WO2010066294A1 - Verfahren zur herstellung eines körpers mit einer thermisch gespritzten oberflächenschicht, körper mit einer thermisch gespritzten oberflächenschicht, sowie verwendung des verfahrens zur herstellung eines körpers - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines körpers mit einer thermisch gespritzten oberflächenschicht, körper mit einer thermisch gespritzten oberflächenschicht, sowie verwendung des verfahrens zur herstellung eines körpers Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a body with a thermally sprayed surface layer, a body with a thermally sprayed surface layer, and the use of the method for producing a body with a thermally sprayed surface layer according to the preamble of the independent claim of the respective category.
  • thermal spraying in its many variants is becoming more widespread for the protection or refinement of surfaces.
  • thermal spraying in many areas for the application of wear protective coatings on the Base of metallic, carbide, ceramic or composite materials applied.
  • a decisive advantage of the technique of thermal spraying is that many base materials are suitable as substrates for coating. Perhaps more important, however, is the almost unmanageable number of very different materials that can be used as a coating material in thermal spraying.
  • thermal spraying methods available which can be selected according to the type of substrate to be coated and / or the coating material used.
  • thermal spraying methods available which can be selected according to the type of substrate to be coated and / or the coating material used.
  • the applied layers can offer, for example, protection against corrosion, thermal, chemical or mechanical stress; they can be layers for optical applications, for example for filtering or attenuating the sunlight, or layers for Mirroring of optical devices or devices. But even for purely aesthetic reasons are increasingly applied to objects of all kinds, especially on everyday objects, layers by thermal spraying.
  • Thermal coating is also of particular importance everywhere where sensitive surfaces are exposed to mechanical influences, such as friction between mating partners, for example between piston and piston ring of a cylinder of an internal combustion engine or also for rollers and rollers for processing metal sheets, foils.
  • metal layers which contain ceramic and / or oxidic particles are also very advantageously sprayed.
  • such layers have excellent adhesiveness, in particular on metallic substrates, and despite the relatively soft metal matrix forming the sprayed-on surface layer, the embedded ceramic or oxidic particles still exhibit outstanding resistance to mechanical stresses such as friction, abrasion, scratching or, for example when editing with cutting tools and the like.
  • such layers still show a high thermal conductivity due to the metallic base matrix, which is common, for example in household items such as cookware or bakeware, irons or if the heat must be reliably dissipated or transferred, such as for example with hotplates,
  • the coating of objects of all kinds, which are exposed in addition to mechanical stresses and strong temperature stresses, such as household items for cooking or roasting, for Example Frying pans, cookware or cooking, frying and baking utensils, or more generally of roasting or baking surfaces, for example, of baking molds or baking surfaces is becoming increasingly important.
  • a base material eg for cooking or baking utensils increasingly materials made of plastic in use. The same is true for others as well
  • Another important application is the aesthetic finishing of objects of all kinds, e.g. of jewelery or watches or other technical or non-technical articles whose surfaces are to be finished with aesthetic surfaces for a variety of reasons.
  • a thermal spray material may not be coated by the corresponding thermal spray process. Because the substrate would melt during coating or at least the surface of the substrate itself would be damaged during coating. So it is at least very problematic, if not impossible, e.g. low melting plastics, low melting polymers, composites, e.g. Carbon composite materials or certain glasses with certain thermal spraying process to coat.
  • Coating process per se is damaged or attacked because in a thermal coating process, the thermal spray material is always thrown with a certain force on the surface of the substrate to be coated, resulting in sensitive surfaces, e.g. soft surfaces or surfaces softened by the applied heat during thermal spraying can result in unacceptable damage.
  • sensitive surfaces e.g. soft surfaces or surfaces softened by the applied heat during thermal spraying can result in unacceptable damage.
  • Examples include plastic materials, but also certain metals or metal alloys.
  • thermal spray material and the substrate are also dependent on those involved Materials possible.
  • unwanted chemical reactions between substrate material and the more or less hot spray material may occur during the thermal spiking process.
  • the substrate material may decompose, oxidize or undergo another undesirable chemical or physical reaction, at least in a surface layer under the action of the thermal spraying process.
  • transparent substrate materials by the thermal injection process intransparent, so be opaque, which may not be desirable.
  • transparent substrate materials by the thermal injection process intransparent, so be opaque, which may not be desirable.
  • a mirror material that does not withstand the extreme conditions of thermal spraying could not be tempered by thermal spraying. Even clearer, the problem is obvious when deep-melting
  • Materials such as plastics should be thermally coated type.
  • thermal spraying method and also the usable spray materials is very limited, so that such commodities are practically never thermally coated. Not even if thermal coating would be possible in principle.
  • the boundary conditions to be set in the thermal spraying of such sensitive materials, such as cooling the substrate during the thermal coating process, special gas atmospheres, to avoid such as oxidation, etc., are often so complex in terms of process engineering that a product coated in this way would no longer be on sale due to its high price.
  • the second problem concerns the outer surface structure of the thermally sprayed layers.
  • the outer surfaces of thermally sprayed layers have a specific structure, which is determined by the spray material used, the thermal spraying method used and by the process control in thermal spraying.
  • process parameters such as the injection speed, the injection temperature, the spray distance to the substrate, the process gas used during spraying, the pressure of the used
  • Process gas which among other things determines the strength of the force with which the usually more or less liquid or plastic spray material is spun on the surface of the substrate, or by suitable choice of further process parameters, the surface structure of the produced thermal spray coating can be varied within certain limits. For example, but not only, depending on the injection speed within certain limits, the roughness of the surface can be adjusted. Also by suitable choice of spray temperature, spray distance or the amount of cooling to cool a substrate to be coated during the spraying process, e.g. a more or less rough or even e.g. a more or less porous surface finish can be set.
  • the roughness of the surface of the thermal spray coating can be reduced by the fact that at a higher temperature and / or higher Spraying speed is sprayed so that the resulting droplets of Spritzmatehal are finer than, for example, at a lower spray temperature, so that finer surfaces with less roughness arise. All these and a whole series of other measures are well known to those skilled in the art, with which one can influence the nature of the thermally sprayed layers and their surface structure.
  • thermal spraying is the introduction of a predetermined surface structure into the surface of the thermal spray coating during the injection process itself.
  • a thermally sprayed surface layer is to have a certain structure, e.g. a particularly rough or particularly smooth surface structure, which can not be achieved by controlling the spraying parameters, then the surface must be reworked after the thermal spraying correspondingly complex, ie. be sanded or roughened.
  • More complicated structures eg patterns, logos or technical structures, can often only be introduced into the structure with great difficulty or in the worst case, for example during grinding or scoring the structure, material breaks out of the surface, rendering it unusable.
  • the invention thus relates to a method for producing a body, which body comprises a substrate and a thermally sprayed surface layer.
  • a shaped body for shaping a predetermined surface area of the body is provided, which shaped body a
  • the surface layer of the body is applied to the molding surface of the body by means of a thermal spraying process Formed shaped body, so that a functional surface of the surface layer is formed on the molding surface of the shaped body, and on a side facing away from the functional surface, an adhesive surface of the surface layer is formed.
  • the substrate is then applied to the adhesive surface of the surface layer.
  • the thermal sprayed layer is first produced independently of the substrate and then the substrate is preferably applied in a more or less liquid form to the cooled thermal sprayed layer, e.g. sprayed by an injection molding process, or poured onto the previously thermally sprayed layer by means of a casting process or otherwise suitably connected to the thermally sprayed surface layer.
  • the substrate may already be preformed and is then pressed with a predetermined suitable strength or force on the previously thermally sprayed surface layer, whereby a firm connection between the Substrate and the thermally sprayed surface layer is produced.
  • This very special process is particularly suitable for substrates which are particularly soft or under a given pressure, e.g. soft or even liquid at the surface and thus connect with the previously thermally sprayed surface layer.
  • the method according to the invention it is therefore also possible for the first time, in addition to deep-melting plastics, polymers, or other deep-melting or mechanically or chemically sensitive Materials to provide, for example, thermally or mechanically sensitive metals or metal alloys with thermal spray coatings, without affecting the surfaces of the sensitive substrates negative by the thermal spraying process or even damage. It is also possible for the first time by the invention, for example, to provide mechanically very delicate or filigree structures with a thermally sprayed surface layer, which is fundamentally impossible with the known methods because the substrates would be destroyed by the known thermal spraying processes. Thus, for example, extremely thin substrate structures, for example of glass or another mechanically very sensitive material can be provided in a simple manner with a thermal spray coating.
  • a thermal sprayed layer is produced on a molded article, and then an extremely thin glass layer is applied or an extremely thin layer of another desired material is applied, so that a structure provided with an almost arbitrarily selectable thermal sprayed layer arises.
  • Carrier material for the applied filigree structure is that fulfills a specific function.
  • the invention is of course very beneficial everywhere, where deep-melting and thermally sensitive plastic materials of all kinds must be protected from harmful external influences, such as scratching and / or where an aesthetic surface is to be created, for example should be very smooth or shiny, or with a particular color or a another advantageous property of a thermal spray coating to be equipped.
  • Sprayed layer is applied, must be placed. Namely, the surface must be such that the sprayed-on surface layer, that is the functional surface of the surface layer, can easily be detached from the mold surface without damaging the functional surface after the substrate has been applied to the adhesive surface of the surface layer.
  • the mold surface of the molded article is preferably polished as smoothly as possible, so that a highly smooth surface is formed, which has such a low roughness that the surface layer sprayed onto it can be detached without damaging the functional surface.
  • Sufficient smoothness of the molding surface can be achieved by any methods known in the art such as sanding, preferably wet sanding, lapping with fine cloths, and so on.
  • Spray layer as well as the concrete thermal spraying process and the spray parameters used depends. And of course also from the spraying material to be sprayed on. In addition, it also depends on the material from which the mold surface is formed. Depending on the material of the molding surface in combination with the material of the thermal spray coating and the spraying method used, the surface layer will be more or less easily removed again when the substrate is applied to the adhesive surface.
  • the mold surface may not exceed a certain maximum roughness, while in another case, the mold surface may need to have a minimum roughness to allow the thermally sprayed surface layer to peel off without damage.
  • the concrete choice of the surface condition of the molding surface or its material must meet the expert in the individual case taking into account the réellespritzenden spray material, the spray method used, the spray parameters, the geometry of the molding surface and other relevant parameters using his general expertise.
  • the expert knows how to proceed on a case-by-case basis.
  • the mold surface for structuring the functional surface protruding or incorporated into the mold surface has structural elements, and the outer surfaces of these structural elements must have the appropriate, adapted to the above-mentioned boundary conditions of thermal spraying surface structure.
  • the pre-processing for the production of the necessary surface structure of the mold surface is of course more complex than if the mold surface has no structural elements, for example, because just a very smooth functional surface is to be generated.
  • the structural element is a texture pattern for producing a mark in the surface layer, for example, a trade mark or a hologram or other texture pattern.
  • the thermally sprayed surface layer is a hard layer, in particular comprising an oxide and / or a carbide and / or a ceramic.
  • the surface layer may be formed overall as a ceramic hard layer.
  • it can also be a composite layer, which is constructed for example of a metal matrix with embedded hard particles or other particles includes, for example, to produce optical effects or they may, for example, additives or components containing the surface layer certain physical or chemical Properties, eg certain electromagnetic properties.
  • Suitable metals for the surface layer are in principle all thermally sprayable metals or metal alloys, in particular the surface layer may comprise aluminum or titanium.
  • a spray material can also advantageously be varied so that, for example, layers of varying composition can be produced.
  • a spraying parameter of the thermal spraying process may be performed such that a surface structure of the adhesive surface is formed such that the substrate is adhesively bonded to the adhesive surface of the surface layer upon application to the adhesive surface.
  • the surface layer can also be formed as a multilayer system.
  • the functional surface has to be formed from a material that adheres poorly to the substrate material to be used.
  • a first partial layer of the surface layer on the molding surface can be formed from the material of which the functional surface is to consist.
  • a second sub-layer of a different material is thermally sprayed onto this first sub-layer, which adheres well both on the first sub-layer and on the substrate.
  • the molding surface of the molded body can be structured with a predetermined pattern of structure, so that the functional surface is provided with a functional structure which is inverse to the structural pattern during thermal spraying.
  • Such a special structural pattern may, for example, be a pattern of structure for producing an electromagnetic, in particular an optical functional structure, e.g. optically aesthetic effects can be generated, but also optically or chemically or physically other technical effects.
  • the molding surface of the molding is so smooth, ie designed with so little roughness that during thermal spraying of Surface layer is formed a correspondingly smooth functional surface with a predetermined maximum roughness.
  • the surface layer and / or the substrate may advantageously be formed from a material permeable to electromagnetic radiation, wherein a frequency of the electromagnetic radiation is in the range of a radio frequency, a television frequency, a mobile radio frequency, a satellite reception or transmission frequency or a microwave or radar frequency.
  • the formed body according to the invention is e.g. a housing part of a corresponding electronic device is to be housed inside the housing, a receiving or transmitting antenna for the corresponding electromagnetic frequency range.
  • the aforementioned electromagnetic radiation may of course also be visible light, so that the surface layer and / or the substrate is optically transparent at least in a predetermined optical frequency range. This may be necessary for purely aesthetic reasons, but also have technical reasons.
  • a technical device equipped with a transparent housing allows a visual inspection of the interior without having to open it.
  • an electromagnetically sensitive element in particular a transmitting antenna and / or a receiving antenna can be integrated so that it does not take up valuable space inside the housing and ultimately by the embedding in the substrate or the surface layer also better protected or fixed .
  • the sensitive element can also be an optical receiver and / or an optical transmitter or another electromagnetic or non-electromagnetically sensitive element.
  • all known per se thermal spraying methods such as, for example, a plasma spraying method, a flame spraying method, an LP PS method, an HVOF method, a cold gas spraying method or another thermal spraying method are suitable as spraying methods for producing the surface layer.
  • the substrate can in principle be formed of any material.
  • plastics and polymers of all types in particular low-melting plastics and low-melting polymers, are to be named as particularly important substrate materials.
  • the substrate may comprise a composite material, in particular a carbon composite material and / or glass and / or a metal and / or any other desired depending on the application material.
  • the substrate may be applied to the adhesive surface of the surface layer by any method which ensures sufficient adhesion of the substrate to the adhesive surface.
  • the substrate may be molded by means of an injection molding process and / or by a casting process and / or by painting with a coating die or by any other method, e.g. also be applied to the adhesive surface of the surface layer by gluing with the adhesive surface.
  • the body produced by means of the method according to the invention can be any desired body, in particular a housing or a housing part for an optical and / or an acoustic and / or a mechanical and / or an electronic device.
  • the body is a telephone, in particular a mobile telephone, a computer, in particular a portable computer, an accessory for a computer, for example a printer, a scanner, router, a modem or a player for playback and / or to Recording electromagnetic signals, in particular of acoustic and / or optical signals, or a satellite communication device, in particular a GPS device or other device.
  • a telephone in particular a mobile telephone
  • a computer in particular a portable computer
  • an accessory for a computer for example a printer, a scanner, router, a modem or a player for playback and / or to Recording electromagnetic signals, in particular of acoustic and / or optical signals
  • a satellite communication device in particular a GPS device or other device.
  • the present invention also relates to a corresponding body itself, which is produced by the inventive method.
  • the invention thus further relates to a body comprising a substrate and a thermally sprayed surface layer, wherein the surface layer is formed in a predetermined surface area of the body on the substrate.
  • the surface layer has an outer functional surface facing away from the substrate, and the surface layer further has, on a side facing the substrate, an adhesive surface for adhesion to the substrate in the predetermined surface area of the body.
  • the surface layer is previously produced in a thermal spraying process, and the substrate is applied subsequently to the adhesion surface, wherein a surface structure of the adhesion surface by the thermal spraying process is formed such that the substrate is adhesively bonded to the adhesive surface of the surface layer.
  • the thermally sprayed surface layer preferably comprises a hard layer comprising an oxide and / or a carbide and / or a ceramic.
  • the surface layer may also comprise a metal, in particular aluminum and / or titanium.
  • the surface layer may be formed as a multilayer system.
  • the functional surface is provided with a functional structure produced by thermal spraying, wherein the functional structure an electromagnetic, in particular may be an optical functional structure.
  • the thermal spraying of the surface layer is formed a smooth functional surface of adjustable very low roughness.
  • the surface layer and / or the substrate may be formed from a permeable to electromagnetic radiation material, wherein a frequency of the electromagnetic radiation in the range of a radio frequency, a television frequency, a mobile frequency, a satellite or satellite broadcasting frequency, or a microwave or radar frequency may be.
  • the electromagnetic radiation may be any radiation of the electromagnetic spectrum, in particular visible light and the surface layer and / or the substrate may be optically transparent at least in a predetermined optical frequency range.
  • an electromagnetically sensitive element in particular a transmitting antenna and / or a receiving antenna can be integrated in the surface layer and / or in the substrate, wherein the electromagnetically sensitive element is for example an optical receiver and / or an optical transmitter.
  • the surface layer of the body according to the invention can be formed by any suitable thermal spraying method, for example by a plasma spraying method, a flame spraying method, an LPPS method, an HVOF method, a cold gas spraying method or another suitable thermal spraying method.
  • the substrate of the inventive body may in principle be formed of any suitable material, more preferably comprising Substrate a plastic and / or a polymer, in particular a deep-melting plastic and / or a low-melting polymer.
  • the substrate may in another example also comprise a composite material, in particular a carbon composite material and / or a glass and / or a metal.
  • the substrate can be applied to the adhesive surface of the surface layer by any suitable method known per se, in particular by means of an injection molding method or by means of a casting method or by brushing by means of a coating tool applied to the adhesive surface of the surface layer.
  • a body according to the invention is, inter alia, a housing or a housing part for an optical and / or an acoustic and / or a mechanical and / or an electronic device.
  • the body is a telephone, in particular a mobile telephone, a computer, in particular a portable computer, an accessory for a computer, a player for the reproduction and / or recording of electromagnetic signals, in particular of acoustic and / or optical signals or a Satellite communication device, in particular a GPS device or other device or any other conceivable body, which can be advantageously produced by the method according to the invention.
  • the invention relates to the use of a method according to the invention for producing a body according to the invention as described in detail above.
  • a method according to the invention for producing a body according to the invention as described in detail above.
  • Fig. 2a - 2f the manufacture of a housing shell for a mobile phone
  • FIGS. 3a-3c show the production of a concave mirror with a thermally sprayed mirror surface
  • Fig. 5a - 5b surface layer as a multilayer system.
  • FIG. 1 a schematically illustrates a shaped body 2 which has a forming surface 200 whose topology is inversely related to the topology of a surface region 101 of a body 1 to be produced.
  • a surface layer 110 of the body 1 to be produced is sprayed onto the molding surface 200 of the molding 2 by means of a plasma spraying device S in a thermal spraying process, which in the present example is a plasma spraying process.
  • the surface layer 110 is not yet completely applied to the molding surface 200. However, it is already easy to see how on the forming surface 200 the one functional surface 111 of the surface layer is formed and how on the functional surface 111 an adhesive surface 112 of the surface layer 110 is formed on the opposite side.
  • FIG. 1 c shows the molded body 2 with completely applied surface layer 110. Substrate matehal has not yet been applied to the adhesive surface 112.
  • FIG. 1d demonstrates how the body 1 is produced by applying the initially still liquid substrate 100.
  • a compact body 1 is produced which, when completed in a given surface area 101, has a surface layer 110 with functional surface 111, the surface layer 110 here being a hard layer 110, so that the body will be effectively protected against scratching, simultaneously a very smooth functional surface 111 is formed by the molding surface 200, so that the body 1 additionally receives an aesthetically pleasing appearance.
  • the body 1 is not yet dissolved out of the molding 2, but otherwise already substantially completed. The substrate is still at the cool and solidify.
  • Fig. 1f finally shows the finished body 1 with substrate 100 and surface layer 110, as it is dissolved out of the molded body.
  • the body 1 is now ready for its intended use.
  • FIGS. 2a-2f a particularly important practical embodiment is schematically illustrated, which describe an inventive manufacturing method for producing a housing shell 1 for a mobile phone.
  • Fig. 2a shows a molded body 2 in the form of an injection mold 2 with mold surface 200 on soft means of the plasma spraying device S, eg mats a plasma spray gun S, automatically from a robot system with electronic data processing system according to a predetermined Program flow is served, a surface layer 110 is to be sprayed. Since the thermal spraying process as such is well known to those skilled in the art, it need not be further explained. In Fig. 2b, therefore, the ready-sprayed surface layer 110 with functional surface 111 and adhesive surface 112 is shown on soft
  • the plastic substrate should be made of a deep-melting plastic, which can not be sprayed directly thermally, because otherwise it would melt during thermal spraying, or at least the surface of the substrate would be severely damaged by the thermal spraying.
  • the substrate 100 is applied to the adhesive surface 112 in a per se known injection molding process.
  • the gasoline mold 2 is in a timely manner in a conventional manner
  • Injection molding tool SW clamped.
  • the injection mold 2 has just been clamped in the timely injection molding tool SW.
  • the two parts of the injection molding tool are not yet completely pushed together.
  • the injection molding tool SW is therefore still partially open and thus for applying the substrate 1 by a
  • injection molding process not ready yet.
  • the injection channel K through which the substrate material in a conventional manner for forming the substrate 100 on the adhesive surface 112 in the two-part injection molding tool SW will be introduced under pressure later.
  • the injection molding tool SW is part of a substantially fully automatic system for series production, wherein the system for reasons of clarity in the Fig. 2a to 2f is not shown.
  • Injection channel SK was injected in a known manner as long as liquid substrate material in the two-piece injection tool SW under pressure until, as shown in FIG. 2e, the housing shell 1 for the mobile phone made of substrate 1 and surface layer 110 is completed.
  • the housing shell according to the invention now consists of a plastic substrate 100, on which a wear-resistant thermally sprayed surface layer is securely applied to the adhesive surface 112. Since the mold surface 200 has been polished to a high gloss prior to the thermal spray process, the functional surface 111 is now not only extremely scratch resistant, but also has an aesthetically pleasing appearance, e.g. in black or white paint or in any other color, depending on the choice of the spray material in the thermal spraying process.
  • bodies 1 of concave shape can of course also be produced by the process according to the invention.
  • An example of this is illustrated convincingly with reference to FIGS. 3a, 3c, which show the production of a concave mirror with a thermally sprayed mirror surface.
  • the substrate 1, so the actual body 100 of the mirror 1 must be made of gold for technical reasons.
  • gold can not readily be coated with a thermal spray coating because the gold surface of the high-sensitivity mirror 1 must not be affected by the thermal spray process. Therefore, the inventive method is selected for the preparation of the thermally coated mirror 1.
  • a convex shaped body 2 is provided whose forming surface 200 has a convex topology that is inverse to the concave topology of the concave mirror 1 to be produced.
  • the mold surface 200 is polished to a high gloss with minimal roughness by various known methods, so that the functional surface 111 of the finished mirror 1 will have an equally smooth surface.
  • part of the surface layer 110 is already sprayed onto the molding surface 200 with the thermal spray gun S.
  • the casting process for forming the concave mirror 1 is currently taking place.
  • the coated with the surface layer 110 convex shaped body 2 is clamped in the three-part casting tool SW, which consists of the three
  • Tool parts SW1, SW2, SW3 is made, so that the casting tool SW can be disassembled after completion of the casting process for removing the finished concave mirror 1 in its tool parts SW1, SW2, SW3.
  • the liquid gold is poured carefully through the opening SK into the casting tool SW, so that the liquid gold can bond to the adhesive surface 112 of the surface layer to form the coated concave mirror 1.
  • FIG. 3c shows the finished mirror 1, the substrate 100 of which is formed of gold, which is now provided with a thermal sprayed surface layer 110.
  • FIGS. 4a and 4b show a body 1 with a surface layer 110 produced according to the invention with optimized adhesion surface 112.
  • FIG. 4 a which shows the body 1 only partially and schematically in section for reasons of clarity, the substrate 100 has already been applied to the adhesive surface 112 of the thermally sprayed surface layer 110.
  • the body 1 and the molded body 2 are still in the injection tool SW, which is not shown for reasons of clarity in Fig. 4a, clamped.
  • the substrate 100 adheres better to the adhesive surface 112, but on the other hand the functional surface 111 has the smoothest possible surface
  • Forming surface 200 the injection parameters are suitably controlled during the thermal spraying process.
  • the injection parameters initially set so that a very fine, ie smooth structure of the functional surface 111 is formed. This can be achieved, for example, by selecting a relatively high injection temperature at the beginning of the injection process. With increasing layer thickness, the spray parameters are then increasingly selected such that the structure of the surface layer 110 in the direction of the adhesive surface 112 becomes increasingly coarse, as indicated by the points in the surface layer 110 growing toward the adhesive surface 112, so that ultimately a coarse surface structure 1120 of the adhesive surface 112 is formed such that the substrate 100 when applied to the adhesive surface 112 is very well adhering to the adhesive surface 112 of the surface layer 110 is connected. In this case, this varying layer structure of the surface layer 110 can also be achieved by the variation of other spray parameters, as is well known to the person skilled in the art.
  • FIG. 4b shows the finished body 1 with a very smooth functional surface 111 and a correspondingly rough adhesion surface 112, on which the substrate 100 adheres very well.
  • a surface layer 110 produced according to the invention is finally illustrated on a substrate 100, which is designed as a multilayer system 110.
  • Fig. 5a is analogous to Fig. 4a of the already finished body 1 watch, which is still installed together with the molding 2 in the injection molding tool SW, not shown.
  • the problem to be solved was that a functional surface 111 was formed from a first material 1101 to be, which first material 1101, however, adheres only poorly on the adhesive surface 112 of the substrate 100 for reasons of material technology. Therefore, a two-layer system was constructed with a second material 1102, which second material 1102 on the one hand very well adheres to the substrate material of the substrate 100, and on the other hand also connects very well to the first material 1101.
  • 4b shows the finished body 1, which has a functional surface 111 with the properties of the first material 1101, the two-layer system 110 adhering to the substrate 100 on the adhesive surface 112 at the same time as the material 1102.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers (1), welcher Körper (1) ein Substrat (100) und eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht (110) umfasst. Dabei wird ein Formkörper (2) zur Formgebung eines vorgegebenen Oberflächenbereichs (101) des Körpers (1) 5 bereitgestellt, welcher Formkörper (2) eine Formfläche (200) aufweist, deren Topologie invers zur Topologie des vorgegebenen Oberflächenbereichs (101) des herzustellenden Körpers (1) ist. Erfindungsgemäss wird in einem vorgängigen Verfahrensschritt die Oberflächenschicht (110) des Körpers (1) mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Formfläche (200) des Formkörpers (2) aufgebracht, so dass auf der Formfläche (200) des Formkörpers (2) eine Funktionsoberfläche (111) der Oberflächenschicht (110) gebildet wird, und auf einer der Funktionsoberfläche (111) abgewandten Seite eine Haftoberfläche (112) der Oberflächenschicht (110) gebildet wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das Substrat (100) auf die Haftoberfläche (112) der Oberflächenschicht (110) aufgebracht. Die Erfindung betrifft weiter einen nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Körper (1), sowie die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung des Körpers (1).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht, Körper mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht, sowie Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Körpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht, einen Körper mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht, sowie die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Körpers mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.
Das Veredeln von Oberflächen aller Art durch Aufbringen von speziellen Beschichtungen mittels verschiedenster Beschichtungstechniken hat heutzutage in nahezu alle Gebiete der Technik Einzug gehalten. Dabei werden nicht nur Substrate aus Metall, wie Eisen, Stahl, Aluminium,
Kupfer usw. beschichtet, sondern auch das Beschichten von Glas, Keramiken, Kunststoffen, Faserwerkstoffen und vielen anderen Materialien ist durchgängiger Standard. Neben dem Aufbringen einer Schutzschicht aus Farbe, durch Verchromen, oder Verzinken mit den bekannten klassischen Methoden findet die Technik des sogenannten thermischen Spritzens in seinen zahlreichen Varianten immer weitere Verbreitung zum Schutz oder zur Veredelung von Oberflächen. Dabei wird das thermische Spritzen in vielen Bereichen für das Auftragen von Verschleiss-Schutzbeschichtungen auf der Basis von metallischen, karbidhaltigen, keramischen oder Verbundwerkstoffen angewendet. Ein entscheidender Vorteil der Technik des thermischen Spritzens besteht einerseits darin, dass viele Basismaterialien als Substrat zum Beschichten in Frage kommen. Was vielleicht jedoch noch wichtiger ist, ist die quasi unüberschaubare Zahl ganz unterschiedlicher Werkstoffe, die als Beschichtungsmaterial beim thermischen Spritzen eingesetzt werden können. Insbesondere sind dem Fachmann auch eine ganze Reihe physiologisch unbedenkliche Werkstoffe geläufig, so dass die Technik des thermischen Spritzens sehr erfolgreich auch zur Beschichtung von Produkten eingesetzt werden kann, die mit Menschen oder Tieren unmittelbar in Berührung kommen oder die zum Beispiel unmittelbar mit Lebensmitteln in Kontakt kommen bzw. in der Medizin Anwendung finden. Praktisch alle Werkstoffe, die eine stabile flüssige (oder gasförmige) Phase aufweisen und / oder in einem geeigneten Pulvergrössenbereich oder in der passenden Form, zum Beispiel als Spritzdraht erhältlich sind, können mit der geeigneten Technik auf nahezu alle Substrate aufgetragen werden, so dass eine sehr grosse Freiheit bei der Wahl des Beschichtungsmaterials und der zu beschichteten Materialien gegeben ist.
Das ist letztlich natürlich auch dadurch bedingt, dass eine ganze Reihe von thermischen Spritzverfahren zur Verfügung stehen, die je nach der Art des zu beschichtenden Substrats und / oder des verwendeten Beschichtungsmaterials ausgewählt werden können. Beispielhaft sei dazu auf die Technik des Drahtflammspritzens, des Lichtbogenspritzens, des Plasmaspritzen und auf das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und des Kaltgasspritzens verwiesen, die dem Fachmann auf dem Gebiet des thermischen Spritzens in ihren verschiedenen Varianten wohlbekannt sind.
Die aufgetragenen Schichten können dabei zum Beispiel Schutz vor Korrosion, thermischer, chemischer oder mechanischer Belastung bieten; es kann sich um Schichten für optische Anwendungen handeln, etwa zur Filterung oder Dämpfung des Sonnenlichts, oder um Schichten zur Verspiegelung optischer Geräte oder Vorrichtungen. Aber auch aus rein ästhetischen Gründen werden auf Gegenstände aller Art, insbesondere auch auf Gebrauchsgegenstände, zunehmend Schichten durch thermische Spritzverfahren aufgebracht. Besondere Bedeutung hat das thermische Beschichten überall auch dort, wo empfindliche Oberflächen mechanischen Einwirkungen, wie der Reibung zwischen Gegenlaufpartner, zum Beispiel zwischen Kolben und Kolbenring eines Zylinders einer Brennkraftmaschine oder auch bei Rollen und Walzen zum Bearbeiten von Blechen, Folien usw. ausgesetzt sind. Hier haben sich insbesondere Beschichtungen aus Keramik bzw. mit keramischen
Einlagerungen sehr gut bewährt, die eine hervorragende Resistenz gegen abrasive Beanspruchungen aufweisen. Sehr vorteilhaft werden in diesem Sinne auch verbreitet metallische Schichten gespritzt, die keramische und / oder oxidische Partikel enthalten. Solche Schichten haben einerseits ein hervorragendes Haftvermögen, insbesondere auf metallischen Substraten und zeigen trotz einer relativ weichen Metallmatrix, die die aufgespritzte Oberflächenschicht bildet, durch die eingelagerten keramischen oder oxidischen Partikel eine immer noch hervorragende Widerstandskraft gegen mechanische Belastungen wie Reibung, Scheuern, Kratzen oder zum Beispiel beim Bearbeiten mit Schneidwerkzeugen und dergleichen. Darüber hinaus, was bei verschiedenen Anwendungen wichtig ist, zeigen solche Schichten aufgrund der metallischen Grundmatrix noch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was häufig, zum Beispiel bei Haushaltsgegenständen, wie Koch- oder Backgeschirr, Bügeleisen oder dann wenn die Wärme zuverlässig abgeführt oder übertragen werden muss, wie zum Beispiel bei Kochplatten,
Backofenauskleidungen, Grillvorrichtungen oder auch bei Rollen oder Walzen während des Walzprozesses, eine erhebliche Rolle spielen kann.
Insbesondere die Beschichtung von Gegenständen aller Art, die neben mechanischen Belastungen auch starken Temperaturbeanspruchungen ausgesetzt sind, wie Haushaltsgegenstände zum Kochen oder Braten, zum Beispiel Bratpfannen, Kochgeschirr bzw. Koch-, Brat- und Backbestecke, oder ganz allgemein von Brat- oder Backoberflächen, z.B. von Backformen oder Backflächen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Dabei kommen als Basismaterial, z.B. für Koch- oder Backgeschirr auch zunehmend Werkstoffe aus Kunststoff in Gebrauch. Dasselbe gilt natürliche auch für andere
Gegenstände wie beispielsweise für Bügelsohlen von Bügeleisen. Aber auch im industriellen Bereich gibt es zahlreiche Beispiele von Einrichtungen und Gegenständen, die im Betriebszustand thermischen und mechanischen Belastungen gleichermassen ausgesetzt sind und deren empfindliche Oberflächen durch geeignete Beschichtungen geschützt werden müssen. Beispielhaft seien an dieser Stelle Walzen und Rollen verschiedenster Art genannt, die zum Walzen von Blechen, Folien und so weiter eingesetzt werden.
Zusätzlich zu der mechanischen Schutzfunktion der Schichten sind häufig auch gewisse Antihafteigenschaften gefordert. Das trifft insbesondere auf die zuvor erwähnten Haushaltsgeräte zu, an welchen einerseits das Koch-, Back oder Bratgut möglichst nicht haften bleiben soll und die andererseits auch leicht zu reinigen sein sollen, was natürlich beispielsweise auch auf die erwähnten Oberflächen von Öfen oder Grillvorrichtungen zutrifft. Diese Anforderungen werden selbstverständlich auch an die oben erwähnten Rollen und Walzen gestellt. Alle diese Oberflächen sollen in vorgebbaren Grenzen möglichst glatt sein und andererseits jedoch möglichst gute Antihafteigenschaften aufweisen.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die ästhetische Veredelung von Gegenständen aller Art, z.B. von Schmuck oder Uhren oder anderen technischen oder nicht technischen Gegenständen, deren Oberflächen aus verschiedenen Gründen mit ästhetischen Oberflächen veredelt werden sollen.
Zur Lösung dieser Aufgaben sind aus der Literatur zahlreiche Beschichtungen und entsprechende Verfahren zum Aufbringen solcher Beschichtungen wohlbekannt. Dabei gibt es in diesem Zusammenhang unter anderen zwei wesentliche Probleme, die bis heute nicht befriedigend gelöst sind:
Das eine Problem betrifft die Beschichtung empfindlicher Substrate. Also solcher Substrate, die entweder temperaturempfindlich, chemisch, mechanisch oder aus anderen Gründen sehr empfindlich sind.
Liegt zum Beispiel der Schmelzpunkt eines temperaturempfindlichen Substrats in der Nähe, oder sogar unterhalb derjenigen Temperatur, die ein thermisches Spritzmaterial hat, wenn es beim thermischen Spritzen auf das temperaturempfindliche Substrat auftrifft, so kann ein solches Substrat möglicherweise nicht mit dem entsprechenden thermischen Spritzverfahren beschichtet werden, weil das Substrat beim Beschichten schmelzen würde oder zumindest die Oberfläche des Substrats selbst beim Beschichten beschädigt würde. So ist es bis heute zumindest sehr problematisch, wenn nicht unmöglich z.B. tief schmelzende Kunststoffe, tief schmelzende Polymere, Verbundwerkstoffe, z.B. Carbon Verbundwerkstoffe oder bestimmte Gläser mit bestimmten thermischen Spritzverfahren zu beschichten.
Aber selbst wenn der Schmelzpunkt eines bestimmten Substratmaterials ausreichend hoch liegt, ist es möglich, dass das Substrat bzw. die zu beschichtende Oberfläche des Substrats durch den thermischen
Beschichtungsprozess als solches beschädigt oder angegriffen wird, weil bei einem thermischen Beschichtungsprozess der thermische Spritzwerkstoff immer mit einer gewissen Wucht auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats geschleudert wird, was bei empfindlichen Oberflächen, z.B. bei weichen Oberflächen oder bei solchen Oberflächen, die durch die zugeführte Wärme beim thermischen Spritzen weich werden, zu nicht akzeptablen Schädigungen führen kann. Beispiele dafür sind neben Kunststoffmaterialien unter anderem auch bestimmte Metalle oder Metalllegierungen.
Aber auch andere negative Reaktionen zwischen dem thermischen Spritzmaterial und dem Substrat sind in Abhängigkeit von den beteiligten Materialien möglich. So kann es zum Beispiel zu unerwünschten chemischen Reaktionen zwischen Substratmaterial und dem mehr oder weniger heissen Spritzwerkstoff während des thermischen Sphtzprozess kommen. So kann sich das Substratmaterial z.B. zumindest in einer Oberflächenschicht unter der Einwirkung des thermischen Spritzvorgangs zersetzen, oxidieren oder eine andere unerwünschte chemische oder physikalische Reaktion durchlaufen.
So können z.B. transparente Substratstoffe durch den thermischen Spritzvorgang intransparent, also undurchsichtig werden, was eventuell nicht gewünscht ist. Beispielsweise wäre es denkbar, einen gekrümmten Spiegel auf einer Rückseite vorteilhaft mit einer thermischen Spritzschicht mit bestimmten Eigenschaften zu versehen. Ein Spiegelmaterial, das jedoch den extremen Bedingungen beim thermischen Spritzen nicht standhält, konnte bisher durch thermisches Spritzen nicht vergütet werden. Noch klarer liegt das Problem auf der Hand, wenn tief schmelzende
Materialien wie z.B. Kunststoffe Art thermisch beschichtet werden sollen. So wäre es zum Beispiel wünschenswert, die Oberfläche von elektronischen oder optischen Gebrauchsgegenständen, wie Mobiltelefone, tragbare Computer, Fotoapparate, Videokameras usw. mit verschleissfesten Oberflächen zu versehen, da solche Gegenstände sehr empfindlich gegen verkratzen und andere mechanische Einwirkungen sind. Bisher ist die Auswahl der einsetzbaren thermischen Spritzverfahren und auch der verwendbaren Spritzmaterialien sehr begrenzt, so dass solche Gebrauchgegenstände praktisch nie thermisch beschichtet werden. Selbst dann nicht, wenn ein thermisches Beschichten im Prinzip möglich wäre. Die Randbedingungen, die beim thermischen Spritzen solcher empfindlichen Materialien einzustellen sind, wie zum Beispiel Kühlung des Substrats während des thermischen Beschichtungsprozesses, spezielle Gasatmosphären, um etwa ein Oxidieren zu vermeiden usw., sind oft prozesstechnisch so aufwändig, dass ein so beschichtetes Produkt aufgrund seines hohen Preises nicht mehr verkäuflich wäre.
Werden für Spezialanwendungen, bei welchen der Preis eine untergeordnete Rolle spielt, dann dennoch mit thermischen Spritzschichten versehen, so lassen sich diese komplizierten Prozesse häufig kaum automatisieren, was unter anderem zu einem hohen Personalaufwand führt.
Das zweite Problem betrifft die äussere Oberflächenstruktur der thermisch gespritzten Schichten.
Die äusseren Oberflächen von thermisch gespritzten Schichten haben eine bestimmte Struktur, die durch das verwendete Spritzmaterial, das verwendete thermische Spritzverfahren und durch die Prozessführung beim thermischen Spritzen bestimmt ist.
Durch entsprechende Wahl der Prozessparameter, wie zum Beispiel die Spritzgeschwindigkeit, die Spritztemperatur, den Spritzabstand zum Substrat, das verwendete Prozessgas beim Spritzen, den Druck des verwendeten
Prozessgases, der unter anderem die Stärke der Wucht bestimmt, mit der das meist mehr oder weniger flüssige oder plastische Spritzmaterial auf die Oberfläche des Substrats aufgeschleudert wird, oder durch geeignete Wahl weiterer Prozessparameter kann die Oberflächenstruktur der hergestellten thermischen Spritzschicht in gewissen Grenzen variiert werden. So kann zum Beispiel, aber nicht nur, in Abhängigkeit von der Spritzgeschwindigkeit in bestimmten Grenzen die Rauhigkeit der Oberfläche eingestellt werden. Auch durch geeignete Wahl der Spritztemperatur, des Spritzabstandes oder der Stärke der Kühlung, mit der ein zu beschichtendes Substrat während des Spritzvorgangs gekühlt wird, kann z.B. eine mehr oder wenige raue oder aber auch z.B. eine mehr oder weniger poröse Oberflächenbeschaffenheit eingestellt werden.
So kann z.B. die Rauhigkeit der Oberfläche der thermischen Spritzschicht dadurch verringert werden, dass bei höherer Temperatur und / oder höherer Spritzgeschwindigkeit gespritzt wird, so dass die entstehenden Tröpfchen aus Spritzmatehal feiner sind, als z.B. bei einer niedrigeren Spritztemperatur, so dass feinere Oberflächen mit einer geringeren Rauhigkeit entstehen. All diese und eine ganze Reihe anderer Massnahmen sind dem Fachmann wohlbekannt, mit der man die Beschaffenheit der thermisch gespritzten Schichten und deren Oberflächenstruktur beeinflussen kann.
Dem sind allerdings relativ enge Grenzen gesetzt, wobei die Möglichkeiten insbesondere auch vom verwendeten Spritzmaterial abhängen.
Dabei sind auch andere negative Effekt, die die Oberflächenbeschaffenheit negativ beeinflussen, mit den herkömmlichen Spritzverfahren nur mit sehr aufwändigen Massnahmen einigermassen in den Griff zu bekommen. So kann es zum Beispiel je nach verwendetem Spritzmaterial unmittelbar nach dem Aufspritzen zu chemischen Reaktionen des noch heissen Spritzmaterials, zum Beispiel zur Oxidation der Oberfläche an der Umgebungsluft kommen. Das kann zu unschönen oder technisch unbrauchbaren oder nachteiligen Eigenschaften der Oberflächen der thermischen Spritzschicht führen.
Was beim klassischen, grossflächigen thermischen Spritzen zudem grundsätzlich nicht möglich ist, ist das Einbringen einer vorgegeben Oberflächenstruktur in die Oberfläche der thermischen Spritzschicht während des Spritzvorgangs selbst.
Wenn eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht eine bestimmte Struktur erhalten soll, z.B. eine besonders raue oder besonders glatte Oberflächenstruktur, die durch die Regelung der Spritzparameter nicht erreichbar ist, so muss die Oberfläche nach dem thermischen Spritzen entsprechend aufwändig nachbearbeitet werden, also z.B. geschliffen oder aufgeraut werden.
Kompliziertere Strukturen, z.B. Muster, Logos oder technische Strukturen, können oft nur unter grossen Schwierigkeiten oder im schlimmsten Fall gar nicht in die Struktur eingebracht werden, weil beispielweise beim Einschleifen oder Einritzen der Struktur, Material aus der Oberfläche ausbricht, wodurch diese unbrauchbar wird.
Vor allem aus der Oberfläche herausstehende Strukturen sind mit den bekannten thermischen Spritzverfahren praktisch nicht herstellbar, es sei denn, sie werden nach dem Spritzen aufwändig chemisch oder mechanisch aus der Oberfläche herausgearbeitet.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile auszuräumen und insbesondere ein Verfahren bereitzustellen, mit dem vor allem, aber nicht nur z.B. thermisch, chemisch oder mechanisch nur wenig belastbare Substrate mit einer thermischen Oberflächenschicht versehen werden können, bzw. mit welchem die Oberflächenstruktur einer thermischen Spritzschicht eines beliebigen Substrates nach einem vorgegebenen Schema eingestellt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes thermisch beschichtetes Substrat bereit zustellen.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers, welcher Körper ein Substrat und eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht umfasst. Dabei wird ein Formkörper zur Formgebung eines vorgegebenen Oberflächenbereichs des Körpers bereitgestellt, welcher Formkörper eine
Formfläche aufweist, deren Topologie invers zur Topologie des vorgegebenen Oberflächenbereichs des herzustellenden Körpers ist. Erfindungsgemäss wird in einem vorgängigen Verfahrensschritt die Oberflächenschicht des Körpers mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Formfläche des Formkörpers aufgebracht, so dass auf der Formfläche des Formkörpers eine Funktionsoberfläche der Oberflächenschicht gebildet wird, und auf einer der Funktionsoberfläche abgewandten Seite eine Haftoberfläche der Oberflächenschicht gebildet wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das Substrat auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist somit, dass das zu beschichtende Substrat mit dem thermischen Spritzprozess als solchem überhaupt nicht mehr in Kontakt kommt. Vielmehr wird im Gegensatz zu den bekannten klassischen Spritzverfahren die thermische Spritzschicht unabhängig vom Substrat zuerst erzeugt und das Substrat sodann bevorzugt in mehr oder weniger Flüssiger Form auf die erkaltete thermische Spritzschicht aufgebracht, z.B. durch ein Spritzgussverfahren aufgespritzt, oder auf die zuvor thermisch gespritzte Schicht mittels eines Giessverfahrens aufgegossen oder anders geeignet mit der thermisch gespritzten Oberflächenschicht verbunden.
In speziellen Fällen, abhängig von der thermischen Spritzfest und / oder von dem Material des Substrats kann das Substrat sogar bereits geeignet vorgeformt sein und wird dann mit einer vorgegeben geeigneten Stärke bzw. Kraft auf die zuvor thermisch gespritzte Oberflächenschicht aufgepresst, wodurch eine feste Verbindung zwischen dem Substrat und der thermisch gespritzten Oberflächenschicht hergestellt wird. Dieses sehr spezielle Verfahren eignet sich besonders für Substrate, die besonders weich sind oder unter einem vorgegebenen Druck z.B. weich oder an der Oberfläche sogar flüssig werden und sich so mit der zuvor thermisch gespritzten Oberflächenschicht verbinden.
Durch Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es somit auch erstmals möglich, neben tief schmelzenden Kunststoffen, Polymeren, oder anderen tief schmelzenden oder mechanisch oder chemisch empfindlichen Materialien zum Beispiel auch thermisch oder mechanisch empfindliche Metalle oder Metalllegierungen mit thermischen Spritzschichten zu versehen, ohne die Oberflächen der empfindlichen Substrate negativ durch den thermischen Spritzvorgang zu beeinflussen oder gar zu beschädigen. Auch ist es durch die Erfindung zum Beispiel erstmals möglich, mechanisch sehr empfindliche oder filigrane Strukturen mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht zu versehen, was mit den bekannten Methoden grundsätzlich unmöglich ist, weil die Substrate durch die bekannten thermischen Spritzprozesse zerstört würden. So können z.B. extrem dünne Substratstrukturen, beispielweise aus Glas oder einem anderen mechanisch sehr empfindlichen Material auf einfache Weise mit einer thermischen Spritzschicht versehen werden.
So kann z.B. für ein wissenschaftliches Gerät zunächst gemäss der Erfindung eine thermische Spritzschicht auf einem Formkörper hergestellt werden, und anschliessen eine extrem dünne Glasschicht aufgebracht werden oder eine extrem dünne Schicht aus einem anderen gewünschten Material aufgebracht werden, so dass eine mit einer fast beliebig auswählbaren thermischen Spritzschicht versehene Struktur entsteht.
Für ganz spezielle Anwendungen ist es sogar denkbar, dass bei einer zuvor beschriebenen Struktur die thermische Spritzschicht das eigentliche
Trägermaterial für die aufgebrachte filigrane Struktur ist, die eine bestimmte Funktion erfüllt.
In grosser industrieller Breite ist die Erfindung natürlich überall dort sehr vorteilhaft verwendbar, wo tief schmelzende und thermisch empfindliche Kunststoffmaterialien aller Art vor schädlichen äusseren Einflüssen, wie zum Beispiel gegen Zerkratzen geschützt werden müssen und / oder wo eine ästhetische Oberfläche geschaffen werden soll, die zum Beispiel sehr glatt oder glänzend sein soll, oder die mit einer bestimmten Farbe oder einer anderen vorteilhaften Eigenschaft einer Thermischen Spritzschicht ausgestattet werden soll.
Als Anwendungen kommen zum Beispiel bevorzugt hochwertige Mobiltelefone, tragbare und nicht tragbare Computer, GPS-Geräte, tragbare Video- und Audiogeräte und vieles mehr in Frage. Der Fachmann erkennt unmittelbar die ungeheure Breite der möglichen Anwendungen sowohl im täglichen Bereich, als auch in der technisch wissenschaftlichen Anwendung.
Dabei versteht es sich, dass ein besonderes Augenmerk auf die Oberflächenbeschaffenheit der Formfläche, auf die die thermische
Spritzschicht aufgespritzt wird, gelegt werden muss. Die Oberfläche muss nämlich so beschaffen sein, dass sich die aufgespritzte Oberflächenschicht, also die Funktionsoberfläche der Oberflächenschicht, leicht und ohne die Funktionsoberfläche zu beschädigen, von der Formfläche ablösen lässt, nachdem das Substrat auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht worden ist.
Dazu wird die Formfläche des Formkörpers bevorzugt so glatt wie möglich poliert, so dass eine hochglatte Oberfläche entsteht, die eine so geringe Rauheit aufweist, dass sich die darauf aufgespritzte Oberflächenschicht ohne die Funktionsoberfläche zu beschädigen ablösen lässt.
Eine ausreichende Glattheit der Formfläche kann durch alle an sich bekannten Methoden wir Schleifen, bevorzugt nass Schleifen, Läppen mit feinen Lappen usw. erreicht werden.
Dabei muss klar gesagt werden, dass die optimale Oberflächenbeschaffenheit der Formfläche selbstverständlich sowohl massiv von der thermischen
Spritzschicht, als auch von dem konkreten thermischen Spritzverfahren und den verwendeten Spritzparametern abhängt. Und selbstverständlich auch von dem aufzuspritzenden Spritzwerkstoff. Darüber hinaus hängt es auch von dem Material ab, aus dem die Formfläche gebildet ist. Je nach Material der Formfläche in Kombination mit dem Material der thermischen Spritzschicht und dem verwendeten Spritzverfahren wir die Oberflächenschicht mehr oder weniger gut wieder abzulösen sein, wenn das Substrat auf die Haftoberfläche aufgetragen ist.
So ist es durchaus möglich, dass in einem Fall die Formoberfläche eine bestimmte maximale Rauheit nicht überschreiten darf, während in einem anderen Fall die Formoberfläche vielleicht eine Mindestrauheit aufweisen muss, damit die thermisch aufgespritzte Oberflächenschicht sich ohne Schaden wieder ablösen lässt.
Die konkrete Wahl der Oberflächenbeschaffenheit der Formfläche bzw. deren Material muss der Fachmann im Einzelfall unter Berücksichtung des aufzuspritzenden Spritzmaterials, der verwendeten Spritzmethode, der Spritzparameter, der Geometrie der Formfläche und weiterer relevanter Parameter unter Nutzung seines allgemeinen Fachwissens treffen. Der Fachmann weiss wie er dazu im Einzelfall vorzugehen hat.
Dabei ist klar, dass wenn die Formfläche zur Strukturierung der Funktionsoberfläche hervorstehende oder auch in die Formfläche eingearbeitete Strukturelemente hat, auch die äusseren Oberflächen dieser Strukturelemente die entsprechende, an die oben erwähnten Randbedingungen des thermischen Spritzens angepassten Oberflächenstruktur aufweisen muss. In diesem Fall ist die Vorbearbeitung zur Herstellung der notwendigen Oberflächenstruktur der Formfläche natürlich aufwändiger, als wenn die Formoberfläche keine Strukturelemente aufweist, z.B. weil einfach nur eine sehr glatte Funktionsoberfläche erzeugt werden soll. Zum Beispiel in dem Fall, wenn das Strukturelement ein Strukturmuster zur Herstellung eines Erkennungszeichens in der Oberflächenschicht ist, beispielsweise ein Warenzeichen oder ein Hologramm oder ein anderes Strukturmuster. In einem für die Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel ist die thermisch gespritzte Oberflächenschicht eine Hartschicht, insbesondere umfassend ein Oxid und / oder ein Karbid und / oder eine Keramik ist. Dabei kann z.B. die Oberflächenschicht insgesamt als keramische Hartschicht ausgebildet sein. Sie kann aber auch eine Verbundschicht sein, die zum Beispiel aus einer Metallmatrix mit eingelagerten Hartteilchen aufgebaut ist oder auch andere Teilchen umfasst, zum Beispiel um optische Effekte zu erzeugen oder aber sie kann beispielweise auch Zusätze oder Komponenten enthalten, die der Oberflächenschicht bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften, z.B. bestimmte elektromagnetische Eigenschaften verleit.
Als Metalle kommen für die Oberflächenschicht im Prinzip alle thermisch spritzbaren Metalle oder Metalllegierungen in Frage, insbesondere kann die Oberflächenschicht Aluminium oder Titan umfassen. Um komplizierte Schichtstrukturen zu erzeugen, kann beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht ein Spritzmaterial auch vorteilhaft variierte werden, so dass zum Beispiel Schichten mit variierender Zusammensetzung erzeugt werden können.
Insbesondere um die Struktur der Haftoberfläche auf das aufzubringende Substrat anzupassen, kann ein Spritzparameter des thermischen Spritzverfahrens so geführt wird, dass eine Oberflächenstruktur der Haftoberfläche derart ausgebildet wird, dass das Substrat beim Aufbringen auf die Haftoberfläche haftend mit der Haftoberfläche der Oberflächenschicht verbunden wird. Das kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass eine Spritzgeschwindigkeit und / oder eine Spritztemperatur und / oder ein Spritzabstand und / oder ein Gasdruck und / oder eine Gaszusammensetzung während des Spritzvorgangs so variierte wird, dass zum Beispiel die Funktionsoberfläche so ausgebildet wird, dass sie eine bestimmte gewünschte Funktion erfüllt, wobei während des weiteren thermischen Spritzvorgangs durch Variation des Spritzparameters zur Bildung der Haftoberfläche andere Sphtzparameter gewählt werden, so dass die Haftoberfläche zum Beispiel eine andere Struktur als die Funktionsoberfläche erhält, zum Beispiel eine solche Struktur, die ein besonders gutes Haften auf dem aufzubringenden Substrat garantiert. Selbstverständlich kann die Oberflächenschicht auch als Mehrschichtsystem ausgebildet werden. Das kann etwa dann von Vorteil sein, wenn die Funktionsoberfläche aus einem Material gebildet werden muss, das schlecht auf dem zu verwendeten Substratmaterial haftet. In dem Fall kann eine erste Teilschicht der Oberflächenschicht auf der Formfläche aus demjenigen Material gebildet werden, aus dem die Funktionsoberfläche bestehen soll. Sodann wird auf diese erste Teilschicht eine zweite Teilschicht aus einem anderen Material thermisch aufgespritzt, die sowohl auf der ersten Teilschicht als auch auf dem Substrat gut haftet.
Selbstverständlich können auch noch kompliziertere Mehrschichtsysteme erzeugt werden, z.B. mit Zwischenschichten, Gradientenschichten, mit reinen Metalleinlageschichten um z.B. eine elektromagnetische Abschirmung zu erzeugen usw..
Wie bereits erwähnt, kann die Formfläche des Formkörpers selbstverständlich mit einem vorgegebenen Strukturmuster strukturiert werden, so dass die Funktionsoberfläche mit einer zum Strukturmuster inversen Funktionsstruktur beim thermischen Spritzen versehen wird.
Ein solches spezielles Strukturmuster kann zum Beispiel ein Strukturmuster zur Herstellung einer elektromagnetisch, im speziellen einer optischen Funktionsstruktur, wodurch z.B. optisch ästhetische Effekte erzeugt werden können, aber auch optisch oder chemisch oder physikalisch andere technische Effekte.
In einem für die industrielle Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Formfläche des Formkörpers derart glatt, d.h. mit so geringer Rauheit ausgestaltet, dass beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht eine entsprechend glatte Funktionsoberfläche mit einer vorgegebenen maximalen Rauheit gebildet wird.
Dabei kann die Oberflächenschicht und / oder das Substrat vorteilhaft aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet werden, wobei eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich einer Radiofrequenz, einer Fernsehfrequenz, einer Mobilfunkfrequenz, einer Satellitenempfangs- oder Sendefrequenz oder einer Mikrowellen- oder Radarfrequenz liegt.
Das kann besonders dann von Vorteil sein, wenn der erfindungsgemässe gebildete Körper z.B. ein Gehäuseteil eines entsprechenden elektronischen Gerätes ist, wobei im Inneren des Gehäuses eine Empfangs- oder Sendeantenne für den entsprechenden elektromagnetischen Frequenzbereich untergebracht werden soll.
Dabei kann die zuvor genannte elektromagnetische Strahlung selbstverständlich auch sichtbares Licht sein, so dass die Oberflächenschicht und / oder das Substrat zumindest in einem vorgegebenen optischen Frequenzbereich optisch transparent ist. Das kann aus rein ästhetischen Gründen geboten sein, aber auch technische Gründe haben. So gestattet z.B. ein mit einem transparenten Gehäuse ausgestattetes technisches Gerät eine visuelle Inspektion des Inneren, ohne dass es geöffnet werden muss.
Auch kann in die Oberflächenschicht und / oder in das Substrat ein elektromagnetisch sensitives Element, insbesondere eine Sendeantenne und / oder eine Empfangsantenne integriert werden, so dass diese keinen wertvollen Platz im Inneren des Gehäuse beansprucht und letztlich durch die Einbettung in das Substrat oder die Oberflächenschicht auch besser geschützt bzw. fixiert ist..
Es versteht sich von selbst, dass das sensitive Element auch ein optischer Empfänger und / oder ein optischer Sender oder ein anderes elektromagnetisch oder nicht elektromagnetisch sensitives Element sein kann. AIs Spritzverfahren zur Erzeugung der Oberflächenschicht kommen prinzipiell alle an sich bekannten thermischen Spritzverfahren, wie zum Beispiel ein Plasmaspritzverfahren, ein, Flammspritzverfahren, ein LP PS-Verfahren, ein HVOF-Verfahren, ein Kaltgas Spritzverfahren oder ein anderes thermisches Spritzverfahren in Frage.
Das Substrat kann im Prinzip aus einem beliebigen Material gebildet werden. Für die Praxis sind als besonders wichtige Substratwerkstoffe Kunststoffe und Polymere aller Art, insbesondere tief schmelzende Kunststoffe und tief schmelzende Polymere zu nennen. Aber selbstverständlich kommen auch andere Substratwerkstoffe in Frage; so kann das Substrat einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Carbon Verbundwerkstoff und / oder Glas und / oder ein Metall und / oder jeden anderen je nach Anwendung gewünschten Werkstoff umfassen.
Das Substrat kann mittels jeden beliebeigen Verfahrens auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht werden, das eine ausreichende Haftung des Substrats auf der Haftoberfläche sicherstellt.
So kann das Substrat mittels eines Spritzgussverfahrens und / oder mittels eines Giessverfahrens und / oder mittels Aufstreichen durch ein Streichwerkzeug oder durch jedes andere Verfahren, z.B. auch durch Verkleben mit der Haftoberfläche auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht werden.
Der mittels des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellte Körper kann ein beliebiger Körper sein, insbesondere ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für ein optisches und / oder ein akustisches und / oder ein mechanisches und / oder ein elektronisches Gerät sein.
In für die Praxis wichtigen Beispielen ist der Körper ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Computer, insbesondere ein tragbarer Computer, ein Zubehörgerät für einen Computer, zum Beispiel ein Drucker, ein Scanner, Router, ein Modem oder ein Abspielgerät zur Wiedergabe und / oder zur Aufnahme elektromagnetischer Signale, im speziellen von akustischen und / oder optischen Signalen ist, oder ein Satelliten Kommunikationsgerät, insbesondere ein GPS-Gerät oder ein anderes Gerät.
Neben dem Verfahren zur Herstellung eines Körpers betrifft die vorliegende Erfindung auch einen entsprechenden Körper selbst, der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung betrifft somit weiter einen Körper, umfassend ein Substrat und eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht, wobei die Oberflächenschicht in einem vorgegebenen Oberflächenbereich des Körpers auf dem Substrat ausgebildet ist. Die Oberflächenschicht weist eine dem Substrat abgewandte äussere Funktionsoberfläche auf, und die Oberflächenschicht weist weiter auf einer dem Substrat zugewandten Seite eine Haftoberfläche zur Haftung auf dem Substrat im vorgegebenen Oberflächenbereich des Körpers auf. Erfindungsgemäss ist die Oberflächenschicht vorgängig in einem thermischen Spritzprozess hergestellt, und das Substrat ist nachgängig auf die Haftoberfläche aufgebracht, wobei eine Oberflächenstruktur der Haftoberfläche durch den thermischen Spritzprozess derart ausgebildet ist, dass das Substrat haftend mit der Haftoberfläche der Oberflächenschicht verbunden ist.
Bevorzugt umfasst die thermisch gespritzte Oberflächenschicht wie weiter oben bereits detaillierter beschrieben eine Hartschicht umfassend ein Oxid und / oder ein Karbid und / oder eine Keramik. die Oberflächenschicht kann natürlich auch ein Metall, insbesondere Aluminium und / oder Titan umfassen.
Für spezielle Anwendungen kann die Oberflächenschicht als Mehrschichtsystem ausgebildet sein.
Falls notwendig, wird die Funktionsoberfläche mit einer beim thermischen Spritzen erzeugten Funktionsstruktur versehen, wobei die Funktionsstruktur eine elektromagnetische, im speziellen eine optische Funktionsstruktur sein kann.
In einem für die Praxis sehr wichtigen Ausführungsbeispiel ist beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht eine glatte Funktionsoberfläche von einstellbarer sehr geringer Rauheit gebildet.
Dabei kann die Oberflächenschicht und / oder das Substrat aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet sein, wobei eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich einer Radiofrequenz, einer Fernsehfrequenz, einer Mobilfunkfrequenz, einer Satellitenempfangs- oder Satellitensendefrequenz, oder einer Mikrowellenoder Radarfrequenz liegen kann.
Die elektromagnetische Strahlung kann eine beliebige Strahlung des elektromagnetischen Spektrums ein, insbesondere sichtbares Licht und die Oberflächenschicht und / oder das Substrat kann zumindest in einem vorgegebenen optischen Frequenzbereich optisch transparent sein.
In einem anderen wichtigen Ausführungsbeispiel kann in die Oberflächenschicht und / oder in das Substrat ein elektromagnetisch sensitives Element, insbesondere eine Sendeantenne und / oder eine Empfangsantenne integriert sein, wobei das elektromagnetisch sensitive Element zum Beispiel ein optischer Empfänger und / oder ein optischer Sender ist.
Die Oberflächenschicht des erfindungsgemässen Körpers kann dabei durch jedes geeignete thermische Spritzverfahren gebildet werden, also zum Beispiel durch ein Plasmaspritzverfahren, ein, Flammspritzverfahren, ein LPPS-Verfahren, ein HVOF-Verfahren, ein Kaltgas Spritzverfahren oder ein anderes geeignetes thermisches Spritzverfahren.
Das Substrat des erfindungsgemässen Körpers kann im Prinzip aus jedem geeigneten Werkstoff gebildet sein, besonders bevorzugt umfasst das Substrat einen Kunststoff und / oder ein Polymer, insbesondere einen tief schmelzenden Kunststoff und / oder ein tief schmelzendes Polymer.
Das Substrat kann in einem anderen Beispiel auch einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Karbon Verbundwerkstoff und / oder ein Glas und / oder ein Metall umfassen.
Das Substrat kann mittels jeden geeigneten an sich bekannten Verfahrens auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht sein, insbesondere mittels eines Spritzgussverfahrens oder mittels eines Giessverfahrens oder mittels Aufstreichen durch ein Streichwerkzeug auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht sein.
Im speziellen ist ein erfindungsgemässer Körper unter anderem ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für ein optisches und / oder ein akustisches und / oder ein mechanisches und / oder ein elektronisches Gerät. Im Speziellen ist der der Körper ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Computer, insbesondere ein tragbarer Computer, ein Zubehörgerät für einen Computer, ein Abspielgerät zur Wiedergabe und / oder zur Aufnahme elektromagnetischer Signale, im speziellen von akustischen und / oder optischen Signalen oder ein Satellitenkommunikationsgerät, insbesondere ein GPS-Gerät oder ein anderes Gerät oder jeder andere denkbare Körper, der vorteilhaft nach dem erfindungsgemässen Verfahren herstellbar ist.
Ausserdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemässen Körpers wie oben ausführlich beschrieben. Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a — 1f ein erstes Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Körpers nach dem erfindungsgemässen Verfahren;
Fig. 2a - 2f die Herstellung einer Gehäuseschale für ein Mobiltelefon;
Fig. 3a - 3c die Herstellung eines Hohlspiegels mit einer thermisch gespritzen Spiegeloberfläche;
Fig. 4a - 4b Oberflächenschicht mit optimierter Haftoberfläche;
Fig. 5a - 5b Oberflächenschicht als Mehrschichtsystem.
Anhand der Fig. 1a bis Fig. 1f wird im Folgenden ein erstes sehr einfaches Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines erfindungsgemässen Körpers, der im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet wird, schematisch beschrieben. In Fig. 1 a ist schematisch ein Formkörper 2 dargestellt, der eine Formfläche 200 aufweist, deren Topologie invers zur Topologie eines Oberflächenbereichs 101 eines noch herzustellenden Körpers 1 ist.
In einem vorgängigen Verfahrensschritt wird gemäss Fig. 1 b eine Oberflächenschicht 110 des herzustellenden Körpers 1 in einem thermischen Spritzverfahren, das im vorliegenden Beispiel ein Plasmaspritzverfahren ist, mittels einer Plasmaspritzvorrichtung S auf die Formfläche 200 des Formkörpers 2 aufgespritzt.
Beim Verfahrensstand der Fig. 1 b ist die Oberflächenschicht 110 noch nicht vollständig auf die Formfläche 200 aufgetragen. Man kann aber bereits gut erkennen, wie auf der Formfläche 200 die eine Funktionsfläche 111 der Oberflächenschicht ausbildet wird und wie auf der der Funktionsfläche 111 abgewandten Seite eine Haftoberfläche 112 der Oberflächenschicht 110 ausgebildet wird.
Fig. 1 c zeigt den Formkörper 2 mit vollständig aufgetragener Oberflächenschicht 110. Substratmatehal wurde noch nicht auf die Haftoberfläche 112 aufgetragen.
Anhand der Fig. 1d wird demonstriert, wie der Körper 1 durch Aufbringen des zunächst noch flüssigen Substrats 100 hergestellt wird. Im vorliegenden Beispiel wir ein kompakter Körper 1 hergestellt, der nach seiner Fertigstellung in einem vorgegebenen Oberflächenbereich 101 eine Oberflächenschicht 110 mit Funktionsoberfläche 111 hat, wobei die Oberflächenschicht 110 hier eine Hartschicht 110 ist, so dass der Körper gegen Verkratzen wirksam geschützt sein wird, wobei gleichzeitig eine sehr glatte Funktionsoberfläche 111 durch die Formfläche 200 gebildet wird, so dass der Körper 1 zusätzlich ein ästhetisch ansprechendes Aussehen erhält. In Fig. 1 e ist der Körper 1 zwar noch nicht aus dem Formkörper 2 herausgelöst, aber ansonsten bereits im wesentlichen fertiggestellt. Das Substrat ist noch am auskühlen und am verfestigen.
Fig. 1f zeigt schliesslich den fertigen Körper 1 mit Substrat 100 und Oberflächenschicht 110, wie er aus der dem Formkörper herausgelöst wird. Der Körper 1 steht nun zu seiner bestimmungsgemässen Benutzung bereit.
Anhand der Fig. 2a - Fig. 2f wird ein für die Praxis besonders wichtiges Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, die ein erfindungsgemässes Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Gehäuseschale 1 für ein Mobiltelefon beschreiben.
Fig. 2a zeigt einen Formkörper 2 in Form einer Spritzgussform 2 mit Formfläche 200 auf weiche mittels der Plasmaspritzvorrichtung S, z.B. muttels einer Plasmaspritzpistole S, die automatisch von einem Robotersystem mit elektronischer Datenverarbeitungsanlage nach einem vorgegebenen Programmablauf bedient wird, eine Oberflächenschicht 110 aufgespritzt werden soll. Da der thermische Spritzprozess als solches dem Fachmann wohlbekannt ist, braucht dieser nicht näher erläutert zu werden. In Fig. 2b ist daher bereits die fertig gespritzte Oberflächenschicht 110 mit Funktionsoberfläche 111 und Haftoberfläche 112 gezeigt, auf weiche
Haftoberfläche der eigentliche Schalenkörper 100 in Form eines Kunststoff Substrats später aufgebracht werden soll. Das Kunststoff Substrat soll dabei aus einem tief schmelzenden Kunststoff hergestellt werden, auf welches nicht direkt thermisch gespritzt werden kann, weil es sonst beim thermischen Spritzen schmelzen würde, bzw. zumindest die Oberfläche des Substrats durch das thermische Spritzen stark beschädigt würde.
Zur Erzeugung des eigentlichen Schalenkörpers 100, mit welchem hier das Substrat 100 gemeint ist, wird in einem an sich bekannten Spritzgussverfahren auf die Haftoberfläche 112 aufgebracht. Dazu wird in an sich bekannter Weise die Spritgussform 2 in ein zeiteiliges
Spritzgusswerkzeug SW eingespannt. In der Fig. 2c ist die Spritzgussform 2 gerade erst in das zeiteilige Spritzgusswerkzeug SW eingespannt worden. Die beiden Teile des Spritzgusswerkzeugs sind noch nicht vollständig zusammengeschoben. Das Spritzgusswerkzeug SW ist also noch teilweise offen und somit zum Aufbringen des Substrats 1 durch ein
Spritzgussverfahren noch nicht bereit. Deutlich zu erkennen ist der Spritzkanal K durch welchen später das Substratmaterial in an sich bekannter Weise zur Bildung des Substrats 100 auf der Haftfläche 112 in das zweiteilige Spritzgusswerkzeug SW unter Druck eingebracht werden wird. Das Spritzgusswerkzeug SW ist Teil einer im Wesentlichen vollautomatischen Anlage zur Serienproduktion, wobei die Anlage aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Fig. 2a bis 2f nicht dargestellt ist.
In Fig. 2d ist das zeiteilige Spritzgusswerkzeug SW vollständig geschlossen und zum Start des Spritzgussvorgangs bereit.
In Fig. 2e ist der Sphtzgussprozess gerade abgeschlossen. Durch den
Spritzkanal SK wurde in bekannter Weise solange flüssiges Substratmaterial in das zweiteilige Spritzwerkzeug SW unter Druck eingespritzt, bis, wie in Fig. 2e dargestellt, die Gehäuseschale 1 für das Mobiltelefon aus Substrat 1 und Oberflächenschicht 110 fertig gestellt ist.
In Fig. 2f wird schliesslich die fertige Gehäuseschale 1 aus dem geöffneten Spritzwerkzeug SW entnommen. Die Gehäuseschale besteht erfindungsgemäss nun aus einem Kunststoffsubstrat 100, auf weicher eine verschleissfeste thermisch gespritzte Oberflächenschicht sicher auf der Haftoberfläche 112 aufgebracht ist. Da die Formoberfläche 200 vor dem thermischen Spritzprozess auf Hochglanz poliert wurde, ist nun auch die Funktionsoberfläche 111 nicht nur extrem kratzfest, sondern hat auch ein ästhetisch ansprechendes Aussehen, z.B. in schwarzer oder weiser Farbe oder auch in jeder anderen Farbe, je nach Wahl des Spritzwerkstoffes im thermischen Spritzprozess.
Aber auch die Herstellung von Körpern 1 von konkaver Form können selbstverständlich mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden. Ein Beispiel dafür ist anhand der Fig. 3a Fig. 3c eindrücklich dargestellt, die die Herstellung eines Hohlspiegels mit einer thermisch gespritzten Spiegeloberfläche zeigen.
Das Substrat 1 , also der eigentliche Körper 100 des Spiegels 1 muss aus technischen Gründen aus Gold gefertigt werden. Gold kann jedoch nicht ohne weiteres mit einer thermischen Spritzschicht beschichtet werden, weil die Goldoberfläche des hochempfindlichen Spiegels 1 keinesfalls durch den thermischen Spritzvorgang beeinträchtigt werden darf. Daher wird zur Herstellung des thermisch beschichteten Spiegels 1 das erfindungsgemässe Verfahren gewählt.
Dazu wird gemäss Fig. 3a ein konvexer Formkörper 2 bereit gestellt, dessen Formfläche 200 eine konvexe Topologie aufweist, die invers zur konkaven Topologie des herzustellenden Hohlspiegels 1 ist. Die Formfläche 200 ist mittels verschiedener bekannter Verfahren auf Hochglanz mit einer minimalen Rauheit poliert, so dass die Funktionsfläche 111 des fertigen Spiegels 1 eine ebenso glatte Oberfläche haben wird. In Fig. 3a ist mit der thermischen Spritzpistole S bereits ein Teil der Oberflächenschicht 110 auf die Formfläche 200 aufgespritzt.
In Fig. 3b läuft gerade der Giessprozess zur Bildung des Hohlspiegels 1 ab. Der mit der Oberflächenschicht 110 beschichtete konvexe Formkörper 2 ist in das dreiteilige Giesswerkzeug SW eingespannt, das aus den drei
Werkzeugteilen SW1 , SW2, SW3 besteht, so dass das Giesswerkzeug SW nach Abschluss des Giessvorgangs zur Entnahme des fertigen Hohlspiegels 1 in seine Werkzeugteile SW1 , SW2, SW3 zerlegt werden kann. Das flüssige Gold wir vorsichtig durch die Öffnung SK in das Giesswerkzeug SW eingegossen, so dass sich das flüssige Gold mit der Haftoberfläche 112 der Oberflächeschicht zur Bildung des beschichteten Hohlspiegels 1 verbinden kann.
In Fig. 3c ist schliesslich der fertige Spiegel 1 zu sehen, dessen Substrat 100 aus Gold gebildet ist, das nunmehr mit einer thermischen gespritzten Oberflächenschicht 110 versehen ist.
Die Fig. 4a und 4b zeigen einen Körper 1 mit einer erfindungsgemäss hergestellten Oberflächenschicht 110 mit optimierter Haftoberfläche 112.
In Fig. 4a, das den Körper 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise und schematisch im Schnitt zeigt, ist das Substrat 100 bereits auf die Haftfläche 112 der thermisch gespritzten Oberflächenschicht 110 aufgetragen. Der Körper 1 und der Formkörper 2 sind noch im Spritzwerkzeug SW, das aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 4a nicht gezeigt ist, eingespannt.
Damit das Substrat 100 einerseits besser an der Haftoberfläche 112 haftet, andererseits aber die Funktionsoberfläche 111 eine möglichst glatte Oberfläche hat, wurden beim Spritzen der Oberflächenschicht 110 auf die
Formfläche 200 die Spritzparameter beim thermischen Spritzvorgang geeignet gesteuert.
Wie durch die verschieden grossen Kreise in der Oberflächenschicht angedeutet ist, wurden zu Beginn des Spritzvorgangs in der Nähe der Formfläche 200 des Formkörpers 2 die Spritzparameter zunächst so eingestellt, dass eine sehr feine, das heisst glatte Struktur der Funktionsoberfläche 111 entsteht. Das kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass zu Beginn des Spritzvorgangs eine relativ hohe Spritztemperatur gewählt wird. Mit wachsender Schichtdicke werden dann die Spritzparameter zunehmend so gewählt, dass die Struktur der Oberflächenschicht 110 in Richtung zur Haftoberfläche 112 immer grober wird, wie durch die in Richtung zur Haftoberfläche 112 grösser werdenden Punkte in der Oberflächenschicht 110 angedeutet ist, so dass schliesslich eine grobe Oberflächenstruktur 1120 der Haftoberfläche 112 derart ausgebildet wird, dass das Substrat 100 beim Aufbringen auf die Haftoberfläche 112 sehr gut haftend mit der Haftoberfläche 112 der Oberflächenschicht 110 verbunden wird. Dabei kann diese variierende Schichtstruktur der Oberflächenschicht 110 auch durch die Variation anderer Spritzparameter erreicht werden, wie dem Fachmann hinreichend bekannt ist.
Auch ist es natürlich die möglich zunächst eine Oberflächenschicht 110 von im Wesentlichen gleichmässiger Struktur zu Spritzen und als letzte Schicht zum Beispiel eine grob strukturierte Haftoberfläche durch geeignete Änderung der Spritzparameter zu bilden.
In Fig. 4b ist der fertige Körper 1 mit sehr glatter Funktionsoberfläche 111 und entsprechend rauer Haftoberfläche 112 zu sehen, auf weicher das Substrat 100 sehr gut haftet.
Anhand der Fig. 5a und Fig. 5b ist schliesslich exemplarisch eine erfindungsgemäss erzeugte Oberflächenschicht 110 auf einem Substrat 100 dargestellt, die als Mehrschichtsystem 110 ausgebildet ist.
In Fig. 5a ist analog zu Fig. 4a der bereits fertige Körper 1 zusehen, der zusammen mit dem Formkörper 2 noch in dem nicht gezeigten Spritzgusswerkzeug SW eingebaut ist.
Beim Beispiel gemäss Fig. 5a und Fig. 5 b war das Problem zu lösen, dass eine Funktionsoberfläche 111 aus einem ersten Material 1101 gebildet werden soll, welches erste Material 1101 jedoch aus materialtechnischen Gründen nur schlecht auf der Haftoberfläche 112 des Substrats 100 haftet. Daher wurde ein Zweischichtsystem mit einem zweiten Material 1102 aufgebaut, welches zweite Material 1102 einerseits auf dem Substratmaterial des Substrats 100 sehr gut haftet, und sich andererseits auch sehr gut mit dem ersten Material 1101 verbindet.
Es wurde somit zunächst auf die Formoberfläche 200 des Formkörpers 2 eine erste Oberflächenschicht aus dem ersten Material 1101 thermisch aufgespritzt, so dass die die Funktionsoberfläche 111 die gewünschten Eigenschaften erhält. Sodann wurde auf die erste Oberflächenschicht aus dem ersten Material 1101 eine zweite Oberflächenschicht aus dem zweiten Material 1102 thermisch aufgespritzt. Die zweite Oberflächenschicht haftete dabei sehr gut an der ersten Oberflächenschicht, wobei gleichzeitig das Substrat 100 sehr gut an der zweiten Oberflächenschicht haftet.
In Fig. 4b ist der fertige Körper 1 zu sehen, der eine Funktionsoberfläche 111 mit den Eigenschaften des ersten Materials 1101 hat, wobei das Zweischichtsystem 110 gleichzeitig mit dem Material 1102 ausgezeichnet am Substrat 100 an der Haftoberfläche 112 haftet.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Körpers (1 ), welcher Körper (1 ) ein Substrat (100) und eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht (1 10) umfasst, wobei ein Formkörper (2) zur Formgebung eines vorgegebenen Oberflächenbereichs (101 ) des Körpers (1 ) bereitgestellt wird, welcher
Formkörper (2) eine Formfläche (200) aufweist, deren Topologie invers zur Topologie des vorgegebenen Oberflächenbereichs (101 ) des herzustellenden Körpers (1 ) ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgängigen Verfahrensschritt die Oberflächenschicht (1 10) des Körpers (1 ) mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Formfläche (200) des Formkörpers (2) aufgebracht wird, so dass auf der Formfläche (200) des Formkörpers (2) eine Funktionsoberfläche (1 1 1 ) der Oberflächenschicht (1 10) gebildet wird, und auf einer der Funktionsoberfläche (1 1 1 ) abgewandten Seite eine Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) gebildet wird, wobei in einem weiteren
Verfahrensschritt das Substrat (100) auf die Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die thermisch gespritzte Oberflächenschicht eine Hartschicht umfassend ein Oxid und / oder ein Karbid und / oder eine Keramik ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenschicht ein Metall, insbesondere Aluminium und / oder Titan umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Spritzmaterial während des thermischen Spritzverfahrens variiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein
Spritzparameter des thermischen Spritzverfahrens so geführt wird, dass eine Oberflächenstruktur (1 120) der Haftoberfläche (1 12) derart ausgebildet wird, dass das Substrat (100) beim Aufbringen auf die Haftoberfläche (1 12) haftend mit der Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) verbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Spritzparameter eine Spritzgeschwindigkeit und / oder eine Spritztemperatur und / oder ein Spritzabstand und / oder ein Gasdruck und / oder eine
Gaszusammensetzung ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenschicht (1 10) als Mehrschichtsystem ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Formfläche (200) des Formkörpers (2) mit einem vorgegebenen
Strukturmuster strukturiert wird, so dass die Funktionsoberfläche (1 1 1 ) mit einer zum Strukturmuster (201 ) inversen Funktionsstruktur beim thermischen Spritzen versehen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Strukturmuster ein Strukturmuster zur Herstellung einer elektromagnetisch, im speziellen optische
Funktionsstruktur ist.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Formfläche (200) des Formkörpers (2) derart glatt ausgestaltet wird, dass beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht (1 10) eine entsprechend glatte Funktionsoberfläche (1 1 1 ) gebildet wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenschicht (1 10) und / oder das Substrat (100) aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich einer Radiofrequenz, einer
Fernsehfrequenz, einer Mobilfunkfrequenz, einer Satellitenempfangs- oder Sendefrequenz oder einer Mikrowellen- oder Radarfrequenz liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht ist und die Oberflächenschicht (1 10) und / oder das Substrat (100) zumindest in einem vorgegebenen optischen Frequenzbereich optisch transparent ist.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in die Oberflächenschicht (1 10) und / oder in das Substrat (100) ein elektromagnetisch sensitives Element, insbesondere eine Sendeantenne und / oder eine Empfangsantenne integriert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das elektromagnetisch sensitive Element ein optischer Empfänger und / oder ein optischer Sender ist.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das thermische Spritzverfahren ein Plasmaspritzverfahren, ein,
Flammspritzverfahren, ein LPPS-Verfahren, ein HVOF-Verfahren, ein Kaltgas Spritzverfahren oder ein anderes thermisches Spritzverfahren ist.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) einen Kunststoff und / oder ein Polymer, insbesondere einen tief schmelzenden Kunststoff und / oder ein tief schmelzendes Polymer umfasst.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Carbon Verbundwerkstoff und / oder Glas umfasst.
19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) ein Metall umfasst.
20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) mittels eines Spritzgussverfahrens oder mittels eines Giessverfahrens oder mittels Aufstreichen oder mittels Kleben durch ein Streichwerkzeug auf die Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht
(1 10) aufgebracht wird.
21 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper (1 ) ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für ein optisches und / oder ein akustisches und / oder ein mechanisches und / oder ein elektronisches Gerät ist.
22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper
(1 ) ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Computer, insbesondere ein tragbarer Computer, ein Zubehörgerät für einen
Computer, ein Abspielgerät zur Wiedergabe und / oder zur Aufnahme elektromagnetischer Signale, im speziellen von akustischen und / oder optischen Signalen ist, oder ein Satelliten Kommunikationsgerät, insbesondere ein GPS-Gerät ist.
23. Körper, umfassend ein Substrat (100) und eine thermisch gespritzte
Oberflächenschicht (1 10), wobei die Oberflächenschicht (1 10) in einem vorgegebenen Oberflächenbereich (101 ) des Körpers auf dem Substrat (100) ausgebildet ist, die Oberflächenschicht (1 10) eine dem Substrat (100) abgewandte äussere Funktionsoberfläche (1 1 1 ) aufweist, und die Oberflächenschicht (1 10) auf einer dem Substrat (100) zugewandten Seite eine Haftoberfläche (1 12) zur Haftung auf dem Substrat (100) im vorgegebenen Oberflächenbereich (101 ) des Körpers umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (1 10) vorgängig in einem thermischen Spritzprozess hergestellt ist, und das Substrat (100) nachgängig auf die Haftoberfläche (1 12) aufgebracht ist, wobei eine
Oberflächenstruktur der Haftoberfläche (1 12) durch den thermischen Spritzprozess derart ausgebildet ist, dass das Substrat (100) haftend mit der Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) verbunden ist.
24. Körper nach Anspruch 23, wobei die thermisch gespritzte Oberflächenschicht (1 10) eine Hartschicht umfassend ein Oxid und / oder ein Karbid und / oder eine Keramik ist.
25. Körper nach einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei die Oberflächenschicht (1 10) ein Metall, insbesondere Aluminium und / oder Titan umfasst.
26. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die Oberflächenschicht (1 10) als Mehrschichtsystem ausgebildet ist.
27. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Funktionsoberfläche (1 1 1 ) mit einer beim thermischen Spritzen erzeugten Funktionsstruktur versehen ist.
28. Körper nach Anspruch 27, wobei die Funktionsstruktur eine elektromagnetische, im speziellen eine optische Funktionsstruktur ist.
29. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht (1 10) eine glatte Funktionsoberfläche (1 1 1 ) gebildet ist.
30. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 29, wobei die Oberflächenschicht (1 10) und / oder das Substrat (100) aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet ist.
31 . Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 30, wobei eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich einer Radiofrequenz, einer
Fernsehfrequenz, einer Mobilfunkfrequenz, einer Satellitenempfangs- oder Satellitensendefrequenz, oder einer Mikrowellen- oder Radarfrequenz liegt.
32. Körper nach Anspruch 30 oder 31 , wobei die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht ist und die Oberflächenschicht (1 10) und / oder das Substrat (100) zumindest in einem vorgegebenen optischen Frequenzbereich optisch transparent ist.
33. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 32, wobei in die Oberflächenschicht (1 10) und / oder in das Substrat (100) ein elektromagnetisch sensitives Element, insbesondere eine Sendeantenne und / oder eine Empfangsantenne integriert ist.
34. Körper nach Anspruch 33, wobei das elektromagnetisch sensitive Element ein optischer Empfänger und / oder ein optischer Sender ist.
35. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 34, wobei das thermische
Spritzverfahren ein Plasmaspritzverfahren, ein, Flammspritzverfahren, ein LPPS-Verfahren, ein HVOF-Verfahren, ein Kaltgas Spritzverfahren oder ein anderes thermisches Spritzverfahren ist.
36. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 35, wobei das Substrat (100) einen Kunststoff und / oder ein Polymer, insbesondere einen tief schmelzenden Kunststoff und / oder ein tief schmelzendes Polymer umfasst.
37. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 36, wobei das Substrat (100) einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Karbon Verbundwerkstoff umfasst und / oder Glas umfasst.
38. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 37, wobei das Substrat (100) ein Metall umfasst.
39. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 38, wobei das Substrat (100) mittels eines Spritzgussverfahrens oder mittels eines Giessverfahrens oder mittels Aufstreichen durch ein Streichwerkzeug oder mittels Kleben auf die Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) aufgebracht ist.
40. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 39, wobei der Körper (1 ) ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für ein optisches und / oder ein akustisches und / oder ein mechanisches und / oder ein elektronisches
Gerät ist.
41 . Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 40, wobei der Körper (1 ) ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Computer, insbesondere ein tragbarer Computer, ein Zubehörgerät für einen Computer, ein Abspielgerät zur Wiedergabe und / oder zur Aufnahme elektromagnetischer Signale, im speziellen von akustischen und / oder optischen Signalen oder ein Satellitenkommunikationsgerät, insbesondere ein GPS-Gerät ist.
42. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22 zur Herstellung eines Körpers (1 ) nach einem der Ansprüche 23 bis 41.
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