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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung optischer
Bauteile für
Beleuchtungs- oder Signalvorrichtungen von Kraftfahrzeugen sowie allgemein
für Beleuchtungsvorrichtungen
(Haushalts-, Industrie-, Stadtbeleuchtung usw.). Bei derartigen
Bauteilen kann es sich zum Beispiel um Reflektoren oder äußerlich
sichtbare Teile wie Reflektorabdeckungen handeln.
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Genauer
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher optischer
Bauteile durch Einspritzen einer Polymerzusammensetzung in geschmolzenem
Zustand in einem Arbeitsschritt in ein Werkzeug.
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Zur
Herstellung optischer Bauteile oder äußerlich sichtbarer Teile wie
Reflektoren oder Abdeckungen usw. werden zum Durchführen der
Fertigungsverfahren thermoplastische oder duroplastische Polymere
verwendet.
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Generell
weisen die bei der Durchführung
eines der bekannten Verfahren erhaltenen Bauteile jedoch zahlreiche
Nachteile auf. In den meisten Fällen beeinträchtigen
die Füllstoffe
(mineralische Füllstoffe oder
Faserfüllstoffe),
die eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gestatten,
im allgemeinen die Oberflächenbeschaffenheit
bzw. den Glanz sowie das Aussehen durch das Auftreten weißlicher
Flecken. Die für
diese Art von Bauteilen erzielten Glanzwerte sind generell niedriger
als die eines amorphen Thermoplasts, für den die zum Beispiel mittels
eines BYK-GARDNER HAZE-GLOSS
Gerätes
gemessenen Glanzwerte über
160 liegen: für
Polycarbonat liegen die Glanzwerte bei etwa 180.
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Um
diese Art von Nachteilen zu beheben, ist es erforderlich auf den
Oberflächen
einen Lack oder einen Vorbehandlungsauftrag aufzubringen, bevor eine
reflektierende Metallschicht aufgetragen werden kann. Ein derartiger
Vorbehandlungsauftrag kann aus einem Lack oder einem Vakuumauftrag
von Polymeren bestehen.
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Andere
Lösungen
setzen relativ komplexe Techniken ein, wie die Technik des Zweikomponentenspritzgießens, bei
der nacheinander ein thermoplastischer Stoff zum Bilden einer Haut
mit guten Oberflächeneigenschaften
und danach ein duroplastischer oder verstärkter thermoplastischer Stoff
zum Bilden eines Kerns mit guten mechanischen Eigenschaften eingespritzt
wird (siehe zum Beispiel die französischen Patente FR-A-2 758
128 und FR-A-2 643 849).
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Eine
andere Lösung
besteht darin, die Oberflächenbeschaffenheit
von Spritzgussteilen aus bestimmten verstärkten Thermoplasten durch Beimischen
einer geringen Menge (10 bis 15 Gew.-%) von Polyethylenterephthalaten
zu den Thermoplasten zu verbessern.
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Bekannt
ist beispielsweise aus dem Dokument EP-B-0630 955 eine Polyesterharzzusammensetzung,
die Füllstoffe
enthält,
insbesondere Aluminiumfüllstoffe,
und aus dem Dokument EP-A-0 947 763 ein Reflektor, der eine im Vakuum
aufgetragene Beschichtung aus Polyimid oder aromatischem Polyamid
erfordert, um die Reflexionseigenschaften zu verbessern.
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Weitere
auf dem Markt verfügbare
Formulierungen enthalten flüssige
oder (bei Raumtemperatur) lösliche
Additive oder feste Komponenten, deren Dampfdruck bei Gebrauchstemperatur
zu einem Ausgasungsproblem mit einer Kondensation in den kältesten
Bereichen führt,
in der Technik bekannt unter der englischen Bezeichnung "Fogging".
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Für eine Verwendung
im Bereich der Beleuchtung sind auch aromatische Copolymere vom Typ
der flüssig-kristallinen
Polymere (LCP oder Liquid Crystal Polymer) bekannt, die mineralische
Füllstoffe
enthalten, welche eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
des Endprodukts erlauben. Die verschiedenen auf dem Markt verfügbaren, Füllstoffe
enthaltenden LCP-Qualitäten
erlauben es jedoch nicht, die gleichen Reflexionsleistungen zu erzielen
wie ein Reflektor, der zum Beispiel aus einem duroplastischen Stoff
wie einem BMC (Bulk Moulding Compound oder Thermodur) oder einem
Epoxidharz oder einem Metall (Blech oder Legierung) hergestellt ist,
wobei all diese Stoffe vor der Metallisierung mit einem Lack versehen
werden, oder der aus einem nicht verstärkten amorphen Thermoplast,
zum Beispiel aus Polyetherimid (PEI), Polycarbonat (PC), Polyethersulfon
(PES) hergestellt ist und sowohl die bei dieser Art von Anwendung
erforderlichen mechanischen wie thermischen Eigenschaften hat.
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Weitere
aromatische Copolyester vom Typ LCP können ohne Füllstoffe verwendet werden,
ihre geringe Viskosität
bereitet jedoch bei der Verwendung andere Probleme, zum Beispiel
Probleme durch Eindringen in die Formteilfläche, in die Luftöffnun gen,
sowie Probleme bei der Steuerung der Oberflächenbeschaffenheit, da die
erzielten Oberflächen
nicht gleichförmig
bzw. unregelmäßig sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist in diesem Kontext zu sehen, und ihre Aufgabe
ist es, ein Verfahren zur Herstellung optischer Bauteile vorzuschlagen, wobei
eine Polymerzusammensetzung verwendet wird, deren Eigenschaften
und insbesondere deren Viskosität
durch die Beimengung von Füllstoffen
auf der Grundlage von Silikaten oder anderen Polymeren verändert werden
können,
ohne dass hierbei weder die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften
des erhaltenen Bauteils noch seine Oberflächenbeschaffenheit beeinträchtigt werden,
damit die Vorbehandlungsaufträge
entfallen, die üblicherweise vor
der Metallisierung aufgebracht werden, durch die sie zum Beispiel
ein hohes Reflexionsvermögen
erhalten, wobei das erhaltene Bauteil ferner keine oder nur sehr
geringe Ausgasungserscheinungen aufweist.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
von Bauteilen für
Beleuchtungs- oder Signalvorrichtungen von Kraftfahrzeugen durch
Spritzgießen
einer Polymerzusammensetzung in ein Werkzeug in einem Arbeitsschritt,
das die folgenden Schritte umfasst:
- – Mischen
einer Polymerzusammensetzung mit Füllstoffen,
- – Erhitzen
der Mischung, damit sie eine erste vorbestimmte Spritzgießtemperatur
erreicht, bei der sie im geschmolzenen Zustand ist,
- – Einspritzen
der Mischung in ein Formnest, das zwischen den Wänden eines Werkzeugs gebildet ist,
- – Abkühlen der
Wände des
Werkzeugs auf eine zweite vorbestimmte Kühltemperatur,
- – Auswerfen
des abgekühlten
Spritzgussteils.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Polymerzusammensetzung ein Polyesterharz aus flüssig-kristallinem
Polymer und die Füllstoffe
erhöhen
die Viskosität
der Mischung, wenn diese die erste vorbestimmte Temperatur erreicht
hat.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung stammen die Füllstoffe aus der Familie der
Silikate.
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In
diesem Fall kann vorgesehen werden, dass diese Füllstoffe Nanofüllstoffe,
organische Silikate oder anorganische Silikate sind.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung stammen die Füllstoffe aus der Gruppe der technischen
Polymere.
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In
allen Fällen
ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die erste vorbestimmte Spritzgießtemperatur
zwischen 300°C
und 380°C
beträgt.
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Ebenso
ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die zweite vorbestimmte
Kühltemperatur
zwischen 150°C
und 250°C
beträgt.
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Vorzugsweise
beträgt
die zweite vorbestimmte Kühltemperatur
ungefähr
220°C.
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Vorteilhafterweise
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
unmittelbar nach dem Auswerfen des abgekühlten Spritzgussteils einen
weiteren Schritt zum Metallisieren einer Oberfläche des Gussteils.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung verdeutlicht
die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, das unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beispielhaft in nicht einschränkender Weise angeführt ist,
in denen die einzige Figur schematisch im Längsschnitt ein Beispiel einer
Spritzgießanlage zum
Ausführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
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In
der einzigen Figur ist eine Spritzgießanlage 1 mit einem
Spritzgießzylinder 4,
einem Spritzgießwerkzeug 6 und
einem Trichter 8 dargestellt. Der Spritzgießzylinder 4 umfasst
insbesondere eine Röhre 10,
eine Endlosschnecke 12, Heizmittel 14 und eine
Düse 16.
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Ein
Polyesterharz aus flüssig-kristallinem Polymer
LCP, zum Beispiel erhältlich
unter der Bezeichnung "Thermx
LCP LN 001", wird
mit mineralischen oder faserigen Füllstoffen so gemischt, dass die
Viskosität
des daraus resultierenden Gemisches Harz/Füllstoffe erhöht wird,
und wird in den Trichter 8 des Spritzgießzylinders 10 eingefüllt.
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In
der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff "Füllstoff" zur Bezeichnung
eines Stoffes verwendet, der dem Ausgangspolymer-Polyesterharz zugegeben
wird, wobei der Gewichtsanteil dieses zugefügten Stoffes unter 50 % liegt.
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Das
verstärkte
Harz erhält
man gemäß einer Ausführungsform
durch Mischen von Monomeren M und Nanofüllstoffen N in einem Polymerisationsreaktor 50,
so dass man ein verstärktes
Polymer P erhält, das
direkt in den Trichter 8 des Spritzgießzylinders 10 eingefüllt werden
kann.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
werden flüssig-kristalline
Polymere LCP und Füllstoffe
C in einen Korotationsextruder 52 eingefüllt. Alternativ kann
vorgesehen werden, das am Ausgang des Reaktors 50 erhaltene
verstärkte
Polymer P zusammen mit weiteren Füllstoffen C in den Extruder 52 einzufüllen. Das
Extrusionsprodukt wird in einen Granulator 54 eingefüllt, nachdem
es gegebenenfalls in einem Kühler
oder einem Wasserbehälter 56 abgekühlt worden
ist. Die erhaltenen Granulate, die erforderlichenfalls zunächst getrocknet
wurden, werden dann in den Trichter 8 des Spritzgießzylinders 10 eingefüllt.
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Gemäß einem
Merkmal der vorliegenden Erfindung können die Füllstoffe, die in der in den
Trichter 8 eingefüllten
Mischung vorhanden sind, eine geringe Korngröße haben und sind unter dem
Namen "Nanofüllstoffe" oder der englischen
Bezeichnung "Nanofillers" bekannt. Nanofüllstoffe
mit geringer Korngröße erlauben
es, die Viskosität
des geschmolzenen Stoffes zu erhöhen,
ohne hierbei den Spiegelglanz merklich zu beeinträchtigen.
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Der
Begriff Nanofüllstoffe
bezeichnet Füllstoffe,
die aus Partikeln gebildet sind, bei denen wenigstens eine Größe, Höhe, Breite
oder Länge,
im Nanometerbereich liegt. Besitzen diese Partikel zwei oder drei
Abmessungen in dieser Größenordnung, können sie
für das
bloße
Auge unsichtbar sein. Typischerweise gibt es Füllstoffe, die aus Partikeln
gebildet sind, deren kleinste Abmessung zwischen einigen Zehntel
Nanometern (zum Beispiel 0,3 nm) und einigen Hundert Nanometern
(zum Beispiel 300 nm) liegen.
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In
bestimmten Fällen,
in denen die den Füllstoff
bildenden Partikel zu groß sind,
zum Beispiel wenn die kleinste Größe etwa einige Mikrometer (einige
Tausend Nanometer) beträgt,
wird die Größe dieser
Partikel verringert, indem sie während
des unter der Bezeichnung "Kompoundierung" bekannten Vorgangs
mit Hilfe des Korotationsextruders 52 einer hohen Scherung
unterzogen werden, um die Partikel aufzubrechen oder zu exfolieren,
und auf diese Weise ihre Größe verringert
wird, damit wenigstens eine ihrer Abmessungen im Nanometerbereich
liegt. Die Füllstoffe
können
zur Verringerung ihrer Größe auch mikronisiert
werden, bevor sie in den Extruder 52 eingefüllt werden.
Die Füllstoffe
können
auch chemisch kompatibel gemacht werden, um ihre Affinität mit dem
LCP-Polymer zu erhöhen.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung können
die verwendeten Füllstoffe
organisch sein, zum Beispiel lamellenförmige oder pulverförmige organische
Silikate.
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Gemäß einem
noch weiteren Merkmal der Erfindung können die verwendeten Füllstoffe
mineralisch sein, vom Typ der Silikate, zum Beispiel Aluminiumsilikate,
Magnesiumaluminiumsilikate, die weitere Metalle enthalten oder nicht.
Derartige mineralische Füllstoffe
können
lamellenförmig
auftreten, wie Mika oder Talk, feinfasrig wie Wollastonit, oder
pulverförmig.
Diese mineralischen Füllstoffe
erlauben es, den Spiegelglanz des Basismaterials zu bewahren, und
sie tragen zur Erhöhung
der Viskosität
des geschmolzenen Stoffes bei. Die mineralischen Füllstoffe
können
in Anteilen von 10 bis 50 % verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform können andere
Polymere verwendet werden, um die Viskosität des Polyesterharzes zu erhöhen, ohne hierbei
die Eigenschaften des Endprodukts zu beeinträchtigen. Zum Beispiel können dem
Polyesterharz andere Polymerstoffe beigefügt werden, die aus der Gruppe
der "technischen
Polymere", die die
Polyimide (PI), die Polyethersulfone (PES), die Polyphenylensulfide
(PPS), die aromatischen Polyamide umfassen, oder aus anderen Polyestern
ausgewählt sind,
die ganz oder teilweise aromatisch sein können. Zum Beispiel können technische
Thermoplaste in geringer Menge bezüglich des Hauptpolymers verwendet
werden (allgemein unter 15 %).
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Diese
technischen Polymere können
selbst Füllstoffe
enthalten, die pulverförmig,
lamellenförmig, feinfasrig
oder Nanofüllstoffe
sein können,
oder können
diese nicht enthalten. Falls diese Stoffe selbst verstärkt sind,
liegt der Gesamtanteil der Füllstoffe unter
15 %. In diesem Fall kann noch eine dritte Komponente einem Polymerstoff
beigefügt
werden, um eine bessere Kompatibilität zwischen den einzelnen Komponenten
zu gewährleisten.
Ebenso können
diese technischen Polymere alleine zum Bilden des Füllstoffes
des Polymer-Polyesterharzes verwendet werden oder zusätzlich zu
den vorgenannten Nanofüllstoffen.
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Die
Füllstoffe,
Nanofüllstoffe
oder technischen Polymere werden dem Polyesterharz aus flüssig-kristallinem
Polymer LCP gegebenenfalls mit Hilfe des Korotationsextruders 52 beigemischt,
durch den der Granulator 54 gespeist wird. Der Korationsextruder 52 bewirkt,
dass die Partikel, aus denen die Füllstoffe bestehen, durch Zerschneiden
zerkleinert werden und eine gute Dispersion der Komponenten sichergestellt
ist.
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Alternativ
können
die technischen Polymere mit dem LCP-Polymer vor ihrem oder gleichzeitig
mit ihrem Einfüllen
in den Trichter 8 des Spritzgießzylinders 4 gemischt
werden.
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Als
Beispiele für
verwendbare Mischungen können
beispielsweise genannt werden:
- – eine Mischung
aus flüssig-kristallinem
Polymer LCP-Polyesterharz, erhältlich
zum Beispiel unter dem Namen "Thermx
LCP LN 001", und
4 Gew.-% Nanofüllstoffen,
erhältlich
zum Beispiel unter dem Namen "Nanomer
1.30TC" der Firma
Nanocor;
- – eine
Mischung aus dem Harz Thermx LCP LN 001 und 25 Gew.-% Wollastonit
und 2 Gew.-% Ruß;
- – eine
Mischung aus dem Harz Thermx LCP LN 001 und 5 Gew.-% Polyphenylensulfid
PPS, die vor ihrem Einfüllen
in den Trichter 8 gemischt werden; oder
- – eine
Mischung aus flüssig-kristallinem
Polymer LCP-Polyesterharz, im Handel erhältlich zum Beispiel unter dem
Namen Zenite E86889-58-2, das mineralische Füllstoffe enthält, und
8 Gew.-% Polyphenylensulfid PPS und 2 Gew.-% Polyetherimid PEI,
wobei die Granulate dieser Polymere vor ihrem Einfüllen in
den Trichter 8 gemischt werden.
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Eine
dieser Mischungen wird in Form von Granulaten in den Trichter 8 eingefüllt und
fließt
vom Trichter 8 in die Röhre 10 und
wird dann in dieser durch die Schnecke 12 gefördert. Die
Mischung wird in der Röhre 10 in
Richtung des Spritzgießwerkzeugs 6 transportiert.
Durch die Heizmittel 14, die an den Wänden der Röhre 10 angeordnet
sind, wird die Mischung erwärmt
und in geschmolzenen, das heißt flüssigen oder
pastösen
Zustand gebracht.
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Das
Spritzgießwerkzeug
umfasst einen Stempel 18 und eine Matrize 20.
Der Stempel 18 und die Matrize 20 sind derart
miteinander verbunden, dass zwischen diesen in einer speziellen,
genau festgelegten Position ein Raum ausgespart ist, der ein Formnest 22 bildet.
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Wenn
die Matrize 20 feststehend ist, ist der Stempel 18 beweglich
und umgekehrt. Genauer gesagt, begrenzt der Stempel 18 das
Formnest 22 durch eine konvexe Werkzeugseite 24,
und die Matrize 20 begrenzt das Formnest 22 durch
eine konkave Werkzeugseite 26.
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Während der
Einspritzphase wird die Zusammensetzung in geschmolzenem Zustand
durch die Düse 16 in
das Formnest 22 gespritzt. Die Spritzgießtemperatur
in Höhe
der Röhre
des Spritzgießzylinders
liegt zwischen 320°C
und 360°C.
Darauf folgt eine Abkühlphase,
während
der sich die Temperatur des Teils der des Spritzgießwerkzeugs
annähert,
das durch ein Kühlmittel
in der Nähe
des Formnestes 22 gekühlt
wird. Die Temperatur des Spritzgießwerkzeugs liegt zwischen 150°C und 250°C. Vorzugsweise
beträgt
die Temperatur des Spritzgießwerkzeugs ungefähr 220°C. Das abgekühlte Spritzgussteil
ist dann starr genug, um den beim Auswurf auftretenden Kräften standzuhalten.
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Aufgrund
dieser Verarbeitungsbedingungen ist es möglich, eine dünne Haut
aus flüssig-kristallinem
Polymerharz mit einer sehr guten Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten.
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Wie
in der einzigen Figur zu erkennen ist, haben die erzeugten Teile,
zum Beispiel Reflektoren, in Bezug auf ihre Länge und/oder ihre Breite eine
geringe Dicke. Typischerweise beträgt die Dicke derartiger Teile
weniger als einen Millimeter.
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Nachdem
das auf diese Weise gefertigte Teil ausgeworfen ist, kann es sofort
metallisiert werden, um ihm die gewünschten reflektierenden Eigenschaften
zu verleihen, ohne dass der Auftrag einer Vorbehandlungsschicht
wie ein Primer oder eine im Vakuum oder durch eine andere Behandlung
aufgetragene Polymerschicht erforderlich ist.
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Eine
derartige Metallisierung kann gemäß einer der nach dem Stand
der Technik verwendeten Techniken ausgeführt werden, wie zum Beispiel
eine Metallisierung durch Verdampfen im Vakuum, eine Metallisierung
durch Kathodenzerstäubung
oder eine elektrolytische Metallisierung (zum Beispiel Verchromung).
Die elektrolytische Metallisierung kann ein Beizen mit einem Säurebad umfassen,
worauf eine Aktivierung, anschließend eine chemische Abscheidung
einer Metallisierungsschicht, anschließend eine elektrolytische Abscheidung
einer oder mehrerer Metallisierungsschichten folgt.
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Die
gemäß dem vorstehend
beschriebenen Verfahren erhaltenen Teile weisen eine gleichmäßige Oberfläche und
ein gutes Glanzniveau auf, das ihre Verwendung als Reflektor für Scheinwerfer
oder Signalleuchten von Kraftfahrzeugen gestattet. Die erhaltenen
Teile haben ferner die erwünschten
mechanischen Eigenschaften und ihre Oberflächenbeschaffenheit ist derart,
dass vor einer Metallisierung kein Vorbehandlungsauftrag erforderlich
ist.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, vielmehr
sind zahlreiche Varianten möglich,
die innerhalb ihres Rahmens bleiben. Die der Ausgangspolymerzusammensetzung
beigefügten Stoffe
können
zum Beispiel zusätzlich
sehr geringe Dosen eines Flammschutzmittels enthalten. Zusätzlich zu
den in dieser Beschreibung genannten Füllstoffen können ferner auch Additive mit
geringem Dampfdruck beigefügt
werden, so dass diese Additive keine Ausgasungsprozesse bewirken.