Unbehandelter, roher Kunststoffknopf (li.), daneben der fertige, verchromte und beschriftete Kunststoffknopf.
„Unsere Kunststoff-Knöpfe und Kunststoff-Schalter sehen nicht nur wie aus Metall gemacht aus, sie fühlen sich auch so an“, erklärt Dr. Carsten Brockmann, Geschäftsführer des Kunststoff-Galvanisierbetriebes Kunststofftechnik Bernt. Links oben der Rohling, daneben der fertige Metallknopf. (Bilder: alle Matthias Schmiedel)
Die neue S-Klasse hat sie schon, der Porsche Cayenne auch und der Audi Q7 ebenfalls: Chromteile, die etwas mehr Luxus ins Fahrzeug bringen. Oberflächlich betrachtet sehen sie aus wie Vollmetallteile und sie fühlen sich auch so an – glatt und kühl. Ihr Innenleben ist jedoch aus Kunststoff – und die Kunststofftechnik Bernt (KTB) aus Kaufbeuren sorgt dafür, dass es keiner merkt. Das ist für das Unternehmen seit einigen Jahren das Kerngeschäft. Zudem ist die „Komplexität der Kunststoffteile stetig gewachsen“, berichtet KTB-Geschäftsführer Dr. Carsten Brockmann. „Funktionsintegration ist heute enorm wichtig. Die Teile werden mit immer mehr Funktionen versehen, um den Montageaufwand und damit die Prozesse möglichst einfach und die Kosten gering zu halten.“ Ein gutes Beispiel dafür ist eine Akzentleiste, die das Unternehmen fertigt: Sie ist bereits mit der kompletten Schweißgeometrie versehen, über die sie später mit weiteren Teilen im Fahrzeug verbunden wird. Das erfordert einiges an Spritzguss-Know-how, ist aber erst mal keine Raketenwissenschaft.
Unbehandelter, roher Kunststoffknopf (li.), daneben der fertige, verchromte und beschriftete Kunststoffknopf.
Leuchten in der Nacht
Einige dieser Knöpfe und Schalter müssen aber auch nachts gut erkennbar sein. „Für Audi haben wir den Start-Stopp-Knopf und die Schalter für das Multi-Media-Interface mit einer weiteren Funktion versehen: dem Tag-Nacht-Design“, erklärt Brockmann. Bei Tageslicht ist die Beschriftung auf den Schaltern schwarz oder grau, nachts wird sie von hinten rot erleuchtet. Dafür hat das Unternehmen ein eigenes Verfahren entwickelt: Eine filigrane Laserbeschriftung, oder besser gesagt, ein ausgeklügelter Laserabtrag musste her. Das Spritzgussteil mit der gewünschten Metalloptik beschichten und dann mit dem Laser in einem Schritt bearbeiten, das wäre die einfachste Lösung. Nachteil: Sie funktioniert nicht. „Die komplette Metallschicht können wir nicht bearbeiten. Sie ist bis zu 50 μm, da müssten wir so viel Laserenergie einbringen, dass das Kunststoffteil darunter anschmelzen würde“, sagt Brockmann. KTBs patentierte Lösung zur Laserbeschriftung ist deshalb mehrschichtig.
Nach der Vorbehandlung für die Laserbeschriftung sehen die verkupferten und vernickelten Bauteile – hier Knöpfe – mausgrau und unscheinbar aus.
Schicht für Schicht zum Ziel
Alles beginnt mit dem Spritzgießteil – in der Regel ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS). Der ABS-Kunststoff bekommt erst einmal eine Vorbehandlung. Das heißt, er wird mit einer dünnen Metallschicht überzogen. Diese Schicht lässt sich mit dem Laser gut bearbeiten und macht das Bauteil leitfähig; das ist für die nächsten Prozessschritte wichtig. Nach der Vorbehandlung ist das Bauteil mausgrau. Dann darf der Laser ran und trägt überall dort, wo später die Schrift zu sehen sein soll, die Metallschicht wieder ab, ohne den darunterliegenden Kunststoff zu beschädigen. Schließlich geht das frisch gelaserte Teil wieder in die Galvanisierungsanlage. Dort bekommt es drei Metallschichten verpasst: zuerst Kupfer, dann Nickel und schließlich Chrom.
Dank Chrom wird‘s schön
Jedes der drei Metallschichten übernimmt eine bestimmte Aufgabe. Kupfer ist besonders duktil und hilft dabei, thermische Spannungen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen abzubauen. So verhindert Kupfer Risse oder ein Ablösen der Metallschicht. Der Kunststoff dehnt sich nämlich bei einer Temperaturerhöhung von 1 °C zehnmal so stark aus wie das Metall. Die Vernickelung macht die metallische Schicht besonders korrosionsbeständig. Außerdem lässt sich darüber beeinflussen, ob die Oberfläche am Ende matt oder glänzend ist. Zuletzt gibt eine dünne Chromschicht dem Bauteil dann den metallischen Hochglanz.
In dem Markiersystem macht sich der Laser ans Werk und trägt die hauchdünne Metallbeschichtung in Form der Beschriftung ab, ohne den darunter liegenden Kunststoff zu beschädigen.
„Der Clou daran ist, dass sich die jeweiligen Metallschichten nur mit der Schicht aus der Vorbehandlung verbinden“, erklärt Brockmann. An allen Stellen, an denen der Laser die Metallschicht zum Beispiel für eine Beschriftung entfernt hat, werden auch keine weiteren Metallschichten aufgetragen. Dort bleibt die Beschriftung frei. Fährt man mit den Fingern über den fertigen Schalter, ist die Schrift als kleine Vertiefung spürbar.
Das Spritzgießteil besteht aus mehreren Werkstoff-Komponenten. Die Rückseite ist aus Polycarbonat. Dieser Thermoplast lässt sich nicht galvanisieren. Dadurch bleibt die Rückseite auch im Verchromungsprozess frei. Brockmann erläutert: „Im Gegensatz zum ABS ist Polycarbonat transparent und lässt Licht hindurch. Weil es nicht beschichtet wird, können wir es von hinten durchleuchten. Und auf der anderen Seite legen wir die Metallschicht mit dem Laser frei.“ Die Kunst dabei sei es, wirklich nur diese Metallschicht abzutragen und die darunterliegende Kunststoffschicht nicht anzubrennen. „Sonst sieht es weder bei Tag noch bei Nacht gut aus“, sagt er.
Bei diesen edel schimmernden Blenden scheint an allen Stellen, die der Laser freigelegt hat, später von hinten Licht durch den Kunststoff.
Präzision in Serie fertigen
Für den Bauteilhersteller heißt das: Er muss seine Bearbeitungsprozesse perfekt beherrschen. Damit die Qualität stimmt, hat Bernd Kunststofftechnik alle Wertschöpfungsschritte im eigenen Haus, vom Werkzeugbau über den Spritzguss und die Galvanik bis zur Montage, und natürlich die Laserbeschriftung. Drei Lasermarkiersysteme Trumark Stations 5000 von Trumpf, ein Laser-Vollautomat und eine Großformatanlage verpassen den verchromten Teilen ihr Tag-Nacht-Design. Die Laserstrahlquellen und Anlagen lassen sich exakt einstellen und präzise steuern, um unterschiedliche Geometrien abzutragen. „Manchmal müssen wir große Flächen abtragen, manchmal sehr feine. Diese ganze Varianz muss der Laser leisten“, erläutert Brockmann. Dabei ist die Reproduzierbarkeit das oberste Qualitätskriterium. „Wir machen ja nicht nur einen Start-Stopp-Knopf, sondern 20.000 pro Woche – auf unterschiedlichen Anlagen.“
Lasermarkiersysteme Trumark
Die Trumark Station 5000 von Trumpf ist eine Arbeitsstation, die sich mit allen Markier- beziehungsweise Beschriftungslasern des Herstellers kombinieren lässt. Sie kann mit Linearachsen in x- und y-Richtung und Rundachsen mit verschiedenen Spannsystemen ausgerüstet werden. Für die Integration in eine Fließlinie bietet die Markierstation die Möglichkeit zum Längstransfer der Werkstücke durch seitliche Öffnungen im Gehäuse. Die Markierstation ist als Steh- als auch als Sitzarbeitsplatz nutzbar.
Die luftgekühlten Beschriftungslaser der Trumark Serie 5000 sind Faserlaser mit hoher Leistung, hohen Pulsfrequenzen und variabel einstellbarer Pulsdauer. Sie eignen sich für anspruchsvolle Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf und kurzen Taktzeiten. Die Laserleistung bleibt über den gesamten Frequenzbereich stabil und ist bei Bedarf skalierbar. Durch die variable Strahlaufweitung lässt sich die Fokuslage verschieben. Die Laser verfügen über einen mechanischen Verschluss, der das Austreten von Laserstrahlung zwischen zwei Markiervorgängen verhindert. Die eingebauten Scannermodule ermöglichen schnelle Markierungsprozesse. Durch die softwaregesteuerte Fokuslagenanpassung können auch stufige Bauteile in einem Arbeitsgang beschriftet werden, ohne mechanisch bewegt werden zu müssen. Die Faserlaser sind gut geeignet für Tiefengravuren, Anlassbeschriftungen und spezielle Anwendungen der Mikrostrukturierung.
