DE102008026719A1

DE102008026719A1 - Verfahren zur Aufbringung einer Beschichtung auf ein Substrat und Teile aus diesem Substrat

Info

Publication number: DE102008026719A1
Application number: DE200810026719
Authority: DE
Inventors: Manfred Fuchs
Original assignee: SILCOS GmbH
Current assignee: SILCOS GMBH, 72770 REUTLINGEN, DE
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung einer Beschichtung auf ein Substrat, das aus einem Silikonelastomer oder einem thermoplastischen Elastomer besteht. Als Druckverfahren kommt das Tintenstrahldrucken, insbesondere unter Verwendung von Tinten, die nicht Silikon enthalten, zum Einsatz.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung einer Beschichtung auf ein Substrat, das aus einem Silikonelastomer oder einem thermoplastischen Elastomer besteht. Des Weiteren betrifft die Erfindung spezielle, aus einem solchen Substrat hergestellte Elemente.
Derartige Elemente sind beispielsweise Betätigungselemente, die in einer Vielzahl von technischen Produkten zum Einsatz kommen, wo für den Alltagsgebrauch eine hohe mechanische Abriebfestigkeit und chemische Stabilität gefordert ist, wie beispielsweise für Schalter oder Tastaturen im Automobilbereich oder bei elektronischen Geräten, wie Fernbedienungen und Mobiltelefonen.
Es hat sich gezeigt, dass sich für diese Elemente Silikonelastomere auf Grund ihrer Materialeigenschaften besonders eignen. Silikon weist annähernd konstante physikalische Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich von ca. –40°C bis +85°C auf, wodurch gerade beim Einsatz als Schalterelemente im Automobilbereich eine gleich bleibende Griffhaptik bei allen möglichen Einsatztemperaturen gewährleistet ist. Des Weiteren ist Silikon als Material äußerst langlebig und ermöglicht eine gewisse gestalterische Freiheit, wodurch sich durchgängig geschlossene flexible Bedienoberflächen herstellen lassen.
Der Begriff Silikonelastomer im Sinne dieser Erfindung umfasst hierbei sämtliche Silikonarten und -formmassen, wie beispielsweise Flüssigsilikon, festen Silikonkautschuk oder raumtemperaturvernetzendes Silikon. Des Weiteren beinhaltet diese Definition gemäß der Erfindung auch Silikonverbundwerkstoffe, in denen ein Thermoplast enthalten ist.
Alternativ zu Silikonelastomeren können für die oben genannten Elemente jedoch auch thermoplastische Elastomere zum Einsatz kommen.
Bei den erwähnten Betätigungselementen, ebenso wie bei medizintechnischen Applikationen, in denen Silikonelastomere und thermoplastische Elastomere verstärkt eingesetzt werden, kommen kennzeichnende Symbole oder Beschriftungen zur Anwendung, die dem Benutzer eine entsprechende Information vermitteln sollen.
Derartige Symbole oder Beschriftungen auf Schichten aus Silikonelastomeren oder thermoplatischen Elastomeren werden bisher im Wege des Siebdrucks oder des Tampondrucks realisiert.
Beim Durchdruckverfahren des Siebdrucks wird die Druckfarbe durch einen feinmaschigen Sieb, in der Regel ein textiles Gewebe, hindurch auf das zu bedruckende Substrat gedruckt, wobei an denjenigen Stellen des Gewebes, wo dem Motiv entsprechend keine Farbe gedruckt werden soll, die Maschenöffnungen des Gewebes beispielsweise durch eine Schablone farbundurchlässig gemacht sind.
Das Tampondruckverfahren ist ein indirektes Druckverfahren nach dem Tiefdruckprinzip. Hierbei kommen so genannte Druckklischees zum Einsatz, die in ihrer Oberfläche das zu druckende, tiefer liegende Druckbild tragen. Ein in der Regel aus Silikonkautschuk bestehender Tampon wird über das Klischee abgesenkt und übernimmt dadurch das Druckbild, welches anschließend durch den Tampon auf das Substrat übertragen wird. Der Tampon kann sich beim Absenken auf das Substrat dessen Form anpassen, weshalb sich dieses Verfahren beim Bedrucken von dreidimensionalen Substratkörpern aus Kunststoff besonders eignet.
Grundsätzlich besteht beim Bedrucken von Silikonelastomeren verstärkt, aber auch bei thermoplastischen Elastomeren, das Problem, dass sich diese Materialien auf Grund ihrer niedrigen Oberflächenenergien und hydrophoben Oberflächeneigenschaften für die Aufbringung von Beschichtungen mit Lacken nicht eignen. So lassen sich gleichmäßige Lackschichten kaum realisieren, da bei Benetzung der Oberfläche Lackperlen entstehen. Insbesondere beim Einsatz von wasserlöslichen Farben tritt dieser Effekt in Erscheinung. Ebenso verhält es sich mit Farbsystemen auf Polyurethanbasis.
Beide Farbsysteme können über die oben beschriebenen Druckverfahren unter Ausbildung einer gleichmäßigen Beschichtung über das gesamte Substrat nur aufgebracht wenden, wenn das Substrat aus Silikonelastomer oder thermoplastischen Elastomer vorab einer geeigneten Vorbehandlung unterzogen wird, wie beispielsweise dem in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 041 330 A1 der Anmelderin beschriebenen Plasmaverfahren, was selbstverständlich die Kosten erhöht.
Darüber hinaus wird den Problemen dadurch weiter Rechnung getragen, dass als Farben bzw. Lacke ausschließlich Silikonfarben zum Einsatz gelangen, bei denen eine Vorbehandlung gegebenenfalls nicht notwendig ist. Derartige Farbsysteme sind jedoch in der Regel kostenintensiver als herkömmliche Farbsysteme.
Weitere Nachteile des Siebdruck- und des Tampondruckverfahrens liegen in der Notwendigkeit von getrennt zu erstellenden Hilfsmitteln wie Sieben bzw. Klischees, wobei dadurch jede einzelne Farbschicht nur in einem einzigen Bedruckungsvorgang entweder manuell oder halbautomatisch aufgebracht werden kann. Darüber hinaus ist die Menge der benötigten Farbe erheblich, da die Siebe bzw. Klischees über deren gesamte Fläche mit dem Druckmotiv gerakelt werden müssen, um genügend Farbe in das Druckbild einzubringen. Es erklärt sich von selbst, dass dies den Aufwand bei insbesondere mehrfarbigen Motiven erheblich erhöht.
Ausgehend davon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckverfahren für das Bedrucken von Substraten aus Silikonelastomeren oder aus thermoplastischen Elastomeren bereit zu stellen, welches erheblich einfacher und daher kostengünstiger realisiert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 3 sowie mit entsprechenden Verwendungen und Elementen jeweils nach den Ansprüchen 13, 14 und 15.
Der Kern der Erfindung besteht somit in der ausschließlichen Verwendung des Tintenstrahldruckens für Beschichtungen auf Substraten aus Silikonelastomeren bzw. thermoplastischen Elastomeren.
Beim Tintenstrahldrucken werden Tintentröpfchen durch gesteuertes Abschießen und/oder Ablenken auf der Substratoberfläche positioniert, wodurch ein Rasterbild erzeugt wird, wobei die Feinheit des Rasters unter dem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges liegt.
Vorteilhaft ist beim Tintenstrahldrucken die Möglichkeit, in einem einzigen Druckvorgang durch den Einsatz von zusätzlichen subtraktiven Grundfarben ein Mehrfarbenmotiv zu erzeugen und gezielt einzelne Tintentropfen unterschiedlicher Größe aufzubringen.
Ein weiterer Vorteil des Tintenstrahldruckens liegt darin, dass im Wesentlichen nur eine solche Menge an Tinte benötigt wird, die das Druckbild insgesamt erzeugt, so dass der Verbrauch gering bleibt und auch darüber hinaus, im Vergleich zu den bisher im Bereich der Kunststofftechnik angewandten Druckverfahren, überschüssige Tinte bzw. Druckfarbe nicht entsorgt werden muss. Kostenintensive Hilfsmittel, wie Siebe oder Klischees entfallen.
Das Tintenstrahldrucken, da es sich um ein berührungsloses Verfahren handelt, eignet sich auch auf vorteilhafte Weise bei der Aufbringung von Beschichtungen von dreidimensionalen Körpern.
Darüber hinaus zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass ausschließlich Tinten bzw. Druckfarben zum Einsatz gelangen können, die kein Silikon enthalten. Die Verwendung einfacher wasserlöslicher Farben ist gemäß der Erfindung bevorzugt, jedoch können auch lösemittelhaltige Tinten oder UV-Tinten benutzt werden.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Aufbringung von mittels Tintenstrahldrucken bewerkstelligten Färbungen bzw. Motiven bei flexiblen Substraten aus Silikonelastomeren oder thermoplastischen Elastomeren Beschichtungen erzeugt werden können, die die Flexibilität derartiger Substrate nicht beeinträchtigen und ohne zu brechen, den elastischen Bewegungen folgen. Dies liegt daran, dass mit dem Tintenstrahldrucken eine im Vergleich zu den bisher benutzten Druckverfahren wesentlich geringere Schichtdicke realisiert werden kann. Während beim Siebdruck die Schichtdicke in einem Bereich von ca. 10–12 μm und beim Tampondruck in einem Bereich von ca. 4–5 μm liegt, lassen sich mittels Tintenstrahldrucken sehr dünne Schichtdicken in der Größenordnung von ca. 1 μm herstellen.
In einem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung wird der Schritt des Tintenstrahldruckens ausschließlich unter Verwendung von Tinten bzw. Farben durchgeführt, die kein Silikon enthalten, insbesondere bevorzugt ausschließlich unter Verwendung von wasserlöslichen Tinten.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung wird das zu bedruckende Substrat auf eine definierte Bedruckungstemperatur erwärmt, bevor der Schritt des Tintenstrahldruckens durchgeführt wird, wobei sich hierbei prinzipiell alle Arten an Farb- bzw. Tintensystemen verwenden lassen können.
Eine solche Vorwärmung auf eine Bedruckungstemperatur von vorzugsweise ca. 60°C erhöht die Haftung der Tintentröpfchen über eine schnelle Antrocknung unmittelbar während des Bedruckens, was die Taktzeiten verkürzt.
Ein Vorwärmen kann beispielsweise durch Umlufterwärmung oder Einwirkung von UV- bzw. Infrarotstrahlung realisiert werden.
Alternativ können die Substrate auch unmittelbar nach ihrer eigentlichen Herstellung auf die gewünschte Bedruckungstemperatur abgekühlt werden und dann dem Bedruckungsvorgang zugeführt wenden.
Bei der Verwendung von Flüssigsilikon werden flüssige Zweikomponenten-Silikonkautschuke mit Hilfe von Mehrkomponenten-Dosier- und Mischanlagen aus den Originalgebinden in gleichen Anteilen einem Spritzgießautomaten zugeführt und in die jeweiligen beheizten Formen gespritzt, wo der additionsvernetzende Silikonkautschuk bei Formtemperaturen von typischerweise ca. 170°–230°C in wenigen Sekunden vulkanisiert. Ähnlich verhält es sich mit Silikonverbundstoffen, bei denen die zuerst gespritzten Thermoplastteile anschließend mit Flüssigsilikon umspritzt werden.
Ebenso lässt sich fester Silikonkautschuk in entsprechende Formwerkzeuge bei Temperaturen von ca. 140° bis 200°C unter Druckeinwirkung aushärten oder kann auch extrudiert werden.
Nach der Entnahme bzw. dem Auswurf aus den jeweiligen Formwerkzeugen wird der zu bedruckende Körper, das Substrat, abgekühlt, gegebenenfalls unter Einsatz von Hilfsmitteln, wie Gebläsen, und kann dann der Bedruckungsvorrichtung bei Erreichen der gewünschten Bedruckungstemperatur unmittelbar zugeführt werden.
Lediglich bei der Verwendung von raumtemperaturvernetzendem Silikon ist eine anschließende Erwärmung auf die gewünschte Bedruckungstemperatur notwendig.
In einem weiteren Schritt kann das Substrat vorab modifiziert bzw. aktiviert werden, um die Haftungs- und Adhäsionseigenschaften für die aufzubringenden Tinten bzw. Farben zu verbessern.
Idealerweise eignen sich hierfür die hinlänglich bekannten Verfahren, wie die Flammbehandlung, die Coronabehandlung, die Fluorierung und die Plasmabehandlung, wie diese beispielsweise in der DE 10 2005 041 330 A1 der Anmelderin beschrieben ist, auf welche hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Allen genannten Oberflächenbehandlungsverfahren ist gemeinsam, dass durch diese die Polarität der Substratoberfläche erhöht wird, wodurch die Benetzbarkeit und die chemische Affinität deutlich verbessert werden können.
Um zusammen mit der durch das Tintenstrahldruckverfahren aufzubringenden Beschichtung bestimmte farbliche Effekte und Motivwirkungen zu erzielen, schlägt die Erfindung des Weiteren vor, bereits bei der Herstellung des Substrats dieses einzufärben, d. h. das Substrat bereits mit einer bestimmten „Grundfarbe” zu versehen. Hierzu werden die Komponenten mit einem Farbzusatz vermischt und entsprechend in die Spritzgießform eingebracht.
Hierbei kann auch eine Lichtdurchlässigkeit des Substrats realisiert werden, indem eine weiße Farbkomponente in einem sehr geringen Verhältnis von ca. 0,5% bis 2,0% den Komponenten zudosiert wird. Wenn das so herzustellende Substrat eine Dicke von ca. 0,5–1.5 mm nicht überschreitet, ist dieses Substrat lichtdurchlässig.
Beim anschließenden Bedrucken können Bereiche ausgelassen werden, die die Lichtdurchlässigkeit beibehalten sollen, beispielsweise entsprechende, mit einer Hintergrundbeleuchtung zu versehende Symbole von Betätigungs- und/oder Anzeigeelementen.
Derartige lichtdurchlässige Durchbrechungen in der Substratoberfläche oder auch aus motivgestalterischen Gründen freizulegende Bereiche lassen sich durch Laserablation bewerkstelligen, indem die mittels Tintenstrahldrucken aufgebrachte Beschichtung selektiv mit einem Laser abgetragen wird, wobei die Laseranlage auf die lack- und geometriespezifischen Gegebenheiten des Substrats entsprechend angepasst wird.
Ebenso ist es möglich, dass auf das dann bedruckte Substrat metallische Schichten mittels Dampfabscheiden aufgebracht werden. Anschließend kann wieder durch Laserablation die metallische Schicht an den gewünschten Bereichen verdampft werden, wodurch die darunter mittels Tintenstrahldrucken aufgebrachte Schicht sichtbar wird.
Um die Abriebfestigkeit einerseits und die Beständigkeit gegenüber chemischen Medien andererseits zu erhöhen, schlägt die Erfindung des Weiteren vor, die bedruckte Substratschicht, gegebenenfalls mit weiter darauf aufgebrachten Schichten, mit einem flexiblen Schutzlack zu versehen, typischerweise auf Basis von UV-, Hydro- oder Polyurethanlacken. Ein solcher Schutzlack, der allgemein die Schmutzanfälligkeit des Substrats verringert, ist darüber hinaus in der Lage, die durch die Laserablation zwischen der Beschichtung und dem verdampften Bereich entstehenden stufenartigen, wenn auch geringen, Dickenunterschiede der Schichten auszugleichen und dadurch mechanischer Beschädigung vorzubeugen. Spezielle Schutzlacke sind auf Grund ihrer Eigenschaften auch tauglich für den Einsatz bei medizinischen Instrumenten.
Die Bedruckung gemäß den erfindungsgemäßen Verfahrensarten eignet sich insbesondere zur Beschichtung von Betätigungs- und/oder Anzeigeelementen, vorzugsweise im Automobilbereich, die zumindest eine Schicht aus einem Silikonelastomer oder einem thermoplastischen Elastomer aufweisen.
Nur beispielhaft sei in diesem Zusammenhang hier auf das Deutsche Patent DE 102 10 913 C1 der Anmelderin verwiesen, auf deren Offenbarungsgehalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Idealerweise ist das Substrat als eine geschlossene Fläche ausgebildet, um eine durchgängige Bedienoberfläche auszubilden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt die Medizintechnik dar. Medizinische Instrumente, wie beispielsweise Katheter oder dergleichen können Schichten aus Silikonelastomeren aufweisen, die zu Informationszwecken entsprechend bedruckt werden müssen.
Hierbei erweist es sich als Vorteil, dass die mittels des Tintenstrahldruckens aufgebrachten Beschichtungen eine Temperaturbeständigkeit von ca. –40°C bis ca. +105°C aufweisen und dabei ihre Flexibilität beibehalten. Eine entsprechende Reinigungsmittelbeständigkeit wird durch den abschließenden Schutzlack erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005041330 A1 [0011, 0033]
- DE 10210913 C1 [0041]

Claims

Verfahren zur Aufbringung einer Beschichtung auf ein Substrat aus einem Silikonelastomer oder aus einem thermoplastischen Elastomer, die Schritte aufweisend: – Erwärmen des zu bedruckenden Substrats auf eine definierte Bedruckungstemperatur; und – Bedrucken des Substrats mittels des Tintenstrahldruckens.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem für das Tintenstrahldrucken Tinten zum Einsatz kommen, die kein Silikon enthalten.
Verfahren zur Aufbringung einer Beschichtung auf ein Substrat aus einem Silikonelastomer oder aus einem thermoplastischen Elastomer, wobei das Substrat mittels des Tintenstrahldruckens ausschließlich unter Verwendung von Tinten bedruckt wird, die kein Silikon enthalten.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das zu bedruckende Substrat auf eine definierte Bedruckungstemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, bei welchem das Substrat mittels Umluft, UV- oder Infrarotbestrahlung auf die definierte Temperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, bei welchem das Substrat erwärmt wird, indem das Substrat nach dessen Herstellungsprozess auf die definierte Temperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Substrat zur Erhöhung der Adhäsionswirkung vorab aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Aktivieren durch Beflammung, Coronabehandlung, Plasmaverfahren oder Fluorieren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Substrat eingefärbt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem auf die Beschichtung eine metallische Beschichtung mittels Dampfabscheiden aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Beschichtung einem Ablationsverfahren, insbesondere mittels Laser, unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Beschichtung mit einem Schutzlack überzogen wird.
Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 12 zur Herstellung einer Beschichtung mit kennzeichnenden Symbolen bei Betätigungs- und/oder Anzeigeelementen, die zumindest eine Schicht aus einem Silikonelastomer oder einem thermoplastischen Elastomer aufweisen.
Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 12 zur Herstellung einer Beschichtung mit kennzeichnenden Symbolen bei medizinischen Instrumenten, die zumindest eine Schicht aus einem Silikonelastomer oder einem thermoplastischen Elastomer aufweisen.
Betätigungs- und/oder Anzeigeelement mit einer zumindest teilweise elastischen Abdeckung, die aus mehreren Schichten besteht, wobei zumindest eine Schicht aus einem Silikonelastomer oder aus einem thermoplastischen Elastomer besteht und zumindest eine Beschichtung auf ihrer Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung als Tintenstrahldruck ausgebildet ist.
Betätigungs- und/oder Anzeigeelement nach Anspruch 15, bei welchem über der Beschichtung eine metallische Beschichtung vorgesehen ist.
Betätigungs- und/oder Anzeigeelement nach Anspruch 15 oder 16, bei welchem eine obere Schutzschicht vorgesehen ist.
Betätigungs- und/oder Anzeigeelement nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei welchem die Beschichtung zumindest teilweise lichtdurchlässig ist.
Betätigungs- und/oder Anzeigeelement nach Anspruch 18, bei welchem lichtdurchlässige Bereiche der Beschichtung mittels eines Lasers einbringbar sind.
Betätigungs- und/oder Anzeigeelement nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei welchem die Beschichtung aus einer Tinte/Tinten besteht, die kein Silikon enthält/enthalten