DE102020126017A1

DE102020126017A1 - Formeinsatz zur Verwendung in einer Form zur Herstellung eines Partikelschaumteils

Info

Publication number: DE102020126017A1
Application number: DE102020126017.2A
Authority: DE
Inventors: Victor Romanov
Original assignee: Kurtz GmbH
Current assignee: Kurtz GmbH
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2021-04-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Formeinsatz zur Verwendung in einer Form zur Herstellung eines Partikelschaumteils.Es wird ein Formeinsatz zur Verwendung in einer Form zur Herstellung eines Partikelschaumteils bereitgestellt, wobei das Partikelschaumteil aus Partikeln eines expandierten Materials hergestellt wird und wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird. Der Formeinsatz wurde mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt, und der Formeinsatz ist angepasst, um die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes innerhalb eines Formhohlraums der Form basierend zumindest teilweise auf der Geometrie des Partikelschaumteils lokal einzustellen.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Formeinsatz zur Verwendung in einer Form zur Herstellung eines Partikelschaumteils, wobei das Partikelschaumteil aus Partikeln eines expandierten Materials hergestellt ist, und wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Form, die einen solchen Formeinsatz verwendet. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Partikeln eines expandierten Materials, wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird und wobei das Verfahren eine solche Form verwendet.
II. Stand der Technik
In den letzten Jahren hat der Einsatz von Partikelschaumstoffen, d.h. Materialien aus einzelnen Partikeln eines expandierten Kunststoffmaterials, Einzug in die Herstellung von Partikelschaumteilen gehalten. Insbesondere die Verwendung von Partikeln aus expandiertem thermoplastischem Polyurethan (eTPU), die an ihren Oberflächen verschmolzen werden (in der Technik oft als „Dampfkasten-Formung“ bezeichnet), indem sie innerhalb einer Form mit Druckdampf beaufschlagt werden, wurde für die Herstellung verschiedener Arten von Partikelschaumteilen in Betracht gezogen. Partikelschaumteile werden immer häufiger als funktionale technische Elemente eingesetzt. Sie sind gute Stoßdämpfer, gute Wärmeisolatoren und absorbieren Schall sehr gut.
Um jedoch formstabile Bauteile von hoher Qualität zu erhalten, muss die Wärmeenergie auch in das Innere des Bauteils gelangen, um einen ausreichenden Grad der Verschmelzung zwischen den Partikeln zu erreichen. Bei einer Wärmeenergiezufuhr durch Dampf (oder, noch schlimmer, bei Verwendung eines flüssigen Bindemittelmaterials, das ebenfalls in Betracht gezogen wurde) ist dies nur bis zu einer bestimmten Dicke und Packungsdichte der Partikel in der Form möglich, und ab einer bestimmten „Schwellendicke“ oder -dichte führt die Dampfkasten-Formung im Allgemeinen zu Unvollkommenheiten, insbesondere im Inneren des Bauteils.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Dampf als Energieträger ist, dass ein großer Teil der im Dampf gespeicherten Energie verloren gehen kann, indem die Form erwärmt wird, anstatt den Partikeloberflächen zugeführt zu werden. Dies kann einerseits eine lange Vorwärmphase erforderlich machen, bis die Form (oft aus metallischen Werkstoffen) auf eine Sättigungstemperatur erwärmt ist, und andererseits die Stabilisierung und Abkühlung des verschmolzenen Bauteils verzögern, da die Form möglicherweise eine große Menge an Wärmeenergie gespeichert hat, die das Abkühlen verzögert. Daher kann das Verfahren langwierig und sehr energieineffizient sein.
Um diese Nachteile zu beheben, wurden daher andere Energieträger als Druckdampf in Betracht gezogen. Insbesondere wurde in DE 10 2015 202 013 A1 und EP 3 053 732 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils beschrieben, das das Beschicken 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.
Allerdings lassen die Verfahren, die in diesen beiden Anmeldungen offenbart sind, noch Raum für Verbesserungen, weil sie die komplexe Geometrie der Teile noch nicht vollständig berücksichtigen. Eine komplexe Geometrie dieser Teile wiederum stellt sehr hohe Anforderungen an die Herstellungseinrichtungen und Herstellungsverfahren. Bei komplexen Partikelschaumteilen ist darauf zu achten, dass auch bei Geometrien mit deutlichen Unterschieden in der Dicke, Krümmung, Konturierung usw. eine gleichmäßige und stabile Verbindung zwischen den Partikeloberflächen in allen Bereichen der Partikelschaumteile und im gesamten Inneren des Partikelschaumteils gewährleistet sein muss. Mit den bekannten Verfahren 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 Partikelschaumteilen aus Partikeln von expandierten Materialien und unter Verwendung eines elektromagnetischen Feldes als Energieträger bereitzustellen, die die Herstellung hochwertiger Produkte mit komplexer Geometrie ermöglichen.
III. Zusammenfassung der Erfindung
Das oben beschriebene Problem wird aufgegriffen und zumindest teilweise durch die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung gelöst.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Formeinsatz. In einer Ausführungsform ist ein Formeinsatz zur Verwendung in einer Form zur Herstellung eines Partikelschaumteils bereitgestellt, wobei das Partikelschaumteil aus Partikeln eines expandierten Materials hergestellt wird und wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird. Der Formeinsatz wurde mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt, und der Formeinsatz ist angepasst, um die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes innerhalb eines Formhohlraums der Form basierend zumindest teilweise auf der Geometrie des Partikelschaumteils lokal einzustellen.
Ein Vorteil der Verwendung eines elektromagnetischen Feldes (im Folgenden manchmal einfach „das Feld“ genannt, um es kurz zu fassen), insbesondere einer elektromagnetischen Strahlung, als Energieträger bei der Verschmelzung von Partikeln aus expandiertem Material im Vergleich zur Verwendung von Dampf besteht darin, dass die Bereitstellung von Energie durch das elektromagnetische Feld nicht mit dem Transport von Masse gekoppelt ist. Ein elektromagnetisches Feld kann daher (unter bestimmten Bedingungen, z.B. dass die Form nicht ganz oder überwiegend aus Metall besteht) das Innere des im Formprozess befindlichen Bauteils leichter durchdringen und so zu einer gleichmäßigen und einheitlichen Verschmelzung der Partikel im gesamten Bauteil führen. Im Allgemeinen führt das elektromagnetische Feld zu einer dielektrischen Erwärmung der Partikel und der Partikeloberflächen, die dann zu dem geformten Bauteil verschmelzen.
Bei Bauteilen mit einer „normalen“ Geometrie, wie z.B. einfachen Materialplatten mit durchweg konstanter Dicke und bei Verwendung von nur einer Art von Partikeln aus expandiertem Material für das Bauteil, erwärmen sich die Oberflächen aller Partikel ziemlich gleichmäßig, was zu einer gleichmäßigen und einheitlichen Verschmelzung in der gesamten Platte führt.
Bei Partikelschaumteilen mit komplexer Geometrie wird die Situation jedoch komplizierter. Aufgrund der komplexen Geometrie des Partikelschaumteils weist auch der Formhohlraum, in dem es hergestellt wird, Bereiche mit unterschiedlicher Dicke, Krümmung, Konturierung usw. auf. Dies verzerrt im Allgemeinen das elektromagnetische Feld, das die Form und den Formhohlraum durchdringt, und führt zu einigen Bereichen mit erhöhter Feldstärke, während andere Bereiche eine „Ausdünnung“ des elektromagnetischen Feldes erleiden können. Da die Energiedichte im elektromagnetischen Feld gleich $ωα \overset{⇀}{E} \cdot \overset{⇀}{D}$
ist (ohne den magnetischen Beitrag), bedeutet dies, dass den Partikeln in den Bereichen mit erhöhter Feldstärke mehr Energie zugeführt wird als in den Bereichen mit reduzierter Feldstärke. Dies kann zu einer ungleichmäßigen und inhomogenen Verschmelzung der Partikeloberflächen und schließlich zu einem fehlerhaften und inakzeptablen Endprodukt führen.
Um diesem Problem zu begegnen, ist der erfindungsgemäße Formeinsatz so geformt, dass er diesen Effekt zumindest teilweise kompensiert. Grundsätzlich sind in dieser Hinsicht zwei Optionen möglich:

Erstens kann der Formeinsatz so in die Form eingesetzt werden, dass er die Feldstärke im Inneren des Formhohlraums lokal anpasst, ohne dabei die Geometrie des Formhohlraums zu beeinflussen. Der Einsatz kann beispielsweise zwischen anderen Teilen der Form „sandwichartig eingeklemmt“ sein.

Zweitens kann der Formeinsatz nicht nur die Feldstärke innerhalb des Formhohlraums lokal anpassen, sondern auch selbst mindestens einen Teil des Formhohlraums definieren. So kann der Formeinsatz beispielsweise direkt angrenzend an den Formhohlraum angeordnet sein und einen Teil der Wand des Formhohlraums bilden (oder zumindest die Geometrie eines Teils des Formhohlraums definieren, aber darüber hinaus beispielsweise beschichtet oder durch zusätzliche Materialschichten abgedeckt sein).
Der Formeinsatz kann somit vorgesehen sein, um die Form des Formhohlraumes individuell anzupassen. Es können Sätze von Formeinsätzen vorgesehen sein, die zum Anordnen an den etwa gleichen Ort im Formhohlraum ausgebildet sind und unterschiedliche Geometrien aber im Wesentlichen die gleiche Permittivität aufweisen. Hierdurch können die Formeinsätze ausgetauscht werden ohne dass dies das elektrische Feld im verbleibenden Formhohlraum verändert.
In jedem Fall besteht ein Zusammenspiel zwischen dem Formeinsatz und der Geometrie des zu fertigenden Partikelschaumteils. Das Zusammenspiel ist so gestaltet, dass der Formeinsatz die Geometrie des Partikelschaumteils (und damit die Geometrie des Formhohlraums) berücksichtigt, und der Formeinsatz passt das elektromagnetische Feld speziell für diese Geometrie bedarfsgerecht an, um die gewünschte Verschmelzung der expandierten Partikel zu erreichen. Das ist gemeint mit der Anpassung des elektromagnetischen Feldes „zumindest teilweise basierend auf der Geometrie des Partikelschaumteils“. Natürlich müssen auch andere Faktoren wie die Geometrie und das Material der restlichen Form und/oder die Art des verwendeten elektromagnetischen Feldes generell berücksichtigt werden. Daher basiert die Anpassung nur „teilweise“ auf der Geometrie des Partikelschaumteils. Dennoch ist der Formeinsatz auf die spezifische Geometrie eines bestimmten Partikelschaumteils zugeschnitten, und für unterschiedliche Bauteilgeometrien werden in der Regel verschiedene erfindungsgemäße Formeinsätze verwendet.
Ein weiterer Faktor, der in diesem Zusammenhang berücksichtigt werden muss, ist die Art der verwendeten Partikel. Während der Formeinsatz zunächst so ausgelegt sein kann, dass er das elektromagnetische Feld im leeren Formhohlraum in der gewünschten Weise einstellt (z.B. als Annäherung erster Ordnung bei der Konstruktion des Formeinsatzes), ist das ultimative Ziel, das Feld im gefüllten Zustand der Form wie gewünscht einzustellen, da in diesem Zustand das elektromagnetische Feld seine Energie an die Partikeloberflächen für deren Verschmelzung weiterleitet. Da die Partikel selbst bestimmte dielektrische Eigenschaften aufweisen - die sich in der Regel zum Beispiel bei verschiedenen Basismischungen, aus denen die Partikel hergestellt sein können, ändern - sollten diese Eigenschaften bei der Konstruktion des Formeinsatzes vorteilhafterweise berücksichtigt werden, so dass das elektromagnetische Feld während des eigentlichen Verschmelzungsprozesses die gewünschte Verteilung im gesamten gefüllten Formhohlraum aufweist.
Da der Einsatz unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wird, kann der Einsatz eine Struktur mit einem oder mehreren Hohlräumen umfassen. Die additive Fertigung ermöglicht eine beliebige Verteilung der Hohlräume. Insbesondere können die Hohlräume im Einsatz homogen verteilt sein.
Die Erfinder stellten fest, dass ein Einsatz und/oder eine Form mit Hohlräumen, die in dem Material eingeschlossen sind, aus dem der Einsatz und/oder die Form hergestellt werden, überraschend zu einer mittleren Permittivität des Einsatzes und/oder der Form führt, die auch dann homogen ist, wenn die Hohlräume des Einsatzes und/oder der Form nicht sehr homogen verteilt sind. Somit ist es möglich, die gesamte mittlere Permittivität des Einsatzes und der Form einzustellen, indem man den Einsatz mit einem oder mehreren Hohlräumen ausführt, wobei die Hohlräume und das den Einsatz bildende Material in einem bestimmten Verhältnis bereitgestellt werden. Diese mittlere Permittivität der gesamten Form einschließlich des Einsatzes kann so eingestellt werden, dass sie der Permittivität der beabsichtigten Beschickung mit den zu verschmelzenden Partikel entspricht. Damit ist es möglich, ein homogenes elektrisches Feld überall in der Form, im Einsatz und in der Partikelbeschickung im Formhohlraum zu erreichen. Dies ist auch dann der Fall, wenn der Formhohlraum eine sehr komplexe Form aufweist.
Die Hohlräume können mikroskopisch oder makroskopisch sein. Als mikroskopische Hohlräume werden Hohlräume mit einer maximalen lichten Weite von 1 mm betrachtet. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass selbst bei makroskopischen Hohlräumen sich die Permittivität derart gleichmäßig mittelt, dass die durch die Hohlräume im Formeinsatz ausgebildeten Strukturen sich kaum im elektrischen Feld im Forminnenraum zeigen. Daher kann das Material, aus dem der Formeinsatz ausgebildet ist, eine deutlich andere spezifische Permittivität als das Material der zu verschweißenden Schaumstoffpartikel aufweisen und dennoch kann durch eine entsprechende Wahl des Verhältnisses des Volumens des bzw. der Hohlräume zum Volumen das vom Material des Formeinsatzes ausgefüllten Volumens die Permittivität genau angepasst werden. Makroskopische Hohlräume können Volumen umfassen, welchen Kugeln mit einem Durchmesser von zumindest 3 mm, insbesondere zumindest 5 mm und zumindest 1 cm entsprechen.
Mit additiven Fertigungsverfahren können Hohlräume enthaltende Körper und damit auch Hohlräume enthaltende Formeinsätze einfach und zuverlässig hergestellt werden.
Die Partikel aus expandiertem Material für das Partikelschaumteil können mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: expandiertes thermoplastisches Polyurethan (eTPU), expandiertes Polyamid (ePA), expandiertes Polyether-Blockamid (ePEBA); expandiertes Polylactid (ePLA); expandiertes Polyethylenterephthalat (ePET); expandiertes Polybutylenterephthalat (ePBT); expandiertes thermoplastisches Polyesteretherelastomer (eTPEE).
Um die gewünschte Anpassung zu ermöglichen, ist die Herstellung des Formeinsatzes mit einem additiven Herstellungsverfahren besonders geeignet. Additive Herstellungsverfahren ermöglichen eine fein abgestimmte Steuerung nicht nur der allgemeinen Geometrie des Formeinsatzes, sondern auch seines Inneren, was eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung der gewünschten „Verzerrung“ des elektromagnetischen Feldes spielen kann. Darüber hinaus ermöglichen moderne additive Herstellungsverfahren die Herstellung von Teilen in einem sehr kurzen Zeitrahmen und vor Ort, so dass der Produktentwicklungsprozess nicht (zumindest nicht sehr lange) gestoppt wird, indem auf die Herstellung oder Überarbeitung/Anpassung der Fertigungswerkzeuge gewartet werden muss, die den Prozess normalerweise oft um Tage oder sogar Wochen verzögern.
Die Konstruktion des Formeinsatzes für die additive Herstellung kann eine oder mehrere Optionen und Verfahren beinhalten, wobei natürlich auch Kombinationen möglich sind. Der einfachste Fall wäre ein einfacher Trial-and-Error-Ansatz, der aufgrund der kurzen Zeitspanne von der Bereitstellung des Designs des Formeinsatzes bis zur Herstellung des fertigen Formeinsatzes aufgrund der Tatsache, dass die additive Herstellung eingesetzt wird, machbar sein kann. Ein zweiter Ansatz ist die Verwendung von Computersimulationen der Verteilung des elektromagnetischen Feldes (z.B. der lokalen Feldstärke) durch die Form und insbesondere durch den Formeinsatz und den Formhohlraum. Am einen Ende des Spektrums können solche Simulationen vollwertige Simulationen sein, die vollständig auf der Grundlage der Maxwell-Gleichungen durchgeführt werden, und am anderen Ende des Spektrums können die Simulationen auf bekannten Geometrien und entsprechenden Feldverteilungen basieren, die beispielsweise in einer Datenbank gespeichert sind und denen dann bei Bedarf Störungen hinzugefügt werden können, d.h. um einen störenden Ansatz für die Simulation zu verwenden.
Auf jeden Fall kann die Konstruktion, sobald sie beispielsweise auf einem Computer erstellt wurde, schnell gefertigt und durch Probeläufe auf einer realen Maschine verifiziert und anschließend bei Bedarf weiter optimiert oder geändert werden. Durch den Einsatz von additiven Herstellungsverfahren kann es möglich sein, dass der gesamte Prozess vom ersten Entwurf bis zum akzeptablen Werkzeug in einem kurzen Zeitrahmen von wenigen Wochen oder gar Tagen durchgeführt werden kann.
Insbesondere kann der Formeinsatz angepasst werden, um die Homogenität der Feldstärke im gesamten Formhohlraum bei der Herstellung des Partikelschaumteils zu erhöhen.
Da die Energiedichte im elektromagnetischen Feld gleich $ωα \overset{⇀}{E} \cdot \overset{⇀}{D}$
ist (wiederum ohne den magnetischen Beitrag), ermöglicht eine homogene Feldstärke eine gleichmäßige Verschmelzung der Partikel im gesamten Partikelschaumteil, so dass eine Homogenisierung des Feldes besonders geeignet ist, um Partikelschaumteile mit einer überall stattfindenden einheitlichen und gleichmäßigen Verschmelzung der Partikeloberflächen zu erhalten.
Andererseits ist durch die Umkehrung des Arguments auch klar, dass der Formeinsatz verwendet werden kann, um bestimmte Bereiche in der Feldverteilung (z.B. den lokalen Wert der Feldstärke) zu erzeugen, in denen ein erhöhtes oder vermindertes Ausmaß der Verschmelzung stattfindet (vorausgesetzt, es werden überall die gleichen Partikel verwendet; andernfalls wirkt sich die unterschiedliche Zusammensetzung der Partikel auch auf das Ausmaß der Verschmelzung aus). Dies kann wünschenswert sein, um verschiedene Bereiche der Partikelschaumteile mit unterschiedlichen Leistungseigenschaften wie z.B. Steifigkeit zu versehen.
Die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums kann zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes verursacht werden.
Natürlich ändert eine Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes zunächst einmal im Allgemeinen das Feld innerhalb des Formeinsatzes selbst. Im Gegensatz zum idealisierten Fall eines unendlich dimensionierten Plattenkondensators, in den eine Platte aus dielektrischem Material eingesetzt ist und in dem das Feld außerhalb des dielektrischen Materials durch die Bildung von „genau der richtigen Menge“ von Polarisationsladungen an der Oberfläche der Platte aus dielektrischem Material unverändert bleibt, ergibt sich bei einem Formeinsatz mit endlicher Abmessung und allgemein komplexer Geometrie auch eine Auswirkung auf das elektromagnetische Feld außerhalb des Formeinsatzes selbst und insbesondere innerhalb des Formhohlraums. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Formeinsatz direkt angrenzend an die Wand des Formhohlraums angeordnet ist oder sogar einen Teil von ihr bildet. Der Formeinsatz kann in diesem Sinne als eine „dielektrische Linse“ für das elektromagnetische Feld betrachtet werden, die seine Verteilung im gesamten Formhohlraum ändert.
Die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums kann insbesondere zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung der Permittivität des Formeinsatzes verursacht werden.
Die Permittivität des Formeinsatzes hat einen direkten Einfluss auf die Feldstärke im Inneren des Formeinsatzes (bei einem konstanten „äußeren“ Feld, mit dem die Form beaufschlagt wird), was dem Fachmann klar sein wird, und beeinflusst aufgrund der oben genannten Effekte auch die Feldverteilung (z.B. den lokalen Wert der Feldstärke) innerhalb des Formhohlraums. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Permittivität als „Drehknopf“ zur Beeinflussung der Feldverteilung besteht darin, dass Materialien mit den unterschiedlichsten Permittivitätswerten bekannt und verfügbar sind, so dass durch die Auswahl und/oder Kombination verschiedener Materialien im additiven Herstellungsprozess ein hohes Maß an Abstimmung und Anpassung auf diese Weise möglich ist.
Die lokale Veränderung der Permittivität des Formeinsatzes kann zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung der Dichte des Materials des Formeinsatzes verursacht werden.
Neben der Verwendung verschiedener Materialien mit unterschiedlichen intrinsischen Permittivitätswerten besteht ein weiterer Vorteil der Verwendung der Permittivität zur Feldeinstellung darin, dass das gleiche Material, jedoch mit unterschiedlichen Dichten, in verschiedenen Bereichen des Formeinsatzes verwendet werden kann, um den gewünschten Einfluss zu erzielen. Die Dichte kann eine „streng lokalisierte“ Dichte sein, die in einem so kleinen Bereich des Formeinsatzes gemessen wird, wie dies technisch möglich ist, z.B. die Dichte eines Probenwürfels mit Kanten von 1 mm Länge, oder eine „gemittelte“ Dichte, die auf einer großen Entfernungsskala gemessen wird, z.B. ein Durchschnittswert der Dichte, der aus einem Probenwürfel mit Kanten von 5 mm Länge oder 10 mm Länge bestimmt wird. Da zur Herstellung des Formeinsatzes die additive Fertigung eingesetzt wird, sind solche Dichteunterschiede zudem relativ leicht zu erreichen, so dass die Kombination dieser beiden Aspekte besonders vorteilhaft ist.
Eine Möglichkeit, eine solche lokale Veränderung der Dichte des Materials des Formeinsatzes zu erhalten, besteht beispielsweise durch den Einschluss von Lufthohlräumen innerhalb des Materials. Die Fähigkeit, komplexe Verteilungen von Lufthohlräumen zu erzeugen, ist ein besonderer Vorteil der Verwendung der additiven Fertigung für den Formeinsatz. Der Einschluss solcher Lufthohlräume ist daher eine wichtige Option, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, um die Materialdichte und damit die Permittivität und folglich die Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums lokal abzustimmen.
Im Allgemeinen 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 nachfolgend näher erläuterten Materialien, die für die additive Herstellung eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes verwendet werden können, sind diese Werte einerseits technisch ohne allzu viele Schwierigkeiten erreichbar und führen andererseits zu Formeinsätzen, die einen vorteilhaften Kompromiss eingehen, z.B. zwischen dem Aufheizen der Form selbst und dem Grad der Beeinflussung des Feldes im Inneren des Formhohlraums. Bei zu geringer Dichte erwärmt sich der Formeinsatz in der Regel nicht ausreichend, was der Verschmelzung schadet, und bei zu hoher Dichte erwärmt sich der Formeinsatz zu stark und verlängert so z.B. den Verschmelzungs- und nachfolgenden Kühl-/Vernetzungsprozess in unnötiger Weise.
Geeignete Werte für die lokale Permittivität können beispielsweise zwischen 1 und 20 liegen.
Alternativ oder zusätzlich kann die lokale Anpassung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors des Formeinsatzes verursacht werden.
Im Gegensatz zu einer Veränderung der Permittivität darf eine lokale Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors des Formeinsatzes keinen (oder nur einen geringeren) direkten Einfluss auf die Feldverteilung haben, insbesondere außerhalb des Formeinsatzes und innerhalb des Formhohlraums. Eine lokale Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors des Formeinsatzes kann jedoch zu einer unterschiedlichen Energieaufnahme und damit zu einer unterschiedlichen Erwärmung der verschiedenen Bereiche des Formeinsatzes führen. Da die Permittivität in der Regel temperaturabhängig ist, können diese unterschiedlichen Erwärmungsgrade der verschiedenen Bereiche der Formeinsätze eine lokale Veränderung der Permittivität verursachen, die dann zu einer lokalen Anpassung des Feldes auch außerhalb des Formeinsatzes und insbesondere innerhalb des Formhohlraums führen kann.
Andererseits kann die lokale Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors des Formeinsatzes auch einen direkteren Einfluss auf die Verschmelzung der Partikeloberflächen haben, und zwar aufgrund der unterschiedlichen Erwärmungsgrade und damit der unterschiedlichen Energieabgabe in den Formhohlraum, z.B. in Form von Wärmestrahlung. Dieser Einfluss ist in der Regel umso ausgeprägter, je näher der Formeinsatz am Formhohlraum angeordnet ist, und er hat im Allgemeinen auch einen größeren Effekt auf die Verschmelzung der an der Oberfläche des Partikelschaumteils und dem Formeinsatz zugewandten Partikel als bei Partikeln, die im Inneren oder auf einer anderen Seite des Partikelschaumteils angeordnet sind. Dieser Prozess kann daher gezielt eingesetzt werden, um beispielsweise einer Oberflächenschicht eines Bereichs des Partikelschaumteils spezifische Eigenschaften zu verleihen. So können die Partikel in einer Oberflächenschicht des Partikelschaumteils beispielsweise in einem Bereich angrenzend an einen Teil des Formeinsatzes stärker geschmolzen werden, wo ein hoher dielektrischer Verlustfaktor besteht und somit ein hoher Wärmeanteil in Richtung zum Formhohlraum abgegeben wird. Solche stärker geschmolzenen Partikel können nach dem Abkühlen dem jeweiligen Bereich des Partikelschaumteils beispielsweise eine erhöhte Steifigkeit verleihen.
Auch wenn ein zu starker Energieverlust durch unerwünschte Erwärmung der Form im Allgemeinen vermieden werden sollte, kann eine gewisse Erwärmung der Form und insbesondere des Formeinsatzes wünschenswert sein. Diese Vorwärmung kann verwendet werden, um die Partikel des expandierten Materials vor ihrer eigentlichen Verschmelzung vorzuwärmen, was das Verarbeitungsfenster erweitern und den Verschmelzungsprozess allgemein erleichtern kann.
So kann der lokale dielektrische Verlustfaktor des Formeinsatzes beispielsweise zwischen 0,01 und 0,10, insbesondere zwischen 0,01 und 0,07 liegen.
Dieser Bereich hat sich als geeignet erwiesen, da er einen guten Kompromiss zwischen dem Grad der Energieaufnahme des Formeinsatzes und einer ausreichenden Erwärmung des Formeinsatzes zur Erleichterung der Verschmelzung darstellt, d.h. dass vom Formeinsatz einerseits nicht zu viel Energie aufgenommen wird, aber andererseits auch eine ausreichende Erwärmung des Formeinsatzes vorliegt, um das Verschmelzen der Partikeloberflächen wie vorstehend beschrieben zu erleichtern.
Wie bereits erwähnt, kann der Formeinsatz angrenzend an den Formhohlraum angeordnet sein und somit die Geometrie des Formhohlraums beeinflussen. Insbesondere kann in diesem Fall die lokale Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors dann auch das Ausmaß der Oberflächenerwärmung der Oberfläche des Formeinsatzes beeinflussen, die bei der Herstellung des Partikelschaumteils an den Formhohlraum angrenzt.
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 des Partikelschaumteils (teilweise) zu definieren, und er kann sogar die Temperatur im Inneren des Formhohlraums beeinflussen, was ein wichtiger Parameter im Verschmelzungsprozess ist.
Das additive Herstellungsverfahren für den Formeinsatz kann mindestens eines der folgenden Verfahren umfassen: 3d-Druck; ein Mikroschmelztropfen-basiertes Verfahren; ein pulverbettbasiertes Verfahren; Stereolithographie, SLA; selektives Lasersintern, SLS; selektives Laserschmelzen, SLM; kontinuierliche Flüssigkeitsschnittstellenproduktion, CLIP; Schmelzschichtung, FDM; digitale Lichtverarbeitung, DLP; Mehrstrahlmodellierung, MJM; ein Polyjetverfahren; ein Filmtransfer-Bildgebungsverfahren, FTI; Elektronenstrahlschmelzen, EBM; Elektronenstrahl-Additivherstellung, EBAM; subtraktives Rapid Prototyping, SRP.
Für den Formeinsatz kann mindestens eines der folgenden Materialien verwendet werden: ein mit Keramik gefülltes Harz; einen Cyanatester; eine Polymilchsäure/ein 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; einen UV-härtenden Duroplast.
Auch Kombinationen verschiedener Verfahren und/oder Materialien sind möglich.
Das elektromagnetische Feld kann die Energie zur Verschmelzung der 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, insbesondere in Form von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im Bereich von 25 - 30 MHz bereitstellen.
Die Verwendung dieser Art von Strahlung ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft. Erstens sind sowohl Hochfrequenz- als auch Mikrowellengeneratoren kommerziell verfügbar und können mit vergleichsweise geringem Aufwand in ein Fertigungswerkzeug installiert werden. Darüber hinaus kann es möglich sein, die Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung generell so auf den Formhohlraum zu richten, dass die Energieeffizienz des Verfahrens erhöht wird. Darüber hinaus können die Intensität und Frequenz der Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung leicht verändert und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Insbesondere die Verwendung von Strahlung mit einer Frequenz im Bereich von 25 - 30 MHz hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft erwiesen. In Kombination mit den oben beschriebenen Materialien und Mechanismen bezüglich des erfindungsgemäßen Formeinsatzes ermöglicht dieser Frequenzbereich eine gute Kontrolle der Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums.
Das Partikelschaumteil kann insbesondere ein technisches Bauteil für die Automobilindustrie sein, wie beispielsweise ein Dämpfungselement, ein Gehäuseteil oder ein schallabsorbierendes Element.
Solche technischen Bauteile können eine recht komplizierte Geometrie aufweisen. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes bei der Herstellung solcher Elemente bringt die Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders zur Geltung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Form. In einer Ausführungsform wird eine Form zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Partikeln eines expandierten Materials bereitgestellt, wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird. Die Form umfasst eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes.
Es versteht sich von selbst, dass alle in dieser Anmeldung beschriebenen Merkmale, Merkmalskombinationen, Optionen und Möglichkeiten in Bezug auf den Formeinsatz auch bei einem Vollformwerkzeug und auch bei dem hierin beschriebenen Herstellungsverfahren anwendbar sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Form mindestens zwei Formteile, und jedes der beiden Formteile umfasst eine Elektrode, die bei der Bereitstellung des elektromagnetischen Feldes verwendet wird. Der Formeinsatz wird in eines der beiden Formteile eingesetzt, und die beiden Formteile können relativ zueinander in eine erste Richtung bewegt werden, um die Form zu öffnen, um das Beschicken der Form mit den Partikeln zu ermöglichen, und die beiden Formteile können ferner relativ zueinander in eine zweite Richtung bewegt werden, um die Form zu schließen und so den Formhohlraum zwischen den Elektroden zu bilden.
Eine solche Konfiguration ermöglicht einen einfachen Austausch des Formeinsatzes und die allgemeine Bedienung der Form. Insbesondere für den Fall, dass der Formeinsatz zumindest teilweise auch die Geometrie des Formhohlraums definiert, kann dasselbe Gesamtwerkzeug mit verschiedenen Formeinsätzen zur Herstellung einer Vielzahl von verschiedenen Partikelschaumteilen verwendet werden.
Es ist auch möglich, dass ein Formeinsatz verwendet wird, der den Formhohlraum vollständig umschließt, z.B. ein Formeinsatz mit einem ersten Teil (z.B. ein Oberteil) und einem zweiten Teil (z.B. ein Unterteil), die in die beiden Formteile eingesetzt werden (z.B. bei Verwendung einer Form mit einem oberen Formteil und einem unteren Formteil).
Es sei jedoch auch erwähnt, dass das Werkzeug selbst auf die Herstellung einer bestimmten Art oder Klasse von Partikelschaumteilen zugeschnitten sein kann. Insbesondere kann die Geometrie einer oder beider Elektroden so beschaffen sein, dass das erzeugte elektromagnetische Feld bereits im Wesentlichen auf die Herstellung des Partikelschaumteils abgestimmt ist, und dass dann mit einem erfindungsgemäßen Formeinsatz das elektromagnetische Feld auf einer feineren Ebene weiter eingestellt wird, z.B. um unterschiedliche Größen oder Geometrien der Partikelschaumteile zu berücksichtigen.
Natürlich kann die Anpassungsfähigkeit an solche Faktoren auch allein (aber vielleicht in geringerem Maße) durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes zusammen mit zwei „Standardelektroden“ erreicht werden, die nicht speziell auf ein bestimmtes Produkt oder eine bestimmte Produktklasse ausgerichtet sind. In diesem Sinne kann der Einsatz von erfindungsgemäßen Formeinsätzen auch dazu beitragen, den Anwendungsbereich eines Standardformwerkzeugs zu erweitern.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren. In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Partikeln eines expandierten Materials bereitgestellt, wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird und wobei das Verfahren eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Form verwendet.
Wie bereits oben erläutert, ist es durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes möglich, Partikelschaumteile mit komplexer Geometrie herzustellen, die dennoch überall die gewünschte Verschmelzung und Verbindung zwischen den Partikeln aufweisen, da der Formeinsatz es ermöglicht, die Verteilung des elektromagnetischen Feldes (z.B. die lokale Feldstärke) innerhalb des Formhohlraums und während des Formprozesses so einzustellen und anzupassen, dass der gewünschte Verschmelzungsgrad lokal auf kontrollierte Art und Weise erreicht wird. Dies kann einen erheblichen Vorteil gegenüber bekannten Verfahren bieten, die keinen solchen Formeinsatz verwenden, bei denen eine solche lokale Kontrolle schwierig oder sogar unmöglich sein kann.
Figurenliste
Mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die folgenden Figuren näher beschrieben:

1: Veranschaulichung der technischen Komplikationen bei der Herstellung von Partikelschaumteilen mit komplexen geometrischen Merkmalen aus Partikeln aus expandiertem Material unter Verwendung eines elektromagnetischen Feldes als Energieträger für die Verschmelzung der Partikeloberflächen;
2: Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Formeinsätzen;
3: Permittivität von Materialien, die für die Verwendung in erfindungsgemäßen Formeinsätzen geeignet sind; und
4: Dielektrischer Verlustfaktor der Materialien aus 3.

Detaillierte Beschreibung möglicher Ausführungsformen
Mögliche Ausführungsformen der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung vor allem in Bezug auf Werkzeuge und Verfahren zur Herstellung von Partikelschaumteilen beschrieben. Es wird jedoch betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann sie auch für verschiedene Arten von Partikelschaumteilen verwendet werden.
Es wird weiter darauf hingewiesen, dass im Folgenden nur einzelne Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden können. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass die in Bezug auf diese spezifischen Ausführungsformen beschriebenen optionalen Merkmale und möglichen Modifikationen auch weiter modifiziert und/oder miteinander in unterschiedlicher Weise oder in verschiedenen Teilkombinationen kombiniert werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Einzelne Merkmale können auch weggelassen werden, wenn sie verzichtbar sind, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Zur Vermeidung von Redundanzen wird daher auf die Erläuterungen in den vorangegangenen Abschnitten verwiesen, die auch für die nachfolgende detaillierte Beschreibung gelten.
1 veranschaulicht schematisch die technischen Komplikationen, die bei der Herstellung eines Partikelschaumteils mit komplexen geometrischen Eigenschaften auftreten können, wenn ein elektromagnetisches Feld als Energieträger verwendet wird, um Partikel aus expandiertem Material an ihren Oberflächen zu verschmelzen.
Oben links in 1, allgemein durch Referenz 100 gekennzeichnet, ist eine Skizze der Herstellung einer einfachen Platte 110 aus Material mit konstanter Dicke in einer Form 120 unter Verwendung eines elektromagnetischen Feldes (angegeben durch die Pfeile 130) als Energieträger zum Verschmelzen der Oberflächen einer Vielzahl von Partikeln 140 aus einem expandierten Material dargestellt. Aufgrund der konstanten Dicke der Platte 110 und ihrer einfachen Geometrie ist das elektromagnetische Feld im Wesentlichen im gesamten Werkzeug homogen, wie die konstante Dicke der Pfeile 130 zeigt, und die Verschmelzung der Oberflächen der Partikel 140, die durch ihre dielektrische Erwärmung durch das elektromagnetische Feld verursacht wird, wird daher im Allgemeinen ebenfalls gleichmäßig und konsistent sein.
Im Gegensatz dazu ist oben rechts in 1, allgemein durch die Referenz 150 gekennzeichnet, die Herstellung eines Bauteils 160 auch aus Partikeln 140 eines expandierten Materials, nun aber mit einer komplexeren Geometrie skizziert, hier für den Fall eines Bauteils 160 mit unterschiedlichen Dicken in verschiedenen Bereichen 161, 162 und 163. Aufgrund dieser komplexen Geometrie und der daraus resultierenden Form des Formhohlraums des für die Herstellung verwendeten Werkzeugs ist die Stärke des für die Verschmelzung der Partikel 140 verwendeten elektromagnetischen Feldes nicht mehr durchgehend konstant, sondern ändert sich zwischen den verschiedenen Bereichen 161, 162 und 163, wie die unterschiedlichen Dicken der Pfeile 131, 132 und 133 zeigen, die das Feld in diesen verschiedenen Bereichen darstellen. Während eine gleichmäßige und einheitliche Verschmelzung der Oberflächen der Partikel 140 in einem Bereich noch erreicht werden kann, z.B. im mittleren Bereich 162 (s. das Partikelschaumbauteil, das allgemein durch Referenz 172 angegeben ist), können folglich in den übrigen Bereichen 161 und 163 die Oberflächen der Partikel 140 entweder nur einen geringen Verschmelzungsgrad aufweisen oder sogar unzureichend verschmolzen sein (s. das Partikelschaumbauteil, das allgemein durch Referenz 171 angegeben ist), oder sie können einen zu hohen Verschmelzungsgrad aufweisen und übermäßig verschmolzen oder sogar verbrannt sein (s. das Partikelschaumbauteil, das allgemein durch Referenz 173 angegeben ist).
Um diesem Problem einer potenziell inhomogenen und ungleichmäßigen Verschmelzung der Partikeloberflächen von Partikelschaumteilen mit komplexer Geometrie entgegenzuwirken, stellt die vorliegende Erfindung einen additiv hergestellten Formeinsatz zur Verfügung, der dazu dient, solche Effekte durch Einstellen des den Formhohlraum durchdringenden elektromagnetischen Feldes zumindest teilweise zu kompensieren.
2 skizziert denkbare Ausführungsformen 210, 220 und 230 von erfindungsgemäßen Formeinsätzen. In allen drei Ausführungsformen ist der Formeinsatz als den Formhohlraum vollständig umschließend dargestellt (es ist jedoch zu beachten, dass jeweils nur ein zweidimensionaler Schnitt durch den dreidimensionalen Formeinsatz dargestellt ist, der nicht alle Details der dreidimensionalen Form des jeweiligen Formeinsatzes erfassen kann). Es wird darauf hingewiesen, dass die Formeinsätze 210, 220, 230 im Allgemeinen in mindestens zwei Teile zerlegbar sind, z.B. ein Oberteil und ein Unterteil, so dass der Formhohlraum mit den Partikeln beschickt und das verschmolzene Bauteil aus der Form entfernt werden kann. Solche Trennlinien zwischen den verschiedenen Teilen des Formeinsatzes sind in 2 jedoch aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass ein erfindungsgemäßer Formeinsatz z.B. auch als Einsatz für nur einen oberen Teil oder einen unteren Teil einer Form vorgesehen sein kann, in der er verwendet wird (weitere Details zu einer solchen Form folgen weiter unten), und somit eventuell nur auf einer Seite an den Formhohlraum angrenzt. Wie bereits erwähnt, kann ein erfindungsgemäßer Formeinsatz sogar an einer Stelle in eine Form eingebaut werden, an der er gar nicht direkt an den Formhohlraum angrenzt, aber dennoch die Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums beeinflusst. Auch wenn diese Möglichkeiten im Folgenden nicht näher erläutert werden, sind sie auch Teil der vorliegenden Erfindung.
Der Formeinsatz 210 weist nur eine Art von Material auf. Aber auch wenn der gesamte Formeinsatz 210 aus dem gleichen Material besteht, kann das Material das durchdringende elektromagnetische Feld dennoch auf die gewünschte Weise „verzerren“, da das Material des Formeinsatzes 210 in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Dicken aufweist. Darüber hinaus kann beispielsweise eine lokale Veränderung der Dichte genutzt werden, um diesen Effekt weiter zu verstärken.
Der Formeinsatz 220 baut auf dem allgemeinen Aufbau des Formeinsatzes 210 auf, aber jetzt werden in verschiedenen Bereichen des Formeinsatzes 220 unterschiedliche Materialien verwendet. Die verschiedenen Materialien sind in 2 als „Material A“, „Material B“ und „Material C“ bezeichnet. Neben der Verwendung solcher unterschiedlichen Materialien können auch die dielektrischen Eigenschaften (z.B. Permittivität, dielektrischer Verlustfaktor) lokal innerhalb eines der vorgegebenen Materialbereiche verändert werden. Das „Material A“, „Material B“ und „Material C“ können beispielsweise aus den in diesem Dokument behandelten Materialien ausgewählt sein, insbesondere aus den im Rahmen der 3 und 4 behandelten Materialien, möglicherweise mit der weiteren Randbedingung, dass der dielektrische Verlustfaktor größer als 0,01 sein muss (weitere Einzelheiten dazu nachstehend).
Schließlich baut der Formeinsatz 230 weiter auf dem allgemeinen Aufbau des Formeinsatzes 220 auf, wobei nun drei verschiedene Materialstrukturen (aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien, z.B. aus den drei verschiedenen Materialien „Material A“, „Material B“ und „Material C“ des Formeinsatzes 220) in den verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Die verschiedenen Materialstrukturen sind in 2 als „Struktur A“, „Struktur B“ und „Struktur C“ bezeichnet. Hier kommt die additive Herstellung der erfindungsgemäßen Formeinsätze vorteilhaft zur Geltung, da solche Verfahren die Schaffung komplizierter und „offener“ (d.h. mit Hohlräumen, Kanälen usw. versehener) Innenstrukturen ermöglichen, die sonst nicht erreichbar wären. Solche Innenstrukturen können insbesondere dazu beitragen, die lokale Dichte und/oder die lokalen dielektrischen Eigenschaften der verschiedenen Bereiche oder Abschnitte des Formeinsatzes 230 und damit den Einfluss des Formeinsatzes auf das durchdringende elektromagnetische Feld zu verändern. Als ein mögliches Beispiel können die drei verschiedenen Strukturen Lufthohlräume unterschiedlicher (mittlerer) Größe umfassen, was zu einer unterschiedlichen (mittleren) Dichte des Formeinsatzes 230 in den jeweiligen Bereichen und damit zu unterschiedlichen Permittivitätswerten führt.
Anstelle von drei verschiedenen Bereichen oder Abschnitten können die Formeinsätze 220 und 230 auch eine unterschiedliche Anzahl von Bereichen oder Abschnitten umfassen, z.B. 2 oder 4 oder 5. Die Anzahl der verschiedenen Bereiche oder Abschnitte kann auch zwischen dem oberen und unteren Teil des Einsatzes variieren (bei einem Einsatz mit sowohl einem oberen als auch einem unteren Teil). Außerdem müssen die im Ober- und Unterteil verwendeten Materialien nicht unbedingt übereinstimmen oder gleich sein, sondern können auch zumindest teilweise unterschiedlich sein.
Wie bereits erwähnt, können die Formeinsätze 210, 220 und 230 in einer Form (nicht dargestellt) zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Partikeln eines expandierten Materials verwendet werden, wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger zum Verschmelzen der Partikeloberflächen verwendet wird.
Partikel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind insbesondere Partikel aus expandiertem thermoplastischem Polyurethan (eTPU), expandiertem Polyether-Blockamid (ePEBA) und/oder expandiertem Polyamid (ePA) sowie Mischungen daraus. Diese Materialien haben sich für die Herstellung von technischen Bauteilen als vorteilhaft erwiesen, z.B. wegen ihrer guten Elastizität, ihrer guten Dämpfungseigenschaften und ihrer Temperaturunabhängigkeit.
Zusätzlich oder alternativ können die Partikel auch eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen oder daraus bestehen: expandiertes Polylactid (ePLA), expandiertes Polyethylenterephthalat (ePET), expandiertes Polybutylenterephthalat (ePBT), expandiertes thermoplastisches Polyesteretherelastomer (eTPEE) oder Mischungen davon.
Die Form kann ein oberes Formteil und ein unteres Formteil umfassen, die zusammenwirken, um einen Formhohlraum zu definieren, in dem der Partikelschaumteil geformt wird.
Eine Möglichkeit ist, dass der Formeinsatz den Formhohlraum vollständig umgibt (siehe z. B. die Formeinsätze 210, 220 und 230) und damit die Geometrie des Formhohlraums definiert. In diesem Fall kann ein Unterteil des Formeinsatzes in das untere Formteil und ein Oberteil des Formeinsatzes in das obere Formteil eingesetzt sein.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das untere Formteil ein Gesenk oder ein Negativ umfasst, das mit einem erfindungsgemäßen Formeinsatz zusammenwirkt, der in das obere Formteil eingesetzt wird und als „Stempel“ 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 in der Regel auch an anderer Stelle innerhalb der Form angeordnet werden kann, z.B. als Schicht oder Teilschicht des oberen oder unteren Teils der Form, ohne die Geometrie des Formhohlraums direkt zu beeinflussen, der aber dennoch dazu dient, die Art und Weise, wie das elektromagnetische Feld den Formhohlraum durchdringt, zu beeinflussen und anzupassen.
Anstelle eines oberen Formteils und eines unteren Formteils kann beispielsweise auch ein mediales und laterales Formteil verwendet werden, oder es können mehr als zwei Formteile verwendet werden. Entsprechende Aussagen gelten auch für die von der vorliegenden Erfindung erfassten Formeinsätze.
Um der Bestimmtheit halber auf den Fall einer Form mit einem oberen Formteil und einem unteren Formteil zurückzukommen, kann jedes der beiden Formteile eine Elektrode umfassen, die zur Bereitstellung des elektromagnetischen Feldes verwendet wird. Im einfachsten Fall können die Elektroden einfach nur Kondensatorplatten oder Metallplatten mit einfacher Geometrie sein. In anderen Ausführungsformen können die Elektroden jedoch auch eine Form aufweisen, die im Allgemeinen dem Partikelschaumteil entspricht, das in der Form hergestellt werden soll, um das elektromagnetische Feld für die Verschmelzung des Partikelschaumteils „vorzuformen“. Eine weitere „Feinabstimmung“ des elektromagnetischen Feldes kann dann mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes erreicht werden.
Das zwischen den Elektroden erzeugte elektromagnetische Feld kann die Energie zur Verschmelzung der 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 bereitstellen. In einer bestimmten Ausführungsform liefert es die Energie zur Verschmelzung der Partikeloberflächen in Form von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im Bereich von 25 - 30 MHz.
Die zwei (oder mehr) Formteile können sich relativ zueinander in einer ersten Richtung (z.B. vertikal voneinander weg) bewegen, um die Form zu öffnen und sie mit den Partikeln beschicken zu können, und die Formteile können sich ferner relativ zueinander in einer zweiten Richtung (z.B. vertikal aufeinander zu) bewegen, um die Form zu schließen, um den Formhohlraum zwischen den Elektroden zu bilden.
Beim Beschicken kann die Form vollständig geöffnet und die beiden Formteile vollständig voneinander getrennt werden, oder die Form kann nur teilweise und bis zu einem gewissen Grad geöffnet werden, so dass die beiden Formteile noch bis zu einem gewissen Grad „ineinandergreifen“ und das für das Beschicken der Partikel verfügbare Beschickungsvolumen begrenzen. Diese Option der „Spalt- bzw. Lückenbeschickung“ kann dazu dienen, die physikalischen Eigenschaften des hergestellten Partikelschaumteils bereits während der Beschickung zu beeinflussen, z.B. seine Dichte und Steifigkeit, indem die Menge der Partikel, die in das Partikelschaumteil eingebracht werden, und/oder der Kompressionsgrad, den die Partikel beim vollständigen Schließen der Form erfahren, gesteuert wird. Dies kann auch die Herstellung verschiedener Arten von Partikelschaumteilen mit derselben Form ermöglichen, indem die Spalt- bzw. Lückenhöhe (d.h. das Ausmaß, in dem die Form geöffnet wird) während der Beschickung eingestellt wird.
Um auf die Erläuterung der von der vorliegenden Erfindung abgedeckten erfindungsgemäßen Formeinsätze, wie z.B. der Formeinsätze 210, 220 und 230 zurückzukommen, können für ihre Herstellung eine Reihe von verschiedenen additiven Herstellungsverfahren und eine Reihe von verschiedenen Ausgangsmaterialien verwendet werden.
So kann das additive Herstellungsverfahren beispielsweise mindestens eines der folgenden Verfahren und Prozesse umfassen: 3d-Druck; ein Mikroschmelztropfen-basiertes Verfahren; ein pulverbettbasiertes Verfahren; Stereolithographie, SLA; selektives Lasersintern, SLS; selektives Laserschmelzen, SLM; kontinuierliche Flüssigkeitsschnittstellenproduktion, CLIP; Schmelzschichtung, FDM; digitale Lichtverarbeitung, DLP; Mehrstrahlmodellierung, MJM; ein Polyjetverfahren; ein Filmtransfer-Bildgebungsverfahren, FTI; Elektronenstrahlschmelzen, EBM; Elektronenstrahl-Additivherstellung, EBAM; subtraktives Rapid Prototyping, SRP.
Darüber hinaus kann der Formeinsatz mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: ein mit Keramik gefülltes Harz; einen Cyanatester; eine Polymilchsäure/ein 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; einen UV-härtenden Duroplast.
Mit solchen Verfahren und Materialien können die erfindungsgemäßen Formeinsätze angepasst werden, um die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Formhohlraums der Form zumindest teilweise basierend auf der Geometrie des Partikelschaumteils lokal anzupassen. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßer Formeinsatz auf eine Weise hergestellt und bereitgestellt werden, die die Homogenität der Feldstärke im gesamten Formhohlraum während der Herstellung des Partikelschaumteils erhöht.
Wie vorstehend erläutert, kann bei Partikelschaumteilen mit komplexer Geometrie die Materialverteilung mit dem Werkzeug und/oder die Form des vom Werkzeug erzeugten elektromagnetischen Feldes so sein, dass das den Formhohlraum durchdringende elektromagnetische Feld derart verzerrt wird, dass beim Verschmelzen der Partikel aus expandiertem Material über die vom elektromagnetischen Feld beförderte und zugeführte Energie „kühle Stellen“ und „heiße Stellen“ entstehen. Dies kann zu einem ungleichmäßigen und möglicherweise sogar unannehmbaren Endergebnis des Verschmelzungsprozesses führen. Der Formeinsatz dient dazu, solche Effekte zu kompensieren und zumindest teilweise 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 Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes verursacht werden.
Natürlich beeinflussen auch andere Faktoren wie die Frequenz oder die Intensitätsverteilung des erzeugten elektromagnetischen Feldes in der Regel die Verteilung des Feldes innerhalb des Formhohlraums, wie der Fachmann versteht. Eine Änderung der dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes bietet jedoch eine spezielle Handhabe zur Abstimmung der Feldverteilung (z.B. der lokalen Feldstärke) innerhalb des Formhohlraums, was keine wesentliche Änderung der allgemeinen Einrichtung und Konstruktion des Formwerkzeugs erfordert, was z.B. für das Prototyping, aber auch generell besonders vorteilhaft sein kann, da jede Rüständerung in der Grundmaschine sehr zeit- und kostenintensiv sein kann.
Eine spezifische Weise zur Einstellung oder zumindest Beeinflussung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums besteht in einer lokalen Veränderung der Permittivität des Materials des Formeinsatzes.
Werte für die (relative) Permittivität von Materialien, die zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Formeinsatz geeignet sind, gemessen bei 27,12 MHz, sind in 3 dargestellt:

- Die Kurve 310 zeigt die Permittivität eines Materials namens PerFORM mit einer Dichte von 1,61 g/cm³ über den Temperaturbereich von 20° C - 120° C. PerFORM ist ein keramisches Stereolithographie-Verbundmaterial.
- Die Kurve 320 zeigt die Permittivität eines PET-Materials mit einer Dichte von 1,39 g/cm³ über den Temperaturbereich von 20° C - 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 - 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 - 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 - 120° C.

Mit Ausnahme des PE-Materials weisen alle untersuchten Materialien mit steigender Temperatur eine Erhöhung der Permittivität auf. Auch für die dargestellten Materialien korreliert die Permittivität mit der Dichte der Materialien, d.h. eine höhere Dichte bedeutet eine höhere Permittivität. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung unterschiedlicher Materialien (z.B. der im Rahmen von 3 erörterten Materialien) kann die lokale Veränderung der Permittivität eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes daher zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung der Dichte des Materials des Formeinsatzes verursacht werden. Typischerweise (zumindest für die in 3 dargestellten Materialien) führt eine höhere Dichte des Materials des Formeinsatzes zu einer höheren Permittivität des Formeinsatzes. Geeignete Werte für die lokale Dichte des Materials eines erfindungsgemäßen Formeinsatzes liegen zwischen 0,4 g/cm³ und 1,7 g/cm³.
Oder, bezogen auf geeignete Werte für die Permittivität, haben sich im Allgemeinen Werte zwischen 1 und 20 als vorteilhaft erwiesen, um den gewünschten Einfluss auf die Feldverteilung innerhalb des Formhohlraums zu erhalten.
Eine weitere Möglichkeit, die Feldverteilung (z.B. die lokale Feldstärke) innerhalb des Formhohlraums lokal einzustellen oder zumindest zu beeinflussen, besteht durch eine lokale Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors des Formeinsatzes.
Werte für den dielektrischen Verlustfaktor von Materialien, die im Allgemeinen für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Formeinsatz geeignet sind, gemessen bei 27,12 MHz, sind in 4 dargestellt (die Materialien sind die gleichen Materialien wie im Zusammenhang mit 3 oben beschrieben):

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

Die Materialien PerFORM, PET und PLA (s. Kurven 410, 420 und 430) zeigen einen signifikanten Anstieg des dielektrischen Verlustfaktors mit der Temperatur, während der dielektrische Verlustfaktor der Materialien CE 221 und PE (s. Kurven 440 und 450) nahezu konstant bleibt.
Wir weisen noch einmal darauf hin, dass der dielektrische Verlustfaktor (oder Veränderungen darin) des Materials des Formeinsatzes die Feldverteilung (z.B. die lokale Feldstärke) innerhalb des Formhohlraums zwar nicht direkt beeinflussen kann, dies aber zumindest indirekt tun kann. Eine Änderung des dielektrischen Verlustfaktors des Materials des Formeinsatzes ändert im Allgemeinen die Erwärmung, die der Formeinsatz erfährt, wenn er von dem elektromagnetischen Feld durchdrungen wird. Diese lokale Temperaturänderung im Formeinsatz kann zu einer entsprechenden Veränderung der Permittivität des Formeinsatzes führen - die in der Regel eine temperaturabhängige Größe ist, siehe z.B. 3 - die dann das elektromagnetische Feld auch außerhalb des Formeinsatzes beeinflussen kann.
Eine weitere Auswirkung, die eine (lokale oder globale) Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors auf die Ergebnisse des Verschmelzungsprozesses haben kann, insbesondere für den Fall, dass der Formeinsatz direkt angrenzend an den Formhohlraum angeordnet ist, ist das Ausmaß der Erwärmung, 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 der Erfinder haben gezeigt, dass ein gewisser Grad der Erwärmung des den Formhohlraum umgebenden Materials für den Schmelzprozess von Vorteil sein kann und dass die Verschmelzung der Oberflächen der Partikel aus expandiertem Material ganz ohne „Vorwärmung“ unzureichend sein kann.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden daher Materialien mit einem (lokalen) dielektrischen Verlustfaktor größer als 0,01 und kleiner als 0,10, insbesondere Materialien mit einem (lokalen) dielektrischen Verlustfaktor zwischen 0,01 und 0,07, im Formeinsatz verwendet. In diesem Zusammenhang ist das im Rahmen von 3 und 4 erörterte PE-Material weniger geeignet als die anderen Materialien, und auch das PLA-Material ist unterhalb von Temperaturen von etwa 90° C weniger geeignet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015202013 A1 [0005]
EP 3053732 A1 [0005]

Claims

Formeinsatz zur Verwendung in einer Form zur Herstellung eines Partikelschaumteils, a. wobei das Partikelschaumteil aus Partikeln eines expandierten Materials hergestellt ist, b. wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger verwendet wird, um die Partikeloberflächen zu verschmelzen, und c. wobei der Formeinsatz angepasst ist, um die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes innerhalb eines Formhohlraums der Form basierend zumindest teilweise auf der Geometrie des Partikelschaumteils lokal einzustellen, und/oder der Formeinsatz ausgebildet ist, um die Form des Formhohlraums individuell lokal anzupassen.
Formeinsatz nach Anspruch 1, wobei der Formeinsatz unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wurde.
Formeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Formeinsatz einen oder mehrere Hohlräume umfasst und das Verhältnis der Hohlräume zu dem den Einsatz bildenden Material so ist, dass die Permittivität einer gesamten Form der Permittivität der beabsichtigten Beschickung mit den verschmelzenden Partikel ähnlich ist.
Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Formeinsatz angepasst ist, um die Homogenität der Feldstärke im gesamten Formhohlraum während der Herstellung des Partikelschaumteils zu erhöhen.
Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die lokale Einstellung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Formeinsatzes verursacht wird.
Formeinsatz nach Anspruch 5, wobei die lokale Einstellung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung der Permittivität des Formeinsatzes verursacht wird.
Formeinsatz nach Anspruch 6, wobei die lokale Veränderung der Permittivität des Formeinsatzes zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung der Dichte des Materials des Formeinsatzes verursacht wird.
Formeinsatz nach Anspruch 7, wobei eine höhere Dichte des Materials des Formeinsatzes zu einer höheren Permittivität des Formeinsatzes führt.
Formeinsatz nach Anspruch 7 oder 8, wobei die lokale Dichte des Materials des Formeinsatzes zwischen 0,4 g/cm³ und 1,7 g/cm³ liegt.
Formeinsatz nach einem der Ansprüche 5-9, wobei die lokale Einstellung der Feldstärke innerhalb des Formhohlraums zumindest teilweise durch eine lokale Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors des Formeinsatzes verursacht wird.
Formeinsatz nach Anspruch 10, wobei der lokale dielektrische Verlustfaktor des Formeinsatzes zwischen 0,01 und 0,10, insbesondere zwischen 0,01 und 0,07 liegt.
Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der Formeinsatz angrenzend an den Formhohlraum angeordnet ist und die Geometrie des Formhohlraums beeinflusst.
Formeinsatz nach einem der Ansprüche 10 oder 11 in Kombination mit Anspruch 12, wobei die lokale Veränderung des dielektrischen Verlustfaktors weiterhin das Ausmaß der Oberflächenerwärmung der Oberfläche des Formeinsatzes beeinflusst, die während der Herstellung des Partikelschaumteils an den Formhohlraum angrenzt.
Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das additive Herstellungsverfahren für den Formeinsatz mindestens eines der folgenden umfasst: 3d-Druck; ein Mikroschmelztropfen-basiertes Verfahren; ein pulverbettbasiertes Verfahren; Stereolithographie, SLA; selektives Lasersintern, SLS; selektives Laserschmelzen, SLM; kontinuierliche Flüssigkeitsschnittstellenproduktion, CLIP; Schmelzschichtung, FDM; digitale Lichtverarbeitung, DLP; Mehrstrahlmodellierung, MJM; ein Polyjetverfahren; ein Filmtransfer-Bildgebungsverfahren, FTI; Elektronenstrahlschmelzen, EBM; Elektronenstrahl-Additivherstellung, EBAM; subtraktives Rapid Prototyping, SRP.
Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1-14, wobei der Formeinsatz mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: ein mit Keramik gefülltes Harz; einen Cyanatester; eine Polymilchsäure/ein 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; einen UV-härtenden Duroplast.
Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1-15, wobei das elektromagnetische Feld die Energie zum Schmelzen der 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, insbesondere in Form von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz im Bereich von 25 - 30 MHz bereitstellt.
Form zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Partikeln eines expandierten Materials, a. wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger verwendet wird, um die Partikeloberflächen zu verschmelzen, und b. wobei die Form einen Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1-15 umfasst.
Form nach Anspruch 17, c. wobei die Form mindestens zwei Formteile umfasst, d. wobei jedes der beiden Formteile eine Elektrode umfasst, die bei der Bereitstellung des elektromagnetischen Feldes verwendet wird, e. wobei der Formeinsatz in eines der beiden Formteile eingesetzt ist, f. wobei die beiden Formteile relativ zueinander in eine erste Richtung bewegt werden können, um die Form zu öffnen, um das Beschicken der Form mit den Partikeln zu ermöglichen, und g. wobei die beiden Formteile relativ zueinander in eine zweite Richtung bewegt werden können, um die Form zu schließen, um den Formhohlraum zwischen den Elektroden zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Partikeln eines expandierten Materials, a. wobei ein elektromagnetisches Feld als Energieträger verwendet wird, um die Partikeloberflächen zu verschmelzen, und b. wobei das Verfahren eine Form nach Anspruch 17 oder 18 verwendet.
Partikelschaumteil, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 19.