DE102019215838B4

DE102019215838B4 - Formeinsatz zur Verwendung in einer Form, Form und Verfahren für die Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere einer Zwischensohle

Info

Publication number: DE102019215838B4
Application number: DE102019215838.2A
Authority: DE
Inventors: Helge Weiger; Bastian Gothe; Maximilian Drexler; Andreas Johannes Seefried; Marc Anthony Simon Norridge; Jarkko Siltamaeki; Daniel Stephen Price; Tru Le; Christoph Dyckmans; Victor Romanov
Original assignee: Adidas AG
Current assignee: Adidas AG
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: CN112659450A; CN116512507A; DE102019215838A1; CN112659450B; US11904513B2; US20210107188A1; EP3808523A1

Abstract

Formeinsatz zur Verwendung in einer Form für die Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere einer Zwischensohle,a. wobei die Sohle aus Partikeln eines expandierten Materials hergestellt wird,b. wobei ein elektromagnetisches Feld als ein Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird,c. wobei der Formeinsatz unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wurde, undd. wobei der Formeinsatz geeignet ist, lokal die Feldstärke des elektromagnetischen Felds innerhalb eines Formhohlraums der Form anzupassen, basierend zumindest teilweise auf der Geometrie der Schuhsohle, und die Homogenität der Feldstärke überall in dem Formhohlraum während der Herstellung der Schuhsohle zu erhöhen.

Description

I. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Formeinsatz zur Verwendung in einer Form für die Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere einer Zwischensohle, wobei die Sohle aus Partikeln eines expandierten Materials hergestellt wird, und wobei ein elektromagnetisches Feld als ein Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Form, die einen solchen Formeinsatz verwendet. Zusätzlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere einer Zwischensohle, aus Partikeln eines expandierten Materials, wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger, um die Partikeloberflächen zu verschmelzen, verwendet wird, und wobei das Verfahren eine solche Form verwendet.
11. Stand der Technik
Während der letzten Jahre hat die Verwendung von geschäumten Partikelteilen, d.h. von Materialien, die aus individuellen Partikeln aus expandierten Plastikmaterialien hergestellt sind, ihren Weg in die Herstellung von Dämpfungselementen für Sportbekleidung gefunden, insbesondere in der Herstellung von Schuhsohlen für Sportschuhe. Insbesondere wurde die Verwendung von Partikeln aus expandiertem thermoplastischem Polyurethan (eTPU), welche an ihren Oberflächen verschmolzen werden, indem sie in einer Form unter Druck stehendem Dampf ausgesetzt werden (oft als „steam chest molding“ bezeichnet), für die Herstellung von Schuhsohlen berücksichtigt. In diesem Zusammenhang zeigt sich die Verwendung von Partikeln aus eTPU als vorteilhaft, weil ihre Verwendung in Schuhsohlen mit leichtem Gewicht resultiert, guter Temperaturstabilität und geringen Hysterese-Verlusten mit Bezug auf die Energie, die aufgewendet wird, um die Sohle während des Laufens zu deformieren, d.h. eine gute Energierückgabe für den Träger des Schuhs.
Um jedoch formstabile Komponenten einer hohen Qualität zu erhalten, muss die Wärmeenergie auch in dem Inneren der Komponente bereitgestellt werden, um einen ausreichenden Verschmelzungsgrad zwischen den Partikeln zu erhalten. Im Fall der Wärmeenergie, die durch einen Dampf bereitgestellt wird (oder, sogar schlimmer, wenn ein flüssiges Bindematerial verwendet wird, was auch angedacht wurde), ist dies nur bis zu einem gewissen Grad der Dicke und Packdichte der Partikel in der Form möglich, und über einen gewissen „Schwellenwert“ der Dicke oder Dichte hinaus wird steam-chest molding zu Mängeln führen, insbesondere in dem Inneren der Komponente.
Ein weiterer Nachteil, Dampf als Energieträger zu verwenden, ist, dass ein wesentlicher Anteil der Energie, die in dem Dampf gespeichert ist, dadurch verloren gehen kann, dass die Form geheizt wird, anstatt an die Partikeloberflächen abgegeben zu werden. Dies kann einerseits eine lange Vorheizphase verlangen, bis die Form (oft aus Metall-Materialien) auf eine Sättigungstemperatur erhitzt ist, und andererseits Stabilisierung und Kühlung der verschmolzenen Komponenten verlangsamen, weil die Form einen großen Teil der Wärmeenergie gespeichert hat, was das Abkühlen verlangsamt. Dadurch kann die Methode langwierig und sehr energieineffizient sein.
Um diesen Nachteilen zu begegnen, wurden daher andere Energieträger als unter Druck gesetzter Dampf in Betracht gezogen. Insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Dämpfungselements für Sportbekleidung, das das Laden einer Form mit einem ersten Material, das Partikel eines expandierten Materials umfasst, und das Verschmelzen der Oberflächen der Partikel durch Zuführen von Energie in Form von mindestens einem elektromagnetischen Feld umfasst, wurde in DE 10 2015 202 013 A1 und EP 3 053 732 A1 beschrieben.
Die in diesen beiden Anmeldungen offenbarten Verfahren lassen jedoch noch Raum für Verbesserungen, da sie die komplexe Geometrie der Teile, die insbesondere moderne Leistungsschuhe wie Laufschuhe häufig enthalten, noch nicht vollständig berücksichtigen, insbesondere was die Sohlen und Zwischensohlen betrifft. Die komplexe Geometrie dieser Teile stellt wiederum sehr hohe Anforderungen an die Fertigungsanlagen und Fertigungsmethoden. Für die Verwendung von geschäumten Partikelteilen in den Sohlen und Zwischensohlen bedeutet dies, dass auch bei Sohlengeometrien mit deutlichen Variationen in der Dicke, Krümmung, Konturierung usw. eine gleichmäßige und stabile Verbindung zwischen den Partikeloberflächen in allen Bereichen der Sohle und im gesamten Innenraum der Sohle gewährleistet sein muss. Mit den bekannten Methoden und Maschinen kann dies schwierig oder in einigen Fällen sogar unmöglich zu erreichen sein.
Basierend auf dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher ein Problem der vorliegenden Erfindung, verbesserte Werkzeuge und Verfahren zur Herstellung von Dämpfungselementen für Sportbekleidung aus Partikeln aus expandierten Materialien bereitzustellen und ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zu verwenden, was die Herstellung von hochqualitativen Produkten mit komplexer Geometrie erlaubt.
Die DE 10 2016 123 214 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils umfassend ein Formwerkzeug, das einen Formraum begrenzt, wobei benachbart zum Formraum zumindest zwei Kondensatorplatten angeordnet sind, welche mit einer Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung verbunden sind, wobei die Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung zum Abgeben von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist und das Formwerkzeug zumindest aus zwei Formhälften ausgebildet ist, wobei zumindest eine der beiden Formhälften aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet ist und eine der Kondensatorplatten bildet.
Weiterer Stand der Technik ist aus DE 197 44 165 C2 , DE 10 2017 122 769 A1 , DE 10 2016 100 690 A1 und DE 10 2016 223 980 A1 bekannt.
III. Zusammenfassung der Erfindung
Das oben skizzierte Problem wird behandelt und zumindest teilweise durch die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung gelöst, die durch die unabhängigen Ansprüche definiert sind.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Formeinsatz. In einer Ausführungsform wird ein Formeinsatz für die Verwendung in einer Form zur Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere eine Zwischensohle bereitgestellt, wobei die Sohle aus Partikeln eines expandierten Materials hergestellt wird, und wobei ein elektromagnetisches Feld als ein Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird. Der Formeinsatz wurde unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt, und der Formeinsatz ist geeignet, lokal die Feldstärke des elektromagnetischen Felds innerhalb eines Formhohlraums der Form anzupassen, basierend zumindest teilweise auf der Geometrie der Sohle.
Ein Vorteil, ein elektromagnetisches Feld (im Folgenden teilweise einfach nur „das Feld“ genannt, zur Klarstellung) zu verwenden, insbesondere elektromagnetische Strahlung als Energieträger in der Verschmelzung der Partikel aus expandiertem Material im Vergleich zur Verwendung eines Dampfes, ist, dass die Bereitstellung von Energie durch das elektromagnetische Feld nicht an den Transport von Masse gebunden ist. Ein elektromagnetisches Feld kann daher (unter bestimmten Bedingungen, z.B. dass die Form nicht vollständig oder vor allem aus einem Material gemacht ist) das Innere der Komponente, die zu formen ist, einfacher durchdringen und dadurch zu einer gleichmäßigen und konsistenten Verschmelzung der Partikeln in der gesamten Komponente führen. Allgemein gesprochen führt das elektromagnetische Feld zu einem dielektrischen Heizen der Partikel und der Oberflächen der Partikel, welche dann miteinander verschmelzen, um die geformte Komponente zu bilden.
Für Komponenten mit einer „regulären“ Geometrie, wie einfache Platten eines Materials mit konstanter Dicke und unter Verwendung nur einer Art von Partikeln aus expandiertem Material für die Komponente, werden die Oberflächen aller Partikel relativ gleichmäßig erhitzt, was zu einer gleichmäßigen und konsistenten Verschmelzung entlang der Platte führt.
Für Sohlen mit komplizierter Geometrie zum Beispiel, die Schuhsohlen in modernen Leistungsschuhbekleidungen oft aufweisen, wird die Situation eher relevant. Wegen der komplexen Geometrie der Sohle wird der Formhohlraum, in dem das Element hergestellt wird, auch Regionen mit unterschiedlicher Dicke, Krümmung, Kontur etc. aufweisen. Dies wird im Allgemeinen das elektromagnetische Feld stören, das in die Form und den Formhohlraum eindringt und zu einigen Regionen mit erhöhter Feldstärke führt, während andere Regionen unter einer „Verdünnung“ des elektromagnetischen Felds leiden. Da die Energiedichte in dem elektromagnetischen Feld ω ∝ E ^→ · D ^→ ist (hierbei der magnetische Anteil ausgelassen), heißt das, dass mehr Energie den Partikeln in den Regionen erhöhter Feldstärke bereitgestellt wird, im Vergleich zu den Regionen reduzierter Feldstärke. Dies kann zu einer ungleichmäßigen und inhomogenen Verschmelzung der Partikeloberflächen führen und möglicherweise zu einem mangelhaften und nicht akzeptablen Endprodukt.
Um dieses Problem zu adressieren, ist der erfindungsgemäße Formeinsatz auf eine solche Weise geformt, dass er zumindest teilweise diesen Effekt kompensiert. Im Prinzip sind zwei Optionen in dieser Hinsicht möglich:

Erstens kann der Formeinsatz so in die Form eingesetzt werden, dass er lokal die Feldstärke innerhalb des Formhohlraums anpasst, ohne die Geometrie des Formhohlraums zu beeinflussen. Der Einsatz kann zum Beispiel zwischen anderen Teilen der Form „sandwich“-artig sein.

Zweitens muss der Formeinsatz nicht nur lokal die Feldstärke innerhalb des Formhohlraums beeinflussen, er kann auch selbst zumindest einen Teil des Formhohlraums definieren. Zum Beispiel kann der Formeinsatz direkt benachbart zu dem Formhohlraum angeordnet sein und Teil der Wand des Formhohlraums bilden (oder er kann zum Beispiel zumindest die Geometrie eines Teils des Formhohlraums definieren, aber ferner mit zusätzlichen Lagen beschichtet oder bedeckt sein).
In jedem Fall gibt es eine Wechselwirkung zwischen dem Formeinsatz und der Geometrie der Sohle, das hergestellt wird. Die Wechselwirkung ist derart, dass der Formeinsatz die Geometrie der Sohle berücksichtigt (und daher die Geometrie des Formhohlraums), und der Formeinsatz passt das elektromagnetische Feld spezifisch für diese Geometrie an und um die Verschmelzung der expandierten Partikel wie gewünscht zu erhalten. Dies ist mit der Anpassung des elektromagnetischen Felds „basierend zumindest teilweise auf der Geometrie der Sohle“ gemeint. Natürlich müssen andere Faktoren ebenso berücksichtigt werden, wie die Geometrie und das Material des Rests der Form und / oder die Art des elektromagnetischen Felds, was verwendet wird. Daher wird die Anpassung nur „teilweise“ auf der Geometrie der Sohle beruhen. Der Formeinsatz ist dennoch für die konkrete Geometrie einer gegebenen Sohle maßgeschneidert, und unterschiedliche erfindungsgemäße Formeinsätze werden generell für verschiedene Komponenten-Geometrien verwendet.
Ein weiterer Faktor, der in dieser Hinsicht berücksichtigt werden muss, ist die Art der Partikel, die verwendet wird. Während der Formeinsatz initial so gestaltet sein kann, dass er das elektromagnetische Feld in dem leeren Formhohlraum auf die gewünschte Art anpasst (zum Beispiel, als eine Annäherung erster Ordnung in dem Design des Formeinsatzes), ist das ultimative Ziel, das Feld wie gewünscht in dem gefüllten Zustand der Form anzupassen, weil in diesem Status das elektromagnetische Feld seine Energie auf die Partikel-Oberflächen zu ihrer Verschmelzung überträgt. Weil die Partikel selbst bestimmte dielektrische Eigenschaften aufweisen - welche sich zum Beispiel generell für unterschiedliche Basiskomponenten, aus denen die Partikel gemacht sein können, ändern -, sollten diese Eigenschaften vorteilhafterweise beim Design des Formeinsatzes berücksichtigt werden, so dass das elektromagnetische Feld die gewünschte Verteilung innerhalb des gefüllten Formhohlraums während des eigentlichen Verschmelzungsvorgangs aufweist.
Die Partikel aus expandiertem Material für die Sohle können mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: expandiertes thermoplastisches Polyurethan (eTPU), expandiertes Polyamid (ePA), expandiertes Polyetherblockamid (ePEBA); expandiertes Polylactid (ePLA); expandiertes Polyethylenterephthalat (ePET); expandiertes Polybutylenterephthalat (ePBT); expandiertes thermoplastisches Polyesteretherelastomer (eTPEE).
Zum Beispiel haben sich für die Herstellung von Schuhsohlen Partikel aus eTPU, ePEBA und/oder ePA als vorteilhaft erwiesen und können daher in dem Kontext der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Um die gewünschte Anpassung zu erlauben, ist die Herstellung des Formeinsatzes mit einem additiven Herstellungsprozess besonders geeignet. Additive Herstellungsverfahren erlauben eine genaue Kontrolle nicht nur der allgemeinen Geometrie des Formeinsatzes, sondern auch seines Inneren, welcher eine wichtige Rolle darin spielen kann, die gewünschte „Verzerrung“ des elektromagnetischen Felds bereitzustellen. Ferner erlauben moderne additive Herstellungsverfahren die Produktion von Teilen in einer sehr kurzen Zeit und vor Ort, so dass der Produktentwicklungsprozess nicht gestoppt wird (zumindest nicht für eine lange Zeit) durch die Notwendigkeit, auf die Herstellung oder Wiederherstellung / Anpassung des Herstellungswerkzeugs zu warten, was üblicherweise das Verfahren um Tage oder sogar Wochen verzögert.
Das Designen des Formeinsatzes für additive Herstellung kann eine oder mehrere Optionen und Verfahren beinhalten, wobei Kombinationen natürlich möglich sind. Der einfachste Fall wäre ein einfacher Versuchs-und-Fehler Ansatz, welcher aufgrund der kurzen Zeitspanne geeignet sein kann, die es braucht von dem Design des Formeinsatzes bis zur Produktion des fertigen Formeinsatzes, aufgrund der Tatsache, dass additive Herstellung verwendet wird. Ein zweiter Ansatz ist es, Computer-Simulationen der Verteilung des elektromagnetischen Felds (z.B. die lokale Feldstärke) innerhalb der Form, und insbesondere, des Formeinsatzes und des Formhohlraums anzustellen. Am einen Ende des Spektrums können solche Simulationen vollwertige Simulationen sein, die vollständig auf den Maxwell-Gleichungen basieren, und am anderen Ende des Spektrums können die Simulationen auf bekannten Geometrien und entsprechenden Feldverteilungen basieren, die zum Beispiel in einer Datenbank gespeichert sind, zu der Störungen hinzugefügt werden können, wenn dies erforderlich ist, d.h. um einen störungstheoretischen Ansatz für die Simulation zu verwenden.
In jedem Fall kann, sobald das Design zum Beispiel auf einem Computer generiert wurde, schnell hergestellt und dann verifiziert werden, indem Testläufe auf einer tatsächlichen Maschine laufen, und nachfolgend feiner abgestimmt oder geändert werden, sofern erforderlich. Aufgrund der Verwendung von additiven Herstellungsverfahren ist es möglich, dass der gesamte Prozess vom ersten Design bis zu einem akzeptablen Werkzeug in einer kurzen Zeitspanne von ein paar Wochen oder sogar nur Tagen erfolgt.
Der Formeinsatz ist geeignet, die Homogenität der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums während der Herstellung der Sohle zu erhöhen.
Da die Energiedichte in dem elektromagnetischen Feld ω ∝ E ^→ · D ^→ ist (wiederum den magnetischen Anteil auslassend), wird eine homogene Feldstärke eine gleichmäßige Verschmelzung der Partikel innerhalb der Sohle erlauben, so dass das Homogenisieren des Felds insbesondere geeignet ist, Sohlen mit konsistenter und gleichmäßiger Verschmelzung der Partikeloberflächen zu erzielen.
Andererseits, das Argument umdrehend, ist es auch klar, dass der Formeinsatz verwendet werden kann, um spezifische Regionen in der Feldverteilung zu bilden (z.B. der lokale Wert der Feldstärke), wo ein erhöhter oder erniedrigter Verschmelzungsgrad stattfinden wird (angenommen, die gleichen Partikel werden überall verwendet; ansonsten würde die variierende Zusammensetzung der Partikel auch einen Effekt auf den Verschmelzungsgrad haben). Dies kann erwünscht sein, um unterschiedliche Regionen der Sohle mit unterschiedlichen Leistungseigenschaften wie Steifigkeit zum Beispiel zu erhalten.
Die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums kann zumindest teilweise durch eine lokale Variation in den dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes verursacht werden.
Natürlich wird eine Variation der dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes zuallererst im Allgemeinen das Feld innerhalb des Formeinsatzes selbst verändern. Im Gegensatz zum idealisierten Fall eines unendlich dimensionierten Plattenkondensators, in dem eine Platte aus dielektrischem Material eingesetzt wird und bei dem das Feld außerhalb des dielektrischen Materials aufgrund der Bildung von „genau dem richtigen Beitrag“ von Polarisationsladungen an der Oberfläche der Platte des dielektrischen Materials unverändert bleibt, wird es bei einem Formeinsatz mit endlicher Abmessung und einer allgemein komplexen Geometrie auch auf das elektromagnetische Feld außerhalb des Formeinsatzes selbst und insbesondere innerhalb des Formhohlraums einen Effekt haben. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Formeinsatz direkt neben der Wand des Formhohlraums angeordnet ist oder sogar einen Teil davon bildet. Der Formeinsatz kann in diesem Sinne als „dielektrische Linse“ für das elektromagnetische Feld betrachtet werden, das seine Verteilung im gesamten Formhohlraum ändert.
Die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums kann zumindest teilweise durch eine lokale Variation in der Permittivität des Formeinsatzes verursacht werden.
Die Permittivität des Formeinsatzes hat einen direkten Einfluss auf die Feldstärke innerhalb des Formeinsatzes (für ein konstantes „externes“ Feld, das auf die Form angewendet wird), wie der Fachmann versteht, und aufgrund der Effekte, die oben genannt sind, wird auch die Feldverteilung (z.B. den lokalen Wert der Feldstärke) innerhalb des Formhohlraums beeinflussen. Ein weiterer Vorteil, die Permittivität als „Kontrollknopf” zum Beeinflussen der Feldverteilung zu verwenden, ist, dass Materialien mit einer breiten Vielzahl von Permittivitätswerten bekannt und verfügbar sind, so dass auf diese Weise ein hohes Maß an Abstimmung und Anpassung möglich ist, indem verschiedene Materialien im additiven Herstellungsprozess ausgewählt und / oder kombiniert werden.
Die lokale Variation der Permittivität des Formeinsatzes kann zumindest teilweise durch eine lokale Variation in der Dichte des Materials des Formeinsatzes verursacht werden.
Abgesehen von der Verwendung unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen intrinsischen Permittivitätswerten ist ein weiterer Vorteil, die Permittivität zu verwenden, um das Feld anzupassen, dass das gleiche Material, allerdings mit unterschiedlicher Dichte, in unterschiedlichen Regionen des Formeinsatzes verwendet werden kann, um den gewünschten Einfluss zu erzielen. Die Dichte kann eine „strikt lokalisierte“ Dichte sein, die in einer so klein wie technisch möglichen Region des Formeinsatzes gemessen wird, zum Beispiel die Dichte eines Testwürfels mit einer Kantenlänge von 1 mm, oder sie kann eine „gemittelte“ Dichte sein, die auf einer großen Entfernungsskala gemessen wird, zum Beispiel ein gemittelter Wert der Dichte, der aus einer Testwürfel mit einer Kantenlänge von 5 mm oder 10 mm bestimmt wird. Da ein additives Herstellungsverfahren verwendet wird, um den Formeinsatz zu produzieren, sind solche Variationen in der Dichte relativ einfach zu erzielen, so dass die Kombination dieser zwei Aspekte besonders vorteilhaft ist.
Zum Beispiel ist ein Weg, eine solche lokale Variation in der Dichte des Materials des Formeinsatzes zu erhalten, Lufthohlräume in das Material einzubeziehen. Die Möglichkeit, komplexe Verteilungen von Lufthohlräumen zu bilden, ist ein besonderer Vorteil bei der Verwendung einer additiven Herstellung für den Formeinsatz. Das Einbeziehen von solchen Lufthohlräumen ist daher eine wichtige Option, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, um lokal die Materialdichte und daher die Permittivität, und somit die Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums anzupassen.
Grundsätzlich führt eine höhere Dichte des Materials des Formeinsatzes zu einer höheren Permittivität des Formeinsatzes.
Die lokale Dichte des Materials des Formeinsatzes kann zwischen 0,4 g/cm³ und 1,7 g/cm³ liegen.
Für die Materialien, die unten in weiterem Detail diskutiert werden, die für die additive Herstellung eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes verwendet werden können, sind solche Werte einerseits technisch ohne zu große Schwierigkeiten erreichbar, und andererseits resultieren sie in Formeinsätzen, die einen vorteilhaften Kompromiss eingehen, zum Beispiel zwischen Aufheizen des Formeinsatzes und dem Grad des Einflusses des Felds innerhalb des Formhohlraums. Wenn die Dichte zu gering ist, wird der Formeinsatz generell nicht ausreichend aufheizen, was für die Verschmelzung schädlich ist, und wenn die Dichte zu hoch ist, wird der Formeinsatz zu stark aufheizen, und damit, zum Beispiel, unnötigerweise das Verschmelzungs- und anschließende Abkühlungs-/Aushärtungsverfahren verlängern.
Geeignete Werte für die lokale Permittivität können zum Beispiel zwischen 1 und 20 liegen.
Alternativ oder zusätzlich kann die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Variation in dem dielektrischen Verlustfaktor des Formeinsatzes verursacht werden.
Im Gegensatz zu dem Fall einer Variation in der Permittivität muss eine lokale Variation in dem dielektrischen Verlustfaktor des Formeinsatzes keinen (oder nur zu einem begrenzten Grad) direkten Einfluss auf die Feldverteilung haben, insbesondere außerhalb des Formeinsatzes und innerhalb des Formhohlraums. Eine lokale Variation in dem dielektrischen Verlustfaktor des Formeinsatzes kann jedoch zu unterschiedlichen Graden der Energieabsorption und dadurch Heizen der unterschiedlichen Regionen des Formeinsatzes führen. Da die Permittivität allgemein eine Funktion der Temperatur ist, können diese unterschiedlichen Grade an Heizen der unterschiedlichen Regionen des Formeinsatzes eine lokale Variation in der Permittivität verursachen, was dann eine lokale Anpassung des Felds verursachen kann, auch außerhalb des Formeinsatzes und insbesondere innerhalb des Formhohlraums.
Auf der anderen Seite kann die lokale Variation in dem dielektrischen Verlustfaktor des Formeinsatzes auch einen direkteren Einfluss auf die Verschmelzung der Partikeloberflächen haben, zum Beispiel aufgrund der unterschiedlichen Grade des Heizens und dadurch der unterschiedlichen Grade an emittierter Energie in den Formhohlraum in der Form von Wärmestrahlung. Dieser Einfluss ist im Allgemeinen umso ausgeprägter, je näher der Formeinsatz am Formhohlraum angeordnet ist, und er hat im Allgemeinen auch einen größeren Effekt auf die Verschmelzung der Partikel, die an der Oberfläche der Sohle angeordnet sind und dem Formeinsatz zugewandt sind, als bei Partikeln, die im Inneren oder auf einer anderen Seite der Sohle angeordnet sind. Dieses Verfahren kann daher beispielsweise dann verwendet werden, um einer Oberflächenschicht eines Bereichs der Sohle spezifische Eigenschaften zu verleihen. Beispielsweise können die Partikel in einer Oberflächenschicht der Sohle in einem Bereich neben einem Teil des Formeinsatzes stärker geschmolzen werden, wo sie einen hohen dielektrischen Verlustfaktor aufweisen und daher einen großen Wärmegrad in Richtung des Formhohlraums emittieren. Solche stärker geschmolzenen Partikel können beispielsweise nach dem Abkühlen dem jeweiligen Bereich der Sohle eine erhöhte Steifigkeit verleihen.
Während zu viel Energieverlust, der durch unerwünschtes Erhitzen der Form verursacht wird, im Allgemeinen vermieden werden soll, kann ein gewisser Grad an Erwärmung der Form und insbesondere des Formeinsatzes wünschenswert sein. Dieses Vorheizen kann verwendet werden, um die Partikel des expandierten Materials vor ihrer eigentlichen Verschmelzung vorzuwärmen, was das Verarbeitungsfenster erweitern und im Allgemeinen den Verschmelzungsprozess erleichtern kann.
Zum Beispiel kann der lokale dielektrische Verlustfaktor des Formeinsatzes zwischen 0,01 und 0,10 liegen, insbesondere zwischen 0,01 und 0,07.
Dieser Bereich zeigte sich besonders geeignet, weil er einen guten Kompromiss zwischen dem Grad an Energieabsorption des Formeinsatzes und ausreichenden Erwärmen des Formeinsatzes zu Verschmelzung darstellt, d.h. einerseits wird nicht zu viel Energie von dem Formeinsatz absorbiert, und andererseits wird der Formeinsatz genügend aufgewärmt, um die Verschmelzung der Partikeloberflächen wie oben beschrieben zu erlauben.
Wie bereits erwähnt, kann der Formeinsatz benachbart zum Formhohlraum angeordnet sein und damit die Geometrie des Formhohlraums beeinflussen. In diesem Fall kann die lokale Variation in dem dielektrischen Verlustfaktor dann auch die Menge an Oberflächenerwärmung der Oberfläche des Formeinsatzes, welcher benachbart zum Formhohlraum angeordnet ist, während der Herstellung der Sohle beeinflussen.
Der Formeinsatz kann daher eine doppelte oder sogar dreifache Rolle spielen, indem er nicht nur die Verteilung des elektromagnetischen Feldes beeinflusst, sondern auch dazu dient, die Geometrie der Sohle (teilweise) zu verfeinern und sogar die Temperatur im Formhohlraum, welche ein wichtiger Parameter im Verschmelzungsprozess ist, zu beeinflussen.
Das additive Herstellungsverfahren für den Formeinsatz kann zumindest eines der folgenden umfassen: 3D Drucken; ein micro-melt-drop basiertes Verfahren; ein powder-bed basiertes Verfahren; Stereolithographie, SLA; Selektives Lasersintern, SLS; Selektives Laserschmelzen, SLM; Continuous Liquid Interface Production, CLIP; Fused Deposition Modeling, FDM; Digital Light Processing, DLP; Multi-jet Modeling, MJM; ein Polyjet-Verfahren; ein Film-Transfer-Imaging-Verfahren, FTI; Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting), EBM; Electron Beam Additive Manufacturing, EBAM; Subtractive Rapid Prototyping, SRP.
Zumindest eines der folgenden Materialien kann für den Formeinsatz verwendet werden: ein Keramik-gefülltes Harz, ein Cyanatester, eine Polymilchsäure/Polylaktid, PLA; ein Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS; Polyamid-6/Nylon-6, PA6; Polyamid-66, Nylon-66, PA66, Polyamid-12/Nylon-12, PA12; ein Polyetheretherketon, PEEK; ein Bindemittelsystem; ein Epoxyharz; ein UV-aushärtendes Thermoset.
Kombinationen von verschiedenen Verfahren und / oder Materialien sind auch möglich.
Das elektromagnetische Feld kann die Energie zum Verschmelzen der Partikeloberflächen in Form von elektromagnetischen Wellen in dem Hochfrequenzteil des Spektrums von 300 kHz - 300 MHz, oder in dem Mikrowellenteil des Spektrums von 300 MHz - 300 GHz, insbesondere in der Form von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im Bereich von 25 - 30 MHz, bereitstellen.
Die Verwendung dieser Arten von Strahlung ist aufgrund einer Vielzahl von Gründen vorteilhaft. Erstens sind sowohl Radiofrequenz - als auch Mikrowellengeneratoren kommerziell erhältlich und können in einem Herstellungswerkzeug mit relativ geringem Aufwand implementiert werden. Zusätzlich ist es möglich, die Radiofrequenz- oder Mikrowellenstrahlung allgemein auf den Formhohlraum zu fokussieren, so dass die Energieeffizienz des Verfahrens erhöht ist. Ferner können die Intensität und Frequenz der Radiofrequenz- oder Mikrowellenstrahlung einfach geändert und an die entsprechenden Voraussetzungen angepasst werden. Insbesondere zeigte sich die Verwendung von Strahlung mit einer Frequenz im Bereich von 25 bis 30 MHz vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung. In Kombination mit den oben beschriebenen Materialien und Verfahren bezüglich des erfindungsgemäßen Formeinsatzes erlaubt dieser Frequenzbereich eine gute Kontrolle über die Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums.
Wie bereits erwähnt, haben Schuhsohlen und insbesondere Zwischensohlen heutzutage oft eine ziemlich komplizierte Geometrie. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes in der Herstellung solcher Elemente verwirklicht die Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Form. In einer Ausführungsform wird eine Form für die Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere eine Zwischensohle aus Partikeln aus expandiertem Material bereitgestellt, wobei ein elektromagnetisches Feld als ein Energieträger verwendet wird, um die Partikeloberflächen zu verschmelzen. Die Form umfasst eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes.
Es versteht sich von selbst, dass alle in dieser Anmeldung in Bezug auf den Formeinsatz beschriebenen Merkmale, Merkmalskombinationen, Optionen und Möglichkeiten auch auf den Fall eines vollwertigen Formwerkzeugs und auch auf das hier beschriebene Herstellungsverfahren angewendet werden können.
In einer Ausführungsform umfasst die Form zumindest zwei Formhälften, und jede der Formhälften umfasst eine Elektrode, die für die Bereitstellung des elektromagnetischen Felds bereitgestellt wird. Der Formeinsatz wird in eine der zwei Formhälften positioniert, und die zwei Formhälften können relativ zueinander in einer ersten Richtung bewegt werden, um die Form zu öffnen und die Form mit Partikeln zu beladen, und die zwei Formhälften können relativ zueinander in einer zweiten Richtung bewegt werden, um die Form zu schließen und den Formhohlraum zwischen den Elektroden zu bilden.
Ein solches Setup erlaubt einen einfachen Austausch des Formeinsatzes und den allgemeinen Betrieb der Form. Insbesondere kann in dem Fall, dass der Formeinsatz zumindest teilweise die Geometrie des Formhohlraums bestimmt, das gleiche gesamte Werkzeug mit unterschiedlichen Formeinsätzen zur Herstellung einer Vielzahl von unterschiedlichen Sohlen verwendet werden.
Es ist auch möglich, dass ein Formeinsatz verwendet wird, der den Formhohlraum vollständig umgibt, zum Beispiel ein Formeinsatz mit einem ersten Teil (z.B. ein oberes Teil) und ein zweites Teil (z.B. ein unteres Teil), welche in die zwei Formteile eingesetzt werden (z.B. unter Verwendung einer Form mit einem oberen Formteil und einem unteren Formteil).
Es wird auch erwähnt, dass das Werkzeug an sich für die Herstellung eines spezifischen Typs oder Klasse der Sohle maßgeschneidert sein kann, zum Beispiel ein spezifischer Typ einer Zwischensohle. Insbesondere kann die Geometrie einer oder beider Elektroden so sein, dass das generierte elektromagnetische Feld bereits im Wesentlichen für die Herstellung einer Zwischensohle (oder einer anderen Art der Sohle) angepasst ist, und dass ein erfindungsgemäßer Formeinsatz dann verwendet wird um das elektromagnetische Feld auf einem feineren Level anzupassen, zum Beispiel um unterschiedliche Schuhgrößen, unterschiedliche Überpronations- / Unterpronationseigenschaften, die für die Sohle wünschenswert sind, verschiedene zusätzliche Sohlenelemente wie Torsionsstäbe, die in der Sohle enthalten sein können oder nicht, und so weiter, zu berücksichtigen.
Natürlich kann die Anpassbarkeit an solche Faktoren allein durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes (eventuell zu einem geringeren Grad) erzielt werden, zusammen mit zwei „Standard“-Elektroden, die nicht spezifisch für ein bestimmtes Produkt oder eine bestimmte Produktklasse ausgerichtet sind. In diesem Sinne kann die Verwendung des erfindungsgemäßen Formeinsatzes auch helfen, das Anwendungsgebiet eines Standardformwerkzeugs zu erweitern.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren. In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für die Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere eine Zwischensohle, aus Partikeln eines expandieren Materials bereitgestellt, wobei ein elektromagnetisches Feld als ein Energieträger verwendet wird, um die Partikeloberflächen zu verschmelzen und wobei das Verfahren eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Form verwendet.
Wie bereits oben erklärt, ist es durch das Verwenden eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes möglich, Sohlen mit komplexer Geometrie herzustellen, welche dennoch die gewünschte Verschmelzung und Verbindung zwischen den Partikeln aufweisen, weil der Formeinsatz es erlaubt, die Verteilung des elektromagnetischen Felds (z.B. die lokale Feldstärke) innerhalb des Formhohlraums und während des Formverfahrens auf eine solche Art und Weise einzustellen und anzupassen, dass der gewünschte Grad an Verschmelzung lokal auf kontrollierte Weise erreicht wird. Dies kann einen signifikanten Vorteil gegenüber bekannten Verfahren, die keinen solchen Formeinsatz verwenden, darstellen, wo eine solche lokale Kontrolle schwierig, oder sogar unmöglich sein kann.
IV. Kurze Beschreibung der Figuren
Mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren weiter beschrieben:

1: Illustration der technischen Komplikationen, die für die Herstellung von Dämpfungselementen mit komplexen geometrischen Eigenschaften aus Partikeln aus expandiertem Material entstehen, unter Verwendung eines elektromagnetischen Felds als ein Energieträger für die Verschmelzung der Partikeloberflächen;
2: Ausführungsformen erfindungsgemäßer Formeinsätze;
3: Permittivität von geeigneten Materialien zur Verwendung in erfindungsgemäßen Formeinsätzen; und
4: Dielektrischer Verlustfaktor der Materialien von 4.

V. Detaillierte Beschreibung möglicher Ausführungsformen
Mögliche Ausführungsformen der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung hauptsächlich in Bezug auf Werkzeuge und Verfahren zur Herstellung von Schuhsohlen beschrieben. Es wird jedoch betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann es auch für verschiedene Arten von Dämpfungselementen für Sportgeräte und Sportbekleidung verwendet werden, wie zum Beispiel Knie- oder Ellbogenschutz.
Es wird ferner auf die Tatsache Bezug genommen, dass im Folgenden nur einzelne Ausführungsformen der Erfindung detaillierter beschrieben werden können. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass die optionalen Merkmale und möglichen Modifikationen, die unter Bezugnahme auf diese spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurden, auch auf andere Weise oder in verschiedenen Unterkombinationen weiter modifiziert und / oder miteinander kombiniert werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Einzelne Merkmale können auch weggelassen werden, wenn sie entbehrlich sind, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Um Redundanzen zu vermeiden, wird daher auf die Erläuterungen in den vorhergehenden Abschnitten verwiesen, die auch für die folgende ausführliche Beschreibung gelten.
1 illustriert schematisch die technischen Komplikationen, die auftreten können, wenn ein elektromagnetisches Feld als Energieträger verwendet wird, um Partikel aus expandiertem Material bei der Herstellung eines Dämpfungselements mit komplexen geometrischen Merkmale an ihren Oberflächen zu verschmelzen.
Oben links in 1, allgemein mit Referenznummer 100 angegeben, wird eine Zeichnung der Herstellung einer einfachen Platte 110 eines Materials mit konstanter Dicke in einer Form 120 unter Verwendung eines elektromagnetischen Felds (angegeben durch die Pfeile 130) als Energieträger zum Verschmelzen der Oberflächen einer Vielzahl von Partikeln 140 aus einem expandierten Material angezeigt. Aufgrund der konstante Dicke der Platte 110 und seiner einfachen Geometrie ist das elektromagnetische Feld im Wesentlichen homogen entlang des Werkzeugs, wie durch die konstante Dicke der Pfeile 130 angegeben, und die Verschmelzung der Oberflächen der Partikel 140, verursacht durch ihr dielektrisches Wärmen durch das elektromagnetische Feld, wird daher allgemein auch gleichmäßig und konsistent sein.
Oben rechts in 1, allgemein mit Referenznummer 150 angegeben, ist die Herstellung einer Komponente 160 auch aus Partikeln 140 aus expandiertem Material, aber nun mit einer komplexeren Geometrie, gezeichnet, hier für den Fall einer Komponente 160, die unterschiedliche Dicken und in unterschiedlichen Regionen 161, 162 und 163 aufweist. Aufgrund dieser komplexen Geometrie und der sich daraus ergebenden Form des Formhohlraums des Werkzeugs, das für die Herstellung verwendet wird, ist die Stärke des elektromagnetischen Felds, das für die Verschmelzung der Partikel 140 verwendet wird, nicht länger überall konstant, sondern ändert sich zwischen den unterschiedlichen Regionen 161, 162 und 162, wie durch die unterschiedlichen Dicken der Pfeile 131, 132 und 133 angezeigt, welche das Feld in diesen unterschiedlichen Regionen repräsentieren. Im Ergebnis kann zwar eine gleichmäßige und konsistente Verschmelzung der Oberflächen der Partikel 140 in einer Region weiterhin erzielt werden, zum Beispiel in der mittleren Region 162 (s. geschäumte Partikelkomponente grundsätzlich mit Referenznummer 172 angegeben), aber in den verbleibenden Regionen 161 und 163 können die Oberflächen der Partikel 140 entweder nur einen geringen Grad an Verschmelzung aufweisen oder sogar unzureichend verschmolzen sein (s. geschäumte Partikelkomponente grundsätzlich mit Referenznummer 171 angegeben) oder sie können einen zu hohen Grad an Verschmelzung aufweisen oder sogar überverschmolzen oder verbrannt sein (geschäumte Partikelkomponente grundsätzlich mit Referenznummer 173 angegeben).
Um dieses Problem einer potentiell inhomogenen und ungleichmäßigen Verschmelzung der Partikeloberflächen für Dämpfungselemente mit komplexer Geometrie zu adressieren, stellt die vorliegende Erfindung einen Formeinsatz bereit, der additiv hergestellt wurde und der dazu dient, zumindest teilweise diese Effekte zu kompensieren, indem er das elektromagnetische Feld, das den Formhohlraum passiert, anpasst.
2 zeigt mögliche Ausführungsformen 210, 220 und 230 erfindungsgemäßer Formeinsätze. In allen drei Ausführungsformen ist der Formeinsatz so dargestellt, dass er den Formhohlraum vollständig umschließt (es ist jedoch zu beachten, dass jeweils nur ein zweidimensionaler Schnitt durch den dreidimensionalen Formeinsatz gezeigt wird, der nicht alle Details der dreidimensionalen Form des jeweiligen Formeinsatzes erfassen kann). Es ist zu beachten, dass die Formeinsätze 210, 220, 230 grundsätzlich in zumindest zwei Teile separierbar sind, zum Beispiel ein oberes Teil und ein unterer Teil, so dass der Formhohlraum mit den Partikeln gefüllt werden und die verschmolzene Komponente aus der Form entnommen werden kann. Solche Separierungslinien zwischen den unterschiedlichen Teilen des Formeinsatzes sind jedoch der Einfachheit halber nicht in 2 gezeigt.
Es wird ferner erwähnt, dass ein erfindungsgemäßer Formeinsatz auch als ein Einsatz für lediglich ein oberes Teil oder ein unteres Teil einer Form, in welcher er benutzt wird, bereitgestellt werden kann (weitere Details zu einer solchen Form folgen unten), und dadurch den Formhohlraum nur auf einer Seite begrenzt. Wie bereits erwähnt, kann ein erfindungsgemäßer Formeinsatz auch in einer Form an einer Position eingesetzt werden, an der er nicht direkt benachbart zu dem Formhohlraum ist, aber dennoch die Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums beeinflusst. Obwohl diese Möglichkeiten nachstehend nicht weiter detailliert diskutiert werden, bilden sie auch einen Teil der vorliegenden Erfindung.
Der Formeinsatz 210 umfasst nur ein Typ eines Materials. Wenn auch der gesamte Formeinsatz 210 aus dem gleichen Material ist, kann das Material dennoch das durchdringende elektromagnetische Feld auf die gewünschte Art „stören“, weil das Material des Formeinsatzes 210 unterschiedliche Dicken in unterschiedlichen Regionen aufweist. Zusätzlich kann eine lokale Variation in der Dichte zum Beispiel verwendet werden, um diesen Effekt weiter zu verstärken.
Der Formeinsatz 220 baut auf der allgemeinen Konstruktion des Formeinsatzes 210 auf, hier werden aber unterschiedliche Materialien in unterschiedlichen Regionen des Formeinsatzes 220 verwendet. Die unterschiedlichen Materialien werden „Material A“, „Material B“ und „Material C“ in 2 genannt. Zusätzlich zum Verwenden unterschiedlicher Materialien können auch die dielektrischen Eigenschaften (z.B. Permittivität, dielektrischer Verlustfaktor) lokal innerhalb eines der gegebenen Materialregionen geändert werden. Das „Material A“, „Material B“ und „Material C“ können zum Beispiel von den Materialien, die in dem vorliegenden Dokument diskutiert sind, gewählt werden, insbesondere aus den Materialien, die im Zusammenhang mit 3 und 4 diskutiert werden, möglicherweise unter der weiteren Bedingung, dass der dielektrische Verlustfaktor größer als 0,01 sein soll (weitere Details hierzu folgen unten).
Schließlich baut der Formeinsatz 230 weiter auf der allgemeinen Konstruktion des Formeinsatzes 220 auf, wobei nun drei unterschiedliche Materialstrukturen (aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, z.B. aus den drei unterschiedlichen Materialien „Material A“, „Material B“ und „Material C“ des Formeinsatzes 220) in den verschiedenen Regionen verwendet werden. Die unterschiedlichen Materialstrukturen werden „Struktur A“, „Struktur B“ und „Struktur C“ in 2 genannt. Hier wird das additive Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Formeinsatzes vorteilhaft verwirklicht, weil solche Verfahren die Herstellung komplizierter und „offener“ inneren Strukturen (d.h. inklusive Hohlräumen, Kanälen etc.) erlauben, die sonst nicht erreichbar wären. Solche inneren Strukturen können insbesondere dazu beitragen, die lokale Dichte und / oder die lokalen dielektrischen Eigenschaften der verschiedenen Regionen oder Abschnitte des Formeinsatzes 230 und damit die Art und Weise, wie der Formeinsatz das durchdringende elektromagnetische Feld beeinflusst, zu ändern. Als ein mögliches Beispiel können die drei verschiedenen Strukturen Lufthohlräume mit einer unterschiedlichen (durchschnittlichen) Größe umfassen, was zu einer unterschiedlichen (durchschnittlichen) Dichte des Formeinsatzes 230 in den jeweiligen Regionen und damit zu unterschiedlichen Permittivitätswerten führt.
Anstelle von drei verschiedenen Bereichen oder Abschnitten können die Formeinsätze 220 und 230 auch eine unterschiedliche Anzahl von Regionen oder Abschnitten umfassen, z. B. 2 oder 4 oder 5. Die Anzahl der verschiedenen Regionen oder Abschnitte kann sich auch zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Einsatzes unterscheiden (für einen Einsatz, der sowohl einen oberen als auch einen unteren Teil hat). Auch müssen die im oberen und unteren Teil verwendeten Materialien nicht unbedingt übereinstimmen oder gleich sein, sondern können zumindest teilweise auch unterschiedlich sein.
Wie erwähnt, können die Formeinsätze 210, 220 und 230 in einer Form (nicht gezeigt) zur Herstellung eines Dämpfungselements für Sportbekleidung verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung einer Zwischensohle für einen Sportschuh (z.B. ein Laufschuh) aus Partikeln eines expandierten Materials, wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger verwendet wird, um die Partikeloberflächen zu verschmelzen.
Partikel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind insbesondere Partikel aus expandiertem thermoplastischem Polyurethan (eTPU), expandiertem Polyetherblockamid (ePEBA) und / oder expandiertem Polyamid (ePA) sowie Gemische davon. Diese Materialien haben sich für die Herstellung von Schuhsohlen als vorteilhaft erwiesen, z.B. wegen ihrer guten Energierückgabe und ihrer Temperaturunabhängigkeit.
Zusätzlich oder alternativ können die Partikel auch eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: expandiertes Polylactid (ePLA), expandiertes Polyethylenterephthalat (ePET), expandiertes Polybutylenterephthalat (ePBT), expandiertes thermoplastisches Polyesteretherelastomer (eTPEE) oder Gemische davon.
Die Form kann ein oberes Formteil und ein unteres Formteil umfassen, welche derart zusammenarbeiten, um einen Formhohlraum zu definieren, in dem das Dämpfungselement (z.B. eine Schuhsohle) geformt wird.
Eine Möglichkeit ist, dass der Formeinsatz den Formhohlraum vollständig umgibt (s. z.B., die Formeinsätze 210, 220 und 230) und dadurch die Geometrie des Formhohlraums definiert. In diesem Fall kann ein unterer Teil des Formeinsatzes in den unteren Formteil gesetzt werden, und ein oberer Teil des Formeinsatzes kann in den oberen Formteil gesetzt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der untere Formteil eine „Matrize“ oder ein Negativ umfasst, die mit einem erfindungsgemäßen Formeinsatz zusammenarbeitet, der in den oberen Formteil eingesetzt wird und als „Kolben“ oder Positiv wirkt, um den Formhohlraum zu bilden, wenn die Form geschlossen ist (oder umgekehrt).
Der Vollständigkeit halber wird noch einmal erwähnt, dass ein erfindungsgemäßer Formeinsatz im Allgemeinen auch an einer anderen Position innerhalb der Form angeordnet sein kann, z. B. als Schicht oder Unterschicht des oberen oder unteren Teils der Form angeordnet sein kann, ohne direkt die Geometrie des Formhohlraums zu beeinflussen, jedoch immer noch dazu dienend, die Art und Weise zu beeinflussen und einzustellen, in der das elektromagnetische Feld den Formhohlraum durchdringt.
Anstelle eines oberen Formteils und eines unteren Formteils können auch ein mediales und laterales Formteil zum Beispiel verwendet werden oder mehr als zwei Formteile können verwendet werden. Analoge Aussagen gelten auch für die Formeinsätze, die durch die vorliegende Erfindung beschrieben sind.
Der Genauigkeit halber auf den Fall einer Form mit einem oberen Formteil und einem unteren Formteil zurückkommend, kann jedes der beiden Formteile eine Elektrode umfassen, die zur Bereitstellung des elektromagnetischen Feldes verwendet wird. Im einfachsten Fall können die Elektroden einfach Kondensatorplatten oder Metallplatten mit einfacher Geometrie sein. In anderen Ausführungsformen können die Elektroden jedoch auch eine Form haben, die im Allgemeinen dem Dämpfungselement entspricht, das in der Form hergestellt werden soll, um das elektromagnetische Feld für die Verschmelzung des Dämpfungselements „vorzuformen“. Eine weitere „Feinabstimmung“ des elektromagnetischen Feldes kann dann mittels eines erfinderischen Formeinsatzes erreicht werden.
Das zwischen den Elektroden erzeugte elektromagnetische Feld kann die Energie liefern, um die Partikeloberflächen in Form von elektromagnetischen Wellen im Hochfrequenzteil des Spektrums von 30 kHz - 300 MHz oder im Mikrowellenteil des Spektrums von 300 MHz - 300 GHz zu verschmelzen. In einer besonderen Ausführungsform liefert es die Energie, um die Partikeloberflächen in Form von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im Bereich von 25 bis 30 MHz zu verschmelzen.
Die zwei (oder mehr) Formhälften können relativ zueinander in einer ersten Richtung (zum Beispiel vertikal weg voneinander) bewegt werden, um die Form zu öffnen und die Form mit Partikeln zu beladen, und die zwei Formhälften können relativ zueinander in einer zweiten Richtung bewegt werden (z.B. vertikal zueinander), um die Form zu schließen und den Formhohlraum zwischen den Elektroden zu bilden.
Während des Ladens kann die Form vollständig geöffnet sein, und die zwei Formhälften können vollständig voneinander separiert sein, oder die Form kann nur teilweise und zu einen bestimmten Ausmaß geöffnet sein, so dass die zwei Formhälften mit einander zu einem gewissen Grad „in Verbindung stehen“ und das Ladevolumen zum Laden der Partikel begrenzen. Diese „crack gap“ Ladeoption kann dazu dienen, die physikalischen Eigenschaften des hergestellten Dämpfungselements bereits während des Ladens zu beeinflussen, z.B. seine Dichte und Steifigkeit, durch das Kontrollieren der Menge an Partikeln, die in das Dämpfungselement eingebaut werden und/oder den Grad der Kompression, dem die Partikel nach dem vollständigen Schließen der Form ausgesetzt sind. Dies kann auch das Herstellen verschiedener Arten des Dämpfungselements mit der gleichen Form durch das Anpassen der „crack-gap“- Höhe (d.h. das Ausmaß, bis zu dem die Form geöffnet ist) während des Ladens erlauben.
Zurückkommend zu der Diskussion der erfindungsgemäßen Formeinsätze, die durch die vorliegende Erfindung beschrieben sind, wie zum Beispiel die Formeinsätze 210, 220 und 230, können eine Vielzahl von verschiedenen additiven Herstellungsverfahren und eine Vielzahl von verschiedenen Basismaterialien für ihre Herstellung verwendet werden.
Das additive Herstellungsverfahren für den Formeinsatz kann beispielsweise eines der folgenden Verfahren umfassen: 3D Drucken; ein micro-melt-drop basiertes Verfahren; ein powder-bed basiertes Verfahren; Stereolithographie, SLA; Selektives Lasersintern, SLS; Selektives Laserschmelzen, SLM; Continuous Liquid Interface Production, CLIP; Fused Deposition Modeling, FDM; Digital Light Processing, DLP; Multi-jet Modeling, MJM; ein Polyjet-Verfahren; ein Film-Transfer-Imaging-Verfahren, FTI; Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting), EBM; Electron Beam Additive Manufacturing, EBAM; Subtractive Rapid Prototyping, SRP.
Darüber hinaus kann der Formeinsatz mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: ein mit Keramik gefülltes Harz; ein Cyanatester; eine Polymilchsäure / Polylactid, PLA; ein Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS; Polyamid 6 / Nylon 6, PA6; Polyamid 66 / Nylon 66, PA66; Polyamid 12 / Nylon 12, PA12; ein Polyetheretherketon, PEEK; ein Bindemittelsystem; ein Epoxidharz; ein UV-härtender Thermoset.
Durch das Verwenden dieser Verfahren und Materialien kann der erfindungsgemäße Formeinsatz geeignet sein, lokal die Feldstärke des elektromagnetischen Felds innerhalb des Formhohlraums der Form anzupassen, basierend zumindest in Teilen auf der Geometrie des Dämpfungselements. Ein erfindungsgemäßer Formeinsatz ist auf diese Weise hergestellt und bereitgestellt, was die Homogenität der Feldstärke überall in dem Formhohlraum während der Herstellung des Dämpfungselements erhöht.
Wie oben diskutiert kann für Dämpfungselemente mit einer komplexen Geometrie die Materialverteilung in der Form und / oder die Form des elektromagnetischen Felds, welches durch das Werkzeug generiert wird, derart sein, dass das elektromagnetische Feld, das den Formhohlraum durchdringt, auf eine Art und Weise gestört wird, dass „kalte Spots“ und „heiße Spots“ während der Verschmelzung der Partikel aus expandiertem Material durch die Energie, die von dem elektromagnetischen Feld getragen und bereitgestellt wird, entstehen. Dies kann zu einem unebenen und möglicherweise sogar nicht akzeptablen Endergebnis des Verschmelzungsverfahrens führen. Der Formeinsatz dient dazu, zumindest teilweise solche Effekte auszugleichen, um die Qualität des Produktionsergebnisses zu verbessern.
Wie bereits erwähnt, kann die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Variation in den dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes verursacht werden.
Natürlich werden andere Faktoren wie die Frequenz oder Intensitätsverteilung des generierten elektromagnetischen Felds auch die Verteilung des Felds innerhalb des Formhohlraums beeinflussen, wie der Fachmann verstehen wird. Aber das Ändern der dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes stellt eine besondere Handhabe zum Einstellen der Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums dar (z.B. der lokalen Feldstärke), was keine signifikante Änderung in dem allgemeinen Setup und Konstruktion des Formwerkzeugs benötigt, was beispielsweise besonders vorteilhaft zur Herstellung von Prototypen ist, aber auch im Allgemeinen, da jede Änderung im Setup in der Basismaschinerie sehr zeit- und kostenintensiv sein kann.
Ein spezifischer Weg, die Feldstärke innerhalb des Formhohlraums anzupassen oder zumindest zu beeinflussen, ist durch eine lokale Variation in der Permittivität des Materials des Formeinsatzes gegeben.
Werte für die (relative) Permittivität von Materialien, die für die Verwendung in einen erfindungsgemäßen Formeinsatz geeignet sind, gemessen bei 27,12 MHz, sind in 3 gezeigt:

- Die Kurve 310 zeigt die Permittivität eines Materials namens PerFORM mit einer Dichte von 1,61 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 120 ° C. PerFORM ist ein keramisches Verbundstereolithographiematerial.
- Die Kurve 320 zeigt die Permittivität eines PET-Materials mit einer Dichte von 1,39 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 120 ° C.
- Die Kurve 330 zeigt die Permittivität eines PLA-Materials (Polylactidsäure) mit einer Dichte von 1,24 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 120 ° C.
- Die Kurve 340 zeigt die Permittivität von CE 221, einem Cyanatesterharz, mit einer Dichte von 1,21 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 90 ° C.
- Die Kurve 350 zeigt die Permittivität eines PE-Materials mit einer Dichte von 0,93 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 120 ° C.

Mit der Ausnahme des PE Materials zeigen alle untersuchten Materialien eine Erhöhung der Permittivität mit Erhöhung der Temperatur. Auch korreliert für die gezeigten Materialien die Permittivität mit der Dichte der Materialien, d.h. eine höhere Dichte heißt eine höhere Permittivität. Alternativ oder zusätzlich zum Verwenden von unterschiedlichen Materialien (z.B. die Materialien, die im Zusammenhang mit 3 diskutiert werden), kann die lokale Variation in der Permittivität eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes daher zumindest teilweise durch eine lokale Variation in der Dichte des Materials des Formeinsatzes verursacht werden. Typischerweise (zumindest für die Materialien, die in 3 gezeigt sind) resultiert eine höhere Dichte des Materials des Formeinsatzes in einer höheren Permittivität des Formeinsatzes. Geeignete Werte der lokalen Dichte des Materials eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes liegen zwischen 0,4 g/cm³ und 1,7g/cm³.
Bezüglich geeigneter Werte für die Permittivität zeigten sich Werte zwischen 1 und 20 allgemein als vorteilhaft, um den gewünschten Einfluss auf die Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums zu erzielen.
Ein anderer Weg, um lokal die Feldverteilung (z.B. die lokale Feldstärke) innerhalb des Formhohlraums anzupassen oder zumindest zu beeinflussen, ist durch eine lokale Variation in dem dielektrischen Verlustfaktor des Formeinsatzes gegeben.
Werte für den dielektrischen Verlustfaktor von Materialien, die allgemein für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Formeinsatzes geeignet sind, gemessen bei 27,12 MHz, sind in 4 gezeigt (die Materialien sind die gleichen Materialien wie im Kontext der 3 oben diskutiert):

- Die Kurve 410 zeigt den dielektrischen Verlustfaktor des PerFORM-Materials mit einer Dichte von 1,61 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 120 ° C.
- Die Kurve 420 zeigt den dielektrischen Verlustfaktor des PET-Materials mit einer Dichte von 1,39 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 120 ° C.
- Die Kurve 430 zeigt den dielektrischen Verlustfaktor des PLA-Materials mit einer Dichte von 1,24 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 120 ° C.
- Die Kurve 440 zeigt den dielektrischen Verlustfaktor CE 221 mit einer Dichte von 1,21 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 90 ° C.
- Die Kurve 450 zeigt den dielektrischen Verlustfaktor des PE-Materials mit einer Dichte von 0,93 g / cm³ über den Temperaturbereich von 20 ° C bis 120 ° C.

Die PerFORM, PET und PLA Materialien (s. Kurven 410, 420 und 430) zeigen einen signifikanten Anstieg im dielektrischen Verlustfaktor mit Temperatur, während der dielektrische Verlustfaktor von CE 221 und PE Materialien (s. Kurven 440 und 450) im Wesentlichen konstant bleibt.
Wir betonen nochmals, dass während der dielektrische Verlustfaktor (oder Variationen davon) des Materials des Formeinsatzes nicht direkt die Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums beeinflussen muss (z.B. die lokale Feldstärke), er es indirekt doch tun kann. Eine Änderung in dem dielektrischen Verlustfaktor des Materials des Formeinsatzes wird allgemein das Aufwärmen, dem der Formeinsatz unterzogen wird, wenn er von dem elektromagnetischen Feld durchdrungen wird, ändern. Diese lokale Änderung in der Temperatur des Formeinsatzes kann zu einer entsprechenden Variation der Permittivität des Formeinsatzes führen - welche allgemein eine temperaturabhängige Größe ist, s. z. B. 3 - was wiederum das elektromagnetische Feld außerhalb des Formeinsatzes beeinflussen kann.
Ein weiterer Einfluss einer (lokalen oder globalen) Variation des dielektrischen Verlustfaktors auf die Ergebnisse des Verschmelzungsprozesses, insbesondere für den Fall, dass der Formeinsatz direkt neben dem Formhohlraum angeordnet ist, ist die Aufheizmenge, die der Formeinsatz erfährt, wenn er dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird, insbesondere die Erwärmung an der Oberfläche des Formeinsatzes, die dem Formhohlraum zugewandt ist.
Untersuchungen durch die Erfinder haben gezeigt, dass ein gewisser Grad an Aufheizen des Materials, das den Formhohlraum umgibt, für den Verschmelzungsprozess vorteilhaft sein kann, und das ohne ein „Vorheizen“ die Verschmelzung der Oberflächen der Partikel aus expandiertem Material unzureichend sein kann.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden daher Materialien mit einem (lokalen) dielektrischen Verlustfaktor von größer als 0,01 und kleiner als 0,10, insbesondere Materialien mit einem (lokalen) dielektrischen Verlustfaktor zwischen 0,01 und 0,07 für den Formeinsatz verwendet. In dieser Hinsicht ist das PE Material, was im Rahmen der 3 und 4 oben diskutiert wird, weniger geeignet als die anderen Materialien, und das PLA Material ist auch weniger geeignet bei Temperaturen von weniger als ca. 90°C.

Claims

Formeinsatz zur Verwendung in einer Form für die Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere einer Zwischensohle, a. wobei die Sohle aus Partikeln eines expandierten Materials hergestellt wird, b. wobei ein elektromagnetisches Feld als ein Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird, c. wobei der Formeinsatz unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wurde, und d. wobei der Formeinsatz geeignet ist, lokal die Feldstärke des elektromagnetischen Felds innerhalb eines Formhohlraums der Form anzupassen, basierend zumindest teilweise auf der Geometrie der Schuhsohle, und die Homogenität der Feldstärke überall in dem Formhohlraum während der Herstellung der Schuhsohle zu erhöhen.
Formeinsatz gemäß Anspruch 1, wobei die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Variation in den dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes verursacht wird.
Formeinsatz gemäß Anspruch 2, wobei die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Variation in der Permittivität des Formeinsatzes verursacht wird.
Formeinsatz gemäß Anspruch 3, wobei die lokale Variation der Permittivität des Formeinsatzes zumindest teilweise durch eine lokale Variation in der Dichte des Materials des Formeinsatzes verursacht wird.
Formeinsatz gemäß Anspruch 4, wobei eine höhere Dichte des Materials des Formeinsatzes zu einer höheren Permittivität des Formeinsatzes führt.
Formeinsatz gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die lokale Dichte des Materials des Formeinsatzes zwischen 0,4 g/cm³ und 1,7 g/cm³ liegt.
Formeinsatz gemäß einem der Ansprüche 2-6, wobei die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Variation in dem dielektrischen Verlustfaktor des Formeinsatzes verursacht wird.
Formeinsatz gemäß Anspruch 7, wobei der lokale dielektrische Verlustfaktor des Formeinsatzes zwischen 0,01 und 0,10 liegt, insbesondere zwischen 0,01 und 0,07.
Formeinsatz gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die lokale Variation im dielektrischen Verlustfaktor ferner die Menge an Oberflächenerhitzung der Oberfläche des Formeinsatzes beeinflusst, welche benachbart zum Formhohlraum während der Herstellung der Sohle ist.
Formeinsatz gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei das additive Herstellungsverfahren für den Formeinsatz zumindest eines der folgenden umfasst: 3D Drucken; ein micro-melt-drop basiertes Verfahren; ein powder-bed basiertes Verfahren; Stereolithographie, SLA; Selektives Lasersintern, SLS; Selective Laserschmelzen, SLM; Continuous Liquid Interface Production, CLIP; Fused Deposition Modeling, FDM; Digital Light Processing, DLP; Multijet Modeling, MJM; ein Polyjet-Verfahren; ein Film-Transfer-Imaging-Verfahren, FTI; Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting), EBM; Electron Beam Additive Manufacturing, EBAM; Subtractive Rapid Prototyping, SRP.
Formeinsatz gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei der Formeinsatz zumindest eines der folgenden Materialien umfasst: ein Keramik-gefülltes Harz, ein Cyanatester, eine Polymilchsäure/Polylaktid, PLA; ein Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS; Polyamid-6/Nylon-6, PA6; Polyamid-66, Nylon-66, PA66, Polyamid-12/Nylon-12, PA12; ein Polyetheretherketon, PEEK; ein Bindemittelsystem; ein Epoxyharz; ein UV-aushärtendes Thermoset.
Formeinsatz gemäß einem der Ansprüche 1-11, wobei das elektromagnetische Feld die Energie zum Verschmelzen der Partikeloberflächen in Form von elektromagnetischen Wellen in dem Hochfrequenzteil des Spektrums von 300 kHz - 300 MHz, oder in dem Mikrowellenteil des Spektrums von 300 MHz - 300 GHz, insbesondere in der Form von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im Bereich von 25 - 30 MHz, bereitstellt.
Form zur Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere einer Zwischensohle, aus Partikeln eins expandierten Materials, a. wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger verwendet wird, um die Partikeloberflächen zu verschmelzen, und b. wobei die Form einen Formeinsatz gemäß einem der Ansprüche 1-12 umfasst.
Form gemäß Anspruch 13, c. wobei die Form zumindest zwei Formteile umfasst, d. wobei jede der zwei Formteile eine Elektrode umfasst, welche für die Bereitstellung des elektromagnetischen Felds verwendet wird, e. wobei der Formeinsatz in eine der zwei Formteile gesetzt wird, f. wobei die zwei Formteile relativ zueinander in einer ersten Richtung bewegt werden können, um die Form zu öffnen, um zu erlauben, die Form mit den Partikeln zu beladen, und g. wobei die zwei Formteile relativ zueinander in einer zweiten Richtung bewegt werden können, um die Form zu schließen, um den Formhohlraum zwischen den Elektroden zu formen.
Verfahren zur Herstellung einer Sohle für einen Schuh, insbesondere einer Zwischensohle, aus Partikeln eins expandierten Materials a. wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird, und b. wobei durch die Verwendung einer Form gemäß Anspruch 13 oder 14 die Homogenität der Feldstärke überall in dem Formhohlraum während der Herstellung der Schuhsohle erhöht wird.