beschichtungsmaterial
haftet. Anschließend
wird ein chemischer Beschichtungsprozeß durchgeführt, bei dem eine oder mehrere
Metallschichten 5 auf der Oberfläche 2 abgeschieden
werden. Hierzu wird das Kunststoffteil 1 in entspre chende
Bäder eingetaucht.
Wie in 1d zu erkennen, wird
innerhalb des Teilbereichs 3 keine Metallschicht 5 aufgebaut,
da das Metall dort nicht an der Oberfläche 2 haften bleibt.
Zusätzlich
können
weitere Metallschichten 5 galvanisch auf die Oberfläche 2 aufgebracht
werden, wobei die oberste Metallschicht 5 häufig aus
Chrom ausgebildet wird. Da eine galvanische Abscheidung eine elektrische
Leitfähigkeit
der Oberfläche 2 voraussetzt,
findet auch das galvanische Beschichten ausschließlich außerhalb
des Teilbereichs 3 statt. Der Teilbereich 3 bleibt
somit frei von jeglicher Metallschicht 5 und steht als
unbeschichtete Funktionsfläche
für die
weitere Bearbeitung zur Verfügung.
Auf die beschriebene Art und Weise kann nicht nur ein einziger Teilbereich 3,
sondern eine beliebige Anzahl von Teilbereichen 3 beim
Beschichten ausgespart werden. Da der Übergang zwischen den nicht
beschichteten Teilbereichen 3 und den Metallschichten 5 mit
der vorstehend beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht sehr schart ausgeprägt
wird, empfiehlt sich ein Einsatz dieser Variante insbesondere zur
Aussparung von Funktionsflächen,
die beispielsweise für
die Durchführung
von Fügevorgängen benötigt werden
und bei der bestimmungsgemäßen Verwendung
des Kunststoffteils 1 nicht sichtbar sind. Ein Beschichten
derartiger Funktionsflächen
soll in der Regel deshalb vermieden werden, weil im Bereich der
Funktionsflächen
von den Eigenschaften des Kunststoffmaterials Gebrauch gemacht werden
soll, die sich erheblich von den Eigenschaften der Metallschichten 5 unterscheiden.
-
2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für die Laserbearbeitung
des Kunststoffteils 1 in einer schematischen Darstellung.
Bei dem Kunststoffteil 1 kann es sich zum Beispiel um einen
Wechselrahmen zur Aufnahme einer Scherfolie eines elektrischen Rasierers
handeln. Das Kunststoffteil 1 weist mehrere dunkel dargestellte
Teilbereiche 3 auf, die beim Beschichten ausgespart und
daher mit dem Laserstrahl 4 bearbeitet werden sollen. Bei
den Teilbereichen 3 handelt es sich beispielsweise um Nietzapfen,
mit denen zu einem späteren
Zeitpunkt die Scherfolie an den Wechselrahmen genietet wird. Der
Laserstrahl 4 ist beim Auftreffen auf das Kunststoffteil 1 geringfügig defokussiert
und wird von einem figürlich
nicht dargestellten Nd-YAG-Festkörperlaser
erzeugt, der ortsfest angeordnet ist. Zur Bearbeitung der Teilbereiche 3 des
Kunststoffteils 1 mit dem Laserstrahl 4 wird das Kunststoffteil 1 jeweils
so positioniert, daß der
Laserstrahl 4 in einem der Teilbereiche 3 auf
das Kunststoffteil 1 trifft. Zum Überwechseln in den nächsten Teilbereich 3 wird
der Laserstrahl 4 jeweils ausgeschaltet. Die für die Positionierung
des Laserstrahls 4 erforderlichen Bewegungen des Kunststoffteils 1 sind in 2 durch Pfeile angedeutet.
Ein dreidimensionales Bearbeiten des Kunststoffteils 1 ist
mit dem Laserstrahl 4 problemlos möglich.
-
Um die Effizienz der Laserbearbeitung
zu steigern und/oder das Bewegungsmuster des Kunststoffteils 1 zu
vereinfachen, können
zusätzlich
ein oder mehrere weitere Laser vorgesehen werden. Ebenso ist es
auch möglich,
eine Bifokaloptik einzusetzen oder die Laser jeweils mit einem Ablenkbaustein
auszustatten, so daß das
Kunststoffteil 1 für
die Laserbearbeitung lediglich einer Drehbewegung unterzogen werden
muß.
-
3 zeigt
einen prinzipiellen Verfahrensablauf für eine zweite Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens
in einer 1 entsprechenden
Darstellung. Bei dieser Variante wird als Kunststoff beispielsweise
ein Acrylnitrit/Butadien/Styrol-Co-Polymer und/oder ein Polycarbonat
eingesetzt. Analog zur ersten Verfahrensvariante ist die Oberfläche 2 des Kunststoffteils 1 zu
Beginn des Verfahrens vollflächig glatt
ausgebildet. Dies ist in 3a dargestellt.
Wie aus 3b ersichtlich,
wird die gesamte Oberfläche 2 des
Kunststoffteils 1 aufgerauht. Die Aufrauhung kann zum Beispiel
durch eine Behandlung mit Chromsäure
oder auch analog zur ersten Verfahrensvariante durchgeführt werden.
Danach erfolgt eine vollflächige
Bekeimung der Oberfläche 2 beispielsweise
mit Palladium. Anschließend
werden jeweils auf der gesamten Oberfläche 2 eine chemische Vernickelung
und eine galvanische Abscheidung von Anschlagnickel durchgeführt, so
daß eine
in 3c dargestellte vollflächige Vorbeschichtung 6 ausgebildet
wird. Das vorbeschichtete Kunststoffteil 1 wird mit Wasser
gespült
und getrocknet. Wie in 3d dargestellt,
wird die Vorbeschichtung 6 danach im Teilbereich 3 der
Oberfläche 2 mit
dem Laserstrahl 4 abgetragen. Hierzu wird ein sehr kurzpulsiger Nd-YAG-Festkörperlaser
mit einer hohen Impuls-Spitzenleistung eingesetzt. Durch die Laserimpulse
wird die metallische Vorbeschichtung 6 im Teilbereich 3 verdampft,
ohne das angrenzende Kunststoffmaterial in signifikanter Weise strukturell
zu verändern.
Um eine unzulässig
starke Beeinträchtigung des
Laserstrahls 4 durch den Metalldampf zu verhindern und
einem Niederschlagen des Metalldampfs auf das Kunststoffteil 1 entgegenzuwirken,
wird während
der Laserbearbeitung und auch unmittelbar danach mittels einer Absaugung
ein Luftstrom am Kunststoffteil 1 vorbeigeführt. Durch
die Laserbearbeitung wird die Vorbeschichtung 6 im Teilbereich 3 vollständig entfernt
und bleibt außerhalb
des Teilbereichs 3 unverändert erhalten. Mit dem sich
anschließenden
galvanischen Beschichtungsprozeß werden ausschließlich auf
der Vorbeschichtung 6 weitere Metallschichten 5 aufgebaut,
da das Metall sich lediglich an der elektrisch leitenden Vorbeschichtung 6 anlagert.
Der Teilbereich 3 bleibt dagegen frei von jeglicher Metallschicht 5.
Als weitere Metallschichten 5 können beispielsweise nacheinander
eine Kupferschicht, eine Nickelschicht und eine Chromschicht aufgebracht
werden.
-
Mit der Verfahrensvariante gemäß 3 können sehr saubere Übergangskanten
zwischen beschichteten und nicht beschichteten Oberflächenbereichen
ausgebildet werden. Dies ist insbesondere bei Kunststoffteilen 1 von
Relevanz, bei denen auf die nicht beschichteten Oberflächenbereiche
eine zweite Kunststoffkomponente, beispielsweise ein Weichkunststoff
aufgespritzt werden soll und bei denen Spalten zwischen dem aufgespritzten
Weichkunststoff und den Metallschichten 5 aus hygienischen
Gründen
vermieden werden müssen,
da sich in derartigen Spalten Bakterien und ähnliches anlagern können. Eine
derartige Anwendung stellt beispielsweise das Gehäuse einer
elektrischen Zahnbürste
dar. Weiterhin eignet sich die zweite Variante für Anwendungen mit einem hohen
Anspruch an den optischen Eindruck, also beispielsweise generell
für Gehäuseteile.
-
Die vollflächige Aufrauhung der Oberfläche 2 des
Kunststoffteils 1 kann bei beiden Verfahrensvarianten entfallen,
wenn ein Kunststoffteil 1 eingesetzt wird, das bereits über eine
Oberfläche 2 verfügt, die beschichtet
werden kann.