Verfahren zur Herstellung einer Membran für einen Ultraschallsensor und Membran für einen Ultraschallwandler

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung, insbesondere zur Beschichtung, einer Fahrzeugkomponente, sowie eine Membran für einen Ultraschallsensor.

Aus dem Dokument DE 102009 034418 Al ist ein Verfahren zur Herstellung einer Membran für einen Ultraschallsensor bekannt, bei dem zur verbesserten Haftung einer transparent ausgebildeten Acryl-Pulverschicht, eine Passivierungsschicht auf einem äußeren Oberflächenbereich der Membran aufgebracht wird.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung, insbesondere zur Beschichtung, einer Fahrzeugkomponente, sowie eine Membran für einen Ultraschallsensor zu entwickeln, bei denen eine größere Auswahl von Folgeschichten auf der Membran angeordnet werden können.

Offenbarung der Erfindung

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung, insbesondere Beschichtung, einer Fahrzeugkomponente beschrieben. Insbesondere ist mit der Fahrzeugkomponente eine Komponente des Fahrzeugs gemeint, welche frei zur äußeren Umgebung des Fahrzeugs angeordnet ist. Beispiele hierfür sind Zierblenden oder am Fahrzeug außen angeordnete Sensoren des Fahrzeugs.

Bei dem Verfahren wird zunächst die Fahrzeugkomponente mit einer äußeren Oberfläche aus metallischem Material bereitgestellt. Darauf folgend wird der äußere Oberflächenbereich der Fahrzeugkomponente entfettet. Anschließend wird der äußere Oberflächenbereich der Fahrzeugkomponente gebeizt. Darauf folgend wird eine zweite Passivierungsschicht als zweite Schicht auf den äußeren Oberflächenbereich der Fahrzeugkomponente aufgebracht. Zur Voraktivierung der folgend aufgebrachten zweiten Passivierungsschicht wird eine erste Passivierungsschicht als erste Schicht auf den äußeren Oberflächenbereich, insbesondere mittels Hexafluorotitansäure, abgeschieden. Die erste Passivierungsschicht hat hierbei eine impfende Wirkung auf die gebeizte äußere Oberfläche und fördert das Wachstum der anschließend abgeschiedenen, zweiten Passivierungsschicht. Die zweite Passivierungsschicht wächst somit deutlich schneller auf der ersten Passivierungsschicht heran und es ergibt sich insgesamt eine Passivierungsschicht, die sich aus erster und zweiter Passivierungsschicht zusammensetzt. Diese zusammengesetzte Passivierungsschicht weist eine gezielte Einstellung der Oberflächenenergie auf. Insbesondere weist die zusammengesetzte Passivierungsschicht eine Oberflächenenergie von größer 70m N/m auf. Die dispersen und polaren Anteile der Oberflächenenergie sind hierbei derart eingestellt, dass eine stabile Haftung einer größeren Auswahl von unmittelbar auf der Passivierungsschicht aufgebrachten Folgeschichten und damit ein exzellenter Korrosionsschutz erzielt werden kann. Insbesondere weisen in diesem Zusammenhang die dispersen Anteile einen größeren Wert der Oberflächenenergie auf, als die polaren Anteile. Die polaren Anteile weisen in diesem Zusammenhang insbesondere eine Oberflächenenergie von wenigstens 25mN/m und die dispersen Anteile eine Oberflächenenergie von wenigstens 45mN/m auf. Vorzugsweise wird eine Membran für einen Ultraschallsensor als Fahrzeugkomponente hergestellt, insbesondere beschichtet. Zunächst wird hierbei ein Membrankörper aus metallischem Material, wie beispielsweise Aluminium, bereitgestellt. Darauf folgend wird ein äußerer Oberflächenbereich des Membrankörpers entfettet und der entfettete, äußere Oberflächenbereich des Membrankörpers anschließend gebeizt. Darauf folgend wird zur Voraktivierung der anschließend aufgebrachten zweiten Passivierungsschicht, die erste Passivierungsschicht als erste Schicht auf den äußeren Oberflächenbereich abgeschieden. Die Abscheidung der ersten Schicht erfolgt hierbei insbesondere mittels Hexafluorotitansäure.

Vorzugsweise erfolgt das Beizen des äußeren Oberflächenbereichs, insbesondere des Membrankörpers, und das Abscheiden der ersten Passivierungsschicht als erste Schicht auf den äußeren Oberflächenbereich zeitgleich, insbesondere beim Beizpassivieren.

Vorzugsweise wird eine Primerschicht als dritte Schicht zum Korrosionsschutz des metallischen Materials auf die zweite Passivierungsschicht aufgebracht. Eine solche Primerschicht dient als Grundierung für folgend aufgebrachte Schichten, weist aber in diesem Zusammenhang ebenfalls eine Schutzwirkung gegenüber Korrosion des metallischen Materials des Membrankörpers auf.

Bevorzugt wird der entfettete Oberflächenbereich bei dem Beizprozess mit einer chromfreien Beize, welche insbesondere auf Basis von Hydrogenfluorid und/oder Dihydrogensulfat und/oder Trihydrogenphosphat aufgebaut ist, behandelt. Diese Behandlung kann im Tauchprozess oder alternativ im Spritzprozess erfolgen. Eine solche chromfreie Beize ist weniger gesundheitsschädlich.

Vorzugweise wird weiterhin ein Nasslack, welcher insbesondere auf Polyurethanbasis aufgebaut ist, als vierte Schicht auf die Primerschicht aufgebracht. Ein solcher Nasslack weist funktionale Eigenschaften (z.B. Chemikalienbeständigkeit und Kratzbeständigkeit) und ästhetische Eigenschaften (z.B. Farbton und Glanz) auf. Bei dem Nasslack handelt es sich insbesondere um einen Einschichtdecklack als Endoberfläche. Alternativ kann es sich bei dem Nasslack auch um einen Basislack mit einem darauf aufgebrachten Klarlacksystem handeln.

Weiterhin vorzugsweise wird ein Pulverlack als fünfte Schicht auf die zweite Passivierungsschicht aufgebracht. Auch ein solcher Pulverlack weist funktionale Eigenschaften (z.B. Chemikalienbeständigkeit und Kratzbeständigkeit) und ästhetische Eigenschaften (z.B. Farbton und Glanz) auf. Weiterhin alternativ wird ein 2k-Hydrolack als sechste Schicht auf die zweite Passivierungsschicht aufgebracht.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Membran für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper aus metallischem Material. Die Membran ist hierbei insbesondere mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Herstellung, insbesondere Beschichtung, einer Membran für einen Ultraschallsensor hergestellt. Hierbei ist zur Voraktivierung einer zweiten Passivierungsschicht eine erste Passivierungsschicht als erste Schicht unmittelbar auf einem äußeren Oberflächenbereich des Membrankörpers angeordnet, der zuvor gebeizt und insbesondere auch entfettet wurde. Zusätzlich ist die zweite Passivierungsschicht unmittelbar auf der ersten Passivierungsschicht angeordnet. Eine solche Passivierungsschicht, die sich aus einer ersten Passivierungsschicht und einer zweiten Passivierungsschicht zusammensetzt, bietet den Vorteil, dass eine größere Auswahl von Schichten unmittelbar auf der zusammengesetzten Passivierungsschicht angeordnet werden können.

Vorzugsweise ist auf der Passivierungsschicht eine Primerschicht als dritte Schicht zum Korrosionsschutz des metallischen Materials angeordnet. Eine solche Primerschicht dient nicht nur als Grundierung für folgend aufgebrachte Schichten, sondern weist in diesem Zusammenhang ebenfalls eine Schutzwirkung gegenüber Korrosion des metallischen Materials des Membrankörpers auf. Bevorzugt ist die Primerschicht in diesem Zusammenhang auf Epoxybasis oder Polyurethanbasis aufgebaut. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein 2- Komponentensystem auf Hydrobasis. Weiterhin vorzugsweise weist die Primerschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von 30 pm bis 40 pm auf. Auf der Primerschicht ist vorzugsweise als vierte Schicht eine Nasslackschicht angeordnet.

Bevorzugt weist der Membrankörper eine Außenseite und eine Innenseite auf. Die Außenseite ist hierbei insbesondere in Senderichtung der Ultraschallsignale des Ultraschallsensors angeordnet. Die Innenseite der Membran ist in diesem Zusammenhang insbesondere in Richtung eines Innenraums eines Membrantopfs des Ultraschallsensors angeordnet. Die zusammengesetzte Passivierungsschicht mit erster und zweiter Passivierungsschicht sind hierbei sowohl auf dem äußeren Oberflächenbereich der Außenseite und der Innenseite der Membran. Somit kann die Außenseite des Membrankörpers durch die stärkere Haftwirkung der zusammengesetzten Passivierungsschicht mit unterschiedlichen Schutz- und Farbschichten versehen werden. Durch die stärkere Haftwirkung der zusammengesetzten Passivierungsschicht kann beispielsweise eine Piezokeramik auf der Innenseite des Membrankörpers einfacher befestigt werden.

Bevorzugt ist die zweite Passivierungsschicht als Zirkonsilan -Verbindung oder Organo-Metall-Verbindung ausgebildet. Diese Verbindungen bieten einen starken Korrosionsschutz und eine für die folgenden Lackschichten und/oder für den Klebstoff des aufzuklebenden Piezoelements ausreichende Haftvermittlung. Vorzugsweise weisen die erste und die zweite Passivierungsschicht zusammengesetzt eine Schichtdicke in einem Bereich von 30nm bis lOOnm, insbesondere eine Schichtdicke in einem Bereich von 45nm bis 55nm, auf. Durch das schnellere Wachstum der zweiten Passivierungsschicht auf der ersten Passivierungsschicht ergibt sich somit eine zusammengesetzte Passivierungsschicht, an der eine größere Auswahl von Folgeschichten haftet. Insbesondere wird die Verbindung zu organischen Überzügen, wie z.B. Korrosionschutzlackschichten verstärkt. Zudem weist die aus erster und zweiter Passivierungsschicht zusammengesetzte Schicht einen verbesserten Korrosionsschutz auf.

Weiterhin vorzugsweise weisen die erste und zweite und/oder dritte und/oder vierte Schicht zusammengesetzt eine Gesamtschichtdicke von höchstens 120pm auf. Somit wird die Funktion des Ultraschallsensors gewährleistet.

Weiterhin vorzugsweise ist als fünfte Schicht ein Pulverlack auf der zweiten Passivierungsschicht, insbesondere unmittelbar, angeordnet. Alternativ hierzu ist vorzugsweise ein 2k-Hydrolack als sechste Schicht auf der zweiten Passivierungsschicht, insbesondere unmittelbar, angeordnet.

Weiterhin vorzugsweise ist der Membrankörper als Membrantopf, insbesondere des Ultraschallsensors, ausgebildet. Der Membrantopf weist hierbei eine schwingungsfähige Membranfläche auf, die insbesondere einen Boden des Membrantopfs ausbildet.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallsensor mit der zuvor beschriebenen Membran. Der Ultraschallsensor ist dazu ausgebildet, Ultraschallsignale auszusenden und/oder zu empfangen und kann insbesondere in Einparkhilfen von Fahrzeugen verwendet werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Membran für einen Ultraschallsensor als Fahrzeugkomponente. Figur 2a zeigt eine erste Ausführungsform einer Membran für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper aus metallischem Material.

Figur 2b zeigt eine zweite Ausführungsform einer Membran für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper aus metallischem Material.

Figur 2c zeigt eine dritte Ausführungsform einer Membran für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper aus metallischem Material.

Figur 2d zeigt eine vierte Ausführungsform einer Membran für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper aus metallischem Material.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines Membrantopfs eines Ultraschallsensors mit einer Membran.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Figur 1 zeigt in Form eines Ablaufdiagramms eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung, insbesondere Beschichtung, einer Fahrzeugkomponente. Zur besseren Veranschlaulichung wird hierbei die Herstellung einer Membran für einen Ultraschallsensor gezeigt. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt 10 ein Membrankörper aus metallischem Material, beispielsweise aus Aluminium, bereitgestellt. In einem folgenden Verfahrensschritt 20 wird ein äußerer Oberflächenbereich des metallischen Membrankörpers entfettet. Das Entfetten wird hierbei beispielsweise durch Behandlung mit einer alkalischen Tauchentfettung durchgeführt. Alternativ kann die Entfettung aber auch durch eine saure Entfettung oder Spritzentfettung durchgeführt werden. Im Anschluss an das Entfetten der Oberfläche wird der Membrankörper gespült, um die anhaftende Badlösung abzuwaschen. In einem folgenden Verfahrensschritt 30 wird der äußere Oberflächenbereich des Membrankörpers gebeizt und somit ein Teil des äußeren Oberflächenbereichs des Membrankörpers abgetragen. Bei dem Beizen des entfetteten Oberflächenbereichs wird insbesondere eine chromfreie Beize, beispielsweise auf Basis von Hydrogenfluorid und/oder Dihydrogensulfat und/oder Trihydrogenphosphat, verwendet. Der Beizprozess wird insbesondere im Tauchprozess oder im Spritzprozess durchgeführt. Zusätzlich wird der entfettete Oberflächenbereich bei dem Beizen dekapiert. Bei der Dekapierung wird die Beize derart eingestellt, dass der nach dem Entfettungsprozess alkalische entfettete Oberflächenbereich bei der Beize neutralisiert wird. In einem folgenden Verfahrensschritt 40 wird eine erste Passivierungsschicht als erste Schicht auf dem äußeren Oberflächenbereich abgeschieden. Die erste Passivierungsschicht wird hierbei insbesondere mittels Hexafluortitansäure abgeschieden. Im Anschluss wird der Membrankörper wieder gespült. Die erste Passivierungsschicht dient zur Voraktivierung der Bildung einer im Folgenden Verfahrensschritt 50 auf die erste Passivierungsschicht aufgetragenen zweiten Passivierungsschicht. Somit entsteht eine aus erster und zweiter Passivierungsschicht zusammengesetzte Passivierungsschicht. Im Anschluss darauf wird der Membrankörper wieder gespült und anschließend getrocknet. Daraufhin wird das Verfahren beendet.

Optional erfolgen Verfahrensschritt 30 und Verfahrensschritt 40 zeitgleich, insbesondere in einem gemeinsamen Tauchbad in einem Beizpassivierungsschritt.

In einem optionalen auf den Verfahrensschritt 50 folgenden Verfahrensschritt 60 wird weiterhin eine Primerschicht als dritte Schicht zum Korrosionsschutz des metallischen Materials des Membrankörpers auf die zweite Passivierungsschicht aufgebracht. In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt 70 wird ein Nasslack, insbesondere auf Polyurethanbasis, als vierte Schicht auf die Primerschicht aufgebracht. Bei dem Nasslack handelt es sich insbesondere um einen Einschichtdecklack als Endoberfläche. Alternativ kann es sich bei dem Nasslack auch um einen Basislack mit einem darauf aufgebrachten Klarlacksystem handeln.

Figur 2a zeigt schematisch eine Membran 101a für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper 100 aus metallischem Material. Der Membrankörper 100 ist hierbei als schwingungsfähige Membranfläche aus metallischem Material, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet. Schematisch sind hierbei mittels des Membrankörpers 100 ausgesendete Ultraschallsignale 150a und empfangene Ultraschallsignale 150b dargestellt. Auf einem äußeren, gebeizten Oberflächenbereich 106 des Membrankörpers 100 ist eine erste Passivierungsschicht 105 angeordnet. Diese erste Passivierungsschicht 105 dient zur Voraktivierung einer Kristallbildung einer zweiten Passivierungsschicht 110, welche unmittelbar auf der ersten Passivierungsschicht 105 angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine aus der ersten Passivierungsschicht 105 und der zweiten Passivierungsschicht 110 zusammengesetzte Passivierungsschicht 107. Die zweite Passivierungsschicht 110 ist hierbei als Zirkonsilan-Verbindung ausgebildet. Alternativ kann die zweite Passivierungsschicht 110 auch als Organo-Metall-Verbindung ausgebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel weist die aus erster 105 und zweiter Passivierungsschicht 110 zusammengesetzte Passivierungsschicht 107 eine Schichtdicke 111 von im Wesentlichen 40nm auf.

In diesem ersten Ausführungsbeispiel einer Membran 101a für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper 100 ist auf der zweiten Passivierungsschicht 110 eine Primerschicht 120 als dritte Schicht zum Korrosionsschutz des metallischen Materials des Membrankörpers 100 angeordnet. Diese Primerschicht ist hierbei auf Epoxybasis aufgebaut. Alternativ kann die Primerschicht aber auch auf Polyurethanbasis aufgebaut sein. Die Primerschicht 120 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke 112 in einem Bereich von 30 pm bis 40 pm auf.

Weiterhin ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel eine Nasslackschicht 135 auf der Primerschicht 120 aufgetragen, welche sich aus einer Basislackschicht 130 und einer Klarlackschicht 140 zusammensetzt. Die Basislackschicht 130 weist hierbei eine Schichtdicke 113 in einem Bereich von 10-25pm auf. Die Klarlackschicht 140 weist hierbei eine Schichtdicke 114 in einem Bereich von 25- 35pm auf.

Figur 2b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Membran 101b für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper 100 aus metallischem Material. Auf einer Außenseite 109a des Membrankörpers 100 sind hierbei dieselben Schichten wie im ersten Ausführungsbeispiel angeordnet. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist hierbei eine weitere erste Passivierungsschicht 151 auf einer Innenseite 109b des Membrankörpers 100 angeordnet. Außerdem ist hierbei eine weitere zweite Passivierungsschicht 152 auf der weiteren ersten Passivierungsschicht 151 aufgebracht, sodass eine Piezokeramik 125 an der weiteren, aus erster 151 und zweiter Passivierungsschicht 152 zusammengesetzten Passivierungsschicht 108 besser haftet. Figur 2c zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Membran 101c für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper 100 aus metallischem Material. Hierbei ist im Unterschied zu den zuvorigen Ausführungsbeispielen eine Pulverlackschicht 160 unmittelbar auf der zweiten Passivierungsschicht 110 angeordnet.

Figur 2d zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Membran lOld für einen Ultraschallwandler mit einem Membrankörper 100 aus metallischem Material. Hierbei ist im Unterschied zu den zuvorigen Ausführungsbeispielen eine 2k- Hydrolackschicht 170 unmittelbar auf der zweiten Passivierungsschicht 110 angeordnet.

Figur 3 zeigt einen Membrantopf 201 als Membrankörper einer Membran 200 eines Ultraschallsensors. Der Boden 204 des Membrantopfs 201 weist hierbei eine schwingungsfähige Membranfläche auf. Diese schwingungsfähige Membranfläche ist im Einbauzustand an einem Außenverkleidungsteil eines Fahrzeugs frei an der Außenseite des Fahrzeugs angeordnet.

Der Membrantopfs 201 ist aus einem metallischen Material, insbesondere Aluminium, ausgebildet. Ein äußerer, gebeizter Oberflächenbereich 203 einer Außenseite 202 des Membrantopfs 201 ist hierbei unmittelbar mit einer ersten Passivierungsschicht 210 als erste Schicht überzogen. Diese erste Passivierungsschicht 210 dient zur Voraktivierung einer zweiten Passivierungsschicht 215 als zweite Schicht, welche wiederum unmittelbar auf der ersten Passivierungsschicht 210 abgeschieden ist. Auf der zweiten Passivierungsschicht 215 wiederum ist unmittelbar eine Primerschicht 220 als dritte Schicht zum Korrosionsschutz des metallischen Werkstoffs des Membrantopfs 201 abgeschieden.