VDI 3823 Blatt 1-2006 Vacuum coating quality assurance - Characteristics applications and procedures.pdf

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1、ICS 25.220.01 VDI-RICHTLINIEN November 2006 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Qualittssicherung bei der Vakuumbeschichtung von Kunststoffen Eigenschaften, Anwendungen und Verfahren Vacuum coating quality assurance Characteristics, applications and procedures VDI 3823 Blatt 1 / Part 1 Ausg. deutsch/englisc

2、h Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. No guarantee can be given with respect to the English transla-tion. The German version of this guideline shall be taken as authoritative. VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik Fachausschuss Qualittssicherung bei der Vakuumbes

3、chichtung von Kunststoffen VDI-Handbuch Werkstofftechnik VDI-Handbuch Konstruktion VDI-Handbuch Kunststofftechnik VDI-Handbuch Medizintechnik Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet/Reproduction evenfor internaluse notpermittedFrhere Ausgabe:12.04Entwurf, deutsch Formeredition:

4、 12/04 Draft,inGerman onlyZubeziehen durch/ Available at Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinAlleRechte vorbehalten /AllrightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2006Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung. 2 Einleitung 3 1 Geltungsbereich. 4 2 Anwendungsbereiche der Vakuum-beschichtung von

5、Kunststoffen 4 2.1 Dekorative Anwendungen 5 2.2 Reibungs- und verschleimindernde Anwendungen . 8 2.3 Elektrotechnische Anwendungen . 8 2.4 Optische Anwendungen . 11 2.5 Anwendungen als Barriereschichten. 14 2.6 Biologische und medizinische Anwendungen . 17 2.7 Weitere Anwendungen. 19 3 Verfahren fr

6、die Vakuumbeschichtungen von Kunststoffen . 21 3.1 Thermisches Verdampfen im Vakuum . 22 3.2 Bogenverdampfung im Vakuum. 22 3.3 Zerstuben im Vakuum 24 3.4 Plasmapolymerisation 26 3.5 Plasmauntersttzte chemische Dampfabscheidung (PECVD) 27 3.6 Vor- und Nachbehandlung . 27 Schrifttum . 28 Preliminary

7、note 2 Introduction. 3 1 Scope 4 2 Applications for Vacuum Coating Plastics. 4 2.1 Decorative applications 5 2.2 Friction and wear resistant coatings 8 2.3 Electrotechnical applications 8 2.4 Optical applications. 11 2.5 Applications as barrier coatings 14 2.6 Biological and medical applications . 1

8、7 2.7 Further applications. 19 3 Processes for Vacuum Coating Plastics. 21 3.1 Thermal evaporation in a vacuum 22 3.2 Arc beam vacuum systems. 22 3.3 Sputtering 24 3.4 Plasma polymerization. 26 3.5 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). 27 3.6 Pretreatment and after-treatment 27 Bibliogr

9、aphy 28 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08 2 VDI 3823 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2006 Vorbemerkung Der Fachausschuss Vakuumbeschichtung von Kunststoffen“ der VDI-Gesellschaft Werkstofftech-nik hat diese Richt

10、linie erarbeitet, um zur Qualitts-sicherung bei der Vakuumbeschichtung von Kunst-stoffen beizutragen. Sie behandelt produktspezifi-sche Aspekte des Qualittsmanagements (QM) und dient als Leitfaden fr die Verstndigung zwischen den Herstellern von Kunststoffgranulat, den Herstel-lern der zu beschichte

11、nden Kunststoffteile, den Be-schichtern und den Anwendern der beschichteten Teile. Notwendige Voraussetzungen fr eine anfor-derungsgerechte Vakuumbeschichtung von Kunst-stoffen werden verdeutlicht. Auf Grund ihrer we-sentlichen Bedeutung fr die Kunststoffbeschich-tung werden Vor- und Nachbehandlungs

12、schritte ebenfalls behandelt. Die Richtlinie trgt so zur Qua-littssicherung im Sinne der aktuellen Begriffsnor-mung bei, nmlich zur Darlegung von QM-Elementen dem Anwender gegenber mit dem Ziel, Vertrauen in die Erfllung seiner Qualittsanforde-rungen zu schaffen. Die Richtlinie umfasst folgende Teil

13、e: Blatt 1: Eigenschaften, Anwendungen und Verfahren Blatt 2: Anforderungen an die zu beschichtenden Kunststoffe Blatt 3: Fertigungsablufe und -ttigkeiten Blatt 4: Prfungen an vakuumbeschichteten Kunststoffteilen Die Aufgabe der Richtlinie VDI 3823 Blatt 1 ist es, die in der heutigen industriellen P

14、raxis wichtigsten durch Vakuumbeschichtung auf Kunststoffen abge-schiedenen Schichten ihren wesentlichen Anwen-dungsfeldern zuzuordnen und ihre unterschiedlichen Eigenschaften darzulegen. Hierbei sind Verallge-meinerungen angestrebt, die im konkreten Anwen-dungsfall berprft werden mssen. Den Anwende

15、rn sollen Anregungen und Unterstt-zung bei der Auswahl der fr den gegebenen An-wendungsfall am besten geeigneten Beschichtung und des entsprechenden Vakuumbeschichtungsver-fahrens gegeben werden. Die Beschichter werden bei ihrer Darstellung der Anwendungsmglichkeiten der Vakuumbeschichtung von Kunst

16、stoffteilen un-tersttzt. Den Herstellern der Ausgangsstoffe (Kunststoffgranulat, Additive, Pigmente und Fll-stoffe) und den Kunststoffverarbeitern (z. B. Her-steller von Formteilen) werden Hinweise zur be-schichtungsgerechten Herstellung und Fertigung gegeben. Preliminary note The Technical Committe

17、e “Vacuum Coated Plas-tics” in the VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik (VDI Society for Materials Engineering) has pre-pared this guideline, in order to contribute to quality assurance in the vacuum coating of plastics. It ad-dresses product specific aspects of quality manage-ment (QM) and serves as a

18、 platform for promoting understanding between manufacturers of plastic granules, manufacturers of plastic parts, coaters and those who use these coated parts. It describes the requirements that need to be fulfilled in order for plastics to be coated in a manner that will satisfy the demands placed u

19、pon them. Pretreatment and after-treatment are dealt with as separate steps because of their essential importance in coating plastics. This guideline therefore contributes to quality assurance in the sense of establishing norms for current termi-nology, particularly with regard to describing as-pect

20、s of QM to those who use the coated parts, in order to create greater confidence in the fulfillment quality requirements. This guideline comprises the following parts: Part 1: Characteristics, applications and processes Part 2: Demands on plastics to be coated Part 3: Production sequence and job ste

21、ps Part 4: Testing of Vacuum Coated Plastics The purpose of guideline VDI 3823 Part 1 is to categorize the most important coatings deposited through industrial processes for Vacuum Coating Plastics according to their areas of application and to describe their various characteristics. In this con-tex

22、t generalizations will be made, which will need to be assessed in actual applications. Users should be given information and support in choosing the coating, and the corresponding vacuum coating process best suited to their applications. Coaters will find support in describing the uses in which vacu

23、um coatings can be applied to plastic parts. Manufacturers of raw materials (plastic gran-ules, additives, pigments and fillers) and those working with plastics (such as manufacturers of molded and formed parts) will find information on the production and finishing methods best suited to coated plas

24、tics. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2006 VDI 3823 Blatt 1 / Part 1 3 Einleitung Seit mehr als 60 Jahren wird die Beschichtung im Vakuum zur Lsung verschiedenster Aufgaben in-dustriell eingesetzt

25、. Bereits 1936 wurden Kathodenzerstubungsanlagen zur Beschichtung von Papier- und Textilbndern eingesetzt. Auerdem wurden mit dieser Methode Wachsmatrizen von Schallplatten mit Silber beschichtet. Einen weiteren Schwerpunkt bildeten die optischen Schichten: in den Jahren 1940 bis 1944 fertigte man i

26、n Groanlagen (Durchmesser 1,80 m und 2,20 m) und in klimatisierten Rumen Rhodium-Spiegel auf Glas. Ab 1942 wurde das Rhodium zunehmend durch Aluminiumschichten mit SiO2-Schutzschicht abgelst. Die optische Reflexminderung mit Doppel-schichten ging in Deutschland ab 1949 in Fertigung. Die industrielle

27、 Bedampfungstechnik zur dekorati-ven Metallisierung von Kunststoffteilen ist Gegens-tand von Verffentlichungen in produktionstech-nisch ausgerichteten Zeitschriften hauptschlich in den USA in den Jahren 1947 bis 1951. Die heute noch gebruchlichen Anlagen mit horizontalem Kessel (Durchmesser 1,80 m u

28、nd grer) fr drei-dimensionale Teile werden seit Ende der 50er-Jahre gebaut. Durch Beschichten im Vakuum knnen heute Schichten aus reinen Metallen, Legierungen, Oxi-den, Nitriden, Karbiden, Karbonitriden, Oxinitriden und aus Polymeren auf Kunststoffe aufgebracht werden. Diese Schichten werden als Ein

29、zelschichten und Mehrschichtsysteme, deren Dicken im Bereich von einigen nm bis zu einigen m liegen, abge-schieden. (Zum Vergleich: Die Dicke galvanisch auf Kunststoffen abgeschiedener Schichten liegt vor-zugsweise oberhalb 10 m.) Zur Beschichtung und zur Vernderung von Kunst-stoffoberflchen im Vaku

30、um werden heute das ther-mische Verdampfen (Widerstandsverdampfen, Elekt-ronenstrahlverdampfen) und verschiedene plasma-gesttzte Beschichtungsverfahren (z. B. Kathoden-Zerstuben (Sputtern), Lichtbogen-Verdampfen (ARC-Verdampfen), Plasmapolymerisation, plasma-untersttze chemische Gasabscheidung (PE-C

31、hem-ical Vapour Deposition, PE-CVD) sowie deren Kom-binationen eingesetzt. Als Vor- und Nachbehand-lungsschritte kommen, wenn erforderlich, beschich-tende Verfahren zum Aufbringen von Grund- und Deckschichten (z. B. Lackieren, Bedrucken, galvani-sche Beschichtung sowie Plasmapolymerisation) sowie ni

32、cht-beschichtende Verfahren zur Vorreini-gung und Aktivierung der zu beschichtenden Ober-flchen (z. B. Strahlen, Plasmatzen sowie Glimm-, Flamm-, und Coronabehandlung) zum Einsatz. Introduction For over 60 years vacuum coating has been em-ployed to solve problems in industrial production in a broad

33、range of applications. As early as 1936 cathode sputterers were used to coat paper and woven bands. This method was also employed to coat the wax masters of early re-cordings with silver. Coatings for optical purposes are another important application: from 1940 to 1944 rhodium mirrors on glass were

34、 produced in large devices (diameters of 1,80 m and 2,20 m) under climate-controlled condi-tions. As of 1942, rhodium was increasingly re-placed by aluminum coatings with a protective coat-ing of SiO2. The production of double-layer, anti-reflective films began in Germany in 1949. Industrial vapor d

35、eposition technology for the deco-rative metallization of plastic parts was the subject of articles published in journals in the field of pro-duction technology mainly in the United States in the years 1947 to 1951. The type of equipment most commonly used for three-dimensional objects, a horizontal

36、 chamber (diameter 1,80 m and larger) has been built since the late 1950s. Through the process of vacuum coating it is now possible to apply coats of pure metals, alloys, ox-ides, nitrides and polymers to plastics. These coat-ings are applied in single and multiple-layer systems deposited in thickne

37、sses ranging from a few nm to a few m. (In comparison: the thickness of coatings galvanically deposited on plastics tends to lie over 10 m.) In order to coat and to alter plastic surfaces in a vacuum, various thermal evaporation (resistive evaporation, electron beam evaporation) and various plasma e

38、nhanced coating processes (such as sputter-ing), ARC vaporization, plasma polymerization, plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD) as well as combinations thereof are em-ployed. Pretreatment and after-treatment steps, when required, include coating processes for the application of base and

39、 top coats (such as lacquer, printing, galvanic coating and plasma polymeriza-tion) as well as non-coating processes for purposes of precleaning and the activation of the surfaces to be coated (such as radiation, plasma etching, glow discharge, flame and corona treatment). B55EB1B3E14C22109E918E8EA4

40、3EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08 4 VDI 3823 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2006 Das Verhalten des im Vakuum beschichteten Kunst-stoffs unter produktspezifischen Einsatzbedingun-gen wird durch das Verhalten des durch die Be-schichtung ge

41、schaffenen Verbunds aus Schicht-werkstoff (einschlielich Grund- und Deckschichten sowie technologisch bedingten Zwischenschichten) und beschichtetem Kunststoff bestimmt und erklrt sich aus dem Zusammenspiel der Eigenschaftsprofi-le der einzelnen Bestandteile des Verbunds. Das Eigenschaftsprofil der

42、im Vakuum abgeschie-denen Schicht wird sowohl durch das abgeschiedene Material als auch durch die bergangszonen zwi-schen Schicht und Grundschicht bzw. Substrat be-stimmt. Sowohl die Eigenschaften des abgeschiede-nen Materials als auch die Eigenschaften der ver-schiedenen bergangszonen knnen durch V

43、ariati-on der Bedingungen der Vakuumbeschichtung ziel-gerichtet verndert werden. Um ein gefordertes, bestimmtes Verhalten des vakuumbeschichteten Kunststoffteils zu erreichen, ist deshalb eine sorgfl-tige Abstimmung zwischen den Volumeneigen-schaften, dem Zustand des oberflchennahen Be-reichs sowie

44、der Oberflche des Grundwerkstoffs und den Eigenschaften des aufzubringenden Schichtsystems (einschlielich Grund-, Zwischen-und Deckschichten) vorzunehmen. Beispielsweise wirkt sich der Zustand der Oberflche (z. B. durch Gusshute) bzw. der Zustand des oberflchennahen Bereichs des Grundwerkstoffs (z.

45、B. durch Migrati-on von Additiven) direkt auf die Ausbildung der bergangszone zwischen Substrat und Schicht und damit unmittelbar auf die Haftung zwischen Schicht und Substrat als Voraussetzung fr alle Anwendun-gen des beschichteten Teils aus. 1 Geltungsbereich Die vorliegende Richtlinie erfasst die

46、 Hauptanwen-dungsbereiche der Beschichtung von Kunststoffen im Vakuum: Die Abscheidung physikalischer und chemischer Funktionsschichten sowie dekorativer Schichten. Diese Schichten werden auf Formteilen und Halbzeugen (Platten, Folien, Geweben etc.) aus sehr unterschiedlich zusammengesetzten Kunstst

47、of-fen (verschiedene Ausgangspolymere und Additive sowie deren Mischungen) abgeschieden. The behavior of Vacuum Coated Plastics, when used under product specific conditions, will be de-termined by the behavior of the bond created be-tween the layers of coating material (including the base and top co

48、at as well as any technologically required interim layers) and the coated plastic and is influenced by the interaction between the property profiles of the individual elements in the bond. The property profile of the vacuum deposited coat-ing will be determined by both the deposited mate-rial and th

49、e interface between the coating and the base coat or the substrate. Both the characteristics of the deposited material and the characteristics of various substrate-coating interfaces can be altered through variations in the conditions of the vacuum coating process. In order to achieve a certain re-quired behavior in vacuum coated plastic parts, the relationship between the volume characteristics of the base material, the condition of the base material near its surface and the ch