DE10356944A1

DE10356944A1 - Beschichtungsverfahren zur Beschichtung eines Substrates mit Metall

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Publication number: DE10356944A1
Application number: DE10356944A
Authority: DE
Original assignee: SYSTEC SYSTEM und ANLAGENTECHN; Systec System-Und Anlagentechnik & Cokg GmbH; Deutsche Titan GmbH
Current assignee: SYSTEC SYSTEM und ANLAGENTECHN; Systec System-Und Anlagentechnik & Cokg GmbH; VDM Metals GmbH
Priority date: 2003-12-06
Filing date: 2003-12-06
Publication date: 2005-07-07
Also published as: DE10356944A8; WO2005054542A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren zur Beschichtung einer nicht-metallischen oder metallischen Oberfläche eines Substrates. Um die haptischen und physikalischen Eigenschaften der Oberfläche des Gegenstandes an die eines metallischen Gegenstandes anzupassen, schlägt die Erfindung vor, DOLLAR A ein Metall hoher Wärmeleitfähigkeit auf einem haftfesten Untergrund des Substrates als Basisschicht in einer solchen Dicke abzuscheiden, dass das beschichtete Substrat in der Haptik einem Substrat aus Metall entspricht, und anschließend eine metallische Dekorschicht auf die Basisschicht abzuscheiden und eine transparente Schutzschicht auf die Dekorschicht aufzubringen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren zur Beschichtung eines nicht-metallischen oder metallischen Substrates mit Metall.

Heutzutage werden hochwertige Gebrauchsgegenstände wie Einrichtungsgegenstände, Inneneinrichtungen von Automobilen, Elektronikgeräte und deren Accessoires wie Knöpfe, Schalter und sonstige Dekorartikeln, bei denen es auf ein repräsentatives Aussehen und/oder einen hohen Gebrauchswert ankommt, aus Vollmetall oder aus mit Metall eingefassten Kunststoff, Glas oder Keramik hergestellt. Solche Gebrauchsgegenstände, die komplexe und filigrane Strukturen haben können, lassen sich wirtschaftlich nur als Spritzteile, Strangpressteile oder in ähnlicher Technik herstellen. Durch das Aufbringen von Farbschichten oder Kunststoffschichten auf die Oberflächen solcher Gegenstände ergibt sich ein minderwertiger Gesamteindruck, insbesondere bei späterer Berührung. Außerdem verschlechtern Fettflecke und Kratzer den Gesamteindruck der Gegenstände.

Ausgehend von diesen Nachteilen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung von Gegenständen zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe die Eigenschaften von Vollmetallteilen nachgebildet werden können.

Zur Lösung dieser aus dem Stand der Technik hergeleiteten und zuvor aufgezeigten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, ein Verfahren zum gesamten der partiellen Beschichten durch Abscheiden eines Metalls hoher Wärmeleitfähigkeit auf einem haftfesten Untergrund des Substrates als Basisschicht in einer solchen Dicke, dass das beschichtete Substrat in der Haptik einem Substrat aus Metall entspricht, durch anschließendes Abscheiden einer metallischen Dekorschicht auf die Basisschicht und abschließendes Aufbringen einer transparenten Schutzschicht auf die Dekorschicht.

Die erfindungsgemäße Erzeugung der Oberflächenstruktur des Gegenstandes führt zu einem im Wesentlichen kompakten, monolithischen Gesamteindruck des Gegenstandes, der in den wesentlichen physikalischen Eigenschaften wie Wärmeleitung, Wärmekapazität, elektrische Leitfähigkeit, Rauhigkeit denen eines metallischen Gegenstandes entsprechen kann.

Die abgeschiedene Basisschicht kann aus Metall oder Metalloxiden gebildet sein, die auch auf rauen Oberflächen eine gute Leitfähigkeit aufweisen. Die Menge des abgeschiedenen Metalls auf dem Substrat muss derart gewählt sein, dass das beschichtete Substrat in der Haptik einem Substrat aus Metall entspricht. Dies wird durch eine ausreichende Schichtdicke erreicht. Je dicker die Schicht ist, desto eher entsteht der Eindruck eines vollmetallischen Gegenstandes. Der haptische Eindruck eines vollmetallischen Gegenstandes wird bereits ab einer bestimmten Schichtdicke erreicht. Das Aufbringen von weiterem Metall als Basisschicht verbessert dann den Sinneseindruck nur noch geringfügig.

Auf die Basisschicht kann anschließend eine metallische Dekorschicht aufgebracht werden. Die beispielsweise aus Titan, anodisch modifiziertem Titan, Tantal oder Aluminium gebildet ist. Das abschließende Aufbringen einer transparenten Schutzschicht kann zur Erhöhung der Kratzfestigkeit oder als Fingerprintschutz dienen.

Es wird vorgeschlagen, dass der haftfeste Untergrund des Substrates durch Abscheidung von Metall- oder Metalloxiddampf unter Vakuum (PVD) hergestellt wird. Das plasmaunterstützte Abscheiden ermöglicht ein an die Oberfläche des Substrates angepasstes Aufbringen der Metallschicht, um eine haftfeste Verbindung zu gewährleisten. Hierbei können Plasmaparameter wie Energie der Ionen, die Dichte der Neutralteilchen oder Ionisierungsgrad eingestellt werden. Auch wird vorgeschlagen, dass die Metall- oder Metalloxiddampfabscheidung plasmaunterstützt erfolgt.

Um einen haftfesten Untergrund zu gewährleisten und außerdem das Abscheiden weiterer metallischer Schichten zu vereinfachen, wird auch vorgeschlagen, dass für den haftfesten Untergrund ein gut leitfähiges Material, wie beispielsweise Chrom, Nickel, Titan, Kupfer etc. verwendet wird. Diese metallische Schicht eignet sich insbesondere für das Aufbringen einer weiteren metallischen Schicht, durch einen Galvano-Prozess.

Zur Gewährleistung eines haftfesten Untergrundes der auch mechanischer Belastung standhält und einen guten haptischen Eindruck hinterlässt, wird vorgeschlagen, dass der Untergrund in einer Dicke von 20 bis 15.000 nm hergestellt wird. Besonders vorteilhaft ist eine Schichtdicke von 50 bis 5.000 nm.

Eine gute Verbindung zwischen Untergrund und Basisschicht wird dadurch ermöglicht, dass für die Basisschicht ein Metall mit guter thermischer und/oder elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt wird. Hierbei ist insbesondere Kupfer oder Nickel einsetzbar. Diese Metalle lassen sich beispielsweise mit einem Galvano-Prozess oder nasschemisch aufbringen.

Dadurch, dass die Basisschicht elektrisch und thermisch gut leitfähig ist, verbessert sie den haptischen Eindruck. Durch die gute thermische Leitfähigkeit entsteht für den Benutzer der Eindruck eines Vollmetalls, da die Körpertemperatur vom Druckpunkt gut fortgeleitet wird. Die aufgebrachte Basisschicht dient außerdem zur Schichtverstärkung, erhöht die mechanische Belastbarkeit und verbessert die Strombelastbarkeit des Gegenstandes. Außerdem entsteht eine Oberflächenstruktur, die dem eines Vollmetalls entspricht.

Die Basisschicht kann zur Verbesserung der Oberflächenstruktur und zur Erzielung von dekorativen Zwecken einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Hierzu eignen sich Strahlen, Beizen, Polieren, Schleifen, Elektropolieren, Prägen und Strukturieren in vorteilhafter Weise.

Für das Aufbringen der Basisschicht wird bevorzugt, dass diese galvanisch oder nass-chemisch aufgebracht wird. Hierdurch kann ein gleichmäßiger Materialauftrag auch auf komplexen Gegenständen gewährleistet werden.

Die Basisschicht hat vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 1.000 μm. Vorzugsweise sind 5 bis 200 μm vorgesehen. Diese Schichtdicken gewährleisten auf der einen Seite einen metallischen haptischen Gesamteindruck und ermöglichen andererseits das kostengünstige Herstellen der Beschichtung.

Es wird außerdem vorgeschlagen, dass auf die Basisschicht eine Verschleißschutzschicht aufgebracht wird, deren Härte um ein Vielfaches höher ist, als die der Basisschicht. Eine solche Verschleißschutzschicht erhöht die Gesamtfestigkeit des Schichtaufbaus. Die Verschleißschutzschicht kann dabei plasmaunterstützt aufgebracht werden.

Daher wird vorgeschlagen, dass das Aufbringen der Verschleißschutzschicht durch plasmaunterstützte Dampfabscheidung des Verschleißschutzmaterials erfolgt.

Hierbei kann beispielsweise die Verschleißschutzschicht mit einem reaktiven kathodischen Lichtbogen aufgebracht werden. Die Verschleißschutzschicht kann eine Hartstoffschicht sein.

Um die Haftung weiterer Schichten auf der Basisschicht zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Basisschicht vor dem Abscheiden einer weiteren Schicht an ihre Oberfläche mechanisch oder chemisch behandelt wird.

Um den ästhetischen Gesamteindruck des Substrates zu verbessern, wird vorgeschlagen, eine zusätzliche Dekorschicht aufzubringen. Diese Dekorschicht kann aus Titan, anodisch modifiziertem Titan, Tantal, Aluminium etc. gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist, wenn die metallische Dekorschicht anodisiert oder eloxiert wird.

Um die Kratzfestigkeit zu erhöhen und ein Fingerprintschutz zu gewährleisten wird außerdem vorgeschlagen, dass eine transparente Schutzschicht aufgetragen wird. Hierbei wird bevorzugt, dass die transparente Schutzschicht in Form einer Pulverlackbeschichtung, Elektrotauchlackierung oder elektrostatischer Sprühlackierung aufgebracht wird. Der Überzug wird vorzugsweise mit einem Sol-Gel-Prozess zur Herstellung von anorganisch-organischen Hybrid-polymeren aufgebracht (Sol-Gel-Technologie). Es ist jedoch auch eine herkömmliche Kratzfestlackierung möglich.

Die bevorzugte Dicke einer solchen Schutzschicht liegt zwischen 0,2 und 5 μm beim Sol-Gel-Verfahren. Bei der Lackiertechnik liegt diese zwischen 5 und 50 μm. Bei Titan ist insbesondere ein Fingerabdruckschutz, sowie ein Kratz- und Korrosionsschutz notwendig.

Um das Substrat beispielsweise mit verschiedenen Oberflächen zu versehen wird vorgeschlagen, dass die mehrlagige Beschichtung als abnehmbare Schale oder Kappe auf dem Substrat hergestellt oder das Substrat aufgelöst wird. In diesem Fall kann die Schichtstruktur abgenommen bzw. das Substrat entfernt oder aufgelöst werden.

Schließlich wird bevorzugt, dass das Substrat vor der Beschichtung mit einem Trennmittel überzogen wird. Hierdurch ist es möglich, das Substrat leichter von dem Schichtaufbau zu trennen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer ein Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
1 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgegangen von einem metallischen oder nicht-metallischen Gebrauchsgegenstand, der häufig einen Überzug aus einer nicht-metallischen Oberfläche aufweist. Solche Gegenstände aus Kunststoff, Glas, Keramik oder Metall können häufig eine komplexe Struktur aufweisen, die wirtschaftlich nur im Spritzguß- oder Strangpressverfahren hergestellt werden kann. Beim Aufbringen von Farbschichten oder Kunststoffschichten auf die Oberflächen weisen die Gegenstände dann einen minderwertigen optischen Eindruck auf.
Um den optischen Eindruck solcher Gegenstände zu verbessern und die Eigenschaften an die eines vollmetallischen Gegenstandes anpassen zu können, wird, wie in 1 dargestellt, vorgeschlagen, dass ein Substrat in einem ersten Schritt 1 mit einem haftfesten Untergrund beschichtet wird. Der Untergrund kann durch Abscheidung von Metall- oder Metalloxiddampf im Vakuum aufgebracht werden. Auch sind Metall-Reaktionsprodukte als Untergrund abscheidbar. Je nach Material des Substrates selbst und des Materials mit welchem der Gegenstand neu beschichtet wird, lassen sich die Parameter der Dampfabscheidung einstellen. Hierbei kann die Ionenenergie, die Plasmatemperatur, der Ionisierungsgrad und die Dichte der Neutralteilchen eingestellt werden. Die Einstellung dient dazu, einen haftfesten Untergrund auf dem Substrat zu erzeugen, auf dem dann eine Basisschicht haftfest aufgetragen werden kann. Der Untergrund kann aus Metall oder Metalloxiden oder deren Reaktionsprodukte gebildet werden. Geeignet sind zum Beispiel Chrom, Nickel, Titanium, Kupfer etc. jeweils elementar oder als Schichtkombination oder Legierung. Diese Metalle weisen auch bei rauen Oberflächen eine gute Leitfähigkeit auf. Bevorzugt wird eine Schichtdicke von ca. 5.0nm – 5.000nm.
Im zweiten Schritt 2 wird anschließend in einem Galvano-Prozess Kupfer, Nickel, Zink, Silber, Gold oder deren Legierungen oder in Kombinationsabfolge mit einer Schichtdicke zwischen 1 und 1000 μm aufgebracht. Die Galvanisierung dient zur Schichtverstärkung. Ferner dient die Basisschicht dazu, den optischen Eindruck, die mechanische Belastbarkeit, die Oberflächenstruktur und die Stromtragfähigkeit sowie weitere Eigenschaften des Gegenstandes zu verbessern. Mit Hilfe der aufgalvanisierten Basisschicht besitzt der Gegenstand nunmehr die Eigenschaften eines Gegenstandes, der aus Vollmetall gebildet ist.
Um die gewünschte Endstruktur der Oberfläche zu erreichen, wird im weiteren Schritt 3 eine Oberflächenbehandlung des Gegenstandes durchgeführt. Hierzu wird beispielsweise Strahlen, Beizen, Polieren oder Strukturieren vorgeschlagen.
Der so oberflächenbehandelte Gegenstand wird im folgenden Schritt 4 mit einer Verschleißschutzschicht überzogen. Diese kann eine Hartstoffschicht sein, die plasmaunterstützt aufgetragen wird. Für den Auftrag eignet sich ein reaktiver kathodischer Lichtbogen. Die Hartstoffschicht erhöht die Gesamtfestigkeit des Schichtaufbaus.
Im anschließenden Schritt 5 kann noch eine weitere Dekorschicht aufgetragen werden. Diese kann dazu dienen, dem Gegenstand einen bestimmten metallischen Effekt zu verleihen. Als Dekorschicht eignet sich beispielsweise Titan, anodisch modifiziertes Titan zu Erzielung eines Farbeffektes, Tantal oder Aluminium.
Schließlich wird im letzten Schritt 6 eine transparente Schutzschicht aufgetragen. Diese transparente Schutzschicht dient dazu, die Kratzfestigkeit des Gegenstandes zu erhöhen. Ferner kann die Schutzschicht einen Fingerabdruckschutz gewährleisten.
Danach ist die Oberfläche des Gegenstandes derart behandelt, dass der Gegenstand sowohl einen optisch hochwertigen Eindruck hinterlässt, als auch physikalische Eigenschaften eines aus Vollmetall gebildeten Gegenstandes aufweist. Die Belastbarkeit, die Oberflächenstruktur, die Stromtragfähigkeit und die haptischen Eigenschaften entsprechen denen eines aus Metall gebildeten Gegenstandes.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau. Dargestellt ist ein Substrat 10 welches beispielsweise ein Kunststoff sein kann. Auf diesem Substrat wird ein Untergrund 11 aufgetragen. Der Untergrund kann ein Dampf eines Metalls, eines Metalloxids oder eines anderen Metallreaktionsprodukts oder Kombinationsabfolgen sein und plasmaunterstützt abgeschieden werden. Für den Untergrund 11 eignen sich insbesondere Schichtdicken zwischen 20 und 15.000 nm.
Auf den Untergrund 11 wird eine Basisschicht 12 aufgebracht, die aus Metall mit guter thermischer und/oder elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist. Hier sind insbesondere zu nennen Kupfer, Zink, Nickel, Gold, Silber oder deren Legierungen und Reaktionsprodukte. Als Basisschicht können auch Schichtfolgen in jeglicher Kombination der vorgenannten Metalle aufgebracht werden. Für die Basisschicht 12 ist eine Schichtdicke zwischen 1 und 1000 μm bevorzugt.
Die Basisschicht 12 kann zur Erzielung eines besonderen ästhetischen Gesamteindrucks zunächst oberflächenbehandelt werden. Hierbei kann die Basisschicht 12 durch Strahlen, Beizen, Polieren, Elektropolieren, Prägen, Schleifen, Strukturieren oder chemische Verfahren behandelt werden.
Nachdem die Basisschicht 12 abgeschieden und behandelt worden ist, kann eine Dekorschicht aufgedampft werden. Die Dekorschicht kann beispielsweise Titan, anodisch modifiziertes Titan, Tantal, Aluminium, Kupfer, Gold, Silber oder sonstiges Metall sein. Die Dekorschicht kann durch Anodisieren oder Eloxieren verändert werden und so den optischen Eindruck des Substrates verändern. Durch Oxidation kann beispielsweise die Farbe der Dekorschicht verändert werden.
Auf die Dekorschicht 13 kann eine Verschleißschutzschicht 14 aufgetragen werden. Die Verschleißschutzschicht 14 kann aufgedampft oder durch einen Galvano-Prozess aufgebracht werden. Sie ist bevorzugt dünn und wärmeleitend.
Abschließend kann auf das Substrat 10 eine Schutzschicht 15 aufgebracht werden. Die Schutzschicht 15 dient unter anderem als Kratzschutz oder Fingerprintschutz. Hierbei kann diese transparent sein und in Form von einer Pulverlackbeschichtung, einer Elektrotauchlackierung oder einer elektrostatischen Sprühlackierung aufgebracht werden. Die Schutzschicht 15 kann auch nicht-metallisch sein.
Das Schichtsystem aus Untergrund 11, Basisschicht 12, Dekorschicht 13, Verschleißschutzschicht 14 und Schutzschicht 15 ermöglichst es, dem Substrat 10 einen haptischen Gesamteindruck eines Vollmetalls zu verleihen.

Claims

Verfahren zum gesamten oder partiellen Beschichten eines nicht-metallischen oder metallischen Substrates mit Metall durch Abscheiden eines Metalls hoher Wärmeleitfähigkeit auf einem haftfesten Untergrund des Substrates als Basisschicht in einer solchen Dicke, dass das beschichtete Substrat in der Haptik einem Substrat aus Metall entspricht, durch anschließendes Abscheiden einer metallischen Dekorschicht auf die Basisschicht und abschließendes Aufbringen einer transparenten Schutzschicht auf die Dekorschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der haftfeste Untergrund des Substrates durch Abscheidung von Metall- oder Metalloxiddampf unter Vakuum (PVD) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-oder Metalloxiddampfabscheidung plasmaunterstützt erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den haftfesten Untergrund ein gut leitfähiges Material, insbesondere Chrom, Nickel, Titan, Kupfer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Untergrund in einer Dicke von 20 bis 15000 nm, insbesondere 50 bis 5000 nm, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Basisschicht ein Metall mit guter thermischer und/oder elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kupfer, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall für die Basisschicht galvanisch oder nass-chemisch aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht in einer Dicke von 1 bis 1000 μm, insbesondere 5 bis 200 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Basisschicht eine Verschleißschutzschicht aufgebracht wird, deren Härte um ein Vielfaches höher ist als die der Basisschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Verschleißschutzschicht durch plasmaunterstützte Dampfabscheidung des Verschleißschutzmaterials erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht vor dem Abscheiden einer weiteren Schicht an ihrer Oberfläche mechanisch oder chemisch behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Dekorschicht Titan, Tantal oder Aluminium verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallischen Dekorschicht anodisiert oder eloxiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Schutzschicht in Form einer Pulverlackbeschichtung, Elektrotauchlackierung oder elektrostatische Sprühlackierung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Beschichtung als abnehmbare Schale oder Kappe auf dem Substrat hergestellt oder das Substrat aufgelöst wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat vor der Beschichtung mit einem Trennmittel überzogen wird.