KR20140090995A - 플라스틱 입자상 물질 성형 - Google Patents

Abstract

발포 수지 입자로부터 성형품을 제조하는 방법은 한 쌍의 전극 사이에 위치한 몰드 내에 입자와 유전 열전달 유체를 위치시키는 것; 전극 사이에 무선 주파수 전자기장을 발생시키는 것; 몰드에 전자기장을 인가하여 열전달 유체와 입자를 유전적으로 가열시키는 것; 그리고 표면이 유화되기 충분한 온도로 입자를 가열하는 것을 포함하여 입자들이 융합되고 그로 인하여 몰드의 형상과 같은 형상의 성형품이 형성되며, 바람직하게는 여기서 무선 주파수 전자기장은 성형품의 평균 규격(또는 규격)보다 큰 파장을 갖는다.

Description

플라스틱 입자상 물질 성형{Moulding of plastic particulate matter}

본 발명은 액체 열 전달제에서의 유전-특히 무선 주파수(RF) 또는 고주파수(RF)-가열의 적용에 의하여 발포 수지 입자로부터 성형품을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 발포 폴리프로필렌 (그리고 유사한) 발포체의 비드와 함께 융합으로부터 제조된 물품의 성형과 관련이 있다. 본 발명은 또한

● 합성 수지 입자 발포체;

● 비방향족 폴리올레핀(즉, 폴리알켄) 입자 발포체;

● 폴리카보네이트, 폴리에스테르 및 폴리아미드 발포체의 제조에 적용된다.

특히, 발포 폴리올레핀(예를 들어, 폴리프로필렌) 수지 입자 성형 방법이 설명된다.

본 발명은 또한 하기에 대하여 잠재적으로 적용된다.

● 발포되지 않고 중합되지 않은 재료;

● 식료품; 및

● 탄수화물 기반 바이오 발포체(starch-based bio-foams).

본 발명의 다른 적용은

●바이오폴리머;

●폴리카보네이트, 폴리에스테르 및 폴리아미드 발포체의 제품을 포함한다.

발포 폴리프로필렌(EPP)은 밀폐 기포(closed-cell)이며, 폴리프로필렌 코폴리머 플라스틱 발포체는 1970년대에 처음 개발되었다. EPP는 에너지 흡수, 내구성, 열 절연, 부력, 열, 물 그리고 화학 약품에 대한 저항 및 중량비에 대한 높은 강도를 포함한 많은 바람직한 재료 특성을 갖고 있으며, 이 특성은 또한 요구 조건에 맞추어질 수 있다. EEP는 또한 재활용 가능하다. EPP는 에너지 흡수를 위한 고밀도에서 가구 및 다른 소비재를 위한 중간 밀도 그리고 포장을 위한 저밀도 범위까지 넓은 밀도 범위서 제조될 수 있다. EPP는 예를 들어 자동차 산업에서 광범위하게 사용되는 것으로 알려져 있다.

산업적 적용을 위하여 EPP는 예를 들어 상표 ARPRO® 또는 P-BLOCK 명으로 판매되는 것과 같이 보통 입자 또는 비드(bead) 형태로 판매된다.

비드의 제조는 팽창이 이루어지는 다른 구성 성분과 결합된 폴리프로필렌(PP) 수지의 필렛의 압출 공정을 포함하여 (이후, 발포 PP 또는 EPP) 비드를 형성한다. 팽창 단계는 필렛을 고압 장치(autoclave) 내에서 열과 압력으로 처리하는 것 그리고 후속으로 필렛을 배출하는 것을 포함한다 (대기압으로의 압력 강하는 필렛의 팽창을 야기한다). 부가적인 팽창 단계는 또한 비드 밀도를 더욱 낮추기 위하여 사용될 수 있다.

이후 비드들은 서로 융합되어 (식료품 및 음료를 위한 용기와 같은) 독립적인 물품과 (차량 시트 및 범퍼와 같은) 시스템 요소와 같은 성형된 발포체 부분을 형성한다. 실제로, 차량 범퍼와 같은 모듈화된 부품은 서로 융합된 수 백만 개의 비드를 포함할 수 있다.

EPP를 마무리된 부품으로 성형하는 한 방법은 금속 몰드 내에서 증기 분사를 통하여 비드를 가열하고 융합하는 것을 포함한다. 이는 알루미늄으로 구성될 수 있는 "증기실(steam chest)"의 이용으로 이루어진다. 여기서, 증기실은 각각이 중공의 공간을 갖는 2개의 부분을 포함하여 증기실이 닫히면 2개의 공간은 몰드가 안에 위치하는 성형 캐비티 또는 비드가 안에 위치하는 툴(tool)을 한정한다. 툴은 일반적으로 증기실의 2개의 부분 각각에 부착된 개의 상보적인(예를 들어, 암형 및 숫형) 플레이트를 포함한다. 증기실은 또한 적절한 밸브와 배수구를 구비하여 증기의 통과를 용이하게 한다.

공기를 제거하기 위하여 증기로 초기에 캐비티를 씻어낸 후, 일반적으로 2가지 방법 중 한 방법에 의하여 EEP 비드는 몰드 캐비티 내로 유입된다 (비드가 활성 팽창제가 없기 때문에 이 방법들은 또한 인위적으로 비드들을 서로 압축하도록 설계되며 따라서 성형 동안에 비드들은 보다 밀접하게 접촉하여 최종 성형품의 응집을 보장한다).

● 크랙-충진 : 비드는 개방된 툴 내로 유입되며, 몰드 캐비티의 범위를 넘어 이 공간을 채운다: 툴의 닫힘은 비드들을 기계적으로 서로 압축시킨다.

● 역압-충진 : 충진 탱크 내의 압력 하에 있는 비드는 가압된 몰드 캐비티 내로 주입된다. 압력 하에서 비드는 감소된 체적으로 압축된다; 몰드 캐비티 내의 압력이 감소됨에 따라 비드는 팽창되고 몰드 캐비티를 채운다.

그후 증기는 주변 증기실로부터 캐비티 내로 방출된다. 증기가 비드 조립체를 통과함에 따라, 에너지는 증기로부터 비드로 전달되며 이는 비드를 가열시키고 부풀게 한다. 비드 표면이 뜨거워짐에 표면은 결국 부드러워지기 시작하고 비드는 서로 융합한다. 융합된 부분의 형상은 툴의 형상에 기인한다.

일부 공정에서, 비드는 전처리 공정을 거치고 몰드 채움 단계 전에 선-가압되며, 일부 경우에서는 가스 "팽창제"가 이 구조 내로 유입된다. 이는 성형 공정 동안에 비드가 더 균일하게 팽창되는 것을 야기하며, 비드가 선-가압되지 않은 것보다 더 낮은 밀도 성형품을 야기한다. 문맥에서 명확하게 되는 바와 같이, 용어 "선-가압(pre-pressurisation)"은 또한 (비드의 전처리로 언급되기 보다는) 활성 성형 단계 전에 몰드의 가압을 언급하기 위하여 일부 예에서 사용된다.

융합이 완료되면, 몰드는 물에 의하여 약 60℃로 냉각(내부 압력을 낮추고 성형된 부품의 방출에 대한 폭발 방지를 위하여; 이 공정은 비드 중심에 도달하기 위한 도전성 냉각을 위하여 시간이 걸릴 수 있다)되며, 개방되고 성형된 부품이 배출된다. 자동화된 공정에서, 성형된 부품은 밖으로 밀려지거나 튀어나온다. 선택적으로, 그후 안정화 공정이 실행될 수 있다.

잠재적으로 현저한 비용 절감 및 증가된 생산성으로 인하여 스팀 성형 공정은 가끔 사출 성형과 같은 대안적인 플라스틱 성형 기술에 우선해서 사용된다. 그러나, 본 발명에 따라 다량의 가압된 스팀이 요구된다는 것은 증기실 성형이 상당히 에너지 비효율적인 것임을 의미하는 것으로 평가되어 왔다.

● EPP 비드를 융합하기 위하여 비드는 실온으로부터 약 135℃의 연화 온도까지 가열되는 것이 필요하다. 여기서, (충분한 압력 하에 있다면) 이 온도에서 비드는 서로 융합될 것이다. 이는 소량의 처리된 EPP를 생산하기 위하여 다량의 증기 및 전체 몰드의 가열을 필요로 한다 (1kg의 처리된 EPP를 위하여 3.5 바에서 평균적으로 15kg~25kg의 증기).

● 성형된 부품이 몰드로부터 용이하게 그리고 신속하게 제거되도록 하기 위하여, 몰드는 후에 냉각되어야 하며 그로 인해 증기가 응축되고 몰드 내의 내부 압력이 감소한다.

몰드뿐만 아니라 EEP 비드를 가열하는 것 (그리고 잠재적으로 냉각하는 것)은 공정 동안에 사용된 에너지의 99% 이상이 비드 자체를 가열하는 것 외의 목적을 위하여 사용되고 있다는 것을 의미한다; 따라서 에너지 비용은 전체 비용의 현저한 비율을 차지한다.

반복된 열 사이클링은 또한 몰드 조립체의 작동 수명에 해롭다.

산업 규모의 공정의 경제적인 측면에서, 공정 시간이 요구되는 인건비에 영향을 미치기 때문에 (반면에, 원재료는 상대적으로 낮은 비용임) 요구되는 공정 시간 또한 중요하다. 이는 특히 경량의 성형 부품을 위하여 중요하며, 여기서 몰드를 냉각 및 가열할 필요성은 비용을 현저하게 증가시킨다.

따라서 성형된 발포체 제품을 제공하기 위하여, 바람직하게는 성형시 사용된 에너지와 소요된 시간을 줄이기 위하여 발포 폴리프로필렌(EPP) 비드를 융합하기 위한 새로운 기술에 대한 상당한 관심이 존재한다. 80%의 에너지 비용 절감은 15 내지 20%의 성형 부품의 비용을 감소시킬 수 있는 것으로 추정된다.

일반적으로, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "연화 온도(softening temperature)"는 바람직하게는 비드 재료가 성형 동안에 초기 비드 형상에서 성형된 부품에서의 최종 형상으로 팽창될 수 있기 충분하게 부드러운 그러나 또한 붕괴를 경험하지 않고 세포 셀 조직(cellular cell structure )을 유지하도록 충분하게 단단한 온도 또는 온도 범위를 포함한다. 따라서 발포 폴리에틸렌의 경우에는 용융점보다 다소 높은 것으로 간주될지라도 재료의 연화 온도는 일반적으로 그 용융점보다 낮아 재료는 용융되기 시작한다. 일반적으로 EPP, 그리고 특별하게는 ARPRO®/P-Block®를 위한 이 연화 온도는 125℃ 내지 145℃ 이다. 반결정성 열가소성 수지를 위한 연화 온도는 일반적으로 결정질 상의 용융 시작점과 용융 종료점 사이이다.

본 발명의 제 1 태양에 따르면, 발포 수지 입자로부터 성형품을 제조하는 방법이 제공되며, 이 방법은 한 쌍의 전극 사이에 위치한 몰드 내에 입자 및 유전 열전달 유체를 위치시키고; 전극 사이에 무선 주파수 전자기장을 생성하고, 열전달 유체와 입자를 유전체적으로 가열하기 위하여 몰드에 전자기장을 인가하며, 그리고 입자 표면을 부드럽게 하기 충분한 온도로 입자를 가열하여 입자를 융합시키는 것을 포함하며, 그로 인하여 몰드에 의하여 형상을 갖는 것과 같은 성형품이 형성된다.

바람직하게는, 무선 주파수 전자기장은 성형품의 평균 치수(또는 치수)보다 큰 파장을 갖는다.

바람직하게는, 무선 주파수 전자기장은 ⅰ) 300 m 내지 1m의 파장; ⅱ) 1　MHz 내지 300　MHz, 1　MHz 내지 100　MHz, 1　MHz 내지 40　MHz, 또는 3　MHz 내지 30　MHz의 주파수; ⅲ) 산업적 가열을 위하여 할당된 IMS (산업, 과학 및 의료) 대역 내의 주파수; 및 ⅳ) 성형품의 평균 치수(dimension)보다 큰 1/4 파장 중 적어도 하나를 갖는다. 무선 주파수 전자기장은 13.56 MHz, 27.12 MHz 및 40.68　MHz 중 하나의 +/- 10 MHz 내의 주파수를 가질 수 있다.

바람직하게는, 열전달 유체가 가열되는 온도는 열전달 유체를 기화, 선택적으로 완전 기화시키기 충분하다.

바람직하게는, 방법은 몰드 내의 압력을 유지하여 열전달 유체의 기화 온도를 입자 표면의 연화 온도에 또는 그에 가깝게 하는 것을 포함한다.

바람직하게는, 인가된 무선 주파수 전자기장은 열전달 유체가 액체 상태에 있을 때의 제 1 모드에서, 그리고 선택적으로 열전달 유체가 가스 상태에 있을 때의 제 2 모드에서 열전달 유체의 가열을 야기한다. 더욱 바람직하게는, 가해진 무선 주파수 전자기장에 의한 제 1 모드에서의 열전달 유체의 가열은 제 2 모드에서의 가열보다 우세하여 열전달 유체가 액체 상태에 있을 때, 바람직하게는 입자와 접촉 상태에 있을 때 열전달 유체의 가열이 대부분 일어난다.

바람직하게는, 몰드 내에 위치한 열전달 유체의 양은 몰드 캐비티의 체적에 따라 결정되며, 바람직하게는 캐비티 1리터당 1 ml 내지 100 ml, 보다 바람직하게는 2 ml 내지 500 ml, 더욱 바람직하게는 4 ml 내지 250 ml이다. 대안적으로, 몰드 캐비티 내에 위치한 열전달 유체의 질량은 몰드 내에 위치한 입자의 질량에 의하여 결정되며, 바람직하게는 여기서 몰드 내에 위치한 열전달 유체의 질량은 입자의 질량의 0.1 내지 50배 범위 내, 0.125 배 또는 0.14 내지 20배 또는 25배, 0.25 내지 2배, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.25배이다.

바람직하게는, 열 전달 유체는 액체를 포함한다. 바람직하게는, 전도성 증가 불순물이 물에 참가된다. 전도성 증가 불순물은 염(salt)일 수 있다.

바람직하게는, 열 전달 유체는 3　mS/m 이상의 전도도를 갖는다.

바람직하게는, 열 전달 유체는 i) 입자와 동시에 몰드 내로 위치하며 그리고/또는 ⅱ) 몰드 내로 위치하기 전에 또는 몰드 내로 주입되기 전에 입자와 예비 혼합된다.

바람직하게는, 열 전달 유체는 습윤제와 결합하여 사용된다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 몰드 내의 압력의 제어에 의하여 몰드 내의 온도를 적어도 부분적으로 제어하는 것을 포함한다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 성형 동안 몰드를 상승된 압력에서 유지하는 것을 포함하며, 바람직하게는 상승된 압력은 3바(bar)까지, 바람직하게는 5 바까지, 바람직하게는 2 내지 3바, 또는 3 내지 5바이다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 성형 전에 몰드를 가압하는 것을 더 포함한다.

바람직하게는, 입자가 가열되는 상승 온도는 80℃ 내지 180℃, 바람직하게는 105℃ 내지 165℃, 바람직하게는 110℃, 120℃, 130℃, 140℃까지 또는 150℃까지이다.

바람직하게는, 몰드 내의 상승된 압력 및 온도는 입자들의 융합으로부터 성형품의 형성을 야기하기 충분한 시간 동안 유지된다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 성형 전에 몰드 내에서 입자를 가압하는 것을 더 포함한다. 입자를 가압하는 것은 입자를 예를 들어 역압 충진에 의하여, 바람직하게는 5 내지 100 체적%까지 기계적으로 또는 물리적으로 압축하는 것을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 선택적으로 성형의 완료 전에 몰드로부터 공기를 제거, 바람직하게는 공기를 기화된 열전달 유체로 대체, 바람직하게는 밸브를 통하여 공기를 벤트 또는 공기 리저버 내로 벤트하는 것을 더 포함한다.

몰드로부터 공기를 제거하는 것은 공기를 기화된 열전달 유체로 대체, 바람직하게는 공기를 밸브를 통하여 벤트 또는 공기 리저버 내로 벤트하는 것을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 입자의 융합이 일어난 후, 바람직하게는 입자의 융합이 일어나자 마자 몰드를 감압하는 것을 더 포함한다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 기화된 열전달 유체를 몰드로부터 벤트하는 것을 더 포함한다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 성형 후의 냉각 단계를 더 포함하며, 바람직하게는 냉각 단계는 i) 가압된 가스를 몰드 내로 주입하는 것; 또는 ⅱ) 몰드 또는 전극의 적어도 하나의 표면을 냉각하는 것 중 적어도 하나를 포함하며, 바람직하게는 여기서 냉각 단계는 몰드 또는 전극의 적어도 하나의 표면을 따라 유체를 보내는 것(channelling)을 포함한다.

바람직하게는, 입자는 폐쇄 기포 발포체 입자 (closed-cell foam particles) 를 포함하거나, 폐쇄 기포 발포체 입자로 이루어지거나, 또는 폐쇄 기포 발포체 입자이다.

바람직하게는 수지는 지방족 수지를 포함하거나, 지방족 수지로 이루어지거나, 또는 지방족 수지이다. 수지는 폴리올레핀을 포함할 수 있거나, 폴리올레핀으로 이루어질 수 있거나, 또는 폴리올레핀일 수 있다. 수지는 비방향족 폴리올레핀(즉, 폴리알켄)을 포함할 수 있거나, 비방향족 폴리올레핀으로 이루어질 수 있거나, 또는 비방향족 폴리올레핀일 수 있다. 수지는 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 포함할 수 있거나, 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌으로 이루어질 수 있거나, 또는 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌일 수 있다. 수지는 폴리프로필렌을 포함할 수 있거나, 폴리프로필렌으로 이루어질 수 있거나, 또는 폴리프로필렌일 수 있다. 수지는 폴리에틸렌을 포함할 수 있거나, 폴리에틸렌으로 이루어질 수 있거나, 또는 폴리에틸렌일 수 있다. 수지는 코폴리머, 바람직하게는 폴리프로필렌 및 그 코폴리머 또는 폴리에틸렌 및 그 코폴리머를 포함할 수 있거나, 코폴리머, 바람직하게는 폴리프로필렌 및 그 코폴리머 또는 폴리에틸렌 및 그 코폴리머로 이루어질 수 있거나, 또는 코폴리머, 바람직하게는 폴리프로필렌 및 그 코폴리머 또는 폴리에틸렌 및 그 코폴리머일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 방법은 가스를 입자 내로 도입하기 위하여 성형 전에 입자의 전처리에 의하여, 바람직하게는 입자를 선-가압하는 것에 의하여 입자 또는 비드를 제어하는 것을 더 포함한다.

바람직하게는, 입자는 몰드의 외부에서 선-가압되며 그 후에 몰드로 이송된다. 바람직하게는 여기서, 입자는 상승된 압력에서 압력 탱크 내에 저장된다.

바람직하게는, 몰드는 밀폐된 또는 부분적으로 밀폐된 캐비티를 포함한다.

바람직하게는, 몰드 재료는 플레이트 전극 사이에서 발생된 무선 주파수 전자기장을 실질적으로 투과시키는 재료를 포함하며, 여기서 바람직하게는 몰드 재료는 i) 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리에테르이미드 또는 폴리테트라플루오로에틸렌와 같은 폴리머; 또는 ⅱ) 알루미나, 물라이트, MICOR 또는 파이로필라이트와 같은 세라믹을 포함한다. 몰드는 플레이트 전극 사이에서 발생된 무선 주파수 전자기장을 실질적으로 투과시키지 않은 제 2 재료를 더 포함할 수 있으며, 여기서 바람직하게는 제 2 몰드 재료는 몰드의 측벽 또는 라이닝을 형성하며, 성형 중에 있는 제품과 직접적으로 접촉하도록 맞추어져 있다.

바람직하게는, 전극 플레이트는 유전체 또는 전기적으로 비도전성 스페이서 재료와 이격되어 있으며, 바람직하게는 여기서 스페이서 재료는 몰드의 적어도 하나의 측벽을 한정하며, 더욱 바람직하게는 몰드의 적어도 하나의 측벽은 플레이트 전극 내에 매립되어 있다. 바람직하게는, 몰드 캐비티의 적어도 하나의 측부는 적어도 하나의 전극과 직접적으로 접촉한다.

바람직하게는, 몰드는 열전달 유체의 기화로 인한 상승된 압력을 견디도록 맞추어져 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 입자로부터 성형품을 제조하기 위한 장치가 제공되며, 이 장치는, 한 쌍의 전극; 전극 사이에 무선 주파수 전자기장을 발생시키기 위한 수단; 전극 사이에 위치한 몰드; 및 몰드에 전자기장을 인가하기 위한 수단을 포함한다. 여기서, 장치는 입자 표면을 유연하게 하기에 충분한 온도까지 몰드 내에 위치한 열전달 유체 및 입자를 유전적으로 가열하도록 맞추어져 있으며, 따라서 입자가 융합되어 몰드에 의하여 형상화된 바와 같은 성형품을 형성한다. 바람직하게는, 이 장치는 i) 예를 들어 크랙-충진 또는 역압-충진에 의하여 입자와 열전달 유체를 몰드 내에 위치시키기 위한 수단; ⅱ) 플레이트 전극; ⅲ) 입자를 압축하기 위한 수단; 또는 ⅳ) 입자를 가압하기 위한 수단 중 적어도 하나를 더 포함한다.

바람직하게는, 가해진 전자기장의 특성을 변화시키기 위하여 전극 사이의 간격은 처리될 재료에 따라 조절 가능하다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 본 명세서에서 설명된 방법을 이용하여 얻어진 성형품을 제공한다.

본 발명의 다른 특징들은 청구범위에 의하여 특징지워진다.

다른 태양은 하기 사항을 포함한다:

o 몰드;

o 전극;

o 재료 유입구;

o 액체 열전달제;

o 선택적으로 바람직하게는 몰드 내에 압력을 인가하기 위한 수단, 또는 입자를 압축하기 위한 수단을 포함하는

● 무선 주파수(RF) 가열의 적용에 의하여 플라스틱 입자 물질을 성형하는 장치.

● 무선 주파수(RF) 가열의 적용 및 액체 열전달제의 존재에서 플라스틱 입자 재료를 성형하는 방법.

● 무선 주파수(RF) 가열의 적용 및 액체 또는 유체 열전달제의 존재에서 발포 폴리프로필렌 발포체의 비드와의 융합으로부터 만들어진 제품의 성형 방법.

본 명세서 내에서 사용된 바와 같이, (성형품과 같은) 제품의 치수는 바람직하게 제품의 길이, 폭 또는 더욱 일반적으로 두께를 언급하며, 더욱 바람직하게는 평균 길이, 폭, 또는 두께 그리고 제품의 평균 치수를 언급한다. 보다 바람직하게는, 치수는 전극의 평면에 직교하는 방향으로의, 전극 사이의 제품의 두께를 언급한다.

달리 지시하지 않는 한, 압력에 관한 것은 일반적으로 "게이지 압력"이다.

본 발명은 하기의 항목에 의하여 정의될 수 있다.

1. 입자로부터 성형품을 제조하는 방법에 있어서,

한 쌍의 전극 사이에 위치한 몰드 내에 입자와 유전 열전달 유체를 위치시키는 것;

전극 사이에 무선 주파수 전자기장을 발생시키는 것;

몰드에 전자기장을 인가하여 열전달 유체와 입자를 유전적으로 가열시키는 것; 그리고

표면이 유화되기 충분한 온도로 입자를 가열하는 것을 포함하여 입자들이 융합되고 그로 인하여 몰드의 형상과 같은 형상의 성형품이 형성되며, 바람직하게는 무선 주파수 전자기장은 성형품의 평균 규격(또는 규격)보다 큰 파장을 갖는다.

2. 제1항목에 따른 방법에 있어서, 무선 주파수 전자기장은 10m 내지 l cm의 파장, 바람직하게는 1m 내지 10 cm의 파장을 갖는다.

3. 제1항목 또는 제2항목에 따른 방법에 있어서, 열전달 유체가 가열되는 온도는 열전달 유체를 기화시키기 충분하다.

4. 제1항목 내지 제3항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 열전달 유체는, i) 입자와 동시에 몰드 내로 위치하거나; 그리고/또는 ⅱ) 몰드 내에 위치하기 전에 입자와 예비 혼합된다.

5. 제1항목 내지 제4항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 열전달 유체는 습윤제와의 조합 형태로 사용된다.

6. 제1항목 내지 제5항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 열전달 유체는 물을 포함하며, 바람직하게는 물은 염과 같은 전도도 증가 불순물에 추가된다.

7. 제1항목 내지 제6항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 열전달 유체는 3　mS/m 이상, 바람직하게는 7　mS/m이상의 전도도를 갖는다.

8. 제1항목 내지 제7항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 입자는 하기 중 어느 것을 포함한다.

i) 폐쇄-셀 발포체 입자;

ⅱ) 코폴리머 발포체 입자;또는

ⅲ) 발포 폴리프로필렌.

9. 제1항목 내지 제8항목 중 어느 한 항목에 따른 방법은 가열 전에 입자를 선-가압하는 것을 더 포함하며, 바람직하게는 i) 입자는 몰드 내에서 선-가압된다;또는 ⅱ) 입자는 몰드 외부에서 선-가압되며 이후 몰드로 이송되고, 바람직하게는 입자는 상승된 압력에서 압력 저장 탱크에 저장된다.

10. 제9항목에 따른 방법에 있어서, 선-가압은 입자를 기계적으로 가압하는 것을 포함한다.

11. 제9항목 또는 제10항목에 따른 방법에 있어서, 상승된 압력은 적어도 1.1 바, 2바, 3바, 4바 또는 4바 이상이며, 바람직하게는 선-가압은 적어도 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 8시간, 12시간, 16시간 또는 16시간 이상 동안 진행된다.

12. 제1항목 내지 제11항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 입자가 가열되는 상승된 온도는 80℃ 내지 180℃, 바람직하게는 85℃ 내지 165℃, 바람직하게는 90℃, 100℃, 110℃, 120℃, 130℃, 140℃까지 또는 150℃까지이다.

13. 제1항목 내지 제12항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 몰드는 밀폐된 캐비티를 포함한다.

14. 제1항목 내지 제13항목 중 어느 한 항목에 따른 방법은 성형 동안에 몰드를 상승된 압력에서 유지하는 것을 더 포함하되, 바람직하게는 상승된 압력은 3바까지, 바람직하게는 5바까지이다.

15. 제1항목 내지 제14항목 중 어느 한 항목에 따른 방법은 성형 전에 몰드를 가압하는 것을 더 포함한다.

16. 제1항목 내지 제15항목 중 어느 한 항목에 따른 방법은 기화된 열전달 유체를 몰드로부터 벤팅하는 것을 더 포함한다.

17. 제1항목 제16항목 중 어느 한 항목에 따른 방법은 성형 후에 냉각 단계를 더 포함하되, 바람직하게는 냉각 단계는 하기 중 적어도 하나를 포함한다.

i) 가압된 가스를 몰드 내로 주입; 또는

ⅱ) 몰드 또는 전극의 적어도 하나의 표면을 냉각, 바람직하게는 여기서 냉각 단계는 몰드 또는 전극의 적어도 하나의 표면을 따라 유체를 보내는 것을 포함.

18. 제1항목 내지 제17항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 몰드 내에 위치한 열전달 유체의 질량은 몰드 내에 위치한 입자의 질량에 의하여 결정되며, 바람직하게는 몰드 내에 위치한 열전달 유체의 질량은 몰드 내에 위치한 몰드 내에 위치한 입자의 질량과 거의 동일하거나 작다.

19. 제1항목 내지 제18항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 몰드 재료는 플레이트 전극 사이에서 발생된 무선주파수 전자기장을 실질적으로 투과시키는 재료이며, 바람직하게는 몰드 재료는 i) 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PPTFE)과 같은 폴리머; 또는 ⅱ) 세라믹을 포함한다.

20. 제1항목 내지 제19항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 몰드는 플레이트 전극 사이에서 발생된 무선 주파수 전자기장을 실질적으로 투과시키지 않는 제2재료의 적어도 하나의 측벽 또는 라이닝을 가지며, 바람직하게는 제 2 몰드 재료는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 포함한다.

21. 제1항목 내지 제20항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 있어서, 전극 플레이트는 유전체 또는 전기적으로 비도전성 스페이서 재료와 이격되어 있으며, 바람직하게는 스페이서 재료는 몰드의 적어도 하나의 측벽을 한정하며, 더욱 바람직하게는 몰드의 적어도 하나의 측벽은 플레이트 전극 내에 매립되어 있다.

22. 제1항목 내지 제21항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 따르면, 입자는 플라스틱 재료를 포함한다.

23. 제1항목 내지 제22항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 따르면, 입자는,

i) 비방향족 폴리올레핀(즉, 폴리알켄) 입자 발포체; 폴리카보네이트, 폴리에스테르 또는 폴리아마이드 발포체; 폴리스티렌 발포체;

ⅱ) 팽창되지 않고 중합되지 않은 재료; 식료품 포장 제품에 사용하기 위한 재료; 탄수화물 기반 바이오 발포체;

ⅲ) 바이오폴리머; 또는,

ⅳ) 발포된 폴리스티렌을 포함한다.

24. 제1항목 내지 제23항목 중 어느 한 항목에 따른 방법에 따르면, 무선 주파수 전자기장 필드는 열전달 유체를 기화시키기에 충분하며, 기화 온도가 재료의 연화 온도이도록 또는 연화 온도와 비슷하도록 몰드 내 압력이 유지된다.

25. 입자로부터 성형품을 제조하는 장치는,

한 쌍의 전극;

전극 사이에 무선 주파수 전자기장을 발생시키기 위한 수단;

전극 사이에 위치한 몰드; 및

몰드에 전자기장을 인가하기 위한 수단을 포함하되,

장치는 입자 표면을 유연하게 하기에 충분한 온도까지 몰드 내에 위치한 열전달 유체 및 입자를 유전적으로 가열하도록 맞추어져 있으며, 따라서 입자가 융합되어 몰드에 의하여 형상화된 바와 같은 성형품을 형성하며, 바람직하게는 장치는 i) 입자와 열전달 유체를 몰드 내에 위치시키기 위한 수단; 또는 ⅱ) 플레이트 전극; 중 적어도 하나를 더 포함한다.

26. 입자로부터 성형품을 제조하는 방법은,

몰드 내에 입자와 유전 열전달 유체를 위치시키는 것; 및

열전달 유체의 기화 온도가 재료의 연화 온도인 또는 연화 온도와 비슷하도록 몰드 내의 압력이 유지되는 동안 열전달 유체를 기화시키기에 충분한 전계 강도의 몰드로 무선 주파수 전자기장을 인가하는 것을 포함한다.

본 발명은 첨부한 도면을 참고로 하여 본 명세서에서 설명된 바와 실질적으로 동일한 방법 및/또는 장치까지 확대된다.

본 발명의 한 태양 내의 어떠한 특징도 어떠한 적절한 조합 상태로 형태로 본 발명의 다른 특징에 적용될 수 있다.

특히, 방법 태양은 장치 태양에 적용될 수 있으며, 장치 태양이 방법 태양에 적용될 수 있다. 본 발명은 첨부한 도면을 참고로 하여 순수하게 한 예로써 설명될 것이다.

도 1은 전자기 스펙트럼을 도시한 도면.
도 2는 인가된 전자기장의 주파수의 기능으로서 물의 손실률을 나타낸 그래프.
도 3은 마이크로웨이브 유전 가열에 의하여 성형품을 제조하기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 4는 프로토타입(prototype) RF 성형 프레스를 도시한 도면.
도 5는 RF 압축 성형 프레스의 개략적인 도면.
도 6은 록킹 가능한 플레이트를 갖는 변형된 RF 성형 프레스를 도시한 도면.
도 7은 RF 성형 순서 동안에 관찰된 환경적 매개 변수를 나타낸 그래프.
도 8은 상단 RF 전극에 포함된 발포체 압력 센서를 갖는 RF 프레스를 도시한 도면.
도 9는 RF 성형 공정 동안의 공기 압력 측정값의 결과를 도시한 도면.
도 10은 RF 성형 실험 동안의 공기 압력 측정값의 결과를 도시한 도면.
도 11, 도 12 및 도 13은 다른 RF 파워 레벨을 위한 RF 성형 공정 동안의 공기 압력 측정값의 결과를 도시한 도면.
도 14는 RF 성형 공정 동안의 압력 측정값의 다른 결과를 도시한 도면.
도 15는 대형 블록 성형체의 실험 동안에 얻어진 발포체 압력 센서 측정값을 도시한 도면.
도 16는 대안적인 성형 툴 디자인을 도시한 도면.
도 17은 2개 층의 RF 몰드를 도시한 도면.
도 18은 대안적인 배기된 RF 성형 공정을 도시한 도면.
도 19는 RF 성형 시스템으로서의 사용을 위하여 새로 장착된 크랙-충진 몰드를 도시한 도면.
도 20는 생산 RF 성형 순서를 도시한 도면.
도 21은 RF 성형을 위하여 조정된 상업적 증기실 성형 프레스를 도시한 도면.
도 22 내지 도 35는 폴리프로필렌의 RF 융합의 일부 다른 매개 변수 연구를 설명한 도면.

개요

본 발명은 유전 가열에 의한, 특히 무선 주파수(RF) 또는 고주파수(HF) 가열의 적용에 의한 그리고 물과 같은 유체 전달제의 존재 하에서 플라스틱 입자상 물질의 성형을 위한 대안적인 방법을 제시한다.

교류 고주파수 전자기(EM)장이 낮은 전기 전도도를 갖는 특정 재료에 가해질 때, 유전 가열이 발생한다. 일반적으로 전자기장은 (유극 분자와 같은) 쌍극자 모멘트를 갖는 재료의 분자가 인가된 자기장의 주파수로 자신들을 정렬시키도록 하게 한다. 인가된 전자기장의 주파수가 무선 또는 마이크로웨이브 스펙트럼에서 진동하는 경우, 분자는 자기장 변화를 뒤따르려고 시도하며, 그 결과 분자 간의 "마찰"로 인하여 열이 발생한다.

그러나, 이하에서 보다 상세하게 설명될 바와 같이, 마이크로웨이브에 의한 유전 가열과 비교하여, 전파에 의한 유전 가열 간에 -적용 방법(이로 인한 장치), 메커니즘 및 효과 면에서- 분명한 차이가 존재한다.

인가된 전자기장에 의하여 유전체로 전달된 파워 밀도(P)는 하기와 같이 주어진다.

P = πfε₀ε"E² (Wm^-3)

여기서, f는 가해진 전자기장의 주파수(Hz); ε₀는 자유 공간의 유전율=8.85　x10-¹²Fm^-1; ε"는ε_rtanδ곱으로 정의된 유전 재료의 "손실률(loss factor)"이며, 여기서 ε_r은 상대적인 유전율이고, δ는 손실 각도(상대적 유전율의 가상 성분과 관련된, 전자기 에너지로 인한 고유 소비 및 가열의 단위); 그리고 E는 전기장 강도 또는 전압 상승률(in Vm^-1)이다.

도 1은 전자기(EM) 스펙트럼(1), 특히 유전 가열을 위하여 가장 큰 관심 하의 주파수(5), 즉 무선 스펙트럼 및 특히 마이크로웨이브 및 무선 주파수(RF) 파를 도시한다.

일반적으로, 일부 정의가 3000 GHz(0.1mm의 파장)까지의 주파수를 포함하고 또한 저적외선 내에 있는 것으로 설명하고 있을지라도, 무선 스펙트럼은 (1 mm보다 큰 파장에 대응하는) 약 300 GHz보다 낮은 주파수의 EM 스펙트럼의 부분으로서 설명된다.

일부 정의는 용어 마이크로웨이브 및 무선 주파수(RF)를 사용하여 전자기 스펙트럼의 인접 부분을 설명한다. 만들어진 일반적인 차이점은 하기와 같은 것 중 하나이다.

● 마이크로웨이브-(1m ~ 10 cm의 단파장에 대응하는) 300　MHz　~3　GHz의 비교적 높은 주파수.

● 전파 - 3　MHz　~300MGHz의 낮은 주파수(그리고 따라서 대응적으로 100m~1m의 긴 파장), 잠재적으로 1MHz (파장 300m)로 낮아짐.

- 마이크로웨이브와 전파 사이의 경계의 정확한 위치가 명확할지라도, 기술적 그리고 규제 차이가 존재한다.

● 각각은 일반적으로 명백하게 다른 방법으로 발생된다. 예를 들어, 산업적 마이크로웨이브 가열 시스템은 일반적으로 마그네트론을 기반으로 하며 파워를 공진 또는 멀티-모드 캐비티로 전달하는 도파관을 갖는다. 한편, RF 가열은 파워를 어플리케이터로 전달하기 위한 전송 라인 또는 동축 장치를 갖는 공진 LC회로와 함께 3극 진공관 또는 4극 진공관 밸브를 이용한다. 일반적으로, 어플리케이터는 캐패시터의 형태를 가지며, 여기서 RF파워는 하나 또는 양 전극에 인가된다.

● 각각은 분자간에 다른 지배적인 상호 작용을 야기한다: 마이크로웨이브 가열은 주로 자유 쌍극자(free dipoles) 간의 상호 작용을 수반하며, RF 가열은 이온 전도도를 수반한다.

● 각각은 공업, 과학 및 의료(ISM) 대역과 같은 특정 스펙트럼 대역에 대한 국제적인 협약에 의하여 한정되고 할당되며, 특정 사용을 위하여 이 대역 외로의 방사선의 방출(emission of radiation)은 엄격하게 규제된다. 예를 들어,

- 마이크로웨이브는 영국에서 896MHz, 유럽 및 미국에서는 915MHz, 그리고 세계적으로는 2450MH를 포함한다.

- RF 밴드는 13.56 MHz, 27.12 MHz 및 40.68　MHz를 포함한다.

허용된 주파수는 위에서 언급된 것의 허용된 대역폭 내의 주파수를 포함한다.

따라서, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "RF" 및 유사한 용어는 바람직하게는 300 MHz (1m 이상의 파장)보다 적은; 바람직하게는 100 MHz (3m 이상의 파장)보다 적은; 바람직하게는 40 MHz 또는 30MHz(7.5m 또는 10m 이상의 파장)보다 적은; 바람직하게는 3 MHz 또는 1MHz (100m 또는 300m이상의 파장)보다 적은; 바람직하게는 300 KHz (1km 이상의 파장)보다 적은; 또는 수백 Hz(수천 km의 파장까지)의 주파수에 이르는 EM 파를 함축한다.

일부 실시예는 1~100 MHz (300m~3m의 파장), 특히 1~40　MHz (300m~ 7.5m의 파장), 보다 특히 3~30　MHz (100m ~10m의 파장)의 주파수 범위 내에서 작동한다.

다른 실시예는 특정 한정된 그리고 할당된 허용 주파수, 예를 들어 13.56 MHz, 27.12 MHz 또는 40.68　MHz, 일반적으로 +/- 10 MHz 내, 바람직하게는 +/- 1 MHz, 더욱 바람직하게는 +/- 0.1 MHz 또는 +/- 0.01 MHz 에서 (또는 대략적으로) 작동한다.

도 2는 인가된 전자기장의 주파수(f)의 함수로서의 물의 손실률(ε")의 그래프(10)를 도시하며, 또한 손실 계수가 다른 2개의 요소(이온 전도도로 인한 손실 및 자유 쌍극자 움직임으로 인한 손실)가 어떻게 포함하는지를 도시한다. 일반적인 마이크로웨이브 주파수(12)는 자유 쌍극자 공명에 대응하는 물의 손실률 내의 정점에 인접한 주파수이다; 그에 반하여 일반적인 RF 주파수(15)를 위한 손실은 주로 이온 전도도에 기인한다.

본 발명에 따라서, RF 성형의 개념이 개발됨에 따라 일련의 조사가 수행되었다.

플라스틱 입자 물질 -특히 EPP-의 성형을 위한 유전 가열의 가능성의 초기 조사는 마이크로웨이브 기간 시스템을 이용하였다.

- 마이크로웨이브 기반 시스템

도 3은 마이크로웨이브 유전 가열에 의한 플라스틱 입자상 물질을 성형하기 위한 시스템(20)을 도시한다.

마이크로웨이브는 마그네트론(22)에 의하여 생성되며 그후 도파관(24)을 통하여 챔버(26) 내로 보내진다. 챔버에서, 마이크로웨이브는 챔버 벽에서 굴절되며 상호 작용하고 챔버 내에 위치한 어떠한 유전체 부하(예를 들어, 물)에 의하여 흡수된다.

전파 경로 내의 서큘레이터(28; 실질적으로, 마이크로웨이브 "원-웨이 밸브")는 마이크로 웨이브가 도파관(24)을 따라 뒤로 굴절되고 잠재적으로 마그네트론(22)을 손상시키는 것을 방지한다. 챔버(26)는 또한 예를 들어 패러데이 케이지 형태의 적절한 차폐부(도시되지 않음)를 가져 마이크로웨이브가 벗어나는 것을 방지한다.

챔버(26) 내에 위치된 몰드(30)는 내부 캐비티(32)를 갖는다. 여기서 내부 캐비티는 일반적인 내부 형상 및 치수를 가지며, 이는 성형될 제품의 외부 형상 및 치수에 일치한다. 몰드 캐비티(32)로의 접근은 폐쇄부에 의하여 제공된다. 여기서, 이 폐쇄부는 성형 공정 동안에 캐비티(32)를 밀봉하는 역할을 수행하며 또한 성형 공정이 종료된 후 성형품이 추출, 그렇지 않으면 제거되는 것을 허용하기 위하여 개방될 수 있다.

몰드(30)는 마이크로웨이브를 투과시키는 재료로 제조되며 마이크로웨이브 챔버(26) 내에 위치되어 마이크로웨이브가 몰드 벽을 통하여 진행할 할 수 있어 몰드 캐비티(32) 내의 내용물을 조사한다.

이 간략화된 예에서, EPP 가동 재료(34)의 비드는 몰드 캐비티(32)로 진입되기 전에 액체 열 전달제(이 경우에는 물)와 혼합되며, 주입 포트(36)를 통하여 몰드 캐비티(32)로 진입된다.

마그네트론(22)에 의하여 생성된 마이크로웨이브는 유전적으로 물을 끓을 때까지 가열하여 증기를 생성한다. 증기는 EPP 비드(34)를 가열하며, 입자 내의 압력을 증가시키고 또한 비드 표면이 PP 연화점에 도달하면 그들의 표면을 부드러워지게 한다. 몰드 캐비티(32) 내에서의 비드의 다른(시도된) 팽창과 조합된 비드 표면의 부드러워짐은 입자들을 서로 융합 또는 융접시키며, 그로 인하여 성형품이 형성된다.

이 실험이 마이크로웨이브가 원칙적으로 폴리프로필렌 비드를 융합시킬 수 있다는 것을 보여주고 있지만, 그 결과로서 생긴 성형은 단지 약하게 융합된 것으로 나타났다.

이는 주로 몰드 내에 가두어진 공기에 기인한 것으로 여겨지며, 벤트되지 않았다면, 공기는 비드들 간의 융합을 이루기 위한 더 긴 공정 시간을 요구하는 매우 훌륭한 절연체이다.

다른 가능성은 마이크로웨이브의 파장이 성형되는 부분과 유사하거나 작은 치수를 갖는다는 사실의 조합에 의하여 그리고 캐비티 내에서 반복적으로 굴절된 마이크로웨이브 (이는 성형 툴 내에서 마이크로웨이브의 균일한 분배를 어렵게 한다)에 의하여 야기된 비균일 가열이다. 이 문제를 다루기 위한 한가지 방법은 -필연적으로 시스템의 복잡함을 증가시키고 성형될 수 있는 제품의 최대 치수를 제한할지라도- 마이크로 파장 내에서 시편을 회전시키는 시스템을 사용하는 것이다.

마이크로웨이브 사용에 수반되는 다른 중요한 사안은 하기 내용을 포함한다.

● 몰드는 마이크로웨이브를 투과시켜야 하며, 이는 또한 성형 공정 동안에 가열되며, 따라서 (대부분의 상업적 툴 내에서 사용된) 금속을 배제한다.

● 마이크로웨이브 캐비티의 금속 벽에서의 전기장은 0(zero)까지 떨어지며, 따라서 가열 효과를 발생시키지 않는다.

● 마이크로웨이브 엔클로져(enclosure)의 벽에 가까운 전기장이 없기 때문에 전체 몰드는 마이크로웨이브를 투과시키는 재료로 구성되어야 한다. 이는 성형 공정 동안에 생긴 압력과 온도를 견딜 수 있는 성형 툴을 필요로 한다.

이러한 이유 및 다른 이유로 인하여, 초점은 주로 RF 방법을 계속해서 분석하는 것이다. 그렇지만, 설명된 RF 성형 시스템의 태양은 또한 일부 변형을 갖고 마이크로웨이브 기반 시스템에 적용될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 지식을 가진 자에게 인식될 것이다.

- RF -기반 시스템

RF 가열의 사용은 일반적으로 가열될 재료를 유전체 캐패시터를 형성하는 2개의 플레이트 전극 사이에 위치시킴으로써 달성된다. 한 전극은 고전위에서 유지되고 RF 발생기에 연결되는 반면에, 다른 전극은 명목상 "접지 전위"에 있다. 재료가 처리되기 편리하도록 전극들 간의 갭 또는 거리는 조절된다. 간단한 시스템에서, 전극들 사이의 갭 또는 거리는 주파수 그리고 RF 파워 및 인가된 전계 강도를 달라지게 하기 위하여 사용될 수 있다.

폴리프로필렌 비드와 같은 입자를 성형하기 위한 기본적인 RF 가열 시스템을 조정하는 것은 몰딩 캐비티의 한정을 필요로 한다. 이는 일반적으로 전파를 투과시키는 낮은 유전 손실 폴리머로 구성된다. 부가적으로, 이는 바람직하게는 (적절한 절연 파괴 강도를 갖는 재료에 기인하는) 무선 주파수 필드에 의하여 부과된 전압 그리고 성형 사이클 동안에 생긴 압력 및 온도를 견딜 수 있다.

하나 또는 양 전극은 다른 크기의 몰드를 수용하기 위하여 그리고 몰드 부분의 추출을 돕기 위하여 조절 가능할 수 있다.

몰드는 2개의 RF 전극 사이에 직접적으로 위치한 압력 용기의 측벽을 형성한다. 프레스는 전극과 폴리머 몰드를 함께 클램핑하여 닫힌 캐비티를 형성한다.

폴리머 몰드의 상단 및 바닥 부분, 그리고 일부 경우에서 중간 부분은 일반적으로 가공된 그루브를 가져 실리콘 러버 또는 다른 시일을 수용한다. 여기서, 실리콘 러버 또는 시일은 내부에서 생긴 증기를 수용하기 위한 압력 시일의 기능을 수행한다.

전극 갭이 일반적으로 폴리머 몰드의 치수에 의하여 고정되기 때문에, "어플리케이터(applicator)" 회로가 RF 발생기와 동일한 주파수로 공명하도록 하기 위하여 전극과 툴의 공진 주파수는 조절 가능하게 만들어진다. 이는 튜닝(tuning) 시스템-근본적으로 전극과 툴의 조합된 캐패시턴스(capacitance)를 조절하는 일련의 캐피시터에 의하여 이루어져 그 합성(resultant)는 요구되는 동작 주파수에서 인턱터와 공명한다.

적절한 재료는 일반적으로 다음과 같은 특성을 갖는다:

● RF에 대한 투과: RF 필드 내에서 가열되지 않음 (이하에서 설명될 바와 같이, 제어된 가열은 이점을 암시할 수 있음).

● 비록 일부 비드 재료를 위하여 고온이 사용될 수 있을지라도- (현재의 상업적 코폴리머 비드, 예를 들어 ARPRO®을 위한) 135℃, 바람직하게는 (호모폴리머 비드를 위한) 150℃를 초과하는 온도 저항성.

●공정 내에서의 예상된 온도에서의 낮은 열 팽창.

● 양호한 기계적 안정성-3 내지 4바까지의 압력을 견디기 위하여 이 공정에서 사용되기 충분한 강건함.

● 높은 절연 파괴 강도

가능한 적절한 몰드 재료는 하기 재료를 포함한다:

● PP(폴리프로필렌 호모폴리머)-RF를 투과시키나, 상승된 온도에서 연장된 사용에 잠재적으로 적합하지 않다.

● PTFE (롤리테트라풀루오로에틸렌, 테프론®막 상업적으로 공지)-RF를 투과시키며, 성형 제품의 최종 표면에 가능한 문제점이 있을지라도 상승된 온도에서의 사용에 적합하다.

● PEI(폴리에테르이미드)-RF를 투과시키며 기계적 특성을 손상시키지 않고 상승된 온도(예를 들어, 200℃)에서 사용하기 위하여 적합하다.

● 폴리옥시메틸렌(POM) 및 그 코폴리머와 같은 다양한 다른 폴리머 또한 요구 족건을 만족시키며 몰딩 구성을 위하여 사용될 수 있다.

●비록 깨지기 쉬움 및 낮은 열충격 저항의 많은 문제점을 갖고 있을지라도 -세라믹-.

RF를 투과하지 않지만, 성형 챔버 측벽을 구성하기 위하여 PVDF(폴리비닐리덴 풀루오라이드)가 사용될 수 있어 이것이 유익한 경우에 응용에서 성형 챔버 자체가 유전적으로 가열되는 것을 허용한다. 예를 들어, 몰드 캐비티의 내부 표면을 가열하는 것은 보다 성형품을 위한 우수한 표면 마무리를 제공할 수 있다.

대안적으로, 합성 몰드가 사용될 수 있으며, 여기서 예를 들어 몰드의 대부분은 몰드 캐비티의 내부 표면에서의 PVDF 라이닝(lining)을 갖고 RF-투과 재료로 만들어진다-그로 인하여 몰드 몸체의 불필요한 가열이 없는, 가열된 내부 몰드 표면의 이점을 제공한다.

RF는 또한 마이크로웨이브가 투과하는 재료를 통하여 인가되며, 이는 마이크로웨이브 시스템이 몰드를 가열하는 경우에도 RF가 사용될 수 있다는 것을 의미한다.

PP 자체가 RF를 투과함에 따라 열전달제 또는 매체가 요구된다. 물(예를 들어, 이온의 존재로 인하여 수돗물)이 RF의 매우 강한 흡수제로 특별히 적절한 것으로 밝혀졌으며, 가스 상태일 때 결과로 생성된 증기 분자가 상대적으로 작으며, 따라서 성형되는 부품 내로 깊이 침투할 수 있다.

마이크로웨이브보다 우선적으로의 RF의 사용은 여러 이점을 야기하는 것으로 기대된다.

- 증가된 성형 품질

EM파의 침투 깊이가 파장에 직접적으로 관련되어 있음에 따라, RF의 보다 긴 파장은 마이크로웨이브보다 성형되는 부품 내로의 보다 깊은 그리고 보다 균일한 침투를 허용하는 것으로 믿어지며, 가열의 보다 큰 균일도를 야기하며 따라서 최종 성형의 증가된 품질을 야기한다. 이는 특히 보다 큰 부품의 성형에 유용하다. 인가된 RF는 또한 용이하게 조절될 수 있으며, EM 필드 라인은 평행하게 유지될 수 있어 물의 균일한 가열을 제공하는데 도움을 준다.

-보다 간단한 툴링( tooling )

제품 RF 성형 기계의 구조는 에너지 입력 수단을 제외하고는 대략적으로 현재의 EPP 성형 기계(금속 플레이트, 충진 건을 통한 비드 충진)와 유사한 것으로 예상된다. 일부 변형에서, 아래에서 설명된 바와 같이, 증기 압력 시스템의 필요성은 전적으로 제거된다. 몰드가 안에 위치하는 대형 캐비티를 필요로 하는 마이크로웨이브 시스템을 갖는 경우와 달리, RF 해결책은 현저하게 간단하여 실행을 위하여 비용이 적게 든다. 적은 개수의, 비교적 복잡하지 않은 부분은 또한 강한 RF 시스템을 제작하는 것이 보다 쉽다는 것을 의미한다. RF 전극의 사용은 파워가 몰드 내로 직접적으로 끌어들여지는 것을 허용하며 또한 액체 열전달제를 통하여 몰딩 재료로 파워가 인가되는 것을 허용한다.

- 팽창제를 사용한 필요가 없음.

비드 성형 재료로서의 PP의 고유의 이점은 일반적으로 펜탄을 함유한 폴리스티렌(PS)과 달리, 비드 형태로의 팽창을 위하여 팽창제를 필요로 하지 않다는 것이다. 아래에서 설명될 바와 같이, RF 가열 방법은 개별적으로 유입된 팽창제의 사용을 필요로 하지 않는다.

-비용 절감

현재로서는 몰드의 금속을 가열할 필요가 없고 단지 성형 재료(10g 이하에서부터 1kg이상까지 매우 다양한 규격의 성형 부품이 있을지라도, 1kg 부품 예는 300kg의 몰드의 사용을 필요로 할 수 있다. 일부 몰드는 아직 현저하게 크다)만 가열되겠지만, 유전 가열의 사용은 에너지 효율(그리고 물 소비 감소)에서 있어서의 현저한 이득을 야기할 것으로 예상된다. 계산은 생산 시스템이 에너지 사용을 85%, 물 사용을 95% 줄일 수 있는 것으로 제안한다. 결국 이는 잠재적으로 에너지 비용을 75% 줄일 수 있으며, 60g/l의 일반적인 밀도를 갖는 부품을 위한 성형 부품의 비용에 있어 15% 감소를 야기한다.

-자기 제한 가열 효과

RF의 사용은 열전달 유체가 액체 상태일 때의 제 1 모드(이온 가열) 그리고 열전달 유체가 기체 상태일 때의 제 2 모드에서의 열전달 유체의 가열을 야기한다. 여기서, 제 1 모드에서의 가열이 지배적이어서 열전달 유체가 액체 상태에 있을 때 인가된 RF에 의한 가열이 대부분 발생한다. 따라서 열전달 유체가 기화됨으로써 열전달 유체(및 결과적으로 입자)의 가열은 자기-제한적(self-limiting)이 된다.

설명된 방법은 (제한되지는 않지만) 하기를 포함한, 다양한 가능한 재료의 성형에 대한 응용을 갖는다.

● 폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌

● 비방향족 폴리올레핀 입자 발포체

본 발명의 실행에 있어 유용한, 발포된 입자를 형성하는 수지는 바람직하게는 폴리올레핀 수지이며, 이는 C2-C4 올레핀, 예를 들어 에틸렌, 프로필렌 또는 1-부탄과 같은 올레핀 성분의 호모폴리머; 올레핀 성분 또는 이들의 호모폴리머와 코폴리머 중 적어도 2개의 혼합물의 적어도 50 중량%를 함유한 코폴리머; 또는 폴리올레핀 수지와 (폴리올레핀 수지가 아닌) 다른 수지 및/또는 합성 고무로 이루어지고 적어도 50 중량%의 올레핀 성분을 포함한 혼합물로 구성된다. 수지는 가교 결합되지 않은 또는 가교 결합된 상태로서 사용된다.

본 발명에서 사용된 폴리올레핀 수지의 발포 입자는 바람직하게는 - 다른 부피 밀도(예를 들어 5~250g/L)가 또한 가능할지라도- 0.09~0.006 g/cm³ (즉, 90~ 6 g/L)의 부피 밀도(bulk density)를 가지며, 또는 기본 수지로서 가교결합되지 않은 폴리프로필렌 수지 또는 가교결합되지 않은 폴리에틸렌 수지로 형성되고, 또한 시차 주사 열량 측정법(일본특허공보 제1988-44779호 및 제1995-39501호 참조)에 의하여 얻어진 DSC 곡선 상에서 2개의 흡열 피크를 갖는다. DSC 곡선은 0.5~4mg의 발포 입자 시편이 10℃/분의 가열 속도로 실온에서 220℃로 가열될 때 열량을 측정하기 위하여 시차 주사 열량 측정법에 의하여 DSC 곡선이 얻어졌음을 의미한다. 기본 수지로서 가교결합되지 않은 폴리프로필렌 수지 또는 가교결합되지 않은 폴리에틸렌 수지로 형성되고 DSC 곡선 상에서 2개 이상의 흡열 피크를 갖는 발포 입자는 DSC 곡선 상에서 2개의 발열 피크를 갖지 않은 발포 입자와 비교하여 우수한 표면 평탄성(surface smoothness), 치수 안정성 및 기계적 강도를 갖는 성형품을 제공하는 효과를 갖는다.

부수적으로, 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 호모폴리머, 적어도 50 중량%의 프로필렌 요소 또는 이들의 호모폴리머와 코폴리머 중 적어도 2개의 혼합물을 함유한 코폴리머, 또는 이러한 폴리프로필렌 수지와 (폴리프로필렌 수지보다는) 다른 수지로 이루어진 혼합물 및/또는 합성 고무로 이루어지고 적어도 50 중량%의 프로필렌 성분을 포함한 수지임을 의미한다. 폴리에틸렌 수지는 에틸렌 호모폴리머, 적어도 50 중량%의 에틸렌 요소 또는 이들의 호모폴리머와 코폴리머 중 적어도 2개의 혼합물을 함유한 코폴리머, 또는 이러한 폴리에틸렌 수지와 (폴리에틸렌 수지보다는) 다른 수지로 이루어진 혼합물 및/또는 합성 고무로 이루어지고 적어도 50 중량%의 에틸렌 성분을 포함한 수지임을 의미한다. 용어 "적어도 50 중량%"는 적어도 50 중량%, 적어도 60 중량%, 적어도 70 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 90 중량% 또는 100 중량%까지를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

사용된 발포 입자 각각의 중량에 제한이 부과되지 않는다. 그러나, 약 0.5~5mg의 평균 입자 중량을 갖는 입자들이 일반적으로 사용된다.

RF 성형 시스템의 가능한 변형을 설명하기 위하여 다수의 시편들이 설명될 것이다. 어떠한 시편에서 설명된 어떠한 특징이 다른 시편 또는 시편들로부터의 하나 이상의 특징과 조합된 상태로 잠재적으로 사용될 수 있음이 인식될 것이다.

실험예 I-개념의 검증

이 단계의 목적은 효과적으로 융합된 폴리프로필렌의 블록이 표준적으로 상업적으로 유용한 ARPRO® PP 비드의 무선 주파수(RF) 가열을 이용하여 형성될 수 있는지 여부를 가늠하기 위한 짧은 개념 검증 연구를 수행하기 위한 것이었으며, -특히 RF를 이용하여 성형된 EPP 시편의 주요 몸체 내에서 양호한 융합이 달성될 수 있다는 것을 입증하기 위한 것이었다. 열전달 유체로써 물이 사용되었다.

이 개념 검증 연구를 위한 작업은 최소한의 변형만을 갖는 간단한 RF 프레스를 이용하였으며, 위의 최소한의 변형은 공정 매개 변수의 조사의 목적을 위하여 이루어졌다. 엄밀히 말해, 성형 조건을 최적화하기 위하여 어떠한 시도도 이루어지지 않았다. 예를 들어, 사용된 몰드가 표면 가열 설비를 갖지 않음으로써 얻어진 시편은 열악한 표면 마감 상태를 보일 것으로 예상되었다.

이들 실험 내에서 몰드의 구성을 위하여 3개의 다른 재료, PTFE, PVDF 그리고 폴리프로필렌이 사용되었다. 압력 기밀을 보장하기 위하여 실리콘 고무 시일(seal)을 포함한 모든 몰드가 상단 플레이트와 함께 얻어졌다. 몰드 내에서 비드의 상단에 위치될 수 있고 성형 공정 동안에 비드의 압축을 제공할 수 있는 원형 디스크가 (PTFE로) 제조되었다.

폴리프로필렌 - 이 몰드는 RF를 투과하지만 온도 저항성은 장시간의 이용에는 충분한 것 같지는 않다. 반복 사용에서 몰드의 일부 왜곡이 보여졌다. 테이퍼지지 않은 몰드가 사용되었다는 점으로 인하여 성형 제품의 방출이 적어도 부분적일 수 있음에도 불구하고 일부 예에서 성형 제품의 방출이 어려운 것으로 입증되었다. 따라서 강화된 PP가 적합할 수 있다.

PVDF - 이 몰드는 RF 필드 내에서 가열되며 따라서 따듯한 표면과의 비드의 접촉에 의하여 보다 우수한 표면 마감 상태가 얻어졌는지 여부를 보기 위하여 사용되었다. 성형된 제품의 양호한 방출이 얻어졌다.

PTFE - 이 재료는 이 작업에서의 몰드를 위한 바람직한 구성 재료였다. 이 재료는 RF를 투과하며 (260℃까지의) 높은 온도 저항을 가지며 성형 제품의 양호한 방출을 부여하였다. 아래에 설명된 다수의 실험들이 PTFE 몰드를 이용하였다.

상단 프레스 플레이트는 공압적으로 작동하며 또한 이 예에서는 1/2톤의 폐쇄력을 갖는다; 상업적으로 수 톤의 폐쇄력은 흔하지 않다. 더 넓은 몰드 내에서 발생된 증기 압력이 상단 플레이트를 들어올리기에 충분함에 따라 이는 이 공정에서 사용될 수 있는 몰드의 크기를 제한한다.

대안적인 장치에서, 상단 플레이트를 제위치에 유지하기 위하여 클램프가 사용되며, 과압력 상황이 발생되어야 한다면, 몰드로의 신속한 접근을 허용하기 위하여 클램프는 신속 방출 종류일 수 있다.

따라서 이 실험들에 사용된 몰드의 치수는 약 60mm의 내부 직경과 50mm의 깊이; 융합된 제품의 용이한 방출을 허용하는 테이퍼진 측부를 갖는 몰드로 제한되었다. 모든 몰드는 충분한 압력 저항을 보장하기 위하여 일반적으로 2~3cm 또는 (금속의 사용이 가능하였다면, 요구된 것보다 두꺼운) 수 센티미터의 두께의 벽을 갖고 구성되었다.

도 4는 테스트 목적을 위하여 폴리프로필렌 비드를 단순한 사각 블록으로 성형하기 위하여 변형된 프로토타입(prototype) RF 성형 프레스(40)를 도시한다. 이 개념 증명 시스템은 단지 최소한의 변형을 갖는다; 핵심 공정 매개 변수를 이해하는데 있어 그리고 제품 EPP 성형 기계로의 공정의 통합에 있어 다른 작업이 이하에서 설명된다.

RF 프레스(40)는 2개의 알루미늄 금속 플레이트 전극, 간격(D)에 의하여 격리된 상부 플레이트(42)와 하부 플레이트(43)를 포함한다. 상부 플레이트(42)는 표준 RF 발생기(45; 본 예에서는 5 kW 파워의 RF 발생기)에 연결되며; 하부 플레이트(43)는 접지되어 있다. 단락을 방지하기 위하여 플레이트 전극(42, 43)은 이격된 상태를 유지하며, 따라서 몰드 구조체(48; 또한 "툴(tool)"로 불림)의 상부 및 하부 경계부를 각각 형성한다.

몰드(48)의 2개의 수평 경계부(49)는 유전 재료, 예를 들어 세라믹 또는 PTFE와 같은 폴리머로 이루어지며, 이는 RF를 투과시키며 성형 공정에 의하여 요구되는 온도를 견딜 수 있는 재료이다. 몰드에 증가된 강도를 제공하기 위하여, 몰드의 유전체 측부의 에지는 플레이트 전극(42, 43) 내로 매립된다. 이 예에서, 도시된 프레스(40)는 수평적으로 정렬된다; 상업적인 시스템에서 공통적인 것과 같이, 대안적으로 프레스는 수직적으로 정렬될 수 있다.

프레스(40)의 치수는 약 600mm X 400mm이며, 이는 최종적인 성형 부분의 크기를 필연적으로 제한한다; 그럼에도 불구하고, 몰드(48)의 이 치수는 테스트를 위하여 적절한 성형 부품을 제조하기에 충분하다. 예를 들어, 기본적인 압축 테스트를 위하여 60mm의 최소 치수가 요구된다.

성형 공정은 다음과 같이 진행된다.

1. ARPRO®5135 비드(밀도 35　g/l, 일부 경우에 예비 처리됨)로 몰드는 수동적으로 채워진다.

2. 대략적으로 동일한 질량(이 경우, 6 ml)의 수돗물이 첨가된다. 바람직하게는, 수돗물이 더 적은 RF 에너지와 더 적은 후처리 건조를 필요로 함에 따라 가능한 한 적은 량의 물이 채워진다. 요구되는 물의 양이 RF 에너지와 관련이 있는 것으로 예상된다.

3. 관통 구멍을 갖는 리드(lid)를 상단에 놓는다.

4. 프레스를 닫는다(약 500kg의 클램핑 력이 가해진다).

5. 약 3.5~5　kW의 RF 파워가 45초 동안 인가된다. "14 MHz" 및 "7 MHz"의 허용된 주파수가 적절하다 (비드 조립체로의 깊고 균일한 침투를 위하여 그리고 따라서 비드 조립체의 가열을 위하여, 그리고 결과적으로 균일한 성형 품질을 야기하기 위하여, 파장은 성형품의 치수를 크게 초과하는 수 미터이다). 일부 에너지가 몰드로 그리고 응축으로서 손실될지라도 물과 비드의 비열 용량에 의하여, 요구되는 파워는 대략적으로 고정된다.

6. 인가된 RF가 약 3 mS/m +/- 2　mS/m의 전도도를 갖는 물(열전달제)을 가열하여 증기를 생성한다. 3 mS/m의 전도도는 일반적으로 유전 열전달 유체의 바람직한 전도도의 하한값에 가깝다; 시스템의 전도도에 의하여 부가된 제한이 있을지라도 이보다 높은 값이 적절할 수 있다. 이는 비드의 표면을 가열할 뿐만 아니라 내부 가스 압력을 발생시키고 비드를 팽창시킨다. 비드가 연화됨에 따라, 비드 표면은 용융되어 비드는 서로 융합되고 서로 소결(즉, 화학적 반응이라기보다는 물리적 공정에서)되며 몰드의 형상과 같은 형상을 갖는다. 이 경우에서 증기로 유도된 비드 팽창 및 융합은 별개의 상(phase)이라기보다는 단일 공정 동안에 일어난 것으로 보이며 약 10 내지 20초의 시간이 걸린다.

7. RF 파워 인가가 정지되고, 안정화를 허용하기 위한 시간(파워 오프 후 약 15초)이 경과된 후 게이트와 프레스가 개방된다.

8. 성형품이 몰드로부터 제거된다.

위에서 설명된 장비로 수행된 실험의 결과는 이 특정 장치를 이용하여 단지 약하게 수행되었을지라도 원칙적으로 유전체 RF 가열을 이용하여 EPP 비드가 융합될 수 있다는 것을 보여주었다.

EM파를 투과시키도록 설계된 툴을 가열하기보다는 비드 주변의 물을 직접적으로 가열하기 위하여 RF 에너지가 사용되기 때문에 유전 가열 융합 공정의 에너지 요구 조건은 일반적인 증기실 기반 공정을 위한 조건보다는 현저하게 낮다.

그러나, 이 개념 증명 시스템의 최종적인 성형품이 단지 약하게 융합되었으며, 이는 이 개념 증명 실험이 예를 들어 폴리프로필렌을 위한 상업적인 공정과는 거리를 두고 있다는 것을 나타낸다.

실험예 Ⅱ- 가압된 몰드

이전 실시예에서 설명된 시스템은 간단한 플레이트 전극 프레스였으며, 압력 챔버를 포함하지 않았으며, 또한 3 바 이상의 압력에 도달할 수 없어, 너무 낮아 폴리프로필렌(PP) 비드의 양호한 융합을 제공하지 않는 몰드 내의 온도를 발생시켰다.

명백하게, 효과적인 성형을 위하여, 비드는 연화 온도 이상에서 가열되어야만 하고, 이후의 붕괴 없이 비드를 팽창시키기 위하여 비드 구조를 충분히 약화시켜야 한다. 이는 일반적으로 105℃ 내지 165℃ 범위의 온도; 코폴리머를 위하여 보다 낮은 온도, 호로폴리머를 위하여 보다 높은 온도를 필요로 한다. 적절한 온도의 예는 낮은 밀도의 폴리에틸렌을 위한 약 120℃ (+/- 10℃); 표준 "오토모티브 등급" ARPRO®를 위한 135℃ (+/- 10℃)를 포함한다. 후자는 몰드 내에서 발생되는 약 3 바의 증기 압력에 해당한다.

일반적으로, 도달된 최대 온도는 어느 정도 까지 달성된 융합의 정도를 결정할 것이다. 예를 들어, 105℃는 어떠한 형태의 폴리프로필렌의 융합을 시작하기에 충분하며, 양호한 융합은 120℃에서 이루어진다.

도 5는 압축된 공기에 의하여 성형되는 시편에 압축을 가하도록 조정된 RF 압축 성형 프레스(50)의 개략적인 구조를 도시한다. RF 플레이트(52 및 53)는 기밀 밀봉된 측부를 갖는 몰드 캐비티 또는 챔버(58)를 둘러싼다. 파이프(60)를 통하여 공급된 공기는 몰드 챔버(58)를 가압하기 위하여 사용된다. 배기 또는 릴리프 파이프(62)는 공기가 벤트되는 것을 허용한다. 압력은 압력계(64)에 의하여 모니터링된다. 예를 들어, EPP 비드가 성형될 때, 몰드 내의 압력은 일반적으로 1.0 내지 3.0바이다; EEP 비드의 성형을 위하여, 압력은 0.5 내지 1.5 바이다.

도 6은 록킹 가능한 플레이트(72, 73)를 갖는 변형된 RF 성형 프레스(70)를 도시한다.

이전에 설명된 폴리머 또는 세라믹 몰드는 시일의 추가에 의하여 변형되어 몰드(78)와 프레스 RF 전극 플레이트(72, 73) 간에 압력 기밀 시일을 보장한다.

이는 몰드 내의 물 그리고 그에 따라 증기의 온도를 약 135℃　내지　140℃(+/- 10℃)의 PP의 연화 온도까지 상승시키기 위하여 몰드(78)가 가압되는 것을 허용하며, 이는 약 3 바의 증기 온도를 필요로 한다 (요구되는 정확한 압력은 압력 대 온도에 관한 증기표(steam table)에 의하여 정해져 있다).

시스템은 하기의 요소를 포함한다.

● RF 접지 플레이트(72) , RF 파워 플레이트(73)

● 폴리머 또는 세라믹 몰드(78; 체적 0,14 리터)

● 소결된 금속 필터를 갖는 공기 압력 유입구 /증기 배출 보어(~5mm)

● 다공 리드

● 오-링 시일

● 압력 게이지/압력계(79)

● 안전 압력 릴리즈 밸브(80)

● 조절 가능한 압력 릴리프 밸브(82)

● (선택적) 가압 용기(84)

● (선택적) 네트 백(85; net bag)

몰드(78) 및 채워진 비드의 치수는 하기 표 1과 같다.

몰드의 체적
직경	350mm
높이	40mm
체적	3847cm2
체적	3,85 l
밀도	30,0 g/l
중량부	115,4 g
실험 번호	20

압력 게이지(79)는 RF 프레스의 상단 플레이트에 끼워져 몰드(78)에서 발생된 압력을 모니터링한다. 압력 게이지(79)는 몰드 내에서의 비드의 선-가압을 허용하는 압축 공기 유입구에 연결되어 있다. 안전 압력 릴리즈 밸브(80; 일반적으로 3 내지 5바에 설정)는 몰드(78) 내에서의 압력의 과도한 증가를 방지한다.

조절 가능한 압력 릴리프 밸브(82)는 RF 케이지의 외부에 부가되어 성형 공정 동안 몰드 내의 압력이 조절 가능하게 배출되는 것을 허용한다. 이 실험예에서, 압력 릴리프 밸브(82)는 T-부재에서 압력 게이지/압력계 라인에 끼워져 있다.

이미 설명된 바와 같이, 성형 공정은 PP 비드를 가열, 팽창 및 융합하기 위하여 약 3mS/m 물(열 전달제)의 유전 가열에 의존하여 성형품을 형성한다.

가열 공정 동안 증기가 빠져나갈 수 없도록 몰드는 밀봉된다. 제어된 벤팅은 몰드 내의 압력 그리고 그에 따른 온도를 조절하기 위하여 사용되며, 그로 인하여 공기가 시스템으로부터 제거된다. 도달될 요구 온도는 성형될 제품에 좌우되며, EPS를 위해서는 약 95℃, EPP를 위해서는 더 높은 140℃, 그리고 낮은 밀도의 PE를 위해서는 중간인 120℃이다.

3.5바 까지의 압력이 몰드 내에서 발생함에 따라, 상단 전극 플레이트를 들어 올림으로 인한 증기 압력의 손실을 방지하기 위하여, 플레이트와 압력 프레임 사이에 록킹 메커니즘이 사용된다. 도전성 볼트는 RF 필드에 영향을 미치기 때문에 사용될 수 없다. 기존에 존재하는 록킹 메커니즘에 더하여 이 록킹 메커니즘은 개념 증명 장치 내에 사용된다.

부가적인 가압 단계를 제외하고, 기본적으로 이전 실시예를 위하여 설명된 바와 같은 성형 공정이 진행된다.

1. 하부 몰드는 ARPRO®5135 비드로 수동적으로 채워진다.

2. 대략적으로 동일한 질량(이 경우, 6ml)의 수돗물이 첨가된다.

3. 관통 구멍을 갖는 리드가 상단에 놓여진다.

4. 프레스가 닫혀진다(약 500kg의 클램핑 력이 가해진다).

5. 접지 플레이트의 구멍을 통하여 공기 압력(약 1-1.5바)이 가해진다.

6. 약 3.5~5kW의 RF 파워가 45초 동안 인가된다. 13.56 MHz와 27.12 MHz의 주파수 대역이 적절하다.

7. 압력 게이지가 약 2.5바 상승한다.

8. RF 파워 인가가 정지되며, 게이트와 프레스가 열린다 (파워 오프 후 약 15초).

9. 성형된 부분이 몰드로부터 제거된다.

요구되는 에너지와 파워의 대략적인 계산은 하기 표 2와 같다.

요구되는 에너지EPP	22 kJ
요구되는 기화	물 10g
요구되는 에너지 물	29 kJ
전체 에너지	51 kJ
가열, 끓이기 및 가압을 위한 시간	20s
요구되는 파워	2.5 kW

따라서 약 5g의 ARPRO®5135 비드를 성형하기 위하여 충분한 압력 저항은 10g정도의 적은 물을 필요로 할 수 있었다.

도 7은 RF 성형 순서 동안 관찰된 환경적 매개 변수의 그래프를 도시한다. 가능한 설명은 하기와 같다:

● 단계 I : 물과 비드가 뜨거워짐에 따라서, 물 비등점까지 온도와 압력은 툴 내에서 증가한다. 1 바의 초기 압력은 100℃ 내지 120℃의 물 비등 온도의 증가를 암시한다.

● 단계 Ⅱ: 이 단계 동안의 압력의 증가는 비드의 팽창으로 인한 공기의 체적 감소에 기인될 수 있었다.

● 단계 Ⅲ: 압력 및 온도 안정화. 그러나, 이는 단지 불안정한 단계이다; 물은 바닥으로부터 그리고 비드 주변으로부터 기화된다. 물의 응축은 냉간 프레스 플레이트와의 접촉 동안에 나타난다; 응축물은 용해된 이온이 없는 탈이온수이다. 여기서 탈이온수는 낮은 전도도를 가지며, 따라서 RF 가열에 대하여 효과적으로 투명하다. RF에 의하여 (탈이온화된) 증기가 현저하게 가열되지 않는다는 점을 고려하면, 가열 공정은 효과적으로 자기 제어된다. 이러한 이유로 이는 마이크로웨이브 기반 시스템에 대하여 잠재적으로 RF 기반 시스템의 다른 이점이다. 가능한 보호 조치가 아래에 제안된다.

● 공정이 계속됨에 따라서, 일부 또는 모든 물이 소모된다.

휘발성 팽창제가 필요 없는 것으로 보이지만, 물론 팽창제의 형태로서의 공기가 사용된다.

-온도 및 압력 모니터링

RF 성형 공정에서 온도와 압력은 주요 매개 변수이다. 그러나, 몰드 내에 온도 센서 또는 압력 센서(또는 실제로 어떠한 센서)를 위치시키는 것은 RF 전극 사이에 도전성 재료(프로브, 센싱 라인 등)를 위치시키는 타당하지 않은 점에 의하여 복잡하게 된다.

몰드 내의 온도를 모니터링하기 위하여 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어;

● 열전대 - 몰드 내로의 열전대의 삽입이 RF 필드를 왜곡시킬 수 있을지라도. 이 효과는 몰드 내에서의 열전대의 위치에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 열전대는 RF 플레이트에 인접한 위치, 바람직하게는 "접지" 전극에서의 온도 측정을 위해서만 적절할 수 있다.

● 광섬유 프로브 - 프로브 파손의 위험을 최소화하기 위하여 이는 얇은 글라스에 의하여 보호될 필요가 있을 수 있다. 따라서 프로브가 비드와 직접적인 접촉에 있지 않음에 따라 이는 얻어진 측정값의 정확도를 감소시킬 수 있다.

● 온도 라벨- 융합 공정 전에 온도 라벨은 몰드 내부에 부착될 수 있으며 몰드 표면에서의 온도를 기록하기 위하여 사용될 수 있다.

융합 공정의 온도 기록의 선택을 제공하기 위하여 그리고 성형 공정 동안의 온도 균일도를 평가하기 위하여, 위의 방법들의 조합이 사용될 수도 있으며, 이상적으로는 열전대 또는 광섬유 프로브가 몰드 전체에 걸쳐 다른 위치에 삽입될 수도 있다.

공정 매개 변수의 모니터링은 융합 조건을 최적화하기 위하여 그리고 다른 시편 크기 면에서의 균일도를 이해하기 위하여 이용될 수 있다.

성형 툴 내의 압력을 측정하고 제어하기 위하여 압력 밸브 및 관련된 기기 장치는 이미 사용 중일 수 있다.

성형 공정 동안 몰드 내의 압력을 모니터링하는 것의 다른 이점은 성형 공정의 과정을 추적하는 방법 및 공정 종료점을 확인하는 방법을 제공한다는 것이다: 비드가 팽창됨에 따라 성형 공정 동안 압력은 증가하며, 그후 팽창이 종료될 때 압력 증가는 멈춘다.

압력 게이지 또는 압력 센서가 상단 RF 전극 위에 위치할 수도 있다. 그러나, 이는 몰드로부터 일부 거리 떨어질 것으로 예상됨에 따라, 이는 몰드 내의 발포체 압력의 정확한 측정을 제공하지 못할 가능성이 있다.

도 8은 상단 RF 전극(92)을 갖는 RF-프레스(90)를 도시한다. 여기서, 상단 RF 전극은 발포체 압력 센서(95)와 직접적으로 통합되며, 그로 인하여 몰드의 표면에서의 압력을 모니터링한다. 센서 요소는 공기 공급부 및 적절한 압력 변환기, 예를 들어 단포스 (Danfos) MBS3050에 연결된다. 압력 변환기는 4 내지 20mA의 출력 신호 전류를 제공함으로써 0 내지 10 바의 압력을 측정할 수 있다.

압력 측정값을 해석할 때, 정확히 말하면 다른 방법에 의하여 측정값이 일관된 것으로 나타날 때, 일부 시스템에서는 어느 정도의 주의가 요구된다. 예를 들어, 프레스의 상단 RF 플레이트 상에서 발포체 성형 센서와 간단한 압력 게이지를 이용한 실험은 일반적으로 양호한 상관 관계를 보이는 것으로 보인다; 그러나, 이는 발포체 센서와 비드(상단 플레이트 상의 압축 블록을 통하여 매우 멀리 돌출되는 것을 방지하는 설계) 간의 양호한 접촉의 부족에 의하여 발생한 것으로 알려졌으며, 이 센서가 실질적으로 증기 압력을 측정하였던 것으로 암시된다.

압력 센서의 선택을 고려할 때, RF의 사용에 의하여 초래되는 부가적인 위험을 고려하는 것 또한 중요하다. 예를 들어, RF 시스템 내에서의 아크 발생에 의하여 발포체 압력 센서의 멤브레인은 깨질 수 있으며 쉽게 파손될 수 있다. 더 많은 최적의 성형 조건들의 이용이 이러한 위험을 감소시켜야 할지라도 이를 전체적으로 제거하는 것이 가능할 수 없다.

대안적인 모니터링 방법은; 예를 들어 (상승된 압력 성형이 필요한 경우에는 실행될 수 없는) 개방된 성형 프레스, 투명한 PVC, 폴리카보네이트 또는 석영 글라스 몰드를 이용한 공정의 직접적인 시각 모니터링을 허용하는 방법; 또는 광섬유 센서의 이용을 포함한다.

개방 상태에서 몰드를 작동하는 것은 효과적인 것으로 알려지지 않았으며, 그에 따른 느린 증기 전달 및 약 10 내지 15%의 낮은 비드 팽창은 38 g/L의 밀도(처리되지 않은 비드 밀도와 대략적으로 동일)의 좋지 못한 성형된 부품을 야기하는 미리-가압되지 않은 ARPRO®5135로 몰드 밀도(moulded density)를 유도한다.

이 초기 작업은 신뢰성 있고 양호한 비드 융합 수준을 갖는 성형 제품을 반복적으로 제공할 수 있었던 일련의 조건을 확인한 것으로 보인다. 물의 양을 최소화하기 위하여 또는 성형에 사용된 파워를 최소화하기 위하여 이 단계에서는 어떠한 시도도 이루어지지 않았다.

-비드의 선-가압

비드의 선-가압은 (예를 들어) EPP로 성형을 진행하기 전에 사용된 전처리 과정이다. 이 과정의 목적은 가스, 주로 공기를 비드의 셀 구조체 내로 유입시켜 이후에 성형 공정 동안에 보조 팽창제로서 기능을 수행하고 비드의 팽창을 향상시키는 내부 압력원을 제공하는 것이다.

일반적으로, 비드는 수 시간에 걸쳐 0에서 수배의 대기압의 공기 압력으로 가압되며, 그후 수 시간 동안 이 압력에서 유지된다. 예를 들어, 선-가압은 사용 전에 비드를 3 내지 4바의 압력 용기 내에 16시간에서 수일 동안 보관하는 것을 포함할 수 있다. EPP가 폐쇄-셀 재료이기 때문에 셀 내에서의 공기는 주로 확산에 의하여 이동한다.

비드는 이후 이송을 위하여 네트 백으로 방출되며- 선택적으로 이 단계에서 백은 물 또는 일부 다른 열전달제에 담겨질 수 있다.

재가압 용기(84)와 네트 백(85)의 예가 도 6에 도시된 장치 내에 선택적인 것으로 도시되어 있다.

일부 대안에서, 비드는 성형 전에 툴 내에서의 직접적인 선-가압 단계를 겪을 수 있다. 인-몰드(in-mould) 기술에 대하여 개별 용기 내에서의 비드를 선-가압시키는 것의 이점은 툴 내에서의 스탠딩 시간(standing time)을 줄인다는 점이다.

이전 실험은 비가압된 비드를 이용하여 수행되었다. 이는 전체 용기가 감압되지 않고 예비 처리된 비드의 시편이 압력 용기로부터 제거될 수 없었다는 사실에 기인하였다.

따라서 선-가압된 비드를 이용한 성형 실험은 짧은 시간에 걸쳐 연속적으로 수행되어야만 할 것이다.

선-가압을 이용한 RF-성형을 위한 단계의 일반적인 순서는 다음과 같다:

1. 소형 용기에서 ARPRO®5130 또는 5135를 (예를 들어, 2바의 일정한 압력으로 24시간 동안) 선-가압.

2. 수분 첨가 (일반적인 방법과 비교하여, 매우 소량만이 요구됨)-대안적으로 비드가 몰드 내에 있으면 물이 추가될 수 있음.

3. (예를 들어, PPEE) 몰드로 이송, 프레스 상의 하부 만곡 몰드를 비드로 채움. 이송 동안에 비드가 감압되는 위험을 줄이기 위하여, 용기로부터의 제거와 몰드 내에서의 가열 간의 시간은 5분 이하로 최소화되어야 한다.

4. 프레스는 록킹되며, 부가적으로 록킹 고정된다(즉, 몰드는 밀봉되어 증기가 빠져나가는 것을 방지한다).

5. (5KW의 RF 발생기를 이용하여) -잠재적으로 짧은 시간 동안만, 예를 들어 5초 동안- 필드가 비드에 인가된다.

6. 비드 표면 상의 물을 가열시켜 증기를 형성하기 위하여 기화하기 시작하고, 비드를 가열하여 팽창하는 비드를 융합한다.

7. 압력은 3 내지 3.5바로 상승하고 온도(T)는 135℃로 상승한다.

8. 3 바로 설정된 압력 릴리프 밸브에 의하여 과도한 증기가 벤트된다 (공정 동안 압력을 완화시키는 것을 비드 팽창에 더 도움을 줄 수 있다).

9. 비드 표면 상의 물이 가열되고 기화되기 시작하며, 팽창하는 비드를 융합시킨다.

10. 약 5초 후에, RF가 정지하고, 밸브를 통하여 증기 압력은 대기압으로 방출되고 몰드는 대기 상태에 있다.

11. 가열 후, 프레스가 개방되기 전에 몰드는 약 3분 동안 대기하도록 허용된다. 이는 제품이 냉각되는 시간을 준다. 가열 후 프레스가 즉시 개방되면, 비드는 몰드 상단 밖으로 팽창이 계속된다.

이는 일반적으로 주변 영역 상에 비활동적으로 냉각된 몰드를 위한 적절한 표면 외관을 갖는 잘 융합된 성형 부품을 야기하나, (RF 전극과 접촉 상태에 있는) 상단 및 바닥면 상에 보여진 "처리되지 않은(raw)" 것이 야기된다.

선택적으로, 비드는 처음에는 미리 따듯해질 수 있으며 그리고/또는 (예를 들어, 압축 공기의 분사에 의하여) 후에 냉각될 수 있다.

다른 대안은, 예를 들어 압축 디스크를 이용하여 프레스로 비드를 압축함으로써 성형 툴 캐비티 내에서 비드를 가압하는 것이다.

이 공정을 위한 일반적인 순서는 아래와 같다.

1. 몰드를 비드로 채움.

2. 물 첨가(6ml).

3. 비드의 상단에 압축 디스크 위치.

4. 프레스 닫음.

5. 몰드는 0.5 내지 1 바로 가압.

6. RF 인가-일반적으로 3 내지 4 KW의 파워 레벨로 사용된 5KW 발생기.

7. 압력 측정값이 최대 레벨에 도달할 때, RF 턴 오프.

8. 외부 밸브를 이용하여 압력 배출.

9. 몰드 냉각 허용.

10. 프레스 닫음.

위에서 설명된 공정 순서는 조건을 최적화하기 위한 목적이 아니며, 따라서 이 특별한 설비로 성형된 EPP 블록을 효과적으로 얻기 위하여 추가된 수량, 인가된 파워 레벨 그리고 성형 시간 면에서의 일부 변형이 필요한 것으로 예상될 수 있을지 모른다.

이 공정 순서는 또한 (예를 들어, 코어 벤트를 통하여 기존 공정에서 이룬 것과 같은) 몰드 전체로부터의 증기의 제어된 벤트를 허용하지 않았으며, 또한 (예를 들어, RF에 의하여 가열된 몰드 표면 코팅막을 통한) 균일한 표면 마무리를 보장하기 위한 메커니즘도 제공하지 않았다.

그렇지만, 비드의 양호한 팽창을 도시한 잘 융합된 시편이 재현적으로 얻어졌다. 선처리된 비드의 사용은 일반적으로 3 내지 3.5 바 범위의 융합 압력에도 불구하고 일반적으로 높은 압력을 야기하였다. 선처리되지 않은 비드와 비교하여, 이 실험들에서 나타난 더 큰 팽창은 또한 시편 내에 현저한 에어 갭을 야기하지 않았다. 선처리되지 않은 몰드를 위하여 예상한 바와 같이, 덜 완전한 융합이 시편의 표면에서 보여졌다.

이 실험들은 2.6 바 이상의 압력이 얻어질 때 양호한 융합이 관찰되었음을 보여주었다. 이 압력이 성형 공정 내에 도달된 것을 보장하기 위하여 하기와 같은 다수의 요인이 요구되었다.

● 시스템 전체에 양호한 압력 시일의 사용. 이는 몰드와 상단 프레스 플레이트 사이의 시일, 상단 플레이트의 2개의 층 사이의 양호한 실링 그리고 모든 밸브가 압력 기밀 상태임을 보장하는 것을 포함한다.

● 0.5 내지 1바로의 몰드 전체를 가압. 이 초기 가압은 압력 시스템 내의 전체 공간을 채우기 위한 증기의 필요성을 줄인다. 압력 시스템의 파이프 내의 증기는 (압력을 증가시키기 위한) 시스템을 위한 용량을 줄이는 차가운, 가열되지 않은 표면을 재응축할 수 있다. 이는 또한 가열하기 위하여 RF용 몰드 내에 불충분한 물이 남아있게 할 수 있다.

● RF 시스템의 조율. 다른 유전 특성을 갖는 다른 몰드 재료가 사용되었을 때, 시스템은 재-조율되었다. 이 실험에 사용된 소량의 물(단지 6ml의 물)은 매우 작은 RF 로드(load)의 효과적인 가열을 보장하기 위하여 정확한 조율이 필수적인 것임을 의미한다.

시스템 내에서 관찰된 압력이 최대 압력(일반적으로 2.5 내지 3바)에 도달되면, 지속적인 가열은 압력의 더 이상의 증가가 없고 반사 파워의 레벨이 증가되었음을 보여주었다. 이는 대부분의 물이 증기로 전환되고 가열을 위한 RF를 위하여 남아있는 많은 물이 더 이상 있지 않다는 것을 나타낸다.

설명된 바와 같이 몰드가 선-가압된 경우 잘 조율된, 압력 기밀 시스템을 사용하여 약 45초의 시간 후에 2.5 내지 3 바의 압력이 재현적으로 얻어졌다. 시편을 압축하기 위하여 PTFE 디스크가 비드의 상단에 위치하였을 때 보다 우수한 융합이 관찰되었다.

이런 조건 하에서 성형된 시편은 (PTFE 몰드를 이용하여) 표면에서 관찰된 덜 효과적인 융합을 갖는 시편의 몸체 전체에 양호하게 융합된 생산품을 지속적으로 제공하였다. 일부 경우에서, 시편에서 공기 갭이 보여졌으며, 이는 비드 사이의 모든 공간을 채우지 않은 비드의 열악한 팽창에 따른 것이었다.

PVDF 몰드가 사용되었을 때, 제품의 표면에서 보다 완전한 융합이 보여졌다. 그러나, 이 경우, 시편들의 내부가 불완전하게 융합된 것으로 보여짐에 따라 표면이 시편의 본체보다 더욱 급속하게 가열된 것이 명백하다.

이 작업은 RF가 EPP 비드를 효과적으로 융합시킬 쉬 있다는 것을 보여준다. 이 융합은 기존의 EPP 성형 공정에서 사용된 압력과 비교할만한 압력에서 일어났다.

관련성의 다른 태양이 하기 사항을 포함한다:

● 융합에 사용된 물의 양의 최소화.

● 공정 에너지 효율의 수량화.

● 보다 대형의 그리고 보다 복잡한 부품을 위한 RF 성형의 적용 가능성의 입증.

● 성형에서의 우수한 표면 마무리를 제공하기 위한 RF 비투과 몰드 표면의 사용.

● 전체 몰드 전체에 걸쳐 증기 매니폴드 시스템과 벤팅 시스템을 위한 요구 조건.

● 많은 제품이 성형될 수 있도록 하기 위한 RF 프레스의 변형.

● 큰 규격의 부품의 성형을 가능하게 하도록 하기 위하여 프레스의 닫힘 압력을 증가시키기 위한 유압 프레스 시스템의 통합.

보다 대형의 부품의 성형은 하기의 공정 이점을 제공해야 한다.

●보다 큰 하중의 사용에 의하여 RF 시스템의 증가된 효율.

● 몰드로의 열전달에 의하여 손실된 것보다 비드를 융합하기 위하여 사용된 에너지의 더 높은 비율.

● 비드 중량당 감소된 함수량.

필요한 만큼, 다공성 전극과 매니폴드 시스템을 포함하기 위하여 그후 프레스는 더 변형될 수 있다. 이는 몰드 내에서 다수의 지점으로부터 증기의 효과적인 벤팅을 가능하게 할 것이다.

물 사용, 에너지 사용, 사이클 시간의 최적화 그리고 보다 큰 부품에서 관찰된 성형의 균일도를 포함한 요인을 조사하기 위하여 이러한 변형된 시스템을 이용한 실험이 이용될 수 있었다.

더욱이 -예를 들어, 표면 도핑의 사용에 의하여- 몰드 디자인이 최적화될 수 있어 성형된 부품에 대한 양호한 표면 마무리를 제공하였다.

실험예 Ⅲ-후속 연구

하기 내용은 RF 성형 공정의 다른 연구를 설명한다.

더 많은 시편을 성형하기 위하여, 일반적으로 RF 프레스의 더 큰 폐쇄력이 요구된다. 2개의 다른 PTEE 몰드가 더 큰 원통형 시편을 성형하기 위하여 설계되었다.

● 몰드 1 : 직경 80mm, 높이 80mm

● 몰드 2 : 직경 80mm, 높이 120mm

몰드는 테이퍼져 있어 성형된 부품의 용이한 방출을 허용하였다.

몰드 크기 면에서의 증가는 RF 플레이트 간의 거리의 현저한 증가를 야기하며, 결과적으로 시스템의 재-조율이 각각의 새로운 몰드를 위하여 요구되었다.

이러한 새로운 몰드를 이용한 실험은 하기 사항을 조사하였다;

● 새로운 몰드 내에서의 시편의 효과적인 성형을 부여하기 위하여 필요한 융합 매개 변수 (시간, 파워 레벨 및 압력).

● 융합을 위하여 필요한 물의 양, 이전 실험에서 사용된 것과 동일한 물의 비율(비드에 대하여 약 100%의 물 질량)을 초기에 이용하고, 이후 양호한 융합을 부여하기 위해 요구된 최소량을 확인하기 위하여 수량을 점차적으로 감소.

● 몰드 내의 다수의 위치에서의 온도 모니터링 및 성형 제품의 후속 시각 검사를 이용한 융합의 균일도.

이 다른 연구를 위하여 사용된 설비는 또한 부착된 발포체 압력 센서 및 포함하여 성형 공정 동안의 온도의 모니터링을 가능하게 하기 위하여 프레스의 하부 플레이트를 통하여 유입된 광섬유 온도 프로브를 갖는 RF 프레스를 포함하였다.

도 9는 비드를 미리 가압하지 않고 그리고 몰드를 미리 가압하지 않고 약 15g의 비드를 포함한 시편을 위하여 20ml의 물을 이용한, 간단한 원통형 몰드로 수행된 RF 성형 실험 동안의 공기 압력 측정값의 결과를 도시한다.

3개의 시편 모두는 2바보다 낮은 그리고 3바보다 높은 압력을 위하여 잘 융합된 시편을 야기한 것으로 나타났다.

그래프로부터 명백한 바와 같이, 최종 결과가 매우 유사한 것으로 나타날지라도 곡선 형상 간에는 현저한 차이점이 있다. 따라서, 결과가 좋을 수 있는 조건의 범위가 있을 수 있다.

이 시편들에서 사용된 압력 릴리프 전의 시간 지연 기간은 아마도 양호한 시편을 생산하기 위하여 불필요하나, 이는 프레스를 개방하기 위한 그리고 툴 내의 압력을 방출하기 위한 시간이 필요하다는 것에 인한다.

이 실험에서 확인된 하나의 중요한 요인은 다소 높은 전도도의 물로 공정이 보다 잘 진행된다는 것이다. 예를 들어, 3mS/s의 전도도를 갖는 처리되지 않은 수돗물을 사용하는 것보다는, (수돗물에 아주 소량의 염을 추가함으로써 얻어지는) 7mS/s의 전도도를 갖는 물을 이용하는 것으로부터 보다 우수한 융합 결과가 발생하였다.

이 요구 조건은 보다 큰 시편을 위해서는 덜 중요할 수 있으며, 여기서 보다 큰 물 용량은 RF가 더욱 간단하게 결합하게 한다. 그러나, 이는 보다 재현 가능한 공정을 제공하며 작은 시편으로 급격한 가열을 가능하게 한다.

도 10은 RF 성형 실험 동안의 공기 압력 측정값의 결과를 도시한다.

위의 실험 중 일부는 몰드의 상단 또는 하단에서의 비드의 불완전한 융합을 야기하였다. 따라서 증가된 비드 압축을 부여하기 위하여 몰드 리드는 재설계되었다. 이는 전체적으로 우수한 융합을 갖고 주변에서 풀려진 비드가 없는 것으로 보이는 제품을 지속적으로 부여한다.

이 일련의 실험을 위하여, 2 바의 최대 압력이 시도되었다. 이 압력을 이루기 위하여 시간 면에서의 변형이 있었을지라도, 최종 결과는 일반적으로 비슷한 것으로 보인다. 이 일련의 실험은 또한 하나의 런(18)을 포함하였으며, 여기서 시편은 1바의 이형(demoulding) 압력이 될 때까지 기다리는 대신에 가열 후 급속하게 감압되었다. 제품의 간단한 시각 검사로부터 이는 관찰된 융합에 큰 영향을 미치는 것 같지는 않았다.

도 11, 도 12 및 도 13은 다른 RF 파워 레벨을 위한 RF 성형 공정; 특히 각 파워를 위한 3개의 다른 파워 레벨 및 3개의 시간 주기에서의 성형 공정 동안의 공기 압력 측정값의 결과를 도시한다

RF 파워 (KW)	가열 시간 (초)
2.7	35
2.7	45
2.7	60
2.0	45
2.0	60
2.0	75
3.3	25
3.3	35
3.3	45

일반적으로 보다 높은 파워 레벨은 더 신속한 가열 속도를 야기하지 않는다.

3.3KW의 공칭 파워에서, RF 발생기로부터의 파워 출력은 상당히 불안정하였다. 이는 잠재적으로 상대적으로 작은 부하(물)를 가열하기 위한 시도의 결과이다. 따라서 2.7KW에서의 런과 비교하여 3.3KW에서의 런을 위한 생산품으로의 실질적인 파워 공급은 현저하게 크지 않을 수 있다.

성형 결과는 비교적 낮은 압력(예를 들어, 2 바)에서 상당히 양호한 것 같으며, 긴 가열 시간에 의존하는 것으로 보여지지 않는다. 더 높은 압력 및/또는 긴 시간에서의 실험 일부는 과열로 "지나치게 조리(over-cooked)"된 것으로 보이며, 따라서 붕괴된 비드인 것으로 보인다.

반복 조건 하에서 얻어진 곡선 간에 일부 가변성이 있다. 이는 첨가된 물에 있어서의 약간의 변화, 몰드 온도에 있어서의 변화, 시스템 압력 밀봉의 유효성 그리고 발생기의 파워 출력에 있어서의 변동과 같은 요인에 기인될 수 있다.

이러한 높은 형상-결과적으로 전극 플레이트 간의 증가된 분리-으로 효과적인 가열이 이루어질 수 있는지 확인하기 위하여 이 실험들이 수행되었다. 결과는 장비 구성이 잘 작동하고 또한 재료가 효과적으로 가열될 수 있음을 보여준다.

도 14는 RF 성형 공정 동안에 압력 측정값의 다른 결과를 도시한다.

시편	비드	파워	비드 질량	물 체적	비드 준비	최대 압력	융합
1	백색	2.2KW	52g	50mL	없음	1.7	열악; 융합된 재료의 일부 덩어리
3	백색	2.2KW	52g	50mL	물과 미리 혼합	2.3	양호, 완전한 형상, 그러나 주변부에서 일부 풀린 비드
4	백색	2.2KW	52g	50mL	물 속에 미리 담겨짐	2.3	융합 형상의 바닥 2/3; 상단에서 풀린 비드
5	흑색	2.2KW	52g	50mL	물과 미리 혼합	2.2	융합 형상의 바닥 2/3; 상단에서 풀린 비드

"흑색" 비드는 3 중량%, 일반적으로 0.5 내지 5 중량%의 카본 블랙을 포함하였다.

일부 실험은 단지 낮은 압력이 달성(예를 들어, 시편 1)되었음을 그리고 대부분의 비드가 융합되지 않았음을 보여주었다. 이는 물의 열악한 분배 때문일 수 있으며, 이는 발생된 증기가 몰드의 모든 부분에 도달하지 않았음을 의미한다.

몰드 전체에 걸쳐 물의 균일한 분배를 이루기 위하여 비드가 물과 예비 혼합(3 mS/m)된 반복 실험(시편 3)이 시도되었다. 주변에서 아직 풀려진 일부 비드가 존재할지라도 이 실험은 상당히 잘 융합된 시편을 제공하였다.

이 장비로 이러한 결과를 반복하기 위하여 이 일련의 실험 중 일부는 수준이 더 낮은 결과(시편 4 및 5)를 제공하였으며, 여기서 (비드가 (3 mS/m) 물과 미리 혼합되지 않은 결과보다도 더 낳아졌을지라도) 생산품은 몰드의 상단 1/2에서 융합되지 않았다.

시편 3 내지 5로 얻어진 압력 곡선은 매우 유사하며 이는 생산품에서 보여진 차이가 압력 면에서의 차이에서 기인된 것일 수 없다는 것과 다른 모든 매개 변수(물의 양, 파워 레벨)가 일정하게 유지되었다는 것을 나타낸다.

다른 작업은 비드 내의 물의 분배의 효과를 이해하는데 초점이 맞추어졌으며 또한 (매니폴드 또는 압력 릴리프 밸브에 의한) 공기 빠짐 경로의 제공이 비드의 조립을 통하여 증기의 몰드 차단 통로 내에서의 공기 역압의 효과를 어떻게 감소시킬 수 있었는지에 초점이 맞추어졌다.

-큰 블록 성형의 결과

다른 일련의 실험이 200mL "공기 리저버"의 포함을 조사하였다. 이는 더 큰 유익한 효과를 갖는 것으로 찾아졌으며 재현 가능하게 형성된 잘 융합된 시편이 발생하였다.

이 실험을 위한 매개 변수의 요약은 하기 표 5와 같다.

런 (시편)	비드	물체적 (mL)	파워 레벨 (kW)	열시간(초)	도달된 최대 압력(bar)	의견
1	흑색	30	3.2	72	2.8	냉각 툴(제1런)의 사용으로 인하여 아마도 보다 가열 속도가 느려짐
2	흑색	30	3.2	53	2.8
3	흑색	30	3.2	56	3.3
4	흑색	30	3.2	61	2.9
5	흑색	12	3.2	83	2.7	물 체적 감소는 더 느린 가열 속도를 부여함
6	흑색	12	3.2	≒80	≒2.5	압력 곡선은 기록되지 않음
7	흑색	20	3.2	67	2.5
8	흑색	20	3.2	85	2.9
9	백색	30	3.2	60	2.7
10	백색	30	3.2	65	2.8

성형에 사용된 물의 양은 최소 약 12mL에서 최대 약 30m까지 달라졌으며- 이는 (이 실험에 사용된 바와 같은) 1.5리터의 몰드 캐비티 내의 52g의 비드를 위한 툴 캐비티의 체적당 약 8ml 내지 20ml의 물 또는(본 실험을 위한) 약 25% 내지 60% 범위의 비드 중량에 대한 물 중량의 비와 동일하다. 더 큰 어플리케이터 내에서 더 큰 로드(load)가 더욱 효과적으로 가열함에 따라 더 많은 물을 함유한 시편에 걸쳐 보다 빠른 가열이 관찰되었다.

모든 경우에서, (압력 게이지 상에서 보여진) 압력이 약 2.5 바이었을 때 가열은 정지되었다.

도 15는 큰 블록 성형의 실험 동안에 얻어진 발포체 압력 센서 측정값을 도시한다. 이 값들은 압력 게이지 상에 나타난 값과는 다소 다르다(이 값들이 일반적으로 다소 크다). 공기 리저버의 존재로 인하여 압력 게이지가 툴로부터 다소 옮겨졌기 때문에 이러한 상황이 가능하다. 따라서 발포체 센서로부터의 압력 측정값이 보다 정확한 것으로 기대될 것이다.

모든 테스트를 위하여, 압력 수두가 약 1 바로 떨어질 때까지 제품은 툴 내에 서있도록 남겨져 있었다. 이 압력에 도달하기 위한 시간은 런(run) 사이의 현저한 변화를 나타낸다. 이 특정 툴이 프레스에 의하여 서로 유지된 3개의 부분으로 구성되어 있음에 따라 부분 사이에 소량의 압력 누설이 있었다; 이 누설 속도는 런 사이에서 변화될 수 있다.

2개의 런은 서로에 대하여 현저하게 다른 압력 프로파일을 보여준다.

첫 번째는 "혼합되지 않은 비드"라는 표지가 붙여진다. 이 경우, 런 전에 비드가 물과 직접적으로 혼합되었다. 그에 반하여, 다른 모든 비드 시편은 최소 한 시간 동안 물 속에 담겨져 있었다. 이러한 미리 적셔짐은 비드 전체에 걸쳐 물의 보다 우수한 분배를 부여하고 가열을 용이하게 는 것으로 보인다. "혼합되지 않은 비드" 시편은 매우 느린 가열 속도를 보여주었으며 또한 매우 좋지 않은 융합을 부여하였다.

일부 물이 툴로부터 빠져 나가고 융합 공정 내에서 압력이 상대적으로 낮게 유지된 경우, 그럼에도 불구하고 증기 생산은 충분한 압력을 발생할 수 있었으며 따라서 시편은 잘 융합된 것으로 보여졌고 또한 건조된 형태로 얻어졌다.

요약하면, 후자의 연구는 잘 융합된 시편이 하기 사항으로 얻어질 수 있었다는 것을 나타내었다.

● 물 속에 미리 담겨진 비드.

● 툴을 증기로 채울 수 있도록 하기 위한 공기 리저버의 포함.

-대안적인 몰드 디자인

도 16은 대안적인 성형 툴 디자인(100)을 도시한다. 보다 복잡한 몰드, 예를 들어 다른 규격의 2개의 원통형 부분을 갖는 몰드를 통한 다른 작업은 현저하게 큰 체적의 형상의 성형을 허용할 것이며 또한 비균일한 기하학적 구조를 갖고 관측된 융합의 균일도의 수준의 조사를 허용할 것이다.

이 설계들은 하기 사항을 추정한다.

● 클램핑 력은 약 1,200N (직경 70mm diameter * 3.2 바)이다 -이는 몰드 설계의 복잡함을 제한한다.

● 성형에 필요한 최대 압력은 3바이며, 가능하면 2.5바로 낮아지고, 또는 더 정확히 말하면 1.5바이다.

● 최대 면적은 4,000mm²이다.

수정된 몰드는 충진을 용이하게 하는 것보다는 툴 내에서의 비드의 팽창과 융합을 개선하기 위하여 설계되었다.

도면에서 확인된 다양한 영역은 하기 목적을 갖는다:

● 영역 1 (A1): 원통 형상은 크랙-충진을 대비한다. 충진보다는 비드 팽창이 조사된 핵심 요소가 되기 때문에 원통 및 사각 형상이 선택되었다.

● 영역 2 (A2): 비드의 양호한 팽창이 필요한 경우 사각 형상이 사용된다.

● 영역 3 (A3): 영역 3에서의 각도는 융합이 예상된 증기 경로의 외부에서 어떻게 이루어지는지는 보기 위한 것이다.

성형 툴은 120 x 100 x 100mm 블록으로부터 밀링 가공되며; 대안적으로는 인장 강도 테스트를 위한 성형 시편용 툴은 150 x 30 x 80 (높이) mm의 직사각형이다.

대안적인 성형 툴(120)는 또한 성형 준비된 상단 및 바닥 플레이트 RF 전극(102, 130) 사이에서 보여진다.

실험 Ⅳ-다른 고려 사항 및 향상

단지 어느 정도의 작동 매개 변수가 있는 것으로 보여질 수 있을지라도 생산 시스템이 고려해야 할 많은 문제점이 있으며, 이 문제점들은 하기 사항을 포함한다.

● 열 팽창 - 폴리머 툴을 위하여, 가열 중인 금속 전극 플레이트의 열 팽창의 효과는 시스템의 실링에 대한 완전함에 영향을 미칠 것 같으며 설명될 필요가 있다.

● 가열 균일도

o 몰드 내에서, 가열 균일도는 온도 기록을 위하여 툴 내에 위치한 광섬유 프로브에 의하여 평가될 수 있었다.

o 성형된 부품의 표면에서, 가열 균일도는 RF 접지 전극에 들어가 있는 열전쌍에 의하여 측정될 수 있었다.

o 전극의 특별한 설계

● 물 요구 조건 - 효과적인 융합을 제공하기 위하여 요구되는 물의 최소한의 양 (요구되는 압력과 온도가 달성되었는지 여부를 확정하기 위하여 잠재적으로 반복되는 실험에 의하여 결정)

● 최적의 수량(물의 양) 선정

● 습윤제의 사용 -이는 잠재적으로 표면 장력의 감소에 의하여 비드 커버리지(bead coverage)를 개선할 수 있었다.

● 공정 효율 -이는 예를 들어 기록된 입력과 반사 파워로부터 결정된 에너지 소모로부터 계산될 수 있었다.

● 사이클 시간 -이는 예를 들어 하기 사항에 의하여 감소될 수 있었다.

o 가열 단계를 가속화하기 위하여 보다 높은 RF 파워 레벨 사용 및/또는

o 후 성형 냉각 단계 도입

RF 성형 공정에 관련된 에너지의 양과 비교하여 몰드의 비교적 큰 열적 관성으로 인하여 일부 냉각이 예상될지라도, 공기 배관을 통하여 분사될 수 있는 가압된 공기 및/또는 몰드와 전극 표면으로의 물 채널의 결합에 의하여 다른 냉각이 달성될 수 있었다. 냉각은 또한 성형된 부품의 표면 품질을 개선할 것으로 보일 것이다.

● 몰드 표면의 따듯함 - 몰드 표면을 따듯하게 하기 위하여 물 채널은 사용될 수 있었으며, 그로 인하여 잠재적으로 균일한 표면 융합을 달성하는데 도움을 준다.

● 하기와 같은 전극 개선

o 벤팅을 허용하기 위한 구멍

o 예비적인 따듯함/후-냉각(전기/공기)

o 전극 표면 상의 물 채널

● 성형된 부품의 표면 및 코어에서의 비드 융합을 관찰 및 등급화함으로써 그리고/또는 기계적인 특성을 평가함으로써 간단한 품질 제어.

● (증기 성형 공정에서 상당할 수 있는) 성형된 부품의 수축의 정도 고려; 이는 RF 투과 몰드의 사용에 의하여 잠재적으로 완화될 수 있을지라도.

● 반복 사이클링 및 복잡한 형상의 성형을 위한 몰드 구성 재료의 적합성; PVDF와 같은 대안적인 재료의 잠재적인 이용, 이는 전기적으로 도전성이 아닐지라도 RF 투과성이 아니며 따라서 RF 필드 내에서 가열되며 성형된 부품의 표면 특성을 잠재적으로 개선함.

● 그럼에도 불구하고 RF 파워 레벨 및 주파수는 아직 규제 및 안전 요구 조건을 지킬 필요가 있을 것이다.

● 몰드 라이닝(lining) - 가장 간단한 몰드는 비선형일 수 있으나, 이는 성형된 부품의 표면 마감의 질에 영향을 줄 수 있다.

● 몰드 형상화 - 성형된 부품의 용이한 제거를 감안하기 위한 그리고/또는 융합의 균일도 및 표면 질의 확인을 감안하기 위함. 예를 들어, 더 깊은(120mm) 캐비티를 갖는 더 긴 몰드의 사용

● 증기 흐름 부재-측벽을 통하여 증기를 흐르게 하도록 설계된 그루브, 핀홀

● -예를 들어, 매니폴드 및 압력 릴리프 밸브의 사용에 의하여- 증기와 비드의 상호 작용을 차단하기 위하여 (비드 융합을 위하여 증기가 필요 온도에 도달하는 것을 허용하기 위하여 요구된) 캐비티 내로의 공기 압력 및 이 공기의 배출의 단속

● 물 이외에, 선택적으로는 계면활성제를 갖는, 대안적인 열전달제의 사용

-냉각

성형 공정 후 적극적으로 냉각될 몰리머 몰드의 내부 벽을 준비함으로써 성형된 제품의 표면 품질은 개선될 수 있다.

- 몰드 충진

이전에 설명된 바와 같이, 몰드를 비드로 채우기 위한 2개의 공통적인 산업적 방법은 크랙-충진 및 역압- 충진이다. 일부 변형이 요구될 수 있지만, 이 방법들은 제품 RF 성형 시스템에 통합될 수 있다.

크랙-충진 방법의 기본적인 원리는 비드 충진 단계 동안에 몰드 또는 툴을 완전하게 닫지 않는다는 것이다. 이는 암형 부분 및 숫형 부분의 2개의 다른 부분을 갖는 몰드로서 가장 쉽게 달성된다 (2개의 암형 부분을 사용하는 것이 가능할지라도 보다 우수한 결과는 암형/숫형 조합으로 얻어진다). 몰드의 일측은 일반적으로 록킹되며, 다른 측부는 한 위치로 이동한다. 그러나, 툴 온도가 증가함에 따라, 열 팽창은 금속 플레이트가 잠재적으로 수 밀리미터까지 신장되는 것을 야기할 수 있다. 이는 세라믹 포머(former)와 금속 부분 사이의 슬립(slippage)에 기인할 수 있다. 따라서, RF 전극들 간의 접촉을 방지하기 위하여, 격리 링이 숫형 부분 주변에 위치할 수 있으며, 여기서 2개의 부분은 마주보며, 2개의 전극 사이의 갭을 유지하기 위하여 세라믹 심(ceramic shim)으로 이루어진 다른 격리 조인트가 사용될 수 있다.

배압-충진 방법에서, 비드는 몰드 내로 주입된다. 상업적으로 유용한 충진 건(fill gun)은 예를 들어 에른바흐 마스치넨 게엠바하에 의하여 공급된 충진 건을 포함한다. 일반적으로 이 충진 건은 압축 공기(일부 변형에서는 스프링 메커니즘)를 사용하여 비드를 과압축된 사일로(silo)로부터 충진 건 헤드로 나아가게 하며 또한 비드 주입부(예를 들어, 상단 전극)을 통하여 몰딩 캐비티 내로 나아가게 한다. 일부 실시예에서, 충진의 마지막 단계에서, 압축 공기의 주입이 적용될 수 있다. 비드가 들어옴에 따라 공기가 빠져나가도록 하기 위하여 일반적으로 다공성 또는 관통 구조이다. 비드가 주입되면, 몰드 내의 압력에 영향을 미치도록 벤팅(venting)이충진이 완료되면 후속 성형 공정을 위하여 상승된 수준에서 몰드 내의 압력을 유지하기 위하여 몰드를 충진하기 위한 가압된 라인은 유리하게 사용될 수 있다.

변형은 하이브리드 충진 장치를 이용할 수 있다.

물/증기 주입

인-시투 방식으로 증기를 생성하기 위한 RF의 사용은 일반적인 증기실 성형과 관련된 상당한 배관(piping)이 더 이상 요구되지 않는다는 것을 의미한다: RF 방법은 기본적으로 "수동적(passive)"증기 공정을 제공한다.

대안적인 장치에서, 변형된 RF 성형 장치는 툴 내로의 물의 유입을 허용하기 위한 물-포화 공기, "습식 증기(부유 상태의 물방울을 포함한 증기)" 또는 증기 주입 포트가 특징이며, 이는 "적극적(active)" 증기 장치로 불릴 수 있다.

충진 공정, 예를 들어 습윤 단계와 충진 단계의 조합 공정 동안에 공기가 아닌 증기를 이용한 충진 건으로 비드를 몰드 내에 불어 넣음으로써 소량의 증기가 몰드 내로 유입될 수 있다. 대안적으로, 충진 절차의 어떠한 변형을 방지하기 위하여, 몰드가 채워진 후 물이 유입될 수 있다.

잠재적으로, 적극적 증기 장치는 RF 성형 공정을 향상시킬 수 있고, 모든 비와의 접촉을 보장함으로써 소요되는 물의 양을 더욱 줄일 수 있다; 그러나, 적극적 증기 장치 연결을 위한 요구 조건은 자동차 산업과 같은 산업 분야에서는 덜 매력적이다.

- 벤팅

성형 공정을 위하여 요구되는 물의 양을 정확하게 예측하는 것은 어렵다: 그러나 -비록 실행에서, 정밀한 추산을 믿을 수 없게 만드는 많은 이차 효과가 있을지라도- 증기 소모의 간단한 개요적인 계산은 하기 표 6과 같다.

RF 성형 에너지 계산기
요소	질량	온도 차이	Spec.heat.cap.	Th.	증기 환산
툴 (재료 및 온도 차이)	0,2 kg	70 K	0,24 Whkg*K	3Wh	0,006 kg
EPP 발포체	0,010 kg	120 K	0,42 Whkg*K	1Wh	0,001 kg
			전체	4Wh	0,007 kg

일반적인 목적은 낮은 수분 함량을 갖는 성형 부품을 제조하기 위하여 비드 간의 접촉의 양 그리고 몰드 내에서의 응축을 최소화하는 것이다.

일부 실시예에서, 후-성형 건조 공정이 사용된다.

대안적으로, 벤팅이 몰드 구조의 부분으로서 배치될 수 있어 성형 공정 동안에 과도한 증기가 빠져 나가는 것을 허용한다. 그렇지 않으면, 증기는 몰드 내에서, 예를 들어 금속 전극 상에서 응축될 수 있다.

도 17은 단순한 2층 몰드(150)를 도시하며, 여기서 다공성 내부 몰드(155)는 외부 몰드(160) 내에 끼워진다. 몰드는 효과적으로 이중 벽 용기를 포함하며, 외부 벽(160)는 그 자체가 표준 몰드이다; (비드가 위치하는 공간을 한정하는) 내부 벽(155)은 다공성이다; 벽 사이의 갭(170)은 3개의 몰드 층 사이에 응결물이 모이는 것을 허용한다.

내부 몰드(155) 내에 위치된 비드는 따라서 성형 공정 중에 형성된 응결수 (condensation)로부터 분리된 상태를 유지한다.

선택적으로 외부 몰드 캐비티에 연결된 압축 공기 유입구(175)는 외부 몰드 공간(170)이 선-가압되는 것을 허용하며 과도한 증기가 배출되는 것을 허용한다. 온도와 압력은 적절한 프로브(probe)에 의하여 모니터링된다.

이 간단한 장치는 충진 단계를 수용하기 위한 어떠한 다른 벤팅을 도시하지 않으며, 이는 일반적인 성형 시스템 내에서 바람직하다.

보다 큰 규모의 성형을 위하여, 간단하게 벤트된 장치는 2개의 플레이트 내의 코어 벤트(core vent)의 시스템을 통해서만 벤트된다. 보다 발전된 장치는 벤팅을 몰드의 다른 4개 측부에 포함시킨다. 완전한 2층 몰드는 성형 부품의 모든 측부로부터 응결수의 제거를 허용할 수 있다.

도 18은 대안적인 벤트된 RF 몰딩 프레스(180)의 예들을 도시한다. 아답터(186)를 통하여 상단 전극 플레이트(184)와 바닥 전극 플레이트(185)에 각각 연결된 복합 전극 구조체(182 및 183) 각각은 (몰드 캐비티에 인접한) 벤트된 캐비티 플레이트(187) 및 (전극 플레이트(184, 184)에 더 가까운) 백 플레이트(189) 그리고 그 사이에 위치한 그리드(188)를 포함한다. 다공성 내부 몰드 또는 캐비티 플레이트(187)는 EPP 비보다 작은 규격을 갖는 일련의 구멍들 또는 슬릿을 포함한다. 2개의 몰드 층(187, 189) 사이의 갭은 전극 상의 다수의 코어 벤트(190)를 연결하여 성형 챔버(191) 내의 파이프(192)를 통한 EPP 안쪽에서의 (예를 들어, 증기 및 충진 후에 2개의 몰드 층 사이에 모여진 응결수 그리고 과도한 공기의) 벤트를 가능하게 한다.

파이프(192)는 성형 공정의 시작 시점에서 공기 및/또는 증기를 도입하기 위하여 사용될 수 있으며 또한 사이클의 종료 시점에서 공기 및/또는 증기를 제거하기 위하여 사용될 수 있다.

캐비티 내로의 공기의 주입 및 캐비티로부터의 공기의 제거를 가능하게 하기 위하여 충진 단계 동안에 성형 툴의 벤팅이 필요하며, 또한 증기가 캐비티에서 나오는 것을 허용하기 위하여 가열 단계 동안에 성형 툴의 벤팅이 필요하다. 벤팅은 또한 성형 사이클의 종료 시점에서 잔류하는 물의 제거 및 압력의 방출을 감안한다.

도 18의 (a)는 RF 프레스 플레이트 사이에 전체적으로 위치하는 RF 절연 재료(195)를 포함하는 툴 구조체를 갖는 성형 프레스를 도시한다. 따라서 툴은 성형 공정의 온도와 기계적 응력을 견딜 수 있어야 한다.

도 18의 (b)는 2개의 전극 사이의 접촉을 막기 위한 코팅막 또는 스페이서 재료 형태의 RF 투과 재료(195)를 이용하는 금속 툴 구조체를 기초로 하는 대안적인 장치를 도시한다. RF 투과 재료가 RF 프레스 플레이트 사이에 직접적으로 위치하지 않음에 따라, 온도 사이클을 견딜 수 있는 것만이 필요하며, 성형 공정의 기계적 응력을 견딜 수 있는 필요는 없다.

실험예 V-생산 시스템에 대하여

도 19는 RF 성형 시스템으로써 사용하기 위하여 새로 장착된 크랙-충진 성형 프레스를 도시한다. 이 변형된 증기실 성형 프레스는 소규모의 상업적 시스템에 가깝도록 설계되어 있으며, 대량 생산에 사용될 다양한 특징을 활용한다.

도 20은 생산 RF 성형 순서(300)를 도시한다.

요약하면, 도 19 및 도 20은 RF 유전 가열을 이용하여 성형 제품을 제조하기 위한 예시적인 시스템을 간략화된 형태로 도시하며 또한 예시적인 성형 공정 내의 일반적인 단계를 개략적으로 설명한다.

시스템은 내부 몰드 캐비티를 갖는 몰드 챔버를 포함하며, 여기서 내부 몰드 캐비티는 성형될 제품의 외부 형상 및 치수와 일반적으로 일치하는 내부 형상 및 치수를 갖는다. 성형 공정 동안 캐비티를 밀봉하는 역할을 수행하는 클로저(closure)에 의하여 몰드 캐비티로의 접근이 제공된다. 여기서, 클로저는 개방될 수 있어 성형 공정이 종료된 후 성형품이 추출되거나 그렇지 않으면 제거되는 것을 허용한다. 이하에서 보다 상세하게 설명될 바와 같이, 클로저는 일반적으로 유압적으로 작동한다.

RF 발생기는 몰드 챔버의 부분을 형성하는 비금속 스페이서의 일측에 배치된 한 쌍의 대립하는 또는 평행한 플레이트 전극 사이에 RF 전자기장을 발생시키기 위하여 사용된다.

이러한 전극의 배치는 몰드 툴링(mould tooling)에 대한 대규모의 변형 없이 기존 시스템이 비교적 쉽게 업그레이드되는 것을 허용함에 따라 이러한 전극 배치의 사용은 특히 유리하다. 예를 들어, 일반적인 증기실 성형 프레스는 압력 플레이트를 갖고 있으며, 이 압력 플레이트는 또한 RF 전극이 되도록 배치될 수 있었다. 따라서 이 시스템이 변형되는 것을 허용하는 가능성을 완화시켜 효율을 개선하기 위하여 RF가 새로 장착되는 것을 가능하게 한다.

플레이트 사이의 갭의 크기는 발생될 주파수 및 전기장 세기에 좌우된다. 특히, 서로 대립하는 전극 사이의 갭의 크기는 요구되는 성형 제품의 두께에 좌우된다. 간의 X 및 Y 방향으로의 다른 규격은 동작 주파수의 선택에 영향을 주며, 여기서 전극 치수는 이상적으로는 1/4 파장보다 작다.

시스템에 인가될 수 있는 전기장 세기는 성형된 입자, 열전달 유체 및 동작 주파수의 손실률의 함수이다. 전기장 세기가 너무 높게 되는 경우, 전극 사이에 아크가 발생할 수 있다.

일부 실시예에서, 적절한 RF 적합 재료(비록 이 재료가 전극 사이에 아크를 초래할 수 있는, 인가된 전압을 증가시킬 수 있지만)로 제조된 하나 이상의 스페이서에 의하여 전극 플레이트는 고정된 분리 상태에서 유지될 수 있다.

몰드 챔버는 RF 적합(투과) 재료로 제조되며, 전극 플레이트 사이에 위치하여 RF 발생기에 의하여 생성된 RF파는 챔버 벽을 통하여 나아갈 수 있어 몰드 캐비티의 내용물을 퍼트린다.

성형품은 입자 시작 재료(particulate start material)로 성형되며, 이 시작 재료는 일반적으로 발포 폴리프로필렌 (EPP) 등과 같은 폴리머 수지의 발포 입자를 포함한다. 발포 입자는 폐쇄-셀(closed cell) 비드를 포함하며, 이 폐쇄-셀 비드는 이전에 설명한 바와 같이 수지의 전구체 입자로부터 일반적으로 압출 공정에서 형성된 펠렛(pellet)의 형태로 팽창된다.

몰드 챔버는 성형 재료 주입 포트를 더 포함하며, 입자의 후속 융합(융접)을 위하여 입자 시작 재료는 이 주입 포트를 통하여 몰드 캐비티 내로 주입되어 성형품을 형성한다. 이 공정은 기본적으로 하기의 3 단계를 포함한다:

(i) 몰드 캐비티 내로 유입되기 전에 시작 재료의 비드는 액체 열전달제(이 경우, 물)로 코팅되며, 따라서 비드는 몰드 재료 주입 포트를 통하여 함께 몰드 캐비티로 유입된다.

(ⅱ) 열전달 매체가 비등하여 요구되는 온도에서 가스(이 경우, 증기)를 발생시킬 때까지 RF 발생기에 의하여 생성된 RF 필드는 몰드 챔버 벽을 통하여 인가되어 액체 열전달 매체를 유전적으로 가열한다. 증기는 시작 재료의 입자를 그 표면에서 용융 온도까지 그리고 내부적으로는 더 적은 정도의 온도까지 가열한다. 따라서, 입자의 표면은 연화되기 시작하며 (팽창제가 따듯해짐에 따라) 입자 내부 압력은 증가된다. 표면의 연화 그리고 몰드 캐비티 내에서의 (시도된) 입자의 팽창은 입자가 서로 융접되게 하며, 그로 인하여 성형품을 형성한다.

(ⅲ) 시작 물질이 융합되고 냉각되어 성형품을 형성한 후, 몰드 챔버는 개방되고, 성형품은 제거(잠재적으로 기계적인 이젝터 핀에 의하여 추출된다). 그러나, 성형품을 추출하기 위하여 어떠한 적절한 방법, 예를 들어 압축된 공기 압력, 흡입 또는 그 조합을 이용한 방법이 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

이러한 RF 시스템은 마이크로웨이브 시스템과 비교하여 여러 가지 이점을 갖는다. 먼저, 예를 들어, RF 방사는 마이크로웨이브 방사보다 더 침투적이다(더 낮은 주파수/더 긴 파장). 더욱이, 마이크로웨이브 챔버 내에서의 마이크로웨이브에 의한 조사보다 평행한 플레이트 사이의 RF 파장의 발생은 일반적으로 더 제어 가능하고 예견될 수 있다(이런 이유로 더욱 안전하고 더 효율적이다). 보다 구체적으로, 마이크로웨이브 시스템에서 마이크로웨이브는 예측할 수 없게 그리고 비균일적으로 마이크로웨이브 챔버 주변에서 "맞고 튀어나올(ricochet):수 있다. RF를 이용한 실험 동안에 명백해지는 하나의 놀라운 잠재적인 이점은 성형 제품 내에 보다 큰 균일도를 부여하기 위한 RF의 포텐셜(potential)이며, 특히 (아마도 성형품 내에 결함을 유발할 수 있는) 마이크로웨이브 가열과 관련된 "열점(hot spot)"과 "냉점(cool spot)"을 방지하기 위한 RF 포텐셜이다. 위에서 논의된 바와 같이, 마이크로웨이브와 관련된 보다 균일하지 않은 임의의 가열과 비교하여 RF 필드의 방향성 때문에 그리고 RF 방사의 파장(및 침투 능력) 때문에 이들 이점은 부분적으로 발생한다.

RF 시스템 및 마이크로웨이브 시스템의 변형에서, 물을 증기로 신속하게 끓여 증기화하기 충분한 파워의 EM 방사가 사용된다.

다른 대안적인 예에서, 열전달제와 시작 재료는 개별적인 전용 주입 포트를 통하여 (동시에 또는 다른 시간에) 개별적으로 도입될 수 있다. 더욱이, 열전달제와 시작 재료는 동일한 주입 포트를 통하여 다른 시간에 도입될 수 있다. 예를 들어, 공정 요구 조건에 따라 물은 시작 재료의 전에 또는 후에 유입될 수 있다.

몰드 캐비티 내에서 물이 직접적으로 가열될 필요가 없다는 것이 인식될 것이다. 한 변형에서, 예를 들어 몰드 캐비티로 유입되기 전에 물은 개별적으로 가열되어 증기를 생성한다. 이 변형에서, 증기는 압력 하에서 몰드 캐비티 내로 주입될 수 있거나, (내부에서 물이 가열되는) 용기와 몰드 캐비티 사이의 다공성 파티션을 통하여 침투하는 것이 허용될 수 있다. 이 변형들은 몰드 캐비티 내에서 자체가 직접적으로 가열되는 것보다 더 복잡한 것으로 보일 수 있는 반면에, 입자를 물로 미리 코팅할 필요를 제거할 가능성 또는 성형품이 형성된 후 요구되는 건조 량을 감소시킬 가능성을 갖고 있다.

이들 시스템의 변형에서, 몰드 캐비티 및/또는 물 용기는 가압되어 증기가 형성되는 온도를 증가시킨다. 이는 대기압에서의 물의 비등점(~100℃)을 현저하게 초과하는 융합 온도를 갖는 시작 재료의 비드를 사용하는 성형을 허용한다. 이는 특히 120℃를 초과하는, 심지어 (일부 더 높은 경우에) 160℃까지 올라가는 연화 온도를 가질 수 있는 폴리프로필렌 비드의 성형에 유리하다. 예를 들어, 부가 대기압에 의하여 몰드 캐비티/물 용기를 2배의 대기압으로 가압하는 것은 비등점을 약 121℃ 또는 그 정도로 증가시킨다; 2배의 부가 대기압에 의하여 몰드 캐비티/물 용기를 3배의 대기압으로 가압하는 것은 비등점을 약 134℃로 증가시킨다; 3배의 부가 대기압에 의하여 몰드 캐비티/물 용기를 4배의 대기압으로 가압하는 것은 비등점을 약 144℃로 증가시킨다; 그리고 4배의 부가 대기압에 의하여 몰드 캐비티/물 용기를 5배의 대기압으로 가압하는 것은 비등점을 약 153℃로 증가시킨다;

도 21은 RF 성형용으로 조정된 상업적인 증기실 성형 프레스(400)를 도시한다. 이 프레스의 특징은 하기 사항을 포함한다:

● RF 발생기의 통합

프레스 설계에 따라 HT 연결은 고정된 플레이트 또는 이동 플레이트에 대한 것일 수 있다. HT 플레이트는 제 2 플레이트 및 다른 프레스 요소와 전기적으로 절연되어야 하며 방전을 방지하기 위하여 충분한 간격을 필요로 할 것이다. 만일, HT측이 이동 플레이트이면, 절연된 세라믹 슬리브가 필요할 수 있다. 안전을 위하여, RF 필드는 패러데이 케이지 내에 수용되어야 하며 안전 연동 장치(safety interlock) 및 다른 안전(fail-safe) 부분을 포함하여야 한다.

● 증기 매니폴드 시스템의 재구성

RF 성형 공정을 위해서는, 필요한 물의 양을 줄이기 위하여 이 매니폴드의 크기는 최소화되어야 한다. 이는 벤트 플레이트 뒤에 위치한 다공성 그리드를 포함할 수 있으며, 이 벤트 플레이트는 백 플레이트 상에서 압력 출구 포트에 연결된다.

●비드 주입 포트와 충진 건(fill gun)의 제공

비드 주입 포트와 충진 건은 압력 용기에 연결될 수 있어 툴로의 미리 가압된 건조 비드의 유입을 허용한다. 충진 건의 금속 종단이 RF 필드 내로 돌출되지 않는 것을 것을 보장하기 위하여 이 금속 종단은 접지 전극으로 포함될 수 있다.

● 압력 제어

압축 공기 라인과 압력 릴리프 밸브의 통합은 양압과 음압의 적용에 의하여 증기 이동의 제어를 허용한다.

● 물 주입 포트의 통합.

이러한 시스템은 역압 충진 모드 또는 크랙 충진 모드로서의 사용에 적합하다.

도 21에 도시된 특정 특징은 하기 사항을 포함한다.

● 발생기에 연결된 RF 접지 플레이트(402). 파워까지 최소 100mm 간격. 몰드당 개별적-충진 건 및 이젝터 위치를 위한 구멍을 가짐.

● 대형 또는 형상화된 몰드(404)

● 숫형 몰드(406) 및 암형 몰드(408) (모두 폴리머 재료)

● (비도전성 팁을 갖는) 충진 건(410)

● (비도전성 팁을 갖는) 이젝터(411)

● RF 발생기(412); RF 접지부(414); 및 RF 파워 입력부(416)

● 발생기에 연결된 RF 플레이트(418). 접지까지 최소 100mm 간격

● 절연 지지 필라(420), 약 150 mm (세라믹 또는 다른 비도전성 재료)

● 지지바(422)

● 프레스/몰드 분할 라인(424)

● 프레스 다이 플레이트 고정측(426)

● 가능한 알루미늄 측부 안정화 프레임(428)

● 측면 지지부(430)

-공정 고려 사항

상업적 RF 성형 시스템을 위하여, RF 전력의 기본적인 매개 변수, 시간 및 압력은 하기 고려 사항을 고려하여 최적화될 필요가 있을 것이다:

● 물 사용

EPP 성형을 위한 조건의 최적화는 성형 제품의 입방 미터당 5 kg 보다 적은 (<　5kg/m3)물의 사용을 야기할 것으로 기대된다.

● 에너지 소비

공정의 에너지 소비는 사용된 물의 양에 긴밀하게 관련되어 있을 것이다. 순방향 파워 그리고 반사 파워의 모니터링뿐만 아니라 파워 미터(power meter)의 사용은 공정 에너지 사용을 측정하기 위하여 사용될 수 있다.

● 사이클 시간

이상적으로, 최적의 사이클 시간은 증기실 성형을 위한 사이클 시간보다 짧지 않으면 이에 맞먹는다. 이 사이클 시간은 전력 공급에 좌우될 것이며-또한 예를 들어 5KW 발전기에서 60KW 발전기로 전환함으로써 짧아질 수 있다.

● 성형 균일도

간단한 사각 형상 내에서의 성형은 이 공정으로 비교적 간단하다. 증기는 열전달제로서 작용하며, 따라서 균일한 가열 및 융합이 부품 전체에 걸쳐 보여질 것이다. 차가운 몰드 표면과의 접촉이 더 좋지 못한 융합을 야기할 수 있는 몰드 표면에서는 예외일 수 있다. 보다 뚜렷한 효과가 보다 복잡한 부품에서 보여질 수 있으며, 이 부품에서 몰드의 보다 얇은 부분 내의 비드는 몰드 벽으로부터 광범위한 냉각을 경험한다. 폴리머 공간 충진 블록을 사각형 몰드 내에 끼움으로써 보다 복잡한 부품 내의 균일도는 실험될 수 있었다.

후자와 관련하여, 성형된 제품의 균일도를 향상시키기 위하여 예를 들어, RF 가열의 균일도를 개선함으로써 그리고/또는 보다 복잡한 형상의 성형을 특별히 감안함으로써 성형 툴의 설계가 어떻게 개선될 수 있었는지에 대해 고려 사항이 또한 제공될 수 있다. 적절한 방법은 하기를 포함할 수 있었다.

●몰드 표면 처리

부품 전체에 걸쳐 균일한 가열을 이루기 위하여 모드 표면에서 부가적인 가열원을 제공할 필요성은 성형 공정 동안 몰드 표면 상의 다른 위치에서의 표면 온도 측정값의 차이에 의하여 나타났다. 전극을 미리 따듯하게 하기 위하여 (전기 가열 또는 뜨거운 공기를 통한) 가열 메커니즘이 전극 플레이트에 직접적으로 통합될 수 있었다. 대안적으로, 카본 블랙 또는 제올라이트(또는 다른 RF 흡수 재료)와 같은 재료의 표면층이 몰드의 유전 요소의 내부에 추가될 수 있다.

●필드 형상화(field shaping) 요소

몰드 내로의 물 채널의 통합은 RF 필드를 왜곡하기 위하여 그리고 특정 영역 (예를 들어, 복잡한 형상의 보다 얇은 영역) 내에 부가적인 가열을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 물 채널은 또한 성형된 부품의 냉각을 돕기 위하여 사용될 수 있었다.

●전극 형상화

선택적으로, 형상화된 전극은 가열의 양호한 균일도를 부여하기 위하여 사용될 있다. 모델링 작업의 결과는 최적 형상을 제안할 것이다.

●몰드 형상화

더욱이, 비드 융합의 더 큰 시편 균일도 및/또는 성형된 부품의 보다 용이한 제거를 허용하기 위하여 몰드 자체는 형상화될 수 있었다. 보다 큰 몰드는 반드시 RF 전극 사이에 더 큰 분리를 필요로 할 것이며, 이는 시스템이 결과에 따른 재조정(re-tuning)을 요구한다는 것을 의미할 수 있다.

실험예 VI -폴리프로필렌의 RF 융합의 다른 연구

A1. 성형 실험을 위하여 구성된 시스템

RF 프레스 구성

다음의 연구 내에서 수행된 모든 실험은 하기의 주요한 부가물과 함께 13.65 MHz의 주파수에서 작동하는 소형 RF 프레스를 이용하여 수행되었다.

■ 증기와 발포체 압력을 모니터링하기 위한 압력 센서의 포함.

■ 몰드 내의 온도를 측정하기 위한 섬유 광학 프로브의 사용.

■ 일반적인 EPP 성형에 사용된 크랙-충진 메커니즘을 모방하기 위한 상단 전극 상의 압축 플레이트의 포함.

■ 데이터 로깅(datalogging) 시스템의 통합

센서의 포함

2개의 압력 센서가 사용되었다.

■ 발포체 센서(foam sensor)

■ 증기 압력 센서

- 발포체 센서

발포체 압력 센서가 프레스의 상단 플레이트에 고정되었다. 발포체의 압력을 효과적으로 측정하기 위하여, 이 센서는 비드와의 직접적인 접촉이 필요하다. 그러나, 공정은 또한 다공성 인서트 및 성형된 부품의 상단 상의 압축 플레이트의 포함을 필요로 한다. 또한, 센서는 상단 전극 내에 끼워져야만 하며 RF필드 내로 관통할 수 없다. 이 요인들의 조합은 비드 간의 양호한 접촉을 유지하는 것을 어렵게 하였으며, 만일 공정 동안에 비드가 현저하게 팽창된다면, 센서는 단지 발포체 압력 측정에 효과적일 것이다. 그렇지 않으면, 센서가 비드 위의 증기 압력을 측정한다는 것으로 추정되어야 한다.

소형의 원통형 몰드를 위하여, 센서가 상단 플레이트에 끼워진 금속 압축 디스크 내에 포함되었다. 이 압축 디스크는 RF 필드로부터 센서를 차폐하였으며, 또한 비드와의 양호한 접촉을 제공하였다 (도 22 참조).

높은 사각 몰드를 위하여, 보다 깊은 압축 플레이트가 요구되며, 센서 부품(sensor fitting)으로 인하여, 센서를 이 플레이트 내로 전체 높이에 걸쳐 끼우는 것이 불가능하였다 (도 23 참조). 이는 발포체 센서가 일반적으로 비드와 양호한 접촉 상태에 있지 않았고 따라서 발포체 압력보다는 증기 압력을 측정하고 있었다는 것을 의미한다.

도 22는 원통형 몰드용 센서의 구성을 도시한다.

도 23은 사각 몰드를 위한 센서 구성를 도시한다. 센서 구성(set-up)은 발포체 센서(1000), 상단 플레이트(1002), 금속 압축 디스크(1004), 다공성 프리트(1006; porous frit), PTFE 몰드(1010), 비드(1008) 그리고 다공성 프리트(1012)를 포함한다.

- 광섬유 온도 프로브

일부 실험에서 광섬유 온도 프로브가 사용되었다. 그러나, 이 프로브는 견고한 온도 측정 수단을 제공하지 않았다. 프로브는 얇은 글라스 벽 튜브 내에 위치하여 성형 공정 동안에 파손되는 것이 방지되었다. 이는 상승하는 온도 측정에서 뚜렷한 시간 지연을 야기한 것으로 나타났으며 또한 압력과 온도 사이에 양호하지 않은 상관 관계가 관찰되었다. 글라스 튜브는 또한 공정에서 파손에 취약하였으며 일부 경우에서 프로브에 대한 손상이 관찰되었다. 이 프로젝트 내의 실험 목적을 위하여 공정 조건을 모니터링하는 것이 바람직할 것이라는 점이 결정되었으며, 따라서 이후 실험을 위하여 온도 프로브의 사용이 포기되었다.

시편 내의 온도를 기록하는 것이 중요한 것으로 밝혀진다면 이 접근 방법은 다시 논의될 수 있었다.

툴 설계

- 몰드의 기하학적 구조

이 프로젝트에서 2개의 몰드가 구성되었다. 2개의 몰드는 얇은 벽의 PTFE로 구성되어 몰딩 공정을 위하여 요구되는 온도와 압력 저항성을 제공하였다.

■ 작은 원통형 몰드

■ 높은 사각형 몰드

작은 원통형 몰드는 약 70mm의 직경과 약 80mm의 높이를 가졌다. 벽은 다소 테이퍼져 있어 제품의 용이한 방출을 가능하게 하였다.

높은 사각형 몰드는 240mm의 전체 내부 높이를 갖는 70 x 70mm 의 규격이다. 몰드는 3개의 개별 부분(각각은 80mm의 깊이)으로 제조되었으며 부분 사이에 오-링을 가져 압력 밀봉을 제공하였다. 도 24는 높은 사각형 몰드의 외부를 도시한 도면이다.

-물 제거

양 몰드는 그 베이스에서 다공성 프리트를 그리고 상단 상에 다공성 압축 플레이트를 포함하였다. 과도한 물을 빼내기 위하여 이 플레이트는 몰드 내에 공간을 제공하였다.

양 몰드를 위하여, 상단 다공성 플레이트는 발포체 센서보다 다소 큰 직경을 갖는 구멍을 포함하였다. 이는 비드가 발포에 센서와 접촉하는 것을 가능하게 하여 팽창 발포체의 압력 측정값이 얻어질 수 있었다. 앞서 언급된 바와 같이, 일부 경우에서 비드와 센서 간의 효과적인 접촉은 이루어지지 않았으며, 기록된 압력 측정값은 비드 상의 증기 압력을 나타낸다.

A2. 작은 원통형 몰드를 이용한 실험

작은 원통형 몰드를 이용한 작업에서, 2개 세트의 실험이 수행되었다.

● 제품의 효과적인 융합을 위한 매개 변수 설정

●변화하는 공정 시간 및 파워의 조사

모든 실험에서, 7.5mS/m의 전도도를 부여하기 위하여 사용된 물은 소량의 염을 포함하였다.

융효과적인 융합을 위한 매개 변수 설정

약 15g의 비드와 20mL의 물을 이용하여 실험이 수행되었다. 가열 시간 및 파워 레벨의 변화가 조사되었으며 공정 조건의 범위로 잘 융합된 시편들이 얻어졌음이 관찰되었다. 표 1은 3개의 런을 위한 시간 및 파워 레벨을 보여주며, 3개의 런 모두는 잘 융합된 시편을 생산하였다. 도 25는 이 런들을 위한 압력 곡선을 보여준다.

모든 예에서, RF 가열의 중단에 뒤이어 제품은 몰드 내에서 일정시간 동안 냉각되는 것이 허용되었다.

실험을 위한 매개 변수　

	RF 파워	가열시간(초)	압력 방출 시간 (초)
시편 2	2.5KW	47	81
시편 5	4KW	19	75
시편 8	4KW	25	72

공정 매개 변수에 있어서의 변화

이 실험에 뒤이어, 부가적인 일련의 공정 매개 변수가 조사되었다. 표 2에 도시된 바와 같이, 이 실험들은 일련의 파워와 시간 매개 변수에 의하여 한정되었다. 모든 실험은 2번 반복되었으며 15mL의 물을 사용하였다. 실험은 흑색 비드 및 백색 비드를 갖고 수행되었으며, 2가지 비드 간에 어떠한 현저한 차이점도 관찰되지 않았다. 발포체 센서를 이용하여 압력이 기록되었다. 이 실험을 위하여 발포체 센서는 팽창 비드와 양호한 접촉 상태에 있었다.

다른 파워 및 시간 레벨에서의 성형 실험

런 번호	파워 레벨 (KW)	가열 시간 (초)	도달된 최대 압력 (바)
5-6	2	45	2.3-2.4
1-4	2	60	2.6-3.0
7-8	2	75	2.6-3.0
C-D	2.7	35	1.8-2.0
A-B	2.7	45	3.0-3.2
E	2.7	60	2.9
16-17	3.3	25	1.8-2.3
10,11,13	3.3	35	2.4-2.7
14-15	3.3	45	2.4-3.0

모든 예에서, RF 가열의 중단에 뒤이어, 약 1 바의 압력이 도달될 때까지 생산품이 몰드 내에서 냉각되는 것이 허용되었다. 두꺼운 벽의 PTFE에 의하여 제공된 높은 절연에 의하여 이 냉각 속도는 느린 것으로 관측되었다.

도 26, 도 27 및 도 28는 3개의 다른 압력 레벨- 2KW (도 26); 2.7KW (도 27) 및 3.3KW (도 28)-에서 수행된 실험을 위한 압력 프로파일을 도시한다.

도 29는 파워 레벨에 있어서의 변화에 의하여 이루어진 가열 속도의 비교를 도시한다.

도 26 내지 도 29 내의 그래프는 명목상 동일한 RF 파워를 사용하는 동안 가열 속도에 있어서의 상당한 변화가 관찰될 수 있다는 것을 설명한다. 이 실험들 각각에서 사용된 비드와 물의 양이 동일하다는 점을 고려하면, 가열 속도에 있어서의 최소한의 변형만이 보여질 것이라는 점이 기대될 것이다. 그러나 하기의 요인들이 관찰된 실질적인 가열 속도에 영향을 미칠 수 있다.

● 몰드로의 열전달 : 실험이 반복되면서 몰드는 점차적으로 따듯해질 것이다. 몰드에 대한 높은 열손실이 발생될 수 있음에 따라 보다 느린 가열 속도가 제 1 런에서 연속하여 보여질 수 있다.

● 시스템 내에서의 압력 누출: 시스템 내에서, 예를 들어 툴의 오-링 시일과 프레스 상단 플레이트 사이에서 일부 작은 압력 손실이 발생될 것이다. 압력 손실들은 실험 간에 달라질 수 있다.

● 반사 파워의 레벨에 있어서의 변화 및 RF 시스템 손실: 15mL의 물은 작은 부하이며 결과적으로 가열 효율은 RF 시스템을 위한 정상적인 효율보다 낮아질 것 같다. 시스템 손실은 실험 간에 달라질 것이다. 실험 동안에 그리고 실험 간에 반사 파워의 레벨은 달라지는 것으로 보여졌다; 그러나 이 반사 파워는 기록되지 않았으며, 따라서 반사 파워는 가열 속도와 관련이 있을 수 없다.

변화의 근원에도 불구하고, 관측된다면, 보다 높은 파워 레벨에서 시편의 보다 빠른 가열이 일반적으로 관측된다.

성형 제품의 시각적인 시험은 양호한 수준의 융합이 달성되었음을 나타낸다. 이 실험들에 의하여 제조된 모든 시편들이 기계적인 특성의 평가를 위하여 보내졌다. 이 평가는 시편이 매우 우수한 수준의 내부 융합을 갖고 있다는 것을 보여준다.

A3. 높은 사각형 몰드를 이용한 실험.

장비 구성

부분 A1 내에서 위에서 설명된 높은 사각 몰드를 이용하여 일련의 실험이 수행되었다. 이 실험의 대형 몰드를 이용한 설형 실험을 위한 구성이 도 30에 도시된다.

이 실험들에서, 상단 플레이트 위에 끼워진 간단한 압력 변환기와 발포체 센서의 사용에 의하여 압력이 기록되었다. 시스템은 또한 압력 게이지를 갖추고 있으며, 이 압력 게이지는 공정 동안에 상승한 압력을 시각적으로 관측하기 위하여 사용되었고 또한 성형 공정의 종료점을 결정하기 위하여 사용되었다.

툴은 몰드의 베이스 내의 캐비티 위에 다공성 프리트를 포함하였으며, 이는 공정으로부터의 과도한 물이 모이는 것을 가능하게 하였다. (발포체 센서와의 비드의 접촉을 가능하게 하기 위한) 중앙 홀을 포함하는 다공성 프리트는 또한 몰드의 상단 상에서 사용되었다. 이 제 3 다공성 프리트는 또한 과도한 증기/물을 위한 공간을 제공하며 비드의 일부 압축을 제공한다.

도 31은 다공성 프리트의 평면도이며, 여기서 다공성 프리트 압축 플레이트를 포함하는 몰드의 내부가 보여질 수 있다.

마지막으로, 20mm깊이의 금속 압축 플레이트가 프레스의 상단 플레이트에 끼워졌다. 이 금속 플레이트와 다공성 플레이트 사이에 전체 40mm의 압축이 이루어져 200mm 높이를 갖는 성형 부분을 제공한다.

성형 결과 및 작동 매개 변수의 확인

모든 실험에서, 사용된 물은 소량의 염(salt)를 함유하여 7.5mS/m의 전도도를 부여하였다. ≒ 50g의 건조 비드의 유사한 량이 모든 실험에 사용되었다; 이는 어떠한 압력이 존재하지 않을 때에 몰드 캐비티를 채우는 건조 비드의 양이다.

압력은 발포체 센서와 간단한 압력 변환기에 기록되었다.

아래에 보고된 모든 압력 곡선은 발포체 센서로부터의 측정값에 기초한다. 그러나, (도 23에 도시된 바와 같이) 발포 비드와 센서 멤브레인 사이의 양호한 접촉의 부족은 이 센서가 발포체 압력보다는 몰드 위의 증기 압력을 효과적으로 측정하고 있다는 것을 의미한다.

모든 실험에서, 제품은 툴 내에서 약 1바의 압력으로 냉각되는 것이 허용되었다.

-절차

절차는 소형 원통형 시편의 성형을 위하여 이용된 방법과 비슷한 하기의 간단한 공정을 포함하였다.

● 비드로 몰드를 채움.

● 프레스 내에 몰드 위치.

● 몰드의 상단에 물 추가.

● 프레스를 닫고 RF 인가.

보다 큰 몰드를 위하여, 이러한 접근 방법이 성형품을 생산하는데 있어 성공적이었으나, 관찰된 압력 면에서의 증가는 일반적으로 느렸으며, 양호한 융합이 항상 이루어지지 않았다. 일부 예에서, 비드의 작은 부분만이 이 조건들 하에서 융합되었다.

이는 비드 전체에 걸친 물의 불만족스러운 분배에 기인하였다. 이는 몰드의 베이스에 물 리저버를 갖는 것의 결과였다; 완전한 융합을 가져오기 위하여, 몰드의 베이스 내에서 증기는 융합된 비드 주변을 통과 또는 융합된 비드를 통과해야만 할 것이다. 몰드 전체를 통한 물의 분배를 개선하기 위하여, 이후의 실험은 미리 적셔진 비드를 이용하여 수행되었다.

- 미리 적셔진 비드 사용

비드는 다공성 컨테이너 내에 위치하였으며 탱크 내의 물 속에서 유지되기 위하여 눌려졌다. 성형 실험에 사용되기 전에 비드는 1시간 내지 4시간 동안 미리 적셔진 상태로 남겨졌다. 이 "적셔진" 비드는 물을 함유하고 있지는 않았으나, 표면 장력에 의하여 표면에 결속된 물을 갖고 있었다.

미리 적셔진 비드의 사용은 융합 결과에서의 현저한 개선을 나타내었다. 그러나, 대부분의 경우, 단지 제품의 일부 융합만이 나타났다. 가장 현저하게는, 제품의 상단부가 매우 열악하게 융합되었으며 흔히 전체적으로 풀린 비드로 이루어져 있었다.

이 실험 내에서, 완전하게 융합된 한 쌍의 시편이 얻어졌다. 그러나, 반응 조건과 효과적인 융합 사이의 분명한 연관성이 없는 것으로 나타났다. 표 9는 유사한 공정 매개 변수를 이용하여 얻어진 실험 결과의 변동성을 설명한다.

미리 적셔진 비드를 이용한 실험

	비드	파워	비드 중량	물 체적	비드 준비	최대 압력(바)	융합
시편 1	백색	2.2KW	52g	50mL	없음	1.7	열악: 융합된 재료의 일부 덩어리
시편3	백색	2.2KW	52g	50mL	물과 미리 혼합	2.3	완전한 형상, 그러나 주변에서 일부 비드 풀린 비드
시편 4	백색	2.2KW	52g	50mL	물에 미리 담겨짐	2.3	형상의 바닥 2/3 융합됨; 상단에서 풀린 비드
시편 5	흑색	2.2KW	2g	50mL	물과 미리 혼합	2.2	형상의 바닥 2/3 융합됨; 상단에서 풀린 비드

"흑색" 비드는 약 3 중량%, 일반적으로 0.5 내지 5중량%의 카본 블랙을 포함한다.

도 32는 미리 적셔진 비드를 갖고 표 3에 연결된 실험을 위한 압력 프로파일을 도시하며, 유사한 공정 매개 변수를 이용하여 얻어진 결과의 가변성을 설명한다.

-공기 리저버의 사용

실험 설비에 대하여 만들어진 최종 변형은 리저버(약 200mL 체적)의 포함이었다. 이는 시험 동안에 밀어 넣어질 공기를 위한 공간을 제공하는 것이 포함되어 있으며, 또한 모드 융합을 촉진하기 위하여 몰드 전체가 증기로 채워지는 것을 보장하는 것이 포함되어 있었다. 이 작업 내에서 사용된 모들 실험은 미리 적셔진 비드를 사용하였다.

이 실험들은 지속적으로 완전하게 융합된 제품을 제공하였다.

도 34, 도 35 -및 표 4-는 사용된 공정 조건 및 얻어진 압력 프로파일을 도시한다.

모든 테스트를 위하여, 압력이 약 1 바로 떨어질 때까지 제품은 툴 내에 세워지도록 허용되었다. 도 34 및 도 35로부터 명백한 바와 같이, 이 압력에 도달하기 위한 시간은 런 사이의 현저한 변형을 보여준다. 툴이 프레스에 서로 유지된 3 부분으로 구성됨에 따라 부분 사이에 소량의 압력 누설이 있었다; 이 누설 속도는 런 사이에서 달라질 수 있다.

서로에 대하여 매우 다른 압력 프로파일을 보여주는 이들 실험에 포함된 2개의 런이 있다.

첫 번째는 "혼합되지 않은 비드"라는 표지가 붙어 있는 것이다. 이 경우, 런 전에서 비드는 물과 직접적으로 혼합되었다. 반대로, 다른 모든 비드 시편은 최소 한 시간 동안 물에 담겨져 있었다. 이 미리 담겨진 것은 비드 전체를 통하여 더 우수한 물의 분배를 부여하는 것으로 보여지며 가열을 용이하게 하는 것으로 보여진다. "혼합되지 않은 비드" 시편은 매우 느린 가열 속도를 보여주었으며, 일부 예에서는 상대적으로 좋지 못한 융합을 부여하였다.

주목할 만한 제 2 시편은 시편 11이다. 이 예에서, 오-링은 몰드의 상단에서 제외되었다. 이는 물이 툴로부터 빠져 나갈 수 있다는 것을 야기하며 또한 융합 공정 내에서의 압력이 비교적 낮게 유지하는 것을 야기한다. 그러나, 이 시편은 잘 융합된 것으로 보여지며 다른 시편보다 더 건조된 형태로 얻어졌다.

	비드	물체적	파워 레벨	가열 시간(초)	최대압력 ( bar )	의견
시편 1	흑색	30mL	3.2KW	72	.8	차가운 툴(당시의 제 1 런)의 사용으로 인하여 가능한 보다 느린 가열 속도
시편 2	흑색	30mL	3.2KW	53	2.8
시편 3	흑색	30mL	3.2KW	56	3.3
시편 4	흑색	30mL	3.2KW	61	2.9
시편 5	흑색	12mL	3.2KW	83	2.7	물 체적 면에서의 감소는 더 느린 가열 속도를 부여
시편 6	흑색	12mL	3.2KW	≒80	≒2.5	기록되지 않은 압력 곡선
시편 7	흑색	20mL	3.2KW	67	2.5
시편 8	흑색	20mL	3.2KW	85	2.9
시편 9	백색	30mL	3.2KW	60	2.7
시편 10	백색	30mL	3.2KW	65	2.8
시편 11	백색	30mL	3.2KW	72	1.9	툴 상단의 불량 시일로 인한 낮은 압력; 물이 빠져 나가는 것이 허용되어 더 건조된 시편 생성

"흑색" 비드는 약 3 중량%, 일반적으로는 0.5 내지 5 중량%의 카본 블랙을 포함한다.

도 33은 표 10 (비교 가능한 성형 조건)에 열거된 실험 1 내지 4의 압력 프로파일을 보여준다. 도 34는 표 10에 열거된 모든 성형 실험 1 내지 11을 보여준다.

보다 높은 형상을 갖는 성형 실험의 요약

보다 높은 몰드를 갖고 수행된 실험은 이 형상의 효과적인 융합을 얻는 것이 이전에 조사된 소형 원통형 몰드를 위한 것보다 상당히 더 어려웠다는 것을 나타내었다. 몰드 전체에 걸쳐 완전한 융합을 얻기 위하여 하기 공정 개선이 중요한 것으로 고려되었다.

● 몰드 전체에 걸쳐 물의 균일한 분배를 제공하기 위하여 미리 적셔진 비드의 사용.

● 물 비등점 그리고 생성된 증기의 온도를 증가시키기 위하여 RF 가열 이전에 툴의 가압.

● 공기를 제거하기 위하여 그리고 증기와 팽창된 입자 간의 열 교환을 보장하기 위하여 배기 밸브의 사용에 의하여 또는 공기 리저버의 사용에 의하여 증기 흐름 관리.

하기의 요소들이 얻어진 융합의 질에 영향을 줄 수 있다.

●압축의 정도: 높은 사각 몰드 내에서, 약 17%의 압축(240mm 높이를 200mm로 압축)이 이용되었으며, 소형 원통형 몰드를 위하여 사용된 압축은 약 30%이었다.

●물의 비율: 사각 몰드에서 사용된 물의 상대적인 양은 원통형 몰드보다 작다. 양 몰드에서 수량이 융합을 이루기 위하여 요구된 것보다 상당히 초과된 것으로 추정될지라도, 이는 확인되지 않았다.

●물의 분배 : 높은 몰드를 위한 비드의 미리 적셔짐의 필요성은 이 보다 큰 형상 내에서의 균일한 물 분배의 중요성을 보여준다. 비드의 연장된 담겨짐 또는 계면활성제의 사용은 보다 우수한 수준의 융합을 얻는데 유리할 수 있다.

실험예 Ⅶ- 폴리프로피렌의 RF 융합의 다른 매개 변수화 연구( parameterised studies )

위에서 설명된 실험과 관련하여, 다른 장비를 이용한 다른 연구가 수행되었다. 이는 하기의 매개 변수를 갖는 더 큰 "15kN"(150 kN) 성형 프레스를 포함하였다.

● 수평적/ 60kN 유압 클램핑 력

● 툴 내부 규격: 130 x 130 x 30mm

● 플레이트 규격: 980 x 680 mm

● 전극에서 최대 15kW 파워를 갖는 RF 발생기

일반적으로 사용된 절차는 다음과 같다.

1) 하기 표에서 한정된 다양한 함량으로 입자는 물과 혼합된다.

2) 캐비티를 완전히 채우기 위하여 입자는 툴 내부에 수동으로 위치한다. 4mm의 관통된 플라스틱 플레이트가 상단에 추가되어 플레이트의 닫힘 동안에 기계적인 압축을 생성한다.

3) 프레스가 닫힌다.

4) RF 가열 전에 공기 압력이 인가된다. 공기 압력은 다양한 수준으로 설정되었다.

5) 특정 파워 레벨에서 그리고 특정 시간 동안에 HF 가열이 수행된다.

6) HF 가열의 종료 시점에 압력은 배기 밸브를 통하여 신속하게 방출되며 대기압으로 몰드를 감압한다. 내부의 모든 압력을 방출하기 위하여 1 내지 5초가 필요하다.

7) 부분의 냉각을 허용하기 위하여 프레스가 100초 동안 닫히진 상태를 유지한다.

하기 재료를 포함한 다양한 재료가 시험되었다 :

● 백색 발포 폴리프로필렌 입자, ARPRO®3133

● 약 3중량%의 카본 블랙을 갖는 흑색 발포 폴리프로필렌 입자, ARPRO®5135

● 0.5 내지 1중량%의 카본 블랙을 갖는 회색 발포 폴리프로필렌 입자, ARPRO®4133

●백색 발포 폴리에틸렌 입자, ARPAK®4313

함수량 값은 성형 캐비티의 단위 리터 체적당 밀리리터(ml)또는 동등하게 밀리그램(mg)으로 주어지며, 이는 가끔 사용된 % 질량 값보다 유용한 측정으로 고려된다.

결과

최종 성형의 질은 평가되고 각 매개 변수의 설정을 위한 하기의 테이블에 따라서 1에서 5까지 등급이 매겨졌다.

성형 평가
1	2	3	4	5
무반응	뭉쳐짐	부분적으로 융합	성형 가능, 그러나 부분적으로 융합될 수 없음	양호

함수량 및 초기 가압 압력의 영향

고정된 변수

● 툴: 130x130x30mm

● HF 파워: 50초 동안 최대 값의 50%

백색 ARPRO®3133 밀도 33g/l 비드		HF 가열 시작 전의 초기 압력
			1.0	1.5	2.0	2.5	3.0
함수량 (ml/몰드 캐비티의 리터)	8ml/l (25%)	성형 평가			3+
		도달된 최대 압력			2.6
	11ml/l (33%)	성형 평가			4-
		도달된 최대 압력			2.5
	16.5 ml/l (50%)	성형 평가	5	5	5	5	5-
		도달된 최대 압력	1.5	2.0	2.5	3.0	3.6
	33ml/l (100%)	성형 평가	5	5	5	5	5
		도달된 최대 압력	1.5	2.0	2.6	3.0	3.6

흑색ARPRO®135 밀도 35g/l 비드		HF 가열 시작 전의 초기 압력
			1.0	1.5	2.0	2.5	3.0
함수량 (ml/몰드 캐비티의 리터)	9ml/l (25%)	성형 평가		4	3 +
		도달된 최대 압력		2.1	2.6
	12ml/l (33%)	성형 평가		5	4
		도달된 최대 압력		2.0	2.6
	17.5ml/l (50%)	성형 평가	5	5	4	4	4
		도달된 최대 압력	1.6	2.1	2.6	3.1	3.6
	35ml/l (100%)	성형 평가		5	5
		도달된 최대 압력		2.0	2.6

회색 APPRO®4133 33g/l 밀도 비드		HF 가열 시작 전의 초기 압력
		3.0
함수량 (ml/몰드 캐비티의 리터)	33 m/l (100%)	5
		n/a

회색 APPRO®4133 16g/l 밀도 비드		HF 가열 시작 전의 초기 압력
		0.5	1.0
함수량 (ml/몰드 캐비티의 리터)	16 m/l (100%)	5	5
		n/a	n/a

분명하게, 성형 공정 동안에 후에 유지되는 가장 높은 압력보다 낮은 압력으로, 대표적으로 0.6 바 이하로, 일반적으로 1바보다 적은 압력으로, 바람직하게는 0.5 바보다 적은 압력으로, 또는 심지어 0.25바보다 적은 압력으로, 또는 성형 동안에 유지된 가장 높은 압력보다 적은 0.1바보다 적은 압력으로 초기 가입이 이루어졌다. 증기가 발생됨에 따라 부가적인 압력은 툴 내부의 (공기 및 물) 환경의 온도 면에서의 증가에 기인한다.

함수량 및 RF 가열 시간의 영향

고정된 매개 변수

● 툴: 130x130x30mm

● HF 파워: 최대값의 50%

● 50%에서 고정된 함수량 : 몰드 캐비티의 리터 당 16.5 mg

● 2.0 바에 고정된 초기 압력.

함수량 50% 초기 압력2.0 바		가열 시간 (초)
		25	30	35	40	45	50
백색 ARPRO®3133	성형 평가	4 -	4 -	3	4 +	5	5
	도달된 최대 압력	2.5	2.5	2.5	2.5	2.6	2.6

이후, 120X120X150mm 크기의 잘 융합된 많은 시편이 하기 조건 하에서 만들어졌다.

● 파워: 90초 동안 4000W (60초는 허용될 수 있는 융합을 제공하였다)

● 2바의 초기 압력

● 함수량 : 몰딩 캐비티의 1리터당 16.5mg

도 35는 잘 융합된 보다 큰 시편의 예를 도시한다.

요약하면, 본 발명의 특징은 하기 사항 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

● 물과 같은 열전달 유체 또는 대부분 물의 존재 하에서의 몰드 또는 툴 내에 포함된 열가소성 수지 재료의 발포 입자 또는 비드로의 RF 에너지의 적용.

● RF 발생기에 연결된 (유전 캐패시터를 형성하는) 한 쌍의 평행한 플레이트 전극 및 플레이트 사이에 위치한 몰드를 포함하며, 몰드 내에 위치한 재료에 RF 필드를 인가하도록 조정된 장치.

● 회로의 주파수와 임피던스를 조절하는 매칭 시스템과 함께 고체 상태 또는 자려된 발진기(self-excited oscillator)를 포함한 RF 발생기.

● 바람직하게는 주파수 및 RF 파워 그리고 가해진 전기장 강도를 변화시키기 위하여 전극 사이의 갭 또는 간격은 처리되는 재료와 관계 없이 조절될 수 있다.

● 장치는 유압, 공압 또는 기계적인 프레스를 포함할 수 있으며, 2개의 마주보는 성형 챔버의 측벽을 형성하는 프레스 플레이튼 그리고 RF 전극을 포함한다.

● 인가된 RF에 의하여 열전달 유체의 가열을 통한 발포 입자 및 비드의 (입자의 외부 표면의 연화를 야기하기에 충분한) 상승된 온도로의 가열, 바람직하게는 열전달 유체의 온도는 입자를 융합 온도로 가열하기 위하여 사용된다.

● 열전달 유체는 입자의 세포상 조직으로 침투하기 충분한 증기 또는 기체 상태로 가열되어 입자의 물리적 크기를 유지하거나 팽창시킨다.

● (몰드의 형상에 의하여 한정된 것과 같은) 성형품을 생산하기 위하여 몰드 내에서의 입자의 융합 또는 융접. 바람직하게는 제조된 제품은 융합된 입자의 동일한 질량(homogeneous mass)을 포함.

● 관련된 파장, 바람직하게는 1/4 파장을 갖는 RF 에너지의 주파수는 성형될 제품의 평균 크기 또는 선형 규격과 유사하거나 이보다 크다.

● 열전달 유체는 바람직하게는 하기 요소 중 하나 이상을 부가함으로써 조정된다.

o 가해진 전자기장과의 결합을 향상시키기 위한 전도도 향상 불순물, 예를 들어 염화나트륨 또는 염화칼륨과 같은 염 (요구되는 정확한 전도도는 가해진 전압의 함수이며, 이는 가해진 파워와 작동 주파수와 관련되어 있다).

o 입자의 융합을 향상시키기 위한, 폴리-비닐 아세테이트 또는 융해 가능한 지방(예를 들어, 팜 오일)과 같은 융합 향상 첨가제; 및

o 유체와 입자 간의 표면 장력을 향상시키기 위한 계면활성제.

● 일반적으로, 열전달 유체로 사용된 물의 전도도는 3~5 mS/m, 또는 바람직하게는 6~7 mS/m, 또는 더 바람직하게는 7.5 mS/m 일 수 있다. 이러한 높은 전도도 값의 사용으로 문제가 발생될 수 있을지라도, 실험은 70 mS/m까지의 전도도에서의 성형을 달성하였다. 인용된 전도도 값은 일반적으로 +/- 1　mS/m, +/- 0.5　mS/m 또는 심지어 +/- 0.1　mS/m이다.

● 열전달 유체의 가열은 단계 또는 상태의 적어도 하나, 바람직하게는 2개의 변화를 포함한다.

● RF의 사용은 열전달 유체가 액체 상태에 있을 때의 제 1 모드(이온 가열)에서의 열전달 유체의 가열 및 열전달 유체가 가스 상태에 있을 때의 제 2 모드에서의 열전달 유체의 가열을 야기하며, 여기서 제 1 모드에서의 가열이 지배적이어서 열전달 유체가 액체 상태에 있을 때 인가된 RF에 의한 가열이 대부분 발생한다. 따라서, 열전달 유체가 기화됨에 따라 열전달 유체(그리고 결과적으로 입자)의 가열은 자기-제한적이 된다.

● 제품의 성형에 사용된 열전달 유체의 질량(mass)은 성형품으로 형성되는 입자의 전체의 질량과 (1:1 비율 또는 바람직하게는 2:1 비율보다 작은 것과 같이) 비슷하거나 바람직하게는 작을 수 있다.

● 몰드 내에 위치한 열전달 유체의 양은 툴 캐비티의 리터당 1ml 내지 100ml이다.

● 열전달 유체가 기화되는 온도를 상승시키기 위하여, 몰드 내의 압력을 (일반적으로 0.5(bar)바로, 적어도 1바로, 바람직하게는 적어도 1.1 바로지, 잠재적으로는 3바까지 또는 심지어 5바 또는 그 이상으로) 상승시켜, 바람직하게는 열전달 유체가 액체 상태에 있음에 따라 그리고 바람직하게는 입자와 접촉 상태에 있음에 따라 입자의 가열의 적어도 일부가 발생하며, 더 바람직하게는 입자 외부 표면의 연화가 일어나는 대략적인 온도에서 열전달 유체가 기화되기 시작한다.

● 플레이트 전극은 밀봉에 대한 압력을 유지하도록 맞추어져 가열 및 성형 단계에서 기화된 열전달 유체로 인한 압력에 대응한다.

● 기화된 열전달 유체에 의하여 성형 전에 몰드로부터 공기의 제거, 예를 들어 밸브를 통한 또는 (전용 또는 예를 들어 파이핑) 공기 리저버로의 공기 벤트. 일부 예에서, 열전달 유체의 부분이 몰드 캐비티로부터 방출되는 것을 허용.

● 몰드 내의 압력의 제어에 의하여 적어도 부분적으로 몰드 내의 온도 제어, 잠재적으로 열전달 유체의 단지

● 성형품의 형성을 야기하기 충분한 시간 동안 상승된 압력과 온도의 유지.

● 툴의 내부와 외부 간의 교환을 관리하기 위하여 몰드의 다공성 표면 라이닝 사용.

● (원하는 압력에 의하여 나타날 수 있음에 따라 그리고 따라서 입자 융합 온도에 대응하는 온도가 달성됨에 따라) 입자의 융합(성형)이 일어난 직후에 몰드 내의 압력의 방출, 그로 인하여 비드가 팽창되고 몰드를 채우는 것을 허용.

● 물로 RF 전극 및 성형 툴의 냉각, 예를 들어;

o RF 시스템이 수직 또는 수평 프레스 방향일 때, 냉각수는 양 플래튼(platen)에 공급될 수 있다.

o 냉각수는 대안적으로 몰드 내의 성형된 부품으로 또는 몰드로부터 제거된 성형된 부품으로 공급될 수 있다.

o 냉각을 위하여 성형 툴은 물 재킷을 갖출 수 있어, 예를 들어 물 재킷은 그 주변에 탈이온화된 또는 증류된 물이 순환하는 채널을 가지며, 바람직하게는 재킷 내의 물은 냉각 후에 공기로 추출된다.

o 성형된 부분이 제거되면 공기 또는 물 블로워 또는 압축된 공기가 냉각을 위하여 사용될 수 있다.

● 성형 전에 비드로의 압력 적용에 의한 비드의 예비 처리에 의하여, 즉 기계적 수단(예를 들어, 압축 플레이트의 사용)에 의하여 또는 물리적 수단(예를 들어, 가압된 가스의 적용)에 의하여 입자 또는 비드 밀도를 제어하여, 가열될 때 팽창될 비드 내로 가스(일반적으로 공기)가 유입되어 비드를 팽창시킨다.

● 예를 들어 알루미늄 또는 뮬라이트와 같은 세라믹을 주조하고 구움으로써 또는 MICOR 또는 파이로필라이트와 같은 특수 세라믹을 가공함으로써 하나 이상의 세라믹, 폴리머 또는 글라스를 포함한 몰드의 제조. 후자는 기계적 특성을 개선하기 위하여 구워질 수 있는 기계적으로 가공 가능한(machinable) 세라믹이며, 구워지면 500℃ 이상의 작동 온도를 갖는다. 파이로필라이트는 대부분의 RF 주파수에서 다소 가열되어 몰드의 측부에 일부 가열을 부여할 수 있다.

● 제 2 몰드 재료는 융합 온도에서의 폴리프로필렌 비드 및 유체 혼합물의 손실률과 유사하거나 가까운 손실률을 갖는 재료 또는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 포함할 수 있다.

위에서 설명된 실시예에 기초한 다른 대안적인 실시예가 본 기술 분야의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

본 설명 및 (적절한 경우) 청구범위 그리고 도면에 개시된 각 특징은 독립적으로 제공될 수 있거나, 또는 어떤 적절한 조합 형태로 제공될 수 있다.

각 청구항에 나타난 도면 부호는 단지 실예이며, 청구항의 범위에 영향을 제한하는 것은 아니다.

Claims (46)

1. 발포 수지 입자로부터 성형품을 제조하는 방법에 있어서,
   한 쌍의 전극 사이에 위치한 몰드 내에 입자와 유전 열전달 유체를 위치시키는 것;
   전극 사이에 무선 주파수 전자기장을 발생시키는 것;
   몰드에 전자기장을 인가하여 열전달 유체와 입자를 유전적으로 가열시키는 것; 그리고
   표면이 유화되기 충분한 온도로 입자를 가열하는 것을 포함하여 입자들이 융합되고 그로 인하여 몰드의 형상과 같은 형상의 성형품이 형성되는 방법.
2. 제1항에 있어서, 무선 주파수 전자기장은 성형품의 평균 규격(또는 규격)보다 큰 파장을 갖는 방법.
3. 제1항 또는 제 2항에 있어서, 무선 주파수 전자기장은
   ⅰ) 300m 내지 1m의 파장;
   ⅱ) 1　MHz 내지 300　MHz, 1　MHz 내지 100　MHz, 1　MHz 내지 40　MHz, 또는 3　MHz 내지 30　MHz의 주파수;
   ⅲ) 산업적 가열을 위하여 IMS (산업, 과학 및 의료) 대역 내의 주파수; 및
   ⅳ) 성형품의 평균 규격보다 큰 1/4 파장 중 적어도 하나를 갖는 방법.
4. 제3항에 있어서, 무선 주파수 전자기장은 13.56 MHz, 27.12 MHz 그리고 40.68　MHz 중 어느 하나의 +/- 10 MHz 범위 내에 있는 주파수를 갖는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 열전달 유체가 가열되는 온도는 열전달 유체를 기화시키기 충분한, 선택적으로는 완전히 기화시키기 충분한 방법.
6. 제5항에 있어서, 열전달 유체의 기화 온도가 입자의 표면의 연화 온도이도록 또는 연화 온도와 비슷하도록 몰드 내 압력을 유지하는 것을 더 포함하는 방법.
   
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 인가된 무선 주파수 전자기장은 열전달 유체가 액체 상태에 있을 때 제 1 모드에서 그리고 선택적으로는 열전달 유체가 기체 상태에 있을 때 제 2 모드에서 열전달 유체의 가열을 야기하는 방법.
   
8. 제7항에 있어서, 인가된 무선 주파수 전자기장에 의한 제 1 모드에서의 열전달 유체의 가열은 제 2 모드에서의 가열에 대하여 지배적이어서 열전달 유체가 액체 상태에 있을 때, 바람직하게는 입자와 접촉 상태에 있을 때 열전달 유체의 가열이 대부분 일어나는 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드 내에 위치한 열전달 유체의 양은 몰드 캐비티의 체적에 따라 결정되며, 바람직하게는 캐비티의 리터당 1ml 내지 100ml, 보다 바람직하게는 2ml 내지 50ml, 더욱 바람직하게는 4ml 내지 25ml인 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드 내에 위치한 열전달 유체의 질량은 몰드 내에 위치한 입자의 질량에 의하여 결정되며, 바람직하게는 몰드 내에 위치한 열전달 유체의 질량은 입자의 질량의 0.1 내지 50배 범위 내, 0.125 배 또는 0.14 내지 20배 또는 25배, 0.25 내지 2배, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.25배인 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전달 유체는 물을 포함하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 물에 전도성 증가 불순물이 첨가되는 방법.
13. 제12항에 있어서, 전도성 증가 불순물은 염(salt)인 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 열전달 유체는 3　mS/m 이상의 전도도를 갖는 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 열전달 유체는,
    ⅰ) 입자와 동시에 몰드 내로 위치하며; 그리고/또는
    ⅱ) 몰드 내에 위치하거나 몰드 내로 주입되기 전에 입자와 예비 혼합되는 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 열전달 유체는 습윤제와의 조합 형태로 사용된 방법.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드 내의 압력 제어에 의하여 몰드 내의 온도를 적어도 부분적으로 제어하는 것을 더 포함하는 방법.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 성형 동안에 몰드를 상승된 압력에서 유지하는 것을 더 포함하되, 바람직하게는 상승된 압력은 3바까지, 바람직하게는 5바까지, 바람직하게는 2 내지 3바 또는 3 내지 5바인 방법.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 성형 전에 몰드를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 입자가 가열되는 상승된 온도는 80℃ 내지 180℃, 바람직하게는 105℃ 내지 165℃, 바람직하게는 110℃, 120℃, 130℃, 140℃까지 또는 150℃까지인 방법.
21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드 내의 상승된 압력 및 온도는 입자의 융합으로부터 성형품의 형성을 야기하기 충분한 시간 동안 유지되는 방법.
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 성형 전에 몰드 내의 입자를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 입자의 가압은 입자를 예를 들어 역압 충진에 의하여 바람직하게는 5 ~ 100중량%까지 기계적으로 또는 물리적으로 압축하는 것을 포함하는 방법.
24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 성형의 종료 전에 선택적으로 몰드로부터 공기를 제거, 바람직하게는 공기를 기화된 열전달 유체로 대체, 바람직하게는 밸브를 통하여 공기를 벤팅 또는 공기 리저버 내로 벤팅하는 것을 더 포함하는 방법.
25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 입자의 융합이 일어난 후 바람직하게는 입자의 융합이 일어나자마자 몰드를 감압하는 것을 더 포함하는 방법.
26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 기화된 열전달 유체를 몰드로부터 벤트하는 것을 더 포함하는 방법.
27. 제1항 내지 제26항 중 한 항에 있어서, 성형 후에 냉각 단계를 더 포함하되, 바람직하게는 냉각 단계는 하기 중 적어도 하나를 더 포함하는 방법.
    ⅰ) 가압된 가스를 몰드 내로 주입; 또는
    ⅱ) 몰드 또는 전극의 적어도 하나의 표면을 냉각, 바람직하게는 여기서 냉각 단계는 몰드 또는 전극의 적어도 하나의 표면을 따라 유체를 보내는 것을 포함.
28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 입자는 폐쇄 기포 발포체 입자를 포함하거나, 폐쇄 기포 발포체 입자로 이루어지거나, 또는 폐쇄 기포 발포체 입자인 방법.
29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 수지는 지방족 수지를 포함하거나, 지방족 수지로 이루어지거나 또는 지방족 수지인 방법.
30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 수지는 폴리올레핀을 포함하거나, 폴리올레핀으로 이루어지거나 또는 폴리올레핀인 방법.
31. 제30항에 있어서, 수지는 비방향족 폴리올레핀(즉, 폴리알켄)을 포함하거나, 비방향족 폴리올레핀으로 이루어지거나 또는 비방향족 폴리올레핀인 방법.
32. 제31항에 있어서, 수지는 폴리올레핀 및 폴리에틸렌을 포함하거나, 폴리올레핀 및 폴리에틸렌으로 이루어지거나 또는 폴리올레핀 및 폴리에틸렌인 방법.
33. 제31항에 있어서, 수지는 폴리프로필렌을 포함하거나, 폴리프로필렌으로 이루어지거나 또는 폴리프로필렌인 방법.
34. 제31항에 있어서, 수지는 폴리에틸렌을 포함하거나, 폴리에틸렌으로 이루어지거나 또는 폴리에틸렌인 방법.
35. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 수지는 코폴리머, 바람직하게는 폴리프로필렌 및 그 코폴리머 또는 폴리에틸렌 및 그 코폴리머를 포함하거나, 코폴리머, 바람직하게는 폴리프로필렌 및 그 코폴리머 또는 폴리에틸렌 및 그 코폴리머로 이루어지거나 또는 코폴리머, 바람직하게는 폴리프로필렌 및 그 코폴리머 또는 폴리에틸렌 및 그 코폴리머인 방법.
36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 가스를 입자 내로 도입하기 위하여 성형 전에 입자의 전처리에 의하여, 바람직하게는 입자를 선-가압하는 것에 의하여 입자 또는 비드를 제어하는 것을 더 포함하는 방법.
37. 제36항에 있어서, 입자는 몰드의 외부에서 선-가압되고 그후 몰드로 이송되며, 바람직하게는 입자는 상승된 압력에서 압력 탱크 내에 저장되는 방법.
38. 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드는 밀폐된 또는 부분적으로 밀폐된 캐비티를 포함하는 방법.
39. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드 재료는 플레이트와 전극 사이에서 발생된 무선 주파수 전자기장을 실질적으로 통과시키는 재료를 포함하며, 바람직하게는 몰드 재료는 ⅰ)폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리에테르이미드 또는 폴리테트라플루오로에틸렌와 같은 폴리머; 또는 ⅱ)알루미나, 물라이트, MICOR 또는 파이로필라이트와 같은 세라믹을 포함하는 방법.
40. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드는 플레이트 전극 사이에서 발생된 무선 주파수 전자기장을 실질적으로 투과시키지 않은 제 2 재료를 더 포함하며, 바람직하게는 제 2 몰드 재료는 몰드의 측벽 또는 라이닝을 형성하며, 성형 중에 있는 제품과 직접적으로 접촉하도록 맞추어진 방법.
41. 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 전극 플레이트는 유전체 또는 전기적으로 비도전성 스페이서 재료와 이격되어 있으며, 바람직하게는 스페이서 재료는 몰드의 적어도 하나의 측벽을 한정하며, 더욱 바람직하게는 몰드의 적어도 하나의 측벽은 플레이트 전극 내에 매립되어 있는 방법.
42. 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드 캐비티의 적어도 하나의 측부는 적어도 하나의 전극과 직접 접촉되어 있는 방법.
43. 제5항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 몰드는 열전달 유체의 기화로 인한 상승된 압력을 견딜 수 있도록 맞추어진 방법.
44. 입자로부터 성형품을 제조하는 장치에 있어서,
    한 쌍의 전극;
    전극 사이에 무선 주파수 전자기장을 발생시키기 위한 수단;
    전극 사이에 위치한 몰드; 및
    몰드에 전자기장을 인가하기 위한 수단을 포함하되,
    장치는 입자 표면을 유연하게 하기에 충분한 온도까지 몰드 내에 위치한 열전달 유체 및 입자를 유전적으로 가열하도록 맞추어져 있으며, 따라서 입자가 융합되어 몰드에 의하여 형상화된 바와 같은 성형품을 형성하며, 바람직하게는 장치는
    ⅰ) 예를 들어 크랙-충진 또는 역압-충진에 의하여 입자와 열전달 유체를 몰드 내에 위치시키기 위한 수단;
    ⅱ) 플레이트 전극;
    ⅲ) 입자를 압축하기 위한 수단; 또는
    ⅳ) 입자를 가압하기 위한 수단 중 적어도 하나를 더 포함하는 장치.
45. 제44항에 있어서, 전극 간의 간격은 처리되는 재료에 따라, 바람직하게는 가해진 전자기장의 특성을 변화시키기 위하여 조절 가능한 장치.
46. 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 또는 제45항 또는 제46항의 장치를 이용하여 얻어진 성형된 제품.

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