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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils.
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Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist dabei die Herstellung eines Dämpfungselements für Sportbekleidung, wie z.B. einer Schuhsohle. Die Erfindung umfasst auch Dämpfungselemente, z.B. eine Schuhsohle, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder auf einer erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung erzeugt wurden.
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Produkte aus Kunststoff, wie zum Beispiel Partikelschaumstoffteile, welche nur einmal benutzt werden, wie zum Beispiel als Verpackung, werden als umweltbelastend angesehen. Derartige Kunststoffteile werden zunehmend durch Teile aus anderen Materialien ersetzt. Es besteht daher ein erheblicher Bedarf, Partikelschaumstoffteile umweltverträglicher zu gestalten. Die Umweltverträglichkeit kann gesteigert werden, wenn ein signifikanter Anteil des Materials recycelt werden kann. Dies gilt unabhängig davon, ob die Formteile nur einmal Verwendung finden, oder für einen längerfristigen Gebrauch gedacht sind, wie dies beispielsweise bei Schuhsohlen der Fall ist.
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Bei aus expandiertem thermoplastischen Polystyrol (ePS) ausgebildeten Partikelschaumstoffteilen gibt es bereits eine Recyclingquote von bis zu 10%. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung eines Partikelschaumstoffteils bis zu 10% des Ausgangsmaterials recyceltes Material ist.
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Recycelte Partikelschaumstoffteile werden geschreddert und mit neuem Material gemischt. Im Folgenden wird recyceltes, geschreddertes Partikelschaumstoffmaterial als „Regenerat“ und nicht-recycelte Schaumstoffpartikel als „Originat“ bezeichnet. Unter dem Begriff Original werden somit Schaumstoffpartikel verstanden, welche noch nicht zu einem Partikelschaumstoffteil zusammengeschweißt sind oder waren - außer sie wurden eingeschmolzen und erneut neu extrudiert, s. hierzu weiter unten. Die Schaumstoffpartikel des Originals besitzen eine geschlossene Oberfläche. Sie können auch mit einem Treibmittel gefüllt sein. Beim Erhitzen des Materials dehnt sich die im Material eingeschlossene Luft oder das darin befindliche Treibmittel aus, so dass die Wandungen benachbarter Schaumstoffpartikel sich beim Erhitzen aneinanderdrücken und zu einem Partikelschaumstoffteil miteinander verschweißt werden können, zum Beispiel zu einer Schuhsohle, insbesondere einer Mittelsohle.
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Recycelte, geschredderte Schaumstoffpartikel (Regenerat) besitzen in der Regel keine geschlossene Oberfläche. Beim Erhitzen dehnen sie sich deshalb nicht aus. Ein geringer Anteil an recycelten, geschredderten Partikelschaumstoffteilen mag die Produktion eines Partikelschaumstoffteils je nach bestimmungsgemäßem Einsatzgebiet nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigen.
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Spätestens wenn man den Anteil an recyceltem Material jedoch erhöhen will, liegt beim Verschweißen der Schaumstoffpartikel zum Partikelschaumstoffteil nicht der notwendige Druck vor, mit dem sich die Schaumstoffpartikel aneinanderdrücken müssen, um eine gleichmäßige Verschweißung zu ermöglichen. Bei einem Anteil des Regenerats von mehr als 10% besteht bei herkömmlichen Produktionsverfahren das Problem, dass die Verschweißung der Partikel bereichsweise nicht erfolgt, so dass es am fertigen Partikelschaumstoffteil Abschnitte gibt, welche nicht korrekt verschweißt sind. Die Schaumstoffpartikel bilden dann lose Brösel im Partikelschaumstoffteil.
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Dies ist insbesondere bei Partikelschaumstoffteilen, welche gemäß ihrem bestimmungsgemäßen Gebrauch eine Vielzahl von Belastungszyklen durchlaufen sollen und auch eine gewisse Stabilität besitzen müssen, wie dies z.B. bei Schuhsohlen für moderne Sportschuhe typischerweise der Fall ist, mit erheblichen Nachteilen verbunden. Möglicherweise mit solch großen Nachteilen, dass die Verwendung von (erheblichen Mengen an) Regenerat zur Herstellung solcher Schuhsohlen (oder anderer Dämpfungselemente für Sportbekleidung) unter Verwendung der bekannten Verfahren gänzlich ausscheidet.
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Um dem entgegenzuwirken hat man interne Versuche durchgeführt, bei welchen von au-ßen ein Druck auf die Schaumstoffpartikel angelegt wird, so dass sie in einem ausreichenden Maße aneinandergedrückt werden. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Anteil von deutlich mehr als 10% von recyceltem Material ein Druck von etwa 5 bar zweckmäßig ist, um eine zufriedenstellende Verschweißung erzielen zu können. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Kontaktfläche der Schaumstoffpartikel von Haus aus größer ist. Dies führt dazu, dass Dampf, der in einem Formraum zum Verschweißen der Schaumstoffpartikel eingeleitet wird (wie dies im Rahmen des sogenannten „steam-chest-molding“ erfolgt), den Randbereich des Formraumes nicht mehr in ausreichendem Maße durchdringen kann und auch nicht ausreichend bis ins Innere der Komponente vordringen mag. Hierdurch werden die Schaumstoffpartikel im Randbereich stärker als im Zentrum der Komponente verschweißt. Dies führt wiederum zu Partikelschaumstoffteilen mit geringer Qualität aufgrund schlechter Verschweißung im Zentrum.
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Will man den Anteil an Regenerat erhöhen, kann man grundsätzlich zu recycelnde Partikelschaumstoffteile schreddern, pressen/einschmelzen und erneut extrudieren. Hierdurch stellt man Schaumstoffpartikel aus recyceltem Material und mit geschlossener Oberfläche her. Dadurch kann man die oben erläuterten Probleme überwinden. Damit man jedoch recyceltes Material erneut extrudieren kann, muss man ggf. Additive hinzugeben. Diese Additive sind teuer. Weiterhin besteht die Gefahr, dass die so hergestellten Schaumstoffpartikel verunreinigt sind und in der Qualität schlechter als aus nicht-recyceltem Material hergestellte Schaumstoffpartikel sein können. Dennoch können solche Partikel auch als Originat im Sinne der vorliegenden Anmeldung und Erfindung verstanden und dementsprechend zum Einsatz kommen, falls dies gewünscht ist.
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Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Partikelschaumstoffteilen aus Schaumstoffpartikel mittels gesättigtem Trockendampf sind beispielsweise in der
WO 2014/ 128 214 A1 beschrieben.
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Verfahren und Vorrichtungen zum Verschweißen von Schaumstoffpartikel zu Partikelschaumstoffteilen mit elektromagnetischen Wellen gehen beispielsweise aus der
US 3 060 513 A , der
US 3 242 238 A , der
GB 1 403 326 A und der
US 5 128 073 A hervor.
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US 2009 / 0 267 264 A1 offenbart ein Verfahren zur Materialbearbeitung, Materialbearbeitungssysteme und verarbeitbare Materialien. Bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung formbarer Produkte wie Polymerprodukte und thermoplastische Materialien.
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EP 1 990 170 A2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils (5) aus einem Verbundschaumstoffumfassend Schaumstoffflocken (7) und ein Bindemittel, nach dem die Schaumstoffflocken (7) mit dem Bindemittel benetzt werden und in einem Fluidstrom in eine Form (1) eingetragen werden, die allseitig mit Formwänden versehen ist, wobei zumindest eine der Formwände zumindest eine Entlüftungsöffnung (6) für das Fluid aufweist, und danach das Bindemittel durch Mikrowellen zur Reaktion gebracht wird und die Schaumstoffflocken (7) zum Formteil (5) verbunden werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen Schaumstoffpartikel mit einem hohen Anteil Regenerat einfach und zuverlässig in hoher Qualität verschweißt werden können.
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Eine besondere Aufgabe liegt darin in der Bereitstellung eines solchen Verfahrens und einer solchen Vorrichtung speziell für den Einsatz in der Herstellung von Dämpfungselementen für Sportbekleidung, insbesondere Schuhsohlen. Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils, insbesondere eines Dämpfungselements für Sportbekleidung wie einer Schuhsohle, umfasst die Schritte des
- - Zuführens von Schaumstoffpartikel in einen Formraum eines Formwerkzeuges, und
- - Verschweißens der Schaumstoffpartikel im Formraum unter Anlegen eines vorbestimmten Druckes, wobei die Schaumstoffpartikel einen Anteil von zumindest 10 Gew.% an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel (Regenerat) umfassen und das Verschweißen der Schaumstoffpartikel mittels elektromagnetischer Wellen erfolgt.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass beim Verschweißen der Schaumstoffpartikel mittels elektromagnetischer Wellen an die Schaumstoffpartikel ein an sich beliebiger Druck angelegt werden kann, ohne dass hierdurch das Verschweißen der Schaumstoffpartikel beeinträchtigt wird, da die elektromagnetischen Wellen die Schaumstoffpartikel vollständig durchdringen und von innen heraus erhitzen. Je nach Qualität, Größe und Anteil des Regenarts kann der Druck entsprechend eingestellt werden, so dass ein ausreichender Kontakt zwischen benachbarten Schaumstoffpartikel im Formraum besteht. Zudem ermöglicht es die Verwendung von elektromagnetischen Wellen als Energieträger auch, Formteile mit komplexer dreidimensionaler Geometrie und insbesondere Bereichen mit unterschiedlicher Dicke herzustellen, was das Verfahren besonders gut geeignet zur Herstellung von Schuhsohlen und insbesondere Mittelsohlen von Sportschuhen (oder anderer Dämpfungselemente für Sportbekleidung mit komplexer Geometrie) macht.
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Das Regenerat, d.h. die recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel, können dabei insbesondere durch Schreddern alter Formteile gewonnen werden, z.B. durch Schreddern alter Schuhsohlen oder Mittelsohlen, in welchen die Partikel bereits miteinander verbunden waren. Dies kann eine besonders einfache und kostengünstige Gewinnung des Regenerats darstellen, da solche ganzen Teile einfach im Handling sind.
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Auf der anderen Seite ist es aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, das Regenerat aus alten Partikeln zu gewinnen, die noch nicht zu einem Formteil miteinander verbunden waren (z.B. um Lagerüberschüsse alten Materials zu verwerten und diese nicht entsorgen zu müssen).
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Es wird ferner noch einmal erwähnt, dass als Originat grundsätzlich auch solche Partikel mit geschlossener Oberfläche zum Einsatz kommen können, die aus eingeschmolzenem recycelten Material re-extrudiert wurden.
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Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass beim Verschweißen von Partikelschaumstoffteilen aus ePS bis zu einem Anteil von etwa 60 Gew.-% an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel (Regenerat) kaum eine Qualitätseinbuße vorhanden ist. Dies ist sehr überraschend, da auf sehr einfache Art und Weise ein erhebliches Problem gelöst wird.
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Polystyrol absorbiert kaum elektromagnetische Wellen. Zum Verschweißen von Schaumstoffpartikel aus ePS mittels elektromagnetischer Wellen wird deshalb ein Wärmeübertragungsmittel, wie zum Beispiel Wasser, hinzugegeben, das die elektromagnetischen Wellen absorbiert. Hierdurch wird das Schaumstoffmaterial indirekt von den elektromagnetischen Wellen erhitzt. Bei einem Anteil des Regenerats von 70% und mehr enthielten die Partikelschaumstoffteile eine hohe unerwünschte Restfeuchte.
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Bei Materialien, wie zum Beispiel expandiertem thermoplastischem Polyurethan (eTPU), welches besonders zur Herstellung von Schuhsohlen geeignet ist und welches elektromagnetische Wellen besser als Polystyrol absorbiert, ist es nicht unbedingt notwendig, zum Verschweißen ein Wärmeübertragungsmittel hinzuzugeben. Bei diesen Materialien besteht das Problem der Restfeuchte nicht, so dass auch Partikelschaumstoffteile mit einem Anteil von mehr als 70% Regenerat zuverlässig mit hoher Qualität herstellbar sind.
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Der Anteil an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel kann zumindest 20 Gew.-% und insbesondere zumindest 30 Gew.-% bzw. zumindest 50 Gew.-% oder zumindest 70 Gew.-% betragen.
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Der vorbestimmte Druck im Formraum beträgt vorzugsweise zumindest 2 bar, insbesondere zumindest 3 bar und kann auch auf zumindest 5 bar eingestellt werden. Je höher der Druck ist, desto größer kann der Anteil an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel eingestellt werden und/oder desto stärker kann das recycelte Material geschreddert sein.
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Auf der anderen Seite beeinflusst der eingestellte Druck auch die mechanischen Eigenschaften des Hergestellten Formteils, z.B. die Steifigkeit der Schuhsohle, sodass hier in Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften mehr oder weniger Regenerat (entsprechend einem größeren oder kleiner Druck) zum Einsatz kommen kann.
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Die elektromagnetischen Wellen sind vorzugsweise elektromagnetische RF-Strahlung. Die elektromagnetische RF-Strahlung weist vorzugsweise eine Frequenz von zumindest 30 KHz bzw. zumindest 0,1 MHz, insbesondere zumindest 1 MHz bzw. zumindest 2 MHz und vorzugsweise zumindest 10 MHz auf.
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Die elektromagnetische RF-Strahlung weist vorzugsweise eine Frequenz von maximal 300 MHz auf.
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Der Generator zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen erzeugt vorzugsweise elektromagnetische Wellen mit einer Amplitude von zumindest 103 V und insbesondere zumindest 104 V. Handelsübliche Generatoren erzeugen RF-Strahlung mit einer Frequenz von 27,12 MHz.
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Die elektromagnetischen Wellen können auch Mikrowellen sein.
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Die Schaumstoffpartikel können auf Basis von ePS (expandierbares Polystyrol) oder ePP (expandierbares Polypropylen) ausgebildet sein. Diese beiden Materialien absorbieren elektromagnetische Strahlung nur in einem geringen Maße. Es ist daher zweckmäßig, ein dielektrisches Wärmeübertragungsmedium, wie zum Beispiel Wasser, beim Verschwei-ßen hinzuzugeben.
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Die Schaumstoffpartikel können auch aus anderen expandierten Thermoplasten ausgebildet sein, insbesondere welchen, die elektromagnetische Wellen gut absorbieren.
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Schaumstoffpartikel auf Basis von expandiertem Polyurethan (ePU), exapndiertem Polyether-Block-Amid (ePEBA), expandiertem Polylaktat (PLA), expandiertem Polyamid (ePA), expandiertem Polybutylenterephthalat (ePBT), expandiertem Polyester-Ether-Elastomer (eTPEE) oder expandiertem Polyethylenterephthalat (ePET) können auch verwendet werden. Derartige Materialien absorbieren elektromagnetische Wellen gut, so dass Schaumstoffpartikel aus diesen Materialien ohne Zugabe von einem Wärmeübertragungsmedium mittels elektromagnetischer Wellen verschweißt werden können. Dies gilt vor allem für die Verwendung von RF-Strahlung, mit welcher Formräume mit einer Größe bis zu einigen wenigen Metern gleichmäßig mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt werden können.
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Die Materialien, welche elektromagnetische Strahlung, insbesondere RF-Strahlung, gut absorbieren, weisen jeweils eine funktionelle Gruppe (hier: Amidgruppe, Urethangruppe bzw. Estergruppe) auf, welche ein Dipolmoment bewirken. Diese funktionellen Gruppen sind dafür verantwortlich, dass die Moleküle die elektromagnetische Strahlung absorbieren. Daher sind auch andere thermoplastische Kunststoffe, welche derartige, ein Dipolmoment verursachende funktionelle Gruppen aufweisen, geeignet mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere RF-Strahlung, verschweißt zu werden.
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Die recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel können mit einer Mischvorrichtung mit nicht-geschredderten Schaumstoffpartikel in einem vorbestimmten Verhältnis gemischt und dem Formwerkzeug zugeführt werden. Mittels eines solchen Verfahrens kann der Anteil an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel frei eingestellt und schnell variiert werden.
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Weiterhin kann recyceltes Partikelschaumstoffmaterial geschreddert und dann dem Formraum zugeführt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils, insbesondere eines Dämpfungselements für Sportbekleidung, umfassend
- - ein Formwerkzeug, das einen Formraum begrenzt,
- - eine Einrichtung zum Anlegen eines vorbestimmten Druckes an im Formraum befindliche Schaumstoffpartikel, und
- - einen Generator zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen zum Verschwei-ßen der Schaumstoffpartikel im Formraum.
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Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mischeinrichtung zum Mischen von recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikeln und nicht-recycelten und nicht-geschredderten Schaumstoffpartikeln und/oder eine Schreddereinrichtung zum Schreddern von zu recycelndem Schaumstoffmaterial vorgesehen ist.
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Durch das Vorsehen der Mischeinrichtung ist es möglich, individuelle Verhältnisse von recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikeln (=Regenerat) und nicht-recycelten und nicht-geschredderten Schaumstoffpartikeln (= Originat) dem Formwerkzeug zuzuführen und diese Verhältnisse schnell zu variieren. Die Schreddereinrichtung erlaubt das Zuführen von zu recycelnden Partikelschaumstoffteilen, welche auf eine zum erneuten Verschweißen geeignete Größe von Schaumstoffpartikeln geschreddert werden. Insbesondere ist die Schreddereinrichtung derart einstellbar, dass Schaumstoffpartikel mit vorbestimmter Größe gezielt durch Schreddern erzeugt werden können.
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Die so erzeugte Größer der geschredderten Partikel kann vorteilhafterweise dabei sogar benutzt werden, um die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Formteils, z.B. einer hergestellten Schuhsohle, schon beim Schreddern zu beeinflussen. Zum Beispiel kann ein Schreddern zu kleineren Durchmesser die Steifigkeit des Formteils erhöhen, verglichen mit einem Schreddern zu größeren Durchmessern.
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Die Einrichtung zum Anlegen eines vorbestimmten Druckes an im Formraum befindlichen Schaumstoffpartikel kann eine Presse sein, welche ein aus zwei Formhälften bestehendes Formwerkzeug entsprechend zusammendrückt, um den Druck im Formraum zu erzeugen. Diese Einrichtung kann jedoch auch eine Pumpe umfassen, mit welcher Trägergas, mit dem Schaumstoffpartikel in den Formraum befördert wird und der Formraum hierdurch unter einen vorbestimmten Druck gesetzt wird. Beim Befüllen des Formraumes mit Schaumstoffpartikel wird somit ein gewünschter Druck eingestellt.
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Das oben erläuterte Verfahren kann derart ausgebildet sein, dass die beschriebene Vorrichtung hierbei verwendet wird.
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Da, wie bereits mehrfach erwähnt, ein besonders wichtiger Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung die Herstellung eines Dämpfungselement für Sportbekleidung und insbesondere die Herstellung einer Schuhsohle (z.B. einer Mittelsohle oder einer Innensohle) ist, soll hierauf im Folgenden in noch etwas mehr Detail eingegangen werden:
- Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst somit ein Verfahren zum Herstellen eines Dämpfungselements für Sportbekleidung, insbesondere einer Schuhsohle, beinhaltend die Schritte:
- - Zuführen von Schaumstoffpartikel in einen Formraum eines Formwerkzeuges,
- - Verschweißen der Schaumstoffpartikel im Formraum unter Anlegen eines vorbestimmten Druckes,
wobei die Schaumstoffpartikel einen Anteil von zumindest 10 Gew.% an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel umfassen und das Verschweißen der Schaumstoffpartikel mittels elektromagnetischer Wellen erfolgt.
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Eine Möglichkeit ist dabei, dass das ganze Dämpfungselement aus den Schaumstoffpartikeln einschließlich den recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikeln besteht. Es ist aber auch möglich, dass weitere nicht-partikelförmige Materialien zum Einsatz kommen. In diesem Fall bezieht sich die Gew.% - Angabe auf die partikelförmigen Materialien, die zum Einsatz kommen.
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Es wird ferner noch einmal erwähnt, dass die recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel dabei zum einen durch Schreddern alter Formteile gewonnen werden, z.B. durch Schreddern alter Schuhsohlen oder Mittelsohlen, in welchen die Partikel bereits miteinander verbunden waren, dass es zum anderen aber auch möglich ist, das Regenerat durch Schreddern aus alten Partikeln zu gewinnen, die noch nicht zu einem Formteil miteinander verbunden waren. Die (durchschnittliche) Größe des geschredderten Regenerats kann dabei jedenfalls als weitere Stellschraube dienen, um die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Dämpfungselements zu beeinflussen.
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Als Originat können auf der anderen Seite grundsätzlich auch solche Partikel mit geschlossener Oberfläche zum Einsatz kommen können, die aus eingeschmolzenem recycelten Material re-extrudiert wurden.
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Der Anteil an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel (d.h. Regenerat) kann ferner zumindest 20 Gew.% und insbesondere zumindest 30 Gew.% bzw. zumindest 50 Gew.% bzw. zumindest 70 Gew.% betragen. Hierbei kann der vorbestimmte Druck im Formraum zumindest 2 bar, insbesondere zumindest 3 bar und vorzugsweise zumindest 5 bar beträgt. Wie erwähnt, kann der zu verwendende Druck dabei mit steigendem Anteil an Regenerat steigen, aber auch andere Faktoren wie die gewünschten mechanischen Eigenschaften des hergestellten Produkts beeinflussen die Wahl eines geeigneten Drucks.
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Auch für den Einsatz in einem Dämpfungselement für Sportbekleidung können die Schaumstoffpartikel auf Basis von Polystyrol (ePS), auf Basis von Polyprpylen (ePP), auf Basis von Polyurethan (eTPU), auf Basis von Polyether-Block-Amid (ePEBA), auf Basis von Polylactat (PLA), auf Basis von Polyamid (ePA), auf Basis von Polybutylenterephthalat (ePBT), auf Basis von Polyester-Ether-Elastomer (eTPEE) oder auf Basis von Polyethylenterephtalat (ePET) ausgebildet sein.
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Besonders gut für den Einsatz bei Dämpfungselementen, insbesondere Schuhsohlen, können Schaumstoffpartikel aufweisend oder bestehen aus eTPU, ePA, ePEBA und/oder eTPEE sein, auf Grund der mechanischen Eigenschaften die diese Materialien für daraus hergestellte Dämpfungselemente liefern können.
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Möglich ist dabei, dass geschredderte Partikel aus einem Material mit nicht-geschredderten Partikeln eines andren Materials kombiniert werden, sofern ein gemeinsames Verarbeiten, insbesondere Verschweißen mit Hilfe elektromagnetischer Wellen, möglich ist.
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Den Schaumstoffpartikeln kann beim Verschweißen mittels elektromagnetischer Wellen ein Wärmeübertragungsmedium zugesetzt werden. Das Wärmeübertragungsmedium kann beispielsweise eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, sein. Ein Metall kommt auch in Frage.
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Durch Zugabe solcher Mittel kann der Grad der Verschweißung beeinflusst und gesteuert werden, und dies sogar lokal, was wiederum eine Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des hergestellten Produkts erlauben kann.
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Die Schaumstoffpartikeln können aber auch ohne Zugabe eines Wärmeübertragungsmediums mittels elektromagnetischer Wellen verschweißt werden, sofern dies bereits ein ausreichendes Maß der Verschweißung ermöglicht. Diese Möglichkeit hat den Vorteil ,dass sie verfahrenstechnisch besonders einfach ist.
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In dem Verfahren zur Herstellung eines Dämpfungselements für Sportbekleidung kann eine Mischvorrichtung zum Einsatz kommen, in der recycelte, geschredderte Schaumstoffpartikel und nicht-geschredderte Schaumstoffpartikel in einem vorbestimmten Verhältnis gemischt und dem Formwerkzeug zugeführt werden. Beispielsweise kann hierbei im Rahmen des Verfahrens recyceltes Partikelschaumstoff-Material - z.B. in Form alter Schuhsohlen oder dergleichen - geschreddert und dann dem Formraum zugeführt werden.
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Ferner umfasst die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Dämpfungselements für Sportbekleidung, insbesondere einer Schuhsohle, aus Schaumstoffpartikeln, wobei Vorrichtung umfasst:
- - ein Formwerkzeug, das einen Formraum begrenzt,
- - eine Einrichtung zum Anlegen eines vorbestimmten Druckes an im Formraum befindliche Schaumstoffpartikel, und
- - einen Generator zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen zum Verschwei-ßen der Schaumstoffpartikel im Formraum,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Mischeinrichtung zum Mischen von recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikeln und nicht-geschredderten Schaumstoffpartikeln und/oder eine Schreddereinrichtung zum Schreddern von zu recycelndem Schaumstoffmaterial vorgesehen ist.
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Die Vorrichtung zum Herstellen eines Dämpfungselements kann ferner eine Sortiereinrichtung zum Sortieren von geschredderten Schaumstoffpartikel umfassen.
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Auf einer solchen Vorrichtung kann ein wie oben beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines Dämpfungselements für Sportbekleidung, insbesondere einer Sohle für einen Schuh, durchgeführt werden. Hierbei können die verschiedenen Ausgestaltungsoptionen des erfindungsgemäßen Verfahrens - soweit technisch möglich - beliebig miteinander kombiniert werden.
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Ein weitere Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Dämpfungselement für Sportbekleidung, insbesondere Sohle für einen Schuh, aufweisend miteinander verschweißte Schaumstoffpartikel, wobei die Schaumstoffpartikel einen Anteil von zumindest 10 Gew.% an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel umfassen.
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Die Schaumstoffpartikel (d.h. die recycelten, geschredderten und die nicht geschredderten) können dabei insbesondere eTPU, ePA, eTPEE und/oder ePEBA enthalten oder daraus bestehen. Dabei können grundsätzlich auch geschredderte Partikel aus einem Material mit nicht-geschredderten Partikeln eines anderen Materials kombiniert werden, sofern ein gemeinsames Verarbeiten möglich ist.
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Die Schaumstoffpartikel können dabei unter Anlegen eines vorbestimmten Druckes und mittels elektromagnetischer Wellen verschweißt worden sein.
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Generell können zur Herstellung eines solchen Dämpfungselement die oben beschriebenen optionalen Ausgestaltungsoptionen des erfindungsgemäßen Verfahrens je nach beabsichtigtem Eigenschaftsprofil des Dämpfungselements - soweit technisch möglich - beliebig miteinander kombiniert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft näher anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematisch in:
- 1 eine Vorrichtung zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils unter Verwendung von recyceltem Partikelschaumstoffmaterial in einem Blockschaltbild.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen von Partikelschaumstoffteilen erläutert (1). Derartige Vorrichtungen werden auch als Formteilautomat 1 bezeichnet.
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Wie bereits erwähnt kann eine solche Vorrichtung und ein darauf ablaufendes Verfahren insbesondere zur Herstellung eines Dämpfungselement für Sportbekleidung zum Einsatz kommen, und hierbei können die oben bereits ausführlich beschriebenen Ausgestaltungsoptionen je nach Ziel weitestgehend frei (d.h. soweit technisch möglich) miteinander kombiniert werden.
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Auf diesen speziellen Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung wird daher im nun Folgenden nicht weiter im Detail eingegangen, der Knappheit wegen, und es wird statt dessen auf die obigen Ausführungen und Erklärungen verweisen, die auch im Folgenden ihre Geltung bewahren.
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Der Formteilautomat 1 weist zumindest ein Formwerkzeug 2 auf, das aus einer oberen Formhälfte 3 und einer unteren Formhälfte 4 ausgebildet ist. Das Formwerkzeug 2 begrenzt einen Formraum (nicht dargestellt, z.B. in Form einer Schuhsohle) zum Aufnehmen von Schaumstoffpartikeln, welche im Formraum zu einem Partikelschaumstoffteil durch Zugabe von Wärme verschweißen.
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Das Formwerkzeug 2 ist ein sogenanntes Crack-Spalt-Formwerkzeug, d.h., dass es derart ausgebildet ist, dass die beiden Formhälften 3,4 zur Aufnahme von Schaumstoffpartikeln ein Stück auseinander gefahren werden können, um dann im gefüllten Zustand mittels einer Presse 5 zusammengedrückt zu werden, um die im Formraum befindlichen Schaumstoffpartikel unter Druck zu setzen.
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Die Presse 5 weist einen Pressentisch 6 mit einer Auflageplatte 7 und einen Pressstempel 8 mit einer Pressplatte 9 auf. Der Pressstempel 8 weist eine Zylinder-/Kolbeneinheit 10 auf, mit welcher die Pressplatte angehoben und abgesenkt werden kann (Doppelpfeil 11).
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Weiterhin ist ein Behälter 12 zum Aufnehmen von zu recycelnden Partikelschaumstoffteilen vorgesehen. Der Behälter 12 mündet mit seiner trichterförmigen und nach unten offenen Unterseite in eine Schreddereinrichtung 13. Die Schreddereinrichtung 13 ist zum Schreddern von Partikelschaumstoffteilen ausgebildet, welche zu Schaumstoffpartikeln mit einem vorbestimmten Größenbereich geschreddert werden. Die geschredderten Schaumstoffpartikel sind durch den Schreddervorgang ungleichmäßig geformt. Die maximale Ausdehnung dieser Schaumstoffpartikel liegt üblicherweise im Bereich von zumindest 3 mm, insbesondere zumindest 4 mm und bis zu maximal 10 mm bzw. maximal 8 mm. Die (durchschnittliche) Größe der geschredderten Schaumstoffpartikel kann beispielsweise durch Einstellung eines Abstandes zwischen zwei Schredderwalzen gesteuert werden.
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Die Schreddereinrichtung 13 ist über eine Leitung 14 mit einer Sortiereinrichtung 15 verbunden. Sortiereinrichtungen zum Sortieren von Schaumstoffpartikeln sind beispielsweise in der am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichten deutsche Patentanmeldung des vorliegenden Anmelders mit Aktenzeichen ADI156759 beschrieben. Auf diese Patentanmeldung wird vollinhaltlich Bezug genommen. Mit der Sortiereinrichtung 15 können die geschredderten Schaumstoffpartikel nach vorbestimmten Kriterien sortiert werden. Es kann ein oder es können mehrere Sortierkriterien angewandt werden. Schaumstoffpartikel, welche nicht den gewünschten Kriterien entsprechen, werden über eine Ausschleuseleitung 16 in einen Auffangbehälter 17 ausgeschleust.
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Die Sortiereinrichtung 15 ist mit einer Leitung 18 mit einer Mischeinrichtung 19 verbunden. Über die Leitung 18 werden die recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel, welche den Sortierkriterien entsprechen, von der Sortiereinrichtung 15 zur Mischeinrichtung 19 befördert. Diese Schaumstoffpartikel bilden ein Regenerat.
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Die Mischeinrichtung ist mit einem Vorratsbehälter 20 über eine Leitung 21 verbunden.
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In den Leitungen 14, 18 werden die Schaumstoffpartikel mit einem Trägergas befördert. Das Trägergas ist in der Regel Luft. Dieses Trägergas kann mit einer Pumpe 22 unter Druck gesetzt werden. Die Pumpe 22 ist über eine Zweigleitung 23 mit der Leitung 21 verbunden.
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Der Vorratsbehälter 20 dient zum Bereitstellen von nicht-recycelten Schaumstoffpartikeln. Diese werden als Originat bezeichnet. Das Originat wird über die Leitung 21 der Mischeinrichtung 19 zugeführt.
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An der Mischeinrichtung 19 wird das Regenerat und das Originat in einem bestimmten Verhältnis zusammengemischt. Das Mischverhältnis ist frei einstellbar.
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Die Mischeinrichtung 19 ist mit einer Leitung 24 mit einem Füllinjektor 25 verbunden, welcher an einer der beiden Formhälften 3 mündet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel mündet der Füllinjektor 25 an der oberen Formhälfte 3.
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Der Füllinjektor ist über eine Druckluftleitung 26 mit einer weiteren Pumpe 27 verbunden, mit welcher dem Füllinjektor 25 unter Druck stehende Luft zugeführt werden kann, welche als Füllluft bezeichnet wird, mit welcher die Schaumstoffpartikel aus dem Füllinjektor 25 in den Formraum des Formwerkzeuges 2 befördert und gegebenenfalls unter Druck gesetzt werden.
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Die Auflageplatte 7 ist elektrisch leitend ausgebildet. Sie ist vorzugsweise eine Metallplatte. Sie kann beispielsweise aus Stahl oder aus Aluminium ausgebildet sein. Die Auflageplatte 7 ist mit einer Koaxialleitung 28 mit einem Hochfrequenzgenerator 29 verbunden.
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Der Hochfrequenzgenerator ist zum Erzeugen von RF-Strahlung ausgebildet. Der Hochfrequenzgenerator ist mit einer elektrischen Erde 30 verbunden.
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Die Pressplatte 9 ist auch elektrisch leitend ausgebildet. Sie kann gleichermaßen eine Metallplatte, insbesondere eine Aluminium- oder Stahlplatte sein, welche wiederrum mit der elektrischen Erde verbunden ist.
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Die Auflageplatte 7 und die Pressplatte 9 bilden somit Kondensatorplatten, zwischen welchen mit dem Hochfrequenzgenerator 29 ein Hochfrequenzfeld bzw. RF-Strahlung angelegt werden kann.
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Die beiden Formhälften 3, 4 sind aus einem für RF-Strahlung im Wesentlichen transparenten Material ausgebildet. Dieses Material ist beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen, insbesondere UHMWPE, Polyetherketon (PEEK).
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Mit diesem Formteilautomat 1 kann folgendes Verfahren ausgeführt werden, z.B. zur Herstellung eines Dämpfungselements für Sportbekleidung, insbesondere einer Schuhsohle (z.B. einer Mittel- oder Innensohle):
- Zu recycelnde Partikelschaumstoffteile werden in den Behälter 12 gegeben, von dem sie in die Schreddereinrichtung 13 gelangen. In der Schreddereinrichtung 13 werden sie zu Schaumstoffpartikeln geschreddert. Die Schaumstoffpartikel werden in eine vorbestimmte Größe geschreddert, welche einstellbar ist. Dieses Regenerat wird der Sortiereinrichtung 15 zugeführt. Mit der Sortiereinrichtung 15 werden Verunreinigungen oder Schaumstoffpartikel, welche vorbestimmten Kriterien nicht entsprechen, aussortiert. Diese Kriterien können unterschiedlichster Art, wie z. B. Größe, Form, Farbe, Dichte sein. Es können auch magnetische Partikel ausgefiltert werden.
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Das derart aufbereitete Regenerat wird über die Leitung 18 der Mischeinrichtung 19 zugeführt, indem das Regenerat mit dem Original in einem vorbestimmten Verhältnis gemischt werden kann. Das Mischungsverhältnis kann an sich beliebig eingestellt sein. Der Anteil des Originats kann auch 0% betragen.
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Von der Mischeinrichtung 19 werden die Schaumstoffpartikel dem Formwerkzeug 2 zugeführt. Hierbei wird das Trägergas mittels der Pumpen 22, 27 unter Druck gesetzt, so dass die Schaumstoffpartikel unter Druck dem Formraum zugeführt werden.
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Während des Zuführens der Schaumstoffpartikel sind die beiden Formhälften 3, 4 ein Stück auseinander gezogen. Nachdem der Formraum mit Schaumstoffpartikeln gefüllt ist, werden die beiden Formhälften 3,4 mittels der Presse 5 ein Stück zusammengedrückt, wodurch der Formraum verkleinert und der Druck auf die Schaumstoffpartikel im Formraum erhöht wird.
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An die so unter Druck gesetzten Schaumstoffpartikel wird mit dem Hochfrequenzgenerator 29 eine RF-Strahlung angelegt, so dass die Schaumstoffpartikel erhitzt werden und miteinander verschweißen.
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Die RF-Strahlung erhitzt die Schaumstoffpartikel im Formraum und werden von innen heraus erhitzt, da sie entweder unmittelbar die RF-Strahlung absorbieren oder ihnen ein Wärmeübertragungsmedium, wie z.B. Wasser hinzugegeben ist, das die RF-Strahlung absorbiert und auf die Schaumstoffpartikel überträgt.
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Es ist nicht notwendig, dass zum Verschweißen der Schaumstoffpartikel von außen dem Formwerkzeug 2 Dampf zugeführt wird. Das unter Druck setzen der Schaumpartikel im Formraum beeinträchtigt in keiner Weise die Wärmezufuhr mittels elektromagnetischer Strahlung.
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Die Kombination aus elektromagnetischer Strahlung und das Anlegen eines Druckes an die im Formraum befindlichen Schaumstoffpartikel erlaubt somit das Verschweißen von Schaumstoffpartikeln mit einem hohen Anteil an Regenerat. Unten werden Beispiele näher erläutert.
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Im Rahmen der Erfindung kann das oben erläuterte Ausführungsbeispiel auf unterschiedlichste Art und Weise abgewandelt werden. Zum Beispiel genügt es, zum Anlegen von Druck lediglich eine Pumpe oder eine Presse vorzusehen. Es ist nicht notwendig, dass die Schaumstoffpartikel mit einer Pumpe unter Druck gefüllt werden und danach das Formwerkzeug mittels der Presse zusammengedrückt wird. Jedoch erlaubt die Kombination aus Druckfüllens mittels einer Pumpe und Verdichten des Crack-Spaltes mittels einer Presse das Anlegen eines hohen Druckes im Formraum.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch nicht notwendig, dass die Formhälften für die elektromagnetischen Wellen transparent sind. Die Formhälften können auch aus Metall ausgebildet sein und selbst als Kondensatorplatten fungieren. Sind beide Formhälften elektrisch leitend ausgebildet, dann sind sie jedoch voneinander zu isolieren.
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Optional kann an einer oder mehreren Stellen der Leitungen 18, 21 und 24 eine Düse 31 zum Zuführen von Wasser oder einem anderen Fluid vorgesehen sein. Das Wasser kann als Flüssigkeit oder Dampf zugeführt werden.
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Die Zugabe des Fluids kann einerseits vorgesehen sein, um den Transport der Schaumstoffpartikel in den Leitung zu erleichtern. Solche Schaumstoffpartikel neigen dazu, miteinander zu verklumpen. Sind sie mit einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, an der Oberfläche benetzt, dann nimmt diese Neigung ab und die Förderung erfolgt zuverlässiger. Weiterhin kann ein solches Fluid als Wärmeübertragungsmedium beim Verschweißen der Schaumstoffpartikel dienen. Bestimmte Kunststoffmaterialien, wie z. B. Polystyrol (ePS) und Polypropylen (ePP) absorbieren nur in einem sehr geringen Maße elektromagnetische Strahlung. Das Wärmeübertragungsmedium kann die elektromagnetische Strahlung im Formraum absorbieren und an die Schaumstoffpartikel übertragen. Werden Materialien verwendet, welche von Haus aus elektromagnetische Strahlung gut absorbieren, dann ist die Zugabe eines Wärmeübertragungsmediums nicht notwendig.
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Beispiele
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Es wurden Platten mit den Dimensionen 1000 × 500 × 60 mm (= 30 Lite) hergestellt. Sowohl das Originat als auch das Regenerat waren Schaumstoffpartikel aus ePS. Beim Füllen wurde das Werkzeug um einen Crackspalt von 9 mm geöffnet. Das aufgeweitete Volumen des Formraums betrug 34,5 Liter.
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Durch das Zusammenfahren der Formhälften wurden die Schaumstoffpartikel unter Druck gesetzt.
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Es wurden Platten mit einem Anteil von Regenerat von 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% und 100% hergestellt.
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Als Wärmeübertragungsmedium wurde Wasser hinzugegeben. Die Menge an Wasser betrug zwischen 150 ml und 250 ml. Je größer der Anteil an Regenerat war, desto höher war auch die zugegebene Menge Wasser.
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Alle Platten konnten verschweißt werden. Bei Platten mit einem Anteil an Regenerat von 70% und mehr, war die Oberfläche etwas rauer und sie enthielten wesentlich mehr Restfeuchte, welche in den offenporigen Schaumstoffpartikel des Regenerates verblieb.
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Platten mit bis zu 60% Regenerat erfüllten alle Qualitätsanforderungen und sie sind kaum von Platten ohne Regenerat zu unterscheiden.
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Weitere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Liste beschrieben, welche dem weiteren Verständnis der von der Erfindung bereitgestellten Möglichkeiten dient:
- 1. Verfahren zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils, umfassend die Schritte:
- - Zuführen von Schaumstoffpartikel in einen Formraum eines Formwerkzeuges,
- - Verschweißen der Schaumstoffpartikel im Formraum unter Anlegen eines vorbestimmten Druckes,
wobei die Schaumstoffpartikel einen Anteil von zumindest 10 Gew.% an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel umfassen und das Verschweißen der Schaumstoffpartikel mittels elektromagnetischer Wellen erfolgt. - 2. Verfahren nach Beispiel 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Anteil an recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikel zumindest 20 Gew.% und insbesondere zumindest 30 Gew.% bzw. zumindest 50 Gew.% bzw. zumindest 70 Gew.% beträgt.
- 3. Verfahren nach Beispiel 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der vorbestimmte Druck im Formraum zumindest 2 bar, insbesondere zumindest 3 bar und vorzugsweise zumindest 5 bar beträgt.
- 4. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaumstoffpartikel auf Basis von Polystyrol (ePS), auf Basis von Polyprpy-len (ePP), auf Basis von Polyurethan (eTPU), auf Basis von Polyether-Block-Amid (ePEBA), auf Basis von Polylactat (PLA), auf Basis von Polyamid (ePA), auf Basis von Polybutylenterephthalat (ePBT), auf Basis von Polyester-Ether-Elastomer (eTPEE) oder auf Basis von Polyethylenterephtalat (ePET) ausgebildet sind.
(aus expandierbaren Thermoplasten)
- 5. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass den Schaumstoffpartikeln beim Verschweißen mittels elektromagnetischer Wellen ein Wärmeübertragungsmedium zugesetzt ist.
- 6. Verfahren nach Beispiel 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmeübertragungsmedium eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, ist.
- 7. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass den Schaumstoffpartikeln ohne Zugabe eines Wärmeübertragungsmediums mit-tels elektromagnetischer Wellen verschweißt werden.
- 8. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels einer Mischvorrichtung recycelte, geschredderte Schaumstoffpartikel und nicht-recycelte und nicht-geschredderte Schaumstoffpartikel in einem vorbestimmten Verhältnis gemischt und dem Formwerkzeug zugeführt werden.
- 9. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass recyceltes Partikelschaumstoff-Material geschreddert und dann dem Formraum zugeführt wird.
- 10. Vorrichtung zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils, umfassend
- - ein Formwerkzeug, das einen Formraum begrenzt,
- - eine Einrichtung zum Anlegen eines vorbestimmten Druckes an im Formraum befindliche Schaumstoffpartikel, und
- - einen Generator zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen zum Verschwei-ßen der Schaumstoffpartikel im Formraum,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Mischeinrichtung zum Mischen von recycelten, geschredderten Schaumstoffpartikeln und nicht-recycelten und nicht-geschredderten Schaumstoffpartikeln und/oder eine Schreddereinrichtung zum Schreddern von zu recycelndem Schaumstoffmaterial vorgesehen ist. - 11. Vorrichtung zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils nach Beispiel 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sortiereinrichtung zum Sortieren von geschredderten Schaumstoffpartikel.
- 12. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Vorrichtung nach Beispiel 10 oder 11 verwendet wird.
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Es wird an dieser Stelle noch einmal hervorgehoben, dass ein besonders wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung in der Herstellung eines Dämpfungselements für Sportbekleidung liegt, insbesondere in der Herstellung einer Schuhsohle, und dass alle Merkmale und Ausgestaltungsoptionen, welche in obiger Liste beispielhafter Ausführungsformen angeführt sind, daher im Rahmen der Herstellung eines solchen Dämpfungselements für Sportbekleidung Anwendung finden können, und zwar individuell gesehen und/oder in verschiedenen Kombinationen und Unterkombinationen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formteilautomat
- 2
- Formwerkzeug
- 3
- Obere Formhälfte
- 4
- Untere Formhälfte
- 5
- Presse
- 6
- Pressentisch
- 7
- Auflageplatte
- 8
- Pressstempel
- 9
- Pressplatte
- 10
- Zylinder-/Kolbeneinheit
- 11
- Doppelpfeil
- 12
- Behälter
- 13
- Schreddereinrichtung
- 14
- Leitung
- 15
- Sortiereinrichtung
- 16
- Ausschleuseleitung
- 17
- Auffangbehälter
- 18
- Leitung
- 19
- Mischeinrichtung
- 20
- Vorratsbehälter
- 21
- Leitung
- 22
- Pumpe
- 23
- Zweigleitung
- 24
- Leitung
- 25
- Füllinjektor
- 26
- Druckbehälter
- 27
- Pumpe
- 28
- Koaxialleitung
- 29
- Hochfrequenzgenerator
- 30
- Elektrische Erde
- 31
- Düse
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Obige Bezugszeichenliste ist integraler Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
