In-Mould-Metal-Spraying – Neuer Verfahrensansatz zur Metallisierung von Kunststoffbauteilen

1.1 Einleitung

Die Elektroindustrie zählt mit einem globalen Marktvolumen von geschätzt 3.703 Mrd. Euro im Jahr 2013 zu den weltweit größten Wirtschaftsbranchen [NN14]. Immer komplexer werdende Anwendungen und ein hoher Druck zur Integration zusätzlicher Funktionen in die Baugruppen bestimmen die Entwicklung. Um die umschlossene Elektronik vor elektromagnetischer Störstrahlung zu schützen (EMV-Schutz), muss die umgebende Einhausung selbst elektrisch leitfähig sein, beispielsweise ein Gehäuse aus Metalldruckguss. Oft reicht jedoch eine dünne Metallschicht auf dem Gehäuse aus, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu gewährleisten. Die gezielte Kombination von Kunststoffen und Metallen ermöglicht eine anwendungsgerechte Nutzung beider Werkstoffe. Bestehende Verfahren zur Metallisierung von Kunststoffbauteilen wie die Laser-Direktstrukturierung (LDS) oder das Um- und Hinterspritzen metallischer Folien (In-Mould-Labeling) ist mit zusätzlichen Bearbeitungsschritten oder Vorprodukten verbunden, wodurch diese Prozesse zeit- und kostenintensiv sind [HAE+12, Jan08, MJ04]. Im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ erforschen das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) und das Institut für Oberflächentechnik (IOT) an der RWTH Aachen eine hybride Produktionstechnologie, die die Herstellung solcher Multi-Material-Bauteile in einem einstufigen Prozess ermöglichen soll.

1.2 Das Verfahren

Das In-Mould-Metal-Spraying (IMMS) verfolgt dabei die Kombination aus Spritzgießen und dem thermischen Spritzen (BBH+11, BHK+13). Bei dem im Jahr 2012 vom IKV und IOT neu vorgestellten Verfahren wird in einem ersten Schritt eine Metallschicht inline mithilfe eines thermischen Spritzverfahrens auf bestimmte Bereiche der Kavitätsoberfläche im Spritzgießwerkzeug aufgetragen. Im nächsten Schritt wird diese Metallschicht mit Kunststoff hinterspritzt. Die Metallschicht wird dadurch, ähnlich dem In-Mould-Labeling-Verfahren, auf das Kunststoffbauteil übertragen. Metallschicht und Kunststoff werden anschließend als Kunststoffbauteil mit integrierter partieller Metalloberfläche gemeinsam entformt (Bild 1).

Bild 1: Verfahrensablauf beim In-Mould-Metal-Spraying

Bild 1: Verfahrensablauf beim In-Mould-Metal-Spraying

 

1.3 Werkzeug- und Anlagentechnik für das IMMS

Zum Auftrag metallischer Schichten auf den Werkzeugeinsatz sind verschiedene Verfahren des thermischen Spritzens denkbar [NN05]. In bisherigen Studien am IKV und IOT sind sowohl das Lichtbogendrahtspritzen als auch das Kaltgasspritzen zur Beschichtung eingesetzt worden [BBH+11, BHK+13]. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird der Spritzzusatzwerkstoff drahtförmig als Elektrode zugeführt, per Lichtbogen aufgeschmolzen und mittels Zerstäubungsgas (z.B. Druckluft) beschleunigt. Die Partikel erreichen dabei Geschwindigkeiten von bis zu 100-150 m/s [Bob13]. Beim Kaltgasspritzen wird ein Metallpulver nur durch das Prozessgas (Helium oder Stickstoff) aufgeheizt aber nicht aufgeschmolzen. Durch die hohe Beschleunigung mittels vorgeheizten Prozessgases auf bis zu 1000 m/s wird die Haftung vornehmlich durch die kinetische Energie und die damit verbundene Deformation beim Aufprall auf das Substrat hervorgerufen. Dadurch lassen sich sehr dichte Schichten mit geringer Porosität und geringem Oxidanteil herstellen, was sich in verbesserten mechanischen und elektrischen Eigenschaften gegenüber anderen Spritzverfahren widerspiegelt [BMLW04]. Im Gegenzug kann es zu einer Verformung der Substratoberfläche kommen, was sich negativ auf die Lebensdauer der Werkzeugeinsätze auswirken kann [Cha07, SBGK06].

Um die aufgebrachte Metallschicht mit dem Kunststoff zu hinterspritzen, sind mehrere Werkzeugkonzepte denkbar. In Anlehnung an bekannte Werkzeugtechniken aus dem Mehrkomponenten-Spritzgießen ist eine Realisierung bspw. mit umsetzenden Verfahren mittels Drehmechanik oder Transfertechnik möglich [MJ04, ML05]. Die Transfertechnik bietet sich durch den Einsatz von Stammwerkzeugen mit wechselbaren Einsätzen besonders an. So kann ein bereits beschichteter Wechseleinsatz mit Kunststoff hinterspritzt werden, während ein weiterer Einsatz parallel beschichtet wird, womit sich Zykluszeiten reduzieren lassen. Zudem lässt sich durch eine Beschichtung der Werkzeugeinsätze in einer gekapselten Kabine verhindern, dass sich überschüssiges Spritzmaterial (Overspray) auf der Trennebene festsetzt und das Werkzeug beschädigt.

Die neue Technik zur Metallisierung von Kunststoffbauteilen kann den gängigen Verfahren wie dem Hinterspritzen von Metalleinlegern und Folien eine deutlich verkürzte Prozesskette entgegensetzen. Eine integrierte Fertigungszelle aus einer Spritzgießmaschine, einer robotergeführten thermischen Spritzanlage und einer entsprechenden Werkzeugtechnik soll den hochintegrierten Prozess ermöglichen und eine seriennahe Fertigung von Kunststoff/Metall-Hybriden in kürzesten Zykluszeiten erlauben.

1.4 Transfer gespitzter Metallschichten

Um eine optimale Metallbeschichtung zu erhalten, muss die aufgebrachte Metallschicht während der Einspritzphase des Kunststoffs am Werkzeug haften und darf nicht durch den Schmelzestrom beschädigt werden. Beim Entformen des Bauteils soll sich diese jedoch leicht vom Werkzeug lösen und eine gute Anbindung an den Kunststoff aufweisen. Erste Untersuchungen wurden mit dem Kaltgasspritzprozess durchgeführt [BHK+13, BÖL+14]. Dabei wurde Kupfer auf die Oberfläche eines Werkzeugeinsatzes gespritzt (Bild 2).

Bild 2: Transfer kaltgasgespritzter Kupferschichten

Bild 2: Transfer kaltgasgespritzter Kupferschichten

Es konnten, in Abhängigkeit von der Werkzeugoberfläche, maximal 70 % der aufgetragen Kupferschicht auf das Kunststoffteil transferiert werden. Die hohe Partikelgeschwindigkeit und die damit verbundene hohe kinetische Energie sorgen für eine starke Haftung des Kupfers auf der Werkzeugoberfläche, was den Übertrag auf das Kunststoffbauteil erschwert. Nach dem Übertrag konnten zudem durch die hohe kinetische Energie der Partikel während der Beschichtung bei dem eingesetzten Werkzeugstahl (1.1730 unbehandelt) erhebliche Oberflächenschäden festgestellt werden.

In weiteren Untersuchungen wurde eine Zinkschicht partiell mittels Lichtbogendrahtspritzens und dem Einsatz von Masken aufgetragen. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Partikelgeschwindigkeiten wurde eine geringere Oberflächenbeanspruchung erreicht. Da die mechanische Verklammerung eine der wichtigsten Haftmechanismen von thermisch gespritzten Schichten darstellt, wird die zu beschichtende Oberfläche meistens vor dem Spritzen aufgeraut. Der Konflikt zwischen der Schichthaftung und dem Schichtübertrag beim IMMS erfordert eine gezielte Modifikation der Oberflächentopographie. Zudem wurden unterschiedliche Verfahren zum Aufrauen der Kavitätsoberfläche untersucht, um die geeignete Methode zur Vorbehandlung der Kavitätsoberfläche herauszufinden. Des Weiteren wurden die Prozessparameter beim Lichtbogendrahtspritzen angepasst; somit wurde eine sichere Haftung der Zinkschicht während des Spritzgießens sowie ein erfolgreicher Übertrag beim Entformen gewährleistet (Bild 3).

 

Bild 3: Demonstrator; Kunststoffträger mit partieller Zinkschicht

Bild 3: Demonstrator; Kunststoffträger mit partieller Zinkschicht

 

1.5 Fazit und Ausblick

Das vom IKV und IOT entwickelte In-Mould-Metal-Spraying (IMMS) stellt eine vielversprechende Alternative zur Metallisierung von Kunststoffbauteilen für elektronische Anwendungen dar. In ersten Untersuchungen konnte die Machbarkeit des Verfahrens unter Beweis gestellt werden. So ist der Übertrag unterschiedlicher Metalle auf den Kunststoff ebenso möglich wie der Einsatz verschiedener Spritzverfahren.

In zukünftigen Untersuchungen werden die Einflüsse unterschiedlicher Werkzeugstähle, deren Oberflächeneigenschaften, verwendbare Kunststoffe und Metallschichten auf die Übertragbarkeit weiter erforscht. Zudem bestehen bisher kaum Erfahrungen hinsichtlich der Abformbarkeit praxisrelevanter Geometrien, wie z. B. von Wanddickenübergängen, Durchbrüchen oder Rippenkonstruktionen. Mit Hilfe eines neuen Demonstratorwerkzeugs, welches im Besonderen eine strukturierte Oberfläche aufweist, sollen nun erweiterte Evaluationen zur Bauteilauslegung und Prozessführung durchgeführt werden.

1.6 Dank

Die vorgestellten Arbeiten zum In-Mould-Metal-Spraying (IMMS) wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ an der RWTH Aachen finanziell gefördert.

Der DFG gilt unser Dank. Darüber hinaus danken wir allen Firmen, die durch Bereitstellung von Kunststoffen, Maschinen und sonstigen Sachmitteln diese Forschungsprojekte unterstützt haben.

1.7 Die Autoren

Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann ist Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) und Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen.

Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin ist Leiterin des Instituts für Oberflächentechnik (IOT) und Inhaberin des Lehrstuhls für Oberflächentechnik im Maschinenbau an der RWTH Aachen.

M.Sc. Philipp Ochotta ist seit 2013 wissenschaftlicher Mitarbeiter des IKV und leitet dort die Arbeitsgruppe Mehrkomponententechnik.

M.Sc. Mehmet Öte ist seit 2013 Oberingenieur am IOT und seit 2010 wissenschaftlicher Mitarbeiter des IOT.

Dipl.-Ing. Thomas Frederik Linke ist seit 2010 wissenschaftlicher Mitarbeiter des IOT und leitet die Gruppe Thermisches Spritzen.

M.Sc. Xifang Liao ist seit 2013 wissenschaftlicher Mitarbeiter des IOT und arbeitet in der Abteilung Thermisches Spritzen.

Fachartikel zum Thema In-Mould-Metal-Spraying aus Werkstoffe in der Fertigung 6/2015


 

[BBH+11] Bobzin, K.; Bührig-Polaczek, A.; Haberstroh, E.; Michaeli, W.; Poprawe, R.; Reisgen, U.; Flock, D.; Grönlund, O.; Jakob, M.; Kutschmann, P.; Neuß, A.; Rösner, A.; Scheik, S.; Schleser, M.; Wunderle, J.: Verkürzung von Prozessketten bei der Herstellung von Kunststoff/Metall-Hybriden durch neuartige Urform- und Fügeprozesse. In: Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer Berlin, Heidelberg: Brecher, C., 2011, 514-590

[BHK+13] Bobzin, K.; Hopmann, C.; Kopp, N.; Linke, T.; Schulz, C.; Wunderle, J.: Investigation of transferring coatings using the In-Mould Metal Spraying Process. Proceedings of The A Coatings (2013), Institut für Oberflächentechnik, RWTH Aachen

[Bob13] BOBZIN, K.: Oberflächentechnik für den Maschinenbau, 1. Auflage, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2013

[BÖL+14] BOBZIN, K., Öte, M., Linke, T. F., Schulz, C., Hopmann, C., Wunderle, J.: Integration of Electrical Functionality by Transplantation of Cold Sprayed Electrical Conductive Cu Tracks via Injection Moulding. Proceedings of International Thermal Spray Conference (2014), Barcelona, Spanien

[BMLW04] Bach, F.; Möhwald, K.; Laarmann, A.; Wenz, T.: Moderne Beschichtungsverfahren. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2004

[Cha07] Champagne, V.K.: The cold spray materials deposition process: Fundamentals and applications. Cambridge: Wooghead, 2007

[HAE+12] N.N.: Laserbasierte Herstellung multifunktionaler Packages am Beispiel von innovativen Mikrodrehgebern für die Automatisierungs-und Kraftfahrzeugtechnik. URL: http://www.lpkf.de/_mediafiles/1382-multifunktionale-sensor-packages. pdf, 2012

[Jan08] Jantz, R.: Laserdirektstrukturieren–Eine neue Technologie setzt sich durch. Elektronische Baugruppen und Leiterplatten – EBL 2008 (2008), Fellbach

[MJ04] Michaeli, W.; Johannaber, F.: Handbuch Spritzgießen. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2004

[ML05] Michaeli, W.; Lettowsky, C.: Mehrkomponentenspritzgießen. Verfahren und Möglichkeiten. Umdruck zur VDI-Fachtagung Spritzgießen (2005), Baden-Baden

[NN05] N.N.: DIN EN 657: Thermisches Spritzen – Begriffe, Einteilung. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2005

[NN14] N.N.: Elektroindustrie weltweit – Branchenstruktur und Entwicklung. ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V., Frankfurt am Main, 2014

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