Oberflächentechnik in der Kunststoffverarbeitung

Kunststoffprodukte sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken, sie begleiten uns durch den ganzen Tag und meist ein Leben lang. Neben der sicheren Funktion und der Gebrauchseigenschaft spielt bei Kunststoffprodukten das Design, die Optik und die Haptik eine wesentliche Rolle. Die Oberflächentechnik stellt Verfahren und Prozesse bereit, um Kunststoffbauteile in ihren Oberflächeneigenschaften definiert zu verändern. Beispiele hierfür sind das Lackieren von Komponenten im Fahrzeugbau, das Bedrucken und Etikettieren von Verpackungen, das Laserbeschriften von Computertastaturen und Funktionsbauteilen, die Beschichtungstechnik für das Aufbringen von Verschleißschutz-, Funktions-und Barriereschichten bis hin zum Beflocken von Bauteilen zur Einstellung der Reib- und Kontakteigenschaften. Bei der Oberflächentechnik handelt es sich um ein interdisziplinäres Arbeitsgebiet, da häufig viele Prozessschritte aus unterschiedlichen technologischen Bereichen, z. B. der Vorbehandlungs- und Beschichtungstechnik, kombiniert werden müssen, um die gewünschten Oberflächeneigenschaften zu realisieren.

Als Oberfläche wird im allgemeinen Sprachgebrauch eine dünne äußere Randschicht bezeichnet, die Farbe, Glanz und Rauheit eines Werkstücks bestimmt.

Werden technische Oberflächen betrachtet, so zeigen diese Welligkeiten und Rauheiten oder sind mit Verarbeitungshilfsmitteln belegt. Neben der von außen sichtbaren Oberfläche ist für die spätere Produktqualität auch die Zusammensetzung dieser dünnen Schichten und der Aufbau der Grenzfläche zwischen Grund- und Beschichtungsmaterial von entscheidender Bedeutung. Je nachdem welche technologisch wichtigen Eigenschaften und Prozesse betrachtet werden, wird die Dicke dieser Grenzschicht von < 1 nm bis zu 1 μm angenommen (siehe Bild 2.1).

Die Beschichtungstechnik stellt Verfahren und Prozesse bereit, um funktionale und dekorative Schichtsysteme auf der Kunststoffoberfläche durch Auftragen zu applizieren. In diesem Kapitel werden die Verfahren Galvanisieren, physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD-Verfahren), thermisches Spritzen und Lackieren vorgestellt und detailliert beschrieben.

In den folgenden Abschnitten werden die gängigsten Druckverfahren, Offsetdruck, Flexodruck, Tiefdruck, Tampondruck, Siebdruck und die digitalen Non-Impact-Verfahren (NIP), in ihren verfahrensspezifischen Eigenschaften beschrieben. Jedes dieser Druckverfahren stellt einen Prozess zur Vervielfältigung von Informationen, bestehend aus Schrift und Bild, in beliebiger Anzahl dar. Um dem Kunststoffverarbeiter einen Überblick der verschiedenen Drucktechniken zu geben, werden diese genau beschrieben. Auf die Stärken und Schwächen der einzelnen Druckverfahren sowie deren verfahrensbedingte Grenzen für die Kunststoffverarbeitung wird in der Verfahrensbewertung näher eingegangen.

Was wäre ein Automobil, wenn die Bedienelemente im Innenraum nachts nicht leuchten würden. Leuchtdioden hinter laserbeschrifteten Tasten lassen die Symbole hell aufleuchten (Bild 5.1). Aber auch unter der Motorhaube hinterlässt der Laser seine Spuren. Immer mehr Einzelteile und Baugruppen müssen individuell und dauerhaft gekennzeichnet werden. Eine Rückverfolgbarkeit bis hin zum Produktionsprozess muss gewährleistet sein. Bei Rückrufaktionen muss der Verursacher leicht gefunden werden können. Das weite Anwendungsfeld der Laserbeschriftung in der Automobilindustrie, wie beispielsweise die Markierung von Kfz-Bedienelementen oder Powertrainkomponenten, liegt in zahlreichen Vorteilen begründet. Das berührungslose Verfahren zeichnet sich durch seine enorme Flexibilität hinsichtlich Schriftbildinhalt, Materialvielfalt und Bauteilgeometrie aus. Schwer zugängliche Stellen sind leicht erreichbar. Auch gekrümmte Flächen sind für den Laser keine Herausforderung. Vor- und Nacharbeiten sind nicht erforderlich. Der Laser beschreibt auch die öligen Oberflächen auf Ventilen und die rauen unbearbeiteten Schmiedeoder Gussoberflächen von Kurbelwellen oder Pleuel. Neben Firmenlogos der Automobilhersteller oder -zulieferer sowie Prüfzeichen können variable Inhalte wie fortlaufende Seriennummern, Fertigungsdaten, Barcodes oder DataMatrix-Codes just-in-time auf das Werkstück aufgebracht werden. Ebenso schnell können aus aktuellen Messdaten graphische Elemente wie beispielsweise Tachoskalen generiert und markiert werden. Die komfortable Schnittstellenarchitektur moderner Markiersoftware macht die Bedienung einfach. Windowsbasierte Software erlaubt die einfache Programmierung von Text, Grafik und Code sowie die Übernahme von CAD-Daten in das System.

Etiketten werden in der Verpackungstechnik eingesetzt, um einerseits Produktinformationen bereitzustellen und Dekoraufgaben wahrzunehmen und andererseits um die Produktsicherheit zu erhöhen, den Plagiatschutz zu ermöglichen und die Rückverfolgbarkeit von Produkten sicherzustellen. Gemäß einer Studie der Applied Market Information Ltd., Bristol, wurden im Jahr 2008 in Europa rund 13 Mrd. Quadratmeter Etiketten verarbeitet, wobei hiervon 27 % mit einer Kunststoffoberfläche ausgestattet waren. Für die Herstellung der kunststoffbasierten Etiketten wurden 200.000 t Folie der Kunststoffe Polypropylen, Polyethylen, Polyethylentherephtalat und Polyvinylchlorid eingesetzt. Für die nächsten fünf Jahre wird ein steigender Bedarf an Kunststofffolien mit einer jährlichen Steigerungsrate von 6 % prognostiziert [1].

Durch die Beflockung lassen sich alle polymeren Werkstoffe veredeln. Veredeln darf dabei nicht nur als Verbesserung des optischen Eindrucks verstanden werden, sondern durch die Beflockung bekommen polymere Werkstoffe weitere positive Eigenschaften.

Glanzgrade, gezielte Struktureindrücke und Designeffekte an Formteilen haben inzwischen höchste Bedeutung für die Vermarktung von Produkten und damit auch für die Fertigung. Waren es früher innovative Techniken und die Funktionalität, die die Kaufentscheidung für ein Produkt überwiegend beeinflussten, rückt nun das Design in den Mittelpunkt des Interesses. Daher werden die meisten der Oberflächenverfahren eingesetzt, um dem ”nackten “ Kunststoffteil ein ästhetisches, ansprechendes Äußeres zu verleihen, eine angenehmere Haptik (Griffgefühl) zu vermitteln und es wertvoller erscheinen zu lassen. Häufig wird dies kombiniert mit der Informationsübermittlung durch Einbringen von Symbolen und Texten, wie z. B. Firmennamen, Zahlen (Telefon) etc.

Mit der Verfahrenstechnik ”Folienhinterspritzen “ verbindet sich eigentlich eine höhere Anzahl von unterschiedlichen Verfahren. Hierbei muss grundsätzlich zwischen zwei übergeordneten Techniken unterschieden werden. Dabei handelt es sich zum einen um ein Prinzip, bei dem das Heißprägen in den Spritzgießprozess integriert wurde und das als IMD-Verfahren (Inmold-Decoration) bezeichnet wird. Hierbei dient die Folie nur als Trägermaterial, um ein Farb- und Schutzlacksystem auf ein Kunststoffbauteil zu übertragen. Bei dem zweiten Verfahren wird eine farbige oder bedruckte und optional verformte Folie in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und verbindet sich mit dem Hinterspritzmaterial.

Glanzgrade, gezielte Struktureindrücke und Designeffekte an Formteilen gewinnen zunehmende Bedeutung für die Fertigung. Suchten in der Vergangenheit die Hersteller im Bereich der technischen Features nach sogenannten Alleinstellungsmerkmalen, so rückte in den letzten Jahren das Design und somit die Oberfläche von Kunststoffteilen immer stärker in den Fokus. Dabei verschiebt der Wunsch nach neuen Gestaltungsmöglichkeiten von Kunststoffformteilen die Grenzen des technisch Machbaren immer weiter. Innovative Techniken und Funktionalität haben in den früheren Jahren die Kaufentscheidung für ein Produkt überwiegend beeinflusst. Mit zunehmender Angleichung der technischen Eigenschaften rückte das Design immer weiter in den Mittelpunkt des Interesses. Dies bedeutet, dass ein Produkt nicht nur funktionieren muss, sondern dass es auch den steigenden Kundenansprüchen an Form, Oberflächenfinish und Haptik gerecht werden muss. Für viele Unternehmen sind Qualitätsanforderungen nach einheitlichen Glanzgraden und Farben innerhalb einer Baugruppe oder auch matte und kratzunempfindliche Oberflächen sowie die Harmonie zwischen verschiedenen Oberflächen z. B. im Fahrzeuginnenraum schon lange selbstverständlich.