ZAUGG, Adrian (Miescherweg 10A, Mühlethal, CH-4812, CH)
| Patentansprüche 1 . Verfahren zur Herstellung eines Körpers (1 ), welcher Körper (1 ) ein Substrat (100) und eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht (1 10) umfasst, wobei ein Formkörper (2) zur Formgebung eines vorgegebenen Oberflächenbereichs (101 ) des Körpers (1 ) bereitgestellt wird, welcher Formkörper (2) eine Formfläche (200) aufweist, deren Topologie invers zur Topologie des vorgegebenen Oberflächenbereichs (101 ) des herzustellenden Körpers (1 ) ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgängigen Verfahrensschritt die Oberflächenschicht (1 10) des Körpers (1 ) mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Formfläche (200) des Formkörpers (2) aufgebracht wird, so dass auf der Formfläche (200) des Formkörpers (2) eine Funktionsoberfläche (1 1 1 ) der Oberflächenschicht (1 10) gebildet wird, und auf einer der Funktionsoberfläche (1 1 1 ) abgewandten Seite eine Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) gebildet wird, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt das Substrat (100) auf die Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) aufgebracht wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die thermisch gespritzte Oberflächenschicht eine Hartschicht umfassend ein Oxid und / oder ein Karbid und / oder eine Keramik ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenschicht ein Metall, insbesondere Aluminium und / oder Titan umfasst. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Spritzmaterial während des thermischen Spritzverfahrens variiert wird. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Spritzparameter des thermischen Spritzverfahrens so geführt wird, dass eine Oberflächenstruktur (1 120) der Haftoberfläche (1 12) derart ausgebildet wird, dass das Substrat (100) beim Aufbringen auf die Haftoberfläche (1 12) haftend mit der Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) verbunden wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Spritzparameter eine Spritzgeschwindigkeit und / oder eine Spritztemperatur und / oder ein Spritzabstand und / oder ein Gasdruck und / oder eine Gaszusammensetzung ist. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenschicht (1 10) als Mehrschichtsystem ausgebildet wird. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Formfläche (200) des Formkörpers (2) mit einem vorgegebenen Strukturmuster strukturiert wird, so dass die Funktionsoberfläche (1 1 1 ) mit einer zum Strukturmuster (201 ) inversen Funktionsstruktur beim thermischen Spritzen versehen wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Strukturmuster ein Strukturmuster zur Herstellung einer elektromagnetisch, im speziellen optische Funktionsstruktur ist. 10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Formfläche (200) des Formkörpers (2) derart glatt ausgestaltet wird, dass beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht (1 10) eine entsprechend glatte Funktionsoberfläche (1 1 1 ) gebildet wird. 1 1 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenschicht (1 10) und / oder das Substrat (100) aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet wird. 12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich einer Radiofrequenz, einer Fernsehfrequenz, einer Mobilfunkfrequenz, einer Satellitenempfangs- oder Sendefrequenz oder einer Mikrowellen- oder Radarfrequenz liegt. 13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht ist und die Oberflächenschicht (1 10) und / oder das Substrat (100) zumindest in einem vorgegebenen optischen Frequenzbereich optisch transparent ist. 14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in die Oberflächenschicht (1 10) und / oder in das Substrat (100) ein elektromagnetisch sensitives Element, insbesondere eine Sendeantenne und / oder eine Empfangsantenne integriert wird. 15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das elektromagnetisch sensitive Element ein optischer Empfänger und / oder ein optischer Sender ist. 16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das thermische Spritzverfahren ein Plasmaspritzverfahren, ein, Flammspritzverfahren, ein LPPS-Verfahren, ein HVOF-Verfahren, ein Kaltgas Spritzverfahren oder ein anderes thermisches Spritzverfahren ist. 17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) einen Kunststoff und / oder ein Polymer, insbesondere einen tief schmelzenden Kunststoff und / oder ein tief schmelzendes Polymer umfasst. 18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Carbon Verbundwerkstoff und / oder Glas umfasst. 19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) ein Metall umfasst. 20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) mittels eines Spritzgussverfahrens oder mittels eines Giessverfahrens oder mittels Aufstreichen oder mittels Kleben durch ein Streichwerkzeug auf die Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) aufgebracht wird. 21 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper (1 ) ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für ein optisches und / oder ein akustisches und / oder ein mechanisches und / oder ein elektronisches Gerät ist. 22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Körper (1 ) ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Computer, insbesondere ein tragbarer Computer, ein Zubehörgerät für einen Computer, ein Abspielgerät zur Wiedergabe und / oder zur Aufnahme elektromagnetischer Signale, im speziellen von akustischen und / oder optischen Signalen ist, oder ein Satelliten Kommunikationsgerät, insbesondere ein GPS-Gerät ist. 23. Körper, umfassend ein Substrat (100) und eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht (1 10), wobei die Oberflächenschicht (1 10) in einem vorgegebenen Oberflächenbereich (101 ) des Körpers auf dem Substrat (100) ausgebildet ist, die Oberflächenschicht (1 10) eine dem Substrat (100) abgewandte äussere Funktionsoberfläche (1 1 1 ) aufweist, und die Oberflächenschicht (1 10) auf einer dem Substrat (100) zugewandten Seite eine Haftoberfläche (1 12) zur Haftung auf dem Substrat (100) im vorgegebenen Oberflächenbereich (101 ) des Körpers umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (1 10) vorgängig in einem thermischen Spritzprozess hergestellt ist, und das Substrat (100) nachgängig auf die Haftoberfläche (1 12) aufgebracht ist, wobei eine Oberflächenstruktur der Haftoberfläche (1 12) durch den thermischen Spritzprozess derart ausgebildet ist, dass das Substrat (100) haftend mit der Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) verbunden ist. 24. Körper nach Anspruch 23, wobei die thermisch gespritzte Oberflächenschicht (1 10) eine Hartschicht umfassend ein Oxid und / oder ein Karbid und / oder eine Keramik ist. 25. Körper nach einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei die Oberflächenschicht (1 10) ein Metall, insbesondere Aluminium und / oder Titan umfasst. 26. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die Oberflächenschicht (1 10) als Mehrschichtsystem ausgebildet ist. 27. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Funktionsoberfläche (1 1 1 ) mit einer beim thermischen Spritzen erzeugten Funktionsstruktur versehen ist. 28. Körper nach Anspruch 27, wobei die Funktionsstruktur eine elektromagnetische, im speziellen eine optische Funktionsstruktur ist. 29. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht (1 10) eine glatte Funktionsoberfläche (1 1 1 ) gebildet ist. 30. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 29, wobei die Oberflächenschicht (1 10) und / oder das Substrat (100) aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet ist. 31 . Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 30, wobei eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich einer Radiofrequenz, einer Fernsehfrequenz, einer Mobilfunkfrequenz, einer Satellitenempfangs- oder Satellitensendefrequenz, oder einer Mikrowellen- oder Radarfrequenz liegt. 32. Körper nach Anspruch 30 oder 31 , wobei die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht ist und die Oberflächenschicht (1 10) und / oder das Substrat (100) zumindest in einem vorgegebenen optischen Frequenzbereich optisch transparent ist. 33. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 32, wobei in die Oberflächenschicht (1 10) und / oder in das Substrat (100) ein elektromagnetisch sensitives Element, insbesondere eine Sendeantenne und / oder eine Empfangsantenne integriert ist. 34. Körper nach Anspruch 33, wobei das elektromagnetisch sensitive Element ein optischer Empfänger und / oder ein optischer Sender ist. 35. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 34, wobei das thermische Spritzverfahren ein Plasmaspritzverfahren, ein, Flammspritzverfahren, ein LPPS-Verfahren, ein HVOF-Verfahren, ein Kaltgas Spritzverfahren oder ein anderes thermisches Spritzverfahren ist. 36. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 35, wobei das Substrat (100) einen Kunststoff und / oder ein Polymer, insbesondere einen tief schmelzenden Kunststoff und / oder ein tief schmelzendes Polymer umfasst. 37. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 36, wobei das Substrat (100) einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Karbon Verbundwerkstoff umfasst und / oder Glas umfasst. 38. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 37, wobei das Substrat (100) ein Metall umfasst. 39. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 38, wobei das Substrat (100) mittels eines Spritzgussverfahrens oder mittels eines Giessverfahrens oder mittels Aufstreichen durch ein Streichwerkzeug oder mittels Kleben auf die Haftoberfläche (1 12) der Oberflächenschicht (1 10) aufgebracht ist. 40. Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 39, wobei der Körper (1 ) ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für ein optisches und / oder ein akustisches und / oder ein mechanisches und / oder ein elektronisches Gerät ist. 41 . Körper nach einem der Ansprüche 23 bis 40, wobei der Körper (1 ) ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Computer, insbesondere ein tragbarer Computer, ein Zubehörgerät für einen Computer, ein Abspielgerät zur Wiedergabe und / oder zur Aufnahme elektromagnetischer Signale, im speziellen von akustischen und / oder optischen Signalen oder ein Satellitenkommunikationsgerät, insbesondere ein GPS-Gerät ist. 42. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22 zur Herstellung eines Körpers (1 ) nach einem der Ansprüche 23 bis 41. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht, einen Körper mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht, sowie die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Körpers mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.
Das Veredeln von Oberflächen aller Art durch Aufbringen von speziellen Beschichtungen mittels verschiedenster Beschichtungstechniken hat heutzutage in nahezu alle Gebiete der Technik Einzug gehalten. Dabei werden nicht nur Substrate aus Metall, wie Eisen, Stahl, Aluminium,
Kupfer usw. beschichtet, sondern auch das Beschichten von Glas, Keramiken, Kunststoffen, Faserwerkstoffen und vielen anderen Materialien ist durchgängiger Standard. Neben dem Aufbringen einer Schutzschicht aus Farbe, durch Verchromen, oder Verzinken mit den bekannten klassischen Methoden findet die Technik des sogenannten thermischen Spritzens in seinen zahlreichen Varianten immer weitere Verbreitung zum Schutz oder zur Veredelung von Oberflächen. Dabei wird das thermische Spritzen in vielen Bereichen für das Auftragen von Verschleiss-Schutzbeschichtungen auf der Basis von metallischen, karbidhaltigen, keramischen oder Verbundwerkstoffen angewendet. Ein entscheidender Vorteil der Technik des thermischen Spritzens besteht einerseits darin, dass viele Basismaterialien als Substrat zum Beschichten in Frage kommen. Was vielleicht jedoch noch wichtiger ist, ist die quasi unüberschaubare Zahl ganz unterschiedlicher Werkstoffe, die als Beschichtungsmaterial beim thermischen Spritzen eingesetzt werden können. Insbesondere sind dem Fachmann auch eine ganze Reihe physiologisch unbedenkliche Werkstoffe geläufig, so dass die Technik des thermischen Spritzens sehr erfolgreich auch zur Beschichtung von Produkten eingesetzt werden kann, die mit Menschen oder Tieren unmittelbar in Berührung kommen oder die zum Beispiel unmittelbar mit Lebensmitteln in Kontakt kommen bzw. in der Medizin Anwendung finden. Praktisch alle Werkstoffe, die eine stabile flüssige (oder gasförmige) Phase aufweisen und / oder in einem geeigneten Pulvergrössenbereich oder in der passenden Form, zum Beispiel als Spritzdraht erhältlich sind, können mit der geeigneten Technik auf nahezu alle Substrate aufgetragen werden, so dass eine sehr grosse Freiheit bei der Wahl des Beschichtungsmaterials und der zu beschichteten Materialien gegeben ist.
Das ist letztlich natürlich auch dadurch bedingt, dass eine ganze Reihe von thermischen Spritzverfahren zur Verfügung stehen, die je nach der Art des zu beschichtenden Substrats und / oder des verwendeten Beschichtungsmaterials ausgewählt werden können. Beispielhaft sei dazu auf die Technik des Drahtflammspritzens, des Lichtbogenspritzens, des Plasmaspritzen und auf das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und des Kaltgasspritzens verwiesen, die dem Fachmann auf dem Gebiet des thermischen Spritzens in ihren verschiedenen Varianten wohlbekannt sind.
Die aufgetragenen Schichten können dabei zum Beispiel Schutz vor Korrosion, thermischer, chemischer oder mechanischer Belastung bieten; es kann sich um Schichten für optische Anwendungen handeln, etwa zur Filterung oder Dämpfung des Sonnenlichts, oder um Schichten zur Verspiegelung optischer Geräte oder Vorrichtungen. Aber auch aus rein ästhetischen Gründen werden auf Gegenstände aller Art, insbesondere auch auf Gebrauchsgegenstände, zunehmend Schichten durch thermische Spritzverfahren aufgebracht. Besondere Bedeutung hat das thermische Beschichten überall auch dort, wo empfindliche Oberflächen mechanischen Einwirkungen, wie der Reibung zwischen Gegenlaufpartner, zum Beispiel zwischen Kolben und Kolbenring eines Zylinders einer Brennkraftmaschine oder auch bei Rollen und Walzen zum Bearbeiten von Blechen, Folien usw. ausgesetzt sind. Hier haben sich insbesondere Beschichtungen aus Keramik bzw. mit keramischen
Einlagerungen sehr gut bewährt, die eine hervorragende Resistenz gegen abrasive Beanspruchungen aufweisen. Sehr vorteilhaft werden in diesem Sinne auch verbreitet metallische Schichten gespritzt, die keramische und / oder oxidische Partikel enthalten. Solche Schichten haben einerseits ein hervorragendes Haftvermögen, insbesondere auf metallischen Substraten und zeigen trotz einer relativ weichen Metallmatrix, die die aufgespritzte Oberflächenschicht bildet, durch die eingelagerten keramischen oder oxidischen Partikel eine immer noch hervorragende Widerstandskraft gegen mechanische Belastungen wie Reibung, Scheuern, Kratzen oder zum Beispiel beim Bearbeiten mit Schneidwerkzeugen und dergleichen. Darüber hinaus, was bei verschiedenen Anwendungen wichtig ist, zeigen solche Schichten aufgrund der metallischen Grundmatrix noch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was häufig, zum Beispiel bei Haushaltsgegenständen, wie Koch- oder Backgeschirr, Bügeleisen oder dann wenn die Wärme zuverlässig abgeführt oder übertragen werden muss, wie zum Beispiel bei Kochplatten,
Backofenauskleidungen, Grillvorrichtungen oder auch bei Rollen oder Walzen während des Walzprozesses, eine erhebliche Rolle spielen kann.
Insbesondere die Beschichtung von Gegenständen aller Art, die neben mechanischen Belastungen auch starken Temperaturbeanspruchungen ausgesetzt sind, wie Haushaltsgegenstände zum Kochen oder Braten, zum Beispiel Bratpfannen, Kochgeschirr bzw. Koch-, Brat- und Backbestecke, oder ganz allgemein von Brat- oder Backoberflächen, z.B. von Backformen oder Backflächen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Dabei kommen als Basismaterial, z.B. für Koch- oder Backgeschirr auch zunehmend Werkstoffe aus Kunststoff in Gebrauch. Dasselbe gilt natürliche auch für andere
Gegenstände wie beispielsweise für Bügelsohlen von Bügeleisen. Aber auch im industriellen Bereich gibt es zahlreiche Beispiele von Einrichtungen und Gegenständen, die im Betriebszustand thermischen und mechanischen Belastungen gleichermassen ausgesetzt sind und deren empfindliche Oberflächen durch geeignete Beschichtungen geschützt werden müssen. Beispielhaft seien an dieser Stelle Walzen und Rollen verschiedenster Art genannt, die zum Walzen von Blechen, Folien und so weiter eingesetzt werden.
Zusätzlich zu der mechanischen Schutzfunktion der Schichten sind häufig auch gewisse Antihafteigenschaften gefordert. Das trifft insbesondere auf die zuvor erwähnten Haushaltsgeräte zu, an welchen einerseits das Koch-, Back oder Bratgut möglichst nicht haften bleiben soll und die andererseits auch leicht zu reinigen sein sollen, was natürlich beispielsweise auch auf die erwähnten Oberflächen von Öfen oder Grillvorrichtungen zutrifft. Diese Anforderungen werden selbstverständlich auch an die oben erwähnten Rollen und Walzen gestellt. Alle diese Oberflächen sollen in vorgebbaren Grenzen möglichst glatt sein und andererseits jedoch möglichst gute Antihafteigenschaften aufweisen.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die ästhetische Veredelung von Gegenständen aller Art, z.B. von Schmuck oder Uhren oder anderen technischen oder nicht technischen Gegenständen, deren Oberflächen aus verschiedenen Gründen mit ästhetischen Oberflächen veredelt werden sollen.
Zur Lösung dieser Aufgaben sind aus der Literatur zahlreiche Beschichtungen und entsprechende Verfahren zum Aufbringen solcher Beschichtungen wohlbekannt. Dabei gibt es in diesem Zusammenhang unter anderen zwei wesentliche Probleme, die bis heute nicht befriedigend gelöst sind:
Das eine Problem betrifft die Beschichtung empfindlicher Substrate. Also solcher Substrate, die entweder temperaturempfindlich, chemisch, mechanisch oder aus anderen Gründen sehr empfindlich sind.
Liegt zum Beispiel der Schmelzpunkt eines temperaturempfindlichen Substrats in der Nähe, oder sogar unterhalb derjenigen Temperatur, die ein thermisches Spritzmaterial hat, wenn es beim thermischen Spritzen auf das temperaturempfindliche Substrat auftrifft, so kann ein solches Substrat möglicherweise nicht mit dem entsprechenden thermischen Spritzverfahren beschichtet werden, weil das Substrat beim Beschichten schmelzen würde oder zumindest die Oberfläche des Substrats selbst beim Beschichten beschädigt würde. So ist es bis heute zumindest sehr problematisch, wenn nicht unmöglich z.B. tief schmelzende Kunststoffe, tief schmelzende Polymere, Verbundwerkstoffe, z.B. Carbon Verbundwerkstoffe oder bestimmte Gläser mit bestimmten thermischen Spritzverfahren zu beschichten.
Aber selbst wenn der Schmelzpunkt eines bestimmten Substratmaterials ausreichend hoch liegt, ist es möglich, dass das Substrat bzw. die zu beschichtende Oberfläche des Substrats durch den thermischen
Beschichtungsprozess als solches beschädigt oder angegriffen wird, weil bei einem thermischen Beschichtungsprozess der thermische Spritzwerkstoff immer mit einer gewissen Wucht auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats geschleudert wird, was bei empfindlichen Oberflächen, z.B. bei weichen Oberflächen oder bei solchen Oberflächen, die durch die zugeführte Wärme beim thermischen Spritzen weich werden, zu nicht akzeptablen Schädigungen führen kann. Beispiele dafür sind neben Kunststoffmaterialien unter anderem auch bestimmte Metalle oder Metalllegierungen.
Aber auch andere negative Reaktionen zwischen dem thermischen Spritzmaterial und dem Substrat sind in Abhängigkeit von den beteiligten Materialien möglich. So kann es zum Beispiel zu unerwünschten chemischen Reaktionen zwischen Substratmaterial und dem mehr oder weniger heissen Spritzwerkstoff während des thermischen Sphtzprozess kommen. So kann sich das Substratmaterial z.B. zumindest in einer Oberflächenschicht unter der Einwirkung des thermischen Spritzvorgangs zersetzen, oxidieren oder eine andere unerwünschte chemische oder physikalische Reaktion durchlaufen.
So können z.B. transparente Substratstoffe durch den thermischen Spritzvorgang intransparent, also undurchsichtig werden, was eventuell nicht gewünscht ist. Beispielsweise wäre es denkbar, einen gekrümmten Spiegel auf einer Rückseite vorteilhaft mit einer thermischen Spritzschicht mit bestimmten Eigenschaften zu versehen. Ein Spiegelmaterial, das jedoch den extremen Bedingungen beim thermischen Spritzen nicht standhält, konnte bisher durch thermisches Spritzen nicht vergütet werden. Noch klarer liegt das Problem auf der Hand, wenn tief schmelzende
Materialien wie z.B. Kunststoffe Art thermisch beschichtet werden sollen. So wäre es zum Beispiel wünschenswert, die Oberfläche von elektronischen oder optischen Gebrauchsgegenständen, wie Mobiltelefone, tragbare Computer, Fotoapparate, Videokameras usw. mit verschleissfesten Oberflächen zu versehen, da solche Gegenstände sehr empfindlich gegen verkratzen und andere mechanische Einwirkungen sind. Bisher ist die Auswahl der einsetzbaren thermischen Spritzverfahren und auch der verwendbaren Spritzmaterialien sehr begrenzt, so dass solche Gebrauchgegenstände praktisch nie thermisch beschichtet werden. Selbst dann nicht, wenn ein thermisches Beschichten im Prinzip möglich wäre. Die Randbedingungen, die beim thermischen Spritzen solcher empfindlichen Materialien einzustellen sind, wie zum Beispiel Kühlung des Substrats während des thermischen Beschichtungsprozesses, spezielle Gasatmosphären, um etwa ein Oxidieren zu vermeiden usw., sind oft prozesstechnisch so aufwändig, dass ein so beschichtetes Produkt aufgrund seines hohen Preises nicht mehr verkäuflich wäre.
Werden für Spezialanwendungen, bei welchen der Preis eine untergeordnete Rolle spielt, dann dennoch mit thermischen Spritzschichten versehen, so lassen sich diese komplizierten Prozesse häufig kaum automatisieren, was unter anderem zu einem hohen Personalaufwand führt.
Das zweite Problem betrifft die äussere Oberflächenstruktur der thermisch gespritzten Schichten.
Die äusseren Oberflächen von thermisch gespritzten Schichten haben eine bestimmte Struktur, die durch das verwendete Spritzmaterial, das verwendete thermische Spritzverfahren und durch die Prozessführung beim thermischen Spritzen bestimmt ist.
Durch entsprechende Wahl der Prozessparameter, wie zum Beispiel die Spritzgeschwindigkeit, die Spritztemperatur, den Spritzabstand zum Substrat, das verwendete Prozessgas beim Spritzen, den Druck des verwendeten
Prozessgases, der unter anderem die Stärke der Wucht bestimmt, mit der das meist mehr oder weniger flüssige oder plastische Spritzmaterial auf die Oberfläche des Substrats aufgeschleudert wird, oder durch geeignete Wahl weiterer Prozessparameter kann die Oberflächenstruktur der hergestellten thermischen Spritzschicht in gewissen Grenzen variiert werden. So kann zum Beispiel, aber nicht nur, in Abhängigkeit von der Spritzgeschwindigkeit in bestimmten Grenzen die Rauhigkeit der Oberfläche eingestellt werden. Auch durch geeignete Wahl der Spritztemperatur, des Spritzabstandes oder der Stärke der Kühlung, mit der ein zu beschichtendes Substrat während des Spritzvorgangs gekühlt wird, kann z.B. eine mehr oder wenige raue oder aber auch z.B. eine mehr oder weniger poröse Oberflächenbeschaffenheit eingestellt werden.
So kann z.B. die Rauhigkeit der Oberfläche der thermischen Spritzschicht dadurch verringert werden, dass bei höherer Temperatur und / oder höherer Spritzgeschwindigkeit gespritzt wird, so dass die entstehenden Tröpfchen aus Spritzmatehal feiner sind, als z.B. bei einer niedrigeren Spritztemperatur, so dass feinere Oberflächen mit einer geringeren Rauhigkeit entstehen. All diese und eine ganze Reihe anderer Massnahmen sind dem Fachmann wohlbekannt, mit der man die Beschaffenheit der thermisch gespritzten Schichten und deren Oberflächenstruktur beeinflussen kann.
Dem sind allerdings relativ enge Grenzen gesetzt, wobei die Möglichkeiten insbesondere auch vom verwendeten Spritzmaterial abhängen.
Dabei sind auch andere negative Effekt, die die Oberflächenbeschaffenheit negativ beeinflussen, mit den herkömmlichen Spritzverfahren nur mit sehr aufwändigen Massnahmen einigermassen in den Griff zu bekommen. So kann es zum Beispiel je nach verwendetem Spritzmaterial unmittelbar nach dem Aufspritzen zu chemischen Reaktionen des noch heissen Spritzmaterials, zum Beispiel zur Oxidation der Oberfläche an der Umgebungsluft kommen. Das kann zu unschönen oder technisch unbrauchbaren oder nachteiligen Eigenschaften der Oberflächen der thermischen Spritzschicht führen.
Was beim klassischen, grossflächigen thermischen Spritzen zudem grundsätzlich nicht möglich ist, ist das Einbringen einer vorgegeben Oberflächenstruktur in die Oberfläche der thermischen Spritzschicht während des Spritzvorgangs selbst.
Wenn eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht eine bestimmte Struktur erhalten soll, z.B. eine besonders raue oder besonders glatte Oberflächenstruktur, die durch die Regelung der Spritzparameter nicht erreichbar ist, so muss die Oberfläche nach dem thermischen Spritzen entsprechend aufwändig nachbearbeitet werden, also z.B. geschliffen oder aufgeraut werden.
Kompliziertere Strukturen, z.B. Muster, Logos oder technische Strukturen, können oft nur unter grossen Schwierigkeiten oder im schlimmsten Fall gar nicht in die Struktur eingebracht werden, weil beispielweise beim Einschleifen oder Einritzen der Struktur, Material aus der Oberfläche ausbricht, wodurch diese unbrauchbar wird.
Vor allem aus der Oberfläche herausstehende Strukturen sind mit den bekannten thermischen Spritzverfahren praktisch nicht herstellbar, es sei denn, sie werden nach dem Spritzen aufwändig chemisch oder mechanisch aus der Oberfläche herausgearbeitet.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile auszuräumen und insbesondere ein Verfahren bereitzustellen, mit dem vor allem, aber nicht nur z.B. thermisch, chemisch oder mechanisch nur wenig belastbare Substrate mit einer thermischen Oberflächenschicht versehen werden können, bzw. mit welchem die Oberflächenstruktur einer thermischen Spritzschicht eines beliebigen Substrates nach einem vorgegebenen Schema eingestellt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes thermisch beschichtetes Substrat bereit zustellen.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers, welcher Körper ein Substrat und eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht umfasst. Dabei wird ein Formkörper zur Formgebung eines vorgegebenen Oberflächenbereichs des Körpers bereitgestellt, welcher Formkörper eine
Formfläche aufweist, deren Topologie invers zur Topologie des vorgegebenen Oberflächenbereichs des herzustellenden Körpers ist. Erfindungsgemäss wird in einem vorgängigen Verfahrensschritt die Oberflächenschicht des Körpers mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Formfläche des Formkörpers aufgebracht, so dass auf der Formfläche des Formkörpers eine Funktionsoberfläche der Oberflächenschicht gebildet wird, und auf einer der Funktionsoberfläche abgewandten Seite eine Haftoberfläche der Oberflächenschicht gebildet wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das Substrat auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist somit, dass das zu beschichtende Substrat mit dem thermischen Spritzprozess als solchem überhaupt nicht mehr in Kontakt kommt. Vielmehr wird im Gegensatz zu den bekannten klassischen Spritzverfahren die thermische Spritzschicht unabhängig vom Substrat zuerst erzeugt und das Substrat sodann bevorzugt in mehr oder weniger Flüssiger Form auf die erkaltete thermische Spritzschicht aufgebracht, z.B. durch ein Spritzgussverfahren aufgespritzt, oder auf die zuvor thermisch gespritzte Schicht mittels eines Giessverfahrens aufgegossen oder anders geeignet mit der thermisch gespritzten Oberflächenschicht verbunden.
In speziellen Fällen, abhängig von der thermischen Spritzfest und / oder von dem Material des Substrats kann das Substrat sogar bereits geeignet vorgeformt sein und wird dann mit einer vorgegeben geeigneten Stärke bzw. Kraft auf die zuvor thermisch gespritzte Oberflächenschicht aufgepresst, wodurch eine feste Verbindung zwischen dem Substrat und der thermisch gespritzten Oberflächenschicht hergestellt wird. Dieses sehr spezielle Verfahren eignet sich besonders für Substrate, die besonders weich sind oder unter einem vorgegebenen Druck z.B. weich oder an der Oberfläche sogar flüssig werden und sich so mit der zuvor thermisch gespritzten Oberflächenschicht verbinden.
Durch Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es somit auch erstmals möglich, neben tief schmelzenden Kunststoffen, Polymeren, oder anderen tief schmelzenden oder mechanisch oder chemisch empfindlichen Materialien zum Beispiel auch thermisch oder mechanisch empfindliche Metalle oder Metalllegierungen mit thermischen Spritzschichten zu versehen, ohne die Oberflächen der empfindlichen Substrate negativ durch den thermischen Spritzvorgang zu beeinflussen oder gar zu beschädigen. Auch ist es durch die Erfindung zum Beispiel erstmals möglich, mechanisch sehr empfindliche oder filigrane Strukturen mit einer thermisch gespritzten Oberflächenschicht zu versehen, was mit den bekannten Methoden grundsätzlich unmöglich ist, weil die Substrate durch die bekannten thermischen Spritzprozesse zerstört würden. So können z.B. extrem dünne Substratstrukturen, beispielweise aus Glas oder einem anderen mechanisch sehr empfindlichen Material auf einfache Weise mit einer thermischen Spritzschicht versehen werden.
So kann z.B. für ein wissenschaftliches Gerät zunächst gemäss der Erfindung eine thermische Spritzschicht auf einem Formkörper hergestellt werden, und anschliessen eine extrem dünne Glasschicht aufgebracht werden oder eine extrem dünne Schicht aus einem anderen gewünschten Material aufgebracht werden, so dass eine mit einer fast beliebig auswählbaren thermischen Spritzschicht versehene Struktur entsteht.
Für ganz spezielle Anwendungen ist es sogar denkbar, dass bei einer zuvor beschriebenen Struktur die thermische Spritzschicht das eigentliche
Trägermaterial für die aufgebrachte filigrane Struktur ist, die eine bestimmte Funktion erfüllt.
In grosser industrieller Breite ist die Erfindung natürlich überall dort sehr vorteilhaft verwendbar, wo tief schmelzende und thermisch empfindliche Kunststoffmaterialien aller Art vor schädlichen äusseren Einflüssen, wie zum Beispiel gegen Zerkratzen geschützt werden müssen und / oder wo eine ästhetische Oberfläche geschaffen werden soll, die zum Beispiel sehr glatt oder glänzend sein soll, oder die mit einer bestimmten Farbe oder einer anderen vorteilhaften Eigenschaft einer Thermischen Spritzschicht ausgestattet werden soll.
Als Anwendungen kommen zum Beispiel bevorzugt hochwertige Mobiltelefone, tragbare und nicht tragbare Computer, GPS-Geräte, tragbare Video- und Audiogeräte und vieles mehr in Frage. Der Fachmann erkennt unmittelbar die ungeheure Breite der möglichen Anwendungen sowohl im täglichen Bereich, als auch in der technisch wissenschaftlichen Anwendung.
Dabei versteht es sich, dass ein besonderes Augenmerk auf die Oberflächenbeschaffenheit der Formfläche, auf die die thermische
Spritzschicht aufgespritzt wird, gelegt werden muss. Die Oberfläche muss nämlich so beschaffen sein, dass sich die aufgespritzte Oberflächenschicht, also die Funktionsoberfläche der Oberflächenschicht, leicht und ohne die Funktionsoberfläche zu beschädigen, von der Formfläche ablösen lässt, nachdem das Substrat auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht worden ist.
Dazu wird die Formfläche des Formkörpers bevorzugt so glatt wie möglich poliert, so dass eine hochglatte Oberfläche entsteht, die eine so geringe Rauheit aufweist, dass sich die darauf aufgespritzte Oberflächenschicht ohne die Funktionsoberfläche zu beschädigen ablösen lässt.
Eine ausreichende Glattheit der Formfläche kann durch alle an sich bekannten Methoden wir Schleifen, bevorzugt nass Schleifen, Läppen mit feinen Lappen usw. erreicht werden.
Dabei muss klar gesagt werden, dass die optimale Oberflächenbeschaffenheit der Formfläche selbstverständlich sowohl massiv von der thermischen
Spritzschicht, als auch von dem konkreten thermischen Spritzverfahren und den verwendeten Spritzparametern abhängt. Und selbstverständlich auch von dem aufzuspritzenden Spritzwerkstoff. Darüber hinaus hängt es auch von dem Material ab, aus dem die Formfläche gebildet ist. Je nach Material der Formfläche in Kombination mit dem Material der thermischen Spritzschicht und dem verwendeten Spritzverfahren wir die Oberflächenschicht mehr oder weniger gut wieder abzulösen sein, wenn das Substrat auf die Haftoberfläche aufgetragen ist.
So ist es durchaus möglich, dass in einem Fall die Formoberfläche eine bestimmte maximale Rauheit nicht überschreiten darf, während in einem anderen Fall die Formoberfläche vielleicht eine Mindestrauheit aufweisen muss, damit die thermisch aufgespritzte Oberflächenschicht sich ohne Schaden wieder ablösen lässt.
Die konkrete Wahl der Oberflächenbeschaffenheit der Formfläche bzw. deren Material muss der Fachmann im Einzelfall unter Berücksichtung des aufzuspritzenden Spritzmaterials, der verwendeten Spritzmethode, der Spritzparameter, der Geometrie der Formfläche und weiterer relevanter Parameter unter Nutzung seines allgemeinen Fachwissens treffen. Der Fachmann weiss wie er dazu im Einzelfall vorzugehen hat.
Dabei ist klar, dass wenn die Formfläche zur Strukturierung der Funktionsoberfläche hervorstehende oder auch in die Formfläche eingearbeitete Strukturelemente hat, auch die äusseren Oberflächen dieser Strukturelemente die entsprechende, an die oben erwähnten Randbedingungen des thermischen Spritzens angepassten Oberflächenstruktur aufweisen muss. In diesem Fall ist die Vorbearbeitung zur Herstellung der notwendigen Oberflächenstruktur der Formfläche natürlich aufwändiger, als wenn die Formoberfläche keine Strukturelemente aufweist, z.B. weil einfach nur eine sehr glatte Funktionsoberfläche erzeugt werden soll. Zum Beispiel in dem Fall, wenn das Strukturelement ein Strukturmuster zur Herstellung eines Erkennungszeichens in der Oberflächenschicht ist, beispielsweise ein Warenzeichen oder ein Hologramm oder ein anderes Strukturmuster. In einem für die Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel ist die thermisch gespritzte Oberflächenschicht eine Hartschicht, insbesondere umfassend ein Oxid und / oder ein Karbid und / oder eine Keramik ist. Dabei kann z.B. die Oberflächenschicht insgesamt als keramische Hartschicht ausgebildet sein. Sie kann aber auch eine Verbundschicht sein, die zum Beispiel aus einer Metallmatrix mit eingelagerten Hartteilchen aufgebaut ist oder auch andere Teilchen umfasst, zum Beispiel um optische Effekte zu erzeugen oder aber sie kann beispielweise auch Zusätze oder Komponenten enthalten, die der Oberflächenschicht bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften, z.B. bestimmte elektromagnetische Eigenschaften verleit.
Als Metalle kommen für die Oberflächenschicht im Prinzip alle thermisch spritzbaren Metalle oder Metalllegierungen in Frage, insbesondere kann die Oberflächenschicht Aluminium oder Titan umfassen. Um komplizierte Schichtstrukturen zu erzeugen, kann beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht ein Spritzmaterial auch vorteilhaft variierte werden, so dass zum Beispiel Schichten mit variierender Zusammensetzung erzeugt werden können.
Insbesondere um die Struktur der Haftoberfläche auf das aufzubringende Substrat anzupassen, kann ein Spritzparameter des thermischen Spritzverfahrens so geführt wird, dass eine Oberflächenstruktur der Haftoberfläche derart ausgebildet wird, dass das Substrat beim Aufbringen auf die Haftoberfläche haftend mit der Haftoberfläche der Oberflächenschicht verbunden wird. Das kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass eine Spritzgeschwindigkeit und / oder eine Spritztemperatur und / oder ein Spritzabstand und / oder ein Gasdruck und / oder eine Gaszusammensetzung während des Spritzvorgangs so variierte wird, dass zum Beispiel die Funktionsoberfläche so ausgebildet wird, dass sie eine bestimmte gewünschte Funktion erfüllt, wobei während des weiteren thermischen Spritzvorgangs durch Variation des Spritzparameters zur Bildung der Haftoberfläche andere Sphtzparameter gewählt werden, so dass die Haftoberfläche zum Beispiel eine andere Struktur als die Funktionsoberfläche erhält, zum Beispiel eine solche Struktur, die ein besonders gutes Haften auf dem aufzubringenden Substrat garantiert. Selbstverständlich kann die Oberflächenschicht auch als Mehrschichtsystem ausgebildet werden. Das kann etwa dann von Vorteil sein, wenn die Funktionsoberfläche aus einem Material gebildet werden muss, das schlecht auf dem zu verwendeten Substratmaterial haftet. In dem Fall kann eine erste Teilschicht der Oberflächenschicht auf der Formfläche aus demjenigen Material gebildet werden, aus dem die Funktionsoberfläche bestehen soll. Sodann wird auf diese erste Teilschicht eine zweite Teilschicht aus einem anderen Material thermisch aufgespritzt, die sowohl auf der ersten Teilschicht als auch auf dem Substrat gut haftet.
Selbstverständlich können auch noch kompliziertere Mehrschichtsysteme erzeugt werden, z.B. mit Zwischenschichten, Gradientenschichten, mit reinen Metalleinlageschichten um z.B. eine elektromagnetische Abschirmung zu erzeugen usw..
Wie bereits erwähnt, kann die Formfläche des Formkörpers selbstverständlich mit einem vorgegebenen Strukturmuster strukturiert werden, so dass die Funktionsoberfläche mit einer zum Strukturmuster inversen Funktionsstruktur beim thermischen Spritzen versehen wird.
Ein solches spezielles Strukturmuster kann zum Beispiel ein Strukturmuster zur Herstellung einer elektromagnetisch, im speziellen einer optischen Funktionsstruktur, wodurch z.B. optisch ästhetische Effekte erzeugt werden können, aber auch optisch oder chemisch oder physikalisch andere technische Effekte.
In einem für die industrielle Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Formfläche des Formkörpers derart glatt, d.h. mit so geringer Rauheit ausgestaltet, dass beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht eine entsprechend glatte Funktionsoberfläche mit einer vorgegebenen maximalen Rauheit gebildet wird.
Dabei kann die Oberflächenschicht und / oder das Substrat vorteilhaft aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet werden, wobei eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich einer Radiofrequenz, einer Fernsehfrequenz, einer Mobilfunkfrequenz, einer Satellitenempfangs- oder Sendefrequenz oder einer Mikrowellen- oder Radarfrequenz liegt.
Das kann besonders dann von Vorteil sein, wenn der erfindungsgemässe gebildete Körper z.B. ein Gehäuseteil eines entsprechenden elektronischen Gerätes ist, wobei im Inneren des Gehäuses eine Empfangs- oder Sendeantenne für den entsprechenden elektromagnetischen Frequenzbereich untergebracht werden soll.
Dabei kann die zuvor genannte elektromagnetische Strahlung selbstverständlich auch sichtbares Licht sein, so dass die Oberflächenschicht und / oder das Substrat zumindest in einem vorgegebenen optischen Frequenzbereich optisch transparent ist. Das kann aus rein ästhetischen Gründen geboten sein, aber auch technische Gründe haben. So gestattet z.B. ein mit einem transparenten Gehäuse ausgestattetes technisches Gerät eine visuelle Inspektion des Inneren, ohne dass es geöffnet werden muss.
Auch kann in die Oberflächenschicht und / oder in das Substrat ein elektromagnetisch sensitives Element, insbesondere eine Sendeantenne und / oder eine Empfangsantenne integriert werden, so dass diese keinen wertvollen Platz im Inneren des Gehäuse beansprucht und letztlich durch die Einbettung in das Substrat oder die Oberflächenschicht auch besser geschützt bzw. fixiert ist..
Es versteht sich von selbst, dass das sensitive Element auch ein optischer Empfänger und / oder ein optischer Sender oder ein anderes elektromagnetisch oder nicht elektromagnetisch sensitives Element sein kann. AIs Spritzverfahren zur Erzeugung der Oberflächenschicht kommen prinzipiell alle an sich bekannten thermischen Spritzverfahren, wie zum Beispiel ein Plasmaspritzverfahren, ein, Flammspritzverfahren, ein LP PS-Verfahren, ein HVOF-Verfahren, ein Kaltgas Spritzverfahren oder ein anderes thermisches Spritzverfahren in Frage.
Das Substrat kann im Prinzip aus einem beliebigen Material gebildet werden. Für die Praxis sind als besonders wichtige Substratwerkstoffe Kunststoffe und Polymere aller Art, insbesondere tief schmelzende Kunststoffe und tief schmelzende Polymere zu nennen. Aber selbstverständlich kommen auch andere Substratwerkstoffe in Frage; so kann das Substrat einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Carbon Verbundwerkstoff und / oder Glas und / oder ein Metall und / oder jeden anderen je nach Anwendung gewünschten Werkstoff umfassen.
Das Substrat kann mittels jeden beliebeigen Verfahrens auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht werden, das eine ausreichende Haftung des Substrats auf der Haftoberfläche sicherstellt.
So kann das Substrat mittels eines Spritzgussverfahrens und / oder mittels eines Giessverfahrens und / oder mittels Aufstreichen durch ein Streichwerkzeug oder durch jedes andere Verfahren, z.B. auch durch Verkleben mit der Haftoberfläche auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht werden.
Der mittels des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellte Körper kann ein beliebiger Körper sein, insbesondere ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für ein optisches und / oder ein akustisches und / oder ein mechanisches und / oder ein elektronisches Gerät sein.
In für die Praxis wichtigen Beispielen ist der Körper ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Computer, insbesondere ein tragbarer Computer, ein Zubehörgerät für einen Computer, zum Beispiel ein Drucker, ein Scanner, Router, ein Modem oder ein Abspielgerät zur Wiedergabe und / oder zur Aufnahme elektromagnetischer Signale, im speziellen von akustischen und / oder optischen Signalen ist, oder ein Satelliten Kommunikationsgerät, insbesondere ein GPS-Gerät oder ein anderes Gerät.
Neben dem Verfahren zur Herstellung eines Körpers betrifft die vorliegende Erfindung auch einen entsprechenden Körper selbst, der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung betrifft somit weiter einen Körper, umfassend ein Substrat und eine thermisch gespritzte Oberflächenschicht, wobei die Oberflächenschicht in einem vorgegebenen Oberflächenbereich des Körpers auf dem Substrat ausgebildet ist. Die Oberflächenschicht weist eine dem Substrat abgewandte äussere Funktionsoberfläche auf, und die Oberflächenschicht weist weiter auf einer dem Substrat zugewandten Seite eine Haftoberfläche zur Haftung auf dem Substrat im vorgegebenen Oberflächenbereich des Körpers auf. Erfindungsgemäss ist die Oberflächenschicht vorgängig in einem thermischen Spritzprozess hergestellt, und das Substrat ist nachgängig auf die Haftoberfläche aufgebracht, wobei eine Oberflächenstruktur der Haftoberfläche durch den thermischen Spritzprozess derart ausgebildet ist, dass das Substrat haftend mit der Haftoberfläche der Oberflächenschicht verbunden ist.
Bevorzugt umfasst die thermisch gespritzte Oberflächenschicht wie weiter oben bereits detaillierter beschrieben eine Hartschicht umfassend ein Oxid und / oder ein Karbid und / oder eine Keramik. die Oberflächenschicht kann natürlich auch ein Metall, insbesondere Aluminium und / oder Titan umfassen.
Für spezielle Anwendungen kann die Oberflächenschicht als Mehrschichtsystem ausgebildet sein.
Falls notwendig, wird die Funktionsoberfläche mit einer beim thermischen Spritzen erzeugten Funktionsstruktur versehen, wobei die Funktionsstruktur eine elektromagnetische, im speziellen eine optische Funktionsstruktur sein kann.
In einem für die Praxis sehr wichtigen Ausführungsbeispiel ist beim thermischen Spritzen der Oberflächenschicht eine glatte Funktionsoberfläche von einstellbarer sehr geringer Rauheit gebildet.
Dabei kann die Oberflächenschicht und / oder das Substrat aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material gebildet sein, wobei eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Bereich einer Radiofrequenz, einer Fernsehfrequenz, einer Mobilfunkfrequenz, einer Satellitenempfangs- oder Satellitensendefrequenz, oder einer Mikrowellenoder Radarfrequenz liegen kann.
Die elektromagnetische Strahlung kann eine beliebige Strahlung des elektromagnetischen Spektrums ein, insbesondere sichtbares Licht und die Oberflächenschicht und / oder das Substrat kann zumindest in einem vorgegebenen optischen Frequenzbereich optisch transparent sein.
In einem anderen wichtigen Ausführungsbeispiel kann in die Oberflächenschicht und / oder in das Substrat ein elektromagnetisch sensitives Element, insbesondere eine Sendeantenne und / oder eine Empfangsantenne integriert sein, wobei das elektromagnetisch sensitive Element zum Beispiel ein optischer Empfänger und / oder ein optischer Sender ist.
Die Oberflächenschicht des erfindungsgemässen Körpers kann dabei durch jedes geeignete thermische Spritzverfahren gebildet werden, also zum Beispiel durch ein Plasmaspritzverfahren, ein, Flammspritzverfahren, ein LPPS-Verfahren, ein HVOF-Verfahren, ein Kaltgas Spritzverfahren oder ein anderes geeignetes thermisches Spritzverfahren.
Das Substrat des erfindungsgemässen Körpers kann im Prinzip aus jedem geeigneten Werkstoff gebildet sein, besonders bevorzugt umfasst das Substrat einen Kunststoff und / oder ein Polymer, insbesondere einen tief schmelzenden Kunststoff und / oder ein tief schmelzendes Polymer.
Das Substrat kann in einem anderen Beispiel auch einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Karbon Verbundwerkstoff und / oder ein Glas und / oder ein Metall umfassen.
Das Substrat kann mittels jeden geeigneten an sich bekannten Verfahrens auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht sein, insbesondere mittels eines Spritzgussverfahrens oder mittels eines Giessverfahrens oder mittels Aufstreichen durch ein Streichwerkzeug auf die Haftoberfläche der Oberflächenschicht aufgebracht sein.
Im speziellen ist ein erfindungsgemässer Körper unter anderem ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für ein optisches und / oder ein akustisches und / oder ein mechanisches und / oder ein elektronisches Gerät. Im Speziellen ist der der Körper ein Telefon, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Computer, insbesondere ein tragbarer Computer, ein Zubehörgerät für einen Computer, ein Abspielgerät zur Wiedergabe und / oder zur Aufnahme elektromagnetischer Signale, im speziellen von akustischen und / oder optischen Signalen oder ein Satellitenkommunikationsgerät, insbesondere ein GPS-Gerät oder ein anderes Gerät oder jeder andere denkbare Körper, der vorteilhaft nach dem erfindungsgemässen Verfahren herstellbar ist.
Ausserdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemässen Körpers wie oben ausführlich beschrieben. Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a — 1f ein erstes Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Körpers nach dem erfindungsgemässen Verfahren;
Fig. 2a - 2f die Herstellung einer Gehäuseschale für ein Mobiltelefon;
Fig. 3a - 3c die Herstellung eines Hohlspiegels mit einer thermisch gespritzen Spiegeloberfläche;
Fig. 4a - 4b Oberflächenschicht mit optimierter Haftoberfläche;
Fig. 5a - 5b Oberflächenschicht als Mehrschichtsystem.
Anhand der Fig. 1a bis Fig. 1f wird im Folgenden ein erstes sehr einfaches Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines erfindungsgemässen Körpers, der im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet wird, schematisch beschrieben. In Fig. 1 a ist schematisch ein Formkörper 2 dargestellt, der eine Formfläche 200 aufweist, deren Topologie invers zur Topologie eines Oberflächenbereichs 101 eines noch herzustellenden Körpers 1 ist.
In einem vorgängigen Verfahrensschritt wird gemäss Fig. 1 b eine Oberflächenschicht 110 des herzustellenden Körpers 1 in einem thermischen Spritzverfahren, das im vorliegenden Beispiel ein Plasmaspritzverfahren ist, mittels einer Plasmaspritzvorrichtung S auf die Formfläche 200 des Formkörpers 2 aufgespritzt.
Beim Verfahrensstand der Fig. 1 b ist die Oberflächenschicht 110 noch nicht vollständig auf die Formfläche 200 aufgetragen. Man kann aber bereits gut erkennen, wie auf der Formfläche 200 die eine Funktionsfläche 111 der Oberflächenschicht ausbildet wird und wie auf der der Funktionsfläche 111 abgewandten Seite eine Haftoberfläche 112 der Oberflächenschicht 110 ausgebildet wird.
Fig. 1 c zeigt den Formkörper 2 mit vollständig aufgetragener Oberflächenschicht 110. Substratmatehal wurde noch nicht auf die Haftoberfläche 112 aufgetragen.
Anhand der Fig. 1d wird demonstriert, wie der Körper 1 durch Aufbringen des zunächst noch flüssigen Substrats 100 hergestellt wird. Im vorliegenden Beispiel wir ein kompakter Körper 1 hergestellt, der nach seiner Fertigstellung in einem vorgegebenen Oberflächenbereich 101 eine Oberflächenschicht 110 mit Funktionsoberfläche 111 hat, wobei die Oberflächenschicht 110 hier eine Hartschicht 110 ist, so dass der Körper gegen Verkratzen wirksam geschützt sein wird, wobei gleichzeitig eine sehr glatte Funktionsoberfläche 111 durch die Formfläche 200 gebildet wird, so dass der Körper 1 zusätzlich ein ästhetisch ansprechendes Aussehen erhält. In Fig. 1 e ist der Körper 1 zwar noch nicht aus dem Formkörper 2 herausgelöst, aber ansonsten bereits im wesentlichen fertiggestellt. Das Substrat ist noch am auskühlen und am verfestigen.
Fig. 1f zeigt schliesslich den fertigen Körper 1 mit Substrat 100 und Oberflächenschicht 110, wie er aus der dem Formkörper herausgelöst wird. Der Körper 1 steht nun zu seiner bestimmungsgemässen Benutzung bereit.
Anhand der Fig. 2a - Fig. 2f wird ein für die Praxis besonders wichtiges Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, die ein erfindungsgemässes Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Gehäuseschale 1 für ein Mobiltelefon beschreiben.
Fig. 2a zeigt einen Formkörper 2 in Form einer Spritzgussform 2 mit Formfläche 200 auf weiche mittels der Plasmaspritzvorrichtung S, z.B. muttels einer Plasmaspritzpistole S, die automatisch von einem Robotersystem mit elektronischer Datenverarbeitungsanlage nach einem vorgegebenen Programmablauf bedient wird, eine Oberflächenschicht 110 aufgespritzt werden soll. Da der thermische Spritzprozess als solches dem Fachmann wohlbekannt ist, braucht dieser nicht näher erläutert zu werden. In Fig. 2b ist daher bereits die fertig gespritzte Oberflächenschicht 110 mit Funktionsoberfläche 111 und Haftoberfläche 112 gezeigt, auf weiche
Haftoberfläche der eigentliche Schalenkörper 100 in Form eines Kunststoff Substrats später aufgebracht werden soll. Das Kunststoff Substrat soll dabei aus einem tief schmelzenden Kunststoff hergestellt werden, auf welches nicht direkt thermisch gespritzt werden kann, weil es sonst beim thermischen Spritzen schmelzen würde, bzw. zumindest die Oberfläche des Substrats durch das thermische Spritzen stark beschädigt würde.
Zur Erzeugung des eigentlichen Schalenkörpers 100, mit welchem hier das Substrat 100 gemeint ist, wird in einem an sich bekannten Spritzgussverfahren auf die Haftoberfläche 112 aufgebracht. Dazu wird in an sich bekannter Weise die Spritgussform 2 in ein zeiteiliges
Spritzgusswerkzeug SW eingespannt. In der Fig. 2c ist die Spritzgussform 2 gerade erst in das zeiteilige Spritzgusswerkzeug SW eingespannt worden. Die beiden Teile des Spritzgusswerkzeugs sind noch nicht vollständig zusammengeschoben. Das Spritzgusswerkzeug SW ist also noch teilweise offen und somit zum Aufbringen des Substrats 1 durch ein
Spritzgussverfahren noch nicht bereit. Deutlich zu erkennen ist der Spritzkanal K durch welchen später das Substratmaterial in an sich bekannter Weise zur Bildung des Substrats 100 auf der Haftfläche 112 in das zweiteilige Spritzgusswerkzeug SW unter Druck eingebracht werden wird. Das Spritzgusswerkzeug SW ist Teil einer im Wesentlichen vollautomatischen Anlage zur Serienproduktion, wobei die Anlage aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Fig. 2a bis 2f nicht dargestellt ist.
In Fig. 2d ist das zeiteilige Spritzgusswerkzeug SW vollständig geschlossen und zum Start des Spritzgussvorgangs bereit.
In Fig. 2e ist der Sphtzgussprozess gerade abgeschlossen. Durch den
Spritzkanal SK wurde in bekannter Weise solange flüssiges Substratmaterial in das zweiteilige Spritzwerkzeug SW unter Druck eingespritzt, bis, wie in Fig. 2e dargestellt, die Gehäuseschale 1 für das Mobiltelefon aus Substrat 1 und Oberflächenschicht 110 fertig gestellt ist.
In Fig. 2f wird schliesslich die fertige Gehäuseschale 1 aus dem geöffneten Spritzwerkzeug SW entnommen. Die Gehäuseschale besteht erfindungsgemäss nun aus einem Kunststoffsubstrat 100, auf weicher eine verschleissfeste thermisch gespritzte Oberflächenschicht sicher auf der Haftoberfläche 112 aufgebracht ist. Da die Formoberfläche 200 vor dem thermischen Spritzprozess auf Hochglanz poliert wurde, ist nun auch die Funktionsoberfläche 111 nicht nur extrem kratzfest, sondern hat auch ein ästhetisch ansprechendes Aussehen, z.B. in schwarzer oder weiser Farbe oder auch in jeder anderen Farbe, je nach Wahl des Spritzwerkstoffes im thermischen Spritzprozess.
Aber auch die Herstellung von Körpern 1 von konkaver Form können selbstverständlich mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden. Ein Beispiel dafür ist anhand der Fig. 3a Fig. 3c eindrücklich dargestellt, die die Herstellung eines Hohlspiegels mit einer thermisch gespritzten Spiegeloberfläche zeigen.
Das Substrat 1 , also der eigentliche Körper 100 des Spiegels 1 muss aus technischen Gründen aus Gold gefertigt werden. Gold kann jedoch nicht ohne weiteres mit einer thermischen Spritzschicht beschichtet werden, weil die Goldoberfläche des hochempfindlichen Spiegels 1 keinesfalls durch den thermischen Spritzvorgang beeinträchtigt werden darf. Daher wird zur Herstellung des thermisch beschichteten Spiegels 1 das erfindungsgemässe Verfahren gewählt.
Dazu wird gemäss Fig. 3a ein konvexer Formkörper 2 bereit gestellt, dessen Formfläche 200 eine konvexe Topologie aufweist, die invers zur konkaven Topologie des herzustellenden Hohlspiegels 1 ist. Die Formfläche 200 ist mittels verschiedener bekannter Verfahren auf Hochglanz mit einer minimalen Rauheit poliert, so dass die Funktionsfläche 111 des fertigen Spiegels 1 eine ebenso glatte Oberfläche haben wird. In Fig. 3a ist mit der thermischen Spritzpistole S bereits ein Teil der Oberflächenschicht 110 auf die Formfläche 200 aufgespritzt.
In Fig. 3b läuft gerade der Giessprozess zur Bildung des Hohlspiegels 1 ab. Der mit der Oberflächenschicht 110 beschichtete konvexe Formkörper 2 ist in das dreiteilige Giesswerkzeug SW eingespannt, das aus den drei
Werkzeugteilen SW1 , SW2, SW3 besteht, so dass das Giesswerkzeug SW nach Abschluss des Giessvorgangs zur Entnahme des fertigen Hohlspiegels 1 in seine Werkzeugteile SW1 , SW2, SW3 zerlegt werden kann. Das flüssige Gold wir vorsichtig durch die Öffnung SK in das Giesswerkzeug SW eingegossen, so dass sich das flüssige Gold mit der Haftoberfläche 112 der Oberflächeschicht zur Bildung des beschichteten Hohlspiegels 1 verbinden kann.
In Fig. 3c ist schliesslich der fertige Spiegel 1 zu sehen, dessen Substrat 100 aus Gold gebildet ist, das nunmehr mit einer thermischen gespritzten Oberflächenschicht 110 versehen ist.
Die Fig. 4a und 4b zeigen einen Körper 1 mit einer erfindungsgemäss hergestellten Oberflächenschicht 110 mit optimierter Haftoberfläche 112.
In Fig. 4a, das den Körper 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise und schematisch im Schnitt zeigt, ist das Substrat 100 bereits auf die Haftfläche 112 der thermisch gespritzten Oberflächenschicht 110 aufgetragen. Der Körper 1 und der Formkörper 2 sind noch im Spritzwerkzeug SW, das aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 4a nicht gezeigt ist, eingespannt.
Damit das Substrat 100 einerseits besser an der Haftoberfläche 112 haftet, andererseits aber die Funktionsoberfläche 111 eine möglichst glatte Oberfläche hat, wurden beim Spritzen der Oberflächenschicht 110 auf die
Formfläche 200 die Spritzparameter beim thermischen Spritzvorgang geeignet gesteuert.
Wie durch die verschieden grossen Kreise in der Oberflächenschicht angedeutet ist, wurden zu Beginn des Spritzvorgangs in der Nähe der Formfläche 200 des Formkörpers 2 die Spritzparameter zunächst so eingestellt, dass eine sehr feine, das heisst glatte Struktur der Funktionsoberfläche 111 entsteht. Das kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass zu Beginn des Spritzvorgangs eine relativ hohe Spritztemperatur gewählt wird. Mit wachsender Schichtdicke werden dann die Spritzparameter zunehmend so gewählt, dass die Struktur der Oberflächenschicht 110 in Richtung zur Haftoberfläche 112 immer grober wird, wie durch die in Richtung zur Haftoberfläche 112 grösser werdenden Punkte in der Oberflächenschicht 110 angedeutet ist, so dass schliesslich eine grobe Oberflächenstruktur 1120 der Haftoberfläche 112 derart ausgebildet wird, dass das Substrat 100 beim Aufbringen auf die Haftoberfläche 112 sehr gut haftend mit der Haftoberfläche 112 der Oberflächenschicht 110 verbunden wird. Dabei kann diese variierende Schichtstruktur der Oberflächenschicht 110 auch durch die Variation anderer Spritzparameter erreicht werden, wie dem Fachmann hinreichend bekannt ist.
Auch ist es natürlich die möglich zunächst eine Oberflächenschicht 110 von im Wesentlichen gleichmässiger Struktur zu Spritzen und als letzte Schicht zum Beispiel eine grob strukturierte Haftoberfläche durch geeignete Änderung der Spritzparameter zu bilden.
In Fig. 4b ist der fertige Körper 1 mit sehr glatter Funktionsoberfläche 111 und entsprechend rauer Haftoberfläche 112 zu sehen, auf weicher das Substrat 100 sehr gut haftet.
Anhand der Fig. 5a und Fig. 5b ist schliesslich exemplarisch eine erfindungsgemäss erzeugte Oberflächenschicht 110 auf einem Substrat 100 dargestellt, die als Mehrschichtsystem 110 ausgebildet ist.
In Fig. 5a ist analog zu Fig. 4a der bereits fertige Körper 1 zusehen, der zusammen mit dem Formkörper 2 noch in dem nicht gezeigten Spritzgusswerkzeug SW eingebaut ist.
Beim Beispiel gemäss Fig. 5a und Fig. 5 b war das Problem zu lösen, dass eine Funktionsoberfläche 111 aus einem ersten Material 1101 gebildet werden soll, welches erste Material 1101 jedoch aus materialtechnischen Gründen nur schlecht auf der Haftoberfläche 112 des Substrats 100 haftet. Daher wurde ein Zweischichtsystem mit einem zweiten Material 1102 aufgebaut, welches zweite Material 1102 einerseits auf dem Substratmaterial des Substrats 100 sehr gut haftet, und sich andererseits auch sehr gut mit dem ersten Material 1101 verbindet.
Es wurde somit zunächst auf die Formoberfläche 200 des Formkörpers 2 eine erste Oberflächenschicht aus dem ersten Material 1101 thermisch aufgespritzt, so dass die die Funktionsoberfläche 111 die gewünschten Eigenschaften erhält. Sodann wurde auf die erste Oberflächenschicht aus dem ersten Material 1101 eine zweite Oberflächenschicht aus dem zweiten Material 1102 thermisch aufgespritzt. Die zweite Oberflächenschicht haftete dabei sehr gut an der ersten Oberflächenschicht, wobei gleichzeitig das Substrat 100 sehr gut an der zweiten Oberflächenschicht haftet.
In Fig. 4b ist der fertige Körper 1 zu sehen, der eine Funktionsoberfläche 111 mit den Eigenschaften des ersten Materials 1101 hat, wobei das Zweischichtsystem 110 gleichzeitig mit dem Material 1102 ausgezeichnet am Substrat 100 an der Haftoberfläche 112 haftet.