So kann PVD-beschichtetes Komposit Edelstahl ersetzen

Auf Basis 40-jähriger Erfahrung hat Nanogate eine umweltfreundliche Lösung entwickelt, die in vielen Branchen Aluminium, Edelstahl und andere Metalle ersetzen kann.

Hochwertige Geräte und Applikationen in innovativem Design und mit edlen Oberflächen liegen bei vielen Anwendungen im Trend. Farbe und Struktur – vor allem kombiniert mit einer Oberflächenfunktion in Metalloptik – sind zunehmend integraler Bestandteil des Designs. Im Vordergrund steht die Oberfläche, die die Wertigkeit des Produktes hervorhebt. So sind zum Beispiel elektrische Haushaltsgeräte nicht mehr nur rein funktional und zweckmäßig – sie sind zunehmend Life-Style-Objekte, die Design mit innovativer Technik verbinden.

Die Herstellung designorientierter Komponenten, die hohe Produktanforderungen erfüllen, sowie die Veredelung dieser Komponenten mit einer hochwertigen Metalloptik – darauf hat sich die Nanogate Gruppe spezialisiert. Um dies auch in größeren Stückzahlen profitabel realisieren zu können, sind innovative Ansätze, die geschickt Material mit Oberflächenveredlungsverfahren kombinieren, vielversprechende und gefragte Ansätze.

Eine neue Technologieplattform, die sich besonders für metalloptische Oberflächen eignet, ist die Edelstahlersatztechnologie mit N-Metals Design der Nanogate Gruppe. Hiermit lassen sich viele Funktionalitäten und Designs, verschiedene Optiken und Oberflächenstrukturen sowie unterschiedliche Farben von Black Stainless Steel bis zu Roségold in einem einzigen, nahtlosen Bauelement realisieren. Die Nanogate Technologie ermöglicht eine attraktive, flexible und nachhaltige Alternative zu Bauteilen aus Edelstahl, Aluminium oder anderen Metallen. Die neue Technologie eignet sich branchenübergreifend für die Herstellung und Veredelung von Produkten wie Griffen, Gittern, Knöpfen, Leisten oder Blenden. Die Bauteile sehen nicht nur aus wie gebürsteter Edelstahl oder Aluminium, sie fühlen sich auch dementsprechend an.

Die individuellen Anforderungen an diese Applikationen definieren sich aus ihrem Anwendungsbereich: Die Ansprüche sind hoch und reichen von dem für Metalle charakteristischen Cool-Touch-Effekt und Anti-Fingerprint bis hin zur Kratz-, Korrosions- und Hitzebeständigkeit. Hierbei lassen sich nahtlose Bauteilformen und Geometrien in unterschiedlichen Farben und Oberflächenstrukturen realisieren.

Die Basis des Bauteils besteht bei dem von Nanogate angewendeten Prozess aus einem speziell weiterentwickelten, glasfaserverstärkten Kompositmaterial. Dessen besondere Materialeigenschaften und Verarbeitungsmöglichkeiten zeichnen es für diesen Prozess besonders aus. Einige mechanische Eigenschaften des Komposits kommen denen von Metallen sehr nah.

Bereits durch die Zusammensetzung des verwendeten Substrates kann Nanogate auf die späteren Materialeigenschaften des Komposits Einfluss nehmen. Je nach Zusammensetzung des Materials lassen sich unterschiedliche thermische oder mechanische Eigenschaften und verschiedene Strukturen realisieren.

Im Anschluss erfolgt eine 3D-Metallisierung der Bauteiloberflächen durch ein speziell adaptiertes umweltschonendes PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition). Dies ermöglicht die Realisierung von kratz-und chemikalienbeständigen metallischen Oberflächen in unterschiedlichen Farben und nahezu unbegrenzten Oberflächenstrukturen.

Diese gestiegenen Anforderungen, gerade im Segment für Haushalts- und Elektrogeräte, fungierten als Innovationstreiber. Das eingesetzte Kompositmaterial wurde über die vergangenen Jahre hinweg in verschiedenen Bereichen als Werkstoff etabliert und für die jeweiligen Anwendungsfelder weiterentwickelt. Die Bauteile erfüllen beispielsweise hohe Anforderungen an Durchschlagfestigkeit sowie Flamm- beziehungsweise Temperaturbeständigkeit.

Aufgrund ihrer Formbeständigkeit auch bei höheren Temperaturen finden Komposit-Bauteile als Scheinwerferreflektoren im Automobilbereich breite Anwendung. Inzwischen werden 95 % aller Reflektoren aus Komposite gefertigt. In diesem Bereich besitzt Nanogate bereits seit mehr als 15 Jahren Erfahrung in der Herstellung und Verarbeitung und hat besonders im amerikanischen Markt als ein gefragter Hersteller für Komponenten im Automobilbereich Fuß gefasst.

Der faserverstärkte Verbundwerkstoff besteht aus einer Mischung aus Harz, Glasfasern und Füllstoffen. Wärmehärtende Harze verleihen dem Material sowohl Temperatur- als auch Chemikalienbeständigkeit, die der Kunde für sein Produkt unabdingbar benötigt. Wenn das Gemisch unter Hitze und Druck aushärtet, vernetzt sich das ungesättigte Polyesterharz mit Vinylester. Die Temperaturbeständigkeit ist ein Hauptmerkmal des eingesetzten faserverstärkten Komposits: Härtet es zu einer festen Masse, wird es bei Temperaturen bis zu 160 Grad Celsius weder weich noch bei Kälte brüchig.

Um die Verarbeitbarkeit zu erhöhen und bestimmte Materialeigenschaften zu schaffen, werden unter anderem Additive, Härtemittel, Verdicker und Trennmittel hinzugefügt. Verstärkungsfasern wie Glasfasern oder Kohlefasern, in einer Länge von 6 bis 12 mm, bestimmen beispielsweise Festigkeit, mechanische Stärke oder die elektrische Leitfähigkeit.

Ein weiterer Vorteil ist die hohe Hitze- und Feuerbeständigkeit von Kompositen. Damit genügen die Komponenten hohen Sicherheitsbestimmungen in verschiedenen Anwendungsbereichen. Unter anderem ist die Rauchentwicklung bei Verbrennung nur gering. Die hohe Schalldämpfung ist ein weiteres wichtiges Kriterium, das besonders für Kunden aus der Automobil- oder Elektrobranche wichtig ist. Diese ist deutlich höher als etwa bei Aluminium oder Stahl.

Ein zusätzlicher Aspekt, der das von Nanogate eingesetzte Kompositmaterial als Ersatz für Aluminium oder Edelstahl attraktiv macht, ist die hohe Präzision und Oberflächengüte der angefertigten Bauteile. Das Komposit schwindet kaum und ermöglicht daher Komponenten in einem anspruchsvollen 3D-Design anzufertigen. Die Bauteile werden im Spritzgussverfahren angefertigt, einbaufertig der Form entnommen und vor der Beschichtung lediglich gereinigt.

Das für die Edelstahlersatztechnologie eingesetzte und speziell weiterentwickelte Material erlaubt es bereits in der Form typische Metall- und Oberflächenstrukturen abzubilden. Aufgrund dieser hohen Abbildungsgenauigkeit kann für viele Anwendungen auf eine zusätzliche mechanische Oberflächenstrukturierung verzichtet werden. Dies spart Prozesszeit und -kosten und ermöglicht eine Vielzahl von Gestaltungsmöglichkeiten.

Die Verarbeitung des Kompositmaterial erlaubt zudem die Integration weiterer Zusatzfunktionen in einem einzigen Produktionsschritt. In der Metallverarbeitung sind hier häufig weitere zusätzliche Verfahrensschritte notwendig.

Aber warum entscheiden sich Unternehmen immer häufiger für eine Edelstahlalternative? Die Motivation hierbei liegt in der vielseitigen Einsatzfähigkeit von Kompositen und an der Flexibilität des eingesetzten Prozesses. Ein Komposit kann viele – oftmals gegensätzliche Eigenschaften – abbilden wie sonst kaum ein anderes Material. Zudem überzeugt die Technologie auch durch eine hohe Wirtschaftlichkeit im Produktionsprozess.

Die Option, den Verbundstoff in Kombination mit Beschichtung flexibel in Form und Oberfläche an die Kundenanforderungen anzupassen, ist ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber Metall oder anderen Materialien. Besonders attraktiv für die Industrie ist die Möglichkeit eines schnellen Time-to-Market. Die Herstellung und die Verarbeitung des Verbundstoffs erfolgt vergleichsweise sehr effizient.

Eine hohe Wirtschaftlichkeit im Herstellungsprozess in Kombination mit neuen innovativen Ideen bezüglich Material- und Oberflächeneigenschaften sowie der Oberflächenveredlung, machen den Verbundstoff für viele Hochleistungsanwendungen in unterschiedlichen Branchen attraktiv.

Neben dem Anspruch an Design und Funktionalität ist auch der Bedarf an recycelfähigen Materialien und ressourcenschonenden Produktionsprozessen gestiegen. Dies ist auf der einen Seite aus einem ökologischen Umdenken heraus entstanden, resultiert auf der anderen Seite aber auch aus neuen Vorschriften und Verordnungen auf nationaler und internationaler Ebene. Neben Bestimmungen bezüglich der Verwendung von Materialien wie zum Beispiel von Blei oder Chrom VI in Europa müssen viele Branchen bestimmte Recyclingquoten beziehungsweise Verwertungsquoten ihrer Produkte nachweisen.

Da die herkömmlichen Methoden wie die Ablagerung auf einer Deponie oder die Verbrennung inzwischen nur sehr reglementiert möglich und kostenintensiv geworden sind, gewinnen alternative Entsorgungsmöglichkeiten an Bedeutung. Die so genannte Life Cycle Analysis (Lebenszyklusanalyse) und eine Nachhaltigkeitsanalyse sind wesentliche Kriterien, die die Entscheidung der Hersteller beeinflussen. Dies betrifft besonders Elektrogerätehersteller, da die Auflagen für die Endprodukte in der EU gestiegen sind. Seit 2016 müssen 45 % aller elektronischen Geräte, die verkauft werden, auch verwertet werden. Ab 2019 müssen sogar 65 % aller Geräte bzw. 85 % des Elektroschrotts recyclingfähig sein.

Der Verbundstoff zeichnet sich durch die hohe Umweltverträglichkeit seiner einzelnen Substrate aus. Auch der Energieaufwand, der im Herstellungsprozess von Komposit-Komponenten aufgewendet wird, ist wesentlich geringer als bei der Herstellung und anschließenden Verarbeitung von Edelstahl oder Aluminium. Dies führt zu einer guten CO2-Bilanz im Vergleich zum Herstellungsprozess einer Komponente aus Edelstahl oder Aluminium.

Studien zur Life Cycle Analysis haben zudem ergeben, dass die Verwendung von Komponenten aus faserverstärktem Kompositmaterial große Vorteile aufweist: Das Material bietet 40 bis 50 % weniger CO2-Emissionen bei den stationären Funktionen im gesamten Lebenszyklus (cradle-to-grave). Die Instandhaltungskosten sind bei Komponenten aus dem Verbundwerkstoff geringer als bei Teilen aus Edelstahl oder Aluminium.

Diese Studien kommen zu dem Ergebnis, dass diese Komponenten von der Produktion, im Gebrauch und im Recycling nachhaltig und damit umweltverträglicher sind als die gängigen Metall-Varianten. (vgl. Design for Success. A Design & Technology Manual for SMC BMC, www.smcbmc-europe.org)

Hersteller von Kompositmaterialien haben verschiedene Methoden zur Wiederverwertung des Verbundstoffs entwickelt. Dabei spielt jedoch die Wirtschaftlichkeit der Recylingmethode eine große Rolle. Eine Lösung zur Wiederverwertung ist der Einsatz des aufbereiteten Materials in der Herstellung von neuem Kompositmaterial. Der aufbereitete Verbundwerkstoff kann alternativ als Füllstoff auch in der Herstellung alternativer Komposite oder in Baustoffen wiederverwertet werden.

Die Technologie der Nanogate Gruppe zum Ersatz von Edelstahl zeichnet sich durch drei Gestaltungsmöglichkeiten aus: Die Funktionalität und Formgebung des Kompositmaterials, die Abbildung der Oberflächenstruktur schon im Herstellprozess sowie die Metallisierung im Anschluss. Die Kombination dieser drei Schritte eröffnet vielfache neue Möglichkeiten für das Produktdesign.

Der erste Schritt hierbei ist die CAD-Modellierung. Hierbei wird ein genaues Modell erstellt, das es erlaubt, die mechanischen Eigenschaften der Komponente im Detail zu simulieren. Damit kann eine Komponente mit mechanisch stabilen Strukturen gestaltet werden. Grundlage hierfür sind fundierte Materialkenntnisse und die Anforderungen, die an die Komponente gestellt werden.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung ist die Strömungsanalyse, die die Faserorientierung im Bauteil simuliert. Eine korrekte Faserorientierung ist insbesondere dann wichtig wenn hohe Kräfte und Spannungen auf das Bauteil einwirken.

Im nächsten Schritt folgt die Strukturanalyse bei der die Einwirkung von dynamischen und statischen Kräften unter realen Konditionen kalkuliert und simuliert wird. Entsprechend des Resultats werden die Fließeigenschaften gegebenenfalls nochmal optimiert.

Nanogate kann somit Design und Eigenschaften einer Komponente bereits von Beginn des Produktionsprozesses an individuell auf die Kundenwünsche und die Anforderungen des späteren Anwendungsbereiches anpassen. Die entsprechende Materialkenntnis vorausgesetzt, sind die Designmöglichkeiten und die Funktionalität einer Komposit-Komponente nahezu grenzenlos.

Im Vergleich zu Metallen kann das Kompositmaterial in nur einem einzigen Arbeitsschritt in die vollständige Form gebracht werden. Die Herstellung von Bauteilen erfolgt üblicherweise im Kompressions- oder Spritzgussverfahren. Nanogate setzt bei der Produktion auf ein innovatives Spritzgussverfahren, um eine hohe Teilkonsistenz und Präzision der Bauteile hinsichtlich des Designs und der Oberflächenqualität abzusichern. Mit dem speziell weiterentwickelten Kompositmaterial ist es möglich, Oberflächenstrukturen zu realisieren, die mit herkömmlichen Verfahren nicht ohne weiteres darstellbar sind.

Im Gegensatz zur Verarbeitung eines thermoplastischen Materials wird es bei Zimmertemperatur in ein hocherhitztes Werkzeug gegeben. In der Regel werden die für den Komposit-Spritzguss verwendeten Werkzeuge auf bis zu 140 bis 165 °C erhitzt. Die Kombination aus Wärme und Druck macht das Kompositmaterial weich und formbar, damit es den Formhohlraum ausfüllen kann. Sowohl die Formbelegungs- als auch die Aushärtezeit werden an die Zusammensetzung des Verbundstoffes sowie die Größe und Komplexität des Bauteils angepasst und die Zykluszeit optimiert.

Im Werkzeug erhält die Komponente nicht nur ihre Form, auch die Oberfläche bekommt im Formwerkzeug ihre individuelle Struktur. Die Strukturen werden durch Ätzen oder Polieren der Formwerkzeuge geschaffen. Diese strukturierten Oberflächen eröffnen den Herstellern viele zusätzliche Designoptionen, wie zum Beispiel neben den klassischen gebürsteten oder polierten metallischen Oberflächenstrukturen auch Holzoptiken, die mit metallischen Materialien nur sehr aufwendig realisierbar sind.

Die Herausforderungen bei diesem Prozess liegen darin, die Parameter wie Materialzusammensetzung, Dicke des Bauteils und die Temperatur genau aufeinander abzustimmen. Um eine makellose Optik der Komponente zu garantieren, wird sie nach Abkühlen einer anschließenden Reinigung unterzogen.

Im Anschluss an Gestaltung von Form- und Oberflächenstruktur wird das Bauteil metallisiert und die Oberfläche kratz- und chemikalienresistent veredelt. Da es sich bei den Komponenten aus Kompositmaterialien häufig um Applikationen wie Griffe, Leisten, Knöpfe oder Blenden handelt, liegt eine zusätzliche Herausforderung darin, eine täuschend ähnliche Optik zu den am übrigen Gerät verwendeten Materialien, Farben und Oberflächen zu erreichen.

Die Veredelung der Bauteile mit hochwertigen Metall-Optiken und Funktionen erfolgt bei Nanogate unter der Marke N-Metals Design. Für die Farbgebung des Bauteils steht eine große Farbpalette zur Verfügung: Angefangen von einer edlen matten oder glänzenden Edelstahloptik, einer rotgoldenen oder rauchschwarzen Metalloberfläche bis hin zu einer Blechoptik ist vieles möglich. Verschiedene Oberflächenvarianten wie gebürstet, matt oder glänzend lassen das Bauteil und das Gerät später wie aus einem Guss aussehen.

Mit N-Metals Design erhält die Komponente auch eine multifunktionale Schutzschicht. Das Funktionsspektrum umfasst beispielsweise Anti-Fingerprint, Easy-to-Clean, erhöhte Kratz- oder Korrosions- bzw. Säurebeständigkeit. Die aufgetragenen metallischen Schichten splittern, anders als zum Beispiel bei galvanisch aufgebrachten Schichten bei Bruch, nicht, was die Verletzungsgefahr sehr gering hält.

Die metallischen Schichten werden so aufgetragen, dass sich die in das Material eingeprägten Strukturen nicht verändern. Dieser Veredelungsschritt erfolgt mittels PVD-Verfahren. PVD ermöglicht je nach Verfahrensweise das Aufbringen von Einfach- und Mehrfachschichten.

Die Metallisierung der Komposit-Oberflächen erfolgt in mehreren Schritten, die aufgrund von Schichtmaterial und Anforderungsprofil sorgfältig bestimmt werden. Im PVD-Verfahren werden verschiedene Aufdampfmaterialien eingesetzt. Im Hochvakuum freigesetztes Material schlägt sich als dünner Film auf den Bauteilen nieder ohne die eingeprägte Oberflächenstruktur zu verändern. Im Vergleich zu herkömmlichen Galvanisierungsprozessen reduziert die PVD basierte Metallisierung die Belastung für Mensch und Umwelt deutlich.

Die Schichtkomponenten bestehen aus Metallen und verleihen den Bauteilen einen individuellen Metalllook: Hierbei sind unterschiedliche Farbnuancen wie Silber, Roségold bis hin zu Black Stainless Steel möglich, was die Komponenten beispielsweise individuell anpassbar auf Elektrogeräte macht. Ein Cool-Touch-Effekt des Bauteils wird von Kunden und Verbraucher als sehr hochwertig empfunden.

Nanogate verfügt über 40 Jahre Erfahrung bei der Metallisierung von Kunststoffkomponenten und veredelt diese in einem umwelt- und gesundheitsfreundlichen Verfahren. Die metallisierten Bauteile besitzen dabei die gleiche hochwertige Anmutung wie galvanisierte Komponenten. Das auf Kompositmaterialien angewandte Verfahren entspricht damit der REACH Verordnung der Europäischen Union, die seit 2017 die Verwendung von Chrom VI in Europa einschränkt.

Genau wie bei Herstellung und Formgebung der Komponente ist der Industrialisierungsgrad der Produktionsprozesse bei der Metallisierung sehr hoch. Zur Reduzierung der Produktionszeit und zur Sicherung einer hochwertigen Umsetzung der Metallisierung tragen große Anlagenkapazitäten und ein modulares Halterungskonzept beim PVD-Verfahren bei. Hinzu kommt eine gute Prozesskontrolle, die reproduzierbare und gleichmäßige Schichten selbst bei schwierigen Geometrien sichert.

Der Ersatz von Edelstahl, Aluminium oder anderen Metallen durch ein metallisiertes Komposit ist inzwischen in den meisten Branchen möglich. Das Material ist flexibel und erfüllt zusammen mit einer metallisierten Oberfläche die hohen Ansprüche an Design und Optik. Dieser Prozess ermöglicht, das Design eines Bauteils genau auf die Anforderungen der Kunden von der Herstellung bis zur Metallisierung abzustimmen. Auch die Option, Einfluss auf die Materialeigenschaften zu nehmen, besitzt eine hohe Attraktivität.

Die Möglichkeit zusätzliche Funktionen direkt im Produktionsprozess zu integrieren macht Kompositmaterialien zukunftsfähig. So können zum Beispiel auch elektronische Funktionen in die Oberfläche integriert werden. Ergänzt durch die multifunktionalen Eigenschaften der Komponente eröffnet dies völlig neue Umsetzungskonzepte für Geräte jeder Art.

Die Technologie von Nanogate ist auch für zukünftige Herausforderungen auf dem Markt gerüstet. Schlanke Produktionsprozesse ermöglichen ein schnelles Time-To-Market. Aufgrund der hohen Umweltverträglichkeit des metallisierten Bauteils kann die Industrie viele Auflagen erfüllen, die der Gesetzgeber vorgibt. Die Attraktivität besteht darin, und zugleich die Anforderungen nach einer multifunktionalen und sowie nach einer optisch hochwertigen Designkomponente erfüllen. Daher ist die Nachfrage in allen Branchen von Home Appliance bis hin zur Automobilbranche hoch.

gk