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KTB: Mehr Flexibilität dank Lasertechnologien

Die Branche sieht sich mit neuen Herausforderungen konfrontiert, die eine Anpassung der Galvanisierungsprozesse erforderlich machen. Die Kunststofftechnik Bernt GmbH löst diese mit einer angepassten Prozesskette, in der mehrere Laser eine besondere Rolle spielen.

Bei der Litho-Graphics-Methode wird ein UV-härtender Abdecklack im Bereich der Symbolik aufgebracht. (Bild: Kunststofftechnik Bernt GmbH)

Litho-Graphics-Methode: UV-härtender Abdecklack im Bereich der Symbolik

Bei Blenden, Knöpfen und Bedienelementen in modernen Fahrzeugen schwören Hersteller auf Kunststoff, denn das Material ist leichter als Metall und der Aufwand in der Herstellung und Bearbeitung vergleichsweise gering. Um dennoch den Ansprüchen an eine gute Haptik, Kratzbeständigkeit und ein edles Design zu genügen, werden die Kunststoffbauteile galvanisiert, sodass sie eine metallische Oberfläche erhalten. Jedoch sieht sich die Branche mit neuen Herausforderungen konfrontiert, die eine Anpassung der Galvanisierungsprozesse erforderlich machen. Unter anderem steigen die Anforderungen an das Design und die Funktionalität dieser Bedienelemente. So müssen viele von ihnen mit teils mehrfarbigen Symboliken versehen und nachts gut erkennbar, also im Tag-Nacht-Design ausgeführt sein. Die Kunststofftechnik Bernt GmbH löst diese Herausforderungen mit einer angepassten Prozesskette, in der mehrere Laser eine besondere Rolle spielen. Die Lasertechnologie erlaubt eine hohe Flexibilität im Design, außerdem können Symbole, Schriften und Strukturen sehr scharf und sauber umgesetzt werden, um ein hochwertiges Erscheinungsbild zu generieren.

Mehrkomponententechnik

Mehrfarbige Symboliken, die hinterleuchtet werden, fein strukturierte Flächen und hochwertiger Glanz bei überzeugender Haptik: Dies sind nur einige Ansprüche, die Automobilhersteller heute für ein individualisierbares Innenraum-Ambiente erfüllen möchten. Für Galvanikbetriebe, die die dafür notwendigen Teile vor der Endmontage entsprechend bearbeiten und veredeln, bedeutet dies immer häufiger, die eigenen Prozesse weiterzuentwickeln und anzupassen, um die steigenden Qualitätsansprüche bedienen zu können. Präzision und Detailgenauigkeit der Herstellung sollen im Fahrzeug zu spüren sein und sichtbar werden. Umso wichtiger ist, dass der Kontrast der Flächen und Symbole nicht verläuft beziehungsweise sie unsauber wirken oder im Nacht-Design ungleichmäßig hinterleuchtet werden. Dazu braucht es aber neue, ausgereifte Verfahren, die über normale Druckmethoden beziehungsweise die einfache Herstellung der Bauteile in Mehrkomponententechnik hinausgehen.

Mit der Mehrkomponententechnik ist es möglich, die transparente Komponente bis zur A-Sichtfläche durchgehen zu lassen und auf diese Weise durchleuchtete Symboliken oder Strukturen zu schaffen (siehe Bild Walzenwippe). Allerdings sind bei dieser Technologie dem Detailreichtum und der Feinheit der Strukturen erhebliche Grenzen gesetzt. Bei den konventionellen Drucktechnologien wird in der Regel mit Tampoprinting ein Abdecklack auf die Oberfläche des Bauteils gedruckt, um so die durchleuchteten Strukturen von der Metallschicht freizuhalten. Diese Methoden haben jedoch den Nachteil, dass die Kanten der durchleuchtbaren Strukturen verwaschen und unpräzise aussehen. Als Alternative bieten sich Lasertechnologien an. Sie bedeuten zwar eine höhere Startinvestition, die laufenden Kosten lassen sich jedoch eingrenzen, da die sonst notwendige Anfertigung und Bereitstellung neuer beziehungsweise verschiedener Werkzeuge entfallen kann. Durch die Laserbeschriftung können auf Basis eines Bauteils mehrere unterschiedliche Varianten mit verschiedenen Symboliken erzeugt werden. Theoretisch erlaubt diese Technologie auch die Personalisierung von Bauteilen.

Allerdings lässt sich ein Spritzgussteil nicht einfach mit der gewünschten Metalloptik beschichten und dann direkt mit einem Laser bearbeiten. Das aufgetragene Finish ist schlicht zu dick und bei einer Behandlung der kompletten Metallschicht würde der darunterliegende Kunststoff anschmelzen. Daher arbeitet die Kunststofftechnik Bernt GmbH mit einem Verfahren, bei dem das Bauteil nach der Vorbehandlung vor dem eigentlichen Galvanisieren aus der Anlage herausgeschleust und mit einem Laser bearbeitet wird. Die Vorbehandlungsschicht (chemisch Nickel) ist eine sehr dünne Schicht, die sich noch gut mit dem Laser bearbeiten lässt, ohne einen zu hohen Wärmeeintrag in das Kunststoffbauteil zu erhalten. Durch die schnelle und punktuelle Bearbeitung können sehr feine Geometrien und Symboliken definiert und herausgearbeitet werden. Die hohe Präzision sichert eine gute Reproduzierbarkeit, sodass eine Automatisierung bei großen Stückzahlen sinnvoll und möglich ist.

Hidden Line®: Mehr Flexibilität im Tag-Nacht-Design

Doch es kommen weitere Herausforderungen hinzu: Viele Bauteile müssen heutzutage im Tag-Design eine geschlossene Oberfläche darstellen und im Nacht-Design durchleuchtbar sein. Dies wird mit vielen feinen Strukturen erreicht, zum Beispiel aus Rechtecken mit einer Kantenlänge von weniger als 0,5 Millimeter. Die Herstellung solcher Strukturen erfordert Laseranlagen mit höchster Präzision und sehr schnellen Scanköpfen. Kunststofftechnik Bernt verfügt über mehrere solcher Präzisionslaser.

Grundsätzlich ist diese Methode für alle Bauteile geeignet, die im Tag-Nacht-Design durchleuchtet sein sollen. Wie genau der Laser dabei strukturieren kann, lässt sich bei einer Vergrößerung an einem typischen Bauteil zeigen (siehe Bild): Soll beispielsweise der langgezogene Bereich einer Zierblende mit feinen Rauten ausgestattet werden, die eine Dimension von 200 x 200 μm aufweisen und jeweils im Abstand von 50 μm zueinander liegen, kann mit dem Laser sehr nah an die Randoberfläche herangefahren werden, ohne dabei Ungenauigkeiten zu riskieren. Die hohe Wiederholgenauigkeit erlaubt, dass sich bei diesem Bauteil an die 40.000 Quadrate in wenigen Minuten exakt und reproduzierbar erzeugen lassen.

3K-Technologie: Mehrfarbigkeit im Tag-Nacht-Design

Da Kunststofftechnik Bernt über eigene Spritzgießanlagen verfügt, können auch Rohteile aus drei Komponenten vor Ort angefertigt werden. Diese lassen sich neben 2K-Bauteilen ebenfalls gut mit einem Laser strukturieren und bearbeiten. Sinnvoll ist eine zusätzliche Komponente beispielsweise zur Vermeidung von Knarzgeräuschen und um eine aktive Lenkradbeleuchtung zu ermöglichen. Aktive Lenkradbeleuchtung bedeutet, dass einzelne Symboliken getrennt von den anderen durchleuchtet werden. Dazu werden lichtdichte Abschottungen benötigt, die verhindern, dass Fremdlicht die anderen Symbole beleuchtet. In beiden Fällen ist eine Zwischenschicht notwendig, die entweder als Geräuschpuffer oder als Lichtabschottung dient. Die unterste Schicht unter den Symbolen bilden Lichtleiterkomponenten, die aus durchsichtigem Polycarbonat (PC) bestehen und das Licht streuen sowie an die Oberfläche lenken. Als mittlere Schicht wird schwarzes PC eingefügt, welches als Lichtbarriere beziehungsweise Lichtlabyrinth fungiert. Es grenzt die durchleuchteten von den nicht durchleuchteten Bereichen ab. Als dritte Komponente dient schließlich ein Kunststoff (zum Beispiel ABS/PC), der sich anschließend galvanisieren lässt. Über eine vollautomatische Kamerakontrolle in den Prozessstufen Spritzguss, Laser und bei der abschließenden Qualitätskontrolle werden die Durchleuchtung und die Symbolposition überprüft.

Illuminated Brush: Gebürstete Flächen mit Flächenlichteffekt

Neben einem erweiterten Tag-Nacht-Design werden auch immer häufiger gebürstete Flächen auf den Blenden und anderen Bauteilen von den Automobilherstellern gewünscht, um eine edle, aluminiumartige Optik zu erzielen. Kunststofftechnik Bernt hat dafür die Textured Plating Technologie entwickelt. Dabei werden Spritzgießformteile mit einem Werkzeug produziert, bei dem die Sichtseite (häufig die Düsenseite des Werkzeuges) mittels Laserbearbeitung so strukturiert ist, dass das entstehende Formteil eine Bürststruktur erhält. Wenn ein solches Bauteil jedoch herkömmlich galvanisiert wird, sorgt insbesondere die Kupferschicht für eine gewisse Einebnung der Struktur. Dies ist bei normalen Bauteilen durchaus gewollt, da so leichte Oberflächenfehler und beispielsweise Bindehäute kaschiert, das heißt weniger sichtbar werden. Gebürstete Bauteile sehen dadurch jedoch eher künstlich und nicht wirklich gebürstet aus. In einem bei Kunststofftechnik Bernt für diese Anwendung speziell entwickelten Beschichtungsprozess wird diese Einebnung auf ein Minimum reduziert und man erhält so Bauteile, die nur noch der Fachmann von tatsächlich gebürsteten Bauteilen unterscheiden kann.

Mit Illuminated Brush lässt sich nun auch noch Beleuchtung mit dieser Technologie kombinieren. Der Lasereinsatz am Bauteil bringt hier für Kunststofftechnik Bernt den entscheidenden Vorteil, dass sich in der Bürststruktur durch Abtragen der Chemisch-Nickel-Schicht in Richtung der Bürststruktur auch noch eine flächige Beleuchtung darstellen lässt. Das Verfahren ist auf dem gesamten Bauteil genauso umsetzbar wie auch auf Teilbereichen.

Litho-Graphics®: Symbole und Grafiken mit Laser aushärten

Eine Weiterentwicklung des bewährten Laserverfahrens von Kunststofftechnik Bernt sollte zwei wesentliche Ziele verfolgen. Zum einen sollte ein Verfahren zu geringeren Kosten angeboten werden und zum anderen die Flexibilität im Hinblick auf Gestaltung und Farbgebung erhöht werden. Dabei sollten Genauigkeit und Randschärfe jedoch möglichst auf einem ähnlichen Niveau liegen. Dies ist mit der Entwicklung des Litho-Graphics®-Verfahren gelungen. Bei dieser Methode wird ein UV-härtender Abdecklack im Bereich der Symbolik aufgebracht. Dies kann mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt werden. Neben einer Sprüh-Applikation wie zum Beispiel beim Lackieren hat sich das Bedrucken mit Tampoprint bewährt. Was Genauigkeit und Randschärfe betrifft, kann dieses Verfahren das Niveau der Lasertechnik bei weitem nicht erreichen. Dies ist jedoch auch gar nicht notwendig, da der UV-Lack mit einem UV-Laser nur genau dort ausgehärtet wird, wo die Symbolik benötigt wird. Überschüssiger, unausgehärteter Lack wird anschließend abgereinigt. Auf der Kostenseite schlägt positiv zu Buche, dass die Bauteile nun in einem Ablauf galvanisiert werden können und nicht nach der Vorbehandlung aus der Galvanikanlage ausgeschleust werden müssen. Dies liegt daran, dass der oben beschriebene Prozess direkt am Spritzgießrohteil durchgeführt werden kann. Gleichzeitig ist es auch bei Litho-Graphics® der Laser, der die Flexibilität, Genauigkeit und Randschärfe des Verfahrens sicherstellt. Im Laufe der Entwicklung ist nun auch noch die Möglichkeit einer Mehrfarbigkeit der Symbolik entstanden. Im Druckverfahren lassen sich in einem Arbeitsschritt bis zu vier verschiedene Farben aufbringen. Zu den klassischen Motiven wie dem Fensterhebersymbol kommen nun auch typische mehrfarbige Erkennungszeichen hinzu wie Markensymbole des Herstellers oder Flaggen, die durchleuchtbar sind.

REACH: Chrom(III) als mögliche Alternative zu Chrom(VI)

Seit September 2017 kann Chrom(VI) nur unter sehr strengen Vorgaben und für eine begrenzte Zeit verwendet werden. Derzeitige Planungen gehen von einer Autorisierung bis mindestens 2024 aus. Kunststofftechnik Bernt arbeitet schon heute intensiv an Alternativen. Seit September 2019 sind alle oben beschriebenen Technologien, wie auch konventionelle Bauteile, mit einer Chrom(III)-Beschichtung lieferbar. Erste Bauteile laufen bereits in Serie.

Fazit

Steigenden Anforderungen an das Design sowie schärferen Auflagen durch die Gesetzgeber in Bezug auf die Materialwahl sollte in der Galvanik idealerweise mit einer Anpassung der einzelnen Prozessschritte unter Einbindung neuer Technologien begegnet werden, selbst wenn diese anfangs eine höhere Investition bedeuten können. Am Beispiel der Lasertechnologie wird deutlich, dass sich die dadurch erzielte, höhere Flexibilität in der Bearbeitung positiv auf die laufenden Kosten und die Endqualität des Produkts auswirken kann. Zudem lässt sich durch die Verbindung bereits optimierter Verfahren auch eine erweiterte Funktionalität bei hoher Design- und Materialqualität realisieren. So können beispielsweise die 3K-Technologie, gebürstete Flächen und wechselnde Durchleuchtung gut kombiniert werden.