DE19745407A1 - Verfahren zur Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen, vorzugsweise für Fahrzeuge, und danach beschichtetes Kunststoffteil - Google Patents

Verfahren zur Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen, vorzugsweise für Fahrzeuge, und danach beschichtetes Kunststoffteil

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen, vorzugsweise für Fahrzeuge. Das Verfahren ist gleichermaßen anwendbar für Fahrzeugteile, die sowohl im Inneren als auch außen eingesetzt werden. Desweiteren ist dieses Verfahren auch anwendbar für Gebrauchsgegenstände verschiedenster Anwendungsgebiete, um einen besonderen optischen Effekt oder eine Verbesserung der Gebrauchseigenschaften zu erzielen. Das sind beispielsweise Gehäuse von Geräten sowie Instrumente. Gegenstand der Erfindung ist auch ein nach dem Verfahren hergestelltes Kunststoffteil.
Es ist allgemein bekannt, Schichten mit verschiedenen Farb- und Glanzeffekten auf Gegenständen durch Vakuumbeschichtung, insbesondere Magnetron-Zerstäubung, abzuscheiden.
In einer Vakuumkammer werden die zu beschichtenden Gegenstände gegenüber einem oder mehreren Targets, die aus dem Material oder einer Komponente der abzuscheidenden Schicht bestehen, angeordnet. Zwischen dem Target und den Gegenständen wird eine Gasentladung so gezündet, daß sich ein Plasma ausbildet und Teilchen vom Target abgestäubt werden. Als Targetmaterialien werden Metalle, Metallegierungen oder Metallverbindungen eingesetzt. Metallverbindungen lassen sich jedoch auch durch reaktive Magnetron-Zerstäubung abscheiden, indem ein Metall zerstäubt wird und ein Reaktivgas, wie z. B. O2, N2, zusätzlich in die Vakuumkammer eingelassen wird. Durch eine entsprechende Materialauswahl, eventuell in Verbindung mit einem Prozeßgas, sind die Schichten in verschiedenen Farben herstellbar.
Um derart aufgestäubte metallische Schichten gegen Korrosion und Beschädigung durch mechanischen Verschleiß zu schützen, werden nach PVD- und CVD-Verfahren harte und verschleißfeste Schichten als Überzug auf die metallisch glänzenden Schichten abgeschieden. Der Nachteil derart geschützter metallisch glänzender Schichten besteht darin, daß für hohe mechanische und korrosive Beanspruchungen, denen beispielsweise Fahrzeugteile aus Kunststoff ausgesetzt sind, dieser Schutz unzureichend ist. Die Herstellung der Schutzschichten ist außerdem zu teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen - vorzugsweise für Fahrzeuge - zu schaffen, mit dem eine Vielzahl unterschiedlicher Metallglanzfarbtöne auf deren Oberfläche oder Bereichen derselben erzeugt werden soll. Vorzugsweise sollen dabei die sichtbaren Flächen der Kunststoffteile beschichtet werden. Die Glanzbeschichtung soll auch beständig gegen Korrosion sein und hohe mechanische Belastungen aushalten, wie sie z. B. bei Fahrzeugteilen durch Abrieb und Steinschlag auftreten. Das Verfahren und die danach beschichteten Kunststoffteile sollen kostengünstig herstellbar bzw. beschichtbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 und 10 bis 17 beschrieben.
Erfindungsgemäß wird die Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen, bevorzugt deren sichtbarer Bereich, insbesondere für Fahrzeuge, durch die Kombination mehrerer Verfahrensschritte und Schichten erzeugt. In einer Ausführungsform wird in einem ersten Verfahrensschritt eine glättende Lackgrundschicht aus z. B. einem Pulvereinbrennlack oder einem Sputter-Lack in bekannter Weise aufgebracht. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt auf diese vorbeschichteten Kunststoffteile in einer Vakuumkammer durch Magnetron-Zerstäubung eine Hochglanzschicht mit einer Dicke von 10 nm bis 5 µm, vorzugsweise 100 nm bis 500 nm abgeschieden. Je nach herzustellendem Farbton wird die Hochglanzschicht durch eine Metallegierung oder eine Metallverbindung erzeugt. In Abhängigkeit vom zu erreichenden Farbton der Hochglanzschicht und dem verwendeten Beschichtungsmaterial, d. h. dem Targetmaterial, wird die entsprechende Variante der Magnetron-Zerstäubung eingesetzt. Wesentliche Varianten sind das reaktive Zerstäuben von Targets aus dem Beschichtungsmaterial durch Einlassen eines Reaktivgases oder Reaktivgasgemisches, z. B. O2, N2, niedermolekulare Kohlenwasserstoffe, oder das nichtreaktive Zerstäuben, Gleichstrom-Zerstäuben oder das Puls-Magnetron-Zerstäuben, bei dem die elektrische Energie pulsförmig zugeführt wird. Weiterhin können ein oder mehrere Targets verwendet werden, wobei bei mehreren Targets diese vorzugsweise alternierend als Anode und Katode geschaltet werden.
Besonders vorteilhaft für die Herstellung einer aus einer mehrkomponentigen Verbindung, z. B. Titan-Aluminium-Nitrid, bestehenden Hochglanzschicht ist dabei das an sich bekannte reaktive Puls-Magnetron-Sputtern, wozu einfache Targets der Metalle Titan und Aluminium in einer reaktiven Stickstoff-Atmosphäre eingesetzt werden. Das Puls-Magnetron-Sputtern erlaubt einerseits eine stabile, sichere und reproduzierbare Prozeßführung. Andererseits läßt sich durch rein elektrische Mittel, nämlich die Einstellung der Pulse zu den Pausenzeiten, für die Targets der beiden unterschiedlichen Metalle die Schichtzusammensetzung und damit die Farbe der Glanzschicht in weiten Grenzen einstellen und konstant halten. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird auf die Hochglanzschicht eine transparente, verschleißfeste Decklackschicht in bekannter Weise aufgebracht. Diese Decklackschicht, aus einem Ormocer oder auf einer Basis von Acrylaten oder Polyurethan oder Epoxydharz bestehend, besitzt eine Dicke von 0,5 µm bis 100 µm.
Es wurde gefunden, daß durch die Kombination dieser bekannten Verfahrensschritte ein Schichtsystem entsteht, welches den hohen Anforderungen an den optischen Eindruck und den Abrieb sowie Korrosionsschutz der Hochglanzschicht gerecht wird.
So werden durch die Magnetron-Zerstäubung Schichten mit optisch dekorativen Eigenschaften hergestellt, die mit herkömmlichen Lackierungsverfahren in Bezug auf Farbe und Glanz nicht herstellbar sind. Die in großer Auswahl herstellbaren Farbtöne sind metallisch glänzend, d. h. es wird keine Metallisierung durch entsprechende Pigmentierung imitiert. Die Farbpalette reicht von dunklem und hellem Silber, über Gold, rötlich Braun bis hin zu Violett. Als besonders vorteilhaft hat sich das System Titan-Aluminium-Stickstoff erwiesen. Allein mit diesem System läßt sich eine große Anzahl der Farbtöne herstellen. Es sind aber auch andere Systeme, z. B. Zirkonium-Aluminium-Stickstoff und Titan-Zirkonium-Stick­ stoff, zur Herstellung weiterer Farbtöne einsetzbar. Weitere Farbtöne sind durch Messing erreichbar.
Darüber hinaus ist das Aufstäuben der Hochglanzschicht mittels Magnetron-Zerstäubung einfach und kostengünstig. Es wird eine gute allseitige Beschichtung dreidimensional, kompliziert geformter Teile erreicht, welche mit anderen Vakuumbeschichtungsverfahren, wie Elektronenstrahlverdampfen, Bogenverdampfen, Verdampfen aus Schiffchen oder Ionenplattieren, schwer erreichbar ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die relativ empfindliche Hochglanzschicht auch gegenüber großen Belastungen und Umwelteinflüssen, z. B. Angriff durch Laugen und Säuren, geschützt wird. Die Elastizität der relativ dicken Lackgrund- und Decklackschicht trägt wesentlich dazu bei, hohe mechanische Einwirkungen - wie Steinschlag und Abrieb - abzumildern. Außerdem werden mit der Lackgrundschicht eventuell vorhandene Rauhigkeiten der Oberfläche ausgeglichen. Damit wird für die nachfolgende Beschichtung mit der Hochglanzschicht eine glatte Oberfläche geschaffen und die Haftfestigkeit dieser Schicht verbessert. Durch die Beigabe von Zusatzstoffen zur transparenten Decklackschicht ist es möglich, zusätzlich den Glanz der Glanzbeschichtung gezielt einzustellen, so daß mehrere Abstufungen des Glanzes entsprechend ästhetischen und modischen Anforderungen erreicht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß für eine verbesserte Haftung der Hochglanzschicht vor dem Aufbringen dieser Schicht eine Vorbehandlung im Vakuum oder das Aufbringen einer Haftvermittlerschicht durchgeführt wird.
Es ist vorteilhaft, statt der gesamten Oberfläche nur die sichtbaren Flächen zu beschichten. Damit werden die Beschichtungskosten reduziert.
Das Verfahren zur Glanzbeschichtung kann zum Beschichten von Fahrzeugteilen, wie beispielsweise Spiegelgehäuse, Lüftergitter, Kühlergrille, Türklinken, Bedienknöpfe, Armaturenteile und dergleichen, angewendet werden. Es können alle Fahrzeuginnen- und -außenteile mit einer Glanzbeschichtung versehen werden. Diese Teile können auch mit Metall zusammengesetzt sein. Bei der Beschichtung dieser Kunststoffteile sind die besonderen Bedingungen und Parameter bei der Beschichtung zu berücksichtigen.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Ein Kühlergrill aus Kunststoff soll eine violette Glanzbeschichtung, hauptsächlich im sichtbaren Bereich, erhalten. Dazu wird das Kühlergrill in einem ersten Verfahrensschritt in bekannter Weise mit einem Pulvereinbrennlack beschichtet.
Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt das Kühlergrill derart in eine Vakuumkammer eingebracht, daß sich die Außenseite des Kühlergrills gegenüber zwei in der Vakuumkammer angeordneten Targets der Magnetron-Zerstäubungsquellen befindet. Ein Target ist aus Aluminium und ein Target aus Titan. Nachdem die Vakuumkammer evakuiert wurde, wird Argon in die Vakuumkammer eingelassen und in dieser Inertgasatmosphäre eine Glimmentladung gezündet. Das Aufbringen der Hochglanzschicht erfolgt in bekannter Weise durch Puls-Magnetron-Zerstäuben. Dabei werden das Aluminium- und das Titantarget alternierend mit einer Frequenz von 10 kHz als Anode und Katode der Glimmentladung betrieben. Zusätzlich wird Stickstoff als Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen, so daß sich ein Arbeitsdruck von 2.10⁻3 mbar einstellt.
In einem dritten Verfahrensschritt wird abschließend auf die Hochglanzschicht eine Decklackschicht auf der Basis von Polyurethan mit einer Dicke von 30 µm in bekannter Weise aufgebracht.

Claims (17)

1. Verfahren zur Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen, vorzugsweise für Fahrzeuge, durch Aufbringen eines Schichtsystems, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Aufbringen einer Lackgrundschicht aus einem Pulvereinbrennlack,
  • - Aufstäuben einer Hochglanzschicht aus einer Metallegierung oder einer Metallverbindung mittels eines Magnetrons im Vakuum,
  • - Aufbringen einer transparenten, verschleißfesten Decklackschicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Hochglanzschicht die Decklackschicht in einem CVD-Prozeß aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufstäuben der Hochglanzschicht eine Vorbehandlung im Vakuum durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufstäuben der Hochglanzschicht eine Vorbehandlung im Vakuum durch Aufbringen einer Haftvermittlerschicht durchgeführt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochglanzschicht durch Gleichstrom-Zerstäuben oder Puls-Magnetron-Zer­ stäuben in einer Inert- oder Reaktivgasatmosphäre aufgestäubt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktivgas ein Gas oder Gasgemisch, vorzugsweise O2, N2 oder niedermolekularer Kohlenwasserstoff, eingelassen wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Kunststoffteile während des Aufstäubens der Hochglanzschicht relativ zu den Targets des Magnetrons bewegt werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Glanz des zu beschichtenden Teiles durch die Beigabe von Pigmenten zur transparenten Decklackschicht eingestellt wird.
9. Beschichtetes Kunststoffteil mit einem darauf aufgebrachten Schichtsystem, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Kunststoffteil, mindestens auf den sichtbaren Flächen des Kunststoffteils, nacheinander eine korrosionshemmende Lackgrundschicht aus einem Pulvereinbrennlack, eine Hochglanzschicht aus einer Metallegierung oder Metallverbindung und einer transparenten, verschleißfesten Decklackschicht aufgebracht sind.
10. Beschichtetes Kunststoffteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Hochglanzschicht eine Haftvermittlerschicht aufgebracht ist.
11. Beschichtetes Kunststoffteil nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lackgrundschicht 100 µm bis 500 µm, vorzugsweise 30 µm bis 300 µm, dick ist.
12. Beschichtetes Kunststoffteil nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochglanzschicht 10 nm bis 5 µm, vorzugsweise 100 nm bis 500 nm, dick ist.
13. Beschichtetes Kunststoffteil nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochglanzschicht eine Verbindung aus Titan-Aluminium-Stickstoff ist.
14. Beschichtetes Kunststoffteil nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochglanzschicht eine Verbindung aus Zirkonium-Aluminium-Stickstoff ist.
15. Beschichtetes Kunststoffteil nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochglanzschicht eine Verbindung aus Titan-Zirkonium-Stickstoff ist.
16. Beschichtetes Kunststoffteil nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Decklackschicht eine organisch-anorganische Verbindung, vorzugsweise Ormocer, mit einer Dicke von 0,5 µm bis 20 µm, vorzugsweise 2 µm bis 5 µm, ist.
17. Beschichtetes Kunststoffteil nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Decklackschicht eine organische Schicht auf der Basis von Acrylaten oder Polyurethan oder Epoxidharz mit einer Dicke von 1 µm bis 100 µm, vorzugsweise 20 µm bis 30 µm, ist.
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