DE102021110841A1

DE102021110841A1 - Vorrichtung, Verfahren und Kondensatorplatten-Set zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils

Info

Publication number: DE102021110841A1
Application number: DE102021110841.1A
Authority: DE
Inventors: Victor Romanov; Constantin Kemmer; Marc Norridge; Bastian Gothe; Jarkko Siltamäki
Original assignee: Kurtz & Co Kg GmbH
Current assignee: Kurtz & Co Kg De GmbH
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2022-11-03
Also published as: WO2022229030A1; EP4330004A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils mittels elektromagnetischer Strahlung umfasst ein Formwerkzeug (3), das einen Formraum (14) begrenzt, der zwischen zwei Kondensatorplatten (15, 16) angeordnet ist. Zumindest eine der Kondensatorplatten (15, 16) ist aus mehreren Segmenten (85, 86) gebildet, so dass die Fläche der Kondensatorplatte (15, 16) an die Größe des Formwerkzeugs (3) anpassbar ist. Zur Herstellung von Partikelschaumstoffteilen werden Schaumstoffpartikel durch elektromagnetische Strahlung zwischen Kondensatorplatten (15, 16) verschweißt, wobei die Segmente (85, 86) kombiniert werden. Ein Kondensatorplatten-Set (90) umfasst Kondensatorplattensegmente (85, 86), die zur gemeinsamen Ausbildung einer Kondensatorplatte (15, 16) ausgestaltet sind.

Description

1. Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Kondensatorplatten-Set zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils.
Die Vorrichtung, das Verfahren und das Kondensatorplatten-Set sind zum Herstellen der Partikelschaumstoffteile unter Verwendung von elektromagnetischen Wellen vorgesehen, wobei mittels der elektromagnetischen Wellen Schaumstoffpartikel zu einem Partikelschaumstoffteil verschweißt werden. Die zum Verschweißen notwendige Energie wird mittels der elektromagnetischen Wellen an die Schaumstoffpartikel angelegt.
Die Vorrichtung, das Verfahren und das Kondensatorplatten-Set können insbesondere bei der Herstellung eines Partikelschaumteils, insbesondere eines Partikelschaumteils mit einer dreidimensionalen Form mit variierender Dicke verwendet werden.
2. Stand der Technik
In der US 3,079,723 ist ein Verfahren zum Sintern von feuchten thermoplastischen Schaumstoffpartikeln beschrieben. Die Partikel werden dielektrisch erhitzt und gleichzeitig komprimiert. Es werden elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von etwa 2 bis 1000 MHz angelegt.
Das Dokument US 3,242,238 beschreibt ein ähnliches Verfahren. Dabei werden Schaumstoffpartikel mit einer wässrigen Lösung befeuchtet und einem elektromagnetischen Feld mit einer Frequenz von etwa 5 bis 100 MHz ausgesetzt.
Das Dokument GB 1,403,326 beschreibt ein Verfahren zum Verschweißen von expandierbaren Polystyrolschaumstoffpartikeln. Dabei werden Partikel mit einer wässrigen Lösung befeuchtet und einem elektromagnetischen Feld von 5 bis 2000 MHz ausgesetzt.
Aus der WO 01/064414 A1 geht ein Verfahren hervor, bei dem Polymerpartikel aus Polyolefinen, die mit einem flüssigen Medium benetzt sind, mit elektromagnetischen Wellen, insbesondere Mikrowellen, erhitzt werden. Hierbei wird die Temperatur im Formwerkzeug mittels Steuern des darin befindlichen Druckes geregelt.
In der WO 2013/050181 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Partikelschaumstoffteilen beschrieben, bei welchen eine Mischung aus Schaumstoffpartikeln und dielektrischer Transferflüssigkeit mittels elektromagnetischer Wellen erhitzt wird, um die Schaumstoffpartikel zu einem Partikelschaumstoffteil zu verschmelzen. Als elektromagnetische Wellen werden Radiowellen oder Mikrowellen verwendet. Das Material der Schaumstoffpartikel ist aus Polypropylen (PP) ausgebildet.
Trotz dieser seit langem anhaltenden erheblichen Anstrengungen haben sich bisher in der industriellen Produktion keine Maschinen durchgesetzt, mit welchen Schaumstoffpartikel mittels elektromagnetischer Wellen verschweißt werden. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass die Wärme nicht gleichmäßig in die Schaumstoffpartikel eingebracht werden kann. Hierdurch erhält man keine gleichmäßige Verschweißung im Partikelschaumstoffteil.
In der kommerziellen Benutzung werden deshalb bisher vorrangig Maschinen verwendet, welche die Schaumstoffpartikel mittels Dampf verschweißen. Diese Maschinen haben jedoch den Nachteil, dass der Energieeintrag ineffizient ist. Weiterhin sind die Partikelschaumstoffteile nach dem Verschweißen noch feucht und können daher nicht sofort weiterverarbeitet werden. Da das Erhitzen von außen nach innen erfolgt, kann der Innenbereich der Schaumstoffpartikel nicht immer mit ausreichender Güte verschweißt werden. Darüber hinaus sind die Geräte zur Erzeugung von Dampf im Vergleich zu einem Generator für elektromagnetische Wellen wesentlich aufwändiger.
Zur Verschweißung von Schaumstoffpartikeln mit elektromagnetischer Strahlung ist ein sehr hoher Energieeintrag in die Schaumstoffpartikel erforderlich, die sich hierzu in einem Werkzeug befinden. Darüber hinaus soll der Energieeintrag in die Schaumstoffpartikel möglichst gleichmäßig erfolgen, um ein gleichmäßiges Erhitzen und damit eine gleichmäßige Verschweißung der Schaumstoffpartikel zu erreichen.
Dabei besteht das Problem, dass die Elektroden und das entsprechende Werkzeug in der Regel unterschiedliche Größen besitzen. Das Werkzeug ist je nach dem Produkt, das hergestellt werden soll, auszutauschen. Daher werden in einer Vorrichtung unterschiedliche Werkzeuge verwendet, die sich in der Größe unterscheiden können.
Das Werkzeug ist normalerweise ein Stück kleiner als die Elektrode, um das Werkzeug vollständig im elektrischen Feld des Plattenkondensators anzuordnen. Die Elektrode steht somit in der Regel ein Stück seitlich am Werkzeug über. Hierdurch wird ein elektrisches Feld aufgebaut, das nicht genutzt wird. Die Kapazität des Kondensators ist größer als notwendig. Dadurch nimmt der Kondensator mehr Ladung und damit auch mehr Energie als notwendig auf.
Ein weiteres Problem stellt sich insbesondere bei der Herstellung von Partikelschaumteilen, insbesondere von Partikelschaumteilen mit einer komplexen dreidimensionalen Geometrie. Es gibt viele Partikelschaumteile, die fast nie eine konstante Dicke entlang ihrer Längs- und/oder Querausdehnung aufweisen. Dies erschwert den Schweißprozess, da eine gleichmäßige und homogene Verschweißung der Partikel über alle Bereiche des Partikelschaumteils nur schwer zu erreichen ist.
Die Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung hat die Vorrichtungen zum Verschweißen von Schaumstoffpartikeln mittels elektromagnetischer Wellen und die entsprechenden Verfahren derart weiterentwickelt, dass sie in der Lage ist, größere Stückzahlen von Schaumstoffpartikeln mittels ersten Maschinen durch Verschweißen der Schaumstoffpartikel mittels elektromagnetischer Wellen herzustellen. Diese Vorrichtungen und Verfahren beruhen auf der Technologie, die in den Druckschriften DE 10 2016 100 690 A1 und DE 10 2016 123 214 A1 sowie in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2019 127 680.2 beschrieben ist, auf welche insoweit in ihrem Offenbarungsgehalt auch im Zusammenhang mit der nachstehend beschriebenen Erfindung vollumfänglich, und insbesondere die Vorrichtungen und Verfahren sowie Materialien betreffend, ergänzend aber nicht ausschließlich Bezug genommen wird.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die Effizienz des Energieeintrags zu erhöhen und das elektrische Feld bei der Herstellung von Partikelschaumteilen durch Verschweißen von Schaumstoffpartikeln mittels elektromagnetischer Wellen effektiver zu nutzen.
Der Erfindung liegt ferner das Problem zugrunde, die Qualität von Partikelschaumteilen, die durch Verschweißen von Schaumstoffpartikeln mittels elektromagnetischer Felder hergestellt werden, zu erhöhen, auch wenn sie eine komplexe dreidimensionale Geometrie und insbesondere eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
Diese Probleme werden durch die verschiedenen Aspekte der Erfindung, die im Folgenden näher erläutert werden, angegangen und zumindest teilweise gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumteils.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Formwerkzeug, das einen Formraum definiert, wobei mindestens zwei Kondensatorplatten benachbart zu dem Formraum angeordnet sind, die mit einer Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung verbunden sind, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung auszusenden, und das Formwerkzeug aus mindestens zwei Formhälften gebildet ist, wobei mindestens eine der beiden Kondensatorplatten aus mehreren Segmenten gebildet ist, so dass die Oberfläche des Kondensatorplattenfeldes mit den mehreren Segmenten in Abhängigkeit von der Form des aufzuschmelzenden Produktes im Formraum angepasst werden kann.
Die aus Segmenten gebildete Kondensatorplatte ist zum Beispiel als eine segmentierte Elektrode ausgebildet. Sie kann aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt werden. Insbesondere bei einer flachen Elektrode bzw. Kondensatorplatte ist dies relativ einfach zu bewerkstelligen. Jedoch ist es nicht nur bei ebenflächigen sondern auch bei konturierten Elektroden, wie zum Beispiel bei Elektroden zum Herstellen von Fischkisten, möglich.
Zum Beispiel sind die Segmente derart geformt, dass durch Entfernen und/oder Hinzufügen der einzelnen Segmente zur Bildung der Kondensatorplatte deren Fläche in ihrer Form und Größe, sowie insbesondere in ihren Abmessungen, an die Form des Formwerkzeugs anpassbar ist.
Bevorzugt sind die Segmente der Kondensatorplatte lösbar elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Dadurch können einzelne Segmente entfernt oder hinzugefügt werden, um auf diese Weise die Fläche der Kondensatorplatte an die Größe des Formwerkzeugs anzupassen.
Es kann ein elektrisch leitendes Verbindungselement vorgesehen sein, das zwei oder mehr Segmente an ihren Rändern elektrisch miteinander verbindet. Es können zum Beispiel elektrisch leitende Metallelemente, wie beispielsweise Kupfer- oder Messingfolien verwendet werden, gegen welche die Ränder der Segmente der Elektroden geklemmt werden, sodass eine elektrische Verbindung zu allen Segmenten der Elektroden bestehen.
Zudem können die Segmente an ihren Rändern Bereiche aufweisen, die im zusammengefügten Zustand der Segmente ineinandergreifen. Dadurch kann an den Stoßstellen der Segmente die elektrische und mechanische Verbindung besonders zuverlässig und relativ kostengünstig hergestellt werden. Die Ränder oder Bereiche können zu diesem Zweck zum Beispiel als Stufenfalz ausgebildet sein.
Andererseits können die Segmente auch unverriegelt, insbesondere ohne solche Verriegelungsbereiche, vorgesehen werden, was vorteilhaft sein kann, um eine In-Mold-Montage zu ermöglichen, d. h. eine Montage der Segmente (oder Hinzufügen oder Entfernen eines oder mehrerer Segmente), ohne das Formwerkzeug/die Kondensatorplatten demontieren zu müssen.
Vorzugsweise sind die Segmente abnehmbar an einem Isolator befestigt. Der Isolator dient dazu, die Segmente an ihrem Platz zu halten. Der Isolator ist vorzugsweise für Hochspannung geeignet und verursacht keine nennenswerten Verluste bei der HF-Strahlung, da er sich sonst erwärmen würde. Auch sollte das verwendete Material hinsichtlich seiner Feldleitfähigkeit und seines dielektrischen Verlustes keine nennenswerte Reaktion auf das eingesetzte elektromagnetische Feld zeigen, da dies wiederum zu einer unerwünschten Erwärmung führen würde. Daher wird ein dielektrisches Material mit einem vorzugsweise niedrigen dielektrischen Verlustfaktor sowie einer niedrigen Dielektrizitätskonstante bevorzugt. Beispielsweise kann ein keramisches Material und/oder ein Kunststoffmaterial verwendet werden. Beispiele für dielektrische Polymere, die verwendet werden können, umfassen: PEEK, PTFE, PE, PS, PET. Beispiele für keramische Materialien, die verwendet werden können, umfassen: Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumsilikate.
Die Segmente der Elektrode bzw. der Kondensatorplatte können am Isolator zum Beispiel mittels Schrauben befestigt werden. Aber auch andere Befestigungsmittel, wie zum Beispiel Steckverbindungen, Bolzen, Klemmelemente, usw. können zur Befestigung der Segmente am Isolator geeignet sein.
Beispielsweise ist zumindest ein Segment der aus den Segmenten gebildeten Kondensatorplatte elektrisch mit der Strahlungsquelle verbunden.
Gemäß einer Variante können die Segmente der Kondensatorplatte permanent an einem Isolator befestigt sein und einzeln zuschaltbar oder abschaltbar sein, um die Größe der Kondensatorplatte einzustellen. Dies ist insbesondere dann relativ einfach möglich, wenn die segmentierte Kondensatorplatte ebenflächig ist, oder auch wenn zwei ebenflächige, segmentierte Kondensatorplatten den Kondensator zur Beaufschlagung der Partikel mit Strahlung bilden.
In diesem Fall sind die Segmente vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert und jeweils separat zum Beispiel über eine Hochfrequenzleitung mit der Strahlungsquelle verbunden. Die Strahlungsquelle ist insbesondere ein Hochfrequenzgenerator.
Vorteilhaft sind die Segmente jeweils mit einem abstimmbaren Schwingkreis verbunden und durch Abstimmung des jeweiligen Schwingkreises einzeln oder in Gruppen zuschaltbar bzw. aktivierbar oder abschaltbar bzw. deaktivierbar sind.
Insbesondere bilden die Segmente jeweils einen Teilkondensator, welcher jeweils mit dem abstimmbaren Schwingkreis verbunden ist.
Jeder Zuführleitung ist dabei ein Regelkondensator zugeordnet, mit dem die über die jeweilige Leitung zugeführte Energie unabhängig voneinander eingestellt werden kann. Hierdurch kann durch Steuerung der Energiezufuhr auf den einzelnen Leitungen eingestellt werden, welches Segment des Kondensators betrieben wird. Durch das Zu- und Abschalten einzelner Segmente mittels Schwingkreisabstimmung kann die Größe der Kondensatorplatte hinsichtlich ihrer strahlungsemittierenden Fläche an die Größe des Formwerkzeugs angepasst werden. Dadurch ist es nicht notwendig, einzelne Segmente je nach Formwerkzeug mechanisch zu entfernen bzw. zu befestigen, um die Fläche der Kondensatorplatte anzupassen.
Bevorzugt bilden die Segmente gemeinsam eine konturierte Kondensatorplatte.
Die Segmente können insbesondere an beiden Seiten des Formraums angeordnet sein und insbesondere dort jeweils eine segmentierte Kondensatorplatte bilden.
Zum Beispiel können die Segmente aber auch nur an einer Seite des Formraums angeordnet sein und dort eine segmentierte Kondensatorplatte bilden. An der anderen Seite des Formraums kann zum Beispiel eine durchgehende Kondensatorplatte angeordnet sein.
Auch kann an der anderen Seite des Formraums beispielsweise ein elektrisch leitender Bereich des Formwerkzeugs oder eine elektrisch leitende Formhälfte als eine Kondensatorplatte dienen, die der segmentierten Kondensatorplatte gegenüber liegt. Bei einer konturierten Fläche wird jedoch eine elektrisch nichtleitende Formhälfte bevorzugt, da hiermit einfacher ein gleichmäßiges elektrisches Feld einstellbar ist. Außerdem würde die Verwendung einer elektrisch leitenden Formhälfte die Gefahr mit sich bringen, dass das hergestellte Bauteil in den an diese Formhälfte angrenzenden Bereichen verbrennt, so dass auch unter diesem Gesichtspunkt ein nicht leitendes Material bevorzugt wird.
Wenn beide Formhälften elektrisch leitend wären, müsste eine Formhälfte an eine RF-Leitung Strahlung angeschlossen werden, was relativ schwer bzw. nur sehr aufwendig zu bewerkstelligen wäre.
Vorteilhaft ist zumindest eine der aus den Segmenten gebildeten Kondensatorplatten elektrisch mit der Strahlungsquelle verbunden, während zum Beispiel die andere Kondensatorplatte oder deren Segmente elektrisch geerdet bzw. an Masse angeschlossen sind.
Insbesondere können die Segmente jeweils eine Geometrie aufweisen, die beim Kombinieren der Segmente eine Kondensatorplatte ergibt, deren Geometrie an die Geometrie des Formwerkzeugs angepasst ist. Zum Beispiel können die Segmente rechteckig ausgebildet sein, bevorzugt in unterschiedlichen Abmessungen, um durch Kombinieren mehrerer Segmente je nach der Größe des zu bestrahlenden Werkzeugs unterschiedlich große Rechtecke als Kondensatorplatte auszubilden.
Die Ränder benachbarter Segmente verlaufen vorteilhaft parallel zueinander, um gemeinsam durch Kombination mehrerer Segmente die Kondensatorplatte zu bilden.
Insbesondere ist eine Anordnung der einzelnen Segmente vorteilhaft, bei welcher ein mittiges quadratisches Segment vorgesehen ist, und weitere Zusatzsegmente sich entlang der Seiten des quadratischen Segments erstrecken. Hierdurch kann man unterschiedlich große Rechtecke durch Kombinieren von mehreren Segmenten darstellen. Ein weiterer Ring von Zusatzsegmenten kann zusätzlich vorgesehen sein.
Die Segmente können zum Beispiel als Blechteile ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Segmente biegsam. Vorteilhaft sind sie aus einem elektrisch gut leitenden Metall bzw. einer elektrisch gut leitenden Metalllegierung gefertigt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Kondensatorplatten-Set für eine Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumteils vorgesehen.
In einer Ausführungsform umfasst das Kondensatorplatten-Set mindestens ein erstes Kondensatorplattensegment, das an einem Isolator befestigbar ist und einen Anschlussbereich aufweist, der mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung verbindbar ist, und ein oder mehrere zweite Kondensatorplattensegmente, wobei das erste Kondensatorplattensegment und die zweiten Kondensatorplattensegmente dazu ausgebildet sind, gemeinsam eine Kondensatorplatte zu bilden, deren Fläche in ihrer Größe an die Größe eines Formwerkzeugs zur Herstellung des Partikelschaumteils anpassbar ist.
Die Kondensatorplattensegmente bilden einen Satz mehrerer zusammengehöriger Gegenstände, um gemeinsam zumindest eine oder auch mehrere segmentierte Kondensatorplatten zu bilden, welche in Ihrer Größe an die Größe des Werkzeugs anpassbar sind, das die Schaumstoffpartikel enthält.
Bevorzugt sind dabei die Kondensatorplattensegmente lösbar elektrisch und mechanisch miteinander verbindbar.
Insbesondere können auch die zweiten Kondensatorplattensegmente jeweils einen Anschlussbereich zum Verbinden mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung umfassen.
Jedes Kondensatorplattensegment kann derart ausgestaltet sein, dass es in der daraus gebildeten Kondensatorplatte elektrisch isoliert von den anderen Kondensatorplattensegmenten ist und insbesondere durch einen abstimmbaren Schwingkreis zuschaltbar oder abschaltbar ist.
Bevorzugt ist das Kondensatorplatten-Set zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestaltet.
Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: a.) Einfüllen von Schaumstoffpartikeln in einen Formraum eines Formwerkzeugs, wobei mindestens zwei Kondensatorplatten benachbart zum Formraum angeordnet sind, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung elektrisch mit einer Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung verbunden sind; b.) Verschweißen der Schaumstoffpartikel durch die elektromagnetische Strahlung zwischen den Kondensatorplatten; und c.) Entformen; wobei d.) mindestens eine der beiden Kondensatorplatten aus einer Vielzahl von Segmenten gebildet ist und die Fläche der mindestens einen Kondensatorplatte durch Zusammenfassen der strahlungserzeugenden Segmente an die Größe des Formwerkzeugs angepasst ist.
Die Schaumstoffpartikel werden in dem Formwerkzeug erhitzt, so dass sie zum Partikelschaumstoffteil verschweißen. Den Schaumstoffpartikeln wird Wärme mittels elektromagnetischer RF-Strahlung zugeführt.
Vorteilhaft werden die Segmente lösbar elektrisch und mechanisch miteinander verbunden, um sie miteinander zu kombinieren.
In einer Variante können die Segmente elektrisch voneinander isoliert angeordnet werden und zum Beispiel durch Abstimmung eines mit dem Segment verbundenen Schwingkreises zugeschaltet oder abgeschaltet werden, um sie miteinander zu kombinieren. Dadurch kann die Fläche der Kondensatorplatte, die Strahlung emittiert, angepasst werden, ohne dass Segmente mechanisch entfernt oder mechanisch hinzugefügt werden müssen. Insbesondere entfällt dadurch das mechanische Trennen oder Anschließen von Segmenten an die Strahlungsquelle beim Anpassen der Kondensatorplattenfläche, was einen hohen Aufwand erfordern würde.
Insbesondere bilden die Segmente jeweils einen Teilkondensator.
Vorteilhafterweise wird zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung gemäß der Erfindung und/oder ein Kondensatorplatten-Set gemäß der Erfindung verwendet.
Die Schaumstoffpartikel sind bevorzugt expandierte, thermoplastische Kunststoffmaterialien, insbesondere aus Polyurethan (PU), Polylactat (PLA), Polyethylen-Block-Amid (PEBA) oder aus Polyethylenterephtalat (PET) ausgebildet. Sie bestehen zum überwiegenden Teil insbesondere aus Polyurethan, Polylactat (PLA), Polyethylen-Block-Amid (PEBA), aus Polyethylenterephtalat oder einem Gemisch dieser Materialien. Vorzugsweise bestehen die Schaumstoffpartikel zu 90 Gew.% aus einem oder einer Mischung dieser Materialien. Bei diesen Schaumstoffpartikeln handelt es sich um Partikel, die einen so genannten Perlenschaum bilden, der in der Fachwelt auch als Pellet-/Partikelschaum bezeichnet wird. Häufig werden die aus der Verwendung von zusammenhängenden Schaumstoffpartikeln gewonnenen Schäume mit der Bezeichnung „e“ versehen, um die Perlenform der Polymerschaumkomponente zu kennzeichnen, z. B. eTPU.
Die Schaumstoffpartikel aus diesen Materialien werden vor allem durch unmittelbare Absorption der RF-Strahlung erhitzt. Das heißt, dass die Wärme nicht oder nur zu einem geringen Teil über ein wärmevermittelndes Medium, wie z. B. Wasser, das die RF-Strahlung absorbiert und an die Schaumstoffpartikel abgibt, erhitzt wird. Die unmittelbare Absorption der RF-Strahlung ist zum einen sehr effizient und erlaubt auch die Verschweißung von Schaumstoffpartikel, die aus Materialien, wie z.B. Polyethylenterephtalat (PET) bestehen, deren Erweichungstemperatur über 200°C (in der Regel bei ca. 260°C) liegt, was durch Erhitzen mit einem wässrigen Wärmeübertragungsmittel nicht möglich ist. Zudem wird die Verwendung derartiger Wärmeübertragungsmittel vermieden bzw. reduziert, wodurch die Qualität des Endproduktes verbessert ist.
Die Zugabe eines Wärmeträgers ist jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich.
Die elektromagnetische RF-Strahlung weist vorzugsweise eine Frequenz von zumindest 30 KHz bzw. zumindest 0,1 MHz, insbesondere zumindest 1 MHz bzw. zumindest 2 MHz vorzugsweise zumindest 10 MHz auf. In der Regel liegt die Frequenz maximal bei 300 MHz. Spezifische (Mitten-)Frequenzen, die verwendet werden können und für die Strahlungsquellen leicht im Handel erhältlich sind, sind z. B. 6,78 MHz, 13,56 MHz, 27,12 MHz, 40,68 MHz. Es können aber auch (Mitten-)Frequenzen von 2,45 GHz oder 5,8 GHz verwendet werden.
Zur Erzeugung der elektromagnetischen RF-Strahlung sind die Kondensatorplatten bevorzugt an dem ansonsten aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildeten Formwerkzeug oder Formwerkzeugbereich angeordnet. An die Kondensatorplatten wird eine Hochfrequenzspannung mit einer Amplitude von etwa zumindest 1 kV bis zu einigen kV, vorzugsweise zumindest 10 kV und insbesondere zumindest 20 kV angelegt.
Mit derartigen elektrischen Spannungen kann auf die im Formraum befindlichen Schaumstoffpartikel eine Leistung im Bereich von 10 kW bis 60 kW übertragen werden. Hierdurch können auch großvolumige Partikelschaumstoffteile mit sehr kurzen Taktzeiten von etwa 30 Sekunden bis 2 Minuten zuverlässig hergestellt werden.
Die Schaumstoffpartikel können im Formwerkzeug komprimiert werden. In diesem Fall ist das Werkzeug zum Beispiel als ein Crackspalt-Formwerkzeug ausgestaltet. Darin werden die Schaumstoffpartikel mechanisch zusammengedrückt, zusätzlich zur Wirkung ihrer thermischen Expansion.
Das Formwerkzeug besteht vorzugsweise aus einem für die verwendete elektromagnetische RF-Strahlung im Wesentlichen transparentem Material, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen, insbesondere UHMWPE, Polyetherketon (PEEK) und andere für RF-Strahlung transparente Materialien. Es können aber auch semitransparente Materialien verwendet werden, wie Polyethylenterephthalat (PET), Polyoxymethylen (POM) oder Polyketon (PK).
In der Variante, dass die Segmente einzeln oder in Gruppen zuschaltbar oder abschaltbar sind, um den Kondensator zu bilden, ist die elektromagnetische Strahlungsquelle als Teil eines Generatorschwingkreises ausgebildet. Leitungen zum Führen der elektromagnetischen Wellen bilden zusammen mit jeweils einem Paar von Segmenten, die einen Teilkondensator bilden, einen Werkzeugschwingkreis. Durch Verändern einer Induktivität oder einer Kapazität ist der Werkzeugschwingkreis abstimmbar und bildet einen abstimmbaren Schwingkreis, durch den die Übertragung der Leistung gezielt blockiert oder freigegeben werden kann.
Eine Steuereinrichtung zur Steuerung des abstimmbaren Schwingkreises ist derart ausgebildet, dass die Leistungszufuhr vom Generatorschwingkreis auf den Werkzeugschwingkreis, der als abstimmbarer Schwingkreis ausgestaltet ist, durch dessen Abstimmung zugeschaltet bzw. freigeschaltet oder unterbrochen wird. Auf diese Weise wird das betreffende Segment der aus mehreren Segmenten gebildeten Kondensatorplatte, die das Formwerkzeug beim Schweißvorgang mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt, hinzugefügt oder entnommen.
Die durch das Zuschalten mittels Schwingkreisabstimmung übertragbare Leistung liegt insbesondere im Bereich von 25 kW bis 60 kW, abhängig von der Dimensionierung des Generators und den Leitungen, mit welchen der Generatorschwingkreis mit dem abstimmbaren Schwingkreis verbunden ist.
Eine der beiden Kondensatorplatten kann, bei allen Ausführungen der unterschiedlichen Aspekte der Erfindung, die bis hierhin diskutiert wurden, elektrisch mit Masse verbunden sein. Die andere Kondensatorplatte ist direkt entweder selbst oder durch eines oder mehrere seiner Segmente mit der Strahlungsquelle verbunden, wobei die Strahlung als elektromagnetische Wellen gegenüber Masse dieser Kondensatorplatte zugeführt werden.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit dem oben beschriebenen ersten, zweiten und/oder dritten Aspekt der Erfindung und allen ihren möglichen Optionen, Modifikationen und Ausführungsformen kombiniert werden kann (sofern dies nicht physikalisch oder technisch ausgeschlossen ist), wird durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumteils bereitgestellt.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung: a.) ein aus mindestens zwei Formhälften gebildetes Formwerkzeug, das einen Formraum definiert; b.) mindestens zwei Kondensatorplatten, die benachbart zu dem Formraum angeordnet sind; wobei c.) mindestens eine der Kondensatorplatten mit einer Strahlungsquelle verbunden ist; und wobei d.) mindestens eine der Kondensatorplatten mehrere Segmente umfasst, die einen anpassbaren Abstand zu dem Formraum aufweisen.
Wir weisen darauf hin, dass die Anordnung der Kondensatorplatten „angrenzend“ an den Formraum nicht bedeutet, dass die Kondensatorplatten in direktem Kontakt mit dem Formraum stehen oder die Wände des Formraums bilden. Vielmehr ist damit gemeint, dass die Kondensatorplatten „um“ den Formraum herum und in einem Abstand davon angeordnet sind, der es ermöglicht, den Formraum mit einem elektromagnetischen Wechselfeld zu fluten oder zu bestrahlen, das geeignet ist, die gewünschte Verschweißung der Schaumstoffpartikel im Formraum zu erzeugen. Typischerweise werden Komponenten oder Teile z. B. des Formwerkzeugs (insbesondere Teile, die für die verwendete elektromagnetische Strahlung durchlässig oder weitgehend durchlässig sind) zwischen den Kondensatorplatten und dem Formraum angeordnet (siehe z. B. die ausführliche Erörterung möglicher Ausführungsformen in Bezug auf die Figuren in den folgenden Abschnitten), und die Form und die Abmessungen des Formraums werden durch das Formwerkzeug und nicht durch die Kondensatorplatten selbst definiert (wodurch es im Allgemeinen möglich ist, verschiedene Formwerkzeuge mit verschiedenen Formhohlräumen zwischen demselben Satz von Kondensatorplatten zu verwenden).
In der beschriebenen Vorrichtung sind die Mehrfachsegmente (im Folgenden auch „Elektrodenelemente“ genannt) so gestaltet, dass manuelle oder automatische Formänderungen der jeweiligen Kondensatorplatte (im Folgenden auch „Elektrode“ genannt) möglich sind. Diese Formveränderungen dienen der lokalen Steuerung der elektrischen Feldstärke innerhalb des Formraums und damit der Steuerung der Materialerwärmung an dieser Stelle, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Diese Modularität bringt sowohl Herstellungs- als auch Produktvorteile mit sich.
Frühere Bemühungen in der Werkzeugentwicklung konzentrierten sich auf ein ausgeklügeltes Elektrodendesign, das durch exakte Simulationen gesteuert wurde, mit dem Ziel, das elektromagnetische Feld im Inneren des Formraums durch das Design der Elektroden/Kondensatorplatten direkt so gut wie möglich an die gewünschten Werte anzupassen. Da die Partikelverschmelzung mittels elektromagnetischer Strahlung (insbesondere HF-Strahlung) auf der dielektrischen Erwärmung der Zielmaterialien beruht, ist die Homogenität der Erwärmung von einer gleichmäßigen elektrischen Feldverteilung bei der Arbeitsfrequenz abhängig. Das Feld wird typischerweise zwischen (mindestens) zwei leitenden Elektroden/Kondensatorplatten, einer aktiven und einer geerdeten, erzeugt, zwischen denen sich ein isolierendes Formwerkzeug und das Zielteil befinden. Üblicherweise sind die leitenden Metallelektroden/Kondensatorplatten teilweise geformt, um die Feldverteilung an die durch das Formwerkzeug und das zu formende Teil verursachten Störungen anzupassen. Wenn diese Formgebung nicht korrekt ist, müssen mehrere Teile des Werkzeugs geändert werden, um das Elektrodendesign zu optimieren. Außerdem kann die Elektrodenform nicht während des Prozesses oder zwischen Prozessschleifen geändert werden, um sie an veränderte Produktanforderungen oder Materialschwankungen anzupassen.
Die hier vorgestellte Vorrichtung ermöglicht dagegen flexible Änderungen des Werkzeugaufbaus, insbesondere in Bezug auf den Abstand zwischen den aktiven und passiven Elektroden/Kondensatorplatten und vor allem auf eine Gitterauflösung. Die Änderung kann manuell oder aktiv erfolgen, je nach gewählter Betätigung. Die Änderung kann für das Teil, das gerade hergestellt wird, festgelegt werden, oder sie kann sogar während des Prozesses geändert werden, um eine noch bessere Kontrolle zu ermöglichen, als sie derzeit möglich ist. So kann beispielsweise je nach gewählter Gitterauflösung die Feldstärke lokal erhöht oder verringert und damit die Erwärmungsrate und die maximale Temperatur, die das Ziel erfährt, festgelegt werden. Dies ermöglicht z.B. eine schnelle Anpassung an neue Formgeometrien und lokal abgestimmte Teileeigenschaften.
Mindestens eine der Elektroden/Kondensatorplatten ist daher in eine Ansammlung von Elementen oder Segmenten (z. B. ein Gitter aus solchen Elementen/Segmenten) aufgeteilt, die parallel zur z-Achse bewegt werden können, die in der Richtung von der Elektrode/Kondensatorplatte zum Formraum hin liegt, die aber vorzugsweise immer noch elektrisch mit einem Hauptkörper der Elektrode (sei es die aktive oder passive Seite, vorzugsweise die passive) verbunden sind, der dann weiter mit einem Strahlungsgenerator oder einer Masse (vorzugsweise Erdpotential, da dies einen einfacheren Aufbau ermöglicht) verbunden ist. Der Abstand zwischen den Elektrodenelementen/Segmenten und dem Formraum, und damit zwischen den gegenüberliegenden Elektroden/Kondensatorplatten, beeinflusst die lokale Feldstärke im Spalt zwischen den beiden Elektroden/Kondensatorplatten und damit im Formraum. Dieser Abstand kann durch eine beliebige Form von Aktuatoren eingestellt werden und die Abstandsregelung kann auf der Ebene der einzelnen Segmente erfolgen. Insbesondere ist es möglich, alle Elemente immer in elektrischem Kontakt zu halten und den elektromagnetischen Verschmelzungsprozess nicht durch die Segmentsteuerung zu stören.
So wurde beispielsweise eine Reihe von Durchläufen mit einem Aluminium-Breadboard durchgeführt, das eine Reihe von Schrauben trägt. Die Schrauben wurden manuell auf unterschiedliche Höhen eingestellt. Beim Schmelzen von Partikeln aus verbrauchtem thermoplastischem Polyurethan (eTPU) wurden bei den verschiedenen Elektrodenkonfigurationen deutliche Unterschiede in der Heizrate und der maximalen Temperatur erzielt. Auch die Eigenschaften der hergestellten Teile änderten sich lokal und entsprechend.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der vorgestellten Vorrichtung eine verbesserte Qualität der Prototypen/Teile erreicht werden kann und es sich sehr gut für Produkttests und/oder das Prototyping eignet. Dadurch kann die Prozessentwicklung für neue Produkte beschleunigt werden und es stehen kostengünstigere Werkzeuge zur Verfügung. Die Variation des Abstands der Segmente zum Formraum und damit des Abstands zwischen den beiden Elektroden/Kondensatorplatten während des Verschmelzungsprozesses kann auch neue Methoden der Prozess- und damit Produktoptimierung ermöglichen.
Weitere Details, Optionen und Ausführungsformen einer solchen Vorrichtung sowie einige der damit verbundenen technischen Vorteile werden im Folgenden diskutiert.
Wie bereits erwähnt, können die Segmente elektrisch mit einem elektrisch leitfähigen Elektrodenhauptkörper verbunden sein. Der Elektrodenhauptkörper kann insbesondere auf Masse liegen.
Insbesondere kann die Kondensatorplatte, die mit der Strahlungsquelle (z.B. einem Generator für HF-Strahlung) verbunden ist, eine erste Kondensatorplatte auf einer Seite des Formraums sein, und die Kondensatorplatte, die die mehreren Segmente umfasst, die einen anpassbaren Abstand zum Formraum haben, kann eine zweite Kondensatorplatte auf einer gegenüberliegenden Seite des Formraums sein.
Beispielsweise können, wie eingangs erwähnt, eine „aktive“, mit der Strahlungsquelle verbundene Kondensatorplatte und eine „passive“, die einstellbaren Segmente enthaltende Kondensatorplatte auf gegenüberliegenden Seiten des Formraums angeordnet sein und den Formraum zwischen sich einschließen, und durch die Einstellung des Abstands der Segmente zum Formraum wird auch der Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten lokal wirksam verändert. Dies führt im Formraum zu einer Veränderung der Feldstärkeverteilung des den Formraum durchflutenden elektromagnetischen Feldes und damit an den Partikeloberflächen, die unter dem Einfluss des elektromagnetischen Feldes verschweißt werden.
Der Abstand der Segmente zum Formraum kann durch mechanische und/oder elektrische Stellmittel individuell eingestellt werden.
Die Segmente können insbesondere in einem zweidimensionalen Raster, insbesondere in einem Rechteckraster, angeordnet sein.
Die Rasterdichte (d.h. die Anzahl der verstellbaren Segmente pro Flächeneinheit) kann auch lokal variieren. So können z.B. entsprechend zu fertigenden Bereichen mit unterschiedlicher Dicke Segmente mit einer höheren Dichte als in anderen Bereichen des Partikelschaumteils angeordnet werden, um in diesen Bereichen eine noch bessere Steuerung des Schweißprozesses zu ermöglichen.
Alternativ oder zusätzlich zur Veränderung der Dichte der Anordnung der Segmente kann auch deren strahlungsabgebende Fläche lokal verändert werden. So können z. B. Schrauben oder Stifte mit unterschiedlichen Kopfgrößen verwendet werden (typischerweise: kleinere Kopfgrößen in Bereichen mit einer höheren Segmentdichte).
Wie bereits erwähnt, können die Segmente als Schrauben oder Stifte vorgesehen werden, die mit dem Elektrodenhauptkörper verstellbar verbunden sind. Bei den Schrauben kann es sich z. B. um Metallschrauben handeln, die in den Elektrodenhauptkörper eingeschraubt werden, und der Elektrodenhauptkörper kann auch aus Metall bestehen oder Metall enthalten, z. B. Aluminium.
Auf dem Elektrodenhauptkörper kann ferner eine Deckplatte oder eine Deckschicht aus elektrisch nicht leitendem Material angeordnet sein, das Öffnungen aufweist, in denen die Schrauben oder Stifte angeordnet sind.
Eine solche Deckplatte kann dazu dienen, die Stabilität der Anordnung der Segmente selbst zu erhöhen, z. B. durch eine seitliche Stabilisierung der Segmente, insbesondere dann, wenn sie weit aus dem Elektrodenhauptkörper herausbewegt werden (z. B. wenn die Schrauben fast über ihre gesamte Länge aus der Grundplatte herausgeschraubt werden). Sie kann aber auch dazu dienen, eine stabile Plattform zu schaffen, auf der weitere Teile des Formwerkzeugs, die zwischen der Elektroden-/Kondensatorplatte und dem Formraum liegen, aufliegen können. Ohne diese Platte oder Schicht würde die verstellbare Position der Segmente zu einer variierenden Auflagefläche für die angrenzenden Bauteile des Formwerkzeugs führen, was nicht nur eine kompliziertere Konstruktion erfordert, sondern auch der Stabilität des Werkzeugs abträglich sein kann.
Eine solche Abdeckplatte kann aus einer elektrisch isolierenden Abdeckung bestehen oder diese umfassen. Vorzugsweise besteht die Abdeckplatte aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Polytetrafluorethylen, PTFE, Polyethylen, PE, insbesondere ultrahochmolekulares Polyethylen, UHMWPE, Polyetherketon, PEEK, ein Thermoplast, ein Duroplast, Polyethylenterephthalat, PET, Polyoxymethylen, POM, Polystyrol, PS, ein isolierendes mineralisches Material.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass jedes der verstellbaren Segmente in mindestens eine der folgenden vier Positionen eingestellt werden kann: entfernt oder elektrisch getrennt, eine niedrige Position, eine mittlere Position, eine hohe Position.
Die einstellbaren Segmente können beispielsweise durch Abstimmung eines Resonanzkreises, wie er hierin in Bezug auf die anderen Aspekte der Erfindung offenbart wird, und/oder durch einfache schalterartige Elemente elektrisch getrennt werden.
Anstatt auf vorbestimmte Positionen einstellbar zu sein, können einige oder alle Segmente auch kontinuierlich in ihren Positionen eingestellt werden (d. h. in jeder Position zwischen einer untersten und einer obersten Position).
Eine begrenzte Anzahl vorbestimmter Positionen kann den Betrieb der Vorrichtung erleichtern, während die Möglichkeit einer kontinuierlichen Anpassung der Segmentposition (in z-Richtung, d. h. zum Formraum hin und von ihm weg) den Einfluss und die Kontrolle auf die elektromagnetische Feldstärkeverteilung erhöht.
Es ist denkbar, dass die Position der Segmente eingestellt werden kann, während der Formraum mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt oder geflutet wird. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass mit „Position“ die Lage der Segmente in z-Richtung bzw. in der Höhe gemeint ist. Mit anderen Worten: Wenn die Position der Segmente verändert wird, ändert sich ihr Abstand zum Formraum.
Wie bereits oben erörtert und erläutert, beeinflusst die Einstellung der Position eines oder mehrerer der Segmente, d. h. ihres Abstands zum Formraum und damit im Allgemeinen auch zur gegenüberliegenden Elektrode/Kondensatorplatte, die Feldstärkeverteilung des abgestrahlten elektromagnetischen Feldes innerhalb des Formraums.
Zusätzlich kann auch die Form der mit der Strahlungsquelle verbundenen Kondensatorplatte zumindest teilweise an die Geometrie des herzustellenden Teils angepasst werden.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit dem vierten Aspekt Hand in Hand geht und der ebenfalls von allen im Zusammenhang mit dem ersten, zweiten und/oder dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung offenbarten Möglichkeiten, Ausführungsformen und Beispielen Gebrauch machen oder sich auf diese stützen kann, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils, wobei das Verfahren umfasst: a.) Einbringen der Partikel in einen Formraum eines Formwerkzeugs, das aus mindestens zwei Formhälften gebildet ist, die den Formraum begrenzen, wobei mindestens zwei Kondensatorplatten benachbart zum Formraum angeordnet sind, wobei mindestens eine der Kondensatorplatten mit einer Strahlungsquelle verbunden ist, und wobei mindestens eine der Kondensatorplatten mehrere Segmente umfasst, die einen anpassbaren Abstand zum Formraum aufweisen; b.) Bestrahlen des Formraums mit elektromagnetischer Strahlung, die von den Kondensatorplatten emittiert wird; und c.) lokales Einstellen einer Feldstärkeverteilung des bestrahlenden elektromagnetischen Feldes innerhalb des Formraums durch Verändern des anpassbaren Abstands der Segmente zu dem Formraum.
Die Veränderung kann vor und/oder während der Bestrahlung des Formraums mit der elektromagnetischen Strahlung erfolgen.
Die Schaumstoffpartikel können aus einem oder mehreren der folgenden Grundmaterialien bestehen: thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polylactat (PLA), Polyamid (PA), Polyetherblockamid (PEBA), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), thermoplastisches Polyesteretherelastomer (TPEE).
Es wird erwähnt, dass solche Partikel in der Fachwelt auch als Partikel aus geschäumtem Material bezeichnet werden, wobei ein geschäumtes Material ein bereits aufgeschäumtes Material ist (im Gegensatz zu einem aufschäumbaren Material, das aufgeschäumt werden kann, aber noch nicht aufgeschäumt wurde). Mit anderen Worten: Die Partikel haben bereits einen Kern aus geschäumtem Material, bevor sie in die Form eingelegt werden.
Die Schaumstoffpartikel können daher auch als Partikel aus expandiertem (thermoplastischem) Polyurethan, e(T)PU, expandiertem Polylactat, ePLA, expandiertem Polyethylenblockamid, ePEBA, und/oder expandiertem Polyethylenterephthalat, ePET, bezeichnet werden.
4. Kurze Zusammenfassung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Ergänzend wird dabei ausdrücklich Bezug genommen auf die Druckschriften DE 10 2016 100 690 A1 und DE 10 2016 123 214 A1 , sowie auf die deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2019 127 680.2 , in denen Vorrichtungen und Verfahren im Detail beschrieben sind, die beispielhaft durch die Erfindung weiterentwickelt werden.
Dabei zeigen:

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils;
2 eine schematische Darstellung einer Segmentanordnung, die zwei sich gegenüberliegenden Kondensatorplatten zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils bildet;
3 eine Anordnung von miteinander verbundenen Segmenten schematisch als Schnittansicht;
4 eine Anordnung von Segmenten, die gemeinsam eine Kondensatorplatte bilden, als schematische Ansicht auf die Fläche der Kondensatorplatte;
5-8 jeweils unterschiedliche Vorrichtungen zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
9 eine Anordnung zur Beaufschlagung eines Formwerkzeugs mit elektromagnetischer Strahlung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung;
10 schematisch ein Ersatzschaltbild für eine Anordnung von Segmenten, die jeweils separat mit einer Strahlungsquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung verbunden sind;
11 eine Schalteinrichtung zum Hinzuschalten oder Trennen eines Kondensatorplatten-Segments zu bzw. von der Kondensatorplatte zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung; und
12 eine Regeleinrichtung zum Regeln der Leistungszufuhr in einem Schaltbild.
13a-f zeigen einen Teil einer Vorrichtung mit einer Kondensatorplatte, die aus mehreren Segmenten besteht, die einen anpassbaren Abstand zum Formraum haben, sowie entsprechende Messergebnisse, die aus einer Reihe von Testläufen mit einer solchen Vorrichtung gewonnen wurden.

5. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils ist in 1 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Materialbehälter 2, ein Formwerkzeug 3 und eine Leitung 4, die vom Materialbehälter 2 zum Formwerkzeug 3 führt.
Der Materialbehälter 2 dient zur Aufnahme loser Schaumstoffpartikel. Der Materialbehälter 2 weist einen Boden 5 auf, wobei er im Bodenbereich über eine Druckluftleitung 6 mit einer Druckluftquelle 7 verbunden ist. Die Druckluftleitung 6 ist mit mehreren im Boden 5 angeordneten Düsen (nicht dargestellt) verbunden, so dass in dem Materialbehälter 2 mehrere Luftströme (= Fluidisierluft) eingeleitet werden können, die die darin befindlichen Schaumstoffpartikel verwirbeln und dadurch vereinzeln.
Im Bereich des Bodens 5 des Materialbehälters 2 ist eine Öffnung ausgebildet, an welche die Förderleitung 4 angeschlossen ist. Die Öffnung ist mittels eines Schiebers (nicht dargestellt) verschließbar.
Benachbart zum Materialbehälter befindet sich in der Förderleitung 4 eine Treibdüse 8. Die Treibdüse 8 ist mit einer weiteren Druckluftleitung 9 mit der Druckluftquelle 7 verbunden. Dieser Treibdüse 8 zugeführte Druckluft dient als Treibluft, da sie durch die Treibdüse 8 in die Förderleitung 4 eintritt und in Richtung zum Formwerkzeug 3 strömt. Hierdurch wird an der Treibdüse 8 an der zum Materialbehälter 2 weisenden Seite ein Unterdruck erzeugt, der aus dem Materialbehälter Schaumstoffpartikel ansaugt.
Die Förderleitung 4 mündet in einen Füllinjektor 10, der an das Formwerkzeug 3 gekoppelt ist. Der Füllinjektor 10 ist mit einer weiteren Druckluftleitung 11 mit der Druckluftquelle 7 verbunden. Die dem Füllinjektor 10 zugeführte Druckluft wird einerseits zum Füllen des Formwerkzeuges 3 verwendet, indem der Strom von Schaumstoffpartikeln mittels der Druckluft in Richtung zum Formwerkzeug 3 beaufschlagt wird. Andererseits kann die dem Füllinjektor 10 zugeführte Druckluft auch zum Zurückblasen der Schaumstoffpartikel aus der Förderleitung 4 in den Materialbehälter 2 verwendet werden, wenn der Füllvorgang am Formwerkzeug 3 abgeschlossen ist.
Das Formwerkzeug 3 ist aus zwei Formhälften 12, 13 ausgebildet. Zwischen den beiden Formhälften ist zumindest ein Formraum 14 begrenzt, in dem der Füllinjektor 10 zum Einbringen der Schaumstoffpartikel mündet. Das Volumen des Formraums 14 kann durch Zusammenfahren der beiden Formhälften 12, 13 verringert werden. Bei auseinander gefahrenen Formhälften 12, 13 ist ein Spalt zwischen den Formhälften 12, 13 ausgebildet, der als Crack-Spalt bezeichnet wird. Deshalb wird ein solches Formwerkzeug 3 auch als Crack-Spalt-Formwerkzeug bezeichnet.
An den Formhälften 12, 13 ist jeweils eine Kondensatorplatte 15, 16 angeordnet. Diese Kondensatorplatten bestehen jeweils aus einem gut elektrisch leitenden Material, wie z. B. Kupfer oder Aluminium. An der Formhälfte 13 ist der Füllinjektor 10 angeordnet. Der Füllinjektor 10 erstreckt sich durch eine Ausnehmung in der Kondensatorplatte 16, welche auf der Formhälfte 13 angebracht ist.
Die beiden Kondensatorplatten 15, 16 sind jeweils aus mehreren Segmenten 85, 86 gebildet, die aneinander angrenzend angeordnet sind und elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind. Die Segmente 85, 86 sind voneinander lösbar.
Durch Hinzufügen oder Entfernen einzelner Segmente 85, 86 kann die Größe der aus den Segmenten 85 gebildeten ersten Kondensatorplatte 15 und die Größe der aus den Segmenten 86 gebildeten zweiten Kondensatorplatte 16 an die Größe des Formwerkzeugs 3 angepasst werden. Auf diese Weise können unterschiedlich große Formwerkzeuge 3 zwischen den Kondensatorplatten 15, 16 angeordnet werden. Dadurch ist es möglich, elektromagnetische Strahlung zwischen den Kondensatorplatten 15, 16 gezielt nur im Bereich des Formraums 14 zu erzeugen. In Bereichen, in denen keine elektromagnetische Strahlung zum Verschweißen von Schaumstoffpartikeln erforderlich ist, ist es möglich, durch Entfernen einzelner Segmente 85, 86 keine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
Die Segmente 85, 86 sind jeweils an einem Isolator 80, 81 befestigt und bilden zwei sich gegenüberliegende Segmentanordnungen. Die Isolatoren 80, 81 dienen zum Halten der Segmente 85, 86 an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Formwerkzeugs 3.
Die Isolatoren 80, 81 mit den daran befestigten Segmenten 85 bzw. 86 sind relativ zueinander bewegbar gelagert. Dadurch können die Formhälften 12, 13 des Formwerkzeuges 3 zusammen mit den seitlich daran anliegenden, segmentierten Kondensatorplatten 15, 16 aufeinander zu und voneinander wegbewegt werden. Weiterhin ist es möglich, bei auseinandergefahrenen Segmentanordnungen 85, 86 das Formwerkzeug 3 auszutauschen.
Optional können die Segmente 85, 86 auch am Formwerkzeug 3 derart befestigt werden, dass sie vom Formwerkzeug 3 und untereinander lösbar sind. In diesem Fall können beide Isolatoren 80, 81 oder zumindest einer entfallen.
Eines der Segmente 85 ist über eine elektrische Leitungen 17 zur Übertragung von Hochfrequenzspannungen mit einem Generator 18 verbunden, der eine Wechselspannungsquelle bildet. Durch die elektrische Verbindung der Segmente 85 untereinander werden diese mit Hochfrequenzspannungen beaufschlagt und bilden auf diese Weise die Kondensatorplatte 15.
Die Segmente 86 auf der gegenüberliegenden Seite des Formkörpers 13, welche die Kondensatorplatte 16 bilden, sind elektrisch mit Masse 30 verbunden, ebenso wie der Generator 18. Da die Segmente 86 ebenfalls untereinander elektrisch verbunden sind, ist lediglich eines der Segmente mit der Masse 30 verbunden.
Der Generator 18 stellt eine Strahlungsquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung dar. Vorzugsweise ist der Generator zum Erzeugen von RF-Strahlung ausgebildet. Der Generator kann auch zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung ausgebildet sein, wobei bei größeren Formräumen 14 mit einer RF-Strahlung eine wesentlich gleichmäßigere Erhitzung als mit Mikrowellenstrahlung möglich ist. Zudem können die meisten Kunststoffmaterialien RF-Strahlung wesentlich besser als Mikrowellenstrahlung absorbieren. Daher ist die Verwendung von RF-Strahlung bevorzugt.
Die Formhälften 12, 13 weisen jeweils einen Grundkörper auf, der aus einem elektrisch nichtleitenden und insbesondere für elektromagnetische RF-Strahlung im Wesentlichen transparentem Material, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen, insbesondere UHMWPE, Polyetherketon (PEEK) ausgebildet sein kann. Lediglich die Kondensatorplatten 15, 16 sind elektrisch leitend ausgebildet. Das „im Wesentlichen transparente Material“ ist ein Material, das von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere RF-Strahlung, durchdrungen werden kann. Jedoch kann dieses Material gezielt mit einer gewissen Absorptionseigenschaft für elektromagnetische RF-Strahlung ausgebildet sein, um einen Teil der elektrischen RF-Strahlung in Wärme umzuwandeln und um die Formhälften 12, 13 zu erhitzen. Dies wird unten noch näher erläutert.
Das Formwerkzeug 3 kann optional mit einer Unterdruckpumpe verbunden sein, so dass ein Unterdruck bzw. Vakuum an den Formraum 14 angelegt werden kann. Dieser Unterdruck führt dazu, dass im Formraum 14 enthaltene Feuchte abgezogen wird.
Die Kondensatorplatten 15, 16 sind vorzugsweise mit einer Kühleinrichtung versehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kühleinrichtung durch Ventilatoren 20 ausgebildet, welche Kühlluft auf die vom Formraum 14 abgewandte Seite der Kondensatorplatten 15, 16 lenken. Zur Steigerung der Kühlwirkung können Kühlrippen vorgesehen sein.
Alternativ oder zusätzlich können auch Kühlleitungen an den Kondensatorplatten 15, 16 angeordnet sein, durch welche ein Kühlmedium geführt wird. Als Kühlmedium wird vorzugsweise eine Flüssigkeit verwendet, wie z. B. Wasser oder Öl.
Die Vorrichtung 1 kann auch mit einem Dampfgenerator und einer Dampfzuführung zum Formraum 14 und/oder zur Förderleitung 4 ausgebildet sein, um gesättigten Trockendampf dem Formraum 14 zum Erhitzen der Schaumstoffpartikel zuzuführen und/oder um Schaumstoffpartikel auf ihrem Transport vom Materialbehälter 2 zum Formraum 14 zu benetzen. Auch können die Schaumstoffpartikel, die sich im Materialbehälter 2 befinden, mit Wasser in flüssiger Form benetzt werden, wobei hierzu im Materialbehälter 2 entsprechende Düsen angeordnet sind, die das Wasser zerstäuben.
Zur Erläuterung weiterer Details der Vorrichtung 1 zeigt 2 schematisch eine vergrößerte Teilansicht der Vorrichtung 1 als Schnittansicht, wobei jedoch in diesem Beispiel, anders als in dem in 1 gezeigten Beispiel, als Variante jedes der Segmente 86 der zweiten Kondensatorplatte mit der Masse 30 verbunden ist. Im Übrigen gelten die Erläuterungen zu 1 auch für die 2 und umgekehrt, wobei in den Figuren gleichartige Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Befestigungsmittel 82, die bevorzugt als Schrauben ausgestaltet sind, dienen zur lösbaren Befestigung der Segmente 85, 86 am jeweiligen Isolator 80 bzw. 81.
Zur elektrischen Verbindung der nebeneinander angeordneten Segmente 85 untereinander, welche die erste Kondensatorplatte 15 bilden, dienen elektrisch leitende Verbindungselemente 83, die als elektrisch leitende, flexible Metallelemente in Form von Folien ausgestaltet sind und beispielsweise als Kupfer- oder Messingfolien ausgebildet sind.
Die Verbindungselemente 83 verbinden zwei oder mehr benachbarte Segmente 85 an ihren Rändern elektrisch miteinander. Bei der Befestigung der Segmente 85 am Isolator 80 werden die elektrisch leitenden Verbindungselemente 83 gegen die Ränder der Segmente 85 gedrückt. Dadurch wird für die Kondensatorplatte 15 eine elektrische Verbindung zwischen ihren Segmenten 85 geschaffen.
Bei dem hier gezeigten Beispiel sind die Verbindungselemente 83 aufgrund der Erdung der einzelnen Segmente 86 in der zweiten Kondensatorplatte 16 nicht zwingend erforderlich, sie können hier optional jedoch ebenso vorgesehen und angeordnet sein wie in der ersten Kondensatorplatte 15.
Jedoch sind sie bei dem in 1 gezeigten Beispiel in beiden Kondensatorplatten 15, 16 vorgesehen, da dort nur eines der Segmente 86 der Kondensatorplatte 16 an die Masse 30 angeschlossen ist.
Die als Hochfrequenzleitung ausgebildete elektrische Leitung 17 verbindet eines der Segmente 85 mit dem Generator 18 (siehe 1). Das mit dem Generator 18 elektrisch verbundene Segment ist als Hochfrequenz-Anschlusssegment bzw. Generator-Anschlusssegment 87 ausgestaltet. Durch die elektrische Verbindung zwischen den nebeneinander angeordneten Segmenten 85 ist die gesamte Segmentanordnung 85 elektrisch mit dem Generator 18 verbunden und bildet die erste Kondensatorplatte 15.
Die Segmente 85 bilden auf diese Weise ein Kondensatorplatten-Set 90, das es ermöglicht, im Zusammenwirken die erste Kondensatorplatte 15 zu bilden, die an eine HF-Strahlungsquelle anschließbar ist und in ihrer Größe an die Größe des Formwerkzeugs 3 anpassbar ist. Dabei ist die Kondensatorplatte 15 auch an die Abmessungen des Formraums 14 innerhalb des Formwerkzeugs 3 anpassbar.
Das Segment 87, welches als HF-Anschlusssegment ausgestaltet ist und einen Anschlussbereich für die Leitung 17 zum Verbinden mit dem Generator 18 umfasst, bildet dabei ein erstes Kondensatorplattensegment des Kondensatorplatten-Sets 90.
Die weiteren Segmente 85 bilden zweite Kondensatorplattensegmente zur Formung der Kondensatorplatte 15. Das heißt, dass das erste Kondensatorplattensegment 87 und mindestens eines der zweiten Kondensatorplattensegmente 85 zur gemeinsamen Ausbildung der Kondensatorplatte 15 ausgestaltet sind und das Kondensatorplatten-Set 90 bilden. Die Fläche der durch das Kondensatorplatten-Set 90 herstellbaren Kondensatorplatte 15 ist an die Größe des Formwerkzeugs 3 zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils anpassbar.
Das erste Kondensatorplattensegment 87 und die zweiten Kondensatorplattensegmente 85 sind ist zum Befestigen an dem Isolator 80 mit Hilfe der Befestigungsmittel 82 ausgestaltet.
Die Segmente 86 der gegenüber der ersten Kondensatorplatte 15 angeordneten zweiten Kondensatorplatte 16 bilden weitere Kondensatorplattensegmente des Kondensatorplatten-Sets 90. Die weiteren Kondensatorplattensegmente 86 ergänzen das Kondensatorplatten-Set 90, indem sie die Herstellung einer zweiten Kondensatorplatte und somit eines vollständigen Kondensators ermöglichen. Sie sind zum Befestigen an dem Isolator 81 ausgestaltet
Beide Isolatoren 80, 81 können Bestandteile des Kondensatorplatten-Sets 90 sein.
In dem hier gezeigten Beispiel ist zusätzlich eine Presse 73 gezeigt, die über eine Zylinder-Kolbeneinheit 76 mit dem Isolator 80 verbunden ist, der an einer Seite des Formwerkzeugs 3 angeordnet ist. Der gegenüber liegend, auf der anderen Seite des Formwerkzeugs 3 angeordnete Isolator 81 ist ortsfest, sodass das Formwerkzeug 3 zwischen den beiden Kondensatorplatten 15, 16 zusammen gepresst werden kann, die an den Isolatoren 80, 81 an der jeweils dem Formwerkzeug 3 zugewandten Seite befestigt sind.
Dadurch können die im Formraum 14 des als Crack-Spalt-Formwerkzeug ausgebildeten Formwerkzeugs 3 befindlichen Schaumstoffpartikel während der Beaufschlagung mit elektromagnetischer Strahlung zusammengepresst werden. Auf diese Weise werden die Schaumstoffpartikel nicht nur aufgrund ihrer thermischen Expansion als Folge der elektromagnetischen Erhitzung zusammengepresst, sondern zusätzlich noch durch das Aneinanderpressen der beiden Formhälften 12, 13 des Formwerkzeugs 3.
3 zeigt eine weitere mögliche Verbindung der nebeneinander angeordneten Segmente 85 bzw. 86 der Kondensatorplatten 15 bzw. 16, wie sie in den 1 und 2 und noch in weiteren folgenden Ausführungsformen gezeigt sind. Dabei weisen die Segmente 85, 86 an ihren Rändern jeweils aus dem Segmentkörper hervorstehende Randbereiche 88 auf, die derart gestaltet sind, dass sie beim Zusammenfügen der Segmente 85, 86 ineinandergreifen. Die Randbereiche 88 bilden einen Stufenfalz an den Stoßstellen der Segmente 85, 86. Auf diese Weise wird eine besonders zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Segmenten 85,86 hergestellt, die sich darüber hinaus auch sehr kostengünstig bewerkstelligen lässt.
4 zeigt ein Beispiel einer Anordnung der Segmente 85, 86, welche die Kondensatorplatte 15 bzw. die Kondensatorplatte 16 bilden und durch das Kondensatorplatten-Set 90 hergestellt werden kann. Dabei zeigt die Figur eine Ansicht auf die Fläche der Kondensatorplatte.
Bei dieser Anordnung ist ein zentrales Segment 89 mittig angeordnet, und wird von Zusatzsegmenten 91 umgeben. Dabei ist das zentrale Segment 89 quadratisch ausgebildet. Die Zusatzsegmente 91 erstrecken sich jeweils entlang einer der Seiten des zentralen Segments zu 89 und entlang einer Seite eines weiteren Zusatzsegments.
In dem hier gezeigten Beispiel ist ergänzend zu dem zentralen Segment 89 ein erstes Zusatzsegment 91 vorgesehen, das sich entlang einer der Seiten des Quadrates erstreckt. Ein zweites Zusatzsegment 91 ist vorgesehen, das sich entlang einer anderen Seite des Quadrates und entlang einer Seite des ersten Zusatzsegmentes 91 erstreckt, weiterhin ein drittes Zusatzsegment 91, das sich entlang einer weiteren Seite des Quadrates und entlang dem zweiten Zusatzsegment 91 erstreckt, und ein viertes Zusatzsegment 91, das sich entlang der verbleibenden Seite des Quadrates und entlang zweier Seiten der Zusatzsegmente 91 erstreckt.
Auf diese Weise können unterschiedliche Rechtecke durch kombinieren mehrere Segmente 85, 86 als Kondensatorplatten Flächen geformt werden. Zusätzlich können weitere Zusatzsegmente vorgesehen sein, um die Anordnung zu ergänzen oder auch in der Art eines weiteren Rings zu umgeben. Das zentrale Segment 89 kann ebenfalls als ein Rechteck ausgebildet sein.
Neben Rechtecken und Quadraten können durch weitere unterschiedliche Abmessungen, Formen und Geometrien der Segmente 85, 86 Kondensatorplatten in unterschiedlichsten Formen erzielt werden.
Nachfolgend werden anhand der 5 bis 9 weitere Ausführungsformen der Erfindung erläutert, wobei wiederum gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen wie bei den vorhergehenden Figuren gekennzeichnet sind und oben bereits erläutert sind.
Das Formwerkzeug 3 der Vorrichtung 1 gemäß 5 ist wiederum aus zwei Formhälften 12, 13 ausgebildet, die jeweils einen Grundkörper aufweisen, der aus einem elektrisch nichtleitenden und insbesondere für elektromagnetische RF-Strahlung transparentem Material besteht. Dieses Material ist PTFE, PE, PEEK oder ein anderes für RF-Strahlung transparentes Material. Die Formhälften 12, 13 begrenzen einen Formraum 14. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Formraum 14 innere Begrenzungsflächen 19 auf, welche eine von einer ebenen Fläche abweichende, konturierte Form besitzen.
Die Formhälften 12, 13 weisen jeweils eine ebenflächige Außenfläche 21 auf, an der jeweils eine Kondensatorplatte 15, 16 angeordnet ist. Der Zwischenraum zwischen den konturierten Begrenzungsflächen 19 und den Außenflächen 20 wird jeweils durch für elektromagnetische Strahlung transparentes Material ausgefüllt.
Mit diesem Formwerkzeug 3 können dreidimensional konturierte Partikelschaumstoffteile erzeugt werden, wobei die Form des Partikelschaumstoffteils durch die inneren Begrenzungsflächen 19 der Formhälften 12, 13 definiert wird. Ein solches Formwerkzeug 3 ist besonders zum Herstellen von kleinen Partikelschaumstoffteilen mit im Wesentlichen gleichmäßiger Dichte geeignet.
Die Kondensatorplatten 15, 16 sind ebenflächig ausgebildet und wie oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben ausgestaltet. Dabei ist die erste Kondensatorplatte 15 aus aneinander liegenden Segmenten 85 gebildet. Die zweite Kondensatorplatte 16 ist ebenfalls aus aneinander angrenzenden Segmenten 86 gebildet.
Jede der Anordnungen von Segmenten 85 bzw. 86 ist an einem Isolator 80 bzw. 81 mit Befestigungsmitteln 82 befestigt, wobei die Segmente 85 der ersten Kondensatorplatte 15 mechanisch und elektrisch leitend, lösbar miteinander verbunden, wie oben unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert. Ebenso sind die die Segmente 86 der zweiten Kondensatorplatte 16 mechanisch und elektrisch leitend, lösbar miteinander verbunden.
Die Segmente 58, 86 und optional auch die Isolatoren 80, 81 sind Bestandteile eines Kondensatorplattensegment-Sets 90, wie es oben beschrieben wurde.
Bei großen bzw. dicken Partikelschaumstoffteilen besteht das Problem, dass sie sich stärker in der Mitte als im Randbereich erhitzen, wodurch die Partikelstruktur zerstört werden kann. Zur Vermeidung einer ungleichen Erhitzung des zentralen Bereiches und des Randbereiches eines Partikelschaumstoffteils kann das Formwerkzeug 3 temperiert und/oder es kann den Schaumstoffpartikeln im Formraum 14 am Randbereich zusätzliche Wärme zugeführt werden, wie in der DE 10 2016 100 690 A1 beschrieben.
Durch eine Modifikation der gezeigten Vorrichtung, die weiter unten näher erläutert wird, ist es möglich, einzelne Segmente 85, 86 bereits vor dem Ende des Schweißvorgangs abzuschalten, um eine Überhitzung der zwischen den betreffenden Segmenten angeordneten Schaumstoffpartikel zu verhindern.
Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele weisen jeweils ebenflächige Kondensatorplatten 15, 16 auf. Nach einer weiteren Ausführungsform können die Formwerkzeuge 3 so ausgebildet sein, dass die Kondensatorplatten 15, 16 an die Form des herzustellenden Partikelschaumstoffteils bzw. des Formraumes 14 angepasst sind.
Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 zeigt zwei Formhälften 12, 13, die mit ihren inneren Begrenzungsflächen 19 einen stufenförmigen Formraum 14 begrenzen. Die Außenflächen 21 der Formhälften 12, 13 sind an die Kontur der entsprechenden inneren Begrenzungsflächen 19 der jeweiligen Formhälfte 12, 13 angepasst. Dies heißt mit anderen Worten, dass die inneren Begrenzungsflächen 19 auf die jeweiligen Außenflächen 21 der Formhälften 12, 13 abgebildet sind, wobei das Formwerkzeug 3 beispielsweise mit einer gleichmäßigen Dicke ausgebildet ist, um welche die Außenfläche 21 von der inneren Begrenzungsfläche 19 versetzt ist. An der Außenfläche 21 sind vorzugsweise kleine Strukturen der inneren Begrenzungsfläche 19 geglättet.
Das Formwerkzeug 3 hat somit konturierte Formhälften 12, 13, an deren sich gegenüberliegenden Außenflächen 21 jeweils eine entsprechend konturierte, segmentierte Kondensatorplatte 15, 16 anliegt, die aus mehreren Segmenten 85 bzw. 86 gebildet ist und im Übrigen wie oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben ausgebildet ist.
Eine solche formmäßige Anpassung der aus Segmenten 85, 86 gebildeten Kondensatorplatten an die Form der herzustellenden Partikelschaumstoffteile ist insbesondere bei schalenförmigen Partikelschaumstoffteilen zweckmäßig. Solche schalenförmigen Partikelschaumstoffteile sind beispielsweise Kisten oder auch kugelsegmentförmige Schalen.
Auch in dem hier gezeigten Beispiel dienen Isolatoren 80, 81 zum Halten der Segmente. Die Isolatoren sind an ihren den Formhälften zugewandten Seiten an die Form der Außenflächen 20 der Formhälften 12, 13 angepasst.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die aus Segmenten 85 gebildete erste Kondensatorplatte 15 zusammen mit dem Isolator 80 und dem aus der Presse 73 und der Zylinder-Kolbeneinheit 76 gebildeten Presswerkzeug wie oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben ausgestaltet ist. Insbesondere wird hierzu auf die 2 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Bei dieser Ausführungsform weist das Formwerkzeug 3 eine erste Formhälfte 12 und eine zweite Formhälfte 13 auf, die einen Formraum 14 zwischen sich bilden, in dem sich zu verschweißende Schaumstoffpartikel 29 befinden. Ergänzend zur nachfolgenden Beschreibung des Formwerkzeugs 3 wird auf die deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2019 127 680.2 Bezug genommen, in der weitere Details des Formwerkzeugs 3 erläutert sind.
Dabei ist die zweite Formhälfte 13 oder zumindest ein Teilbereich davon elektrisch leitend bzw. aus elektrisch leitendem Material gefertigt. Das Formwerkzeug 3 kann als Teil der Vorrichtung 1 verwendet werden, wobei die zweite Formhälfte 13 als zweite Kondensatorplatte dient und hierzu elektrisch mit der Masse 30 verbunden ist.
Die zweite Formhälfte 13 weist einen Grundkörper 24 aus einem elektrisch leitenden Material auf. Dieser Grundkörper 24 besteht beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder einer elektrisch gut leitenden Legierung. Er ist optional mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 28 versehen und bildet eine Bodenwandung 31. Der elektrisch leitenden Grundkörper 24 weist einen elektrischen Anschluss auf, um mit dem Generator 18 oder mit Masse 30 verbunden werden zu können.
Der durch die Hochfrequenzleitung 17 mit der segmentierten Kondensatorplatte 15 elektrisch verbundene Generator 18 (s. 1, 5 und 6) erzeugt elektromagnetische Wellen bzw. eine elektrische Wechselspannung gegenüber der Masse 30, welche am Grundkörper 24 der zweiten Formhälfte 13 anliegt. Hierdurch wird ein elektromagnetisches Wechselfeld, insbesondere RF-Strahlung, im Formraum 14 zwischen der segmentierten Kondensatorplatte 15 und dem Grundkörper 24 ausgebildet.
Eine umlaufende Seitenwandung 32 der zweiten Formhälfte 13 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, gebildet und erstreckt sich von der Bodenwandung 31 ausgehend an den Seiten der Formhälfte 13 in Richtung der ersten Formhälfte 12, wodurch der Formraum 14 seitlich begrenzt ist.
Es ist aber auch möglich, dass sowohl die Bodenwandung 31 als auch die Seitenwandung 32 aus dem elektrisch leitenden Grundkörper 24 gebildet werden. Wichtig ist aber, dass keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Formhälften 12, 13 besteht.
Die erste Formhälfte 12, die an der der segmentierten Kondensatorplatte 15 zugewandten Seite des Formwerkzeugs 3 angeordnet ist, besteht aus einem elektrisch nichtleidenden Material, wie es oben beschrieben ist.
Die erste Formhälfte 12 bildet einen Stempel, der in den durch die zweite Formhälfte 13 gebildeten Hohlraum einfahren kann und so den Formraum 14 dicht abschließt. Der dichte Abschluss zwischen den beiden Formhälften 12, 13 ist zumindest so dicht, dass darin befindliche Schaumstoffpartikel 29 nicht entweichen können. Der Formraum 14 ist nicht notwendigerweise gasdicht abgeschlossen.
Die erste Formhälfte 12 weist eine innere Begrenzungswand 34 auf, die konturiert ist und den Formraum 14 begrenzt. Von der Begrenzungswand 34 ausgehend erstrecken sich mehrere Stege 35 in Richtung der ersten Kondensatorplatte 15 zu einem optionalen Abdeckelement 37. Die Stege 35 dienen zum Abstützen der Begrenzungswand 34. Zwischen den Stegen 35 sind Hohlräume 36 in der ersten Formhälfte 12 ausgebildet, die deren Masse erheblich reduzieren.
Dies führt zu einer vorteilhaften Reduzierung des Einflusses auf die elektromagnetische Feldstärke im Formraum 14, was die Flexibilität im Einsatz und in der Formgebung des Formraums 14 wie auch der Stempel-Formhälfte 12 beträchtlich verbessert.
Weiterhin können die Hohlräume 36 dem Trimmen der Stempel-Formhälfte 12 dienen, um das elektromagnetische Feld im Formraum 14 zu beeinflussen, zusätzlich zu der Flexibilität, die durch die Änderung oder Anpassung der Fläche der Kondensatorplatte 15 durch verschiedenartige Kombinationen von Segmenten 85 erzielt wird. Durch das Trimmen kann zudem eine besonders gleichmäßige oder auch eine wünschenswerte Verteilung der Feldstärke im Formraum 14 erzielt werden.
Auch können in der Figur nicht dargestellte Trimmkörper aus einem dielektrischen Material in die Hohlräume 36 eingesetzt werden. Aufgrund der polarisierenden Eigenschaften eines Dielektrikums wird das elektromagnetische Wechselfeld durch das im Weg der Feldlinien liegende Dielektrikum in dem angrenzenden Bereich des Formraums 14 konzentriert. In Bereichen auf dem Weg derselben Feldlinien, die von dem Dielektrikum freigehalten werden, wird dagegen das Feld nicht in dem angrenzenden Bereich des Formraums 14 konzentriert, weshalb es in diesem Bereich des Formraums 14 schwächer als in einem Bereich des Formraums 14 ist, in dem angrenzend ein Dielektrikum angeordnet ist. Durch Trimmkörper unterschiedlicher Größe, Form und Permittivität kann somit das elektrische Feld zusätzlich noch auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden. Die Permittivität eines Dielektrikums ist größer als die von Vakuum bzw. Luft.
All diese Maßnahmen tragen zusätzlich dazu bei, dass das elektromagnetische Feld besonders gezielt ausgebildet wird, wodurch eine noch weiter erhöhte Effektivität der Vorrichtung erzielt wird.
Die beiden Formhälften 12, 13 können relativ zueinander mittels einer Presse 73 bewegt werden, und mit einer vorbestimmten Kraft beaufschlagt werden. Die Presse 73 ist hierzu über eine Zylinder-Kolbeneinheit 76 mit dem Isolator 80 verbunden, an dem die aus den Segmenten 85 gebildete erste Kondensatorplatte 15 befestigt ist, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Um die beiden Formhälften 12, 13 aneinander zu pressen, wird die erste Formhälfte 12 durch die bewegbare segmentierte Kondensatorplatte 15 mittels der Presse 73 in die Richtung der zweiten Formhälfte 13 bewegt.
An der zweiten Formhälfte 13 ist eine Durchgangsöffnung zum Zuführen der Schaumstoffpartikel 29 angeordnet, welche als Einfüllöffnung 33 bezeichnet wird. An die Einfüllöffnung 33 ist ein Füllinjektor 10 (siehe 1) angeschlossen. Der Füllinjektor 10 unterscheidet sich von herkömmlichen Füllinjektoren dadurch, dass er keinen Schließmechanismus zum Schließen der Einfüllöffnung 33 aufweist, wie es unten näher erläutert wird.
Die erste Formhälfte 12 weist eine oder mehrere in der Figur nicht dargestellte Durchgangsöffnungen zum Entweichen von Luft auf.
Die Einfüllöffnung 33 und die Entlüftungsöffnungen sind an einem Abschnitt bzw. Bereich, insbesondere einem Randbereich, der zweiten Formhälfte 13 angeordnet, der im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges 3 von der ersten Formhälfte 12 abgedeckt wird. Hierdurch werden die Einfüllöffnung 33 und die Entlüftungsöffnung automatisch beim Schließen des Formwerkzeuges 3 durch Einführen des ersten Formwerkzeuges 12 in den durch das zweite Formwerkzeug 13 ausgebildeten Hohlraum geschlossen. Hierdurch ist es nicht notwendig, dass der Füllinjektor 10 einen Schließmechanismus aufweist, mit dem die Einfüllöffnung 33 geschlossen wird.
Dadurch, dass die Formhälften 12, 13 sowohl den Formraum 14 begrenzen als auch gleichzeitig eine der Kondensatorplatten bilden, ist der Abstand zwischen den „Kondensatorplatten“ und dem Formraum 14 sehr klein. Hierdurch sind die Verluste an elektromagnetischer Strahlung sehr gering, wodurch der Anteil der Leistung, die als Wärme in die zu verschweißenden Schaumstoffpartikel 29 eingebracht wird, sehr hoch ist. Ein solches Werkzeug erlaubt somit eine sehr effiziente Verschweißung der Schaumstoffpartikel 29 zu einem Partikelschaumstoffteil.
In 8 ist eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt, bei der ähnlich wie in 7 die zweite Formhälfte 13 aus elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und an Masse 30 angeschlossen ist, und dadurch als zweite Kondensatorplatte dient.
Die erste Formhälfte 12 ist elektrisch nichtleitend und umfasst ebenso wie bei der in 7 gezeigten Ausführungsform eine Begrenzungswand 34, die konturiert ausgebildet ist und durch Stege 35 mit einem Abdeckelement 37 fest verbunden ist. Auch hier sind zwischen den Stegen 35 Hohlräume 36 ausgebildet, um das elektromagnetische Feld im Formraum 14 zwischen den beiden Formhälften 12,13 zu beeinflussen, wie oben im Detail erläutert.
Im Gegensatz zu der in 7 gezeigten Ausführungsform ist hier die umlaufende Seitenwandung 32, die den Formraum 14 seitlich abschließt, an der ersten Formhälfte 12 ausgebildet. Ein Bereich 38 der elektrisch leitfähigen zweiten Formhälfte 13 taucht innerhalb der Seitenwandung 32 in den durch die umlaufende Seitenwandung gebildeten Formraum 14 ein und schließt auf dieser Seite den Formraum 14 ab, während er auf der gegenüberliegenden Seite durch die Begrenzungswand 34 der ersten Formhälfte 12 geschlossen ist.
Die Schaumstoffpartikel 29, die sich im Formraum 14 befinden, werden durch den hervorstehenden Bereich 38 zusammengepresst, wenn die beiden Formhälften 12, 13 durch die segmentierte Kondensatorplatte 15, die mittels der Presse 73 gegen die erste Formhälfte 12 gepresst wird, zusammengepresst werden.
Eine Einfüllöffnung 33 zum Einfüllen der Schaumstoffpartikel 29, die in den Formraum 14 mündet, wird durch auseinander Bewegen der beiden Formhälften 12, 13 geöffnet und durch aufeinander zu Bewegen der beiden Formhälften 12, 13 geschlossen, wie oben zusammen mit weiteren Details unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Segmente der Kondensatorplatten elektrisch voneinander isoliert sind.
In der hier gezeigten Vorrichtung 1 sind die Segmente 85 der daraus gebildeten ersten Kondensatorplatte 15 elektrisch voneinander isoliert an dem Isolator 80 permanent befestigt, wobei jedes Segment separat über einen abstimmbaren Schwingkreis 40 mit dem Generator 18 verbunden ist. Der Generator 18 ist an der Masse 30 angeschlossen.
Die Segmente 86, welche die zweite Kondensatorplatte 16 bilden, sind ebenso wie der Generator 18 elektrisch mit der Masse 30 verbunden. Die Segmente 86 sind permanent am Isolator 81 befestigt. Wenn, wie in dem hier gezeigten Fall, alle Segmente 86 an Masse liegen, ist es nicht zwingend erforderlich, die Segmente 86 elektrisch voneinander isoliert anzuordnen. Ebenso ist es möglich, die zweite Kondensatorplatte 16 durchgehend bzw. nicht segmentiert bzw. in Segmente unterteilt auszugestalten und mit der Masse 30 elektrisch zu verbinden.
Im Fall, dass die Segmente 86 der zweiten Kondensatorplatte 16 voneinander elektrisch isoliert sind, kann der Generator 18 mit jedem der Segmente 86 verbunden sein, anstatt mit der Masse 30. In diesem Fall sind die Segmente 86 nicht an der Masse 30 angeschlossen.
Wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist der Isolator 80 mit einem Presswerkzeug mechanisch verbunden, das aus einer Presse 73 und einer Zylinder-Kolbeneinheit 76 gebildet ist. Dadurch kann der Isolator 80 mit den daran befestigten Segmenten 85 der ersten Kondensatorplatte 15 zur gegenüber liegend angeordneten zweiten Kondensatorplatte 16 geschoben werden, sodass von beiden Seiten eine Presskraft auf das Formwerkzeug 3 ausgeübt wird, das sich zum Verschweißen darin angeordneter Schaumstoffpartikel zwischen den beiden Kondensatorplatten 15 und 16 befindet.
Die Isolatoren 80, 81 und die Segmente 85,86, sowie die abstimmbaren Schwingkreise 40 bilden ein Kondensatorplatten-Set 90. Die Segmente 85, 86 sind als Kondensatorplattensegmente ausgestaltet und können wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet sein. Auch können sie eine Geometrie aufweisen und eine flächige Anordnung bilden, wie sie oben beschrieben ist.
Das Formwerkzeug 3 kann wie in einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Gegebenenfalls sind kleine Modifikationen erforderlich, um die Kondensatorplatten 15, 16 entsprechend 9 anzuordnen
Anhand der 10 und 11 wird nachfolgend die Funktionsweise der in 9 gezeigten Vorrichtung erläutert. Dabei zeigt 10 schematisch ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß 9.
11 zeigt in eine einzelne Einrichtung zum Regeln der den Segmentpaaren 85, 86 jeweils zugeführten elektrischen Leistung in einem schematisch vereinfachten Schaltbild. Insbesondere ist in 11 schematisch in einem elektrischen Schaltbild der Generator 18 und der durch die Segmente 85, 86 gebildete Teilkondensator, der die Formhälften 12, 13 umschließt und eine zum Übertragen der elektromagnetischen Wellen geeignete Leitung (Hohlwellenleiter bzw. Koaxialleitung) 46, mit welcher die elektromagnetischen Wellen vom Generator 18 zum Werkzeugteilkondensator 85, 86 übertragen werden, dargestellt. Vorzugsweise ist der die Leitung 46 bildende Hohlwellenleiter als eine koaxiale Luftlinie mit einem elektrisch leitenden Innenrohr und einem elektrisch leitenden Außenrohr ausgebildet. Die koaxiale Luftlinie ist so bemessen, dass Hochspannungssignale zuverlässig übertragen werden können. Der Wellenwiderstand ist vorzugsweise auf etwa 50 Ω eingestellt.
In dieser Leitung 46 sind symbolisch eine generatorseitige Induktivität 47 und eine werkzeugseitige Induktivität 48 eingezeichnet. Diese Induktivitäten werden durch die Leitung selbst bewirkt, wobei die Länge der jeweiligen Leitungsabschnitte den Betrag der jeweiligen Induktivität bestimmt. Ein werkzeugseitiger Kondensator 49 ist parallel zum jeweiligen Werkzeugteilkondensator 85, 86 geschaltet. Dieser Kondensator 49 stellt die elektrische Kapazität zwischen dem Kondensatorsegment 85 und dem Gehäuse 35 des Formwerkzeuges 3 dar. Der Werkzeugkondensator 85, 86, der Kondensator 49 und die werkzeugseitige Induktivität 48 bilden einen Werkzeugschwingkreis 50.
Ein generatorseitiger Kondensator 51 ist mit dem Generator 18 und der generatorseitigen Induktivität in Reihe geschaltet. Der generatorseitige Kondensator 51 und die generatorseitige Induktivität 47 bilden einen Generatorschwingkreis 52. Zumindest der generatorseitige Kondensator 51 oder die generatorseitige Induktivität 47 ist variabel ausgebildet, beispielsweise, indem ein Kondensator mit im Abstand veränderlichen Kondensatorplatten oder indem unterschiedlich lange Leitungsabschnitte vorgesehen sind. Es ist auch möglich, dass sowohl der generatorseitige Kondensator 51 als auch die generatorseitige Induktivität 47 variabel ausgebildet sind. Der generatorseitige Kondensator 51 kann mit einem Stellmotor versehen sein, bei dessen Betätigung der Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten verändert wird, indem bspw. eine der beiden Kondensatorplatten geradlinig bewegt wird, wobei beide Kondensatorplatten immer zueinander parallel sind, oder eine der beiden Kondensatorplatten geschwenkt wird.
Durch Verändern der Kapazität des Kondensators 51 bzw. der Induktivität 47 kann die Resonanzfrequenz des Generatorschwingkreises 52 verändert bzw. abgestimmt werden. Stimmen die Resonanzfrequenzen des Generatorschwingkreises und des Werkzeugschwingkreises überein, dann wird die maximale elektrische Leistung vom Generator 18 auf den Werkzeugschwingkreis 50 und damit auf den Werkzeugteilkondensator 85, 86 übertragen. Durch Verändern der Resonanzfrequenz des Generatorschwingkreises 52 kann die Übertragung der elektrischen Leistung gezielt gesteuert werden, wobei je stärker sich die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingkreise 50, 52 unterscheiden, desto geringer ist die übertragene Leistung. Das Abstimmen des Generatorschwingkreises 52 kann somit gezielt zur Einstellung der in den Formraum 14 eingebrachten elektrischen Leistung verwendet werden.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Resonanzfrequenz des Generatorschwingkreises 52 verändert. Es ist gleichermaßen möglich, die Resonanzfrequenz des Werkzeugschwingkreises 50 zu verändern. Dies hat bezüglich der Übertragung der elektrischen Leistung die gleiche Wirkung. Jedoch ist es schwieriger werkzeugseitig als generatorseitig einen variablen Kondensator bzw. eine variable Induktivität vorzusehen.
Die Segmente 85, 86 bilden somit jeweils einen Werkzeugkondensator oder Werkzeugteilkondensator, welcher separat über eine eigene abstimmbare Schwingkreisschaltung 40 mit dem Generator 18 verschaltet ist. Die Schwingkreisschaltung 40 umfasst somit den Werkzeugschwingkreis 50 und den Generatorschwingkreis 52. Durch Abstimmung der beiden Schwingkreise 50, 52 sind die Werkzeugkondensatoren 85, 86 einzeln oder in Gruppen durch Änderung der Resonanzfrequenz von dem Generator 18 trennbar, so dass keine Leistung oder kaum eine Leistung auf sie übertragen wird. Sie können auf diese Weise der Strahlung emittierenden Kondensatorplattensegmente 85 bzw. 86 durch Änderung der Resonanzfrequenz eines der beiden Schwingkreise 50, 52 zugeschaltet bzw. aktiviert oder von ihr herausgenommen bzw. deaktiviert werden.
Die Schwingkreisschaltung 40 bildet auf diese Weise eine Schalteinrichtung 41 zum Hinzuschalten oder Trennen eines Kondensatorplattensegments 85 zu bzw. von der Kondensatorplatte 15. Die Segmente 85, 86 sind dabei einzeln oder in Gruppen als Teilkondensatoren zuschaltbar oder abschaltbar, um den Kondensator 15, 16 zu bilden.
Das heißt, die elektromagnetische Strahlungsquelle 18 ist Teil eines Generatorschwingkreises 52, während Leitungen zum Führen der elektromagnetischen Wellen zusammen mit dem jeweiligen Segmentpaar 85, 86, das einen Teilkondensator bildet, einen Werkzeugschwingkreis 50 bilden. Durch Verändern einer Induktivität oder einer Kapazität ist der Werkzeugschwingkreis 50 in seiner Resonanzfrequenz abstimmbar und bildet einen abstimmbaren Schwingkreis.
Anders formuliert ist die Regel- bzw. Steuereinrichtung zur Steuerung des abstimmbaren Schwingkreises derart ausgebildet, dass die Leistungszufuhr vom Generatorschwingkreis auf den Werkzeugschwingkreis, wobei einer der beiden Schwingkreise als abstimmbarer Schwingkreis ausgestaltet ist, durch dessen Abstimmung zugeschaltet bzw. freigeschaltet oder unterbrochen wird. Auf diese Weise wird das betreffende Segment der aus mehreren Segmenten gebildeten Kondensatorplatte, die das Formwerkzeug beim Schweißvorgang mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt, hinzugefügt oder entnommen.
Durch Steuerung der Energiezufuhr auf den einzelnen Leitungen kann eingestellt werden, welche Segmente 85 des Kondensators 15 betrieben werden und welche nicht. Durch das Zu- und Abschalten einzelner Segmente mittels Schwingkreisabstimmung kann die Größe der Kondensatorplatte hinsichtlich ihrer strahlungsemittierenden Fläche an die Größe des Formwerkzeugs angepasst werden. Dadurch ist es nicht notwendig, einzelne Segmente je nach Formwerkzeug mechanisch zu entfernen bzw. zu befestigen, um die Fläche der Kondensatorplatte anzupassen. Es ist auch nicht notwendig, die Leitungen 46 zwischen dem Generator 18 und den einzelnen Segmenten 85 mechanisch zu unterbrechen oder mechanisch zu schalten.
Für weitere Details wird auf die bereits genannte Druckschrift DE 10 2016 123 214 A1 Bezug genommen, in der die Schaltung zur Abstimmung ausführlich beschrieben ist.
12 zeigt eine Einrichtung zum Regeln der dem Werkzeugkondensator 15, 16 zugeführten elektrischen Leistung in einem schematisch vereinfachten Schaltbild. Der Generator 18 ist mit dem Werkzeugkondensator 15, 16 verbunden. Parallel zum Werkzeugkondensator 15, 16 ist ein Messkondensator 53 geschaltet, dessen elektrische Kapazität einen Bruchteil der elektrischen Kapazität des Werkzeugkondensators 15, 16 beträgt. Der Messkondensator 53 ist über eine Koaxialleitung 54 mit einer Spannungsmesseinrichtung (Voltmeter) 55 verbunden. Vorzugsweise ist parallel zum Messkondensator 53 eine Diode 56 geschaltet. Die Koaxialleitung 54 ist in Reihe mit einer Induktivität 58 geschaltet, welche zum Filtern von Hochfrequenzsignalen dient.
Die aus dem Messkondensator 53 und der Diode 56 ausgebildete Messeinheit ist mittels eines Trennkondensators 59 vom Werkzeugkondensator 15, 16 getrennt. Der Trennkondensator besitzt eine hohe Spannungsfestigkeit. Die Kapazität des Trennkondensators 59 ist kleiner als die Kapazität des Messkondensators 53. Hierdurch fällt am Trennkondensator eine höhere Spannung als am Messkondensator 53 ab. Das Verhältnis der Kapazität des Trennkondensators 59 zur Kapazität des Messkondensators 53 beträgt vorzugsweise 1:100 oder 1:1.000 oder 1:10.000. Hierdurch wird die am Werkzeugkondensator 15, 16 anliegende Spannung in der Messeinheit 53, 56 derart herabgesetzt, dass sie in einem Messbereich der Spannungsmesseinrichtung 55 liegt und von dieser zuverlässig erfasst werden kann.
Bei dieser Schaltung fällt somit am Messkondensator 53 eine Spannung ab, die der am Werkzeugkondensator 15, 16 anliegenden Spannung entspricht und entsprechend dem Verhältnis der Kapazität des Messkondensators 53 bezüglich der Kapazität des Trennkondensators 59 herabgesetzt ist. Durch das Vorsehen der Diode 56 fallen nur die Schwingungshälften einer bestimmten Polung an. Die Diode 56 bildet somit eine Gleichrichtung der am Messkondensator 53 anfallenden Spannung. Diese Messspannung wird mit der Spannungsmesseinrichtung 55 gemessen und in ein Messsignal umgesetzt. Das Messsignal wird an eine Steuereinrichtung 57 weitergeleitet, welche den Generator 18 selbsttätig zur Abgabe einer vorbestimmten elektrischen Leistung steuert, um am Werkzeugkondensator eine bestimmte Spannung bzw. am Messkondensator eine bestimmte Messspannung zu erzeugen, die einen Bruchteil der Spannung am Werkzeugkondensator beträgt.
Die in 11 gezeigte Vorrichtung kann derart weiter gebildet werden, dass für mehrere oder alle Segmentpaare 85, 86 jeweils eine Einrichtung zum Regeln der dem aus den Segmentpaaren 85, 86 gebildeten Kondensator zugeführten elektrischen Leistung gemäß 12 vorgesehen wird. Hierdurch lässt sich die Leistung der einzelnen Segmentpaare 85, 86 individuell regeln und die effektive Größe des Werkzeugkondensators ohne bewegliche Teile einstellen. Hierbei ist auch keine Kalibrierung der Schwingkreise (Generatorschwingkreis, Werkzeugschwingkreis) notwendig, da in einer geschlossenen Regelschleife die tatsächlich den Segmentpaaren 85, 86 zugeführte Leistung bzw. Spannung gemessen und für die einzelnen Segmentpaare 85, 86 individuell justiert werden kann.
Nachfolgend wird anhand von 1 ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils beschrieben. Dabei werden Schaumstoffpartikel in einen Formraum 14 eines Formwerkzeugs 3 gefüllt. Benachbart zum Formraum 14 sind zwei Kondensatorplatten 15, 16 angeordnet, welche mit einer Strahlungsquelle 18 für elektromagnetische Strahlung elektrisch verbunden sind, und elektromagnetische Strahlung erzeugen.
Die Kondensatorplatten 15, 16 oder zumindest eine von ihnen wird aus mehreren Segmenten 85, 86 gebildet. Die Fläche der Kondensatorplatte 15, 16 wird an die Größe des Formwerkzeugs 3 angepasst, indem eine passende Anzahl der Strahlung erzeugenden Segmente 85 bzw. 86 kombiniert wird.
Die Schaumstoffpartikel werden durch die elektromagnetische Strahlung zwischen den Kondensatorplatten 15, 16 miteinander verschweißt. Dabei werden die Schaumstoffpartikel in dem Formwerkzeug 3 durch die elektromagnetische Strahlung erhitzt, das heißt, den Schaumstoffpartikeln wird Wärme mittels elektromagnetischer RF-Strahlung zugeführt. Dadurch werden sie zu einem Partikelschaumstoffteil verschweißt.
Anschließend erfolgt das Entformen und die Entnahme des hergestellten Partikelschaumstoffteils.
Gemäß einem bevorzugten Beispiel werden die Segmente 85, 86 lösbar elektrisch und mechanisch miteinander verbunden, um sie miteinander zu kombinieren.
In einer Variante, wie sie in 9 gezeigt ist, werden die Segmente 85, 86 elektrisch voneinander isoliert angeordnet. Durch Abstimmung eines mit dem jeweiligen Segment verbundenen Schwingkreises 40 werden die Segmente 85, 86 der Kondensatorplatte 15, 16 zugeschaltet bzw. darin aktiviert oder abgeschaltet bzw. deaktiviert. Dadurch werden sie je nach Größe und Geometrie des Formwerkzeugs 3 miteinander kombiniert.
Dadurch kann die Fläche der Kondensatorplatte 15, 16, die elektromagnetische Strahlung emittiert, an unterschiedliche Formwerkzeuge 3 angepasst werden. Dadurch ist es nicht erforderlich, dass beim Wechsel des Formwerkzeugs 3 Segmente 85, 86 mechanisch entfernt oder mechanisch hinzugefügt werden müssen. Ein mechanisches Trennen oder Anschließen von Segmenten an die Strahlungsquelle 18 zum Anpassen der Fläche der Kondensatorplatten an das Formwerkzeug 3 entfällt. Dadurch können unterschiedliche Formwerkzeuge in sehr kurzer Zeit nacheinander elektromagnetisch bestrahlt werden.
Für die Durchführung des Verfahrens wird zum Beispiel eine Vorrichtung verwendet, wie sie in den verschiedenen Ausführungsformen in den 1 bis 11 gezeigt ist. Beispielsweise wird ein Kondensatorplatten-Set 90, wie es oben beschrieben ist, für die Durchführung des Verfahrens verwendet.
Die 13a-f zeigen (einen Teil) einer Vorrichtung 1 mit einer Kondensatorplatte 16, die aus mehreren Segmenten 86 besteht, die einen anpassbaren Abstand d zum Formraum 14 haben, sowie entsprechende Messergebnisse, die aus einer Reihe von Testläufen mit einer solchen Vorrichtung 1 gewonnen wurden.
Der allgemeine Aufbau der Vorrichtung 1 kann gleich oder ähnlich gestaltet sein wie bei allen anderen hier bisher diskutierten Vorrichtungen (insbesondere Ausführungsformen der Vorrichtung 1). Alle bereits erörterten Optionen, Ausführungsformen, Modifikationen und Merkmale können daher auch in der Vorrichtung 1 verwendet oder mit dieser kombiniert werden, die nun in Bezug auf die 13a-f beschrieben wird (natürlich soweit dies physikalisch und technisch möglich ist). Diese Kompatibilität zwischen den verschiedenen offengelegten Aspekten und Ausführungsformen wird auch durch die Tatsache bestätigt, dass dieselben Bezugszeichen wie oben für funktionell identische oder zumindest funktionell ähnliche oder gleichwertige Elemente und Komponenten verwendet werden.
Die offenbarte Vorrichtung 1 kann insbesondere zur Herstellung eines Partikelschaumteils verwendet werden. Sie umfasst ein Formwerkzeug 3, das aus (mindestens zwei) Formhälften 12 und 13 gebildet ist. Das Formwerkzeug 3 definiert einen Formraum 14, der von den beiden Formhälften 12 und 13 begrenzt wird (s. insbesondere 13a). In den Formraum 14 werden Partikel 29 aus geschäumtem oder expandiertem Material eingebracht (z.B. Partikel eTPU oder eines der weiteren hier erwähnten Materialien) und anschließend miteinander verschweißt oder verschmolzen (vorwiegend an ihren Oberflächen, so dass die innere Schaumstruktur erhalten bleibt, s. 13d), um das Formteil zu bilden.
Die Vorrichtung umfasst ferner (mindestens zwei) Kondensatorplatten 15 und 16, die angrenzend an den Formraum 14 angeordnet sind. „Angrenzend“ bedeutet hier, dass die beiden Kondensatorplatten 15 und 16 auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Formraums 14 angeordnet sind und den Formraum 14 zwischen sich einschließen, so dass die von den Kondensatorplatten 15 und 16 emittierte elektromagnetische Strahlung den Formraum 14 durchflutet und zu der gewünschten Verschweißung der Schaumstoffpartikel 29 führt.
Eine der Kondensatorplatten, hier die erste Kondensatorplatte 15, ist an eine Strahlungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Die andere Kondensatorplatte, hier die zweite Kondensatorplatte 16, besteht aus mehreren Segmenten 86, die einen anpassbaren Abstand d zum Formraum 14 haben, d.h. ihre Position entlang der z-Richtung (die in den 13a und 13d angedeutet ist) kann verändert werden, so dass sich auch der Abstand d der strahlungsabgebenden Fläche eines jeweiligen Segments 86 zum Formraum (gemessen z.B. in Bezug auf eine Wand des Formraums 14 oder einen bestimmten Bezugspunkt innerhalb des Formraums 14) ändert. Folglich ändert sich auch der Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten 15 und 16 lokal durch eine Anpassung der Position eines Segments 86. Der Abstand d der Segmente 86 zum Formraum 14 kann individuell durch mechanische und/oder elektrische Stellmittel (z. B. von Hand oder durch einen Schraubenschlüssel oder durch einen Elektromotor oder einen Linearantrieb oder durch ein von einem Motor angetriebenes Getriebe usw., je nach spezifischer Ausgestaltung der Segmente 86) eingestellt werden.
Für eines der Segmente, in 13a als Segment 86a bezeichnet, ist der Abstand zum Formraum 14 mit d und der Abstand zur gegenüberliegenden Kondensatorplatte 15 mit D angegeben. Beide Werte ändern sich, wenn die Position des Segments 86a in z-Richtung verändert wird.
Die Segmente 86 sind elektrisch mit einem elektrisch leitenden Elektrodenhauptkörper 100 verbunden, der in der hier gezeigten und diskutierten Ausführungsform auf Massepotential liegt und als Metallblock ausgeführt ist. In anderen Fällen kann er jedoch stattdessen mit dem Strahlungsgenerator verbunden sein, und die gegenüberliegende Kondensatorplatte kann geerdet sein. Aluminium ist eine Möglichkeit, da es ein vergleichsweise geringes Gewicht hat und leicht verarbeitet werden kann.
In dem in den 13a-f gezeigten Fall sind die Segmente 86 als Schrauben (z.B. sind aber auch Stifte möglich) vorgesehen, die verstellbar mit dem Elektrodenhauptkörper 100 verbunden sind. Bei den Schrauben 86 handelt es sich um Metallschrauben, die in entsprechende Gewinde des Elektrodenhauptkörpers 100 eingeschraubt werden.
Während in 13a-f alle Schrauben 86 vom gleichen Typ und der gleichen Größe sind und die gleiche Kopfgröße haben, ist dies nicht die Regel, und der Typ, die Länge, die Dicke und die Kopfgröße der Schrauben 86 können sich auch über die Elektroden-/Kondensatorplatte 16 hinweg ändern. So können z. B. kleinere Schrauben oder Schraubenköpfe in Bereichen verwendet werden, in denen mehr Schrauben pro Flächeneinheit vorhanden sind, d. h. in Bereichen der Elektroden-/Kondensatorplatte 16, in denen die Dichte der Segmente 86 höher ist (in den Figuren nicht dargestellt; in den 13a-f ist die Dichte der Segmente/Schrauben 86 über die gesamte Kondensatorplatte 16 konstant, abgesehen vielleicht von den Rändern der Platte).
Die Segmente/Schrauben 86 sind in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet, und zwar in der Ausführungsform der 13a-f in einem quadratischen Gitter. Dieses Raster ist in den 13b und 13c durch gestrichelte Linien 130 angedeutet. Andere Arten von Gittern sind ebenfalls möglich, z. B. rechteckige, dreieckige oder sechseckige Gitter oder „gemischte“ Gitter, die verschiedene geometrische Formen umfassen. Auch die Gitterdichte (d. h. die Anzahl der verstellbaren Segmente/Schrauben 86 pro Flächeneinheit) kann, wie oben bereits erläutert, lokal variieren, auch wenn dies in den 13a-f nicht dargestellt ist.
Damit die Schrauben 86 vollständig in den Elektrodenhauptkörper 100 eingeschraubt werden können, ohne den Boden (oder ein Bauteil der Vorrichtung 1) darunter zu treffen, ist die Kondensatorplatte 16 mit ihrem Elektrodenhauptkörper 100 an ihren vier Ecken auf vier Aluminiumblöcken 120 montiert, die sie um einen gewissen Abstand vom Boden anheben und Platz dafür schaffen, dass die Schrauben 86 im vollständig eingeschraubten Zustand, d. h. in ihrer untersten Position, aus der Unterseite des Elektrodenhauptkörpers 100 herausragen. Die höchste erreichbare Position ist, wenn die Schrauben 86 fast vollständig aus dem Elektrodenhauptkörper 100 herausgeschraubt sind, aber nicht ganz. Im Allgemeinen wird ein wenig Spiel beibehalten, um ein unbeabsichtigtes Lösen einer der Schrauben 86 vom Elektrodenhauptkörper 100 und/oder einen allgemeinen Stabilitätsverlust zu vermeiden, wenn man sich der maximalen Höhe der jeweiligen Schraube 86 über dem Elektrodenhauptkörper 100 nähert.
Auf dem Elektrodenhauptkörper 100 ist eine Abdeckplatte 110 aus elektrisch nicht leitendem Material angeordnet (s. 13c; in 13b ist die Abdeckplatte entfernt, um die Anordnung der Schrauben 86 freizulegen) und weist Öffnungen auf, in denen die Schrauben 86 angeordnet sind. Dies dient nicht nur der Stabilisierung der Schrauben 86, wenn sie sich in einer mittleren oder insbesondere hohen Position befinden, d.h. weit aus dem Elektrodenhauptkörper 100 herausgeschraubt sind. Es sorgt auch für eine stabile und ebene Auflagefläche für die angrenzenden Bauteile der Vorrichtung 1, insbesondere das Formwerkzeug 3 (s. 13a, 13c, 13d, 13e und 13f).
Eine solche Abdeckplatte 110 kann im Allgemeinen aus einer elektrisch isolierenden Abdeckplatte bestehen oder diese umfassen. Vorzugsweise besteht die Abdeckplatte 110 aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Polytetrafluorethylen, PTFE, Polyethylen, PE, insbesondere ultrahochmolekulares Polyethylen, UHMWPE, Polyetherketon, PEEK, ein Thermoplast, ein Duroplast, Polyethylenterephthalat, PET, Polyoxymethylen, POM, Polystyrol, PS, ein isolierendes mineralisches Material. In dem in 13e gezeigten Fall besteht sie aus PTFE.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass jedes der verstellbaren Segmente/Schrauben 86 auf eine der mindestens vier folgenden Positionen eingestellt werden kann: entfernt (z. B. aus dem Elektrodenhauptkörper 100 herausgeschraubt) oder elektrisch getrennt, eine niedrige Position, eine mittlere Position, eine hohe Position. Andererseits ist es z. B. bei verstellbaren Segmenten, die als Schrauben 86 ausgeführt sind, auch möglich, ihre Position in z-Richtung stufenlos zu verändern, indem sie bis zum gewünschten Grad ein- oder ausgeschraubt werden (natürlich innerhalb der durch die unterste und oberste Position vorgegebenen Grenzen). Eine begrenzte Anzahl vorgegebener Positionen, auf die die Segmente/Schrauben 86 eingestellt werden, kann den Betrieb der Vorrichtung 1 erleichtern. In den 13a, 13b, 13d, 13e und 13f sind beispielhafte Schrauben, die auf eine niedrige, mittlere und hohe Position eingestellt sind, mit den Bezugsziffern 861 (für niedrig), 86m (für mittel) bzw. 86h (für hoch) bezeichnet. In 13d ist, wie durch die gestrichelte Ellipse 86x angedeutet, eine der Schrauben vollständig entfernt worden (alternativ könnte sie von der Kondensatorplatte 16/Massepotential elektrisch isoliert werden).
Es ist möglich, dass die Position der Segmente/Schrauben 86 eingestellt werden kann, während der Formraum 14 mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt oder geflutet wird. In der Regel muss hierfür jedoch ein automatischer Aktivierungs-/Verstellmechanismus eingesetzt werden (s. oben), da während des Betriebs der Vorrichtung 1 eine manuelle Verstellung in der Regel nicht erlaubt oder möglich ist, um Verletzungen zu vermeiden.
Wie bereits oben erörtert und erläutert, beeinflusst die Einstellung der Position eines oder mehrerer der Segmente/Schrauben 86 die Feldstärkeverteilung des abgestrahlten elektromagnetischen Feldes innerhalb des Formraums 14. In 13d sind beispielsweise vier Bereiche oder Positionen p1, p2, p3 und p4 innerhalb des Formraums 14 schematisch dargestellt. Unter diesen Bereichen sind die Schrauben 86 in unterschiedlichen Positionen/Höhen angebracht. An der Position p1 sind beispielsweise Schrauben zwischen der mittleren und der unteren Position direkt unter ihr angebracht, an der Position p2 befindet sich überhaupt keine Schraube unter ihr (weil die Schraube an der Position 86x entfernt wurde), an der Position p3 sind wiederum Schrauben zwischen der mittleren und der unteren Position direkt unter ihr angebracht, und an der Position p4 sind Schrauben zwischen der mittleren und der oberen Position direkt unter ihr angebracht. Auf diese Weise kann die Verteilung der elektrischen Feldstärke und damit die Temperatur und die Schweißbedingungen an den verschiedenen Positionen p1 bis p4 eingestellt und kontrolliert werden.
Die in den 13e und 13f dargestellten Versuchsergebnisse geben einen weiteren Einblick in diesen Aspekt. Auf der linken Seite der beiden Figuren sind verschiedene Konfigurationen der Vorrichtung 1 schematisch dargestellt, die verwendet wurden, um die Heizraten und Temperaturen innerhalb eines Formwerkzeugs 3 bei verschiedenen Positionen der Schrauben 86 in der Kondensatorplatte 16 zu untersuchen. In jedem der drei untersuchten Fälle wurden zwei Referenzpositionen innerhalb des Formwerkzeugs betrachtet, die in den 13e-f mit P1 und P2, P3 und P4 sowie P5 und P6 bezeichnet sind, eine im vorderen Teil des Werkzeugs (s. P1, P3 bzw. P5) und eine im hinteren Teil des Werkzeugs (s. P2, P4 bzw. P6). Unter Verwendung einer konstanten Einstellung des Strahlungsgenerators (nicht gezeigt) und der unterschiedlichen Einstellung der Schrauben 86, wie in der linken Seite der 13e-f angegeben, wurden die Heizraten/Temperaturen an den Positionen P1 - P6 über die Zeit aufgezeichnet, was die Messkurven C1 - C6 ergab, die auf der rechten Seite der 13e-f gezeigt sind.
Die x-Achse in den Messkurven auf der rechten Seite der 13e-f zeigt die Zeit (der Abstand zwischen zwei benachbarten Strichen oder Gitterlinien auf der x-Achse entspricht etwa 43 Sekunden in den 13e und 13f), und die y-Achse zeigt die Temperatur (im Bereich von 20° C bis 140 °C in den 13e und 13f).
Im oberen, in 13e dargestellten Fall, bei dem alle Schrauben auf eine mittlere Position 86m eingestellt waren, ergaben die Messungen an den Positionen P1 und P2 die Messkurven C1 bzw. C2.
Im unteren, in 13e dargestellten Fall, bei dem alle Schrauben auf eine niedrige Position 861 eingestellt sind, ergaben die Messungen an den Positionen P3 und P4 die Messkurven C3 bzw. C4.
In dem in 13f dargestellten Fall wurden die Schrauben in der vorderen Werkzeughälfte auf die mittlere Position 86m und die Schrauben in der hinteren Werkzeughälfte auf die niedrige Position 861 eingestellt, und die Messungen an den Positionen P5 und P6 ergaben die Messkurven C5 bzw. C6.
Wie aus den Ergebnissen hervorgeht, führt die mittlere Position 86m der Schraube(n) 86, die einer bestimmten Messposition entspricht, zu einer größeren Erwärmungsrate (d. h. einem größeren Temperaturanstieg pro Zeiteinheit = Steigung der entsprechenden Messkurve) und einer größeren Maximaltemperatur im Vergleich zur Einstellung der Schraube(n) 86 in der niedrigen Position 861. Wenn eine oder mehrere der Schrauben 86 in eine hohe Position gebracht oder eine oder mehrere Schrauben 86 ganz entfernt werden, ändert sich die Aufheizrate/Maximaltemperatur gemäß diesem Prinzip weiter (z. B. je höher die Schraubenposition in z-Richtung, desto größer die Aufheizrate und die Maximaltemperatur bei konstanter Einstellung der Energiequelle).
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Möglichkeiten, die Feldverteilung innerhalb des Formraums 14 einzustellen, kann auch die Form der anderen Kondensatorplatte, d.h. hier der Kondensatorplatte 15, die mit der Strahlungsquelle verbunden ist, zumindest teilweise an die Geometrie des herzustellenden Teils angepasst werden. Dieser „konventionelle und statische“ Ansatz zur Einstellung der Feldverteilung kann somit die „dynamischen“ Einstellmöglichkeiten ergänzen, die durch die hier offenbarten Segmente 86 mit einstellbarem Abstand d zum Formraum 14 gegeben sind.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit dem vierten Aspekt Hand in Hand geht und der ebenfalls von allen im Zusammenhang mit dem ersten, zweiten und/oder dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung offenbarten Möglichkeiten, Ausführungsformen und Beispielen Gebrauch machen oder auf diese zurückgreifen kann, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Schaumstoffpartikeln 29, wobei das Verfahren umfasst: a.) Einbringen der Partikel 29 in einen Formraum 14 eines Formwerkzeugs 3, das aus mindestens zwei Formhälften 12, 13 gebildet ist, die den Formraum 14 begrenzen, wobei mindestens zwei Kondensatorplatten 15, 16 benachbart zum Formraum 14 angeordnet sind, wobei mindestens eine der Kondensatorplatten 15 mit einer Strahlungsquelle verbunden ist, und wobei mindestens eine der Kondensatorplatten 16 mehrere Segmente 86 aufweist, die einen anpassbaren Abstand d zum Formraum 14 haben; b.) Bestrahlen des Formraums 14 mit elektromagnetischer Strahlung, die von den Kondensatorplatten 15 und 16 emittiert wird; und c.) lokales Einstellen einer Feldstärkeverteilung des bestrahlenden elektromagnetischen Feldes innerhalb des Formraums 14 durch Verändern des anpassbaren Abstands d der Segmente 86 zu dem Formraum 14.
Die Veränderung kann vor und/oder während der Bestrahlung des Formraums 14 mit der elektromagnetischen Strahlung erfolgen.
Die Schaumstoffpartikel 29 können aus einem oder mehreren der folgenden Grundmaterialien bestehen: thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polylactat (PLA), Polyamid (PA), Polyethylenblockamid (PEBA) und/oder Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT); thermoplastisches Polyesterether-Elastomer (TPEE). Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei diesen Schaumstoffteilchen um Partikel, die einen so genannten Perlenschaum bilden, der in der Fachwelt auch als Pellet-/Partikelschaum bezeichnet wird. Häufig werden die aus der Verwendung verbundener Schaumstoffpartikel abgeleiteten Schäume mit der Bezeichnung „e“ versehen, um die Perlenform der Polymerschaumkomponente zu kennzeichnen, z. B. eTPU.
Aus der obigen Erörterung der verschiedenen Optionen, Modifikationen und Ausführungsformen, die im Rahmen der vorliegenden Offenbarung in Bezug auf die Vorrichtung 1 den 13a-f möglich sind, versteht der Fachmann, wie diese Optionen, Modifikationen und Ausführungsformen in entsprechende Schritte für ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Partikelschaumteils, insbesondere eines Partikelschaumteils aus den Schaumstoffpartikeln 29, umgesetzt werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird daher auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Im Folgenden werden zum besseren Verständnis der Erfindung weitere Beispiele beschrieben:

1. Eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Schaumstoffpartikeln (29), wobei die Vorrichtung umfasst:
1. a. ein Formwerkzeug (3), das aus mindestens zwei Formhälften (12, 13) gebildet ist und das einen Formraum (14) begrenzt;
2. b. mindestens zwei Kondensatorplatten (15, 16), die angrenzend an den Formraum angeordnet sind; wobei
3. c. mindestens eine der Kondensatorplatten mit einer Strahlungsquelle verbunden ist; und wobei
4. d. mindestens eine der Kondensatorplatten mehrere Segmente (86) aufweist, die einen anpassbaren Abstand (d) zum Formraum haben.
2. Vorrichtung nach Beispiel 1, wobei die Segmente elektrisch mit einem elektrisch leitenden Elektrodenhauptkörper (100) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Beispiel 2, wobei der Elektrodenhauptkörper auf Masse liegt.
4. Vorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die Kondensatorplatte, die mit der Strahlungsquelle verbunden ist, eine erste Kondensatorplatte auf einer Seite des Formraums ist, und wobei die Kondensatorplatte, die die mehreren Segmente umfasst, die einen anpassbaren Abstand zum Formraum haben, eine zweite Kondensatorplatte auf einer gegenüberliegenden Seite des Formraums ist.
5. Vorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei der Abstand der Segmente zum Formraum durch mechanische und/oder elektrische Stellmittel individuell einstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 5, wobei die Segmente in einem zweidimensionalen Gitter (130), insbesondere in einem rechteckigen Gitter, angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Beispiel 6, wobei die Gitterdichte lokal variiert.
8. Vorrichtung nach einem der Beispiele 2 bis 7, wobei die Segmente als Schrauben oder Stifte vorgesehen sind, die mit dem Elektrodenhauptkörper verstellbar verbunden sind.
9. Vorrichtung nach Beispiel 8, wobei die Schrauben Metallschrauben sind, die in den Elektrodenhauptkörper eingeschraubt sind, und wobei der Elektrodenhauptkörper aus Metall besteht oder Metall enthält.
10. Vorrichtung nach Beispiel 8 oder 9, ferner mit einer Abdeckplatte (110) aus elektrisch nicht leitendem Material, die auf dem Elektrodenhauptkörper angeordnet ist und Öffnungen aufweist, in denen die Schrauben oder Stifte angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Beispiel 10, wobei die Abdeckplatte aus einer elektrisch isolierenden Abdeckung hergestellt ist oder diese umfasst, vorzugsweise wobei die Abdeckplatte aus einem oder mehreren der folgenden Materialien hergestellt ist oder diese umfasst:
- Polytetrafluorethylen, PTFE; Polyethylen, PE, insbesondere ultrahochmolekulares Polyethylen, UHMWPE; Polyetherketon, PEEK; ein Thermoplast; ein Duroplast;
- Polyethylenterephthalat, PET; Polyoxymethylen, POM; Polystyrol, PS; ein isolierendes mineralisches Material.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Beispiele 1 - 11, wobei jedes der Segmente in eine der mindestens vier folgenden Positionen eingestellt werden kann:
- entfernt (86x) oder elektrisch getrennt, eine niedrige Position (861), eine mittlere Position (86m), eine hohe Position (86h).
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele 1 - 12, wobei die Position der Segmente eingestellt werden kann, während der Formraum mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele 1 - 13, wobei die Einstellung der Position eines oder mehrerer der Segmente die Feldstärkeverteilung des eingestrahlten elektromagnetischen Feldes innerhalb des Formraumes beeinflusst.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele 1 - 14, wobei die Form der an die Strahlungsquelle angeschlossenen Kondensatorplatte zumindest teilweise an die Geometrie des herzustellenden Teils angepasst ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumteils aus Schaumstoffpartikeln (29), wobei das Verfahren umfasst:
1. a. Einbringen der Partikel in einen Formraum (14) eines Formwerkzeugs (3), das aus mindestens zwei Formhälften (12, 13) gebildet wird, die den Formraum begrenzen, wobei mindestens zwei Kondensatorplatten (15, 16) benachbart zum Formraum angeordnet sind, wobei mindestens eine der Kondensatorplatten mit einer Strahlungsquelle verbunden ist, und wobei mindestens eine der Kondensatorplatten mehrere Segmente (86) aufweist, die einen anpassbaren Abstand (d) zum Formraum haben;
2. b. Bestrahlung des Formraums mit elektromagnetischer Strahlung, die von den Kondensatorplatten emittiert wird; und
3. c. lokales Einstellen einer Feldstärkeverteilung des einstrahlenden elektromagnetischen Feldes innerhalb des Formraums durch Verändern des anpassbaren Abstands der Segmente zu dem Formraum.
17. Verfahren nach Beispiel 16, wobei die Modifizierung vor und/oder während der Bestrahlung des Formraums mit der elektromagnetischen Strahlung erfolgt.
18. Verfahren nach Beispiel 16 oder 17, wobei die Schaumstoffpartikel eines oder mehrere der folgenden Basismaterialien umfassen: thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polylactat (PLA), Polyamid (PA), Polyetherblockamid (PEBA), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), thermoplastisches Polyesteretherelastomer (TPEE).

Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Materialbehälter
3: Formwerkzeug
4: Leitung
5: Boden
6: Druckluftleitung
7: Druckluftquelle
8: Treibdüse
9: Druckluftleitung
10: Füllinjektor
11: Druckluftleitung
12: Formhälfte
13: Formhälfte
14: Formraum
15: erste Kondensatorplatte
16: zweite Kondensatorplatte
17: elektrische Leitung
18: Generator / Wechselspannungsquelle
19: Begrenzungsfläche (innen) der Formhälfte
20: Ventilatoren
21: Außenfläche der Formhälfte
24: Grundkörper
28: isolierende Beschichtung
29: Schaumstoffpartikel
30: Masse
31: Bodenwandung
32: umlaufende Seitenwandung
33: Einfüllöffnung
34: Begrenzungswand
35: Stege
36: Hohlräume
37: Abdeckelement
38: eintauchender Bereich
38: Bereich
40: Schwingkreisschaltung
41: Schalteinrichtung
46: Leitung
47: generatorseitige Induktivität
48: werkzeugseitige Induktivität
49: werkzeugseitiger Kondensator
50: Werkzeugschwingkreis
51: generatorseitiger Kondensator
52: Generatorschwingkreis
53: Messkondensator
54: Koaxialleitung
55: Spannungsmesseinrichtung
56: Diode
57: Steuereinrichtung
58: Induktivität
59: Trennkondensator
73: Presse
76: Zylinder-Kolbeneinheit
80, 81: Isolator
82: Schrauben
83: elektrische Verbindungselemente
85, 86: Segmente/Werkzeugkondensator
87: Generator-Anschlußsegment/ erstes Kondensatorplattensegment
88: Randbereiche
89: mittiges Segment
90: Kondensatorplatten-Set
91: Zusatzsegment
100: Elektrodenhauptkörper
110: Abdeckplatte
120: Erhöhungsblock
130: Raster
pl-p4: Referenzpositionen
P1-P6: Messpositionen/-Bereiche
C1-C6: Messkurven

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

US 3079723 [0004]
US 3242238 [0005]
GB 1403326 [0006]
WO 01/064414 A1 [0007]
WO 2013/050181 A1 [0008]
DE 102016100690 A1 [0015, 0104, 0154]
DE 102016123214 A1 [0015, 0104, 0203]
DE 102019127680 [0015, 0104, 0162]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils, umfassend ein Formwerkzeug (3), das einen Formraum (14) begrenzt, wobei benachbart zum Formraum (14) zumindest zwei Kondensatorplatten (15, 16) angeordnet sind, welche mit einer Strahlungsquelle (18) für elektromagnetische Strahlung verbunden sind, wobei die Strahlungsquelle (18) für elektromagnetische Strahlung zum Abgeben von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist, und das Formwerkzeug (3) zumindest aus zwei Formhälften (12, 13) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Kondensatorplatten (15, 16) aus mehreren Segmenten (85, 86) ausgebildet ist, so dass die Fläche der Kondensatorplatte (15, 16) an die Größe des Formwerkzeugs (3) anpassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) der Kondensatorplatte (15, 16) lösbar elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein elektrisch leitendes Verbindungselement (83), das zwei oder mehr Segmente (85, 86) an ihren Rändern elektrisch miteinander verbindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) an ihren Rändern Bereiche (88) aufweisen, die im zusammengefügten Zustand der Segmente (85, 86) ineinandergreifen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) lösbar an einem Isolator (80, 81) befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Segment (87) der aus den Segmenten (85, 86) gebildeten Kondensatorplatte (15, 16) elektrisch mit der Strahlungsquelle (18) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) der Kondensatorplatte (15, 16) permanent an einem Isolator (80, 81) befestigt sind und einzeln zuschaltbar oder abschaltbar sind, um die Größe der Kondensatorplatte (15, 16) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Segmente (85, 86) elektrisch voneinander isoliert sind und jeweils separat über eine Hochfrequenzleitung (17) mit der Strahlungsquelle (18) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) jeweils mit einer Schwingkreisschaltung (40) verbunden sind, welche zwei Schwingkreise (50, 52) umfasst, wobei zumindest einer der beiden Schwingkreise (50, 52) abstimmbar ist, so dass durch Abstimmung des abstimmbaren Schwingkreises die Strahlungszufuhr einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) gemeinsam eine konturierte Kondensatorplatte (15, 16) bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 11.1. die Segmente (85, 86) nur an einer Seite des Formraums (14) angeordnet sind und dort eine Kondensatorplatte (15, 16) bilden, und/oder 11.2. eine Formhälfte (13) elektrisch leitend ist und als eine Kondensatorplatte dient.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der aus den Segmenten (85, 86) gebildeten Kondensatorplatten (15) elektrisch mit der Strahlungsquelle (18) verbunden ist, während die andere Kondensatorplatte (15) oder deren Segmente (86) elektrisch geerdet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) jeweils eine Geometrie aufweisen, die beim Kombinieren der Segmente (85, 86) eine Kondensatorplatte (15, 16) ergibt, deren Geometrie an die Geometrie des Formwerkzeugs (3) angepasst ist.
Kondensatorplatten-Set für eine Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils, umfassend mindestens ein erstes Kondensatorplattensegment (87), das zum Befestigen an einem Isolator ausgestaltet ist und einen Anschlussbereich umfasst, der zum Verbinden mit einer Strahlungsquelle (18) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausgestaltet ist, eines oder mehrere zweite Kondensatorplattensegmente (85), wobei das erste Kondensatorplattensegment (87) und die zweiten Kondensatorplattensegmente (85) zur gemeinsamen Ausbildung einer Kondensatorplatte (15) ausgestaltet sind, deren Fläche an die Größe eines Formwerkzeugs (3) zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils anpassbar ist.
Kondensatorplatten-Set nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorplattensegmente (85, 86) lösbar elektrisch und mechanisch miteinander verbindbar sind, um gemeinsam die Kondensatorplatte (15, 16) zu bilden.
Kondensatorplatten-Set nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kondensatorplattensegmente (85) jeweils einen Anschlussbereich zum Verbinden mit einer Strahlungsquelle (18) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung umfassen, wobei jedes Kondensatorplattensegment (85, 87) derart ausgestaltet ist, dass es in der daraus gebildeten Kondensatorplatte (15) elektrisch isoliert von den anderen Kondensatorplattensegmenten (85, 87) ist und durch einen abstimmbaren Schwingkreis (40) zuschaltbar oder abschaltbar ist.
Kondensatorplatten-Set nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgestaltet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils, umfassend die Schritte - Füllen von Schaumstoffpartikeln (29) in einen Formraum (14) eines Formwerkzeugs (3), wobei benachbart zum Formraum (14) zumindest zwei Kondensatorplatten (15, 16) angeordnet sind, welche mit einer Strahlungsquelle (18) für elektromagnetische Strahlung elektrisch verbunden sind, um elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, - Verschweißen der Schaumstoffpartikel (29) durch die elektromagnetische Strahlung zwischen den Kondensatorplatten (15, 16), - Entformen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Kondensatorplatten (15, 16) aus mehreren Segmenten (85, 86) gebildet ist, wobei die Fläche der Kondensatorplatte (15, 16) durch Kombinieren der Strahlung erzeugenden Segmente (85, 86) an die Größe des Formwerkzeugs (3) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) lösbar elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden, um sie miteinander zu kombinieren.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (85, 86) elektrisch voneinander isoliert angeordnet werden und durch Abstimmung eines mit dem Segment (85, 86) verbundenen Schwingkreises (40) zugeschaltet werden, um sie miteinander zu kombinieren.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die an den einzelnen Segmentpaaren (85, 86) angelegte Spannung individuell gemessen wird und die dem jeweiligen Segmentpaar (85, 86) zugeführte Leistung in Abhängigkeit der gemessenen Spannung individuell geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und/oder ein Kondensatorplatten-Set nach einem der Ansprüche 15 bis 17 verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die Schaumstoffpartikel eines oder mehrere der folgenden Basismaterialien umfassen: thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polylactat (PLA), Polyamid (PA), Polyetherblockamid (PEBA), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), thermoplastisches Polyesterether-Elastomer (TPEE).