EP3405323A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines partikelschaumstoffteils - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines partikelschaumstoffteils

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EP3405323A1
EP3405323A1 EP17701443.8A EP17701443A EP3405323A1 EP 3405323 A1 EP3405323 A1 EP 3405323A1 EP 17701443 A EP17701443 A EP 17701443A EP 3405323 A1 EP3405323 A1 EP 3405323A1
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EP
European Patent Office
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mold
foam particles
radiation
capacitor plates
molding tool
Prior art date
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Pending
Application number
EP17701443.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Victor Romanov
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Kurtz & Co Kg GmbH
Original Assignee
Kurtz GmbH
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Publication date
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    • B29K2909/02—Ceramics

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for producing a particle foam part.
  • WO 2013/05081 A1 discloses a method for the production of particle foam parts in which a mixture of foam particles and dielectric transfer liquid is heated by means of electromagnetic waves in order to fuse the foam particles into a particle foam part. Radio waves or microwaves are used as electromagnetic waves.
  • the material of the foam particles is made of polypropylene (PP).
  • US Pat. No. 3,060,513 discloses a process for sintering moist thermoplastic foam particles. The particles are heated dielectrically and simultaneously compressed in the mold. Electromagnetic waves are applied at a frequency of about 2 to 1000 MHz. A similar process is described in US 3,242,238, in which foam particles are wetted with an aqueous solution and exposed to an electromagnetic field at a frequency of about 5 to 100 MHz.
  • WO 01/64414 A1 discloses a further process in which polymer particles of polyolefins which are wetted with a liquid medium are heated with electromagnetic waves, in particular microwaves.
  • the temperature in the mold is controlled by controlling the pressure therein.
  • moist foam particles are respectively heated with electromagnetic waves, the electromagnetic energy being absorbed by the liquid and transferred to the particles.
  • US 5,128,073 discloses thermoplastic particles coated with a high frequency energy absorbing material. These particles can be heated with electromagnetic waves, whereby the coating releases the electromagnetic energy and releases it onto the foam particles.
  • electromagnetic waves in the range from 40 MHz to 2450 MHz are used
  • the invention has for its object an apparatus and a method for producing a particle foam part to create, with which expandable thermoplastic foam particles can be welded efficiently and reliably.
  • a device for producing a particle foam part according to a first aspect of the present invention comprises a molding tool which defines a molding space, wherein adjacent to the mold cavity at least two capacitor plates are arranged, which are connected to an RF radiation source, wherein the RF radiation source for emitting RF Radiation is formed, and the mold tool means for tempering the mold in the region of an inner, the mold space delimiting boundary surface and / or means for supplying a heating medium to the voltage applied to the inner boundary surface region of the mold.
  • These means for tempering in the region of the boundary surface of the mold cavity of the tool or for supplying a heating medium serve for additional heating of foam particles located in the mold cavity.
  • this edge region comprises one, two or a few layers of foam particles of the particle foam part.
  • the electromagnetic RF radiation preferably has a frequency of at least 30 kHz or at least 0.1 MHz, in particular at least 1 MHz or at least 2 MHz, preferably at least 10 MHz.
  • the electromagnetic RF radiation preferably has a frequency of at most 300 MHz.
  • the foam particles may consist of a uniform material or homogeneous material.
  • the foam particles can be compressed in the mold. Compressing here means that the foam particles are mechanically compressed, without the effect of thermal expansion, which takes place due to the heating necessary in the mold for welding.
  • the compression of the foam particles can take place, for example, by a pressure filling or counter-pressure filling of the molding tool with the foam particles. Compression can also be achieved by compressing two mold halves of the mold already filled with foam particles. Such molds, which in the filled state have compressible mold halves, are referred to as crack gap molds.
  • the temperature of the foam particles in the mold is measured.
  • the supply of heat by means of electromagnetic RF radiation can be controlled as a function of the measured temperature.
  • the temperature measurement can be carried out by means of electrical temperature sensors as well as fiber optic temperature sensors.
  • the surface of the tool which delimits the mold cavity or cavity can be tempered. Depending on the size of the produced particle foam part and depending on the plastic material used different temperatures can be adjusted.
  • the mold is preferably tempered to a temperature in the range of about 50 ° C to about 150 ° C.
  • the foam particles to the particle foam part After welding the foam particles to the particle foam part, this can be stabilized.
  • the stabilization takes place by keeping the particle foam part in the tool, wherein the tool is not opened and the shape of the mold cavity is maintained unchanged.
  • stabilizing can the heat within the Partlkelschaumstoffteils distribute evenly and the particle foam part can also cool slowly.
  • a vacuum is applied to the mold. This will v. a. Moisture from the mold cavity and deducted from the plastic material to be welded.
  • the mold preferably consists of a material that is substantially transparent to the electromagnetic RF radiation used, such as, for example, As polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, especially UHMWPE, polyether ketone (PEEK) and other RF radiation transparent materials.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • polyethylene especially UHMWPE
  • PEEK polyether ketone
  • the mold may be formed of different materials.
  • a boundary layer of a material which has a similar or the same loss factor as the expandable polymer material to be processed with the molding tool can be provided adjacent to the surface or the shape space delimiting the boundary surface of the molding tool. As a result, the mold is heated in the region of its boundary surface similar to the polymer material to be expanded.
  • the mold is usually formed from a non-porous or slightly porous material having a substantially higher density than the usually pre-expanded expandable polymer particles.
  • a dense material usually has a much higher heat capacity than a foamed material. As a result, it requires much more heat per volume to perform a similar increase in temperature, such as a foamed polymeric material.
  • the absorption of electromagnetic radiation is significantly higher for a denser material than for the non-dense foamed material.
  • the effects of greater absorption due to the higher density and the higher heat capacity due to the higher density do not always cancel out exactly, so that materials of the molding tool which have a merely similar but different electrical loss factor, such as the expandable polymer material to be processed, sen, when exposed to electromagnetic radiation can lead to a substantially same increase in temperature. Therefore, for the purposes of the present invention, "similar electrical loss factors” are also understood to mean different loss factors which, due to the effects of the different density (heat capacity, absorption of the electromagnetic radiation), lead to substantially identical or only slightly different temperature changes.
  • the electrical loss factor can be temperature-dependent, the corresponding materials must be adjusted for specific temperature ranges. These temperature ranges are especially those in which the Verschwel Bung of the foam particles is carried out. These temperature ranges are usually slightly above the softening or melting temperature of the material of the foam particles.
  • the tuning of the materials can be carried out by simple experiments in which heat is supplied to the materials by means of electromagnetic radiation and whose temperature is recorded over time. For individual tuning of the materials of the mold, it is also possible to provide layers of materials with different electrical loss factors. As a result, both the electrical loss factor and the mechanical strength can be matched to the respective requirements.
  • two or more capacitor plates are provided, which are arranged on a mold otherwise formed of an electrically insulating material.
  • a high-frequency voltage with an amplitude of approximately at least 1 kV, preferably at least 10 kV and in particular at least 20 kV is applied to the capacitor plates.
  • the molding tool may have different thicknesses in the region between the respective capacitor plates, so that the molding space is delimited by three-dimensional contoured inner boundary surfaces.
  • a three-dimensional contoured boundary surface is understood to mean a surface which is not a planar surface.
  • Such a design of the molding tool is advantageous, above all, for the production of particle foam parts which have substantially the same density of foam particles everywhere.
  • Such a configuration is particularly useful when the mold has the same or a similar loss factor as the expanding polymer material to be processed, since then regardless of the thickness of the produced particle foam Substantially everywhere the same temperature is set when applying electromagnetic waves. In molds which do not absorb the electromagnetic waves, the areas where the particle foam part to be produced has a greater thickness or a greater density than in other areas would be heated more.
  • the molding tool has a porous shaped body which forms at least part of the inner boundary surface and is communicatively connected to a device for supplying a heating fluid.
  • a heating fluid for example, hot steam is used.
  • the porous shaped body By supplying hot steam in the porous shaped body, on the one hand, the porous shaped body itself is tempered, and on the other hand, steam can penetrate into the forming space through the pores of the porous shaped body and heat the surface area of the foam part to be produced by the molding tool.
  • the porous shaped body is designed in such a way that the heated fluid can emerge uniformly over the region of the shaped body.
  • the flow cross-section formed by the pores of the molded body is substantially smaller than in conventional molds, with which the foam particles are heated exclusively with steam. This porous molded body serves only the superficial supply of heat to the particle foam part.
  • the molding tool may have at least one channel for supplying or passing through a heating fluid.
  • the mold itself can be tempered.
  • the channel may also be connected with openings opening into the mold, as in the above-mentioned porous molded body, so that the heating fluid enters the mold space. It is preferred if a plurality of openings is provided, which are arranged distributed over the boundary surface, so that even with a small flow of the heating fluid, a uniform heating of the surface of the particle foam part takes place.
  • steam in particular water vapor
  • the water hereby supplied into the mold space can also absorb the RF radiation and convert it into heat.
  • the supplied amount of heating fluid is preferably so low that the foam material particles are heated above all by the direct absorption of the RF radiation.
  • the amount of heat supplied via the direct absorption of RF radiation at least 50% of the total amount of heat supplied to the mold space, preferably at least 75% of the total supplied to the mold space Amount of heat and in particular at least 90% of the total amount of heat supplied to the mold cavity.
  • a further possibility for tempering the inner boundary surface of the molding tool is to provide the inner boundary surface with a layer of a material which is not transparent to RF radiation.
  • This layer is called a passive heating layer.
  • the passive heating layer can be made of a material resistant to tempering, which is not transparent to RF radiation. Suitable materials are corresponding plastics or ferrites.
  • an electrical heating device may be arranged adjacent to the inner boundary surface of the molding tool in the molding tool.
  • the electrical heating device preferably has one or more heating wires, which are arranged adjacent to the inner boundary surface of the molding tool.
  • the heating wires can be arranged running in zigzag or wavy lines, so that a flat area of the boundary surface can be heated with a single heating wire.
  • the heating wires or are connected to a power source, with which a current for heating the heating wires can be applied.
  • the heating wires can also be used to measure the temperature of the mold in the area of the inner surface.
  • a heating wire is preferably used, whose electrical resistance changes greatly in the relevant temperature range of 60 to 250 ° C here.
  • the heater wire (s) is isolated from the power source as much as possible so that the RF radiation will not allow uncontrolled currents to flow in the circuit closed by the power source. Nevertheless, the RF radiation can cause an alternating charge shift in the heating wire (s), causing some heating of the heating wires. This must be taken into account in the temperature control of the mold cavity.
  • the heater wire (s) are disposed in equipotential surfaces of the RF radiation, thereby inducing no currents in the heater wire (s). These equipotential surfaces are usually parallel to the capacitor plates. With the additional heating of the edge region of the particle foam parts, it can be ensured that the particle foam part is reliably welded in the area of the surface by the additional heating.
  • the mold By additionally heating the inner boundary surface of the mold, it is also possible to heat the mold to a predetermined, reproducible temperature before the actual welding or sintering process, so that the production of each particle foam part starts at the same temperature of the inner boundary surface of the mold. As a result, the manufacturing process of the particle foam parts can be significantly stabilized. If the mold is already heated by welding or sintering operations carried out shortly before, then little or no preheating is necessary, whereas a molding tool at room temperature must first be heated to the starting temperature.
  • the starting temperature is typically in the range of 10 ° C to 50 ° C below the softening temperature of the material to be welded.
  • such skin formation can be produced by inserting a foil into the mold, wherein the foil is melted with the particle foam part and forms a surface-limiting layer.
  • the film has a higher density than the foam particles, whereby the film absorbs the electromagnetic RF radiation stronger than the foam particles. As a result, the film is heated up more and merges with the outer foam particles of the particle foam part.
  • the film is preferably of the same material as the foam particles or of a material having a similar softening temperature as the material of the foam particles
  • the capacitor plates of the molding tool can be adapted to the contour of the inner boundary surfaces of the mold.
  • the distance between the opposing capacitor plates Oberall is preferably about the same size.
  • the distance between the two capacitor plates can be kept small, although particle foam parts are formed, which are contoured three-dimensional and can extend significantly in all three spatial directions. This applies in particular to shell-shaped bodies, such as boxes, spherical segment shells and the like.
  • the capacitor plates may have a three-dimensionally contoured shape, with a portion of the capacitor plates facing an area of the mold space in which the foam particles are more densified in use than in another area farther from the mold space, than a portion the capacitor plates, which faces a region of the mold space in which the foam particles are less compressed. It has been shown that the denser the foam particles are compressed in the mold space, the more energy they absorb. This can lead to different heating. This is counteracted in this embodiment by the electromagnetic field is formed by adjusting the distance of different portions of the capacitor plates accordingly, so that the electromagnetic field in the region of higher compression of foam particles has a lower intensity than in an area with less compression of the foam particles.
  • the capacitor plates can be integrally formed and shaped three-dimensionally contoured.
  • the capacitor plates may also be formed of a plurality of segments.
  • the multiple segments can be independently adjustable at a distance from the mold space.
  • This setting can be repeatable, with corresponding fixing elements being provided for fixing the position of the sections of the capacitor plates.
  • the setting can also be executed once, wherein the sections of the capacitor plates or arranged thereon elements such. As rods, are poured into a plastic body.
  • the capacitor plates can also be used for targeted cooling of the mold after producing a particle foam part.
  • the capacitor plates preferably have cooling elements.
  • the cooling elements may be cooling fins, which are actively acted upon by a fan with cooling air.
  • the cooling elements may alternatively or additionally also be cooling lines, which are coupled to the capacitor plates. Through the cooling lines is a cooling medium, such. As water or oil, passed to cool the capacitor plates as needed.
  • the capacitor plates can also be automatically brought into contact with the bodies of the mold with an adjusting device, so that the heat contained in the bodies of the mold is dissipated via the capacitor plates. Upon heating, the capacitor plates can be lifted off these bodies to prevent unwanted cooling of the mold body.
  • the cooling of the tool by means of the capacitor plates can be controlled by measuring the temperature of the mold in a closed loop.
  • a temperature sensor inter alia, the above-described heating wire can be used.
  • Particle foam parts can be produced by the device explained above by heating foam particles in a mold so that they weld to the particle foam part.
  • the foam particles heat is supplied by electromagnetic RF radiation.
  • the foam particles may be formed of a material that absorbs the RF radiation sufficiently strongly that they heat up to such an extent that they are welded. (However, a heat transfer medium, such as water, may also be provided between the foam particles, which absorbs the electromagnetic radiation and heats up to such an extent that the foam particles are welded together.)
  • materials such as ePP (expandable polypropylene).
  • microwave radiation can also be used.
  • a disadvantage of microwave radiation is that microwaves form standing waves, so that locally different amounts of heat are introduced, which is disadvantageous, especially in the case of larger particle foam parts, since in the region of the nodes of the standing waves the heat input is often low and they are not completely welded.
  • a dielectric heat transfer medium such as water, is disadvantageous. For certain polymer materials, however, it is necessary to be able to carry out welding.
  • the foam particles are heated by direct absorption of the RF radiation, ie the heat is not or only to a limited extent heated by a heat-mediating medium, such as water, which absorbs the RF radiation and releases it to the foam particles , temperatures of more than 160.degree. C., in particular over 170.degree. C. or over 180.degree. C. and preferably over 200.degree. C., can then be produced in the mold, and the foam particles can be welded to these temperatures.
  • foam particles can be welded from expandable polymer materials, which are coated with a conventional methods, as is known from WO2014 / 128214 A1, in which the heat is transferred by means of saturated dry steam, could not be welded.
  • particle foam parts can be made of materials which could not be welded with conventional methods which weld the foam particles with water vapor. It opens up completely new possibilities for the production of particle foam parts and particle foam parts can be produced with previously unknown properties.
  • the electrical loss factor is temperature dependent for certain polymer materials. The higher the temperature, the greater the electrical loss factor. For materials such as ePES (expandable polyethersulfone) or expandable polyamide, the temperature dependence of the electrical loss factor is very pronounced. For such materials, it may be desirable to perform a preheat before being heated by direct heating. Such preheating can be accomplished by supplying steam, particularly saturated dry steam, by adding a dielectric heat transfer medium, such as water, which absorbs the electromagnetic radiation and preheats the foam particles. The preheating by means of a dielectric heat transfer medium is particularly efficient, since the electromagnetic radiation, in particular the RF electromagnetic radiation, can be used both for preheating by means of the heat transfer medium and for direct heating, in which the foam particles are welded.
  • the direct heating it is expedient to regulate the supply of heat by means of the electromagnetic radiation.
  • This regulation can be carried out, for example, by means of a temperature detected in the mold cavity by means of a temperature sensor.
  • This temperature sensor is preferably a fiber optic temperature sensor.
  • the supplied heat can also be measured on the basis of the electrical power output or on the basis of voltage changes on the capacitor.
  • the electrical losses increase as more power is drawn. conditions, or the greater the electrical loss factor of the plastic material to be welded.
  • the maximum electrical power of a generator for electromagnetic waves, in particular RF radiation can be retrieved.
  • the voltage is then reduced by a controller of the generator to prevent overloading of the generator.
  • the power supplied corresponds to the maximum power of the generator.
  • the electrical power is determined by the voltage and the current, which are applied to the capacitor or flow. These can be measured and from this the electrical power can be determined, which corresponds to the heat output.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary embodiment of a device for producing a particle foam part
  • Figure 7a to 7k each a particle foam part, which is made by Verschwel Ben with an RF radiation.
  • a device 1 for producing a particle foam part comprises a material container 2, a mold 3 and a line 4, which leads from the material container 2 to the mold 3.
  • the material container 2 serves to receive loose foam particles.
  • the material container 2 has a bottom 5, wherein it is connected in the bottom region via a compressed air line 6 to a compressed air source 7.
  • an opening is formed, to which the delivery line 4 is connected. The opening can be closed by means of a slide (not shown).
  • a motive nozzle 8 Adjacent to the material container is located in the feed line 4, a motive nozzle 8.
  • the motive nozzle 8 is connected to a further compressed air line 9 to the compressed air source 7.
  • This drive nozzle 8 supplied compressed air serves as a propellant air, since it enters through the driving nozzle 8 in the delivery line 4 and flows in the direction of the mold 3. As a result, a negative pressure is generated at the driving nozzle 8 at the side facing the material container 2, which draws foam particles from the material container.
  • the delivery line 4 opens into a filling injector 10, which is coupled to the forming tool 3.
  • the Sportsinjektor 10 is connected to a further compressed air line 11 to the compressed air source 7.
  • the compressed air supplied to the filling injector 10 is used, on the one hand, to fill the molding tool 3 by applying the flow of foam particles by means of the compressed air in the direction of the molding tool 3.
  • the compressed air supplied to the filling injector 10 can also be used for blowing back the foam particles from the delivery line 4 into the material container 2 when the filling process on the forming tool 3 has been completed.
  • the mold 3 is formed from two mold halves 12, 13. Between the two mold halves, at least one mold space 14 is delimited, in which the filling injector 10 opens to introduce the foam particles.
  • the volume of the mold space 14 can be reduced by moving the two mold halves 12, 13 together.
  • a gap between the mold halves 12, 13 is formed, which is referred to as cracking gap. Therefore, such a mold 3 is also referred to as a crack-gap mold.
  • the device 1 can have no steam generator and no steam supply to the mold space 14, as is customary in conventional devices for producing particle foam parts.
  • moisture can pass through the residual moisture contained in the material of the foam particles and through the moisture contained in the compressed air.
  • the device 1 can also be designed with a steam generator and a steam feed to the mold space 14 and / or to the feed line 4 in order to supply saturated dry steam to the mold space 14 for heating the foam particles and / or to foam particles to wet on their transport from the material container 2 to the mold space 14.
  • the foam particles, which are located in the material container 2 are wetted with water in liquid form, for which purpose in the material container 2 corresponding nozzles are arranged, which atomize the water.
  • These capacitor plates each consist of a good electrically conductive material, such. As copper or aluminum.
  • the Greinjektor 10 extends through a recess in the capacitor plate 16 which is mounted on the mold half 13.
  • the capacitor plates 15, 16 are connected via electrical lines 17 for the transmission of high frequency voltages to an AC voltage source 18.
  • the mold halves 12, 13 each have a base body, which consists of an electrically non-conductive and in particular for electromagnetic RF radiation substantially transparent material, such.
  • substantially transparent material such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, in particular UHMWPE, polyether ketone (PEEK) is formed. Only the capacitor plates 15, 16 are electrically conductive.
  • the "substantially transparent material” is a material which may be penetrated by electromagnetic RF radiation, however, this material may be specifically designed with a certain electromagnetic RF radiation absorbing property to convert part of the electric RF radiation into heat and This will be explained in more detail below:
  • the molding tool can optionally be connected to a vacuum pump 31, so that a negative pressure or vacuum can be applied to the molding space 14.
  • the condenser plates 15, 16 are preferably provided with a cooling device
  • the cooling device is formed by fans 32, which direct cooling air to the side of the condenser plates 15, 16 facing away from the mold space 14. To increase the cooling effect are on the capacitor plates 15, 16 fins 33 provided.
  • cooling lines may also be arranged on the capacitor plates 15, 16, through which a cooling medium is passed.
  • a cooling medium a liquid is preferably used, such as. As water or oil.
  • the slide of the material container 2 can be successively opened and closed.
  • the opening and closing times are typically in the range of 500 ms to 1 s.
  • the foam particles from the material container 2 are fed intermittently to the delivery line 4. In this way, bridging of the foam particles in the material container 2 can be broken and the foam particles are separated. This is particularly useful in foam particles with an adhesive surface such. B. eTPU foam particles.
  • intermittent suction can also take place by intermittently supplying the blowing air from the compressed air line 9 to the motive nozzle 8 arranged immediately adjacent to the material container 2.
  • the mold 12, 13 is provided with at least one valve (not shown), which is open when supplying foam particles, so that the compressed air flowing in the mold space 14 can escape.
  • this valve can be adjusted in such a way that in the mold space 14 a forms pressure.
  • the pressure in the delivery line and in the mold space 14 can be kept high, whereby the foam particles are kept at a small volume. This allows 14 more foam particles are supplied to the mold space, as would be possible without applying the back pressure. After the back pressure has been removed, the foam particles expand in the mold space 14.
  • Another parameter for adjusting the filling amount is the cracking gap, d. h., The gap with which the two mold halves 12, 13 are arranged spaced apart during filling.
  • the use of a cracking gap in filling, above all, increases the density in the thin region of the particle foam part to be produced.
  • the Greinjektor 10 is closed. The foam particles in the line are blown back into the material container 2 with the compressed air supplied to the filling injector 10.
  • This RF radiation is generated by applying to the capacitor plates 15, 16 a high frequency voltage of about 10 * V with a frequency of 27.12 MHz.
  • the foam particles may be formed on the basis of polyurethane (eTPU).
  • Polyurethane has a dielectric loss factor D of 0.2 for electromagnetic radiation with a frequency of 1 MHz.
  • the absorbency of polyurethane is therefore much higher than that of polypropylene. This makes it possible, without additional heat-transferring substances, in particular aqueous solutions, to introduce the heat necessary for welding the foam particles into the molding space 14, since the foam particles themselves absorb the electromagnetic waves.
  • foam particles based on polyurethane it is also possible to use foam particles based on polyethylene block amide (PEBA) or on polyethylene (PE).
  • PEBA polyethylene block amide
  • PE polyethylene
  • the foam particles can be wetted in the material container 2 or during their transport from the material container 2 to the mold 3 with the heat transfer medium. Wetting in the line 4 has the advantage that the foam particles are wetted very evenly and the heat transfer medium is evenly distributed in the mold space 14. This leads to a correspondingly uniform heating of the foam particles in the mold space 14.
  • the mold 3 may also be connected to a steam source (not shown), with which saturated dry steam can be supplied to the mold space 14.
  • a steam source not shown
  • saturated dry steam can be supplied to the mold space 14.
  • Such materials are for. B. ePES (expandable polyethersulphone) or expandable polyamide.
  • the foam particles are first heated by means of the steam, to be heated from a certain temperature alone or additionally by means of electromagnetic radiation to even higher temperatures.
  • the foam particles may be wetted with a dielectric heat transfer medium such that the electrical heat transfer medium is heated by electromagnetic radiation to heat the foam particles to a predetermined temperature. Thereafter, a direct heating of the foam material particles due to the electromagnetic radiation take place, since with increasing temperature, the absorption properties of electromagnetic radiation increase.
  • the duration over which the electromagnetic RF radiation is applied depends on the volume of the molding space 14, on the density of the foam particles and on the applied electrical power or the applied electrical voltage. Experiments have shown that it takes about 30 seconds to about 2 minutes, depending on the volume and the material from which the foam particles are formed Be sure to burn the foam particles reliably and completely. In this case, an electrical voltage of 5 kV to 20 kV was applied.
  • the temperature of the foam particles is measured and the electrical power is regulated accordingly.
  • the electrical power is preferably controlled so that the foam particles have a temperature slightly above their softening temperature.
  • the surface bounding the mold space 14 can additionally be tempered.
  • heating wires 34 can be arranged adjacent to the surface bounding the mold space 14 in the mold.
  • the heating wires 34 are connected to a power source 35, with which a heating current can be fed into the heating wires.
  • fluid channels can also be provided in the mold halves 12, 13 through which a corresponding temperature-controlled fluid flows.
  • the fluid is water or steam.
  • the mold halves 12, 13 are formed of a material substantially transparent to electromagnetic RF radiation, which is usually a plastic material which conducts heat poorly, in principle only a small amount of heat is released to the outside when the mold cavity 14 is closed.
  • Plastic mold halves 12, 13 have the advantage over metal mold halves that on the one hand they insulate much better thermally and on the other hand they have a lower heat capacity. As a result, the desired temperature cycles can be much faster and with less energy. gie be performed, the supplied heat is almost completely supplied to the foam particles.
  • the capacitor plates 15, 16 can be actively cooled by the cooling device 32, 33, whereby the main bodies of the mold halves 12, 13 and thus also the particle foam part heat is removed.
  • the particle foam part is removed from the mold by moving the two mold halves 12, 13 apart.
  • On the mold demoulding rods can be provided for demolding, with which the particle foam part from one of the two mold halves 12, 13 is pushed.
  • Stabilization is an optional process step. For certain materials and shapes, it can also be left out. The larger the volume of the particle foam part to be produced, the more expedient it is to stabilize the particle foam part in the mold after welding.
  • the electromagnetic RF radiation can already be applied during the filling and / or during the closing of a crack gap.
  • the RF radiation can already be applied during filling or only after the filling of the mold space 14 with foam particles initially with low electrical power or low electrical voltage to preheat the material to a certain temperature, then the electrical power or to increase electrical voltage gradually or abruptly.
  • a negative pressure and / or vacuum can be applied to the mold space 14.
  • the above-mentioned process is a dry process compared to vapor welding alone. As a result, the particle foam parts produced are dry after the production process and can be supplied directly to further processing slots. It may also be expedient to remove the warm particle foam parts and to feed them directly to another.
  • a midsole made of a particle foam part with a profile body made of another plastic material are welded, in which case no longer so much energy is to be supplied to the welding with the still hot or still hot particle foam part, as in one with alone steam working method would be the case in which the particle foam part must be completely cooled and dried.
  • significant increases in efficiency can be achieved in production since, on the one hand, the breaks between individual process steps can be shortened, and, on the other hand, the heat introduced for welding the foam particles can also be used at least in part for subsequent process steps.
  • the mold 3 is in turn formed from two mold halves 12, 13, each having a base body which consists of an electrically non-conductive and in particular for electromagnetic see RF radiation substantially transparent material.
  • This material is PTFE, PE, PEEK or other material substantially transparent to RF radiation.
  • the mold halves 12, 13 define a mold space 14.
  • the mold space 14 has boundary surfaces 19, which have a contoured shape deviating from a flat surface.
  • the mold halves 12, 13 each have a planar outer surface 20, on each of which a capacitor plate 15, 16 is arranged.
  • the intermediate space between the contoured boundary surfaces 19 and the outer surfaces 20 is filled in each case by the essentially transparent material.
  • the capacitor plates 15, 16 are formed planar.
  • FIG. 7h shows a particle foam part of polylactate (PLA) with a thickness of about 5 cm, which has been heated with RF radiation for a period of 120 s. The RF radiation was applied at a frequency of 27.12 MHz and at a voltage of 9 kV.
  • PLA polylactate
  • FIG. 7h shows a corresponding particle foam part cut through in the middle, made in the same way as the particle foam part shown in Figure 7h, but here the RF radiation has been applied only for a period of 90 s.
  • the central region of the particle foam part is homogeneously fused. Although the particles adhere to the edge area, they could be welded together a little more strongly.
  • the substantially transparent material is a material having the same or similar dissipation factor as the expandable polymer material to be welded, such that the mold and the foam particles in the mold space 14 uniformly heat when electromagnetic radiation is applied.
  • the mold and the foam particles in the mold space 14 uniformly heat when electromagnetic radiation is applied.
  • Figures 7j and 7k show corresponding images of cut-up particle foam parts made of polyethylene terephthalate (PET).
  • PET polyethylene terephthalate
  • the RF radiation was applied here in each case for a duration of 300 s with a frequency of 27.12 MHz, the voltage being 10 kV in the particle foam part in FIG. 7j and 7.5 kV in the particle foam part shown in FIG. 7k.
  • the in FIG Particle foam part 7j shown has a destroyed central particle structure, whereas the central region of the particle foam part shown in Figure 7k is homogeneously fused.
  • the mold 3 tempered and / or the foam particles in the mold space 14 at the edge region additional heat can be supplied.
  • the mold halves 12, 13 may be formed with fluid channels through which a fluid is passed, which is tempered to about the softening temperature of the material in the mold space 14, is passed.
  • 3 heating wires may be provided for controlling the temperature of the molds, as described above.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a molding tool 3, which in turn is formed from two mold halves 12, 13. On planar outer surfaces 20 of the mold halves 12, 13 each have a ebenf smiles capacitor plate 15, 16 is arranged.
  • the mold halves 12, 13 are formed in two parts from an outer non-porous casing wall 21 and an inner porous shaped body 22.
  • the porous shaped bodies 22 define the inner boundary surface 19 for delimiting the mold space 14.
  • At the sides facing away from the inner boundary surface 19 are the moldings 22 positively surrounded by the casing wall 21.
  • the mold halves 12, 13 each have one or more channels 23, which each open with an opening on the jacket wall and extend into the porous moldings 22 and terminate there. Through the channels 23, a hot medium can be introduced into the mold halves 12, 13, which is distributed in the porous molded body 22 and partially enters the mold space 14.
  • the foam particles in the edge region of the mold space 14 are heated directly through the medium and on the other hand, the mold halves 12, 13, in particular their porous moldings 22 are tempered.
  • the media hot gases, especially hot air or steam, can be used.
  • a medium is cool when it is colder than the mold halves 12, 13 or colder than the particle foam part located in the mold cavity 14. As a result, the stabilization of the particle foam part can be accelerated.
  • Both the jacket wall and the molded bodies 22 are each formed of materials that are substantially transparent to RF radiation, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, in particular UHMWPE, polyetheretherketone (PEEK).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • polyethylene in particular UHMWPE
  • PEEK polyetheretherketone
  • the shaped bodies 22 are produced, for example, by sintering a granulate of one of these materials.
  • the passive heating layer 24 may be formed of a temperature-stable material which is not transparent to RF radiation.
  • Other suitable materials for such a passive heating layer 24 are ferrites.
  • a passive heating layer 24 and materials with a moderate loss factor can be used, such.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEEK polyether ether ketone
  • POM polyoxymethylene
  • PMMA polyimide
  • D dielectric loss factor
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • These heating layers are substantially transparent to the electromagnetic radiation, since they absorb only a small proportion and are to be provided with a certain thickness due to the relatively low loss factor, which is preferably at least 2 mm, in particular at least 2.5 mm and in particular at least 5 mm.
  • Such a heating layer may also have a thickness of 10 mm or more.
  • Heating layers may also be formed as separate plates, which are arranged adjacent to the inner boundary surfaces 19 of the mold halves 12, 13.
  • PET, PMMA and POM are mainly used for molds intended for welding of ePE, eTPU or ePS.
  • the fuming temperature here is about 120 ° C to 130 ° C.
  • a tool made of PET can also be used to weld ePP or ePS, where the Verschwel bung temperature is about 160 ° C.
  • a heat resistant tool made of PEEK or polyimide (PI) can be used.
  • a heat-resistant tool may also be formed of ceramic, which preferably has a coating. The coating may be a heat resistant plastic material. Such a heat-resistant tool can be used, for example, for welding ePES (expandable polyethersulphone).
  • the melting temperature of POM is about 175 ° C. Therefore, a tool made of POM is not suitable for welding materials with a welding temperature of 160 ° C or more.
  • the material of the tool is selected with respect to the material to be welded in view of the Verschwel Bungstemperatur and the electrical loss factor
  • the melting temperature of the tool material should be greater than the welding temperature.
  • the electrical loss factor of the tool material may be equal to or less than that of the material to be welded. Here, the higher density of the tool material is taken into account.
  • the heating layer 24 may be provided not only on the boundary surfaces 19 formed adjacent to the capacitor plates, but also on all the boundary surfaces 19 of the mold halves 12, 13 so as to completely surround the particle foam body to be formed. The same applies to the other heating and tempering devices mentioned above, such as tempering channels or heating wires.
  • the mold halves 12, 13 may also be formed entirely from a substantially transparent material having a low dielectric loss factor D, so that the mold halves 12, 13 heat when applying electromagnetic radiation, in particular RF radiation.
  • the different possibilities for tempering the inner boundary surfaces 19, which are listed above, can also be used in combination in a mold.
  • the above-described embodiments of the molds 3 each have planar capacitor plates 15, 16. According to a further embodiment of the molds 3, these can be designed so that the capacitor plates 15, 16 are adapted to the shape of the produced particle foam part or the mold space 14.
  • the embodiment shown in Figure 4 shows two mold halves 12, 13, which define a step-shaped mold space 14 with their inner boundary surfaces 19.
  • the outer surfaces 20 are adapted to the contour of the corresponding inner boundary surfaces 19 of the respective mold half 12, 13.
  • the inner boundary surfaces 19 are depicted on the respective outer surfaces 20 of the mold halves 12, 13, the mold 3 being formed, for example, with a uniform thickness about which the outer surface 20 is offset from the inner boundary surface 19.
  • On the outer surface 20 preferably small structures of the inner boundary surface 19 are smoothed.
  • the capacitor plates 15, 16 are formed as an electrically conductive layer and have substantially the same shape or contour as the corresponding outer surface 20 of the respective mold half 12, 13th
  • the capacitor plates are adapted in shape according to the PartJkel- foam material parts or the mold space 14 to be produced, the distance between the opposing capacitor plates is approximately the same everywhere, whereby the distance of the opposing capacitor plates 15, 16 can be kept low, so that a high electric field strength is achieved at a relatively low voltage.
  • Such a shape adaptation of the capacitor plates to the shape of the produced particle foam parts is particularly useful in shell-shaped particle foam parts.
  • shell-shaped particle foam parts are, for example, boxes or spherical segment-shaped shells. If you were to form such a box between two planar capacitor plates, then the distance between the capacitor plates would have to be so large that the entire box has space between them. In the form of adaptation of the capacitor plates, the distance between the two capacitor plates can only be slightly larger than the thickness of the wall of the particle foam part.
  • Such a shape adaptation of the capacitor plates therefore makes it possible to produce large-volume, in particular cup-shaped particle foam parts, wherein the requirements for the voltage source are kept low in order to provide a sufficient electric field for welding the foam particles.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a molding tool 3, wherein the capacitor plate 15, 16 are each divided into a plurality of segments 25 whose distance from the mold space 14 is individually adjustable
  • the segments 25 of the capacitor plates 15, 16 are each small square plates, the each coupled to a segment bar 26.
  • the segment bars 26 are connected to the AC voltage source 18 and are in electrical contact with the respective electrically conductive plates which form the capacitor plates 15, 16.
  • the segment bars 26 are slidably disposed in a holder 27 in which they are fixable in a predetermined position.
  • the holder 27 may be formed such that the segment bars 26 are detachably fixable, whereby segment bars 26 and thus the capacitor plates 28 in different positions are fixable.
  • the brackets 27 may also be designed for one-time fixing of the segment bars 26.
  • Such holders 27 may be formed, for example, from a potting, which surrounds the segment bars 26 at least partially and after arranging the segment bars 26 and the capacitor plate 28 is poured in a predetermined desired arrangement.
  • Such once-fixable capacitor plates 15, 16 are mainly used for particle foam parts, which are produced very often or in large quantities and in which the corresponding tool is needed again and again. The capacitor plates 15, 16 are then assigned to the corresponding mold halves 12, 13, with which they are used repeatedly together.
  • the mold 3 shown in FIG. 5 is a crack-gap mold that is filled with spaced-apart mold halves 12, 13 with foam particles 29.
  • the molding space 14 shown in FIG. 5 has different thicknesses in cross section, wherein the thickness in the area A is a fraction smaller than in the area B and C.
  • the foam particles 29 are compressed more strongly in the region A than in the regions B and C, whereby they have a greater density in the region A than in the regions B and C. Therefore, the capacitor pads 28, which are adjacent to the area A and the area A, further away from a center plane 30 than the capacitor plates 28, which point to the areas B and C, respectively.
  • the middle plane 30 is arranged approximately centrally between the two capacitor plates 15, 16.
  • the foam particles are heated above all by direct absorption of the RF radiation, ie, that the heat can not or only to a small extent pass through a heat-mediating medium which absorbs the RF radiation and releases it to the foam particles
  • Temperature in the mold cavity not controlled by parameters that act on a heat transfer medium become.
  • the foam particles themselves can become arbitrarily hot and heat to different degrees in different densities.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the molding tool 3, in which the mold halves 12, 13 are formed with similar inner boundary surfaces 19 as in the embodiment shown in FIG.
  • This molding tool 3 is characterized in that the outer surfaces 20 have a contoured shape, so that portions of the outer surface 20 are at different distances from the central plane 30.
  • the capacitor plates 15, 16 are applied, wherein they are adapted in shape to the contoured outer surfaces 20.
  • the capacitor plates 15, 16 may for example be made by an electrically conductive coating, which is applied to the outer surfaces 20 of the mold halves 12, 13.
  • the capacitor plates 15, 16 may also be formed as flexible sheet metal parts, which consist of a highly electrically conductive metal or a highly electrically conductive metal alloy and are adapted in shape to the outer surface 20 and are glued to the outer surfaces.
  • portions of the capacitor plates 15, 16 are at different distances from the center plane 30 or from the mold space 14, thereby producing regions with different electric field strength in the mold space 14.
  • the distance of the opposite portions of the capacitor plates 15, 16 is greater than in the areas B, C, in which the compression of the foam particles 29 is lower.
  • the distance of the individual sections of the capacitor plates 15, 16 to the center plane 30 is approximately proportional to the density of the foam particles 29 in the areas between the opposing sections of the capacitor plates 15, 16.
  • the proportionality factor differs between the different materials and depends on their absorption capacity the RF radiation.
  • Forming tools 3 for producing large particle foam parts may have a plurality of separate segments of capacitor plates 15, 16. It is expedient that the capacitor plates in no direction are greater than a quarter of the wavelength of the RF radiation. At a frequency of 27.12 MHz, the wavelength ⁇ is about 11 meters. The maximum extent of the segments of the capacitor plates should therefore not be greater than about 2.75 meters.
  • capacitor plates up to a size of about two meters produce a very uniform electric field at a frequency of 27.12 MHz. If the capacitor plates are larger than N4, then the radiation of the individual points of the capacitor plates is different and they no longer radiate synchronously.
  • capacitor plates which are larger than ⁇ / 4 it is expedient to provide distributed inductors on the capacitor plate, each forming an LC element. As a result, the synchronicity of the vibrations of the different sections of the capacitor plates can be restored.
  • the provision of such LC elements is very complicated. It may therefore be more convenient to subdivide the capacitor plates into separate sections that are independently applied with an AC voltage.
  • FIGS. 7a to 7k show images of partial particle foam parts which are partly cut, which have been welded to RF radiation without heat-transferring medium and without additional tempering of the foam particle molding tool.
  • the following table shows the parameters of the voltage U, the duration t, the electrical loss factor D at 1 MHz and room temperature, the name of the material and the reference to the figure.
  • ePEBA polyether block amides
  • eTPU expanded thermoplastic polyurethane
  • PLA polylactate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PET 100% recyclable. PET is obtained inexpensively from a recycling process in large quantities. PET has been the preferred material for plastic bottles. It is also very hard and allows the production of particle foam bodies with similar properties as expanded polypropylene (ePP) particle foam bodies.
  • ePP expanded polypropylene
  • PLA is also 100% recyclable, fully biodegradable and has mechanical properties such as expanded polystyrene (ePS) particle foam parts. Initial measurements have shown that PLA has a dielectric loss factor in the range of about 0.1 to 0.01. Accurate measurements are not yet available. PLA has a softening temperature of approx. 100 ° C.
  • the softening temperature of eTPU is about 125 ° C to 130 ° C and that of polyethylene terephthalate about 200 ° C to 260 ° C.
  • ePEBA is very light and highly elastic. It has similar properties as particle foam parts made of expanded thermoplastic polyurethane.

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Abstract

Die Erfindung betritt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils. Die Vorrichtung umfasst ein Formwerkzeug (3), das einen Formraum (14) begrenzt, wobei benachbart zum Formraum zumindest zwei Kondensatorplatten (15, 16) angeordnet sind, welche mit einer RF-Strahlungsquelle verbunden sind, wobei die RF-Strahlungsquelle zum Abgeben von RF Strahlung ausgebildet ist, und das Formwerkzeug (3) Mittel zum Temperieren des Formwerkzeuges im Bereich einer inneren, den Formraum (14) begrenzenden Begrenzungsfläche (19) und/oder zum Zuführen eines Heizmediums zu dem an der inneren Begrenzungsfläche anliegenden Bereich des Formwerkzeuges aufweist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils.
Aus der WO 2013/05081 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung von Partikelschaum- stoffteilen hervor, bei welchen eine Mischung aus Schaumstoffpartikeln und dielektri- scher 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. Aus der US 3,060,513 geht ein Verfahren zum Sintern von feuchten thermoplastischen Schaumstoffpartikel hervor. Die Partikel werden dielektrisch erhitzt und gleichzeitig in der Form komprimiert. Es werden elektromagnetische Wellen bei einer Frequenz von etwa 2 bis 1000 MHz angelegt. Ein ähnliches Verfahren ist in der US 3,242,238 beschrieben, bei welchen Schaumstoffpartikel mit einer wässrigen Lösung befeuchtet werden und einem elektromagnetischen Feld mit einer Frequenz von etwa 5 bis 100 MHz ausgesetzt sind.
In der GB 1 ,403,326 ist ein Verfahren zum Verschweißen von expandierbaren Poly- styrolschaumstoffpartikel beschrieben, bei welchem die Partikel mit einer wässrigen Lösung befeuchtet werden und einem elektromagnetischen Feld von 5 bis 2000 MHz ausgesetzt werden. Aus der WO 01/64414 A1 geht ein weiteres 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. Bei den oben erläuterten Verfahren werden jeweils feuchte Schaumstoffpartikel mit elektromagnetischen Wellen erhitzt, wobei die elektromagnetische Energie von der Flüssigkeit absorbiert und auf die Partikel übertragen wird. Aus der US 5,128,073 gehen thermoplastische Partikel hervor, die mit einem Hochfrequenzenergie absorbierenden Material beschichtet sind. Diese Partikel können mit elektromagnetischen Wellen erhitzt werden, wobei die Beschichtung die elektromagnetische Energie aufgibt und auf die Schaumstoffpartikel abgibt Zum Verschweißen der Schaumstoffpartikel werden elektromagnetische Wellen im Bereich vom 40 MHz bis 2450 MHz verwendet
Diese Verfahren sind seit Jahrzehnten bekannt. Dennoch konnten sie sich in der Praxis nicht durchsetzen. Hierfür gibt es unterschiedliche Gründe. Bei Labormustern funktionieren diese Verfahren sehr gut. Der Übergang in die industrielle Produktion ist bisher jedoch nicht geglückt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass die Warme nicht gleichmäßig in die Schaumstoffpartikel eingebracht werden kann. Hierdurch erhält man keine gleichmäßige Verschweißung im Partikelschaumstoffteil.
In der Praxis werden daher fast ausschließlich Schaumstoffpartikel mittels gesättjg- tem Trockendampf verschweißt wie es bspw. aus der WO 2014/128214 A1 bekannt ist. Gegenüber dem Verschweißen mit Dampf konnte sich das Verschweißen mittels elektromagnetischer Wellen in der Praxis nie durchsetzen, obwohl das Verschweißen von elektromagnetischen Wellen prinzipbedingt erhebliche Vorteile hätte. Bei elektromagnetischen Wellen könnte die Energie wesentlich gezielter übertragen werden, wodurch es nicht notwendig wäre, Hilfskörper zu erhitzen. Bei der Verwendung von Dampf muss dieser zunächst in einem Dampfgenerator erzeugt werden. Dann muss der Dampf über Leitungen dem Werkzeug zugeführt werden. Alle diese Teile müssen auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt werden, so dass der Dampf hierin nicht kondensiert Dies verursacht einen erheblichen Wärmeverlust. Zudem bean- spruchen die Geräte zur Dampferzeugung und Dampfleitung den meisten Bauraum an der Vorrichtung zur Herstellung des Partikelschaumstoffteils. Wenn man keinen Dampf zum Verschweißen der Schaumstoffpartikel benötigen würde, dann könnte man die gesamte Vorrichtung wesentlich kompakter ausbilden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils zu schaffen, mit welchen expandierbare thermoplastische Schaumstoffpartikel effizient und zuverlässig verschweißt werden können.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstande der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Formwerkzeug, das einen Formraum begrenzt, wobei benachbart zum Formraum zumindest zwei Kondensatorplatten angeordnet sind, welche mit einer RF-Strahlungsquelle verbunden sind, wobei die RF- Strahlungsquelle zum Abgeben von RF-Strahlung ausgebildet ist, und das Form- Werkzeug Mittel zum Temperieren des Formwerkzeuges im Bereich einer inneren, den Formraum begrenzenden Begrenzungsfläche und/oder Mittel zum Zuführen eines Heizmediums zu dem an der inneren Begrenzungsfläche anliegenden Bereich des Formwerkzeuges aufweist. Diese Mittel zum Temperieren im Bereich der Begrenzungsfläche des Formraums des Werkzeuges bzw. zum Zuführen eines Heizmediums dienen zum zusätzlichen Erwärmen von im Formraum befindlicher Schaumstoffpartikel. Hierdurch kann beim Verschweißen der Schaumstoffpartikel zum Partikelschaumstoffteil eine ungleichmäßige Erhitzung der Schaumstoffpartikel ausgeglichen werden. Beim Einbringen der Wärme mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere RF-Strahlung aber auch bei Mikrowellenstrahlung, erfolgt in der Regel der intensivste Energieeintrag im Innenbereich des Formraumes und nicht im Randbereich des Formraumes. Zudem sind die Schaumstoffpartikel sehr gute Wärmeisolatoren, weshalb sich die Wärme nur langsam zwischen den Schaumstoffpartikeln verteilt. Besonders am Randbereich der Partikelschaumstoffteile können erhebliche Temperaturdifferenzen auftreten. Durch die zusätzliche Temperierung des Formwerkzeuges bzw. der Schaumstoffpartikel bzw. der verschweißten Partikelschaumstoffteile am Randbereich des Formraumes können diese Temperaturdifferenzen ausgeglichen werden, wodurch eine gleichmäßige Verschweißung der Partikelschaumstoffteile erzielt wird. Dieser Rand- bereich umfasst in der Regel eine, zwei oder einige wenige Lagen von Schaumstoffpartikeln des Partikelschaumstoffteils. 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. Die elektromagnetische RF-Strahlung weist vorzugsweise eine Frequenz von maximal 300 MHz auf.
Die Schaumstoffpartikel können aus einem einheitlichen Material oder homogenen Material bestehen.
Die Schaumstoffpartikel können im Formwerkzeug komprimiert werden. Komprimieren bedeutet hier, dass die Schaumstoffpartikel mechanisch zusammengedrückt werden, ohne die Wirkung der thermischen Expansion, die aufgrund des zum Verschweißen notwendigen Erhitzens im Formwerkzeug stattfindet. Das Komprimieren der Schaumstoffpartikel kann beispielsweise durch eine Druckbefüllung oder Gegen- druckbefüllung des Formwerkzeuges mit den Schaumstoffpartikeln erfolgen. Das Komprimieren kann auch durch ein Zusammendrücken zweier Formhälften des bereits mit Schaumstoffpartikel gefüllten Formwerkzeuges erfolgen. Solche Formwerkzeuge, welche im befüllten Zustand zusammendrückbare Formhälften aufweisen, werden als Crackspalt-Formwerkzeuge bezeichnet.
Vorzugsweise wird die Temperatur der im Formwerkzeug befindlichen Schaumstoffpartikel gemessen. Die Zuführung der Wärme mittels elektromagnetischer RF- Strahlung kann in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur gesteuert werden. Die Temperaturmessung kann mittels elektrischer Temperatursensoren als auch faseroptischer Temperatursensoren ausgeführt werden.
Die das Formnest bzw. Formraum begrenzende Oberfläche des Werkzeuges kann temperiert werden. Je nach Größe des herzustellenden Partikelschaumstoffteils und in Abhängigkeit von dem verwendeten Kunststoffmaterial können unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden. Das Formwerkzeug wird vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von etwa 50°C bis etwa 150°C temperiert.
Nach dem Verschweißen der Schaumstoffpartikel zu dem Partikelschaumstoffteil kann dieses stabilisiert werden. Das Stabilisieren erfolgt durch Vorhalten des Partikelschaumstoffteils im Werkzeug, wobei das Werkzeug nicht geöffnet wird und die Form des Formnestes unverändert aufrechterhalten wird. Beim Stabilisieren kann sich die Wärme innerhalb des Partlkelschaumstoffteils gleichmäßig verteilen und das Partikelschaumstoffteil kann auch langsam abkühlen.
Vorzugsweise wird vor, während und/oder nach dem Verschwel Ben ein Vakuum an das Formwerkzeug angelegt. Hierdurch wird v. a. Feuchtigkeit aus dem Formnest und aus dem zu verschweißenden Kunststoffmaterial abgezogen.
Das Formwerkzeug besteht vorzugsweise aus einem für die verwendete elektromagnetische RF-Strahlung im Wesentlichen transparentem Material, wie z. B. Polytetra- fluorethylen (PTFE), Polyethylen, insbesondere UHMWPE, Polyetherketon (PEEK) und andere für RF-Strahlung transparente Materialien.
Das Formwerkzeug kann aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein. Insbesondere kann angrenzend an die Räche bzw. den Formraum begrenzende Begren- zungsfläche des Formwerkzeuges eine Schicht aus einem Material vorgesehen sein, die einen ähnlichen oder den gleichen Verlustfaktor, wie das mit dem Formwerkzeug zu bearbeitende expandierbare Polymermaterial besitzt. Hierdurch wird das Formwerkzeug im Bereich seiner Begrenzungsfläche ähnlich wie das zu expandierbare Polymermaterial erwärmt.
Als ähnliche oder gleiche elektrische Verlustfaktoren des Materials des Formwerkzeuges und des zu bearbeitenden expandierbaren Polymermaterials werden auch unterschiedliche Verlustfaktoren verstanden, sofern sie aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazität des das Formwerkzeug ausbildenden Materials und des ex- pandierebaren Polymermaterials zu einer im Wesentlichen gleichen oder ähnlichen Temperaturänderung bei Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung führen. Das Formwerkzeug ist in der Regel aus einem nicht porösen oder wenig porösen Material ausgebildet, das eine wesentlich höhere Dichte als die in der Regel bereits vorgeschäumten expandierbaren Polymerpartikel aufweist. Ein solch ein dichtes Material besitzt in der Regel eine wesentlich höhere Wärmekapazität als ein geschäumtes Material. Hierdurch benötigt es pro Volumen wesentlich mehr Wärme, um eine ähnliche Temperaturerhöhung auszuführen, wie ein geschäumtes Polymermaterial. Andererseits ist die Absorption der elektromagnetischen Strahlung bei einem dichteren Material wesentlich höher als bei dem nicht dichten geschäumten Material. Die Effek- te der größeren Absorption durch die höhere Dichte und der höheren Wärmekapazität durch die höhere Dichte heben sich nicht immer exakt auf, so dass Materialien des Formwerkzeuges, die einen lediglich ähnlichen, aber unterschiedlichen elektrischen Verlustfaktor wie das zu bearbeitende expandierbare Polymermaterial aufwei- sen, bei Einwirkung elektromagnetischer Strahlung zu einer im Wesentlichen gleichen Temperaturerhöhung führen können. Deshalb werden im Sinne der vorliegenden Erfindung unter„ähnliche elektrische Verlustfaktoren" auch unterschiedliche Verlustfaktoren verstanden, die aufgrund durch die unterschiedliche Dichte bewirkten Effekte (Wärmekapazität, Absorption der elektromagnetischen Strahlung) zu im Wesentlichen gleichen oder nur geringfügig unterschiedlichen Temperaturänderungen führen.
Da zudem der elektrische Verlustfaktor temperaturabhängig sein kann, sind die ent- sprechenden Materialien für bestimmte Temperaturbereiche abzustimmen. Diese Temperaturbereiche sind vor allem diejenigen, in welchen die Verschwel Bung der Schaumstoffpartikel ausgeführt wird. Diese Temperaturbereiche liegen in der Regel etwas oberhalb der Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur des Materials der Schaumstoffpartikel. Die Abstimmung der Materialien kann durch einfache Versuche ausgeführt werden, bei welchen Wärme mittels elektromagnetischer Strahlung den Materialien zugeführt wird und deren Temperatur über die Zeit aufgezeichnet wird. Zur individuellen Abstimmung der Materialien des Formwerkzeuges ist es auch möglich, Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Verlustfaktoren vorzusehen. Hierdurch können sowohl der elektrische Verlustfaktor sowie die me- chanische Festigkeit auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmt werden.
Zur Erzeugung der elektromagnetischen RF-Strahlung sind zwei oder mehr Kondensatorplatten vorgesehen, welche an einem ansonsten aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetem Formwerkzeug angeordnet sind. An die Kondensator- platten wird eine Hochfrequenzspannung mit einer Amplitude von etwa zumindest 1 kV, vorzugsweise zumindest 10 kV und insbesondere zumindest 20 kV angelegt.
Das Formwerkzeug kann im Bereich zwischen den jeweiligen Kondensatorplatten unterschiedliche Dicken aufweisen, so dass der Formraum durch dreidimensionale konturierte innere Begrenzungsflächen begrenzt ist. Hierdurch können entsprechend dreidimensional konturierte Partikelschaumstoffteile hergestellt werden. Unter einer dreidimensionalen konturierten Begrenzungsfläche wird eine Räche verstanden, die keine ebene Fläche ist Eine solche Ausbildung des Formwerkzeugs ist vor allem für die Herstellung von Partikelschaumstoffteilen von Vorteil, die im Wesentlichen überall die gleiche Dichte an Schaumstoffpartikel aufweisen. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn das Formwerkzeug den gleichen oder einen ähnlichen Verlustfaktor wie das zu verarbeitende expandierende Polymermaterial aufweist, da dann unabhängig von der Dicke der herzustellenden Partikelschaum- stoffteile überall im Wesentlichen die gleiche Temperatur beim Anlegen von elektromagnetischen Wellen eingestellt wird. Bei Formwerkzeugen, welche die elektromagnetischen Wellen nicht absorbieren, würden die Bereiche, in denen das herzustellende Partikelschaumstoffteil eine größere Dicke oder eine größere Dichte als in ande- ren Bereichen aufweist, stärker erhitzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Formwerkzeug einen porösen Formkörper auf, der zumindest einen Teil der inneren Begrenzungsfläche ausbildet und kommunizierend mit einer Einrichtung zum Zuführen eines Heizfluids verbunden ist. Als Heizfluid wird beispielsweise heißer Dampf verwendet. Durch das Zuführen von heißem Dampf in dem porösen Formkörper wird einerseits der poröse Formkörper selbst temperiert und andererseits kann durch die Poren des porösen Formkörpers Dampf in den Formraum eindringen und den Oberflächenbereich des mit dem Formwerkzeug herzustellenden Schaumstoffteils erhitzen. Der poröse Formkörper ist derart ausgebildet, dass über dem Bereich des Formkörpers hinweg gleichmäßig das erhitzte Fluid aus diesem austreten kann. Der durch die Poren des Formkörpers ausgebildete Strömungsquerschnitt ist jedoch wesentlich kleiner als bei herkömmlichen Formwerkzeugen, mit welchen die Schaumstoffpartikel ausschließlich mit Dampf erhitzt werden. Dieser poröse Formkörper dient lediglich der oberflächlichen Zuführung von Wärme an das Partikelschaumstoffteil.
Das Formwerkzeug kann zumindest einen Kanal zum Zuführen bzw. Durchleiten eines Heizfluids aufweisen. Hierdurch kann das Formwerkzeug selbst temperiert werden. Der Kanal kann jedoch auch mit in den Form räum mündenden Öffnungen, wie beim oben erläuterten porösen Formkörper, verbunden sein, so dass das Heizfluid in den Formraum eintritt. Es ist bevorzugt, wenn eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen ist, die verteilt über die Begrenzungsfläche angeordnet sind, so dass auch bei einem geringen Fluss des Heizfluids eine gleichmäßige Erwärmung der Oberfläche des Partikelschaumstoffteils stattfindet. Bei den oben erläuterten Ausführungsformen kann Dampf, insbesondere Wasserdampf, dem Formraum zugeführt werden. Das hiermit in den Formraum zugeleitete Wasser kann auch die RF-Strahlung absorbieren und in Wärme umwandeln. Die zugeführte Menge an Heizfluid ist jedoch vorzugsweise so gering, dass die Schaum- Stoffpartikel vor allem durch die direkte Absorption der RF-Strahlung erhitzt werden. Vorzugsweise beträgt die zugeführte Wärmemenge über die direkte Absorption von RF-Strahlung zumindest 50 % der gesamten dem Formraum zugeführten Wärmemenge, vorzugsweise zumindest 75 % der gesamten dem Formraum zugeführten Wärmemenge und insbesondere zumindest 90 % der gesamten dem Formraum zugeführten Wärmemenge.
Eine weitere Möglichkeit zur Temperierung der inneren Begrenzungsfläche des Formwerkzeuges besteht darin, die innere Begrenzungsfläche mit einer Schicht aus einem Material, das für RF-Strahlung nicht transparent ist, zu versehen. Diese Schicht wird als passive Heizschicht bezeichnet Die passive Heizschicht kann aus einem temperarturstabilen, für RF-Strahlung nicht transparenten Material ausgebildet sein. Geeignete Materialien sind entsprechende Kunststoffe oder Ferrite.
Zur Temperierung der inneren Begrenzungsfläche des Formwerkzeugs kann alternativ oder zusätzlich eine elektrische Heizeinrichtung benachbart zur inneren Begrenzungsfläche des Formwerkzeugs im Formwerkzeug angeordnet sein. Die elektrische Heizeinrichtung weist vorzugsweise einen oder mehrere Heizdrähte auf, welche be- nachbart zur inneren Begrenzungsfläche des Formwerkzeugs angeordnet sind. Die Heizdrähte können in Zickzack- oder Wellenlinien verlaufend angeordnet sein, sodass ein flächiger Bereich der Begrenzungsfläche mit einem einzigen Heizdraht erhitzt werden kann. Der bzw. die Heizdrähte sind an eine Stromquelle angeschlossen, mit welcher ein Strom zum Beheizen der Heizdrähte angelegt werden kann.
Die Heizdrähte können auch zum Messen der Temperatur des Formwerkzeugs im Bereich der inneren Oberfläche verwendet werden. Hierzu wird vorzugsweise ein Heizdraht verwendet, dessen elektrischer Widerstand sich im hier relevanten Temperaturbereich von 60 bis 250°C stark verändert.
Während des Anlegens der RF-Strahlung wird der bzw. werden die Heizdrähte von der Stromquelle möglichst getrennt, damit durch die RF-Strahlung keine unkontrollierten Ströme in dem durch die Stromquelle geschlossenen Stromkreis fließen können. Die RF-Strahlung kann dennoch in dem bzw. den Heizdrähten eine wechsel- weise Ladungsverschiebung verursachen, wodurch eine gewisse Erwärmung der Heizdrähte verursacht wird. Dies ist bei der Temperierung des Formraums zu berücksichtigen. Vorzugsweise ist der bzw. sind die Heizdrähte in Äquipotenzialflächen der RF-Strahlung angeordnet, wodurch keine Ströme in dem bzw. in den Heizdrähten induziert werden. Diese Äquipotenzialflächen verlaufen in der Regel parallel zu den Kondensatorplatten. Mit dem zusätzlichen Beheizen des Randbereiches der Partikelschaumstoffteile kann sichergestellt werden, dass das Partikelschaumstoffteil im Bereich der Oberfläche durch das zusätzliche Erhitzen zuverlässig verschweißt wird. Durch das zusätzliche Beheizen der inneren Begrenzungsfläche des Formwerkzeugs ist es auch möglich, das Formwerkzeug vor dem eigentlichen Verschweißungs- bzw. Sintervorgang auf eine vorbestimmte, reproduzierbare Stalttemperatur zu erhitzen, sodass die Herstellung jedes Partikelschaumstoffteils mit der gleichen Temperatur der innere Begrenzungsfläche des Formwerkszeugs beginnt. Hierdurch kann der Herstellungsprozess der Partikelschaumstoffteile erheblich stabilisiert werden. Ist das Formwerkzeug von unmittelbar kurz vorher ausgeführten Verschweißungs- bzw. Sintervorgängen bereits erhitzt, dann ist keine oder lediglich eine geringe Vorheizung notwendig, wohingegen ein sich auf Raumtemperatur befindliches Formwerkzeug zunächst auf die Starttemperatur zu erhitzen ist. Die Starttemperatur liegt typischer- weise im Bereich von 10°C bis 50°C unterhalb der Erweichungstemperatur des zu verschweißenden Materials.
Eine solche Verhautung kann auch alternativ durch Einlegen einer Folie in das Formwerkzeug erzeugt werden, wobei die Folie mit dem Partikelschaumstoffteil ver- schmolzen wird und eine die Oberfläche begrenzende Schicht bildet. Die Folie besitzt eine höhere Dichte als die Schaumstoffpartikel, wodurch die Folie die elektromagnetische RF-Strahlung stärker absorbiert als die Schaumstoffpartikel. Hierdurch wird die Folie stärker aufgehitzt und verschmilzt mit den außenliegenden Schaumstoffpartikeln des Partikelschaumstoffteils. Die Folie ist vorzugsweise aus dem glei- chen Material wie die Schaumstoffpartikel oder aus einem Material, das eine ähnliche Erweichungstemperatur wie das Material der Schaumstoffpartikel aufweist
Die Kondensatorplatten des Formwerkzeuges können an die Kontur der inneren Begrenzungsflächen des Formwerkzeugs angepasst sein. Hierbei ist vorzugsweise der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten Oberall etwa gleich groß. Dadurch, dass die Kondensatorplatten der Kontur der inneren Begrenzungsflächen des Formwerkzeugs angepasst sind, kann der Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten gering gehalten werden, obwohl Partikelschaumstoffteile ausgeformt werden, die dreidimensional konturiert sind und sich in alle drei Raumrichtungen erheblich erstrecken können. Dies gilt insbesondere für schalenförmige Körper, wie Kisten, Kugelsegmentschalen und dergleichen. Die Kondensatorplatten können eine dreidimensional konturierte Form aufweisen, wobei ein Abschnitt der Kondensatorplatten, der zu einem tiereich des Formraums weist, in dem bei Benutzung die Schaumstoffpartikel starker verdichtet sind als in einem anderen Bereich, weiter entfernt vom Formraum angeordnet ist, als ein Ab- schnitt der Kondensatorplatten, der zu einem Bereich des Formraums weist, in dem die Schaumstoffpartikel weniger verdichtet sind. Es hat sich gezeigt, dass je dichter die Schaumstoffpartikel im Formraum komprimiert sind, desto mehr Energie absorbieren sie. Hierdurch kann es zu unterschiedlichen Erhitzungen kommen. Dem wird bei dieser Ausführungsform entgegen gewirkt, indem das elektromagnetische Feld durch Einstellung des Abstandes unterschiedlicher Abschnitte der Kondensatorplatten entsprechend geformt wird, so dass das elektromagnetische Feld im Bereich höherer Verdichtung von Schaumstoffpartikel eine geringere Intensität als in einem Bereich mit geringerer Verdichtung der Schaumstoffpartikel aufweist. Die Kondensatorplatten können einteilig ausgebildet und dreidimensional konturiert geformt sein. Die Kondensatorplatten können jedoch auch aus mehreren Segmenten ausgebildet sein. Die mehreren Segmente können unabhängig voneinander im Abstand zum Formraum einstellbar sein. Diese Einstellung kann wiederholbar sein, wobei entsprechende Fixierelemente zum Fixieren der Position der Abschnitte der Kon- densatorplatten vorgesehen sind. Die Einstellung kann auch einmalig ausführbar sein, wobei die Abschnitte der Kondensatorplatten bzw. daran angeordnete Elemente, wie z. B. Stangen, in einen Kunststoffkörper eingegossen werden.
Die Kondensatorplatten können auch zum gezielten Kühlen des Formwerkzeugs nach dem Herstellen eines Partikelschaumstoffteils verwendet werden. Vorzugsweise weisen die Kondensatorplatten Kühlelemente auf. Die Kühlelemente können Kühlrippen sein, welche mit einem Gebläse aktiv mit Kühlluft beaufschlagt werden. Die Kühlelemente können alternativ oder zusätzlich auch Kühlleitungen sein, welche an die Kondensatorplatten gekoppelt sind. Durch die Kühlleitungen wird ein Kühlmedi- um, wie z. B. Wasser oder Öl, geleitet, um bei Bedarf die Kondensatorplatten zu kühlen. Die Kondensatorplatten können auch mit einer Stelleinrichtung selbsttätig mit den Körpern des Formwerkzeugs in Kontakt gebracht werden, sodass die in den Körpern des Formwerkzeugs enthaltene Wärme über die Kondensatorplatten abgeleitet wird. Beim Erwärmen können die Kondensatorplatten von diesen Körpern ab- gehoben werden, um keine unerwünschte Kühlung der Körper des Formwerkzeugs zu erzeugen. Das Kühlen des Werkzeugs mittels der Kondensatorplatten kann durch Messen der Temperatur des Formwerkzeugs in einer geschlossenen Regelschleife geregelt werden. Als Temperatursensor kann u. a. der oben erläuterte Heizdraht verwendet werden. Mit der oben erläuterten Vorrichtung können Partikelschaumstoffteile hergestellt werden, indem Schaumstoffpartikel in einem Formwerkzeug erhitzt werden, so dass sie zum Partikelschaumstoffteil verschweißen. Den Schaumstoffpartikeln wird Wärme mittels elektromagnetischer RF-Strahlung zugeführt. Die Schaumstoffpartikel können aus einem Material ausgebildet sein, das die RF-Strahlung ausreichend stark absorbiert, so dass sie sich derart stark erhitzen, dass sie verschweißt werden. (Es kann jedoch auch ein Wärmeübertragungsmedium, wie zum Beispiel Wasser, zwischen den Schaumstoffpartikeln vorgesehen sein, das die elektromagnetische Strahlung absorbiert und sich so stark erhitzt, dass die Schaumstoffpartikel miteinander ver- schweißt werden. Bei Materialien, wie zum Beispiel ePP (expandierbares Polypropylen) oder ePS (expandierbares Polystyrol) ist es zum Beispiel zweckmäßig, ein solches Wärmeübertragungsmedium hinzuzugeben, da diese Materialien elektromagnetische Strahlung nur geringfügig absorbieren. Die elektromagnetische Strahlung wird vorzugsweise als RF-Strahlung zugeführt. Grundsätzlich, insbesondere bei kleinen Partikelschaumstoffteilen, kann auch Mikrowellenstrahlung verwendet werden. Nachteilig an Mikrowellenstrahlung ist, dass Mikrowellen stehende Wellen bilden, so dass lokal unterschiedliche Wärmemengen eingetragen werden. Dies ist besonders bei größeren Partikelschaumstoffteilen von Nachteil, da im Bereich der Knoten der stehenden Wellen der Wärmeeintrag oftmals gering ist und diese nicht vollständig verschweißt werden. Auch ist die Verwendung eines dielektrischen Wärmeübertragungsmittels, wie zum Beispiel Wasser, nachteilig. Bei gewissen Polymermaterialien ist es jedoch notwendig, um eine Verschweißung ausführen zu können.
Werden die Schaumstoffpartikel vor allem durch unmittelbare Absorption der RF- Strahlung erhitzt, d.h., dass die Wärme nicht oder nur zu einem geringen Teil über ein Wärme vermittelndes Medium, wie zum Beispiel Wasser, das die RF-Strahlung absorbiert und an die Schaumstoffpartikel abgibt, erhitzt, dann können im Formwerk- zeug Temperaturen von über 160°C, insbesondere über 170°C bzw. über 180°C und vorzugsweise über 200°C erzeugt werden und mit diesen Temperaturen die Schaumstoffpartikel verschweißt werden. Hierdurch können Schaumstoffpartikel aus expandierbaren Polymermaterialien verschweißt werden, welche mit einem her- kömmlichen Verfahren, wie es aus der WO2014/128214 A1 bekannt ist, bei welcher die Wärme mittels gesättigtem Trockendampf übertragen wird, nicht verschweißt werden konnten. Hierdurch können Partikelschaumstoffteile aus Materialen hergestellt werden, welche mit herkömmlichen Verfahren, welche die Schaumstoffpartikel mit Wasserdampf verschweißen, nicht verschweißt werden konnten. Es werden völlig neue Möglichkeiten zur Herstellung von Partikelschaumstoffteilen erschlossen und es können Partikelschaumstoffteile mit bisher nicht gekannten Eigenschaften hergestellt werden. Das erhitzen der Schaumstoffpartikel vor allem durch unmittelbare Absorption der RF-Strahlung, d.h., dass die Wärme nicht oder nur zu einem geringen Teil über ein Wärme vermittelndes dielektrisches Medium, wie zum Beispiel Wasser, das die RF- Strahlung absorbiert und an die Schaumstoffpartikel abgibt, wird im Folgenden als .Direkterhitzung" bezeichnet.
Der elektrische Verlustfaktor ist bei bestimmten Polymermaterialien temperaturabhängig. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist meistens der elektrische Verlustfaktor. Bei Materialien, wie ePES (expandierbares Polyethersulfon) bzw. expandierbares Polyamid ist die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Verlustfaktors sehr ausgeprägt. Bei solchen Materialien kann es zweckmäßig sein, eine Vorerhitzung durchzuführen, bevor sie mittels Direkterhitzung erhitzt werden. Eine solche Vorerhitzung kann durch Zuführen von Dampf, insbesondere gesättigtem Trockendampf, durch Zugeben eines dielektrischen Wärmeübertragungsmittels, wie zum Beispiel Wasser, welches die elektromagnetische Strahlung absorbiert und zu einer Vorerhitzung der Schaumstoffpartikel führt, erfolgen. Die Vorerhitzung mittels eines dielektrischen Wärmeübertragungsmittels ist besonders effizient, da die elektromagnetische Strahlung, insbesondere die elektromagnetische RF-Strahlung, sowohl für die Vorerhitzung mittels des Wärmeübertragungsmittels als auch für eine Direkterhitzung, bei welcher die Schaumstoffpartikel verschweißt werden, verwendet werden kann. Bei der Direkterhitzung ist es zweckmäßig, die Zuführung der Wärme mittels der elektromagnetischen Strahlung zu regeln. Diese Regelung kann beispielsweise anhand einer im Formraum mittels eines Temperatursensors erfassten Temperatur ausgeführt werden. Dieser Temperatursensor ist vorzugsweise ein faseroptischer Temperatursensor. Die zugeführte Wärme kann jedoch auch anhand der abgegebenen elektrischen Leistung bzw. anhand von Spannungsveränderungen am Kondensator gemessen werden. Die elektrischen Verluste steigen, je mehr Leistung gezo- gen wird, bzw. je größer der elektrische Verlustfaktor des zu verschweißenden Kunststoffmaterials ist. Bei großen elektrischen Verlusten kann die maximale elektrische Leistung eines Generators für elektromagnetische Wellen, insbesondere RF- Strahlung, abgerufen werden. Bei einer weiteren Steigerung der elektrischen Verluste wird dann die Spannung durch eine Regeleinrichtung des Generators reduziert, um einen Überlastung des Generators zu verhindern. Durch Detektion der Spannung am Kondensator kann zum einen erkannt werden, ob die Vorrichtung in einem Nor- mallastzustand oder in einem Grenzlastzustand betrieben wird. Im Grenzlastzustand entspricht die eingebrachte Leistung der Maximalleistung des Generators.
Grundsätzlich gilt, dass die elektrische Leistung durch die Spannung und den Strom bestimmt ist, welche am Kondensator anliegen bzw. fließen. Diese können gemessen und hieraus die elektrische Leistung bestimmt werden, welche der Wärmeleistung entspricht.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Figur 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstel- lung eines Partikelschaumstoffteils,
Figur 2 bis 6 jeweils schematisch unterschiedliche Werkzeuge für eine Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumstoffsteils in einer Querschnittsansicht,
Figur 7a bis 7k jeweils ein Partikelschaumstoff teil, das durch Verschwel Ben mit einer RF-Strahlung hergestellt ist.
Eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils umfasst einen Ma- terialbehälter 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 DruckluftJei- tung 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 tiereich 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 ge- koppelt 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 Zurückbla- sen 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.
Die Vorrichtung 1 kann keinen Dampfgenerator und keine Dampfzuführung zum Formraum 14 aufweisen, wie es bei herkömmlichen Vorrichtungen zur Herstellung von Partikelschaumstoffteilen üblich ist In dem Formraum 14 kann Feuchte durch die im Material der Schaumstoffpartikel enthaltene Restfeuchte und durch die in der Druckluft enthaltene Feuchte gelangen. Die Vorrichtung 1 kann jedoch 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.
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 Kondensatorplatten 15, 16 sind über elektrische Leitungen 17 zur Übertragung von Hochfrequenzspannungen mit einer Wechselspannungsquelle 18 verbunden.
Die Formhälften 12, 13 weisen jeweils einen Grundkörper auf, der aus einem elektrisch nicht leitenden und insbesondere für elektromagnetische RF-Strahlung im Wesentlichen transparentem Material, wie z. B. Polytetra-fluorethylen (PTFE), Polyethylen, insbesondere UHMWPE, Polyetherketon (PEEK) ausgebildet ist. Lediglich die Kondensatorplatten 15, 16 sind elektrisch leitend ausgebildet. Das„im Wesentlichen transparente Material" ist ein Material, das von elektromagnetischer RF- Strahlung durchdrungen worden 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 so die Formhälften 12, 13 zu erhitzen. Dies wird unten noch näher erläutert. Das Formwerkzeug kann optional mit einer Unterdruckpumpe 31 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 32 ausgebildet, welche Kühlluft auf die vom Formraum 14 abgewandte Seite der Kondensatorplatten 15, 16 lenken. Zur Steigerung der Kühlwirkung sind an den Kondensatorplatten 15, 16 Kühlrippen 33 vorgesehen.
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. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen von Partikelschaumstoffteilen mit der oben beschriebenen Vorrichtung erläutert: Das Verfahren umfasst folgende grundsätzliche Schritte:
Füllen des Formraums 14
Verschweißen der Schaumstoffpartikel
Stabilisieren (optional)
- Entformen
Reinigen des Werkzeuges (optional)
Zum Befüllen des Formraums 14 wird über die Druckluftleitung 6 im Bereich des Bodens 5 des Materialbehälters Luft eingeblasen, um die darin befindlichen Schaum- Stoffpartikel zu verwirbeln und zu vereinzeln. Gleichzeitig wird der Treibdüse auch Treibluft zugeführt, so dass aus dem Materialbehälter 2 Schaumstoffpartikel in die Förderleitung 4 gesaugt und mit der Treibluft in Richtung zum Formwerkzeug 3 transportiert werden. Der Formraum 14 ist geschlossen, wobei die Formhälften 12, 13 vollständig zusammengefahren oder mit einem Crack-Spalt voneinander beab- standet sein können.
Der Schieber des Materialbehälters 2 kann aufeinanderfolgend geöffnet und geschlossen werden. Die Öffnungs- und Verschlusszeiten liegen typischerweise im Bereich von 500 ms bis 1 s. Durch dieses zyklische Öffnen und Schließen des Schie- bers werden die Schaumstoffpartikel aus dem Materialbehälter 2 intermittierend der Förderleitung 4 zugeführt. Hierdurch kann eine Brückenbildung der Schaumstoffpartikel im Materialbehälter 2 aufgebrochen werden und die Schaumstoffpartikel werden vereinzelt Dies ist insbesondere zweckmäßig bei Schaumstoffpartikeln mit einer adhäsiven Oberfläche, wie z. B. eTPU-Schaumstoffpartikel.
Ein intermittierendes Ansaugen kann auch alternativ durch ein intermittierendes Zuführen der Treibluft aus der Druckluftleitung 9 an der unmittelbar benachbart zum Materialbehälter 2 angeordneten Treibdüse 8 erfolgen. Das Formwerkzeug 12, 13 ist mit zumindest einem Ventil (nicht dargestellt) versehen, das beim Zuführen von Schaumstoffpartikel geöffnet ist, damit die in dem Formraum 14 einströmenden Druckluft entweichen kann. Dieses Ventil kann beim Befüllen des Formraumes 14 derart eingestellt werden, dass sich im Formraum 14 ein Ge- gendruck bildet. Hierdurch kann der Druck in der Förderleitung und im Formraum 14 hochgehalten werden, wodurch die Schaumstoffpartikel auf einem kleinen Volumen gehalten werden. Dies erlaubt es, dass dem Formraum 14 mehr Schaumstoffpartikel zugeführt werden, als dies ohne Anlegen des Gegendrucks möglich wäre. Nach dem Zurücknehmen des Gegendruckes expandieren die Schaumstoffpartikel im Formraum 14.
Ein weiterer Parameter zur Einstellung der Füllmenge ist der Crack-Spalt, d. h., der Spalt, mit welchem die beiden Formhälften 12, 13 während des Füllens voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Verwendung eines Crack-Spaltes beim Füllen erhöht vor allem die Dichte in dem dünnen Bereich des herzustellenden Partikelschaumstoffteils.
Sobald festgestellt wird, dass der Formraum 14 mit Schaumstoffpartikel gefüllt ist, wird der Füllinjektor 10 geschlossen. Die in der Leitung befindlichen Schaumstoffpartikel werden mit der an den Füllinjektor 10 zugeführten Druckluft in den Materialbehälter 2 zurückgeblasen.
Das Füllen des Formraums 14 mit Schaumstoff partikel ist in der deutschen Patent- anmeldung DE 10 2014 117 332 ausführlich beschrieben, weshalb diesbezüglich auf diese Patentanmeldung Bezug genommen wird.
Nach dem Befüllen des Formraums 14 mit Schaumstoffpartikeln werden diese durch Anlegen elektromagnetischer RF-Strahlung erhitzt. Diese RF-Strahlung wird erzeugt, indem an den Kondensatorplatten 15, 16 eine Hochfrequenzspannung von etwa 10* V mit einer Frequenz von 27,12 MHz angelegt wird.
Die Schaumstoffpartikel können auf Basis von Polyurethan (eTPU) ausgebildet sein. Polyurethan weist einen dielektrischen Verlustfaktor D von 0,2 bei einer elektromag- netischen Strahlung mit einer Frequenz von 1 MHz auf. Der dielektrische Verlustfaktor von Polypropylen (PP) bei einer elektromagnetischen Strahlung mit einer Frequenz von 1 MHz beträgt hingegen lediglich nur 0,00035. Die Absorptionsfähigkeit von Polyurethan ist daher wesentlich höher als die von Polypropylen. Hierdurch ist es möglich, ohne zusätzliche Wärme übertragende Stoffe, insbesondere wässrigen Lö- sungen, die zum Verschweißen der Schaumstoffpartikel notwendige Wärme in den Formraum 14 einzubringen, da die Schaumstoffpartikel selbst die elektromagnetischen Wellen absorbieren. Anstelle von Schaumstoffpartikel auf Basis von Polyurethan können auch Schaumstoffpartikel auf Basis von Polyethylen-Block-Amid (PEBA) oder auf Basis von Polyethylen (PE) verwendet werden. Es können auch Schaumstoffpartikel auf Basis von ePP (expandierbares Polypropylen) oder ePS (expandierbares Poystyrol) zu Partikelschaumstoffteilen verschweißt werden. Da diese Materialien elektromagnetische Strahlung nur in einem sehr geringen Maße absorbieren, ist es notwendig, ein dielektrisches Wärmeübertragungsmedium hinzuzugeben, wie z .B. Wasser. Die Schaumstoffpartikel können im Material- behälter 2 oder während ihres Transports vom Materialbehälter 2 zum Formwerkzeug 3 mit dem Wärmeübertragungsmedium benetzt werden. Eine Benetzung in der Leitung 4 hat den Vorteil, dass die Schaumstoffpartikel sehr gleichmäßig benetzt werden und das Wärmeübertragungsmedium gleichmäßig im Formraum 14 verteilt ist. Dies führt zu einer entsprechend gleichmäßigen Erhitzung der Schaumstoffparti- kel im Formraum 14.
Das Formwerkzeug 3 kann auch mit einer Dampfquelle (nicht dargestellt) verbunden sein, mit welcher gesättigter Trockendampf dem Formraum 14 zugeführt werden kann. Dies ist zweckmäßig, wenn Materialien verschweißt werden, bei welchen der elektrische Verlustfaktor temperaturabhängig ist. Solche Materialien sind z. B. ePES (expandierbares Polyethersulphon) oder expandierbares Polyamid. Bei geringen Temperaturen ist die Absorptionseigenschaft von elektromagnetischen Wellen gering. Daher werden diese Schaumstoffpartikel zunächst mittels des Dampfes erhitzt, um dann ab einer bestimmten Temperatur alleine oder zusätzlich mittels elektromag- netischer Strahlung auf noch höhere Temperaturen erhitzt zu werden. Alternativ können die Schaumstoffpartikel mit einem dielektrischen Wärmeübertragungsmedium benetzt werden, sodass das elektrische Wärmeübertragungsmedium mittels elektromagnetischer Strahlung erhitzt wird, um die Schaumstoffpartikel auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen. Danach kann eine direkte Erhitzung der Schaum- Stoffpartikel aufgrund der elektromagnetischen Strahlung erfolgen, da mit zunehmender Temperatur die Absorptionseigenschaften von elektromagnetischer Strahlung zunehmen.
Die Dauer, über welche die elektromagnetische RF-Strahlung angelegt wird, hängt vom Volumen des Formraums 14, von der Dichte der Schaumstoffpartikel sowie von der angelegten elektrischen Leistung bzw. der angelegten elektrischen Spannung ab. In Versuchen hat sich gezeigt, dass in Abhängigkeit vom Volumen und vom Material, aus dem die Schaumstoffpartikel ausgebildet sind etwa 30 s bis etwa 2 min benötigt werden, um die Schaumstoff partikel zuverlässig und vollständig zu verschwel Ben. Hierbei wurde eine elektrische Spannung von 5 kV bis 20 kV angelegt.
Vorzugsweise wird während des Verschweißens die Temperatur der Schaumstoff- partikel gemessen und die elektrische Leistung entsprechende geregelt. Die elektrische Leistung wird vorzugsweise derart geregelt, dass die Schaumstoffpartikel eine Temperatur geringfügig über ihrer Erweichungstemperatur innehaben. Anstelle der Temperatur der Schaumstoffpartikel kann auch eine andere physikalische Größe gemessen werden, die mit der in den Formraum eingebrachten elektrischen Leistung in Bezug steht. Dies kann z. B. die an den Kondensatorplatten 15, 16 anliegende elektrische Spannung sein.
Die dem Formraum 14 begrenzende Oberfläche kann zusätzlich temperiert werden. Hierzu können im Formwerkzeug Heizdrähte 34 angrenzend an die dem Formraum 14 begrenzende Oberfläche angeordnet sein. Die Heizdrähte 34 sind mit einer Stromquelle 35 verbunden, mit welcher ein Heizstrom in die Heizdrähte eingespeist werden kann.
Anstelle von Heizdrähten können auch Fluidkanäle in den Formhälften 12, 13 vorge- sehen sein, durch welche ein entsprechendes temperiertes Fluid strömt. Vorzugsweise ist das Fluid Wasser bzw. Dampf.
Nach dem Anlegen der elektromagnetischen RF-Strahlung wird der Formraum 14 für eine vorbestimmte Zeitdauer geschlossen gehalten, wodurch sich die eingebrachte Wärme gleichmäßig im Partikelschaumstoffteil verteilt und eine sehr gleichmäßige Verschwel Bung zwischen allen Schaumstoffpartikeln ausbildet. Dieser Prozessschritt wird als Stabilisieren bezeichnet. Beim Stabilisieren findet auch eine geringfügige Abkühlung des Partikelschaumstoffteils statt. Da die Formhälften 12, 13 aus einem für elektromagnetische RF-Strahlung im Wesentlichen transparenten Material aus- gebildet sind, das üblicherweise ein Kunststoffmaterial ist, das schlecht Wärme leitet, wird grundsätzlich beim geschlossenen Formraum 14 wenig Wärme nach außen abgegeben.
Aus Kunststoff ausgebildete Formhälften 12, 13 haben gegenüber aus Metall ausge- bildeten Formhälften den Vorteil, dass sie einerseits wesentlich besser thermisch isolieren und andererseits eine geringere Wärmekapazität aufweisen. Hierdurch können die gewünschten Temperaturzyklen wesentlich schneller und mit weniger Ener- gie durchgeführt werden, wobei die zugeführte Wärme fast vollständig den Schaumstoffpartikeln zugeführt wird.
Während der Dauer des Stabilisierens oder einem Teil der Dauer des Stabilisierens können die Kondensatorplatten 15, 16 durch die Kühleinrichtung 32, 33 aktiv gekühlt werden, wodurch den Grundkörpern der Formhälften 12, 13 und damit auch dem Partikelschaumstoffteil Wärme entzogen wird.
Nach dem Stabilisieren wird das Partikelschaumstoffteil entformt, indem die beiden Formhälften 12, 13 auseinander bewegt werden. Am Formwerkzeug können zum Entformen Entformstäbe vorgesehen sein, mit welchen das Partikelschaumstoffteil aus einer der beiden Formhälften 12, 13 gestoßen wird.
Das Stabilisieren ist ein optionaler Verfahrensschritt. Bei bestimmten Materialien und Formen kann er auch weg gelassen werden. Je größer das Volumen des herzustellenden Partikelschaumstoffteils ist, desto zweckmäßiger ist es, nach dem Verschweißen das Partikelschaumstoffteil im Formwerkzeug zu stabilisieren.
Zur Erhöhung des Durchsatzes kann bereits während des Füllens und/oder während des Schließens eines Crack-Spaltes die elektromagnetische RF-Strahlung angelegt werden.
Die RF-Strahlung kann bereits während dem Füllen oder auch erst nach dem Füllen des Formraums 14 mit Schaumstoffpartikeln zunächst mit geringer elektrischer Leis- tung bzw. geringer elektrischer Spannung angelegt werden, um das Material auf eine bestimmte Temperatur vorzuwärmen, um dann die elektrische Leistung bzw. elektrische Spannung allmählich oder schlagartig zu steigern.
Es kann auch sinnvoll sein, die Leistung bzw. die Spannung der elektromagnetischen RF-Strahlung allmählich zu erhöhen, so dass eine Rampe über eine Zeitdauer von beispielsweise 30 Sekunden bis 3 Minuten durch das allmähliche Ansteigen der elektrischen Leistung bzw. Spannung der elektromagnetischen RF-Strahlung ausgeführt wird. Hierdurch wird ein sehr gleichmäßiges Erhitzen der Schaumstoffpartikel erzielt.
Optional kann auch ein Unterdruck und/oder Vakuum an den Formraum 14 angelegt werden. Dies ist zweckmäßig, wenn die Schaumstoffpartikel und/oder die zugeführte Druckluft eine gewisse Feuchte aufweisen. Das oben erläuterte Verfahren ist im Vergleich zum alleinigen Verschweißen mit Dampf ein trockenes Verfahren. Hierdurch sind die hergestellten Partikelschaumstoffteile nach dem Produktionsvorgang trocken und können unmittelbar weiteren Verarbeitungsschli tten zugeführt werden. Es kann auch zweckmäßig sein, die warmen Partikelschaumstoffteile zu entformen und einer weiteren [Bearbeitung unmittelbar zu zuführen. Beispielsweise beim Herstellen von Schuhen kann eine Zwischensohle aus einem Partikelschaumstoffteil mit einem Profilkörper aus einem anderen Kunststoffmaterial verschweißt werden, wobei dann zum Verschweißen mit dem noch warmen bzw. noch heißen Partikelschaumstoffteil nicht mehr so viel Energie zu zuführen ist, als dies bei einem mit alleine Dampf arbeitenden Verfahren der Fall wäre, bei dem das Partikelschaumstoffteil vollständig abgekühlt und getrocknet werden muss. Hierdurch können in der Produktion wesentliche Effizienzsteigerungen erzielt werden, da einerseits die Pausen zwischen einzelnen Prozessschritten verkürzt wer- den können, andererseits die zum Verschweißen der Schaumstoffpartikel eingebrachte Wärme auch für nachfolgende Verfahrensschritte zumindest zum Teil genutzt werden kann.
Nachfolgend werden unterschiedliche Werkzeug erläutert, die jeweils zwei Formhälf- ten 12, 13 aufweisen und in der oben beschriebenen Vorrichtung 1 verwendet werden können. Diese Werkzeuge sind in den Figuren 2 bis 6 schematisch vereinfacht dargestellt Der Füllinjektor 10, Thermometer zum Messen der Temperatur im Formraum und weitere mechanische Teile, wie z. B. Halteelemente, Bewegungseinrichtungen und dergleichen zum Öffnen und Schließen des Werkzeuges sind zur einfa- cheren zeichnerischen Darstellung weggelassen.
Das Formwerkzeug 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel (Figur 2) ist wiederum aus zwei Formhälften 12, 13 ausgebildet, die jeweils einen Grundkörper aufweisen, der aus einem elektrisch nicht leitenden und insbesondere für elektromagneti- sehe RF-Strahlung im Wesentlichen transparentem Material besteht. Dieses Material ist PTFE, PE, PEEK oder ein anderes für RF-Strahlung im Wesentlichen transparentes Material. Die Formhälften 12, 13 begrenzen einen Formraum 14. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Formraum 14 Begrenzungsflächen 19 auf, welche eine von einer ebenen Fläche abweichende, konturierte Form besitzen. Die Formhälf- ten 12, 13 weisen jeweils eine ebenflächige Außenfläche 20 auf, auf welche jeweils eine Kondensatorplatte 15, 16 angeordnet ist. Der Zwischenraum zwischen den kon- turierten Begrenzungsflächen 19 und den Außenflächen 20 wird jeweils durch das im Wesentlichen transparente Material ausgefüllt Die Kondensatorplatten 15, 16 sind ebenflächig ausgebildet. Mit diesem Formwerkzeug 3 können dreidimensional kontu- rierte 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 Parti- kelschaumstoffteilen mit im Wesentlichen gleichmäßiger Dichte geeignet. 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. Figur 7h zeigt ein Partikelschaumstoffteil aus Polylactat (PLA) mit einer Dicke von etwa 5 cm, das mit einer RF-Strahlung Ober die Dauer von 120 s erhitzt worden ist. Die RF-Strahlung wurde mit einer Frequenz von 27,12 MHz und mit einer Spannung von 9 kV angelegt. Da das Material selbst die elektromagnetischen Wellen absorbiert und ein schlechter Wärmeleiter ist, erhitzt sich der zentrale Bereich des Partikelschaumstoffteils stärker als der Randbereich, der mit dem Formwerkzeug 3 in Kontakt steht und durch das relativ kühle Formwerkzeug im Vergleich zum zentralen Bereich langsamer erhitzt wird. Dies kann zu einem vollständigen Aufschmelzen der Schaumstoffpartikel im zentralen Bereich des Partikelschaumstoffteils führen (Figur 7h). Um dies zu vermeiden, kann weniger Energie eingebracht werden. Figur 7e zeigt ein entsprechendes Partikelschaumstoffteil, das in der Mitte durchgeschnitten ist, das genauso wie das in Figur 7h gezeigte Partikelschaumstoffteil hergestellt worden ist, wobei hier jedoch die RF-Strahlung lediglich für eine Dauer von 90 s angelegt worden ist. Der mittige Bereich des Partikelschaumstoffteils ist homogen verschmolzen. Die Partikel am Randbereich haften zwar, könnten jedoch etwas stärker miteinander verschweißt sein.
Vorzugsweise ist das im Wesentlichen transparente Material ein Material, das den gleichen oder ähnlichen Verlustfaktor aufweist, wie das zu verschweißende expandierbare Polymermaterial, sodass sich das Formwerkzeug und die im Formraum 14 befindlichen Schaumstoffpartikel gleichmäßig erhitzen, wenn elektromagnetische Strahlung angelegt wird. Eine solche Ausbildung erlaubt eine freie Konturierung der Begrenzungsflächen 19, da die Absorption der Wärme dann nicht von der lokalen Dicke bzw. Dichte des herzustellenden Partikelschaumstoffteils abhängt
Die Figuren 7j und 7k zeigen entsprechende Bilder von aufgeschnitten Partikelschaumstoffteilen, die aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt sind. Die RF- Strahlung wurde hier jeweils für eine Dauer von 300 s mit einer Frequenz von 27,12 MHz angelegt, wobei die Spannung bei dem in Figur 7j Partikelschaumstoffteil 10 kV und bei dem in Figur 7k gezeigten Partikelschaumstoffteil 7,5 kV betrug. Das in Figur 7j gezeigte Partikelschaumstoffteil weist eine zerstörte zentrale Partikelstruktur auf, wohingegen der zentrale Bereich des in Figur 7k gezeigten Partikelschaumstoffteils homogen verschmolzen ist. Zur Vermeidung einer ungleichen Erhitzung des zentralen Bereiches und des Randbereiches eines Partikelschaumstoffteils kann das Formwerkzeug 3 temperiert und/oder den Schaumstoffpartikeln Im Formraum 14 am Randbereich zusätzliche Wärme zugeführt werden. Zum Temperieren des Formwerkzeuges 3 können die Formhälften 12, 13 mit Fluid- kanälen ausgebildet sein, durch welche ein Fluid geleitet wird, das etwa auf die Erweichungstemperatur des im Formraum 14 befindlichen Materials temperiert ist, geleitet wird. Alternativ oder zusätzlich können zum Temperieren der Formwerkzeuge 3 Heizdrähte vorgesehen sein, wie es oben beschrieben ist. Hierdurch fließt beim Er- hitzen der Schaumstoffpartikel keine Wärme von den Schaumstoffpartikeln in das Formwerkzeug 3, so dass die Schaumstoffpartikel im gesamten Formraum 14 gleichmäßig erhitzt werden. Es kann sogar zweckmäßig sein, das Formwerkzeug 3 auf eine Temperatur geringfügig über der Temperatur, die in den Schaumstoffpartikel zum Verschmelzen derselben durch Einbringen der RF-Strahlung eingestellt wird, zu erhitzen, um eine zuverlässige Verschweißung des Partikelschaumstoffteils im Bereich der Oberfläche sicherzustellen. Das Temperieren des Formwerkzeugs 3 kann auch bereits vor dem Verschweißen mit RF-Strahlung ausgeführt werden.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Formwerkzeuges 3, das wiederum aus zwei Formhälften 12, 13 ausgebildet ist. An ebenflächigen Außenflächen 20 der Formhälften 12, 13 ist jeweils eine ebenf lächige Kondensatorplatte 15, 16 angeordnet.
Die Formhälften 12, 13 sind zweiteilig aus einer äußeren nicht porösen Mantelwandung 21 und einem inneren porösen Formkörper 22 ausgebildet Die porösen Form- körper 22 definieren die innere Begrenzungsfläche 19 zur Begrenzung des Formraumes 14. An den von der inneren Begrenzungsfläche 19 abgewandten Seiten sind die Formkörper 22 formschlüssig von der Mantelwandung 21 umgeben. Die Formhälften 12, 13 weisen jeweils einen oder mehrere Kanäle 23 auf, welche jeweils mit einer Öffnung an der Mantelwandung münden und sich in die porösen Formkörper 22 erstrecken und dort enden. Durch die Kanäle 23 kann ein heißes Medium in die Formhälften 12, 13 eingebracht werden, das sich im porösen Formkörper 22 verteilt und zum Teil in den Formraum 14 eintritt. Hierdurch werden einerseits die Schaumstoffpartikel im Randbereich des Formraumes 14 direkt durch das Medium erhitzt und andererseits werden auch die Formhälften 12, 13, insbesondere deren poröse Formkörper 22 temperiert. Als Medien können heiße Gase, insbesondere heiße Luft oder Dampf, verwendet werden. Zum Kühlen des Formwerkzeugs bzw. des darin hergestellten Partikelschaumstoffteils kann es auch zweckmäßig sein, in die Kanäle 23 und damit in den Formraum 14 ein kühles Medium einzuleiten. Ein Medium ist kühl, wenn es kälter als die Formhälften 12, 13 oder kälter als das im Formraum 14 befindliche Partikelschaumstoffteil ist. Hierdurch kann das Stabilisieren des Partikelschaumstoffteils beschleunigt werden.
Sowohl die Mantelwandung als auch die Formkörper 22 sind jeweils aus für RF- Strahlung im Wesentlichen transparenten Materialien wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethlen, insbesondere UHMWPE, Polyetheretherketon (PEEK) ausgebildet. Die Formkörper 22 werden beispielsweise durch Sintern eines Granulates aus einem dieser Materialien hergestellt.
Eine weitere Alternative zur Temperierung der inneren Begrenzungsflächen 19 des Formwerkzeuges 3 besteht darin, die inneren Begrenzungsflächen 19 mit einer Schicht aus einem Material, das für RF-Strahlung nicht transparent ist, zu versehen. Diese Schicht wird im Folgenden als passive Heizschicht 24 (Figur 4) bezeichnet. Die passive Heizschicht kann aus einem temperaturstabilen, für RF-Strahlung nicht transparentem Material ausgebildet sein. Weitere geeignete Materialien für eine solche passive Heizschicht 24 sind Ferrite. Beim Anlegen von RF-Strahlung erwärmt sich die passive Heizschicht 24 und gibt die Wärme an die angrenzend angeordne- ten Schaumstoffpartikel ab.
Als passive Heizschicht 24 können auch Materialien mit einem moderaten Verlustfaktor verwendet werden, wie z. B. PET (Polyethylenterephtalat), PEEK (Polyetheretherketon), Polyoxymethylen (POM), Polyimid und Polymethylmethac- rylat (PMMA). Polyoxymethylen besitzt einen dielektrischen Verlustfaktor D von etwa 0,008 und Polymethylmethacrylat (PMMA) von etwa 0,02. Diese Heizschichten sind im Wesentlichen transparent für die elektromagnetische Strahlung, da sie nur einen geringen Anteil absorbieren und sind aufgrund des relativ geringen Verlustfaktors mit einer gewissen Dicke vorzusehen, die vorzugsweise zumindest 2 mm, insbesondere zumindest 2,5 mm und insbesondere zumindest 5 mm beträgt. Eine solche Heizschicht kann auch eine Dicke von 10 mm oder mehr aufweisen. Derartige Heizschichten können auch als separate Platten ausgebildet sein, die angrenzend an den inneren Begrenzungsflächen 19 der Formhälften 12, 13 angeordnet sind.
PET, PMMA und POM werden vor allem für Formwerkzeuge verwendet, welche zum Verschwel Ben von ePE, eTPU oder ePS vorgesehen sind. Die Verschwel ßungstem- peratur liegt hierbei bei etwa 120°C bis 130 °C. Mit einem Werkzeug aus PET kann auch ePP oder ePS verschweißt werden, wobei hier die Verschwel Bungstemperatur etwa 160°C beträgt. Bei hohen Verschwel Bungstemperaturen von z.B. etwa 250°C kann auch ein hitzebeständiges Werkzeug aus PEEK oder Polyimid (PI) verwendet werden. Ein hitzebeständiges Werkzeug kann auch aus Keramik ausgebildet sein, das vorzugsweise eine Beschichtung aufweist. Die Beschichtung kann ein hitzebeständiges Kunststoffmaterial sein. Ein solches hitzebeständiges Werkzeug kann bspw. zum Ver- schweißen von ePES (expandierbaren Polyethersulphon) verwendet werden.
Die Schmelztemperatur von POM beträgt etwa 175°C. Daher ist ein Werkzeug aus POM nicht geeignet Materialien mit einer Verschweißungstemperatur von 160°C o- der mehr zu verschweißen.
Das Material des Werkzeuges wird bezüglich des zu verschweißenden Materials im Hinblick auf die Verschwel Bungstemperatur und dem elektrischen Verlustfaktor ausgewählt Die Schmelztemperatur des Werkzeugmaterials sollte größer als die Verschweißungstemperatur sein. Der elektrische Verlustfaktor des Werkzeugmaterials kann demjenigen des zu verschweißenden Materials entsprechen oder geringer sein. Hierbei ist die höhere Dichte des Werkzeugmaterials zu berücksichtigen.
Die Heizschicht 24 kann nicht nur an den benachbart zu den Kondensatorplatten ausgebildeten Begrenzungsflächen 19, sondern auch an allen Begrenzungsflächen 19 der Formhälften 12, 13 vorgesehen sein, so dass sie das auszubildende Partikelschaumstoffteil vollständig umgeben. Gleiches gilt auch für die weiteren oben genannten Heiz- und Temperiereinrichtungen, wie Temperierkanäle oder Heizdrähte. Die Formhälften 12, 13 können auch vollständig aus einem im Wesentlichen transparenten Material ausgebildet sein, das einen geringen dielektrischen Verlustfaktor D aufweist, sodass sich die Formhälften 12, 13 beim Anlegen von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere RF-Strahlung, erwärmen.
Die unterschiedlichen Möglichkeiten zum Temperieren der inneren Begrenzungsflächen 19, die oben aufgeführt sind, können auch in Kombination in einem Formwerkzeug verwendet werden. Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele der Formwerkzeuge 3 weisen jeweils ebenflächige Kondensatorplatten 15, 16 auf. Nach einer weiteren Ausführungsform der Formwerkzeuge 3 können diese so ausgebildet sein, dass die Kondensatorplatten 15, 16 an die Form des herzustellenden Partikelschaumstoffteils bzw. des Formraumes 14 angepasst sind. Das in Figur 4 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt zwei Formhälften 12, 13, die mit ihren inneren Begrenzungsflächen 19 einen stufenförmigen Formraum 14 begrenzen. Die Außenflächen 20 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 20 der Formhälften 12, 13 abgebildet sind, wobei das Formwerkzeug 3 beispielsweise mit einer gleichmäßigen Dicke ausgebildet ist, um welche die Außenfläche 20 von der inneren Begrenzungsfläche 19 versetzt ist. An der Außenfläche 20 sind vorzugsweise kleine Strukturen der inneren Begrenzungsfläche 19 geglättet. An den Außenflächen 20 sind die Kondensatorplatten 15, 16 als elektrisch leitende Schicht ausgebildet und besitzen im Wesentlichen die gleich Form bzw. Kontur wie die entsprechende Außenfläche 20 der jeweiligen Formhälfte 12, 13.
Da die Kondensatorplatten in der Form entsprechend der herzustellenden PartJkel- schaumstoffteile bzw. dem Formraum 14 angepasst sind, ist der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Kondensatorplatten überall in etwa gleich groß, wodurch der Abstand der einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten 15, 16 gering gehalten werden kann, so dass bei relativ geringer Spannung eine hohe elektrische Feldstärke erzielt wird.
Eine solche formmäßige Anpassung der Kondensatorplatten an die Form der herzustellenden Partikelschaumstoffteile ist insbesondere bei schalenförmigen Partikelschaumstoffteilen zweckmäßig. Solche schalenförmigen Partikelschaumstoffteile sind beispielsweise Kisten oder kugelsegmentförmige Schalen. Würde man eine solche Kiste zwischen zwei ebenflächigen Kondensatorplatten ausbilden, dann müsste der Abstand zwischen den Kondensatorplatten so groß sein, dass die gesamte Kiste dazwischen Platz hat. Bei der formmäßigen Anpassung der Kondensatorplatten kann der Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten lediglich etwas größer als die Dicke der Wandung des Partikelschaumstoffteils sein. Eine solche formmäßige Anpassung der Kondensatorplatten erlaubt daher, großvolumige, insbesondere schalenförmige Partikelschaumstoffteile herzustellen, wobei die Anforderungen an die Spannungsquelle gering gehalten werden, um ein ausreichendes elektrisches Feld zum Verschweißen der Schaumstoffpartikel bereitzustellen. Bei Partikelschaumstoffteilen mit unterschiedlicher Dichte besteht das Problem, dass die Bereiche mit höherer Dichte mehr Wärme als die Bereiche mit geringerer Dichte absorbieren. Bereiche mit höherer Dichte entstehen beispielsweise beim Crack- Spalt- Verfahren, bei dem die beiden Formhälften 12, 13, nachdem sie bereits mit Schaumstoffpartikeln gefüllt sind, ein Stück zusammengedrückt werden, wodurch die darin enthaltenen Schaumstoffpartikel komprimiert werden. Die dünnen Bereiche des Formraums 14 werden relativ zu den dickeren Bereichen stärker zusammengedrückt, da der Verschiebeweg in allen Bereichen gleich groß ist. Hierdurch werden die Schaumstoffpartikel in den dünneren Bereichen stärker komprimiert.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Formwerkzeuges 3, bei dem die Kondensatorplatte 15, 16 jeweils in mehrere Segmente 25 unterteilt sind, deren Abstand zum Formraum 14 individuell einstellbar ist Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Segmente 25 der Kondensatorplatten 15, 16 jeweils kleine quadratische Plättchen, die jeweils an einer Segmentstange 26 gekoppelt sind. Die Segmentstangen 26 sind mit der Wechselspannungsquelle 18 verbunden und stehen in elektrischen Kontakt zu den jeweiligen, elektrisch leitenden Plättchen, die die Kondensa- torplatten 15, 16 ausbilden.
Die Segmentstangen 26 sind verschieblich in einer Halterung 27 angeordnet, in welcher sie in einer vorbestimmten Position fixierbar sind. Die Halterung 27 kann derart ausgebildet sein, dass die Segmentstangen 26 lösbar fixierbar sind, wodurch Segmentstangen 26 und damit die Kondensatorplättchen 28 in unterschiedlichen Positi- onen fixierbar sind. Die Halterungen 27 können jedoch auch zum einmaligen Fixieren der Segmentstangen 26 ausgebildet sein. Solche Halterungen 27 können beispielsweise aus einem Vergusskörper ausgebildet sein, der die Segmentstangen 26 zumindest bereichsweise umschließt und nach Anordnen der Segmentstangen 26 und der Kondensatorplättchen 28 in einer vorbestimmten gewünschten Anordnung ausgegossen wird. Solche einmal-fixierbaren Kondensatorplatten 15, 16 werden vor allem für Partikelschaumstoffteile verwendet, die sehr oft bzw. in großen Stückzahlen hergestellt werden und bei denen das entsprechende Werkzeug immer wieder ge- braucht wird. Die Kondensatorplatten 15, 16 werden dann den entsprechenden Formhälften 12, 13 zugeordnet, mit welchen sie gemeinsam wiederholt benutzt werden.
Je größer der Abstand der Abschnitte der Kondensatorplatten 15, 16 zueinander ist, desto geringer ist das zwischen den jeweiligen Abschnitten erzeugte elektrische Feld. Deshalb werden die Kondensatorplättchen 28, die zu Bereichen des Formraums 14, in welchen die Schaumstoffpartikel bei der Herstellung eines Partikelschaumstoffteils in hoher Dichte vorliegen mit größerem Abstand zum Formraum als in den Bereichen, in welchen die Schaumstoffpartikel mit geringer Dichte vorliegen, angeordnet. Hierdurch kann kompensiert werden, dass die Bereiche mit höherer Dichte mehr Wärme als die Bereiche mit geringer Dichte absorbieren, so dass die Schaumstoffpartikel im Formraum 14 gleichmäßig erhitzt werden. Bei dem in Figur 5 gezeigten Formwerkzeug 3 handelt es sich um ein Crack-Spalt- Formwerkzeug, das mit beabstandeten Formhälften 12, 13 mit Schaumstoffpartikel 29 gefüllt wird. Nach dem Füllen des Formwerkzeuges 3 werden die beiden Formhälften 12, 13 zusammengedrückt, wodurch die sich im Formraum 14 befindlichen Schaumstoffpartikel 29 komprimiert werden. Der in Figur 5 gezeigte Formraum 14 weist im Querschnitt unterschiedliche Dicken auf, wobei die Dicke im Bereich A ein Stück kleiner als in dem Bereich B und C ist. Dies hat zur Folge, dass die Schaumstoffpartikel 29 im Bereich A stärker als in den Bereichen B und C komprimiert werden, wodurch sie im Bereich A eine größere Dichte als in den Bereichen B und C aufweisen. Deshalb sind die Kondensatorplättchen 28, die benachbart zum Bereich A angeordnet sind bzw. zum Bereich A weisen, weiter entfernt von einer Mittenebene 30 als die Kondensatorplättchen 28, die zu den Bereichen B bzw. C weisen, angeordnet. Die Mittenebene 30 ist etwa mittig zwischen den beiden Kondensatorplatten 15, 16 angeordnet.
Da mit der Erfindung die Schaumstoffpartikel vor allem durch unmittelbare Absorpti- on der RF-Strahlung erhitzt werden, d. h. dass die Wärme nicht oder nur zu einem geringen Teil über ein wärmevermittelndes Medium, das die RF-Strahlung absorbiert und an die Schaumstoffpartikel abgibt, kann die Temperatur im Formraum nicht durch Parameter, die auf ein wärmeübertragendes Medium einwirken, gesteuert werden. Im Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, als wärmeübertragendes Medium Wasser zu verwenden und die Temperatur im Formraum durch Einstellen des Druckes zu regeln. Durch die überwiegend unmittelbare Absorption können die Schaumstoffpartikel an sich beliebig heiß werden und sich in unterschiedlich dichten Bereichen unterschiedlich stark erhitzen.
Es besteht grundsatzlich das [Bestreben, die Schaumstoffpartikel im Formraum möglichst gleichmaßig zu erhitzen, sofern sie aus dem gleichen Material ausgebildet sind. Durch das Formen des elektrischen Feldes mit Bereichen unterschiedlicher Intensität bzw. unterschiedlicher Feldstärke durch abschnittsweises Variieren des Abstandes der Kondensatorplatten 15, 16 zum Formraum 14 bzw. zur Mittenebene 30 kann eine gleichmäßige Erhitzung der Schaumstoffpartikel im Formraum 14 erzielt werden, selbst wenn sie dort mit unterschiedlicher Dichte angeordnet sind. Daher kann es vorteilhaft sein, Kondensatorplatten 15, 16 mit einer nicht ebenflächigen Konfkjurati- on vorzusehen. Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kondensatorplatten 15, 16 segmentförmig aus Kondensatorplättchen 28 ausgebildet, deren Position individuell festlegbar ist.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Formwerkzeuges 3, bei dem die Formhälften 12, 13 mit ähnlichen inneren Begrenzungsflächen 19 wie bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform ausgebildet sind. Dieses Formwerkzeug 3 zeichnet sich dadurch aus, dass die Außenflächen 20 eine konturierte Form aufweisen, so dass Abschnitte der Außenfläche 20 unterschiedlich weit von der Mittenebene 30 beabstandet sind. Auf den konturierten Außenflächen 20 sind die Kondensatorplatten 15, 16 aufgebracht, wobei sie in ihrer Form an den konturierten Außenflächen 20 angepasst sind. Die Kondensatorplatten 15, 16 können beispielsweise durch eine elektrisch leitende Beschichtung hergestellt sein, welche auf die Außenflächen 20 der Formhälften 12, 13 aufgetragen wird. Die Kondensatorplatten 15, 16 können auch als biegsame Blechteile ausgebildet sein, welche aus einem elektrisch gut leitenden Metall bzw. einer elektrisch gut leitenden Metalllegierung bestehen und in der Form an die Außenfläche 20 angepasst sind und auf die Außenflächen geklebt sind. Auch bei dieser Ausführungsform 30 sind genauso wie bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform Abschnitte der Kondensatorplatten 15, 16 unterschiedlich weit von der Mittenebene 30 bzw. vom Formraum 14 beabstandet, wodurch im Formraum 14 Bereiche mit unterschiedlicher elektrischer Feldstärke erzeugt werden. Bei Bereichen mit höherer Verdichtung der Schaumstoffpartikel 29 (A) ist der Abstand der gegenüberliegenden Abschnitte der Kondensatorplatten 15, 16 größer als bei den Bereichen B, C, in welchen die Verdichtung der Schaumstoffpartikel 29 geringer ist. Der Abstand der einzelnen Abschnitte der Kondensatorplatten 15, 16 zur Mittenebene 30 ist etwa proportional zu der Dichte der Schaumstoffpartikel 29 in den Bereichen zwischen den aneinander gegenüberliegenden Abschnitten der Kondensatorplatten 15, 16. Der Proportional itätsfaktor unterscheidet sich zwischen den unterschiedlichen Materialien und hängt von deren Absorptionsfähigkeit der RF-Strahlung ab. Formwerkzeuge 3 zur Herstellung großer Partikelschaumstoffteile können mehrere separate Segmente von Kondensatorplatten 15, 16 aufweisen. Es ist zweckmäßig, dass die Kondensatorplatten in keiner Richtung größer als ein Viertel der Wellenlänge der RF-Strahlung sind. Bei einer Frequenz von 27,12 MHz beträgt die Wellenlänge λ etwa 11 Meter. Die maximale Erstreckung der Segmente der Kondensatorplat- ten sollte daher nicht größer als etwa 2,75 Meter sein. In der Praxis hat sich gezeigt, dass Kondensatorplatten bis zu einer Größe von etwa zwei Meter ein sehr gleichmäßiges elektrisches Feld bei einer Frequenz von 27,12 MHz erzeugen. Sind die Kondensatorplatten größer als N4, dann wird die Abstrahlung der einzelnen Punkte der Kondensatorplatten unterschiedlich und sie strahlen nicht mehr synchron ab. Bei Kondensatorplatten, die größer als λ/4 sind, ist es zweckmäßig verteilte Induktivitäten an der Kondensatorplatte vorzusehen, die jeweils ein LC-Glied bilden. Hierdurch kann die Synchronität der Schwingungen der unterschiedlichen Abschnitte der Kondensatorplatten wieder hergestellt werden. Das Vorsehen derartiger LC-Glieder ist jedoch sehr aufwändig. Es kann deshalb zweckmäßiger sein, die Kondensatorplatten in separate Abschnitte zu unterteilen, die unabhängig voneinander mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden.
In den Figuren 7a bis 7k sind Bilder von Partikelschaumstoffteilen gezeigt, die zum Teil geschnitten sind, die mit RF-Strahlung ohne wärmeübertragendes Medium und ohne zusätzliche Temperierung des Formwerkzeugs aus Schaumstoffpartikel verschweißt worden sind. In folgender Tabelle sind die Parameter der Spannung U, der Dauer t, des elektrischen Verlustfaktors D bei 1 MHz und Raumtemperatur, die Bezeichnung des Materials und der Bezug zur Figur angegeben.
Es hat sich gezeigt, dass alle Materialien ePEBA (Polyether-Block-Amide), eTPU (expandiertes thermoplastisches Polyurethan), PLA (Polylactat) und PET (Polyethyl- enterephthalat) sich alleine durch Eintragung der Wärme mittels RF-Strahlung gut verschweißen haben lassen. Bei dem in Figur 7g gezeigten Beispiel wurde ein Partikelschaumstoffteil aus zwei unterschiedlich dichten Schaumstoffpartikeln hergestellt. Die in Figur 7g oben gelegenen Schaumstoffpartikeln sind dunkel eingefärbt und besitzen eine geringere Dichte als die darunter befindlichen Schaumstoffpartikel, da die dunkel eingefärbten Schaumstoffpartikel grobkörniger als die hellen Schaumstoffpar- tikel sind.
Die obigen Beispiele zeigen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unterschiedlichste Materialien verarbeitet werden können. PET ist zu 100 % recyclebar. PET wird in großen Mengen kostengünstig aus einem Recyclingprozess gewonnen. PET ist bisher das bevorzugte Material für Kunststoff-Getränkeflaschen. Es ist zudem sehr hart und erlaubt die Herstellung von Partikelschaumstoffkörpern mit ähnlichen Eigenschaften wie Partikelschaumstoffkörper aus expandiertem Polypropylen (ePP). PLA ist auch 100 % recyclebar, vollständig biologisch abbaubar und hat mechanische Eigenschaften wie Partikelschaumstoffteile aus expandiertem Polystyrol (ePS). Erste Messungen haben ergeben, dass PLA einen dielektrischen Verlustfaktor im Bereich von etwa 0,1 bis 0,01 aufweist Genaue Messungen liegen noch nicht vor. PLA besitzt eine Erweichungstemperatur von ca. 100°C. Im Vergleich dazu beträgt die Erweichungstemperatur von eTPU etwa 125°C bis 130°C und die von Polyethyl- enterephtalat etwa 200°C bis 260°C. ePEBA ist sehr leicht und hochelastisch. Es hat ähnliche Eigenschaften wie Partikelschaumstoffteile aus expandiertem thermoplastischen Polyurethan.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung eines Partikelschaumstoffteils, umfassend
ein Formwerkzeug (3), das einen Formraum (14) begrenzt, wobei benachbart zum Formraum zumindest zwei Kondensatorplatten (15, 16) angeordnet sind, welche mit einer RF-Strahlungsquelle verbunden sind, wobei die RF- Strahlungsquelle zum Abgeben von RF Strahlung ausgebildet ist, und das Formwerkzeug (3) Mittel zum Temperieren des Formwerkzeuges im Bereich einer inneren, den Formraum (14) begrenzenden Begrenzungsfläche (19) und/oder zum Zuführen eines Heizmediums zu dem an der inneren Begrenzungsfläche anliegenden Bereich des Formwerkzeuges aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Formwerkzeug (3) einen porösen Formkörper (22) umfasst, der zumindest einen Teil der inneren Begrenzungsfläche (19) ausbildet und kommunizierend mit einer Einrichtung zum Zuführen eines Heizfluids verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Formwerkzeug zumindest einen Kanal (23) zum Zuführen bzw. Durchleiten eines Heizf luids aufweist.
4. Vonrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Formwerkzeug an seiner inneren Begrenzungsfläche (19) mit einer passiven Heizschicht (24) aus einem für RF-Strahlung nicht transparenten Material und/oder einer elektrischen Heizeinrichtung (34) versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die passive Heizschicht aus einem Ferrit oder einem Kunststorfmaterial ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet
dass das Werkzeug aus PET, POM, PET, PEEK, PMMA, PI oder Keramik aus- gebildet ist
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kondensatorplatten (15, 16) des Formwerkzeugs (3) an die Kontur von inneren Begrenzungsflächen des Formwerkzeuges angepasst sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kondensatorplatten (15, 16) eine dreidimensional konturierte Form auf- weisen, wobei ein Abschnitt der Kondensatorplatten, der zu einem Bereich des Formraumes weist, in dem bei Benutzung die Schaumstoffpartikel starker verdichtet als in einem anderen Bereich sind weiter entfernt vom Formraum (14) angeordnet ist, als ein Abschnitte der Kondensatorplatten (15, 16), der zu einem Bereich des Formraums weist, in dem die Schaumstoffpartikel weniger verdichtet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kondensatorplatten (15, 16) jeweils aus mehreren Segmenten (28) ausgebildet sind, welche unabhängig voneinander im Abstand zum Formraum (14) wiederholt oder einmalig einstellbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die RF-Strahlungsquelle zum Abgeben von RF Strahlung ausgebildet ist, eine Frequenz von zumindest 1 MHz und/oder von maximal 100 MHz aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Formwerkzeug (3) aus einem für elektromagnetische RF-Strahlung im Wesentlichen transparenten Material ausgebildet ist
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kondensatorplatten (15, 16) ebenflächig ausgebildet sind.
13. Vonrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Formwerkzeug (3) im Bereich zwischen den jeweiligen Kondensatorplatten (15, 16) unterschiedliche Dicken aufweist, so dass der Formraum (14) durch dreidimensional konturierte innere Begrenzungsflächen (19) begrenzt ist
14. Verfahren zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, indem Schaumstoffpartikel, welche aus einem expandierbaren Polymermaterial ausgebildet sind, in einem Formraum (14) eines Formwerkzeuges (3) erhitzt werden, so dass sie zum Parti- kelschaumstoffteil verschweißen, wobei den Schaumstoffpartikeln Wärme mittels elektromagnetischer RF-Strahlung zugeführt wird und ein Formwerkzeug verwendet wird, das zumindest an seinem am Formraum angrenzenden Bereich aus einem Material ausgebildet ist, das einen ähnlichen elektrischen Verlustfaktor wie das expandierbare Polymermaterial besitzt.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass der elektrische Verlustfaktor des expandierbaren Polymermaterials und des Materials des Formwerkzeuges sich um maximal 20% unterscheiden. 16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Formwerkzeug verwendet wird, das im Bereich zwischen den jeweiligen Kondensatorplatten (15,
16) unterschiedliche Dicken aufweist, so dass der Form- räum (14) durch dreidimensional konturierte innere Begrenzungsflächen (19) begrenzt ist.
17. Verfahren zum Herstellen eines Partikelschaumstoffteils, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder insbesondere nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 14 bis 16, in dem Schaumstoffpartikel, welche aus einem expandierbaren Polymermaterial ausgebildet sind, in einem Formraum (14) eines Formwerkzeugs (3) erhitzt werden, sodass sie zum Partikelschaumstoffteil verschweißen, wobei den Schaumstoffpartikeln Wärme mittels elektromagnetischer Strahlung zugeführt wird, wobei die Schaumstoffpartikel auf eine Temperatur von zumindest 160°C erhitzt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaumstoffpartikel auf eine Temperatur von zumindest 180°C oder zumindest 200°C erhitzt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaumstoffpartikel zunächst auf eine vorbestimmte Temperatur vorerhitzt werden, wobei sie dann bei dieser vorbestimmten Temperatur vor allem durch direkte Absorption elektromagnetischer Strahlung auf eine höhere Tempe- ratur erhitzt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorerhitzung durch eines oder mehrere der folgenden Methoden ausge- führt werden kann:
- Erhitzen von einem dielektrischen Wärmeübertragungsmedium, das sich zusammen mit den Schaumstoffpartikeln im Formraum (14) befindet.
- Zuführen von Dampf zum Formraum 14.
- Erhitzen des Formwerkzeugs (3) mit einer separaten Heizeinrichtung.
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