-
1. Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Form zur Formung eines Bauteils, insbesondere eines Partikelschaumteils, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils unter Verwendung einer solchen Form.
-
2. Stand der Technik
-
Die Verwendung von Partikelschaummaterialien, also von Materialien aus einzelnen Partikeln aus expandierten Kunststoffen, hat Einzug in die Herstellung verschiedenster Arten von Produkten gehalten, wie z.B. Verpackungsmaterial, Polsterelemente für Sportbekleidung, thermische Isolationselemente und mechanische Funktionselemente. Partikelschaumteile werden als Isolationsplatten für Gebäude und auch als thermische Isolationselemente im Automobil und z.B. in Brennstoffzellenapparaten eingesetzt. Solche Partikelschaumteile sind sehr gut stoßdämpfend und auch elektrisch isolierend, so dass sie für verschiedene Zwecke eingesetzt werden. Die einzelnen Partikel können aus verschiedenen Polymermaterialien hergestellt sein und haben dementsprechend unterschiedliche Eigenschaften. So gibt es steifes Material wie ePP (expandiertes Polypropylen) oder elastisches Material wie eTPU (expandiertes thermoplastisches Polyurethan). Die Partikel (oft auch als Kügelchen bezeichnet) werden an ihren Oberflächen verschmolzen, indem sie in einer Form mit Druckdampf beaufschlagt werden (in der Fachwelt oft als „Steam Chest Molding“ (= Dampfkastenformung) bezeichnet).
-
Herkömmliche Formen für die Dampfkastenformung sind jedoch oft nicht an die spezifischen Anforderungen der verwendeten Materialien angepasst. Beispielsweise erfordert der Prozess der Dampfkastenformung eines aus Partikeln bestehenden Partikelschaumteils mit einer konventionellen Form einen hohen Betrag an Energie zum Erwärmen der Form, da konventionelle Formen typischerweise eine hohe Masse aufweisen. Außerdem ist der Abkühlprozess solcher Formen langsam und führt daher zu verlängerten Zykluszeiten. Schließlich erfordert das Dampfkastenformen von Partikelschaumteilen aus Partikeln eine gleichmäßige Zuführung des Druckdampfs zu den Partikeln, um eine homogene Verbindung der Partikel untereinander zu erreichen. Herkömmliche Formen sind daher oft nicht für eine solche gleichmäßige Medienzufuhr geeignet.
-
Es wurden auch andere Energieträger als Druckdampf in Betracht gezogen. Insbesondere wurde in der
DE 10 2016 100 690 A1 , der
DE 10 2016 123 214 A1 und der
DE 20 2016 104 341 U1 ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils beschrieben, welches umfasst, eine Form mit einem ersten Material zu beschicken, das Partikel eines expandierten Materials umfasst, und die Oberflächen der Partikel durch Zufuhr von Energie in Form mindestens eines elektromagnetischen Felds zu verschmelzen. Diese Verfahren lassen jedoch noch Raum für Verbesserungen, da sie die spezifischen Materialeigenschaften des Formmaterials, die insbesondere für die Herstellung moderner Hochleistungs-Partikelschaumteile notwendig sind, noch nicht vollständig berücksichtigen. Wie bereits erwähnt, benötigt das Dampfkastenformen mehr Energie und die Produktionsrate ist geringer im Vergleich zu einem Prozess, der elektromagnetische Wellen wie z. B. HF-Strahlung verwendet. Außerdem erleichtert die Verwendung von elektromagnetischen Wellen das Verschmelzen von Partikeln aus Polymermaterial mit hoher Erweichungstemperatur.
-
Die Dampftemperatur wird durch den in der Form angelegten Druck begrenzt. Das heißt, dass selbst dann, wenn mehr Dampf in die Form eingeleitet wird, das Polymermaterial nie über die maximale Dampftemperatur hinaus erwärmt werden kann. Die Erwärmung mit elektromagnetischen Wellen hat dagegen keine natürliche Temperaturgrenze. Wird mittels der elektromagnetischen Wellen zu viel Energie zugeführt, besteht die Gefahr, dass Segmente des Partikelschaumteils verbrennen. Deshalb ist es besonders wichtig, dass die Wärme gleichmäßig in der Form verteilt wird, wenn sie mittels elektromagnetischer Wellen zugeführt wird. Bei gleichmäßig verteilter Wärmezufuhr kann die Verschmelzungsqualität der über elektromagnetische Wellen erfolgenden Erwärmung jedoch deutlich besser sein als die durch das Dampfkastenformen erreichbare Qualität. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Partikelschaumteile eine gewisse Dicke von einigen cm aufweisen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die besagten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte Form zur Formung eines Bauteils, insbesondere eines Partikelschaumteils, bereitzustellen.
-
3. Zusammenfassung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird durch die Lehren der unabhängigen Ansprüche bewerkstelligt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
-
In einer Ausführungsform umfasst eine Form zur Formung eines Bauteils, insbesondere eines Partikelschaumteils, (a.) eine Mischung aus einem Polymermaterial und einem Füllmaterial, (b.) wobei das Füllmaterial dazu geeignet ist, eine Erwärmung des Bauteils innerhalb der Form mittels eines elektromagnetischen Felds zu ermöglichen.
-
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben überraschenderweise festgestellt, dass eine solche Form einen verbesserten Ansatz für Partikelschaumteile bietet. Durch die Verwendung einer solchen Mischung aus einem Polymermaterial und einem Füllmaterial können die spezifischen Eigenschaften des Formmaterials deutlich verbessert werden, ohne die übrigen Materialeigenschaften der Form, z. B. ihre Stabilität, während des Formungsprozesses zu verschlechtern. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines elektromagnetischen Felds, insbesondere elektromagnetischer Strahlung, zur Erwärmung des Partikelschaumteils im Inneren der Form auch die Herstellung von Bauteilen mit unterschiedlichen Dicken und komplexer Geometrie, da die Energie zur Erwärmung nicht an eine Art von Medientransport wie z. B. die Einleitung von Druckdampf gekoppelt ist. Die elektromagnetische Strahlung kann so gewählt werden, dass sie die mit dem Material für das Partikelschaumteil beschickte Form im Wesentlichen homogen durchdringt und alle Abschnitte des Partikelschaumteils mit einem im Wesentlichen konstanten Betrag an Energie versorgt, so dass eine homogene und gleichmäßige Formung überall am Partikelschaumteil und in jeder Tiefe des Partikelschaumteils erreicht wird.
-
Aus Gründen der Klarheit wird an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass ein Füllmaterial ein fester Zusatzstoff sein kann, der in das Polymermaterial eingearbeitet wird. Auf diese Weise kann das Füllmaterial ein funktionelles Füllmaterial sein, das zur Verbesserung des Leistungsverhaltens des Polymerformmaterials verwendet wird. Mit anderen Worten, wenn es dem Polymermaterial hinzugefügt wird, wird eine bestimmte Eigenschaft des Polymerformmaterials bis zu einem gewissen Grad verbessert, wenn die Menge des Füllmaterials zunimmt. Darüber hinaus können Mischungen von Füllstoffen dazu beitragen, die Materialeigenschaften „maßzuschneidern“ und das mechanische Leistungsverhalten mit dem dielektrischen Verhalten der gesamten Form in Einklang zu bringen.
-
Das Füllmaterial kann auch verwendet werden, um das mechanische Leistungsverhalten und/oder das dielektrische Verhalten der gesamten Form zum Verschmelzen von geschäumten Partikeln für verschiedene Arten von Polymermaterialien anzupassen. Die verschiedenen Arten von Polymermaterialien können sich nicht nur durch die chemische Zusammensetzung, sondern auch durch ihre physikalischen Parameter unterscheiden. So gibt es z. B. eTPU-Partikel, die aus derselben chemischen Zusammensetzung bestehen, aber unterschiedliche Dichten aufweisen. Das Partikelschaumteil aus Partikeln mit einer geringeren Dichte ist weicher und leichter als ein gleichartiges Partikelschaumteil aus Partikeln mit einer höheren Dichte. Eine höhere Dichte bedeutet, dass sich mehr Polymermaterial im gleichen Volumen befindet. Je mehr Polymermaterial sich in der Form befindet, desto besser können die elektromagnetischen Wellen absorbiert werden. Folglich kann eine unterschiedliche Dichte des Polymermaterials zu einer unterschiedlichen Wärmeverteilung führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Partikelschaumteil eine sich verändernde Dicke aufweist. Sowohl die spezifische Dichte der Schaumstoffpartikel als auch die chemische Zusammensetzung können einen starken Einfluss auf die Wärmeabsorption haben.
-
Das Füllmaterial kann dazu geeignet sein, die Wärmeleitfähigkeit der Form zu erhöhen. Dies hat zur Folge, dass der Verlust an Wärmeenergie beim Erwärmen der Form als thermischer Zustrom deutlich erhöht ist, da die Wärme aus der Form abfließt. Darüber hinaus verbessert die erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Form auch den Abkühlprozess als thermischen Abfluss nach der Formung, was durch die Mischung aus einem Polymermaterial und einem Füllmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung weiter unterstützt wird. Darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Außen- oder Innenkühlung des Bauteils, so dass der gesamte Formungsprozess vereinfacht wird. Zusammenfassend kann die Gesamtproduktivität des Herstellungsprozesses für ein Partikelschaumteil durch eine solche Form erhöht werden.
-
Der Begriff „Wärmeleitfähigkeit“, wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezieht sich auf die Fähigkeit eines Formmaterials, Wärme zu leiten. Mit anderen Worten, die Wärmeleitung ist definiert als der Transport von Energie aufgrund zufälliger Molekularbewegung über einen Temperaturgradienten. Sie unterscheidet sich vom Energietransport durch Konvektion und molekulare Arbeit dadurch, dass sie keine makroskopischen Strömungen oder arbeitsausführende innere Spannungen beinhaltet. Im internationalen Einheitensystem (SI) wird die Wärmeleitfähigkeit in Watt pro Meter und Kelvin (W/(m.K)) gemessen.
-
Das Füllmaterial kann dazu geeignet sein, die Permittivität der Form im Vergleich zum Bauteil zu erhöhen. Außerdem kann das Füllmaterial ein dielektrisches Material umfassen, insbesondere eine Mischung aus mindestens zwei anorganischen Materialien, vorzugsweise mindestens eines der folgenden: ein Metallnitrid, ein Metalloxid, ein Metallcarbid, ein Metallsulfid, ein Metallsilikat, ein Siliciumcarbid und Siliciumnitrid, am meisten bevorzugt Bornitrid, BN. Die Permittivität der Form hat, wie der Fachmann weiß, einen direkten Einfluss auf die Feldstärke des elektromagnetischen Felds bzw. der elektromagnetischen Strahlung im Inneren der Form (bei einem konstanten „äußeren“ Feld, das an die Form angelegt wird) und beeinflusst auch die Feldverteilung (z. B. den lokalen Wert der Feldstärke) im Inneren der Form. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer erhöhten Permittivität der Form zur Beeinflussung der elektromagnetischen Feldverteilung besteht darin, dass Füllmaterialien mit einem breiten Spektrum von Permittivitätswerten bekannt und verfügbar sind, so dass auf diese Weise ein großes Maß an Abstimmung und Anpassung durch Auswahl und/oder Kombination verschiedener Füllmaterialien möglich ist. Darüber hinaus kann eine erhöhte Permittivität der Form indirekt den Verlust von Wärmeenergie während des Formungsprozesses reduzieren, indem die elektromagnetische Felddichte auf das Bauteilmaterial - und weg vom Formmaterial selbst - konzentriert wird.
-
Darüber hinaus kann das Füllmaterial mindestens eines der folgenden umfassen: eine Mischung aus einem Kohlenstoffmaterial und einem anorganischen Material, Kohlenstofffaser, glasartiger Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanoknospen, Aerographit, linearer acetylenischer Kohlenstoff, q-Kohlenstoff, Graphen, ein Salz, ein monokristallines Pulver, ein polykristallines Pulver, ein amorphes Pulver, eine Glasfaser. Neben den oben genannten Effekten sind Fasern oder Faserverbundmaterialien leicht und dennoch außergewöhnlich fest. Insbesondere Glas oder Glasfasern sind relativ preiswert und feuchtigkeitsbeständig und haben auch ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Daher können die Formmaterialien das Leistungsverhalten des gesamten Prozesses beeinflussen, und durch eine maßgeschneiderte Auswahl von Formmaterialien mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften lassen sich optimale Eigenschaften für eine effiziente dielektrische Erwärmung und anschließende Kühlung erzielen. Darüber hinaus können bei der Auswahl der Materialien auch ein bestimmter Bereich des elektrischen Widerstands und Eigenschaften in Bezug auf die mechanische Stabilität berücksichtigt werden.
-
Alle diese beschriebenen Ausführungsformen mit unterschiedlichen Füllmaterialien, die unterschiedliche Formen, optische, thermische und elektrische Eigenschaften oder Materialcharakteristika aufweisen, folgen der gleichen Idee, durch eine dielektrische Erwärmung des Partikelschaumteils im Inneren der Form und die anschließende Abkühlung der gesamten Form optimale Eigenschaften für eine effiziente Formung zu erreichen. So können mit der Form der vorliegenden Erfindung zum Beispiel sowohl reduzierte Zykluszeiten bei der Herstellung des Partikelschaumteils als auch eine hohe Qualität des Partikelschaumteils erreicht werden.
-
Die Mischung kann das Füllmaterial in einer Menge von 1 bis 75 Vol.-%, insbesondere 1 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 1 bis 25 Vol.-%, noch bevorzugter 1 bis 20 Vol.-%, am meisten bevorzugt 5 bis 20 Vol.-% oder 10 bis 40 Vol.-%, insbesondere 15 bis 35 Vol.-% enthalten. Es hat sich gezeigt, dass die angegebenen Werte einen vernünftigen Kompromiss zwischen optimierten optischen Eigenschaften für eine effiziente dielektrische Erwärmung und ausreichenden thermischen Eigenschaften für eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Form für die anschließende Kühlung darstellen.
-
Das Polymermaterial kann ein thermoplastisches Material umfassen, vorzugsweise mindestens eines der folgenden: Polyethylenterephthalat, PET, Polybutylenterephthalat, PBT, Polyoxymethylen, POM, Polyamidimid, PAI, Polycarbonat, PC, Polyketone, PK, Polyetheretherketon, PEEK, oder Polyethylen, PE. Darüber hinaus kann das Polymermaterial ein geschäumtes Material umfassen. Diese Materialien haben sich als vorteilhaft erwiesen und können daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielsweise hat POM einen dielektrischen Verlustfaktor D von etwa 0,008 für Hochfrequenzstrahlung. Dieses Material kann also für Hochfrequenzstrahlung im Wesentlichen transparent sein, da es nur einen geringen Teil der elektromagnetischen Strahlung absorbiert und aufgrund des relativ geringen Verlustfaktors mit einer bestimmten Dicke gebildet werden kann.
-
Das Polymermaterial kann dazu geeignet sein, die Permittivität der Form im Vergleich zum Bauteil zu erhöhen. So können z. B. bestimmte Polymermaterialien aus bestimmten Polymersorten aufgrund ihrer hohen intrinsischen Permittivität im Vergleich zum Bauteilmaterial verwendet werden. Da die Permittivität der Form einen direkten Einfluss auf die Feldstärke des elektromagnetischen Felds bzw. der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Form hat, kann somit ein optimierter thermischer Zustrom und Abfluss der Form vorgesehen werden, indem die elektromagnetische Felddichte auf das Bauteilmaterial konzentriert wird. Beispiele können mindestens eines von Polyacrylnitril, PAN, Polyamid oder Polyethylenterephthalat, PET, umfassen. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Form eine Mischung aus PET und 30 Vol.-% Aluminiumoxid, Al2O3, oder eine Mischung aus POM und Titandioxid (TiO2) umfassen.
-
Das Polymermaterial kann dazu geeignet sein, den dielektrischen Verlustfaktor der Form zu erhöhen. Es ist auch denkbar, dass bestimmte Abschnitte der Form angepasst werden können, um den dielektrischen Verlustfaktor zu erhöhen. Solche Ausführungsformen ermöglichen es, durch einen hohen dielektrischen Verlust selektiv einen übermäßigen Wärmeaufbau in der gesamten Form oder nur an bestimmten Abschnitten innerhalb der Form einzuleiten, da das Formmaterial einen hohen Anteil der elektromagnetischen Strahlung absorbieren kann. Daher kann auch ein optimierter thermischer Zustrom und Abfluss der Form vorgesehen werden. Beispiele können mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: Polyketone, PK, Polyvinylidenfluorid oder Polyvinylidendifluorid, PVDF oder Polyamidimid, PAI. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Form eine Mischung aus POM und Titandioxid, TiO2, umfassen.
-
Der Formungsprozess durch dielektrische Erwärmung und der anschließende Abkühlprozess des Partikelschaumteils sind wesentlich schneller, so dass die Produktivität verbessert werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die homogene und konstante Formung die Herstellung eines leichten, langlebigen Partikelschaumteils, das verschiedene Arten von Eigenschaften bietet, wie z. B. eine thermische und/oder elektrische Isolierung, stoßdämpfende und andere mechanische Eigenschaften.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Partikelschaumteils, wobei das Verfahren den Schritt (a.) Formung des Bauteils mit einer wie hierin beschriebenen Form umfasst. Darüber hinaus kann das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte umfassen: (b.) Beschicken der Form mit einem ersten Material für das Bauteil, das Partikel eines expandierten Materials umfasst, und (c.) Erwärmung des ersten Materials und/oder der Mischung aus dem Polymermaterial und dem Füllmaterial der Form und/oder eines Suszeptors der Form durch ein elektromagnetisches Feld. Der Suszeptor kann expandiertes Polypropylen, ePP, umfassen.
-
Der Erwärmungsschritt kann den Schritt des Verschmelzens der Oberflächen der Partikel umfassen. Wie oben erwähnt, kann das elektromagnetische Feld, insbesondere die elektromagnetische Strahlung, so gewählt werden, dass es die mit den Partikeln beschickte Form im Wesentlichen homogen durchdringt und allen Partikeln eine im Wesentlichen konstante Menge an Energie zuführt, so dass ein homogenes und konstantes Verschmelzen der Partikeloberflächen im gesamten Bauteil und in jeder Tiefe des Bauteils erreicht wird.
-
Die Partikel für das Bauteil können mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: expandiertes thermoplastisches Polyurethan, eTPU, expandiertes Polyamid, ePA, expandiertes Polyetherblockamid, ePEBA, Polylactid, PLA, Polyetherblockamid, PEBA, Polyethylenterephthalat, PET, Polybutylenterephthalat, PBT, thermoplastisches Polyesteretherelastomer, TPEE. Für die Verwendung zur Herstellung von Partikelschaumteilen haben sich beispielsweise Partikel aus eTPU, ePEBA und/oder ePA als vorteilhaft erwiesen und können daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
-
Die Partikel können mit herkömmlichen, in der Technik bekannten Vorgehensweisen in die Form gefüllt werden, z. B. mittels Druckbefüllung durch einen Füllschieber.
-
Die Partikel können ein geschäumtes Material umfassen. Beispielsweise führt die Verwendung eines geschäumten Materials sowohl für die Partikel als auch für die Oberfläche der Form zu einem ähnlichen Verlustfaktor, so dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Erwärmung sowohl der Partikel als auch der Form bereitgestellt werden kann, so dass eine bessere Oberflächenverschmelzung des Bauteils erzielt werden kann.
-
Das elektromagnetische Feld kann im Hochfrequenzbereich von 30 kHz - 300 GHz liegen. Das elektromagnetische Feld kann z. B. in Form von Strahlung im Mikrowellenbereich, d. h. mit einer Frequenz im Bereich von 300 MHz - 300 GHz, zugeführt werden.
-
Mikrowellengeneratoren sind kommerziell erhältlich und können mit vergleichsweise geringem Aufwand in eine Fertigungsvorrichtung zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Form eingebaut werden. Darüber hinaus kann es möglich sein, die Mikrowellenstrahlung durch eine geeignete Vorrichtung im Wesentlichen auf einen Hohlraum der Form zu fokussieren, in den das Bauteilmaterial eingelegt wird, so dass die Energieeffizienz eines Verfahrens unter Verwendung der Form erhöht wird. Weiterhin kann die Intensität und Frequenz der Mikrowellenstrahlung einfach geändert und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
-
Das elektromagnetische Feld kann im Hochfrequenzbereich von 1 MHz - 200 MHz liegen, noch bevorzugter im Bereich von 1 MHz - 50 MHz, am meisten bevorzugt im Bereich von 25 - 30 MHz liegen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das elektromagnetische Feld eine Frequenz im Hochfrequenzbereich um 27,14 MHz aufweisen. Es ist auch denkbar, dass eine oder mehrere Hochfrequenzen oder Hochfrequenzbereiche verwendet werden.
-
Hochfrequenzgeneratoren sind ebenfalls im Handel erhältlich und können einfach in eine Fertigungsvorrichtung eingebaut werden. Ferner kann auch die Hochfrequenzstrahlung auf die jeweiligen Teile der Herstellungsvorrichtung fokussiert werden, und ihre Intensität und Frequenz kann an die Anforderungen angepasst werden. Hochfrequenzstrahlung hat im Vergleich zu Mikrowellenstrahlung eine größere Wellenlänge. Dies erleichtert es, eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu erreichen, insbesondere wenn die Partikelschaumteile eine Abmessung von mindestens 5 cm oder mindestens 10 cm haben.
-
Es ist weiterhin möglich, dass das elektromagnetische Feld, insbesondere die elektromagnetische Strahlung, in einem anderen Frequenzbereich als den oben genannten Frequenzbereichen zugeführt wird.
-
Die Form kann darüber hinaus mit einem zweiten Material beschickt werden, das durch das elektromagnetische Feld im Wesentlichen unverändert bleibt. Dies kann z. B. ein Material sein, durch welches das elektromagnetische Feld hindurchdringt, ohne vom Material in nennenswertem Umfang absorbiert zu werden. Insbesondere kann das zweite Material frei von einem Material sein, welches das elektromagnetische Feld absorbiert. „Im Wesentlichen unverändert“ kann bedeuten, dass das zweite Material nicht schmilzt oder zu schmelzen beginnt oder weicher oder härter wird.
-
Alle beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf verbesserte Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Partikelschaumteils. Weitere Details und technische Wirkungen und Vorteile sind oben in Bezug auf die Form detailliert beschrieben.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil, insbesondere ein Partikelschaumteil, das mit einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Ferner kann das Bauteil eine Schuhsohle, insbesondere eine Zwischensohle, sein.
-
Die Erfindung betrifft auch einen Schuh, insbesondere einen Sportschuh, mit einem Bauteil wie hierin beschrieben.
-
Figurenliste
-
Mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die nachfolgende Figur näher beschrieben:
- 1 stellt die überraschende Wirkung einer Form gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
-
5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
-
Mögliche Ausführungsformen der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung vor allem in Bezug auf Formen zur Formung eines Partikelschaumteils beschrieben. Es wird jedoch betont, dass die vorliegende Erfindung für verschiedene Arten von Partikelschaumteilen in verschiedenen Arten von Industriebereichen verwendet werden kann.
-
Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass im Folgenden nur einzelne Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden können. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass die optionalen Merkmale und möglichen Modifikationen, die unter Bezugnahme auf diese spezifischen Ausführungsformen beschrieben werden, auch in anderer Weise oder in verschiedenen Unterkombinationen weiter modifiziert und/oder miteinander kombiniert werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Einzelne Merkmale können auch weggelassen werden, wenn sie zur Erreichung des gewünschten Ergebnisses entbehrlich sind. Um Redundanzen zu vermeiden, wird daher auf die Erläuterungen in den vorangegangenen Absätzen verwiesen, die auch für die nachfolgende detaillierte Beschreibung gelten.
-
1 veranschaulicht die überraschende Wirkung einer Form 100 gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
Die Ausführungsform von 1 zeigt einen Vergleich von Simulationen für die Wärmestrahlung, d.h. die Wärmestrahlung bzw. Temperatur, einer herkömmlichen Form des Standes der Technik und der Form 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein Partikelschaumteil 120 innerhalb der beiden Formen durch dielektrische Erwärmung und anschließende Abkühlung geformt wird. Der Vergleich ihrer Wärmeabstrahlung wird nach 10 Minuten Abkühlung der beiden Formen und des Partikelschaumteils 120 simuliert.
-
Dieser Vergleich zwischen der Form des Standes der Technik und der Erfindung hinsichtlich der Verbesserung der Kühlleistung wurde mit einem Simulationsmodell erstellt, bei dem sowohl das dielektrische Erwärmungsphänomen als auch die thermodynamische Wärmeleitung durch ein vollständig gekoppeltes Multiphysik-Simulationsmodell charakterisiert wurden. Das Modell verwendet die Finite-Elemente-Methode zur Berechnung der thermischen Energie, die im Inneren der Formkonstruktion bei Vorhandensein eines hochfrequenten elektrischen Felds induziert wird. Materialmodelle stellen die dielektrischen Eigenschaften der Schuhsohle 120 und der Teile der Konstruktion der Sohlenform 100 dar, und durch Standardgleichungen für dielektrische Erwärmung kann die Korrelation zwischen den verwendeten Materialien und der induzierten Heizleistung mit partiellen Differentialgleichungen berechnet werden.
-
Die Form 100 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mischung aus einem Polymermaterial und einem Füllmaterial, wobei das Füllmaterial dazu geeignet ist, eine Erwärmung des Partikelschaumteils 120 im Inneren der Form 100 mittels eines elektromagnetischen Felds, insbesondere durch Hochfrequenzstrahlung, zu ermöglichen. Wie in 1 zu sehen ist, zeigt das Füllmaterial, das dazu geeignet ist, die Wärmeleitfähigkeit der Form 100 zu erhöhen, eine drastische Verringerung der Abkühlzeit sowohl für die Form 100 als auch für die Zwischensohle 120. Darüber hinaus haben die Erfinder herausgefunden, dass die erhöhte Wärmeleitfähigkeit keinen Einfluss auf den dielektrischen Erwärmungsprozess hat. Die herkömmliche Form des Standes der Technik umfasst Polyethylenterephthalat, PET, und hat eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,35 W/m.K.
-
In der beispielhaften Ausführungsform von 1 umfasst die Form 100 der vorliegenden Erfindung eine Mischung aus Polyethylenterephthalat, PET, und Bornitrid, BN, als Füllmaterial in einer Menge von 30 Vol.-%, so dass die Form 100 eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 1,85 W/m·K aufweist, d.h. fünfmal höher ist als bei der herkömmlichen Form. Die Erfinder haben herausgefunden, dass diese erhöhte Wärmeleitfähigkeit zu einer deutlichen Verkürzung der Abkühlzeit gegenüber der konventionellen Form führt.
-
In dem in 1 dargestellten Fall weist die Form 100 ein Unterteil 105a, ein Oberteil 105b und ein Seitenteil 105c auf. Andere Formgeometrien sowie mehr oder weniger Teile der Form 100 sind ebenfalls denkbar.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die experimentell untersucht wird, umfasst die Form eine Mischung aus geschäumtem PET und BN als Füllmaterial in einer Menge von 15 Vol.-%, was zu einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,85 W/m.K führt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass diese experimentell untersuchte Ausführungsform zu einer Abkühlzeit von ca. 5,9 min im Vergleich zu 10 min für die oben erwähnte konventionelle Form führt. Mit anderen Worten, die Abkühlzeit wird um ca. 41 % reduziert.
-
Der Fachmann wird verstehen, dass auch andere(s) Füllmaterial(ien) oder Mischungen wie oben genannt denkbar sind. Beispielsweise kann das Füllmaterial ein dielektrisches Material umfassen, insbesondere eine Mischung aus mindestens zwei anorganischen Materialien, vorzugsweise mindestens eines der folgenden: ein Metallnitrid, ein Metalloxid, ein Metallcarbid, ein Metallsulfid, ein Metallsilikat, ein Siliciumcarbid und Siliciumnitrid, am meisten bevorzugt Bornitrid, BN, SILATHERM® oder SILATHERM® Advance. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Füllmaterial mindestens eines der folgenden: eine Mischung aus einem Kohlenstoffmaterial und einem anorganischen Material, Kohlenstofffaser, glasartiger Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanoknospen, Aerographit, linearer acetylenischer Kohlenstoff, q-Kohlenstoff, Graphen, ein Salz, ein monokristallines Pulver, ein polykristallines Pulver, ein amorphes Pulver, eine Glasfaser. Wie oben beschrieben, folgen alle diese beschriebenen Ausführungsformen der gleichen Idee, optimale Eigenschaften für eine effiziente Formung durch dielektrische Erwärmung des Partikelschaumteils in der Form und die anschließende Abkühlung der Form und des Partikelschaumteils zu erreichen.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, ein Füllmaterial zu wählen, um definierte physikalische oder mechanische Eigenschaften in verschiedenen Bereichen des Bauteils, insbesondere des Partikelschaumteils 120, bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Form gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Dies kann unterschiedliche Verschmelzungsgrade in diesen unterschiedlichen Bereichen und damit abgestufte physikalische oder mechanische Eigenschaften in der Zwischensohle 120 beinhalten. Beispielsweise können unterschiedliche Mischungen des Polymermaterials und des Füllmaterials in verschiedenen Bereichen der Form verwendet werden. Daher eröffnen solche Ausführungsformen die Möglichkeit, abgestufte und damit maßgeschneiderte Eigenschaften der Partikelschaumteile in einem reproduzierbaren Herstellungsprozess bereitzustellen.
-
Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass der Einsatz einer erfindungsgemäßen Form nicht nur zu qualitativ besseren Endprodukten führen, sondern auch erhebliche Vorteile für den gesamten Formungsprozess bieten kann, wie z. B. reduzierte Zykluszeiten, so dass die Gesamtproduktivität gesteigert werden kann.
-
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 102016100690 A1 [0004]
- DE 102016123214 A1 [0004]
- DE 202016104341 U1 [0004]
