DE102004046287A1

DE102004046287A1 - Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff

Info

Publication number: DE102004046287A1
Application number: DE200410046287
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Kalwa; Egbert Rath; Ralf Dr. Rochotzki
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff, umfassend mindestens ein Substrat (1) aus einem thermoplastischen Kunststoff und mindestens eine auf das Substrat aufgebrachte Metallisierungsschicht (3), wobei mindestens eine Polymerschicht, vorzugsweise Plasmapolymerschicht, als Zwischenschicht (2) zwischen dem Substrat (1) und der Metallisierungsschicht (3) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff umfassend mindestens ein Substrat aus einem thermoplastischen Kunststoff und mindestens eine auf das Substrat aufgebrachte Metallisierungsschicht.
Bauteile im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere lichttechnische Geräte oder Teile davon wie beispielsweise Scheinwerfer oder Leuchten, insbesondere für Kraftfahrzeuge oder deren Teile.

Aus der DE 103 13 852 A1 ist ein Beleuchtungssystem für Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem ein Scheinwerferreflektor mit einem metallischen Überzug beschichtet ist. Zum Schutz der Reflexionsschicht des Reflektors ist auf die durch Metallisierung aufgebrachte Reflexionsschicht eine Schutzschicht aufgebracht. Bei dieser Schutzschicht handelt es sich um eine Polymerschicht, die durch Plasmapolymerisation aus einer siliziumorganischen Verbindung erzeugt wird.

Es ist auch bekannt, auf die Metallisierungsschicht als Schutzschicht eine Lackschicht aufzubringen. Schutzschichten, die über Plasmapolymerisation und/oder Bedampfung hergestellt werden, können Mehrschicht- oder Gradientenschichtsysteme sein.

Bei Bauteilen für beispielsweise Scheinwerfer von Kraftfahrzeugen wird jedoch üblicherweise die Metallisierungsschicht unmittelbar auf das Substrat aufgebracht, welches aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen kann. Die auf die Metallisierungsschicht aufgebrachten herkömmlichen Schutzschichten sind nicht diffusionsdicht. Verwendet man für das Substrat einen quellbaren Kunststoff, ergeben sich daraus Probleme, da Wasser durch die auf die Metallisierungsschicht aufgebrachte Schutzschicht hindurch diffundiert und so an die Metallisierungsschicht gelangt. Diese Metallisierungsschicht, die beispielsweise Aluminium oder dergleichen umfasst, ist zwar in der Regel diffusionsdicht, weist aber aufgrund des Abscheidevorgangs winzige Fehlstellen, sogenannte „pinholes" auf, durch die Wasser eindringen kann, welches dann lokal mit dem Substrat in Berührung kommt. Besteht das Substrat aus einem quellbaren Kunststoff, bilden sich bei einer solchen „lokalen" Wasserstörung Beulen im Kunststoff des Substrats, die sich auf die darüber liegende Metallisierungsschicht sowie gegebenenfalls weitere äußere Schichten übertragen. Es treten also unerwünschte Veränderungen der Oberflächentopografie auf, die optisch störend sind. Diese Veränderungen reichen von der sogenannten „Orangenhaut" gegebenenfalls bis zu massiven Rissen.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, bei dem die vorgenannten durch die Umgebungsfeuchtigkeit bedingten störenden Veränderungen der Oberflächentopografie nicht auftreten.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Mehrschichtwerkstoff der oben genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Dadurch, dass mindestens eine Polymerschicht, vorzugsweise Plasmapolymerschicht als Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der Metallisierungsschicht vorgesehen ist, treten die zuvor genannten negativen Veränderungen der Oberflächentopografie wie beispielsweise Risse oder andere Verschlechterungen (Orangenhaut) nicht mehr auf. Selbst in dem Fall, dass durch sogenannte „pinholes" in der Metallisierungsschicht Feuchtigkeit durch diese Schicht dringen kann, wirkt die darunter befindliche Zwischenschicht als Diffusionsbremse beziehungsweise die Feuchtigkeit kann besser abgeleitet werden, so dass eine lokale Quellung des Kunststoffs, aus dem das Substrat besteht, vermieden wird.

Unter Metallisierungsschicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht mit metallischer Glanzwirkung verstanden, die nicht zwangsläufig ausschließlich aus Metall bestehen muss. Vielmehr sind auch andere Schichten mit diesen Eigenschaften bekannt, beispielsweise solche, die Metalle und andere Komponenten wie Metalloxide oder dergleichen umfassen. Das Substrat besteht bei dem erfindungsgemäßen Bauteil vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff mit starker oder einer zumindest nennenswerten Quellneigung bei Einwirkung von Wasser oder anderen Flüssigkeiten. Als thermoplastischer Kunststoff für das Substrat seien hier beispielhaft Polyamide genannt. Die mindestens eine auf die Zwischenschicht aufgebrachte Metallisierungsschicht kann beispielsweise Aluminium, Kupfer, Chrom, Nickel oder Edelstahl enthalten.

Auf die Metallisierungsschicht ist vorzugsweise mindestens eine oberflächenseitige Schutzschicht aufgebracht. Vorzugsweise ist die mindestens eine Zwischenschicht und/oder auch die Schutzschicht eine im Vakuum abgeschiedene Schicht, vorzugsweise ist auch die Schutzschicht eine Plasmapolymerschicht. Die aus der Gasphase beziehungsweise im Vakuum abgeschiedene Zwischenschicht ist in der Regel sehr dünn und hat nicht die Aufgabe etwaige Unebenheiten des Substrats zu ebnen. Sind solche Unebenheiten im Substrat vorhanden, folgt daher die Zwischenschicht in der Regel auch der unebenen Oberfläche des Substrats. Die Schichtdicke der erfindungsgemäßen Zwischenschicht liegt ebenso wie die Schichtdicken der übrigen Schichten, das heißt der Metallisierungsschicht oder der Schutzschicht im Allgemeinen bei weniger als 200 nm, eine bevorzugte Schichtdicke der Zwischenschicht liegt zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm, insbesondere zwischen ca. 20 und 50 nm. Die Zwischenschicht kann eine Gradientenschicht sein, das heißt während des Abscheidevorgangs kann man entweder die Zusammensetzung der zu polymerisierenden Substanzen ändern oder auch andere apparative Parameter. Durch die erfindungsgemäße Zwischenschicht wird erreicht, dass sich eventuell durch sogenannte „pinholes" oder andere Undichtigkeiten in der Metallisierungsschicht eindringende Feuchtigkeit in dem quellbaren Kunststoff des Substrats besser verteilt, so dass dessen Oberfläche glatt bleibt.

Die Erfindung kommt insbesondere in Betracht für lichttechnische Geräte oder Teile davon, beispielsweise für Scheinwerfer oder Leuchten, insbesondere Scheinwerfer oder Leuchten von Kraftfahrzeugen oder Teile davon. Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann es sich zum Beispiel um ein Einbauteil wie einen Rahmen für einen Scheinwerfer oder einer Leuchte handeln.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für das Bauteil aus Mehrschichtwerkstoff ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zwischenschicht in einem Vakuumbeschichtungsprozess, vorzugsweise einem Plasmabeschichtungsprozess, Bedampfungsprozess oder Sputterbeschichtungsprozess auf das Substrat aufgebracht wird. Vorteilhaft ist eine zusätzliche Plasmaaktivierung vor oder nach dem Aufbringen der mindestens einen Zwischenschicht. Vorzugsweise findet der Vakuumbeschichtungsprozess in einem Feinvakuum von zwischen etwa 10^–3 und 10^–1 mbar statt, vorzugsweise in einem Feinvakuumbereich von zwischen etwa 2 bis 9 × 10^–2 mbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt sowohl für die Herstellung von funktionalen Elementen wie beispielsweise Reflektoren für Scheinwerfer als auch für dekorative Elemente wie beispielsweise Abdeckrahmen von Scheinwerfern in Betracht. Die Erfindung ermöglicht es, für das Substrat Kunststoffe mit starker Quellneigung wie zum Beispiel Polyamide zu verwenden. Polyamide sind preiswert verfügbar, konnten aber bislang für derartige Bauteil aus Mehrschichtwerkstoff häufig nicht eingesetzt werden aufgrund der bei Feuchtigkeitseinwirkung auftretenden störenden Veränderungen der Oberflächentopografie. Aufgrund der erfindungsgemäßen Zwischenschicht ist es nunmehr möglich, Polyamide uneingeschränkt als Substrat einzusetzen, wodurch sich zum Beispiel preiswerte Reflektoren oder Abdeckrahmen für Beleuchtungseinrichtungen in Kraftfahrzeugen herstellen lassen.

Die als Zwischenschicht dienende Plasmapolymerschicht wird vorzugsweise hergestellt ausgehend von mindestens einem Monomeren ausgewählt aus den organischen Verbindungen, siliziumorganischen Verbindungen, Kohlenwasserstoffen und fluorierten Kohlenwasserstoffen. Bei den siliziumorganischen Verbindungen kommt zum Beispiel Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als Monomeres in Betracht. HMDSO weist sehr gute Beschichtungseigenschaften auf und es ergibt sich hier der weitere Vorteil, dass sich auch die Schutzschicht aus dieser Substanz herstellen lässt. Die Erfindung bietet den verfahrenstechnischen Vorteil, dass sich gegebenenfalls mehrere, vorzugsweise alle auf das Substrat aufzubringenden Schichten, nämlich Zwischenschicht, Metallisierungsschicht und Schutzschicht in der gleichen Anlage aufbringen lassen. Dazu kann man eine Metallisierungsanlage verwenden, mittels derer auch Plasmapolymerschichten abgeschieden werden können.

Die Bedingungen für die Abscheidung der Plasmapolymerschicht als Zwischenschicht liegen im übrigen innerhalb der dem Fachmann bei derartigen Verfahren bekannten Bereiche und können in jedem Fall vom Fachmann problemlos empirisch ermittelt werden. Insbesondere kommen als geeignete Energiequellen AC-, MF-, HF- oder Mikrowellenanregungen in Betracht.

ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigt
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mehrschichtwerkstoffes.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein erfindungsgemäßer Mehrschichtwerkstoff umfasst im Wesentlichen ein Substrat 1, auf dem in nachfolgender Reihenfolge eine Zwischenschicht 2, eine Metallisierungsschicht 3 und ggf. eine Schutzschicht 4 aufgebracht sind.
Als Monomeres für den Werkstoff für die Zwischenschicht 2 kommt eine silizium-organische Verbindung in Frage, die plasmapolymerisiert wird. In besonders vorteilhafter Weise erfüllt HMDSO (Hexamethyldisiloxan) die Anforderungen an eine solche silizium-organische Verbindung. Denkbar und ebenfalls vorteilhaft sind Zwischenschichten aus hochvernetztem, pinholefreiem Material. Neben silizium-organischen Verbindungen können auch andere Verbindungen, die für Plasmapolymerisationsprozesse verwendet werden, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe oder fluorierte Kohlenwasserstoffe in Frage kommen.
Als Metallisierungsschicht 3 kommt in bekannter Weise beispielsweise eine Aluminium- oder Kupferschicht in Frage. Auch sind weitere dem Fachmann bekannte Werkstoffe, wie beispielsweise Chrom oder Edelstahl, andere Metalle, Metallverbindungen oder Legierungen verwendbar.
Für die Schutzschicht 4 kommt als Monomeres ebenfalls eine silizium-organische Verbindung, beispielsweise HMDSO (Hexamethyldisiloxan) in Frage. Hierzu wird auf dem Fachmann bekannte Schutzschichten verwiesen, wie sie beispielsweise aus dem Stand der Technik gemäß DE 103 13 852 A1 und einschlägiger Literatur bekannt sind.
Bei dem Substrat 1 kann es sich um ein Polyamid handeln. Auch kommen weitere thermoplastische Kunststoffe in Frage.
Erfindungsgemäß kann nunmehr ein preiswerter gattungsgemäßer Mehrschichtwerkstoff mit einer homogenen Oberflächenstruktur bereitgestellt werden. Diese war zuvor nicht möglich, da erhebliche Oberflächenveränderungen (Welligkeiten, „Orangenhaut") aufgetreten sind, bzw. insbesondere bei einer Sputterbeschichtung eines Substrats 1 aus Polyamid Risse aufgetreten sind. Da nunmehr ein preiswerter Mehrschichtwerkstoff bereitgestellt ist, der über exzellente Oberflächeneigenschaften verfügt, können beispielsweise preiswerte und sehr haltbare Reflektoren hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Mehrschichtwerkstoff kann in einem Vakuumbeschichtungsprozess aufgebracht werden, wobei die genannte Zwischenschicht 2 der erste Beschichtungsschritt in dem Prozessablauf sein kann. Alternativ kann ebenfalls eine zusätzliche Plasmaaktivierung vor oder nach dem Aufbringen der Zwischenschicht 2 erfolgen.
Auch ist vorgesehen, dass der Plasmapolymerisationsprozess in einem Feinvakuumbereich stattfindet, wobei unterschiedliche Anregungen denkbar sind. In dem hier vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Plasmapolymerisation im Bereich von 2 bis 7·10^–2 mbar, vorzugsweise 3·10^–2 mbar bei MF-Anregungen von 20 bis 100 kHz und einer Leistung von etwa 15 kW. Als Metallisierungsschicht 3 wird in der hier vorgeschlagenen bevorzugten Ausführungsform Aluminium mit einer entsprechenden Schutzschicht 4 verwendet. Denkbar ist jedoch ebenfalls eine Übertragung des hier vorgeschlagenen Verfahrens auf Chrom und Edelstahl.
Als Schichtdicke für alle zuvor genannten Schichten auf dem Substrat 1 sind Schichtdicken von etwa 20 bis 50 nm anzustreben.

Claims

Bauteil aus einem Mehrschichtwerkstoff umfassend mindestens ein Substrat (1) aus einem thermoplastischen Kunststoff und mindestens eine auf das Substrat aufgebrachte Metallisierungsschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Polymerschicht, vorzugsweise Plasmapolymerschicht als Zwischenschicht (2) zwischen dem Substrat (1) und der Metallisierungsschicht (3) vorgesehen ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Zwischenschicht (2) vorgesehene Plasmapolymerschicht hergestellt wurde ausgehend von mindestens einem Monomeren ausgewählt aus den siliziumorganischen Verbindungen, Kohlenwasserstoffen und fluorierten Kohlenwasserstoffen.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) einen thermoplastischen Kunststoff mit starker Quellneigung umfasst.
Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) mindestens teilweise aus einem Polyamid besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Metallisierungsschicht (3) Aluminium-, Kupfer-, Chrom-, Nickel- oder Edelstahl enthält.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin mindestens eine auf die Metallisierungsschicht (3) aufgebrachte oberflächenseitige Schutzschicht (4) vorgesehen ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) eine im Vakuum abgeschiedene Schicht, vorzugsweise Plasmapolymerschicht ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zwischenschicht (2) und/oder eine Metallisierungsschicht (3) und/oder eine Schutzschicht eine Schichtdicke von weniger als etwa 200 nm aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein lichttechnisches Gerät oder einen Teil davon handelt.
Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Scheinwerfer oder eine Leuchte, insbesondere für Kraftfahrzeuge oder einen Teil davon handelt.
Bauteil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Einbauteil, insbesondere ein Rahmen für einen Scheinwerfer oder eine Leuchte ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Mehrschichtwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zwischenschicht (2) in einem Vakuumbeschichtungsprozess, vorzugsweise einem Plasmabeschichtungsprozess, Bedampfungsprozess oder Sputterbeschichtungsprozess auf das Substrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Plasmaaktivierung vor oder nach dem Aufbringen der mindestens einen Zwischenschicht (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumbeschichtungsprozess in einem Feinvakuum von 10^–3 – 10^–1 mbar, vorzugsweise 2 bis 9 × 10^–2 mbar stattfindet.