DE19745407C2 - 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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DE19745407C2
DE19745407C2 DE1997145407 DE19745407A DE19745407C2 DE 19745407 C2 DE19745407 C2 DE 19745407C2 DE 1997145407 DE1997145407 DE 1997145407 DE 19745407 A DE19745407 A DE 19745407A DE 19745407 C2 DE19745407 C2 DE 19745407C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen, vorzugs­ weise für Fahrzeuge. Das Verfahren ist gleichermaßen anwendbar für Fahrzeugteile, die sowohl im Inneren als auch außen eingesetzt werden. Des Weiteren 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, Metalllegierungen oder Metall­ verbindungen 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 ent­ sprechende 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 Schutz­ schichten ist außerdem zu teuer.
Es ist bekannt, einen Überzug aus einer Chromlegierung auf Kunststoffe im Vakuum aufzu­ stäuben, auch Sputtern genannt, der eine verbesserte Beständigkeit gegen Risse aufweist. Zum Sputtern wird ein Target aus einer Chrom-Eisen-Legierung verwendet, das neben Chrom zwischen 5% und 30% Eisen und bis zu 5% [scavenger] enthält. Es kann über einen größeren Bereich von Prozessparametern ein guter Hochglanz erzeugt werden und derartige Targets sind im Vergleich zu Targets aus reinem Chrom leichter herstellbar. Die Schichten weisen folgenden Schichtaufbau auf: eine Lackgrundschicht mit einer Schichtdicke von 10 µm und eine Metallschicht mit einer Schichtdicke von mehr als 25 µm, vorzugsweise 40 µm bis 140 µm (US 4,131,350).
Es ist weiterhin bekannt, farbige Kunstharz-Formkörper mit verstecktem Metallglanz herzu­ stellen. Unter verstecktem Metallglanz wird dabei eine Metallschicht verstanden, bei der die Farbe des Grundkörpers durch die Metallschicht hindurch scheint und dadurch den Farb­ eindruck bestimmt. Um diesen Effekt zu erzielen, weist die Metallschicht eine Schichtdicke von 2 nm bis 30 nm, vorzugsweise 5 nm bis 20 nm, auf. Der Schichtaufbau besteht hierbei aus einer Grundlackschicht mit einer Schichtdicke von 5 µm bis 100 µm, vorzugsweise 10 µm bis 50 µm, der Metallschicht und schließlich einer Decklackschicht mit einer Schichtdicke von 5 µm bis 50 µm, vorzugsweise 10 µm bis 30 µm (DE 33 33 381 A1).
Diese bekannten Beschichtungen haben den Nachteil, dass die Farbe nicht in den gewünsch­ ten Farbtönen in sehr geringen Farbunterschieden entsprechend den Kundenwünschen herstellbar ist. Die Farbtöne sind auch schwer reproduzierbar. Nachteilig ist auch die geringe Beschichtungsrate.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen - vorzugsweise für Fahrzeuge - zu schaffen, mit dem eine Vielzahl unter­ schiedlicher 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 Stein­ schlag auftreten. Das Verfahren und die danach beschichteten Kunststoffteile sollen kosten­ günstig herstellbar bzw. beschichtbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 und 8 bis 14 beschrieben.
Erfindungsgemäß wird die Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen, bevorzugt deren sicht­ barer Bereich, insbesondere für Fahrzeuge, durch die Kombination mehrerer Verfahrens­ schritte und Schichten erzeugt. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine glättende Lack­ grundschicht aus z. B. einem Pulvereinbrennlack oder einem Sputter-Lack in bekannter Weise aufgebracht. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt das Kunststoffteil im Vakuum vorbehandelt und in dem folgenden Verfahrensschritt wird durch Aufstäuben (Sputtern) im Vakuum nach dem Puls-Magnetron-Verfahren eine Hochglanzschicht aus einer Metallverbindung aufgebracht. Je nach dem gewünschten Farbton wird die Hochglanz­ schicht durch eine entsprechende Metallverbindung erzeugt. In Abhängigkeit vom zu er­ reichenden Farbton der Hochglanzschicht und dem verwendeten Beschichtungsmaterial, d. h. dem Targetmaterial, wird die entsprechende Variante der Puls-Magnetron-Zerstäubung eingesetzt, wobei das reaktive Zerstäuben von Targets aus dem Beschichtungsmaterial durch Einlassen eines Reaktivgases oder Reaktivgasgemisches, z. B. O2, N2, niedermolekulare Kohlenwasserstoffe, erfolgt. Beim Puls-Magnetron-Zerstäuben wird der Zerstäubungsquelle die elektrische Energie pulsförmig zugeführt wird. Es können ein oder mehrere Targets ver­ wendet 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 das reaktive Puls-Magnetron- Aufstäuben, indem einfache Targets der Metalle Titan und Aluminium in einer reaktiven Stickstoff-Atmosphäre zerstäubt werden.
Das Puls-Magnetron-Aufstäuben als das wesentliche Verfahrensmerkmal ermöglicht einer­ seits 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. Sehr wesentlich für die Lösung der Aufgabe hinsichtlich des Erreichens jeder gewünschten Farbe ist, dass die elektrische Regelung schnell wirksam wird und auf die Farbe der Schicht reagiert.
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 be­ stehend, besitzt eine Dicke von 0,5 µm bis 100 µm.
Es wurde gefunden, dass durch diese Kombination an sich bekannter Verfahrensschritte ein Schichtsystem entsteht, welches den hohen Anforderungen bezüglich des optischen Ein­ druckes und des Abriebes sowie des Korrosionsschutzes der Hochglanzschicht gerecht wird.
So werden durch das Puls-Magnetron-Aufstäuben 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- Stickstoff, zur Herstellung weiterer Farbtöne einsetzbar.
Darüber hinaus ist das Aufbringen der Hochglanzschicht durch Puls-Magnetron-Aufstäuben einfach und kostengünstig. Es wird eine gute allseitige Beschichtung, insbesondere drei­ dimensional kompliziert geformter Teile erreicht, welche mit anderen Vakuumbeschichtungs­ verfahren, 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 nach­ folgende 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, zu­ sätzlich den Glanz der Glanzbeschichtung gezielt einzustellen, so dass mehrere Abstufungen des Glanzes entsprechend ästhetischen und modischen Anforderungen erreicht werden.
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 sicht­ baren Bereich, erhalten. Dazu wird der Kühlergrill in einem ersten Verfahrensschritt in bekannter Weise mit einem Pulvereinbrennlack beschichtet. Danach erfolgt eine an sich bekannte Vorbehandlung im Vakuum.
Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt der Kühlergrill derart in eine Vakuum­ kammer eingebracht, dass sich die Außenseite des Kühlergrills gegenüber zwei in der Vakuumkammer angeordneten Targets der Puls-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 Inertgas­ atmosphäre eine Glimmentladung gezündet und die farbige Hochglanzschicht wird in bekannter Weise aufgestäubt. 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. Durch Verändern der Puls- und Pausen­ zeiten der Magnetron-Quelle sowie der Energie der Pulse wird die gewünschte Farbe erreicht.
In einem letzten Verfahrensschritt wird abschließend auf die Hochglanzschicht eine Decklackschicht auf der Basis von Polyurethan mit einer Dicke von 30 µm in bekannter Weise aufgebracht.

Claims (14)

1. Verfahren zur Glanzbeschichtung von Kunststoffteilen, vorzugsweise für Fahrzeuge, durch Aufbringen eines Schichtsystems, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:
  • - Aufbringen einer Lackgrundschicht aus einem Pulvereinbrennlack,
  • - Vorbehandlung im Vakuum,
  • - Puls-Magnetron-Aufstäuben einer Hochglanzschicht aus einer Metallverbindung im Vakuum,
  • - Aufbringen einer transparenten, verschleißfesten Decklackschicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufstäuben der Hochglanzschicht eine Haftvermittlerschicht aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanz­ schicht durch Puls-Magnetron-Zerstäuben in einer Inert- oder Reaktivgasatmosphäre aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktivgas ein Gas oder Gasgemisch, vorzugsweise O2, N2 oder niedermolekularer Kohlenwasserstoff, eingelassen wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtenden Kunststoffteile während des Aufstäubens der Hochglanz­ schicht relativ zu den Targets des Magnetrons bewegt werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Glanz des zu beschichtenden Teiles durch die Beigabe von Pigmenten zur transparenten Decklackschicht eingestellt wird.
7. Kunststoffteil, beschichtet nach dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei mindestens die sichtbaren Flächen beschichtet sind, mit folgendem Schichtaufbau in der Reihenfolge des Aufbringens:
  • - eine korrosionshemmende Lackgrundschicht aus einem Pulvereinbrennlack,
  • - eine Haftvermittlerschicht,
  • - eine durch Puls-Magnetron-Aufstäuben aufgebrachte Hochglanzschicht aus einer Metallverbindung und
  • - eine transparente, verschleißfeste Decklackschicht.
8. Kunststoffteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackgrundschicht 100 µm bis 500 µm, vorzugsweise 30 µm bis 300 µm, dick ist.
9. Kunststoffteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanzschicht 10 nm bis 5 µm, vorzugsweise 100 nm bis 500 nm, dick ist.
10. Kunststoffteil nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanz­ schicht eine Verbindung aus Titan-Aluminium-Stickstoff ist.
11. Kunststoffteil nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanz­ schicht eine Verbindung aus Zirkonium-Aluminium-Stickstoff ist.
12. Kunststoffteil nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanz­ schicht eine Verbindung aus Titan-Zirkonium-Stickstoff ist.
13. Kunststoffteil nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklack­ schicht eine organisch-anorganische Verbindung, vorzugsweise Ormocer, mit einer Dicke von 0,5 µm bis 20 µm, vorzugsweise 2 µm bis 5 µm, ist.
14. Kunststoffteil nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklack­ schicht 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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