Oberflächentechnik – ein weites Feld

Mit der Kombination aus Nano- und Pikosekundenpulsen lassen sich funktionale Oberflächen mit großer Genauigkeit auch effizient herstellen. (Bildquelle: Fraunhofer ILT)

Ob ein Gegenstand wertig oder nicht erscheint hängt davon ab, wie seine Oberfläche beschaffen ist. Haptik und Optik werden entscheidend über die Oberflächenstruktur bestimmt, die immer mehr zum Qualitätsmerkmal wird und zur Individualisierung beiträgt. Seine Struktur erhält das Bauteil bereits im Spritzgießwerkzeug. Abhängig von seinem späteren Einsatzgebiet kann die Oberfläche beispielsweise hochglänzend poliert, strichpoliert, genarbt oder individuell strukturiert sein. So sorgen beispielsweise Strukturen und Narbungen dafür, dass Griffe an Werkzeugmaschinen oder Haushaltsgeräten sicher in der Hand liegen. Hingegen vermitteln feine Strukturen oder hochglänzende Oberflächen im Fahrzeuginnenraum ein Gefühl von Wertigkeit.
Seit vielen Jahren werden Texturen von Werkzeugoberflächen durch photochemisches Ätzen eingebracht. Bei diesem Verfahren liegen viele Erfahrungswerte vor und das nötige Fingerspitzengefühl ist vorhanden. Seit kürzerer Zeit kommen für die Strukturierung auch Laser zum Einsatz. Mit dieser Technik können Strukturen auch auf dreidimensionalen Geometrien und Flächen der Werkzeugeinsätze eingebracht werden. Die Wahl des Verfahrens hängt auch hier wie so oft von zahlreichen Faktoren und der wirtschaftlichen Machbarkeit ab, sodass individuell entschieden werden muss wie die Oberflächenstruktur erzeugt wird.

Kunststoff gibt Richtung vor

Gerade im Fahrzeuginnenraum werden viele Bauteile wie Blenden, Drehknöpfe, Taster, Ablagen, Zierringe häufig beschichtet, um farbliche oder haptische Akzente zu setzen und um die Teile zu schützen. Je nach Einsatzort sollen die Oberflächen unter anderem eine hohe Kratzbeständigkeit besitzen und nicht von Handschweiß und Cremes angegriffen werden. Für die Veredelung gibt es zahlreiche Verfahren wie beispielsweise das Lackieren, Bedrucken, Verchromen, Heißprägen. Wurde das Bauteil aus einem unpolaren Werkstoff wie Polypropylen gefertigt, so kann dieses bisher nicht direkt beschichtet werden. Die funktionellen Gruppen des Lackes, die für dessen Haftfestigkeit auf der Polymeroberfläche sorgen, finden keinen Partner zum Wechselwirken. In der Regel erfolgt deshalb nach der Reinigung des Bauteils eine Oberflächenaktivierung, um sauerstoffhaltige Gruppen in die Polymerketten an der Oberfläche einzubringen. Abhängig von der Bauteilgröße und Geometrie wird das Aktivierungsverfahren wie Beflammung, Corona, atmophärisches Plasma, Niederdruckplasma oder die Fluorierung ausgewählt. Die bei der Aktivierung entstehenden polaren Gruppen sorgen für eine gute Benetzung der Bauteiloberfläche und Haftfestigkeit des applizierten Systems.

Polypropylen ohne Aktivierung lackieren

Die neueste Entwicklung der Grönenbacher Lackfabrik, Bad Grönenbach, sorgt laut Hersteller dafür, dass der Aktvierungsschritt vor dem Lackieren entfallen kann. Denn mit der neuen Produktlinie Grönoplast ist es nun möglich, unpolare Kunststoffoberflächen direkt zu beschichten. Im Augenblick des Lackauftrags findet aus der Flüssigphase heraus eine radikalische Substitution an den Polymerketten statt. Wasserstoffatome werden durch Heteroatome ersetzt und es bilden sich elektrochemische Wechselwirkungen, die eine gute Haftfestigkeit des Lackes bewirken. Somit werden Aktivieren und Lackieren in einem Wertschöpfungsschritt möglich.

Glänzend wie Chrom

Durch das von der EU erlassene Verbot von Chrom (IV) ist es erforderlich geworden, alternative Technologien zu entwickeln, die einer verchromten Oberfläche rein optisch sehr nahe kommen. Den sogenannten Cooltouch einer verchromten Fläche kann ein Lack oder eine Foliendekoration in der Regel nicht bieten. Doch welche Reach-konformen Chromersatztechnologien gibt es?
Wenn das Bauteil flächig mit Chromoptik versehen werden soll, dann bietet sich eine klassische Lackierung an. Die Chromlacke verfügen zwischenzeitlich über eine sehr gute spiegelnde Wirkung und unterscheiden sich deutlich von dem Erscheinungsbild der Metalliclacke. Die im Basislack dieser Systeme enthaltenen Pigmente bestehen aus zerkleinerten PVD-Schichten, die in die Matrix eingebettet sind. Wichtig ist, dass der Basislack lediglich in einer Stärke von 1 bis 3 µm auf eine sehr glatte Oberfläche aufgetragen wird. Denn nur dann ist es den metallischen Partikeln möglich, sich ohne Überlappung auszurichten, und der zu erreichende Spiegeleffekt ist maximal. Um die für das Verfahren notwendige glatte Oberfläche zu schaffen und Markierungen der Rohteiloberfläche, wie Fließlinien und Bindenähte zu kaschieren, wird diese vorlackiert, meist mit einem UV-Lack. Geschützt wird der Chromlack durch eine Klarlackschicht, die matt oder glänzend eingestellt sein kann.

Cooltouch wird möglich

Coolbrush: Das Bauteil aus wärmeleitfähigem Kunststoff erhält durch eine Laserstruktur im Werkzeug und Chromlack die Optik und kühle Haptik einer metallischen Oberfläche. (Bildquelle: KH)

Kunststoff Helmbrechts (KH), Helmbrechts, hat die Chromlackierung noch optimiert. KH bringt in das Spritzgießwerkzeug eine Laserstruktur ein, die der Struktur einer metallischen Oberfläche entspricht. Wird das Bauteil aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff gespritzt und mit einem Chromlack versehen, so besitzt es nicht nur die Optik sondern auch die kühle Anmutung von gebürstetem Metall. Dieses Verfahren wird von Kunststoff Helmbrechts als Coolbrush bezeichnet.
Immer mehr Geräte, sei es im Haushalt oder im Autoinnenraum, sollen über kapazitive Felder bedient werden. Dies ist bei herkömmlich verchromten Teilen nicht möglich, da die Chromschicht abschirmend wirkt. Spiegelnde und gleichzeitig nicht abschirmend wirkende Oberflächen werden durch Physical Vapor Deposition (PVD) erzeugt. Das Kunststoffbauteil wird auch hier mit einer Vorlackierung zum Glätten der Oberfläche versehen. In einer Beschichtungskammer wird im Vakuum das gewünschte Metall verdampft oder von einem Target gesputtert. Die kleinen Metallteilchen schlagen sich auf der Oberfläche des Kunststoffteils nieder, und es entsteht eine sehr dünne, hochglänzende Schicht. Der anschließend aufgetragene Klarlack schützt das abgeschiedene Metall.

Einstellbarer Oberflächeneffekt

Doch nicht nur im sichtbaren sondern auch im funktionellen Bereich gibt es Neues. So zum Beispiel gibt es Weiterentwicklungen beim Vorbereiten von metallischen Einlegeteilen für das Umspritzen. Um eine optimale Haftfestigkeit zwischen Einlegeteil und Kunststoff zu erzielen, ist es wichtig, dass die Oberfläche des Metalls sehr sauber ist und bei Bedarf funktionelle Gruppen besitzt. Auch bei diesen Anwendungen sollen VOC-haltige Primer durch alternative Verfahren ersetzt werden.
Eine interessante Möglichkeit ist der sogenannte Plasmaprimer von Plasma Technology, Herrenberg. Die Metallteile erfahren in einem Vakuumprozess folgende Prozessschritte. Zunächst wird die Oberfläche in einer Argon- oder Sauerstoffatmosphäre von dünnsten organischen Resten gereinigt. Anschließend wird das Prozessgas geändert und eine Hexamethyldisiloxan-Schicht (HMDSO) abgeschieden. Reicht die Funktionalität dieser Schicht noch nicht aus, um eine gute Verbindung mit dem Polymer zu erreichen, so kann im dritten Schritt die Aktivierung der HMDSO-Schicht mit Sauerstoff erfolgen. Die drei Prozessschritte sind in der Steuerung der Anlage hinterlegt und laufen automatisch nacheinander ab, ohne Zwischenbelüften und dass die Teile aus der Kammer entnommen werden.

Edelstahloberfläche mit Plasmaprimer versehen. Zunächst hydrophobe Einstellung der gesamten Fläche, anschließend Maskierung und hydrophilieren der rechten Seite. (Bildquelle: Plasma Technology)

Doch der Plasmaprimer kann noch mehr. Soll das Einlegeteil sowohl hydrophobe als auch hydrophile Bereiche besitzen, so kann dies ebenfalls mit diesem Verfahren umgesetzt werden. Zunächst wird die Plasmaprimer-Schicht als stabiles, hydrophobes Polymer abgeschieden. Die  Oberfläche besitzt eine Energie von unter 20 mN/m. Nach diesem Schritt wird die Kammer belüftet, die Teile entnommen und maskiert. Anschließend wird der Prozess erneut gestartet und die freiliegenden Stellen mit Sauerstoff konturscharf aktiviert. Die Oberflächenenergie ist auf das anzuspritzende Polymer abgestimmt, sodass die beiden Komponenten eine haftfeste Verbindung eingehen.

Entwicklung in voller Fahrt

Additiv gefertigte Bauteile drängen immer stärker in den Markt und benötigen beispielsweise um verklebt werden zu können eine passende Aktivierung. Ob dies mit den Standardmethoden möglich sein wird oder die Technologien angepasst werden müssen, wird auch in diesem Fall die Anwendung und Materialkombination zeigen. Möglicherweise werden auf der diesjährigen Fakuma erste Lösungsansätze vorgestellt.

Autorin

Simone Fischer ist Redakteurin Plastverarbeiter.

simone.fischer@huethig.de