CN108472843B - 用于制造颗粒泡沫部件的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造颗粒泡沫部件的方法，其中泡沫颗粒在模具(3)中加热，使得它们焊接在一起以形成颗粒泡沫部件。通过电磁RF辐射将热量导向至泡沫颗粒。泡沫颗粒由聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯嵌段酰胺(PEBA)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。

Description

用于制造颗粒泡沫部件的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于制造颗粒泡沫部件的方法和设备。

背景技术

WO 2013/05081A1和/或US 2014/0243442A1公开了一种用于制造颗粒泡沫部件的方法，其中通过电磁波加热泡沫颗粒和介电传导液的混合物，将泡沫颗粒熔合为颗粒泡沫部件。使用无线电波或微波作为电磁波。泡沫颗粒的材料由聚丙烯(PP)制成。

US 3,060,513描述了一种用于烧结湿的热塑性泡沫颗粒的方法。将颗粒介电加热并在模具中同时进行压缩。以约2至1000MHz的频率施加电磁波。

US 3,242,238中描述了类似的方法，其中泡沫颗粒用水溶液润湿并暴露于频率为约5至100MHz的电磁场。

GB 1,403,326描述了一种用于焊接发泡性聚苯乙烯泡沫颗粒的方法，其中颗粒用水溶液润湿并暴露于5至2000MHz的电磁场。

WO 01/64414 A1公开了另一种方法，其中用液体介质润湿的聚烯烃的聚合物颗粒用电磁波，特别是微波加热。通过控制内部压力来控制模具中的温度。

在上述方法中，用电磁波处理润湿的泡沫颗粒，电磁能被液体吸收并转移到颗粒中。

US 5,128,073制备了涂覆有高频能量吸收材料的热塑性颗粒。这些颗粒可以用电磁波加热，其中涂层释放电磁能并将其释放到泡沫颗粒上。使用40MHz至2450MHz范围的电磁波来焊接泡沫颗粒。

US 2009/0,243,158A1公开了一种方法，其中在加入水的情况下，通过微波焊接泡沫颗粒，其中水通过微波加热并且热量被传递到泡沫颗粒。温度通过调节模具中蒸汽的压力来控制。虽然这些方法已经为人所知达数十年，但它们无法在实践中使用。这有很多不同的原因。该方法的主要问题是从含水溶液到泡沫颗粒的热传递，因为热传递并不总是均匀的。这阻碍了颗粒泡沫部件的均匀焊接。另外，通常需要大量的水分来吸收足够的电磁波，使得成品颗粒泡沫部件通常含有过多的残余水分，这损害了颗粒泡沫部件的质量。

因此，在实践中，泡沫颗粒几乎仅使用饱和的干蒸汽进行焊接，例如由WO2014/128214A1所已知的。与使用蒸汽焊接相比，尽管电磁波焊接由于其原理具有相当大的优势，电磁波焊接在实践中从未能够使用。利用电磁波，能量可以更准确地传输，因而不需要加热辅助体。当使用蒸汽时，必须首先在蒸汽发生器中产生蒸汽，然后必须通过管道将蒸汽送入工具。

所有这些部件必须加热到足够高的温度，以使蒸汽不会在其中冷凝。这会导致相当大的热量损失。此外，用于产生蒸汽的设备和蒸汽管线占据了用于制备颗粒泡沫部件的设备的大部分空间。如果不需要蒸汽来焊接泡沫颗粒，则可以使整个设备更紧凑。

DE 199 21 742 A1涉及一种使用电磁波用于发泡塑料的方法。可以将导电颗粒，尤其是石墨添加至聚合物材料中。

DE 21 22 482 A是另一种使用电磁波用于发泡聚合物的种方法。此处使用聚氨酯作为聚合物材料。可以通过微波和/或RF辐射将高频电能供应至聚合物材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制造颗粒泡沫部件的方法和设备，利用该方法和设备可以高效且可靠地焊接发泡性热塑性泡沫颗粒。

根据本发明的目的通过独立权利要求的主题实现。在以下描述中示出了有利的实施方式。

在制造颗粒泡沫部件的独创性方法中，泡沫颗粒在模具中加热，使它们焊接到颗粒泡沫部件上。通过电磁RF辐射将热量提供至泡沫颗粒。泡沫颗粒由聚氨酯(PU)，聚乳酸(PLA)，聚乙烯嵌段酰胺(PEBA)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。

泡沫颗粒主要由聚氨酯、聚乳酸(PLA)、聚乙烯嵌段酰胺(PEBA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯或这些材料的混合物组成。优选地，90重量％的泡沫颗粒由这些材料中的一种或其混合物组成。

本发明的发明人已经发现这些材料较好地吸收RF电磁辐射，因此与常规方法不同，不需要介电传热介质。由于电磁RF辐射直接被泡沫颗粒吸收并转化为热量，因此实现了具有针对性且均匀的热输入。将泡沫颗粒均匀加热，以便在颗粒泡沫部件中实现均匀的焊接。

在本发明的情况下，泡沫颗粒主要通过直接吸收RF辐射来加热。这意味着热量不会或仅在很小程度上通过传热介质(例如水)加热，该传热介质吸收RF辐射并将其释放到泡沫颗粒中。RF辐射的直接吸收是非常有效的，并且还允许焊接泡沫颗粒，其例如由软化温度高于200℃(通常为260℃)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的材料组成，且不可能通过利用含水传热介质来加热。此外，避免或减少了可能影响最终产品质量的这种传热剂的使用。

如以下更详细说明的，可以在颗粒泡沫部件的边缘区域提供另外的设备和装置，例如传热剂，以另外加热颗粒泡沫部件的边缘区域。单个泡沫颗粒是非常好的热绝缘体，这也是为何当在模具中焊接单个泡沫颗粒时，在颗粒泡沫部件的内部和模具的内表面之间通常存在相当大的温差。

温差通常仅在泡沫颗粒的最外层或两个最外层上扩展。因此，建议另外加热颗粒泡沫部件的上述边缘区域。

除了由一层，两层或多层泡沫颗粒组成的该边缘区域之外，通过经由泡沫颗粒直接吸收电磁RF辐射来加热颗粒泡沫部件。

电磁RF辐射优选具有至少30KHz或至少0.1MHz，特别地至少1MHz或至少2MHz，优选至少10MHz的频率。

电磁RF辐射优选具有最大300MHz的频率。

泡沫颗粒可以由均匀材料或均质材料组成。

泡沫颗粒可以在模具中压缩。在这种情况下，压缩意味着泡沫颗粒在不受热膨胀影响的情况下被机械压缩(热膨胀由于焊接所需的加热而在模具中产生)。泡沫颗粒可以被压缩，例如，通过在压力或反压下用泡沫颗粒填充模具。压缩也可以通过压缩已经填充有泡沫颗粒的两个半模来实现。这种模具在填充时具有可压缩的半模，被称为裂缝间隙模具。

优选测量模具中泡沫颗粒的温度。通过电磁RF辐射供应的热量可以作为测量温度的函数来控制。温度测量可以通过电子温度传感器以及光纤温度传感器进行。

限定模腔的工具的表面可以进行回火。取决于待制备的颗粒泡沫部件的尺寸并且取决于所使用的塑料材料，可以设定不同的温度。模具优选回火至约50℃至约150℃的温度范围。

在将泡沫颗粒焊接到颗粒泡沫部件之后，可以使泡沫颗粒稳定。通过将颗粒泡沫部件固定在工具中来实现稳定，由此，不打开模具并且保持模腔的形状不变。

在稳定期间，热量可以均匀地分布在颗粒泡沫部件内，并且颗粒泡沫部件也可以缓慢冷却。

优选地，在焊接之前，期间和/或之后，将真空施加至模具。这主要从模腔和待焊接的塑料材料中除去水分。

模具优选由对所使用的电磁RF辐射基本透明的材料制成，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯，特别是UHMWPE、聚醚酮(PEEK)和其他对RF辐射透明的材料。

提供两个或更多个电容器板用于产生电磁RF辐射，其设置在另外由电绝缘材料制成的模具上。将大小至少为1kV，优选至少10kV，特别地至少20kV的高频电压施加到电容器板。

模具可以在相应的电容器板之间的区域中具有不同的厚度，使得模腔由具有三维曲面的内边界表面限定。这使得可以制备具有三维曲面的颗粒泡沫部件。三维曲面的限定表面并不是平坦表面。这种模具设计对于制备各处泡沫颗粒密度基本相同的颗粒泡沫部件特别有利。

模具可以具有装置，用于在限定模腔的内边界表面的区域中对模具进行回火，和/或用于将加热介质供应到邻近所述内边界表面的颗粒泡沫的区域。这意味着当制备颗粒泡沫部件时，将热量供应至颗粒泡沫部件的表面区域。

已经表明，如果没有额外的热量供应到表面区域，则该区域比颗粒泡沫部件的中心区域加热更慢，这可能导致不均匀的焊接。模具的这种设计则抵消了这种不均匀的焊接。

根据优选的设计，模具具有多孔的模具本体，其形成内边界表面的至少一部分并且与用于供应加热流体的设备连通。例如，热蒸汽用作加热流体。通过在多孔模具本体中供应热蒸汽，多孔具制本体本身被回火并且蒸汽可以穿过多孔模具本体的孔进入模腔，并加热用模具制备的泡沫部件的表面区域。

多孔模具本体设计成使得加热流体可以均匀地逸出模具本体的区域。然而，通过模具本体的孔形成的流动横截面比常规的模具小得多，常规的模具仅用蒸汽加热泡沫颗粒。该多孔模具本体仅用于向颗粒泡沫部件的表面供热。

模具可以具有至少一个用于供应或通过加热流体的通道。这允许模具本身被回火。然而，通道也可以连接到开向模腔的开口，如上述多孔模具本体中那样，使得加热流体进入模腔。优选的是，当设置大量开口(这些开口分布在边界表面)时，使得即使在加热流体的较低流量的情况下，颗粒泡沫部件表面也会均匀加热。

利用上述设计，可以将蒸汽，尤其是水蒸汽输入模腔。供应至模腔中的水也可以吸收RF辐射并将其转化为热量。然而，供应的加热流体的量优选为小量的，使得泡沫颗粒主要通过直接吸收RF辐射而被加热。优选地，通过直接吸收RF辐射供应的热量为总热量的至少50％，优选为供应到模腔的总热量的至少75％，特别地为供应到模腔的总热量的至少90％。

对模具的内边界表面进行回火的另一种方法是，在内边界表面设置一层对RF辐射不透明的材料。该层称为无源无源加热层。无源无源加热层可以由对RF辐射不透明的温度稳定的材料制成。合适的材料是相应的塑料或铁氧体。

在模具中，为了对模具的内边界表面进行回火，电加热设备可以替代地或额外地布置在模具的内边界表面附近。电加热设备优选具有一个或多个加热丝，所述加热丝布置在模具的内边界表面附近。加热丝可以布置成Z字形或波浪形线，使得边界表面的平坦区域可以用单根加热丝加热。加热丝连接到电源，利用该电源可以施加电流来加热加热丝。

加热丝还可以用于测量模具的内表面区域中的温度。为此，优选使用电热丝，该电热丝的电阻在本发明涉及的60至250℃的温度范围内剧烈变化。

在施加RF辐射期间，加热丝尽可能与电源分离，以防止RF辐射导致的不受控制的电流在电源合闭的电路中流动。RF辐射可以在加热丝中引起交替的电荷移动，这导致加热丝的一定程度的加热。在模腔回火时必须考虑到这一点。优选地，加热丝处于RF辐射的等电位区域，由此在加热丝中不会感应出电流。这些等电位面通常平行于电容器板延伸。

在另外加热颗粒泡沫部件的边缘区域的情况下，可以确保通过另外加热来可靠地焊接表面区域中的颗粒泡沫部件。

通过另外加热模具的内边界表面，还可以在实际焊接或烧结过程之前，将模具加热到预定的、可再现的起始温度，使得每个颗粒泡沫部件的制备开始时与模制工具的内边界表面的温度相同。由此，可以极大地稳定颗粒泡沫部件的制备过程。如果模具已经在之前进行的焊接或烧结过程中加热，则不需要或仅需要很少的预热，但是必须首先将室温下的模具加热到起始温度。起始温度通常在比待焊接材料的软化温度低10℃至50℃的范围。

形成上述表层也可以可替代地通过将膜插入模具中产生，由此膜与颗粒泡沫部件熔合并形成界定表面的层。该膜具有比泡沫颗粒更高的密度，这意味着该膜比泡沫颗粒吸收更多的电磁RF辐射。这使得膜更强烈地加热并与颗粒泡沫部件的外部的泡沫颗粒熔合。该膜优选由与泡沫颗粒相同的材料制成，或者由与泡沫颗粒材料具有相似的软化温度的材料制成。

模具的电容器板可以适应模具的内边界表面的轮廓。相对的电容器板之间的距离优选为各处基本相同。

虽然形成的曲面颗粒泡沫部件具有三维曲面，并可以在三个空间方向中大幅延伸，但通过使电容器板适应模具的内边界表面的轮廓，两个电容器板之间的距离可以保持很小。这尤其适用于壳形体，例如立方体，截球形壳体等。

电容器板可以具有三维曲面形状，其中使用时模腔区域内泡沫颗粒较为致密的电容器板部分比模腔区域内泡沫颗粒较为稀疏的电容器板部分距离所面对的模腔更远。已经表明，泡沫颗粒在模腔中被压缩的越紧密，它们吸收的能量越多。这可能导致不同的加热程度。通过调节电容器板不同部分之间的距离，使得电磁场在高泡沫颗粒压缩区域的强度小于低泡沫颗粒压缩区域中的强度，调节电磁场，从而抵消上述效果。

电容器板可以是单件的并具有三维曲面。但是，电容器板也可以由多个区段组成。多个区段相对于模腔的距离可彼此独立地调节。可以重复该设置，并设置相应的固定元件用于固定电容器板区段的位置。也可以进行一次调整，其中电容器板的区段或设置在其上的元件，例如，杆，被铸成塑料体。

在制造颗粒泡沫部件之后，电容器板还可以用于有针对性地冷却模具。优选地，电容器板具有冷却元件。该冷却元件可以是散热翅片，其通过风扇有源供应冷却空气。冷却元件可以替代地或附加地是冷却线，其连接到冷凝器板。如果需要，冷却介质，如水或油流经冷却管线冷却冷凝器板。

电容器板也可以使用调节设备自动地与模具的本体接触，使得包含在模具的本体中的热量经由电容器板消散。在加热期间，电容器板可以相对这些本体上升高，以防止模具本体发生不期望的冷却。

通过电容器板对工具进行冷却可以通过测量闭合控制回路中的模具的温度来控制。上述加热丝可以用作温度传感器。

附图说明

为了更好地理解本发明，其操作优点以及通过使用本发明获得的特定目的，请参考附图和所描述的内容，其中示出了本发明的优选的实施方式。所示附图中：

图1示意性地示出了用于制造颗粒泡沫部件的设备的实例；

图2至图6示意性地示出了用于制造颗粒泡沫部件的设备的不同部件的剖面图：

图7a至图7k各自包含颗粒泡沫部件，其可通过利用RF辐射焊接制备。

具体实施方式

用于制造颗粒泡沫部件的设备1包括材料容器2，模具3和从材料容器2通向模具3的管线4。

材料容器2用于容纳松散的泡沫颗粒。材料容器2具有底部5，其通过底部区域中的压缩空气管线6连接到压缩空气源7。压缩空气管线6连接到布置在底部5(未示出)的多个喷嘴，使得可以将多个空气流(流化空气)引入到材料容器2中，旋动容纳在材料容器中的泡沫颗粒，由此将它们分离。

在材料容器2的底部5的区域中存在开口，输送管线4连接到该开口。可以用滑块(未示出)关闭该开口。

在材料容器附近，在输送管线4中有驱动喷嘴8。驱动喷嘴8通过另一压缩空气管线9连接到压缩空气源7。压缩空气作为驱动空气供应至该驱动喷嘴8，通过驱动喷嘴8进入输送管线4并沿模具3的方向流动。这导致在驱动喷嘴8处面向材料容器2的一侧产生真空，该真空使得从材料容器中吸取泡沫颗粒。

输送管线4流入填充注射器10，填充注射器10连接到模具3。填充注射器10经由另一压缩空气管线11连接至压缩空气源7。一方面，使用供应到填充注射器10的压缩空气，通过压缩空气在模具3的方向上经施加泡沫颗粒流来填充模具3。另一方面，当在模具3处的填充过程完成时，供应到喷射器10的压缩空气也可以用于将泡沫颗粒从输送管线4吹回材料容器2中。

模具3由两个半模12、13组成。在两个半模之间限定至少一个模腔14，其中填充注射器10开启用于引入泡沫颗粒。通过闭合两个半模12、13可以减小模腔14的体积。当半模12、13分开时，在半模12、13之间形成间隙，这被称为裂缝间隙。因此，这类模具3也被称为裂缝间隙模具。

由于通常利用常规的设备制备颗粒泡沫部件，因此设备1没有蒸汽发生器，也没有蒸汽供给至模腔14。模腔14中的水分仅来自泡沫颗粒材料中含有的残余水分和压缩空气中含有的水分。材料容器2中或者在输送至模腔14期间的泡沫颗粒并不添加水或蒸汽。

电容器板15、16布置在每个半模12、13处。这些电容器板分别由导电良好的材料，例如铜构成。填充注射器10布置在半模13上。填充注射器10延伸通过电容器板16中的凹槽，该凹槽安装在半模13上。

电容器板15、16经由电线17连接到AC电压源18上，用于传输高频电压。

半模12、13各自具有基体，该基体由不导电材料，特别是对电磁RF辐射透明的材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯，特别是UHMWPE、聚醚酮(PEEK)制成。仅电容器板15、16是导电的。

模具可以可选地连接至真空泵31，从而可以向模腔14施加负压或真空。该负压使得包含在模腔14中的水分被除去。

电容器板15、16优选配备有冷却设备。在本设计实例中，冷却设备由风扇32形成，该风扇将冷却空气引导到电容器板15、16的背离模腔14的一侧。为了增加冷却效果，在电容器板15、16上设置散热翅片33。

冷却线也可以替代地或附加地布置在电容器板15、16处，冷却介质经该冷却线通过。优选的冷却介质是液体，例如水或油。

在下文中说明了利用上述设备制造颗粒泡沫部件的方法：

该方法包括以下步骤：

-填充模腔14

-焊接泡沫颗粒

-稳定化(可选的)

-脱模

-清理工具(可选的)

为了填充模腔14，通过压缩空气管线6在材料容器的底部5的区域中吹入空气，以旋转和分离包含在材料容器中的泡沫颗粒。同时，将驱动空气输送到驱动喷嘴，使得泡沫颗粒从材料容器2被吸入输送管线4，并随着驱动空气在模具3的方向上输送。关闭模腔14，由此半模12、13可以通过裂缝间隙完全折叠或间隔开。

材料容器2的滑块可以连续打开和关闭。打开和关闭时间通常在500ms到1s之间。通过滑块的这种循环打开和关闭，泡沫颗粒从材料容器2间歇地进料至输送管线4。这可以破坏材料容器2中泡沫颗粒结合并且泡沫颗粒被分离。这对于具有粘结性表面的泡沫颗粒，例如eTPU泡沫颗粒特别有用。

可替代地，也可以通过在紧邻材料容器2布置的驱动喷嘴8处从压缩空气管线9间歇地供应驱动空气来进行间歇性抽吸。

模具12，13配备有至少一个阀(未示出)，当供应泡沫颗粒时，该阀打开，使得流入模腔14的压缩空气可以逸出。当填充模腔14时，可以调节该阀，使得在模腔14中形成反压。

这允许保持输送管线和模腔14中的压力，从而使得泡沫颗粒保持较小的体积。与没有施加反压力的情况相比，施加反压允许更多的泡沫颗粒被供给到模腔14中。

减小反压后，模腔14中的泡沫颗粒膨胀。用于设定填充量的另一个参数是裂缝间隙，即两个半模12、13在填充期间间隔开的间隙。填充期间使用的裂缝间隙大幅增加了待制备的颗粒泡沫部件的较薄区域中的密度。

一旦确定了模腔14填充有泡沫颗粒，则关闭填充注射器10。利用供应到填充注射器10的压缩空气将管线中的泡沫颗粒吹回到材料容器2中。

在德国专利申请DE 10 2014 1 17 332中详细描述了用泡沫颗粒填充模腔14，这也是本文引用该专利申请的原因。

在用泡沫颗粒填充模腔14之后，通过电磁RF辐射来加热这些泡沫颗粒。通过向电容器板15、16施加频率为27.12MHz的约10⁴V的高频电压来产生这种RF辐射。

泡沫颗粒是基于聚氨酯(eTPU)的泡沫颗粒。聚氨酯的介电损耗因子D为0.2，电磁辐射的频率为1MHz。在频率为1MHz的电磁辐射下聚丙烯(PP)的介电损耗因子仅为0.00035。因此，聚氨酯的吸收性远高于聚丙烯的吸收性。

由于泡沫颗粒本身吸收电磁波，这使得可以引入必要的热量用于将泡沫颗粒焊接在模腔14中，而无需额外的传热物质，特别是水溶液。

也可以使用基于聚乙烯嵌段酰胺(PEBA)或基于聚乙烯(PE)的泡沫颗粒来代替基于聚氨酯的泡沫颗粒。

施加电磁RF辐射的持续时间取决于模腔14的体积、泡沫颗粒的密度和施加的电功率或电压。

测试表明，取决于体积和形成泡沫颗粒的材料，可靠并完全地焊接泡沫颗粒需要约30秒至约2分钟。在这种情况下，施加5kV至20kV的电压。

优选地，在焊接期间测量泡沫颗粒的温度，并相应地调节电功率。电功率优选地控制为使得泡沫颗粒的温度略高于其软化温度。

由模腔14限定的表面也可以进行回火。为此可以将加热丝34布置在模具中邻近限定模腔14的表面。将加热丝34连接到电源35，从而可以将加热电流输送至加热丝中。

也可以在半模12、13中设置流体通道代替加热丝，流过该流体通道流过合适的温控流体。优选地，该流体是水或蒸汽。

在施加电磁RF辐射之后，模腔14在预定时间内保持关闭，由此引入的热量均匀地分布在颗粒泡沫部件中，并且在所有泡沫颗粒之间形成非常均匀的焊接。这个过程步骤称为稳定化。在稳定化期间，颗粒泡沫部件也稍微冷却。由于半模12、13由对电磁RF辐射基本透明的并且通常是导热较差的塑料材料制成，因此在封闭的模腔14中通常向外散发很少的热量。

由塑料制成的半模12、13的优点为优于由金属制成的半模，即它们的热绝缘性更好并且具有更低的热容量。这使得期望的温度循环能够以更快的速度和更少的能量进行，由此所供应的热量几乎完全输送至泡沫颗粒。

在稳定期或稳定期的部分期间，电容器板15、16可以通过冷却设备32，33有源冷却，从而从半模12、13的基体中提取出热量，因此也从颗粒泡沫部件中提取出热量。

在稳定化之后，通过移除两个半模12、13可以使颗粒泡沫部件脱模。模具可以设置有用于脱模的脱模杆，利用该脱模杆将颗粒泡沫部件从两个半模12、13的任一个中推出。

稳定化是一个可选的方法步骤。对于某些材料和形状，该步骤也可以省略。待制备的颗粒泡沫部件的体积越大，在焊接后越有利于在模具中稳定颗粒泡沫部件。

可以在填充和/或闭合裂缝间隙期间施加电磁RF辐射以增加产量。

RF辐射可以在填充期间或仅在用泡沫颗粒填充模腔14之后施加，最初用低电功率或低电压将材料预热到一定温度，然后逐渐地或迅速地增加电功率或电压。

逐渐增加RF电磁辐射的功率或电压也是有意义的，例如在30秒至3分钟的时间段内通过RF电磁辐射的电功率或电压的逐渐增加来逐渐地进行。这导致泡沫颗粒的非常均匀的加热。

任选地，可以将负压和/或真空施加到模腔14中。如果泡沫颗粒和/或供应的压缩空气具有一定的湿度，这是有用的。

与蒸汽焊接相比，上述方法是干燥的过程。这确保了制备方法所制备的颗粒泡沫部件是干燥的，并且可以立即添加到进一步的加工步骤中。也可以建议从模具中取出温热的颗粒泡沫部件，并且将这些颗粒泡沫部件直接输送给进一步的加工。例如，当制造鞋子时，由颗粒泡沫部件制成的鞋底夹层可以焊接到由另一种塑料材料制成的型材本体上，由此不需要过多的能量来焊接到仍然温热或仍然火热的颗粒泡沫部件上。而采用蒸汽工艺的情况下，其中颗粒泡沫部件必须完全冷却和干燥。因此，在制备中可以实现效率的显著提升，因为一方面可以缩短各个工艺步骤之间的间隔，另一方面，用于焊接泡沫颗粒的引入的热量也可以至少部分地用于后续的处理步骤。

在下文中，描述了不同的工具，所述各个工具具有两个半模12、13，并且可以用于上述设备1中。

这些工具在图2至图6中被示意性地简化。省略了填充注射器10、用于测量模腔中温度的温度计和其他机械部件，例如用于打开和关闭工具的保持元件、移动设备等，以便于图形表示。

根据第二设计实例(图2)的模具3，由两个半模12、13形成，每个半模12、13具有由非导电材料构成的基体，该非导电材料尤其对电磁RF辐射透明。这种材料是PTFE、PE、PEEK或任何其他对RF辐射透明的材料。半模12、13限定了模腔14。在该设计实例中，模腔14具有边界表面19，其具有与平的表面不同的曲面形状。

半模12、13各自具有平的外表面20，其中电容器板15、16布置在该外表面上。曲面边界表面19和外表面20之间的空间由透明材料填充。电容器板15、16是平的。利用该模具3，可以制备具有三维曲面的颗粒泡沫部件，由此颗粒泡沫部件的形状由半模12、13的内边界表面19限定。这种模具3特别适合于制备密度基本均匀的小颗粒泡沫部件。

大颗粒或厚颗粒泡沫部件的问题在于它们在中间比在边缘区域中加热更多，这可能破坏颗粒结构。图7h示出了由聚乳酸(PLA)制成的厚度为约5cm的颗粒泡沫部件，其已经用RF辐射加热了120秒。施加RF辐射的频率为27.12MHz，电压为9kV。由于材料本身吸收电磁波并且是不良导热体，因此颗粒泡沫部件的中心区域比边缘区域更加被强烈地加热，该边缘区域与模具3接触并且由于与中心部分相比相对较凉的模具而被加热得更慢。

这可能导致泡沫颗粒在颗粒泡沫部件的中心区域完全熔化(图7h)。为避免这种情况，可以使用更少的能量。图7e示出了在中间切割的相应的颗粒泡沫部件，其以与图7h中示出的颗粒泡沫部件相同的方式制备，但是此处的RF辐射仅施加90秒的时间。颗粒泡沫部件的中心区域是均匀熔合的。颗粒粘附在边缘区域，但可以更强烈地焊接在一起。

图7j和图7k示出了由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的切开的颗粒泡沫部件的相应的图示。此处施加RF辐射持续300秒，频率为27.12MHz，图7j中所示的颗粒泡沫部件的电压为10kV，并且图7k所示的颗粒泡沫部件中的电压为7.5kV。图7j所示的颗粒泡沫部件具有被破坏的中心颗粒结构，而图7k中所示的颗粒泡沫部件的中心区域则均匀地熔合。

为了避免颗粒泡沫部件的中心区域和边缘区域的不均匀的加热，可以对模具3进行回火和/或可以向模腔14边缘区域中的泡沫颗粒输送额外的热量。

为了对模具3回火，半模12、13可以设计有流体通道，流体通过该流体通道，该流体通道被回火至接近模腔14中的材料的软化温度。如上所述，可以可替代地或另外地提供3根加热丝用于对模具进行回火。因此当泡沫颗粒被加热时，没有热量从泡沫颗粒输入模具3中，使得泡沫颗粒在整个模腔14中均匀加热。通过引入RF辐射甚至可以适当地将模具3加热到比泡沫颗粒中设定的温度略高的温度来熔化它们，以确保颗粒泡沫部件的表面区域的可靠焊接。模具3的回火也可以在用RF辐射焊接之前进行。

图3示出了模具3的另一实例，该模具3由两个半模12、13组成。在半模12、13的平的外表面20上，分别设置有平的电容器板15、16。半模12、13由两部分组成：外部的无孔壳体壁21和内部的多孔模具本体22。多孔模具本体22限定内边界表面19以限定模腔14。在背对内边界表面19的侧面，模具本体22正面地被壳壁21包围。半模12、13各自具有一个或多个通道23，每个通道23在壳壁处开口并延伸到多孔模具本体22中并在此终止。可以通过通道23将热介质引入半模12、13中，所述通道分布在多孔模具本体22中并且部分地进入模腔14。一方面，这通过介质直接加热了模腔14的边缘区域中的泡沫颗粒。另一方面，半模12、13，特别是它们的多孔模具本体22也被加热。热气，尤其是热空气或蒸汽可以用作介质。

为了冷却模具或者其中制造的颗粒泡沫部件，还可以将冷介质引入通道23中，并由此引入模腔14中。如果介质比半模12、13更冷或比模腔14中的颗粒泡沫部件更冷，则介质是冷的。这可以加速颗粒泡沫部件的稳定化。

壳壁和模具本体22均由对RF辐射基本透明的材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯，特别是UHMWPE、聚醚醚酮(PEEK)制成。例如，模具本体22通过烧结这些材料中一种材料的颗粒制成。

对模具3的内边界表面19进行回火的另一替代方案是在内边界表面19设置一层对RF辐射不透明的材料。以下将该层称为无源无源加热层24(图4)。无源无源加热层可以由对RF辐射不透明的温度稳定的材料制成。用于这种无源加热层24的另外的合适材料是铁氧体。当施加RF辐射时，无源无源加热层24被加热并将热量释放到相邻的泡沫颗粒。

具有中等损耗因子的材料，例如聚甲醛(POM)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)也可以用作无源加热层24。聚甲醛的介电损耗因子D约为0.008，聚甲基丙烯酸甲酯的介电损耗因子D为约0.02。由于损耗因子相对较低，这些加热层应具有一定的厚度，该厚度优选为至少2mm，特别是至少2.5mm，特别是至少5mm。这种加热层也可以具有10mm或更大的厚度。这种加热层也可以形成为单独的板，其布置在半模12、13的内边界表面19附近。

加热层24不仅可以设置在与电容器板相邻的边界表面19上，而且可以设置在半模12、13的所有边界表面19上，使得它们完全包围待形成的颗粒泡沫部件。这同样适用于上述其他加热和回火设备，例如温度通道或加热丝。

对上面列出的内边界表面19进行回火的不同的其他可能方式也可以在模具中组合使用。

上面说明的模具3的设计实例各自具有平的电容器板15、16。根据模具3的另外的实施方式，这些可以设计为使得电容器板15、16适合于待制造的颗粒泡沫部件的形状或模腔14的形状。图4所示的设计实例示出了两个半模12、13，其内边界表面19限定了阶梯式的模腔14。外表面20与相应的半模12的相应内边界表面19的轮廓相匹配，换而言之，内边界表面19被映射到半模12、13的相应的外表面20上，由此，例如模具3形成均匀的厚度，外表面20通过该厚度从内边界表面19偏移。在外表面20上，内边界表面19的具体结构优选地为光滑的。

在外表面20上，电容器板15、16设计为导电层，并且具有与相应的半模12、13的相应外表面20基本相同的形状或轮廓。

由于模具中的电容器板与待制造的颗粒泡沫部件或模腔14相适应，所以相对的电容器板之间的距离在各处大致相同，由此相对的电容器板15、16之间的距离可以保持较小，以便在相对低的电压下实现高的电场强度。

电容器板与待制造的颗粒泡沫部件的形状在形式上相适应特别适用于壳形颗粒泡沫部件。例如，这种壳形颗粒泡沫部件是立方体或截球形壳体。如果在两个平的电容器板之间形成这种外壳，则电容器板之间的距离必须大到使得其间形成整个壳体的空间。两个电容器板之间的距离只能略大于颗粒泡沫部件的壁厚。因此，电容器板的这种形式调整使得可以制备大体积，特别是壳形的颗粒泡沫部件，同时保持对电压源的低要求以提供足够的电场用于焊接泡沫颗粒。

不同密度的颗粒泡沫部件的问题在于，具有较高密度的区域比具有较低密度的区域吸收更多的热量。例如，以裂缝间隙方法制造具有较高密度的区域，其中两个半模12、13在已经填充泡沫颗粒之后，被稍微挤压在一起，由此包含在其中的泡沫颗粒被压缩。由于在所有区域中的位移路径相同，因而模腔14的较薄区域相对于较厚区域被更强烈地压缩。这使得较薄区域中的泡沫颗粒被更强烈地压缩。

图5示出了模具3的实例，其中电容器板15、16被分成若干区段25，其与模腔14的距离可单独调节。在该设计实例中，电容器板15、16的每个区段都是小方形板，每个均连接到区段杆26。区段杆26连接到AC电压源18并且与相应的形成冷凝板15，16的导电板电连接。

区段杆26可滑动地设置在支架27中，在支架27中，它们可以固定在预定位置。支架27可以设计为使得区段杆26可以可拆卸地固定，由此区段杆26以及电容器板28可以固定在不同的位置。然而，支架27也可以设计成将区段杆26一次固定。这种支架27，例如可以由灌封件形成，该灌封件至少在某些区域中围绕区段杆26，并在设置区段杆26和电容器板28后以期望的预定方式浇铸。这种可一次固定的电容器板15、16主要用于颗粒泡沫部件，其经常制备或大量地制备，并且为此重复使用相应的工具。然后为电容器板15、16分配相应的半模12、13，利用半模12、13来重复使用电容器板。

电容器板15、16的区段之间的距离越大，各区段之间产生的电场越小。因此，电容器板28布置在模腔14的区域中，其中在制造颗粒泡沫部件期间，泡沫颗粒以高密度存在，其与模腔的距离大于低密度泡沫颗粒区域中泡沫颗粒与模腔的距离。这可以形成补偿，因为具有较高密度的区域比具有较低密度的区域吸收更多热量，使得泡沫颗粒在模腔14中被均匀加热。

图5中示出的模具3是裂缝间隙模具，其填充有间隔开的半模12、13，其具有泡沫颗粒29。在填充模具3之后，将模具12，13的两个半模压在一起，由此压缩位于模腔14中的泡沫颗粒29。图5中所示的模腔14具有不同的剖面厚度，由此区域A中的厚度小于区域B和C中的厚度。因此，泡沫颗粒29在区域A中比在区域B和C中更强烈地被压缩，这使得泡沫颗粒在区域A中的密度高于在区域B和C中的密度。

泡沫颗粒29在区域A中具有比在区域B和C中更高的密度。因此，布置在区域A附近或指向区域A的电容器板28布置得比分别指向区域B和C的电容器板28距离中心平面30的距离更远。中心平面30大致布置在两个电容器板15、16之间的中央。

由于在本发明的情况下，泡沫颗粒主要通过直接吸收RF辐射来加热，即热量不会或仅在很小程度上被传热介质吸收(该传热介质吸收RF辐射并将其释放到泡沫颗粒)，模腔中的温度不能通过作用于传热介质上的参数来控制。在现有技术中，例如已知使用水作为传热介质，并通过调节压力来调节模腔中的温度。由于泡沫颗粒主要是直接吸收，其可以变成为所期望的热度，并且在不同的密度处加热到不同的程度。

基本目的是在泡沫颗粒由相同的材料制成的情况下，尽可能均匀地加热模腔中的泡沫颗粒。通过改变电容器板15、16到模腔14或中心平面30的距离来形成具有不同强度或场强的区域的电场，可以在模腔14中实现泡沫颗粒的均匀加热(即使泡沫颗粒以不同的密度布置在其中)。因此，提供具有非平面构造的电容器板15、16可能是有利的。

在图5所示的设计实例中，电容器板15、16是区段形的，并且由电容器板28组成，电容器板15、16的位置可以单独确定。

图6示出了另一类型的模具3，其中半模12、13形成有类似于图5所示类型的内边界表面19。该模具3的特征在于外表面20的轮廓形状使得外表面20的部分与中心平面30隔开不同的距离。电容器板15、16安装在外表面20上，由此它们的形状适合于波形外表面20。

例如电容器板15、16可以由导电涂层制成，该导电涂层涂覆到半模12、13的外表面20上。电容器板15、16也可以设计为柔性金属板部件，其由导电良好的金属或导电良好的金属合金构成，与外表面20相适应并胶合到外表面。

同样在该设计中，如图5所示的类型，电容器板15、16的区段也与中心平面30或模腔14隔开不同的距离，由此在模腔14中产生具有不同电场强度的区域。对于具有较高的泡沫颗粒29(A)压缩的区域，电容器板15、16的相对部分的距离大于其中泡沫颗粒29的压缩较低的B，C区域中电容器板15、16的相对部分的距离。

电容器板15、16的各个区段到中心平面30的距离与电容器板15的相对部分之间的区域内的泡沫颗粒29的密度近似成比例。不同材料之间的比例因子不同。并取决于这些材料对射频辐射的吸收能力。用于制造大颗粒泡沫部件的模具3可以具有电容器板15、16的多个单独区段。任何方向上的电容器板均不大于RF辐射波长的四分之一。

在27.12MHz的频率下，波长λ约为11m。因此，电容器板区段的最大长度不应超过约2.75米。实践表明，尺寸约为2米的电容器板在27.12MHz的频率下产生非常均匀的电场。

如果电容器板大于λ/4，则电容器板的各个点的辐射是不同的，并且它们并不同步发射。对于大于λ/4的电容器板，可在电容器板上提供分布式电感，每个形成一个LC元件。

这允许恢复电容器板的不同区段的振动的同步性。然而，提供这种LC元件非常复杂。因此，更有利的是使用分成单个区段的电容器板，这些区段独立地供应有AC电压。

图7a至图7k示出了切割成部分的颗粒泡沫部件的图片，其已经用RF辐射焊接，而无需传热介质，并且无需对泡沫颗粒的模具进行额外的温度控制。

下表示出了电压U的参数，持续时间t，1 MHz和室温下的电损耗因数D，材料的名称和图中的标号。

图	材料	U(KV)	T(s)	D
					7a	ePEBA	7.5	50	0.12
7b	oTPU	7.5	25	0.112
					7c	eTPU	7.5	50	0.112
7d	eTPU	9	30	0.112
					7e	eTPU	9	60	0.112
7f	PLA	9	70	＜0.1
					7g	PLA	9	70	＜0.1
7h	PLA	9	120	＜0.1
					7i	PLA	9	90	＜0.1
7j	PET	10	300	0.014-0.048
					7k	PET	7.5	300	0.014-0.048

已经表明，所有材料ePEBA(聚醚嵌段酰胺)、eTPU(发泡热塑性聚氨酯)、PLA(聚乳酸)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)可以仅通过RF辐射引入热量而很好地焊接在一起。在图7g所示的实例中，颗粒泡沫部件由两种不同密度的泡沫颗粒制成。上图7g中的泡沫颗粒是深色的并且具有比以下的泡沫颗粒更低的密度，因为深色泡沫颗粒比浅色泡沫颗粒制品更粗糙。

上述实施例表明，该创造性方法可以用于加工各种材料。PET是100％可回收的。从回收过程中以低成本大量获得PET。迄今为止PET一直是塑料饮料瓶的首选材料。PET还非常坚硬并且允许制备具有类似性质的颗粒泡沫体，例如发泡聚丙烯(epp)颗粒泡沫体。

PLA也是100％可回收，完全可生物降解并且具有机械性能，如发泡聚苯乙烯(ePS)颗粒泡沫部件。初步检测表明PLA具有约0.1至0.01的介电损耗因子。目前尚无确切的测量结果。PLA的软化温度约为约100℃。

相比之下，eTPU的软化温度为约125℃至130℃，而对苯二甲酸乙二醇酯的软化温度为约2000℃至260℃。

ePEBA非常轻且弹性高。它具有与由发泡热塑性聚氨酯制成的颗粒泡沫部件相类似的特性。

本发明可以总结如下：

本发明涉及用于制造混合组件，如金属和塑料组件的方法。泡沫颗粒在模具中加热，使得它们焊接到颗粒泡沫部件上。通过电磁RF辐射将热量供应至泡沫颗粒。泡沫颗粒由聚氨酯、聚乙烯嵌段酰胺(PEBA)、聚乳酸(PLA)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。

附图标记

1.设备

2.材料容器

3.模具

4.管线

5.地板

6.压缩空气管

7.压缩空气源

8.驱动喷嘴

9.压缩空气管管线

10.填充注射器

11.压缩空气管线线

12.半模

13.半模

14.模腔

15.电容器板

16.电容器板

17.电缆

18.AC电压源

19.边界表面(内部)

20.外表面

21.壳壁(无孔)

22.模具本体(多孔)

23.通道

24.无源加热层

25.区段

26.区段杆

27.安装

28.电容器板

29.泡沫颗粒

30.中心平面

31.真空泵

32.风扇

33.散热翅片

34.电热丝

35.电源

Claims (12)

1.一种用于制造颗粒泡沫部件的方法，其中将由聚氨酯、聚乳酸、聚乙烯嵌段酰胺(PEBA)或聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的泡沫颗粒在模具中加热，使所述泡沫颗粒熔合为颗粒泡沫部件，通过电磁RF辐射将热量供应至所述泡沫颗粒而不使用传热介质。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述RF辐射具有至少1MHz的频率和/或最大100MHz的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述泡沫颗粒由均匀的材料组成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述泡沫颗粒在所述模具中压缩。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述模具中的所述泡沫颗粒的温度，通过作为所测量温度的函数的电磁RF辐射对热量供应进行控制。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，对限定模腔的所述模具的表面进行回火。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，将真空施加至所述模具，以除去其中所包含的气体和/或水分。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用一种用于制造颗粒泡沫部件的设备，所述设备包括限定模腔的模具，其中至少两个电容器板邻近所述模腔设置，并连接到RF辐射源，其中RF辐射源设计为用于发射RF辐射。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述模具由对电磁RF辐射基本透明的材料形成。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电容器板设计为具有平的表面。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述模具在各个所述电容器板之间的区域中具有不同的厚度，使得所述模腔由三维曲面的内边界表面限定。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电容器板均由多个区段形成，所述区段在所述模腔一定距离处彼此独立地重复设置或一次性设置。

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