CN111511522A - 用于制造颗粒泡沫部件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造颗粒泡沫部件的装置和方法，其中，在模腔(5)中填充泡沫颗粒，将所述泡沫颗粒熔接成颗粒泡沫部件，并且所述颗粒泡沫部件在模具中冷却。通过具有集成电阻加热丝的陶瓷体(17)和施加电磁波对所述泡沫颗粒进行加热。

Description

用于制造颗粒泡沫部件的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造颗粒泡沫部件的装置。
背景技术
WO 2014/128214 A1公开了一种用于制造颗粒泡沫部件的装置和方法。其中，泡沫颗粒通过管道从物料容器输送到模具中，在模具中，在加热的情况下将泡沫颗粒热塑性地熔接成颗粒泡沫部件。在这个例子中，热量是通过饱和干蒸汽提供的。
此外，为了将泡沫颗粒熔接在一起，还对利用电磁波提供热量进行了各种试验和开发。例如，参考WO 2013/05081 A1、US 3,060,513、US 3,242,238、GB 1,403,326、WO 01/64414 A1和US 5,128,073。
由WO 2014/128214 A1还可以知道的是使用具有可变体积的模腔的所谓的裂隙模具(crack gap mould)作为模具。在这个裂隙模具例子中，限定模腔的两个半模以预定的距离彼此排列。在该裂隙位置上，给模具中填充泡沫颗粒。然后，将裂隙模具的两个半模稍微压在一起，从而压缩模具中的泡沫颗粒。在这种压缩状态下，泡沫颗粒被熔接在一起。
DE 20 2004 009 742 U1公开了一种用于加工熔融塑料或熔融金属的装置的可加热模具，该模具具有作为加热元件的导电陶瓷体。
EP 2 181 080 B1中描述了一种用于注塑机的加热装置，该加热装置采用具有螺旋线结构的导电陶瓷材料。该螺旋线结构是通过在陶瓷体上制作狭缝而形成的，然后，整个陶瓷体的表面被酸蚀，使得导电的交联结构溶解在陶瓷体表面的区域内。于是，陶瓷体包含了被电绝缘陶瓷材料包围的螺旋线结构。
由DE 20 2016 104 341 U1还可以知道由陶瓷制成的模具可以具有加热丝形式的加热元件。
发明内容
本发明是基于这样一个问题，即，提出一种制造颗粒泡沫部件的装置和方法，利用这种装置和方法可以制造出高质量的，特别是高表面质量的大体积或大面积的颗粒泡沫部件。
该问题通过依据独立权利要求的装置和方法来解决。相关的从属权利要求阐述了本发明的有利发展。
一种依据本发明的用于制造颗粒泡沫部件的装置包括：用于限制用于容纳泡沫颗粒的模腔的模具和用于将泡沫颗粒熔接成颗粒泡沫部件的加热装置。所述装置的特征在于，所述加热装置包括具有集成电阻加热丝的陶瓷体，以及向所述模腔提供电磁波的发生器。
这种带有集成电阻加热丝的陶瓷体可以被加热到非常高的温度，因为陶瓷可以被加热到比塑料高得多的温度。此外，陶瓷是很好的导热体。正因为如此，热量可以非常迅速地从模具传导出去。这使得颗粒泡沫部件的制造在加热和冷却过程中，都具有非常陡峭的温度梯度。提供用于向所述模腔供应电磁波的发生器使得可以通过吸收电磁波来加热泡沫颗粒，从而使泡沫颗粒在模具中被相对均匀地加热。通过这种方式，泡沫颗粒可以获得相对均匀的熔接。另一方面，通过陶瓷体提供的额外的热量，待制造的所述颗粒泡沫部件的表面可以至少在某些区域内被额外加热，使得该表面借助于陶瓷体提供的热量被熔化以形成光滑的表面。这对于大体积、大面积的颗粒泡沫部件特别有利，该颗粒泡沫部件一方面可以非常均匀的熔接，另一方面在某些区域形成非常光滑的表面。
所述加热装置，既包括设置有集成电阻加热丝的陶瓷体，也包括产生电磁波的发生器，还可以非常快速地加热和冷却泡沫颗粒，从而用这样的装置实现高产量。
所述集成电阻加热丝由导电或半导电材料制成。
优选地，在所述陶瓷体上连接有具有通道的冷却体，通过该通道，可将冷却介质送入所述陶瓷体。所述冷却介质可以是水。所述陶瓷体可以是金属体的形式。然而，所述冷却体也可以是附加的陶瓷体或陶瓷体的一部分，在其中形成所述通道。
优选地，所述模具具有两个半模，其中，所述陶瓷体与一个半模相连，或者，所述陶瓷体形成一个半模。
原则上，所述半模可以由任何期望的材料制成。与所述陶瓷体连接的所述半模优选地由良好的热传导材料制成，例如，金属或陶瓷材料。使用金属材料的优点是，通过传统的制造工艺，例如，铣削等，可以使限定模腔的所述半模的表面非常光滑，从而可以制造出具有非常高的表面质量的颗粒泡沫部件。此外，用导电的金属制成的半模可以作为电容器极板，向所述模腔提供电磁波。如果所述半模由非导电材料制成，则应提供单独的电容器极板，以向所述模腔提供电磁波。
另外，原则上，所述模具的两个半模都可以设置带有集成加热丝的陶瓷体。这使得能够在所述模腔的整个外围表面上快速加热泡沫颗粒。
然而，优选地，不与所述陶瓷体连接的所述半模由塑料体制成，并且具有单独的电容器极板。所述塑料体可以是具有不同的参数(介电常数)和/或不同厚度和/或设置有导电体的材料制成和/或电容器极板可以被轮廓化，以便形成电磁波的电场。通过有技巧地选择具有不同的参数的塑料材料或通过金属部件的集成，可以形成电场以便使整个所述模腔具有均匀的场强或者为某些点提供更高的场强。较高的场强在形成颗粒泡沫部件的边缘的模腔的拐角区域特别有用，从而在这些拐角区域使泡沫颗粒的熔化效果更强。这样就可以在颗粒泡沫部件上形成清晰的边缘。原则上，可以考虑两个半膜都用金属制成，并且将两者都作为电容器极板使用。然而，在颗粒泡沫部件具有不光滑的表面的情况下，将在所述模腔中产生变换的场强，从而将严重地损害颗粒泡沫部件的均匀熔接。因此，优选使用导电半模和非导电半模的组合，因为通过这种方式，电磁波的能量可以以最小的损失进入模腔，因为所述一个半模直接限定了模腔，另一方面，非导电半模以某种方式形成电场，从而可靠地制造出高质量的颗粒泡沫部件。
优选地，所述导电陶瓷材料有类金属碳化物(ZrC、TiC)或氮化物(TiN、TaN)或碳化硅、碳化硼或亚氧化钛。这些陶瓷是导电的或半导电的。这些导电或半导电的陶瓷材料可以被嵌入到基本上绝缘的材料中，例如，氮化硅(Si3N4)，或者各种导电或半导电的陶瓷组件可以结合到陶瓷复合材料中，例如，碳化硅(SiC)和碳化硼(B4C)。
陶瓷体中的所述电阻加热丝可以按照EP 2 181 180 B1中所述的方式制作。在这方面，可参考EP 2 181 180 B1。然而，所述电阻加热丝也可以通过导电结构和非导电结构的烧结而制成。
所述模具优选地为裂隙模具。使用这种裂隙模具，可以将所述两个半模放置于裂隙位置，在这个位置上，将泡沫颗粒送入其中。然后，将所述两个半模一起移动一小段距离，从而压缩包含在其中的泡沫颗粒。然后，在所述模具的末端位置，通过加热将泡沫颗粒熔接在一起。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造颗粒泡沫部件的方法，其中：
-在模腔中填充泡沫颗粒，
-将所述泡沫颗粒熔接成颗粒泡沫部件，
-冷却所述颗粒泡沫部件，和
-所述模具脱模。
该方法的特征在于，通过具有集成电阻加热丝的陶瓷体和施加电磁波来加热所述泡沫颗粒。
优选地，通过所述陶瓷体的加热与施加电磁波同时进行。
可以将所述泡沫颗粒加热到至少150℃，尤其是至少190℃，优选地至少200℃的温度。通过这种方法，可以由无法用传统的蒸汽熔接方法熔接的塑料材料制造出颗粒泡沫部件。使得可以制造出在相应的温度下稳定的颗粒泡沫部件，例如，在150℃、190℃或200℃的温度下。因此，这种颗粒泡沫部件可以经受进一步的处理阶段，例如喷漆，在此过程中会产生相应的高温。
通过这种方法，可以将聚乙烯-聚酰胺(PEBA)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的泡沫颗粒熔接成颗粒泡沫部件。这些材料吸收电磁波，因此可以直接被电磁波加热。
通过这种方法，也可以将基于ePP(可膨胀聚丙烯，PP)或ePS(可膨胀聚苯乙烯)的泡沫颗粒熔接形成颗粒泡沫部件，包括将它们与传热介质(例如水)混合或润湿。所述传热介质吸收电磁波并将热量传递到泡沫颗粒。
在诸如ePES(可膨胀聚醚砜)或可膨胀聚酰胺材料的情况下，介电损耗系数和吸收电磁波的能力依赖于温度。这些材料可以先用传热介质预热，直到它们充分吸收电磁波为止。然而，通过陶瓷体提供的额外加热，泡沫颗粒可以首先通过电预热至特定温度，直到它们足够热，以充分吸收电磁波。
所述电磁波优选地为电磁射频辐射。该电磁射频辐射优选地具有至少30KHz或至少0.1MHz的频率，尤其是至少1MHz或至少2MHz，优选地至少10MHz。
所述电磁射频辐射优选地具有300MHz的最大频率。
用于生成电磁波的所述发生器优选地产生振幅为至少103V，尤其是至少为104V的电磁波。常见的发生器可生成频率为27.12MHz的射频辐射。
所述电磁波也可以是微波。
对于本发明的方法，优选地使用如上所述的装置。
附图说明
本发明将借助附图通过示例进行详细地说明，附图如下：
图1所示为用于制造颗粒泡沫部件的装置的示意图，其中，该装置的模具被布置在裂隙位置；
图2所示为图1的装置，其中，模具被布置在末端位置；
图3所示为用于制造颗粒泡沫部件的装置的示意图，其中，模具具有两个半模，每个半模由塑料制成。
具体实施方式
一种用于制造颗粒泡沫部件的装置1，包括：模具2、物料容器3和从物料容器3通向模具2的管道4。通过管道4，泡沫颗粒可以被送入模具2，并被引入模具2所限定的模腔5中(图1、2)。
模具2由两个半模6、7组成，以下分别称为质量半模6、和功能半模7。在图1和图2中，质量半模6布置在功能半模7的下方。然而，半模的排列也可以根据需要进行交换或旋转(例如，旋转90°)。
功能半模7由具有底座8和连续的侧壁9的金属体构成。在侧壁9中形成有通孔10、11，其作用是将泡沫颗粒送入模腔5中，或将泡沫颗粒排出模腔5。一个通孔10与从物料容器3引出的管道4相连。
底座8和侧壁9分别限定出一个中空的空间和模腔5。后者的表面采用质量表面12的形式。在本实施例中，质量表面12经过研磨并且具有非常光滑的表面。
功能半模7是由塑料制成的塑料体，该塑料对电磁波是充分透明的，例如，聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯，尤其是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚醚酮(PEEK)和其他对射频辐射透明的材料。该塑料体可以是单体塑料体。然而，它也可以是由几种塑料体，特别是由几种塑料层构成。特别是，优选地，将功能半模7面向质量半模6的表面由吸收电磁波的塑料层制成，并通过这种方式加热。
功能半模7形成冲头，该冲头能够短距离地伸入由质量半模6所限定的中空空间，并且与质量半模6的连续侧壁9的上部自由边21闭合流(closes flush)。在连续侧壁9的自由边与功能半模7面对该边缘的相对表面之间形成的间隙小于通常供给到模腔5中的最小泡沫颗粒，从而确保没有泡沫颗粒能够从模腔5中逸出。
在功能半模7背对质量半模6的一侧上形成连续的凸缘13，当功能半模7完全插入时，该连续的凸缘13位于质量半模6的顶部，在质量半模6的侧壁9的上边缘处(图2)。
在凸缘13的区域内，连续的金属环14被集成在功能半模7中。在本实施例中，金属环14是连续的。然而，它可以延伸到一个或多个圆周段上，或者完全省略。
位于功能半模7背对质量半模6的一侧上有电容器极板15。在本实施例中，电容器极板15永久地连接到功能半模7上。
电容器极板15和质量半模6分别连接到用于生成电磁波的发生器16。该发生器16设计成生成频率为27.12MHz的射频辐射。
金属环14缩短了所述导电质量半模6和所述电容器极板15之间的距离，从而导致电场的压缩。通过这种方式，在所述模腔5的边缘区域中生成了更大的能量密度，从而导致了所述泡沫颗粒相应更强的熔化能力。从而使在颗粒泡沫部件成品上形成良好的边缘。
与所述质量半模6背对所述功能半模7的一侧连接的是集成有电阻加热丝的陶瓷体17。所述电阻加热丝与电源18连接，使所述陶瓷体可以被电加热，并能形成电阻加热丝。
在所述陶瓷体17背对所述质量半模6的一侧上设置有冷却体19，该冷却体19具有多个冷却通道20，诸如水的冷却介质可以流过该冷却通道20。
下面将说明装置1在制造颗粒泡沫部件时的操作。
首先将模具2布置成其两个半模6、7处于裂隙位置(图1)，其中，所述功能半模7与所述质量半模6的自由边21闭合流，但两个半模6、7之间的距离足够大，使得通孔10、11可以在模腔5中自由地打开。
泡沫颗粒通过管道4由物料容器3送入模腔5。
当模腔5完全填满泡沫颗粒后，将两个半模6、7往一起压到最终位置(图2)。为此要使用压力机(未示出)。两个半模6、7通过压机保持在最终位置。在最终位置，两个通孔10、11被功能半模覆盖并因此被关闭。
然后，通过发生器16对模腔5施加射频辐射，同时，通过电源18加热陶瓷体17，并且由此加热质量半模6。由于陶瓷体17和由金属制成的质量半模6各自是良好的热导体，因此，与质量半模6接触的泡沫颗粒以相似的速度被加热，就像模腔5内部的泡沫颗粒一样，特别是被电磁辐射加热的泡沫颗粒。因此，在与质量半模6的交界处和模腔5的内部都能获得非常均匀的加热。这导致泡沫颗粒非常均匀的熔接和高质量的颗粒泡沫部件。
还可以将质量半模6加热一小段时间，使得温度达到高于模腔5其余部分中的泡沫颗粒的温度。这将导致泡沫颗粒和颗粒泡沫部件分别在与质量半模6接触的表面熔化。
加热过程结束后，模具2被冷却。为此，关闭发生器16产生的电磁辐射和电源18产生的加热电流，通过冷却体19的冷却通道20输送冷却介质。通过这种方式，尤其质量半模6被迅速冷却，因为金属质量半模6和陶瓷体17都是良好的热传导体，所以热量可以通过冷却体19迅速传导走。如果在加热阶段，与质量半模6相邻的颗粒泡沫部件的表面被熔化，那么它就会迅速凝固，并且准确地呈现质量半模6的表面形状。通过这种方式，制造出的颗粒泡沫部件具有高质量的表面，并且与质量半模6的表面完全互补。
原则上，由于质量半模6、陶瓷体17和冷却体19的分层结构，可以将热量非常迅速地从模腔5传导出去，从而可以高效地制造大面积、大体积的颗粒泡沫部件。此外，还可以在颗粒泡沫部件中实施非常精确的温度分布，使得可以由具有特定温度要求的塑料材料来制造颗粒泡沫部件。
此外，在这种装置中，可以将泡沫颗粒加热到，例如，150℃以上、190℃以上、200℃以上，尤其是250℃以上的高温。因此，可以使用仅在高温下熔化且相应地热稳定性好的塑料材料。由这些材料制成的颗粒泡沫部件具有相应地高的热稳定性，并且可以经受进一步的加工处理，在此加工中，它们要承受聚苯乙烯或聚丙烯泡沫颗粒所不能承受的高温。
在模具冷却后，将两个半模6、7彼此分开，并取出颗粒泡沫部件成品。
下面将说明用于制造颗粒泡沫部件的装置1的实施例二。相同的部件被赋予与实施例一相同的附图标记。除非以下另有说明，否则对于实施例一所做的陈述同样适用于实施例二的相同部分。
用于制造颗粒泡沫部件的装置1也包括模具2、物料容器3(未示出)和从物料容器通向模具2的管道(未示出)。模具2具有两个半模7/1和7/2，分别由塑料制成。它们可能各自是一个单体塑料体的形式。但是，优选地，它们由不同的塑料体制成。例如，构成模腔5边界的表面可以由吸收电磁波的塑料材料制成，而半模7/1、7/2的剩余区域由不吸收电磁波的材料制成。通过这种方式，当施加电磁波时，半模7/1、7/2在它们与模腔5相邻的边缘区域被加热。
在本实施例中，陶瓷体17/1、17/2分别连接到两个半模7/1、7/2。陶瓷体17/1、17/2的设计与实施例一中的陶瓷体17相同，并且与电源18连接。通过施加合适的电流，可以通过电阻加热的方式对陶瓷体17/1、17/2加热。在本实施例中，为两个陶瓷体17/1、17/2提供了公共的电源18。然而，也可以提供两个独立的电源，从而可以彼此独立地对两个陶瓷体17/1、17/2加热。
在陶瓷体17/1、17/2背对半模的一侧，分别具有带有冷却通道20的冷却体19/1、19/2。这些冷却体的设计与实施例一中的完全相同，并且由导电材料制成，例如，铝或铜或相应的金属合金。冷却体19/1、19/2连接到发生器16。发生器16被设计成产生27.12MHz频率的射频辐射。因此，冷却体19/1、19/2用作电容器极板，以便向模腔5施加电磁场。
实施例二可以与实施例一以相同的方式使用。
在本发明的实施例二中，冷却体19/1、19/2相对于模腔5位于陶瓷体17/1、17/2的外部。在本发明的范围内，冷却体和陶瓷体的排布可以互换，从而使冷却体比相应的陶瓷体更靠近模腔5。如果陶瓷体被布置在更靠近模腔的位置，那么，与陶瓷体位于冷却体外部相比，可以更快地加热泡沫颗粒。如果冷却体布置在比陶瓷体更靠近模腔5的位置，那么，与冷却体位于陶瓷体外侧相比，模具的冷却降温效果可能会更快。根据是更快速地加热模腔5中的泡沫颗粒更重要，还是更快速地进行冷却更重要，将陶瓷体或冷却体布置在更靠近模腔5。
原则上，图1至图3中的表示并不是实际比例。如果半模由塑料制成，那么，尽可能地薄壁化对它们是有利的，这使得模腔5和陶瓷体之间的热传导路径尽可能地短。
本发明实施例中的每个陶瓷体都具有集成的电阻加热丝。陶瓷体在其外围区域是绝缘的，因此，电阻加热丝与相邻的冷却体是电绝缘的。如果整个陶瓷体是导电的，那么在冷却体和陶瓷体之间也可以优选地设置单独的绝缘层。
在另一替代实施例中，一个或多个陶瓷体也可以形成相关的半模。那么，陶瓷体的一侧具有与待制造的颗粒泡沫部件相对应的互补形状。
与发生器16连接的冷却体19/1、19/2可以用水作为冷却介质来冷却，通过冷却通道20供给。然而，也可以使用基于油的冷却介质，这种冷却介质具有电绝缘性，以避免以不希望的方式放电。
参考编号清单
1 装置
2 模具
3 物料容器
4 管道
5 模腔
6 半模(质量)
7 半模(功能)
8 底座
9 侧壁
10 通孔
11 通孔
12 质量表面
13 凸缘
14 金属环
15 电容器极板
16 发生器
17 陶瓷体
18 电源
19 冷却体
20 冷却通道
21 自由边

Claims (13)

1.用于制造颗粒泡沫部件的装置，包括：用于限定用于容纳泡沫颗粒的模腔(5)的模具(2)和用于将所述泡沫颗粒熔接成颗粒泡沫部件的加热装置(16、17)，
其特征在于，
所述加热装置包括具有集成电阻加热丝的陶瓷体(17)，以及向所述模腔(5)提供电磁波的发生器(16)，
其中，所述电阻加热丝由导电或半导电的陶瓷材料制成。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
冷却体(19)与所述陶瓷体(17)连接，所述冷却体(19)具有供应冷却介质的通道。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
所述模具(2)具有两个半模(6、7)，其中，所述陶瓷体(17)与一个半模(6)连接，或，所述陶瓷体(17)形成所述一个半模(6)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
另一半模(7)由塑料体制成，并且具有与所述半模(7)相邻的电容器极板(15)，其中，所述塑料体可以是具有不同的参数和/或不同的厚度和/或设置有导电体(14)的材料制成和/或所述电容器极板(15)可以被轮廓化，以便形成电磁波的电场。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，
与所述陶瓷体(17)连接的所述半模(6)是由金属制成的。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
所述模具(2)具有两个半模(7/1、7/2)，其中，两个半模(7/1、7/2)连接到一个这样的陶瓷体(17/1、17/2)，或者，两个陶瓷体(17/1、17/2)各自构成一个所述半模。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的装置，其特征在于，
设置了两个由导电材料制成的冷却体(19/1、19/2)，并且与所述发生器(16)连接，以便向所述模腔(5)施加电磁波。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的装置，其特征在于，
所述导电或半导电的陶瓷材料为类金属碳化物(ZrC、TiC)或氮化物(TiN、TaN)或碳化硅、碳化硼或亚氧化钛。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的装置，其特征在于，
所述模具(2)为裂隙模具。
10.制造颗粒泡沫部件的方法，包括
在模具(2)中形成的模腔(5)中填充泡沫颗粒，
将所述泡沫颗粒熔接成颗粒泡沫部件，
冷却所述颗粒泡沫部件，和
所述模具(2)脱模，
其特征在于，
所述泡沫颗粒通过具有集成电阻加热丝的陶瓷体(17)加热，该电阻加热丝由导电或半导电陶瓷材料制成，并且还通过施加电磁波来加热。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
通过所述陶瓷体(17)和通过所述施加电磁波的加热同时进行。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，
将所述泡沫颗粒加热到至少150℃，尤其是至少190℃，最好是至少200℃的温度。
13.根据权利要求10-12中的任何一项所述的方法，其特征在于，
使用根据权利要求1-9中任一项所述的装置。
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