Da geht das Licht aus...

Oberflächen von schwarzen Kunststoffgehäusen – sei es 3D gedruckt oder aus dem Katalog – sind meist nicht matt genug, um Lichtreflexe zu unterbinden. Dies ist besonders dann störend, wenn man optische Aufbauten in solchen Gehäusen unterbringen muss, und Streulicht und Reflexe unterdrücken möchte. Zwei Varianten, die in meinen aktuellen Projekten gut funktioniert haben, möchte ich hier kurz vorstellen: Die schwarze Acrylfarbe Musou Black und Flock-Sheets.

Zusammenfassung:

Die wasserbasierte Acrylfarbe Musou Black erzielt den besten tief-schwarzen Effekt, wenn sie mittels Airbrush und in mehreren Schichten aufgetragen wird. Die getrocknete Farbschicht ist allerdings kratzempfindlich und empfänglich für Fingerabdrücke. Dies ist funktionsbedingt und kann auch nicht durch einen Schutzlack o.ä. verbessert werden, da dieser den Effekt zunichte machen würde. Durch Sprühen können auch schwer zugängliche Bereiche wie Hohlräume mattiert werden.

Flock-Sheets sind typischerweise Gewebe oder faserbeschichtete Folien, die sowohl mit als auch ohne selbstklebende Rückseite im Handel zu finden sind. Durch ihren speziellen Aufbau entsteht eine stark absorbierende samtartige Oberfläche, welche die Lichtreflexion deutlich unter 1% drücken kann. Sie lassen sich problemlos mit einer Schere oder einem Bastelmesser zuschneiden. Flock-Sheets haben üblicherweise eine Dicke von ca. 1 Millimeter und tragen daher deutlich mehr auf als Acrylfarbschichten, sind aber nicht empfindlich gegenüber Fingerabdrücken oder verkratzen.

Oft reicht für die Hobbyanwendung auch eine günstige Velour- oder Samtfolie aus dem Dekorationsbereich, um die gewünschte Unterdrückung von Lichtreflexen zu erreichen.

Im nahem Infrarotbereich (NIR) zeigen sich allerdings zum Teil deutliche Unterschiede zum Absorptionsverhalten im sichtbaren Spektralbereich (VIS).

Hier die Details:

Ich habe kürzlich zwei Miniaturspektrometer gebaut, die in 3D-gedruckten Gehäusen untergebracht sind. Bedingt durch den geringen Bauraum befinden sich die Gehäusewände sehr nahe am optischen Pfad. Trotz Maßnahmen wie der Verwendung mattschwarzer PLA- oder PETG-Filamente für den 3D-Druck und dem Einbau von gewinkelten Flächen, um Lichtreflexe möglichst von den optischen Elementen fernzuhalten, waren in der einen oder anderen Beleuchtungssituation immer noch störende Reflexe am Detektor zu sehen. Sowohl durch die Verwendung von Musou Black als auch durch den Einsatz von Flock-Sheets ließ sich das Problem vollständig ausschalten. Letztendlich habe ich mich für Musou Black entschieden, da es weniger aufträgt und da eines der Spektrometerdesigns die Mattierung der inneren Oberflächen eines Hohlraumes erforderte, was nur so möglich war. Hierfür reicht es, wenn die Düse des Airbrush in den Hohlraum gerichtet und kreisförmig bewegt wird. Der Sprühnebel setzt sich dann gleichmäßig auf den Oberflächen ab und erzeugt den gewünschten Mattierungseffekt.

Je nach Einsatzbereich und vorhandener Ausrüstung kann die eine oder andere Variante besser geeignet sein, weshalb ich hier ein paar Punkte aufführen möchte, die mir aufgefallen sind und die die Entscheidung erleichtern sollen:

Musou Black

Vorab muss sagen, dass ich das Produkt fast nicht ausprobieren wollte, da die aggressive Vermarktung als „schwärzestes Schwarz der Welt“ und der hohe Preis von ca. 30 Euro für 100 Milliliter auf mich eher abschreckend wirkten. Nichtsdestotrotz wollte ich sehen, was man mit dem Produkt erreichen kann.

Was ist Musou Black?

Soweit ich das beurteilen kann, handelt es sich bei Musou Black um eine wasserbasierte Acrylfarbe mit schwarzen Pigmenten. Nach dem Auftragen verdunstet das Wasser langsam und zurück bleiben die teilweise in Bindemittel eingebetteten Pigmente, die eine – aus Sicht des Lichts – raue Oberfläche erzeugen. Bedingt durch die hohe Absorption der Pigmente in Verbindung mit der rauen Oberfläche entsteht eine tiefschwarze matte Oberfläche mit einer minimalen Lichtreflexion. Im Prinzip funktionieren die meisten mattschwarzen Farben nach diesem Prinzip, Musou Black treibt es aber auf die Spitze. Was genau diese Acrylfarbe dabei besser als andere Farben macht, um die geringen Rückstreuwerte zu erzielen, kann ich nicht sagen.

Wie wird das Produkt am besten appliziert?

Den besten Effekt erzielt man mittels der Applikation mit Airbrush. Düsen mit 0,3 und 0,5 Millimetern Durchmesser haben bei mir sehr gut funktioniert. Ich habe mich nach einigem ausprobieren für einen Düsendurchmesser von 0,3 Millimetern entschieden. Außerdem habe ich mit Wasser verdünntes Musou Black eingesetzt (2 Teile Farbe und 1 Teil Wasser). Wenn die Farbe nicht eintrocknet, lässt sich die gesamte Ausrüstung problemlos mit Wasser reinigen.

Nach jedem Sprühgang sollte man die Farbschicht am besten kurz trocknen lassen, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird. Vor allem, wenn die aufgetragene Schicht nass glänzt, bitte unbedingt warten, bevor weitergearbeitet wird, um den optimalen Effekt zu erzielen.

Es finden sich auch Berichte für die Applikation mittels Pinsel, aber meine Erfahrungen waren hier eher negativ. Der Effekt war nicht so ausgeprägt und auch nicht sonderlich gleichmäßig. Dies kann gut an mangelnder Erfahrung meinerseits liegen, aber für mich definitiv nicht die Methode der Wahl.

Auf den von mir getesteten 3D-gedruckten Oberflächen aus PETG- und PLA-Filament, haftet die Farbe sehr gut und erzeugt den erwünschten matten und absorbierenden Effekt.

Der Verbrauch der Farbe ist bei der Airbrushanwendung sehr gering. Mit 5 Millilitern verdünnter Farbe konnte ich drei der Miniaturspektrometer mattieren.

Ist das Produkt gefährlich in der Anwendung?

Ein Sicherheitsdatenblatt nach den geltenden europäischen Richtlinien konnte ich leider online nicht finden, was aus meiner Sicht genaugenommen nicht in Ordnung ist. Eventuell kann man es aber bei den Verkäufern bzw. Importeuren anfordern. Schaut man sich das verfügbare Sicherheitsdatenblatt für USA und Canada und den verfügbaren Bericht zu besonders besorgniserregenden Substanzen (SVHC) an, finden sich aber zumindest keine gefährlichen Substanzen oberhalb der Konzentrationsgrenzen, ab denen sie angegeben werden müssen.

Bei der Sprühapplikation entsteht allerdings immer ein Aerosol, feine Tröpfchen und Partikel, gegen die man sich unbedingt schützen sollte. Das absolute Minimum aus meiner Sicht ist hierzu eine gute Absaugung bzw. arbeiten im Freien, beides in Verbindung mit eine Partikelschutzmaske wie z.B. die 3M Aura 9322+ oder andere Masken, die im Malereiumfeld eingesetzt werden. Brille und Einweghandschuhe sind ebenfalls empfehlenswert.

Welche Vor- und Nachteile gibt es?

Das oben beschriebene Funktionsprinzip ist zwar sehr effektiv, allerdings ist es auch gleichzeitig der Grund, für die Nachteile derartiger Beschichtungen. Im Wesentlichen sind dies Kratzempfindlichkeit (s. Abbildung 1), Empfindlichkeit gegen Fingerabdrücke und Abhängigkeit der Effektstärke von der Applikationsmethode.

Die Oberfläche, die behandelt wird muss bereits absorbierend z.B. schwarz sein, sonst erreicht man den gewünschten Effekt nicht.

Auch wenn sich im Internet Hinweise finden, dass das Produkt nur im sichtbaren Bereich gut absorbiert, war bei mir auch im nahem Infrarotbereich im Bereich 720-1000 nm (NIR) die Wirkung gut genug, um Reflexe zu unterdrücken.

Viele der oben genannten Einschränkungen existieren nicht, wenn man geeignete Flock-Sheets verwendet, weshalb wir jetzt einen Blick auf diese vielfältige und flexibel einsetzbare Materialgruppe werfen wollen. 

Flock-Sheets

Was sind Flock-Sheets?

Flock-Sheets sind mit stark lichtabsorbierenden Fasern beschichtete Folien oder Gewebe. Durch ihren speziellen Aufbau entsteht eine hoch absorbierende samtartige Oberfläche. Man kennt derartige Folien aus dem T-Shirt-Druck (Flockdruck) oder auch von Velour- oder Samtfolien aus dem Dekorationsbereich. Während auch diese gut für Bastelprojekte eingesetzt werden können, gibt es auch Produkte für anspruchsvollere Anwendungen mit z.B. besonders hohen Anforderungen an die lichtabsorbierenden Eigenschaften im sichtbaren oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Lichtabsorption vom über 99% sind mit derartigen Folien gut zu erreichen.

Basierend auf der gleichen Technologie gibt es auch ganze Stoffbahnen, die sich z.B. gut zur Verwendung als Foto- oder Bühnenhintergrund eignen. 

Welche Vor- und Nachteile gibt es?

Die Flock-Sheets lassen sich gut mittels allen Schneidmethoden konfektionieren und sie können problemlos verklebt werden. Sie sind nicht empfindlich gegen Fingerabdrücke und verkratzen auch nicht.

Auf folgende Dinge solle man achten, wenn man beabsichtigt, diese Folien einzusetzen:

Nicht alle Produkte absorbieren auch im infraroten Bereich des Spektrums. Falls das – wie z.B. bei meinem eingangs erwähnten Spektrometerprojekt – wichtig ist, am besten Produkte wie IR Flock-Sheet verwenden oder Vortests mit Mustern durchführen.

Die meisten Flock-Sheets tragen ca. einen Millimeter auf.

Bei der Herstellung von Flock-Sheets kann es dazu kommen, dass nicht alle Fasern fest an der Folie haften bleiben. Das kann dazu führen, dass sich im Rahmen der Nutzung Fasern und Staubpartikel lösen, was z.B. bei Sensorikprojekten störend sein kann. Aus meiner Sicht ist das aber kein Problem für 99% der Hobbyprojekte.

Wen das doch stört: Mattschwarze, dünne nicht-beflockte Folien wie z.B. Fineshut SP können für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine dünne Schicht benötigt wird und keine Fasern verwendet werden können. Das Funktionsprinzip ist hierbei meist eine stark absorbierende mikrostrukturierte Oberfläche in einem Folienmaterial (z.B. Polyurethan). Es entsteht dann praktisch ein Labyrinth für das einfallende Licht, aus dem es kein Entrinnen gibt. Persönlich habe ich bisher wenig Erfahrung mit derartigen Produkten, aber das kommt sicher noch, da die Muster vielversprechend aussehen (vgl. Abbildung 2). Preislich sind diese Folien etwas günstiger als Flock-Sheets.

Was kosten Flock-Sheets?

Flock-Sheets mit professionellen Eigenschaften in kleinen Mengen sind leider nicht preiswert. Ein Quadratmeter liegt schnell bei 150-200 Euro und Mustergrößen in DIN A4 schlagen auch mit 20 Euro aufwärts zu Buche. Ich hoffe aber, dass mit zunehmender Anzahl von Anbietern der Preis mittelfristig sinkt. Aktuell ist die Zahl der Anbieter aber noch übersichtlich. Die erwähnte Lösung mit der Samtfolie aus dem Dekorationsbereich ist dagegen sehr preiswert. Derartige Folien bekommt man für 10-12€ pro Quadratmeter und reichen für viele Anwendungen aus meiner Sicht aus.

Abschließend noch ein Hinweis für besonders anspruchsvolle Anforderungen, wie z.B. (Hoch-)Vakuum (ausgasen), hohe und niedrige Temperaturen bzw. starke Temperaturschwankungen, keine Möglichkeit kunststoffbasierte Absorptionsfolien zu verwenden zu können etc. Für diesen Zweck gibt es spezialisierte Firmen für tiefschwarze Beschichtungen, die dann z.B. auf Metallfolien aufgebracht sind oder die direkt auf die jeweiligen Bauteile aufgebracht werden. Wer also das Spektrometer für den nächsten nächsten Mars-Rover bauen will kann mal bei Firmen wie Acktar reinschauen. Die Preise liegen da allerdings etwas höher...

Mein Fazit:

Wenn man bereits eine Airbrush-Pistole und die passende Schutzausrüstung besitzt, ist Musou Black eine gute Möglichkeit, um den Gehäuseinnenraum zu mattieren. Ansonsten sind die Flock-Sheets – oder auch die günstigen Velour- oder Samtfolien aus dem Dekorationsbereich - für fast alle Reflexprobleme in Gehäusen aus meiner Sicht die bessere und flexiblerer Variante. Möchte man auch den nahen Infrarotbereich sauber abdecken, muss man ggf. auf spezielle Flock-Sheets zurückgreifen.