KR20180104665A - 입자 발포체 부품을 제조하는 장치 및 방법 - Google Patents

입자 발포체 부품을 제조하는 장치 및 방법 Download PDF

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빅터 로마노브
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쿠르츠 게엠베하
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Abstract

본 발명은 입자 발포체 부품을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 주형 챔버(14)를 한정하는 주형도구(3)를 포함하고, 적어도 2개의 커패시터 플레이트(15, 16)는 상기 주형 챔버에 인접하여 배치되고 RF 방사원(放射源)에 연결되며, 상기 RF 방사원은 RF 방사를 방출하도록 설계된다. 주형도구는 주형 챔버를 한정하는 내측 경계면의 영역에서 주형도구의 온도를 제어하는 수단 및/또는 내측 경계면에 대항하여 놓이는 주형도구 영역에 가열 매체를 공급하는 수단을 가진다.

Description

입자 발포체 부품을 제조하는 장치 및 방법
본 발명은 입자 발포체 부품을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
WO 2013/05081 Al은 발포 입자와 유전성 전달 액체의 혼합물이 전자기파에 의해 가열되어 발포 입자를 입자 발포체 부품으로 융해시키는, 입자 발포체 부품을 제조하는 과정을 개시한다. 전파 또는 마이크로파는 전자기파로 이용된다. 발포 입자의 소재는 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진다.
US 3,060,513은 습윤 열가소성 발포 입자를 소결하는 공정을 개시하고 있다. 입자들은 주형(鑄型)도구에서 유전적으로(dielectrically) 가열되고 동시에 압축된다. 전자기파는 2 내지 1000MHz의 주파수로 인가된다.
발포 입자가 수용액으로 습윤되고 5 내지 100MHz의 주파수로 전자기장에 노출되는 유사한 공정이 US 3,242,238에 설명되고 있다.
GB 1,403,326는 입자가 수용액으로 습윤되고 5 내지 2000MHz의 전자기장에 노출되는, 팽창 가능한 폴리스티렌 발포 입자의 융해 공정을 설명하고 있다.
WO 01/64414 A1은 액체 매질에 적셔진 폴리올레핀(polyolefin)의 폴리머 입자들이 전자기파, 특히 특정 마이크로파로 가열되는 또 다른 공정을 개시하고 있다. 주형도구에서의 온도는 내부 압력을 조절함으로써 조절된다.
상기 공정들에 있어서, 습윤 발포 입자들은 전자기파로 가열되고, 이로 인해, 되는 전자기 에너지는 액체에 의해 흡수되어 입자로 전송된다.
US 5,128,073에서는 고주파 에너지 흡수물질로 코팅된 열가소성 입자의 제조를 개시한다. 이러한 입자들은 전자기파로 가열될 수 있고, 이로 인해, 코팅은 전자기 에너지를 내주고 그것을 발포 입자에 방출한다. 40MHz 내지 2450MHz 범위의 전자기파는 발포 입자를 융해하는데 이용된다.
이러한 공정들은 수십 년 동안 공지되었음에도 불구하고 실제로는 발휘될 수 없었다. 이에 대한 다양한 이유들이 있다. 이러한 방법들은 실험실 샘플에 대해서 양호하게 작동한다. 하지만, 산업 생산으로의 전환은 아직 성공적이지 못했다. 이에 대한 중요한 이유는 열이 발포 입자에 균일하게 유입될 수 없기 때문이다. 이는 입자 발포체 부품에서의 균일한 융해를 방해한다.
따라서 실제적으로는, 발포 입자들은 거의 유일하게 건조 포화 증기를 이용하여 융해되며, 이는 예를 들어 WO 2014/128214 A1를 통해 공지되어 있다. 증기로 융해하는 것에 비하여, 전자기파 융해는 그 원리에 기인한 상당한 장점을 가지고 있을지라도 전자기파로 융해하는 것 자체는 실제로 구현될 수 없었다. 전자기파를 이용하면, 에너지가 훨씬 정확하게 전달될 수 있어서, 보조 기관을 가열할 필요가 없다. 증기를 이용하면, 우선 증기 생성기에서 증기가 생성되어야 한다. 그 다음, 그 증기는 파이프를 통해 공구로 공급되어야만 한다. 모든 이러한 부품들은 증기가 그 부품들에 응축되지 않을 정도로 충분히 높은 온도로 가열되어야 하며, 이는 상당한 열 손실을 야기한다. 또한, 증기 생성 장치 및 증기관(蒸氣管)은 입자 발포체 부품 제조 장치에 있어서 설치 챔버(chamber)의 대부분을 차지한다. 만약 발포 입자를 융해하는데 증기가 필요 없다면, 전체 장치는 훨씬 작게 만들 수 있을 것이다.
본 발명은 팽창 가능한 열가소성 발포 입자가 효율적이고 신뢰성있게 융해될 수 있는, 입자 발포체 부품 제조 장치 및 공정을 생성하는 작업에 기반을 두고 있다.
본 발명의 목적은 독립항의 발명의 요지에 의하여 달성된다. 유리한 실시의 예들은 다음의 설명에서 명시된다.
본 발명의 제1특징에 따른 입자 발포체 부품을 제조하기 위한 장치는 주형 챔버를 정의하는 주형도구를 포함한다. 적어도 2개의 커패시터 플레이트가 주형 챔버에 인접하여 배치되고, 상기 플레이트는 RF 방사원(放射源)에 연결된다. 상기 RF 방사원(放射源)은 RF 방사를 방출하도록 설계되고, 주형도구는 주형 챔버를 한정하는 내측 경계면의 영역에서 주형도구의 온도를 제어하는 수단 및/또는 내측 경계면에 대항하여 놓이는 주형도구 영역에 가열 매체를 공급하는 수단을 가진다.
이러한 수단은 주형도구의 주형 챔버의 경계면의 영역을 템퍼링(tempering)하거나 주형 챔버에 위치한 발포 입자의 추가 가열용 가열 매체를 공급한다. 이는 발포 입자를 입자 발포체 부품에 융해시키는 경우 발포 입자의 불균일 한 가열을 보상할 수 있다. 열이 전자기 방사, 특히 RF 방사뿐만 아니라 마이크로파 방사에 의해 유입되는 경우, 가장 집중적인 에너지는 일반적으로 주형 챔버의 가장자리 영역으로 유입되는 것이 아니라 주형 챔버의 내부로 유입된다. 또한 발포 입자는 매우 우수한 단열재인데, 이는 열이 발포 입자들 사이에 단지 서서히 분포되는 이유이다. 특히 입자 발포체 부품의 가장자리에서 상당한 온도 차이가 발생할 수 있다. 이러한 온도 차이는 주형 챔버의 가장자리에서 주형도구, 발포 입자, 또는 융해된 입자 발포체 부품의 추가적인 온도 조절에 의하여 보상될 수 있으며, 이로 인해 입자 발포체 부품의 균일한 융해가 달성된다. 이 가장자리 영역은 통상적으로 입자 발포체 부품의 발포 입자의 하나, 둘 또는 몇 개의 층을 포함한다.
전자기 RF 방사는 바람직하게는 적어도 30KHz 또는 적어도 0.1MHz, 특히 적어도 1MHz 또는 적어도 2MHz, 바람직하게는 적어도 10MHz 의 주파수를 가진다.
전자기 RF 방사는 바람직하게는 300MHz의 최대 주파수를 가진다.
발포 입자는 균일한 물질 또는 동질의 물질로 이루어질 수 있다.
발포 입자는 주형도구에서 압축 가능하다. 여기서, 압축은 발포 입자가 융해에 필요한 가열로 인해 주형도구에서 발생하는 열팽창의 영향 없이 기계적으로 압축된다는 것을 의미한다. 발포 입자는 예를 들어 압력 또는 역압(逆壓)하에 발포 입자로 주형도구를 충전함으로써 압축될 수 있다. 압축은 이미 발포 입자로 채워진 주형도구의2개의 절반부를 함께 가압하여 이루어질 수도 있다. 충전시 압축가능 주형 절반부를 가지는 이러한 주형도구는 균열 간격 주형 도구로 불린다.
바람직하게는 주형도구 내의 발포 입자의 온도가 측정된다. 전자기 RF 방사에 의한 열의 공급은 측정된 온도의 함수로서 조절될 수 있다. 온도 측정은 광 섬유 온도 센서뿐만 아니라 전기 온도 센서에 의하여 수행가능하다.
주형 기둥 또는 도구의 표면을 한정하는 주형 챔버는 템퍼링(tempered)될 수 있다. 제조되는 입자 발포체 부품의 크기 및 이용된 플라스틱 소재에 따라 다른 온도가 설정될 수 있다. 주형도구는 바람직하게는 약 50℃ 내지 약 150℃ 범위의 온도로 템퍼링된다.
발포 입자를 입자 발포체 부품에 융해한 후, 안정화될 수있다. 안정화는 입자 발포체 부품을 상기 도구에 유지시킴으로써 이루어지며, 이로써 도구는 개방 되지 않으며 주형 기둥의 형상은 변하지 않고 유지된다. 안정화 동안, 열은 입자 발포체 부품 내에 고르게 분포될 수 있고 입자 발포체 부품은 또한 천천히 냉각될 수 있다.
바람직하게는, 융해 전, 융해 중 및/또는 융해 후에 주형도구에 진공이 가해진 다. 이는 주형 기둥 및 융해되는 플라스틱 소재로부터 주로 수분을 제거한다.
상기 주형도구는 바람직하게는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌, 특히 UHMWPE, 폴리에테르케톤(PEEK) 및 RF 방사에 투과적인 다른 물질과 같은, 이용된 전자기 RF 방사에 본질적으로 투과적인 물질로 제조된다.
주형도구는 상이한 재료로 제조될 수 있다. 특히, 주형도구로 처리되는 팽창 가능한 고분자 재료의 손실 계수와 유사하거나 동일한 손실 계수를 가지는 물질층이 주형도구의 표면 또는 주형 챔버 경계면에 인접하여 구비될 수 있다. 이는 팽창되는 고분자 재료와 유사한 경계면의 영역에서 주형도구를 가열한다.
주형도구를 형성하는 소재 및 팽창 가능한 고분자 재료의 상이한 열용량에 기인한 전자기 방사의 영향 하에서 온도에 있어서 상이한 손실 계수들이 실질적으로 동일하거나 유사한 변화를 야기한다면, 상이한 손실 계수들은 주형도구의 소재 및 처리되는 팽창 가능한 고분자 재료의 유사하거나 동일한 전기적 손실 계수로서 이해된다. 주형도구는, 일반적으로 사전 팽창 가능한 중합체 입자보다 훨씬 높은 밀도를 갖는 비-다공성 또는 약간 다공성인 소재로 통상 제조된다. 이러한 조밀한 소재는 일반적으로 발포성 소재보다 훨씬 높은 열용량을 가진다. 그 결과, 발포성 고분자 재료와 유사한 온도 증가를 달성하기 위해서 체적당 상당히 많은 열을 필요로 한다. 다른 한편으로는, 전자기 복사의 흡수는 비-고밀도 발포성 소재보다 밀도가 보다 높은 소재에서 훨씬 더 높다. 보다 높은 밀도에 의한 보다 높은 흡수의 효과 및 보다 높은 밀도에 의한 보다 높은 열용량의 효과는 항상 정확히 상쇄되는 것은 아니므로 처리되는 팽창 가능한 고분자 재료의 손실 계수와 단순히 유사하지만 상이한 전기적 손실 계수를 가지는 주형도구의 소재는, 전자기 방사에 노출되는 경우, 본질적으로 동일한 온도 증가를 초래할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 의미에서, "유사한 전기적 손실 계수"는 다른 밀도 효과(열용량, 전자기 복사 흡수)로 인해 실질적으로 동일하거나 단지 약간 다른 온도 변화를 야기하는 상이한 손실 계수들을 의미하는 것으로도 이해된다.
전기적 손실 계수는 온도에 좌우되므로, 해당 소재가 일정한 온도 범위에 정합(整合)되어야 한다. 이러한 온도 범위는 주로 발포 입자의 융해가 수행되는 온도 범위이다. 이러한 온도 범위는 보통 발포 입자의 소재의 연화 온도 또는 용융 온도보다 약간 높다. 소재의 조정은 열이 전자기 복사에 의해 소재에 공급되고 시간이 지남에 따라 온도가 기록되는 간단한 테스트로 수행될 수 있다. 주형도구의 소재를 개별적으로 정합시키기 위해, 물질층에 상이한 전기적 손실 계수를 제공하는 것도 가능하다. 이러한 방식으로, 전기적 손실 계수 및 기계적 강도 모두가 각 요구사항에 적용가능하다.
전자기 RF 방사를 생성하기 위해 2개 이상의 커패시터 플레이트(capacitor plates)가 구비되는데, 이와 달리 전기적 절연 물질로 만들어진 주형도구 상에 배열된다. 진폭이 적어도 1kV, 바람직하게는 적어도 10kV, 특히 적어도 20kV인 고주파 전압이 커패시터 플레이트에 인가된다.
주형도구는 각 커패시터 플레이트들 사이의 영역에서 상이한 두께를 가질 수 있으므로, 주형 챔버(chamber)는 3차원 윤곽 내측 경계면에 의해 한정된다. 이는 3차원 윤곽 입자 발포체 부품 생산을 가능하게 한다. 3차원 윤곽 경계면은 평평한 면이 아닌 표면이다. 이러한 주형도구 설계는, 본질적으로 모든 곳에서 발포 입자의 동일한 밀도를 가지는 입자 발포체 부품을 제조하는데 특히 유리하다. 이러한 설계는, 주형도구가 처리되는 팽창 가능한 고분자 재료와 동일하거나 유사한 손실 계수를 가지는 경우 특히 유용하며, 이러면, 제조될 입자 발포체 부품의 두께에 관계없이 본질적으로 동일한 온도가 전자기파가 가해지는 모든 곳에서 설정된다. 전자기파를 흡수하지 않는 주형에서는, 제조되는 입자 발포체 부품이 다른 영역보다 더 두꺼운 두께 또는 더 높은 밀도를 가지는 영역이 더 강하게 가열된다.
바람직한 설계에 따르면, 상기 주형도구는 상기 내측 경계면의 적어도 일부를 형성하고 가열 유체를 공급하는 장치와 연통하는 다공성 성형 몸체를 가진다. 예를 들어, 뜨거운 증기는 가열 유체로 이용된다. 다공성 성형 몸체에 뜨거운 증기를 공급함으로써, 다공성 성형 몸체 자체가 템퍼링되고, 증기는 다공성 성형 몸체의 기공을 통해 주형 챔버 내로 관통하여 주형도구로 제조되는 발포체 부품의 표면 영역을 가열할 수 있다. 다공성 성형 몸체는 가열된 유체가 성형 몸체의 영역 위로 고르게 빠져 나갈 수 있도록 설계된다. 그러나, 성형 몸체의 기공을 통해 형성된 유동 단면은 발포 입자가 오로지 증기로 가열되는 종래의 주형도구보다 훨씬 작다. 이 다공성 성형 몸체는 입자 발포체 부품에 열을 표면적으로 공급하는 역할만 한다.
주형도구는 가열 유체를 공급 또는 가열 유체를 통과시키기 위한 적어도 하나의 채널을 가질 수 있다. 이는 주형도구 자체가 템퍼링되도록 한다. 그러나, 상기 채널은 또한, 전술한 다공성 성형 몸체에서와 같이, 주형 챔버로 통하는 개구부에 연결될 수 있어, 가열 유체가 주형 챔버로 들어간다. 경계면에 걸쳐 분포되는 다양한 개구부가 제공되는 경우, 가열 유체의 유량이 적더라도 입자 발포체 부품의 표면이 고르게 가열되는 것이 바람직하다.
상술한 설계를 통해, 특히 증기를 주형 챔버로 공급할 수 있다. 주형 챔버로 공급된 물은 또한 RF 방사를 흡수하여 열로 변환할 수 있다. 그러나, 공급되는 가열 유체의 양은 발포 입자가 주로 RF 방사의 직접 흡수에 의해 가열되도록 작은 것이 바람직하다. 바람직하게는, RF 방사의 직접 흡수에 의해 공급된 열량은 주형 챔버에 공급된 총 열량의 적어도 50%, 바람직하게는 주형 챔버에 공급된 총 열량의 적어도 75%, 특히 주형 챔버에 공급된 총 열량의 적어도 90%이다.
주형도구의 내측 경계면을 템퍼링하는 또 다른 방법은 RF 방사에 투과적이지 않는 물질층을 내측 경계면에 구비하는 것이다. 이 층을 수동 가열층이라고 한다. 상기 수동 가열층은 RF 방사에 대해 투과적이지 않는 온도 안정적인 소재로 만들어질 수 있다. 적절한 소재는 상응하는 플라스틱 또는 아철산염(ferrite)이다.
주형도구의 내측 경계면을 템퍼링하기 위해, 전기 가열 장치가 대안적으로 또는 추가적으로 주형도구에서 주형도구의 내측 경계면에 인접하여 배치될 수 있다. 전기 가열 장치는 바람직하게는 주형도구의 내측 경계면에 인접하게 배치되는 하나 이상의 가열 와이어(wire)를 가진다. 가열 와이어는 지그재그 또는 물결 모양의 라인으로 배열될 수 있어 경계면의 평평한 영역이 단일 가열 와이어로 가열될 수 있다. 상기 가열 와이어(들)는 가열 와이어를 가열하기 위해 전류를 인가할 수 있는 전원에 연결된다.
가열 와이어는 또한 내측 표면의 범위에서 주형도구의 온도를 측정하는데 이용될 수 있다. 이를 위해, 여기서 관련되는 60℃ 내지 250℃의 온도 범위에서 전기 저항이 크게 변하는 가열 와이어가 바람직하게 이용된다.
RF 방사를 인가하는 동안, 가열 와이어(들)는 가능한 한 전원으로부터 멀리 분리되어, 제어되지 않은 전류가 전원에 의해 폐쇄된 회로에서 RF 방사를 통해 흐를 수 없다. 그럼에도 불구하고, RF 방사는 가열 와이어의 교번 전하 이동(charge shift)을 야기할 수 있으며, 이는 가열 와이어의 일정한 가열을 유발한다. 이것은 주형 챔버를 템퍼링할 때 고려되어야 한다. 바람직하게는, 가열 와이어들은 RF 방사의 등전위면에 배치되어, 가열 와이어(들)에 전류가 유도되지 않는다. 이러한 등전위 표면은 일반적으로 커패시터 플레이트와 평행하게 진행된다.
입자 발포체 부품의 가장자리 영역을 추가로 가열함으로써, 표면 범위의 입자 발포체 부품이 추가 가열에 의해 신뢰성있게 융해되는 것을 보장할 수 있다.
또한, 주형도구의 내측 경계면을 추가로 가열함으로써, 실제 융해 또는 소결 공정 전에 소정의 재현 가능한 시작 온도로 주형도구를 가열하여 각각의 입자 발포체 부품의 생산이 주형도구의 내측 경계면과 동일한 온도에서 시작된다. 이는 입자 발포체 부품의 이러한 제조 공정을 상당히 안정화시킬 수 있다. 주형도구가 직전에 수행된 융해 또는 소결 공정으로부터 이미 가열되었다면, 예열이 필요하지 않거나 단지 약간의 예열만이 필요하며, 반면에 실온의 주형도구는 우선 시작 온도까지 가열되어야 한다. 상기 시작 온도는 일반적으로 융해되는 소재의 연화 온도보다 낮은 10℃ 내지 50℃의 범위이다.
이러한 표면 형성은 또한 주형도구 내로 필름을 삽입함으로써 대안적으로 형성될 수 있으며, 이에 의해 필름은 입자 발포체 부품과 융해되고 표면을 경계 짓는 층을 형성한다. 필름은 발포 입자보다 밀도가 높아 이는 필름이 발포 입자보다 전자기 RF 방사를 더 많이 흡수하는 것을 의미한다. 이로 인해 필름이 더 강하게 가열되고 입자 발포체 부품의 외부 발포 입자와 융해한다. 상기 필름은 바람직하게는 발포 입자와 동일한 소재 또는 발포 입자의 소재와 유사한 연화 온도를 갖는 소재로 제조된다.
주형도구의 커패시터 플레이트는 주형도구의 내측 경계면의 윤곽에 맞출 수 있다. 서로 마주하는 커패시터 플레이트들 사이의 거리는 바람직하게는 모든 곳에서 거의 동일하다. 커패시터 플레이트를 주형도구의 내측 경계면의 윤곽에 맞춤으로써, 입체적으로 윤곽이 잡히고 3개의 모든 공간 방향으로 상당히 연장될 수 있는 입자 발포체 부품이 형성된다 하여도, 2개의 커패시터 플레이트들 사이의 거리는 작게 유지될 수 있다. 이것은 특히 상자, 구 형상의 세그먼트 쉘(shell) 등과 같은 쉘 형상의 몸체에 적용된다.
커패시터 플레이트는 3차원 윤곽 형상을 가질 수 있으며, 사용 시에 발포 입자가 다른 영역보다 더 치밀화되는 주형 챔버의 영역을 향하는 커패시터 플레이트의 부분은 상기 발포 입자가 덜 치밀화되는 주형 챔버의 영역을 향하는 커패시터 플레이트의 부분보다 주형 챔버로부터 더 멀리 떨어져 있다. 발포 입자는 주형도구에서 밀도가 더 높게 압축될수록 더 많은 에너지를 흡수하는 것으로 나타났다. 이는 서로 다른 가열을 야기할 수 있다. 이러한 설계에서, 이는 커패시터 플레이트들의 서로 다른 섹션(section) 사이의 거리를 조절하여 전자기장을 형성함으로써 방지되어, 상기 전자기장은 발포 입자의 낮은 압축 영역보다 발포 입자의 높은 압축 영역에서 더 낮은 세기를 가진다.
커패시터 플레이트는 일체형 3차원 윤곽을 가질 수 있지만, 커패시터 플레이트는 여러 세그먼트로 구성될 수도 있다. 여러 개의 세그먼트는 주형 챔버까지의 거리를 서로 독립적으로 조절 가능하다. 이 설정은 커패시터 플레이트의 섹션들의 위치를 고정하기 위한 대응하는 고정 소자로 반복 가능하다. 상기 조절은 또한 한 번만 할 수도 있다. 그에 따라 캐패시터 플레이트의 섹션들 또는 예를 들어 로드(rod)처럼 그 위에 배열된 소자들이 플라스틱 몸체로 주조된다.
커패시터 플레이트는 또한 입자 발포체 부품의 제조 후에 주형도구의 목표 냉각을 위해 이용될 수 있다. 바람직하게는, 커패시터 플레이트는 냉각 소자를 가진다. 냉각 소자는 팬(fan)에 의해 냉각 공기가 활발하게 공급되는 냉각 핀(fin)일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로 냉각 소자는 커패시터 플레이트에 결합되는 냉각 라인(lines)이 될 수 있다. 물 또는 기름과 같은 냉각 매체는 필요한 경우 냉각 라인을 통과하여 커패시터 플레이트를 냉각시킨다. 커패시터 플레이트는 조절 장치를 이용하여 자동적으로 주형도구의 몸체와 접촉 가능하여, 주형도구의 몸체에 담긴 열이 커패시터 플레이트를 통해 소산(消散) 된다. 가열하는 동안, 커패시터 플레이트는 이들 몸체로부터 들어 올려질 수 있어 주형도구의 몸체의 원하지 않는 냉각을 방지한다.
커패시터 플레이트에 의한 주형도구의 냉각은 폐쇄 제어 루프에서 주형도구의 온도를 측정함으로써 제어가능하다. 전술한 가열 와이어는 온도 센서로서 이용될 수 있다.
상술한 장치에 의해, 입자 발포체 부품은 주형도구에서 발포 입자를 가열하여 입자 발포체 부품에 융해시킴으로써 제조될 수 있다. 열은 전자기 RF 방사에 의해 발포 입자들에 공급된다. 발포 입자는 RF 방사를 충분히 흡수하는 소재로 제조되어 융해될 정도로 가열된다. 하지만, 전자기 복사를 흡수하고 발포 입자들이 함께 융해될 정도로 가열되는 물과 같은 열 전달 매체는 발포 입자들 사이에 구비될 수 있다. 예를 들어, ePP(팽창 가능한 폴리프로필렌) 또는 ePS(팽창 가능한 폴리스티렌)와 같은 소재의 경우, 이러한 소재들은 전자기 복사를 약간만 흡수하기 때문에 열 전달 매체를 추가하는 것이 바람직하다.
전자기 방사는 바람직하게는 RF 방사로서 공급된다. 원칙적으로, 특히 작은 입자 발포체 부품의 경우, 마이크로파 방사를 이용할 수도 있다. 마이크로파 방사의 불리한 점은 마이크로파가 정상파(定常波)를 형성하여 국부적으로 다른 양의 열이 유입된다는 것이다. 이는 더 큰 입자 발포체 부품에 특히 불리하다. 왜냐하면 정상파의 노드 범위 내에서의 열 입력은 종종 낮고 완전히 융해되지 않기 때문이다. 물과 같은 유전성 열 전달 매체의 이용 또한 불리하다. 하지만, 특정 고분자 재료의 경우, 퓨즈를 수행할 수 있을 필요가 있다.
상기 발포 입자는 RF 방사의 직접 흡수에 의해 주로 가열되는 경우, 즉 열이 가열되지 않거나 RF 방사를 흡수하여 발포 입자로 방출하는 물과 같은 열 전달 매체에 의하여 단지 작은 정도로 가열되는 경우, 160℃ 이상, 특히 170℃ 이상 또는 180℃ 이상, 바람직하게는 200℃ 이상의 온도가 주형도구에서 생성가능 하고 발포 입자는 이러한 온도에 융해 가능 하다. 이는 WO2014/128214 A1에서 공지된 바와 같이 열이 건조 포화 증기에 의해 전달되는 종래의 공정을 이용하여서는 융해될 수 없는 팽창 가능한 고분자 재료의 발포 입자의 융해를 가능하게 한다. 이것은 거품 입자를 증기와 융해시키는 종래의 공정을 이용하여 융해될 수 없는 소재로부터 입자 발포체 부품을 제조하는 것을 가능하게 한다. 입자 발포체 부품을 제조할 수 있는 완전히 새로운 가능성이 열리고 이전에 알려지지 않은 특성을 지닌 입자 발포체 부품의 제조가 가능하다.
주로 RF 방사의 직접 흡수에 의한 발포 입자의 가열, 즉 열이 전달되지 않거나 RF 방사를 흡수하여 발포 입자로 방출하는 물과 같은 열-중재 유전 매체를 통해 단지 작은 정도로 전달되는 것은 이하에서 "직접 가열"이라 칭한다.
전기적 손실 계수는 특정 고분자 재료에 대해 온도 의존적이다. 온도가 높을수록 전기적 손실 계수가 높아진다. ePES(팽창 가능한 폴리에테르설폰) 또는 팽창 가능한 폴리아미드와 같은 소재의 경우, 전기적 손실 계수의 온도 의존이 매우 뚜렷하다. 이러한 소재의 경우, 직접 가열로 가열하기 전에 예열하는 것이 유용할 수 있다. 이러한 예열은, 증기, 특히 건조 포화 증기를 공급하고, 전자기 방사를 흡수하여 발포 입자의 예열로 이어지는 물과 같은 유전성 열 전달 매체를 추가함으로써 일어날 수 있다. 유전성 열 전달 매체로 예열하는 것은 전자기 방사, 특히 전자기 RF 방사가 열전달 매체로 예열하는 것과 발포 입자가 융해되는 직접 가열 모두에 이용될 수 있기 때문에 특히 효율적이다.
직접 가열의 경우, 전자기 방사에 의해 열 공급을 조절하는 것이 바람직하다. 이 조절은, 예를 들어, 온도 센서에 의해 주형 챔버에 기록된 온도에 기초하여 수행될 수 있다. 이 온도 센서는 바람직하게는 광섬유 온도 센서이다. 하지만, 공급된 열은 또한 커패시터에서의 전력 출력 또는 전압 변화에 기초하여 측정될 수 있다. 더 많은 전력이 소모되거나 융해되는 플라스틱 소재의 전기적 손실 계수가 커질수록 전기적 손실은 증가한다. 큰 전기적 손실의 경우, 전자기파, 특히 RF 방사에 대한 발전기의 최대 전력이 호출될 수 있다. 전기적 손실의 추가적인 증가로, 전압은 발전기의 제어 장치에 의해 감소되어 발전기의 과부하를 방지한다. 커패시터에서의 전압을 검출함으로써, 장치가 정상 부하 상태 또는 제한 부하 상태에서 동작하는지 여부를 판단할 수 있다. 제한 부하 상태에서, 전원 입력은 발전기의 최대 전력에 해당한다.
원칙적으로, 전력은 커패시터에 존재하거나 흐르는 전압 및 전류에 의해 결정된다. 이것들은 측정 가능 하고, 열 출력에 대응하는 전력은 이것으로부터 결정될 수 있다.
본 발명과 그 이용에 의하여 달성되는 작동 장점 및 특정 목적을 보다 잘 이해하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시 예들이 도시된 첨부 도면 및 설명을 참조한다.
도1은 입자 발포체 부품 제조 장치의 일 예를 개략적으로 도시한다.
도2 내지 6은 입자 발포체 부품 제조 장치용 상이한 도구들을 각각 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도7a 내지 7k는 RF방사에 의한 융해에 의해 제조되는 입자 발포체 부품을 도시한다.
입자 발포체 부품 제조 장치(1)는 재료 용기(2), 주형도구(3) 및 재료 용기(2)로부터 주형도구(3)로 이어지는 라인(4)을 포함한다.
재료 용기(2)는 풀린(loose) 발포 입자를 붙드는 역할을 한다. 재료 용기(2)는 바닥부(5)를 가지며, 이에 의해 바닥 영역의 압축 공기 라인(6)을 통해 압축 공기 공급원(7)에 연결된다. 압축 공기 라인(6)은 바닥부(5)에 배열된 수 개의 노즐(도시되지 않음)에 연결되어, 수 개의 공기 흐름(= 유동화 공기)이 재료 용기(2) 내로 유입될 수 있으며, 이 공기 흐름은 그 안에 담겨 있는 발포 입자를 소용돌이치게 하여 분리시킨다.
재료 용기(2)의 바닥부(5) 영역에는 전달 라인(4)이 연결되는 개구부가 있다. 상기 개구부는 슬라이드(도시되지 않음)로 폐쇄될 수 있다.
재료 용기에 인접하여, 전달 라인(4)에 제트 노즐(8)이 있다. 추진 노즐(8)은 다른 압축 공기 라인(9)에 의해 압축 공기 공급원(7)에 연결된다. 이 추진 노즐(8)에 공급된 압축 공기는 추진 노즐(8)을 통해 전달 라인(4)에 진입하고 주형도구(3)의 방향으로 흐르면서 추진 공기 역할을 한다. 이는 재료 용기(2)를 향하는 측면에서 노즐(8)에 진공을 생성하는데, 이는 재료 용기에서 발포 입자를 흡입한다.
전달 라인(4)은 주형도구(3)에 결합된 충전 분사기(10)내로 들어간다. 충전 분사기(10)는 다른 압축 공기 라인(11)을 통해 압축 공기 공급원(7)에 연결된다. 충전 분사기(10)에 공급된 압축 공기는 한편으로는 주형도구(3)의 방향으로 압축 공기에 의해 발포 입자의 유동을 가함으로써 주형도구(3)를 채우기 위해 이용된다. 다른 한편으로는, 분사기(10)에 공급된 압축 공기는 또한 주형도구(3)에서의 충전 공정이 완료되는 경우 전달 라인(4)으로부터 재료 용기(2) 내로 발포 입자를 역류시키는 데에 이용 가능하다.
주형도구(3)는 2개의 주형 절반부(12, 13)로 이루어진다. 주형도구의2개의 절반부 사이에는, 충전 분사기(10)가 발포 입자의 유입을 위해 개방되는 하나 이상의 주형 챔버(14)가 있다. 상기 주형 챔버(14)의 체적은 주형 절반부(12, 13)를 폐쇄함으로써 감소될 수 있다. 주형 절반부(12, 13)가 분리되는 경우, 주형 절반부(12, 13)들 사이에 크랙 갭(crack gap)이라고 불리는 갭이 형성된다. 이러한 이유로, 이러한 주형도구(3) 또한 크랙-갭 주형도구라고 불린다.
장치(1)는 종래의 입자 발포체 부품 제조 장치에서 통상적인 것처럼, 증기 발생기를 가지고 있지는 않으며 주형 챔버(14)로 증기를 공급하지 않는다. 수분은 발포 입자의 재료에 함유된 잔류 수분 및 주형 챔버(14) 내의 압축 공기에 함유된 수분을 통과할 수 있다. 하지만, 장치(1)는 또한 증기 발생기 및 주형 챔버(14) 및/또는 전달 라인(4)으로의 증기 공급으로 설계될 수 있어 발포 입자를 가열하기 위한 주형 챔버(14)로 건조 포화 증기를 공급하고/하거나 재료 용기(2)로부터 주형 챔버(14)로의 이송시에 발포 입자를 습윤시킨다. 재료 용기(2) 내의 발포 입자는 재료 용기(2) 내에 배치되어 물을 분무하는 대응 노즐들을 이용하여 액체 형태의 물로 습윤될 수 있다.
커패시터 플레이트(15, 16)는 주형 절반부(12, 13)들에 각각 배열된다. 이러한 각 커패시터 플레이트는 전기 전도성이 좋은 소재, 예를 들어, 구리 또는 알루미늄으로 이루어진다. 상기 충전 분사기(10)는 주형 절반부(13)상에 배치된다. 충전 분사기(10)는 주형 절반부(13)에 장착 되는 캐패시터 플레이트(16)의 리세스(recess)를 통해 연장된다.
커패시터 플레이트(15, 16)는 고주파 전압 전송을 위해 전기 라인(17)을 통해 AC 전압원(18)에 연결된다.
주형 절반부(12, 13) 각각은 예를 들어 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌, 특히 UHMWPE, 폴리에테르케톤(PEEK)과 같은 전기적으로 비전도성이고 본질적으로 전자기 RF방사에 투과적인 소재로 만들어진 베이스(base) 몸체를 가진다. 커패시터 플레이트(15, 16)만이 전기 전도성이다. "실질적으로 투과적인 소재"는 전자기 방사에 의해 투과될수 있는 소재이다. 하지만, 이 소재는 전자기 RF 방사에 대한 특정 흡수성으로 특별히 설계될 수 있어서 전자기 RF 방사의 일부를 열로 변환시켜 주형 절반부(12, 13)를 가열한다. 이에 대해서 보다 자세히 설명한다.
주형도구는 진공 펌프(31)에 선택적으로 연결될 수 있어서, 주형 챔버(14)에 진공이 가해질 수 있다. 이러한 음압은 주형 챔버(14) 내에 함유된 수분이 제거되도록 한다.
커패시터 플레이트(15, 16)는 바람직하게는 냉각 장치를 구비한다. 본 설계 예에서, 상기 냉각 장치는 주형 챔버(14)로부터 멀어지는 방향으로 커패시터 플레이트(15, 16)의 측면으로 냉각 공기를 안내하는 팬(fan)(32)에 의해 형성된다. 냉각 효과를 증가시키기 위해, 냉각 핀(33)이 커패시터 플레이트(15, 16)에 구비된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 냉각 매체가 통과하는 커패시터 플레이트(15, 16)에 냉각 라인이 배열될 수 있다. 바람직한 냉각 매질은 액체, 예를 들어, 물 또는 기름이다.
이하, 상기 장치로 입자 발포체 부품을 제조하는 공정을 설명한다.
이 방법은 다음 단계들을 포함한다.
- 주형 챔버(14) 충전 단계
- 발포 입자의 융해 단계
- 안정화 단계(선택적)
- 탈형(demolding, 脫型) 단계
- 도구 세척 단계(선택적)
주형 챔버(14)를 충전하기 위해, 재료 용기의 바닥부(5)의 영역에서 압축 공기 라인(6)을 통해 공기가 송풍되어 그 안에 함유된 발포 입자를 소용돌이치게하여 분리시킨다. 동시에, 추진 공기는 또한 추진 노즐에 공급되어서 2개의 발포 입자가 재료 용기로부터 전달 라인(4)으로 흡입되어 추진 공기와 함께 주형도구(3)의 방향으로 이송된다. 주형 챔버(14)가 폐쇄됨으로써 주형 절반부(12, 13)는 크랙 갭(crack gap)에 의해 완전히 붕괴되거나 구획화될 수 있다.
재료 용기(2)의 슬라이드는 연달아 개폐될 수 있다. 개방 및 셔터 속도는 일반적으로 500ms에서 1s범위이다. 슬라이더의 이러한 주기적인 개폐에 의해, 발포 입자는 재료 용기(2)로부터 전달 라인(4)으로 간헐적으로 공급된다. 이는 재료 용기(2) 내의 발포 입자의 가교(bridging)를 파괴할 수 있어서 발포 입자는 분리된다. 이는 특히 eTPU 발포 입자와 같은 접착 표면을 가진 발포 입자에 유용하다.
대안적으로, 재료 용기(2)에 바로 인접하게 배치된 추진 노즐(8)에서 압축 공기 라인(9)으로부터의 추진 공기의 간헐적인 공급에 의해 간헐적 흡입도 발생할 수 있다.
주형도구(12, 13)는 발포 입자가 공급될 때 개방되는 적어도 하나의 밸브(도시되지 않음)를 구비하여 주형 챔버(14)로 흐르는 압축 공기가 빠져 나갈 수 있다. 주형 챔버(14)를 충전하는 경우, 이 밸브는 주형 챔버(14)에 역압(逆壓)이 형성되도록 조절될 수 있다. 이는 전달 라인 내의 압력 및 주형 챔버(14) 내의 압력이 유지되도록 하여 발포 입자를 작은 부피로 유지시킨다. 이는 역압을 가하지 않고 가능한 것보다 많은 발포 입자가 주형 챔버(14)로 공급되게 한다. 역압이 해제된 후, 발포 입자는 주형 챔버(14)에서 팽창된다.
충전량을 설정하기 위한 또 다른 매개변수는 크랙 갭, 즉 2개의 주형 절반부(12, 13)가 충전 중에 구획화되는 갭이다. 충전 중에 크랙 갭을 이용하면 제조되는 입자 발포체 부품의 얇은 영역의 밀도가 주로 증가한다.
주형 챔버(14)가 발포 입자로 채워지는 것이 판단되자마자 충전 분사기(10)는 폐쇄된다. 파이프의 발포 입자는 충전 분사기(10)에 공급된 압축 공기로 다시 재료 용기(2) 내로 불어 날아간다.
발포 입자로 주형 챔버(14)를 채우는 것은 독일 특허 출원 DE 10 2014 117 332에 상세히 기재되어 있으며, 이는 이 특허 출원을 참조한 이유이다.
주형 챔버(14)를 발포 입자로 채운 후에, 이들은 전자기 RF방사를 적용하여 가열된다. 이 RF 방사는 27.12 MHz의 주파수로 약 104V의 고주파 전압을 커패시터 플레이트(15, 16)에 인가함으로써 생성된다.
발포 입자는 폴리우레탄(eTPU)을 기본으로 할 수 있다. 폴리우레탄은 1MHz의 주파수를 가지는 전자기 방사선에서 0.2의 유전 손실 계수 D를 가진다. 1 MHz의 주파수의 전자기 방사선에서의 폴리프로필렌(PP)의 유전 손실 계수는 겨우 0.00035이다. 따라서, 폴리 우레탄의 흡수성은 폴리프로필렌의 흡수성보다 훨씬 높다. 이는, 발포 입자 자체가 전자기파를 흡수하기 때문에, 추가의 열 전달 물질, 특히 수용액 없이, 주형 챔버(14) 내로 발포 입자를 융해하기 위해 필요한 열을 유입 할 수 있게 한다.
폴리우레탄 기반의 발포 입자 대신에, 폴리에틸렌 블록 아미드(PEBA) 또는 폴리에틸렌(PE) 기반의 발포 입자도 이용할 수 있다.
ePP(팽창 가능한 폴리프로필렌) 또는 ePS(팽창 가능한 폴리스티렌) 기반의 발포 입자는 융해되어 입자 발포체 부품을 형성할 수 있다. 이러한 소재는 전자기 방사를 매우 적게 흡수하므로, (b) 물과 같은 유전성 열 전달 매체를 추가할 필요가 있다. 발포 입자는 재료 용기(2) 내의 열 전달 매체로 습윤될 수 있거나 재료 용기(2)로부터 주형도구(3)로의 이송 도중 습윤될 수 있다. 라인(4)에서의 습윤은 발포 입자가 매우 균일하게 습윤되고 열 전달 매체는 주형 챔버(14)에서 고르게 분포된다는 이점을 가진다. 이는 주형 챔버(14) 내에서 발포 입자들의 상응하는 균일한 가열로 이어진다.
주형도구(3)는 또한 건조 포화 증기가 주형 챔버(14)로 공급될 수 있는 증기원(蒸氣源)(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 이는 전기적 손실 계수가 온도 의존적인 소재를 융해하는 경우 유용하다. 이러한 소재는 예를 들어, ePES(팽창 가능한 폴리에테르 설폰) 또는 팽창 가능한 폴리아미드이다. 저온에서는 전자기파의 흡수성이 낮다. 따라서, 이러한 발포 입자는 먼저 증기에 의해 가열된 다음, 훨씬 높은 온도만으로 가열되거나, 일정 온도 이상의 전자기 방사에 의해 추가로 가열된다. 대안적으로, 발포 입자는 유전성 열 전달 매체로 습윤될 수 있어 전기적 열 전달 매체가 전자기 방사에 의해 가열되어 발포 입자를 소정의 온도로 가열한다. 이후, 전자기 방사의 흡수성이 온도 상승에 따라 증가하기 때문에, 발포 입자는 전자기 방사로 인해 직접 가열될 수 있다.
전자기 RF 방사가 인가되는 기간은 주형 챔버(14)의 체적, 발포 입자의 밀도 및 인가된 전력 또는 전압에 의존한다. 발포 입자가 형성되는 체적 및 재료에 따라 발포 입자를 신뢰성있고 완전하게 융해하는 데 약 30초 내지 약 2분이 소요되는 것으로 테스트를 통해 나타났다. 5kV 내지 20kV의 전압이 인가되었다.
바람직하게는 발포 입자의 온도는 융해 중에 측정되고 그에 따라 전력이 조절된다. 전력은 발포 입자가 자신의 연화 온도보다 약간 높은 온도를 갖도록 제어되는 것이 바람직하다. 발포 입자의 온도 대신에, 주형 챔버에 유입된 전력과 관련된 또 다른 물리량을 측정할 수 있다. 이것은, 예를 들어 커패시터 플레이트(15, 16)에 인가된 전압이 될수 있다.
주형 챔버(14)를 한정하는 표면은 또한 템퍼링될 수 있다. 이를 위해, 가열 와이어(34)는 주형 챔버(14)를 한정하는 표면에 인접하게 주형도구 내에 배치될 수 있다. 가열 와이어(34)는 가열 와이어에 가열 전류가 공급될 수 있는 전류원(35)에 연결된다.
가열 와이어 대신에, 유체 채널이 적절한 온도 제어 유체가 흐르는 주형 절반부(12, 13)에 제공될 수도 있다. 바람직하게는 상기 유체는 물 또는 증기이다.
전자기 RF 방사의 인가 후에, 주형 챔버(14)는 소정의 시간 동안 폐쇄 상태로 유지되고, 이로 인해, 유입된 열은 입자 발포체 부품에 고르게 분배되고 모든 발포 입자 사이에서 매우 균일한 융해가 형성된다. 이 공정 단계를 안정화라고 한다. 안정화 동안, 입자 발포체 부품도 약간 냉각된다. 주형 절반부(12, 13)는, 전자기 RF 방사에 본질적으로 투과적이고 일반적으로 열을 잘 전달하지 않는 플라스틱 재료인 재료로 만들어지기 때문에, 열은 일반적으로 밀폐된 주형 챔버(14)에서 외부로 거의 방출되지 않는다.
플라스틱으로 제조된 주형 절반부(12, 13)는 금속으로 제조된 주형 절반부에 비해 열적으로 훨씬 더 절연되고 열용량이 보다 작다는 이점을 가진다. 이는 원하는 온도 순환(cycle)을 보다 빠르고 더 적은 에너지로 수행되도록 하여, 공급된 열이 거의 발포 입자에 공급된다.
안정화 기간 또는 안정화 기간의 일부 동안, 커패시터 플레이트(15, 16)는 냉각 장치(32, 33)에 의해 능동적으로 냉각될 수 있고, 이로써 열은 주형 절반부(12, 13)의 기본 몸체로부터 추출되고 이에 따라 입자 발포체 부품으로부터도 추출된다.
안정화 이후, 입자 발포체 부품은 2개의 주형 절반부(12, 13)를 이격시킴으로써 탈형(脫型)도구가 된다. 입자 발포체 부품이 2개의 주형 절반부(12, 13) 중 하나로부터 압출되는 주형도구에 탈형을 위해 탈형 로드(rod)가 구비될 수 있다.
안정화는 선택적 공정 단계이다. 이는 특정 재료와 형상에 대해서 생략도 가능하다. 제도되는 입자 발포체 부품의 부피가 클수록, 융해 후 주형도구 내의 입자 발포체 부품을 안정화시키는 것이 보다 실용적이다.
처리량을 증가시키기 위해 크랙 갭을 충전 및/또는 폐쇄하는 동안 전자기 RF 방사를 적용할 수 있다.
RF 방사는 초기에 낮은 전력 또는 낮은 전압으로 발포 입자로 주형 챔버(14)를 충전하는 동안 또는 주형 챔버(14)를 충전한 후에만 적용가능하여, 재료를 특정 온도로 예열한 다음 점차적으로 또는 급격하게 전력 또는 전압을 상승시킨다.
RF 전자기 방사의 전력 또는 전압을 점진적으로 증가시키는 것도 타당할 수 있어서, RF 전자기 방사의 전력 또는 전압의 점진적 증가로 인해 램프가 예를 들어 30초 내지 3분의 기간에 걸쳐 실행된다. 이는 발포 입자의 매우 균일한 가열을 나타낸다.
선택적으로, 진공이 주형 챔버(14)에 인가될 수 있다. 이것은 발포 입자 및/또는 공급된 압축 공기가 특정 습도를 가지는 경우 유용하다.
상술한 공정은 증기만으로의 융해와 비교하여 건식 공정이다. 이것은 제조된 입자 발포체 부품은 제조 공정 후에 건조하며 추가 공정 단계에 직접 공급될 수 있음을 보장한다. 또한 주형 도구로부터 열기가 있는 입자 발포체 부품을 제거하고 추가 공정을 위해 입자 발포체 부품을 직접 공급하는 것 또한 바람직할 수 있다. 예를 들어, 신발을 제조 시, 입자 발포체 부품으로 제조된 중창(높이 조절이나 보온을 위해 깔창 밑에 넣는 두꺼운 가죽)은 다른 플라스틱 재료로 제조된 프로파일 몸체에 융해될 수 있고, 이로 인해, 여전히 열기가 있거나 고온의 입자 발포체 부품에 융해를 위해서, 입자 발포체 부품이 완전히 냉각되고 건조되어야 하는 증기만으로 작업하는 공정의 경우만큼의 많은 에너지가 필요하지 않다. 이는 생산에 있어서 효율성이 상당히 증가될 수 있다. 왜냐하면, 개별적인 공정 단계 사이의 중단이 단축될 수 있고, 발포 입자를 융해하기 위해 유입된 열이 적어도 부분적으로 후속 공정 단계에 이용될 수 있기 때문이다.
이하에서, 각각 2개의 주형 절반부(12, 13)를 가지며 상술한 장치(1)에서 이용 가능한 서로 다른 도구들이 설명된다. 이러한 도구들은 도2 내지 도6에 개략적으로 간소하게 도시되어 있다. 충전 분사기(10), 주형 챔버 내의 온도를 측정하기 위한 온도계, 및 도구를 개폐하기 위한 유지 소자, 이동 장치 등과 같은 다른 기계 부품들은 보다 쉬운 그래픽 표현을 위하여 생략된다.
제2설계 예(도 2)에 따른 주형도구(3)는 2개의 주형 절반부(12, 13)로 다시 형성되며, 각 주형 절반부는 특히 전자기 RF 방사에 본질적으로 투과적인 전기적 비전도성 소재로 이루어지는 베이스(base) 몸체를 가진다. 이 소재는 PTFE, PE, PEEK 또는 RF 방사에 대해 본질적으로 투과적인 다른 소재이다. 주형 절반부(12, 13)는 주형 챔버(14)를 정의한다. 이 설계의 예에서, 상기 주형 챔버(14)는 평평한 면에서 벗어난 윤곽 형상을 가지는 경계면(delimiting surface)(19)을 가진다. 주형 절반부(12, 13)는 커패시터 플레이트(15, 16)가 배치되는 평평한 외측면(20)을 각각 가진다. 윤곽이 잡힌 경계면(19)과 외측면(20) 사이의 챔버는 본질적으로 투명한 재료로 채워진다. 커패시터 플레이트(15, 16)는 평평하다. 이러한 주형도구(3)에 의해 3차원 윤곽 입자 발포체 부품이 제조 가능하며, 이로써, 입자 발포체 부품의 형상은 주형 절반부(12, 13)의 내측 경계면(19)에 의해 정의된다. 이러한 주형도구(3)는 본질적으로 균일한 밀도를 갖는 작은 입자 발포체 부품을 제조하는데 특히 적합하다.
크고 두꺼운 입자 발포체 부품의 문제점은 가장자리 영역보다 입자 구조를 파괴할 수 있는 중간에서 더 많이 가열된다는 것이다. 도7h는 약 5cm 두께의 폴리락테이트(PLA)으로 제조되고 120초 동안 RF 방사로 가열된 입자 발포체 부품을 도시한다. RF 방사는 27.12MHz의 주파수 및 9kV의 전압으로 인가되었다. 재료 자체가 전자기파를 흡수하고 열악한 열 도전체이기 때문에, 입자 발포체 부품의 중앙 영역은, 주형도구(3)와 맞닿아 있고 상대적으로 선선한(cool) 주형도구로 인해 중앙 부분에 비해 보다 서서히 가열되는, 가장자리 영역보다 더 강하게 가열된다. 이는 입자 발포체 부품의 중앙 영역에서 발포 입자의 완전한 용융을 야기할 수 있다(도7h). 이를 회피하기 위해, 더 적은 에너지를 이용할 수 있다. 도7e는 도7h에 도시된 입자 발포체 부품과 동일한 방식으로 생성된, 중간이 절단된 대응하는 입자 발포체 부품을 도시하는데, 여기서는 RF 방사가 단지 90초 동안 적용되었다. 상기 입자 발포체 부품의 중앙 영역은 균질하게 융해된다. 입자들은 가장자리 영역에 달라붙지만 다소 강하게 함께 융해될 수 있다.
바람직하게는, 실질적으로 투과적인 소재는 융해되는 팽창 가능한 고분자 재료와 동일하거나 유사한 손실 계수를 가지는 소재여서, 전자기 방사가 가해질 때 주형 챔버(14) 내의 주형 및 발포 입자가 균일하게 가열된다. 이러한 설계는, 열의 흡수가 제조되는 입자 발포체 부품의 국부적인 두께 또는 밀도에 의존하지 않기 때문에 경계면(19)의 자유 윤곽형성을 허용한다.
도7j 및 7k는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 제조된 절단 입자 발포체 부품의 대응하는 이미지를 도시한다. 여기서 RF 방사는 27.12MHz의 주파수로 300s의 기간 동안 적용되었으며, 이로 인해 도7j에 도시된 입자 발포체 부품의 전압은 10kV였고 도7k에 도시된 입자 발포체 부품의 전압은 7.5kV였다. 도7j에 도시된 입자 발포체 부품은 파괴된 중심 입자 구조를 가지지만, 도7k에 도시된 입자 발포체 부품의 중앙 영역은 균질하게 융해된다.
입자 발포체 부품의 중앙 영역 및 가장자리 영역의 불균등한 가열을 회피하기 위해, 상기 주형도구(3)는 템퍼링될 수 있고 및/또는 추가적인 열이 가장자리 영역에서 주형 챔버(14) 내의 발포 입자에 공급될 수 있다.
주형도구(3)를 템퍼링하는 데에 있어서, 주형 절반부(12, 13)는 주형 챔버(14) 내의 재료의 연화 온도로 대략적으로 조절되는 유체가 통과하는 유체 채널을 가지도록 설계될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전술한 바와 같이, 주형을 템퍼링하기 위해 3개의 가열 와이어가 구비될 수 있다. 그 결과, 발포 입자가 가열될 때 발포 입자로부터 주형도구(3)로 열이 흐르지 않아, 발포 입자가 주형 챔버(14) 전체에 걸쳐 균일하게 가열된다. RF방사선을 도입하여 표면 영역에서 입자 발포체 부품의 신뢰성있는 융해를 보장함으로써 발포 입자 내에 설정된 온도보다 약간 높은 온도로 주형도구(3)를 가열하여 발포 입자를 융해시키는 것이 적절할 수도 있다. 주형도구(3)의 템퍼링은 또한 RF 방사로 융해하기 전에 수행될 수 있다.
도3은 2개의 주형 절반부(12, 13)로 이루어지는 주형도구(3)의 다른 예를 도시한다. 캐패시터 플레이트(15, 16)는 주형 절반부(12, 13)의 평평한 외측면(20)상에 배치된다.
주형 절반부(12, 13)는 외측 비-다공성 쉘(shell)벽(21)과 내측 다공성 주형도구 몸체(22)의 두 부분으로 이루어진다. 다공성 주형도구 몸체(22)는 내측 경계면(19)를 정의하여 주형 챔버(14)를 한정한다. 내측 경계면(19)으로부터 멀어지는 방향의 측면에서, 성형 몸체(22)는 쉘벽(21)에 의해 전적으로 둘러싸여 있다. 각각이 쉘벽에서 개방되고 다공성 주형도구 몸체(22)내로 연장되어 거기에서 끝나는 하나 또는 그 이상의 채널(23)을 각 주형 절반부(12, 13)는 가진다. 고온 매체가 채널(23)을 통해 주형 절반부(12, 13)로 유입될 수 있는데, 다공성 주형도구 몸체(22)에 분포되어 주형 챔버(14)로 부분적으로 진입한다. 한편으로는, 이것은 직접 상기 매체를 통해 주형 챔버(14)의 가장자리 영역에서 발포 입자를 가열하고, 다른 한편으로는 주형 절반부(12, 13), 특히 이들의 다공성 주형도구 몸체(22) 또한 가열된다. 고온 가스, 특히 뜨거운 공기 또는 증기는 매체로 이용 가능하다.
주형도구 또는 그 안에서 제조된 입자 발포체 부품을 냉각시키기 위해, 냉각 매체를 채널(23) 내로, 따라서 주형 챔버(14) 내로 유입시키는 것이 또한 바람직할 수 있다. 매체는 주형 절반부(12, 13)보다 차거나 주형 챔버(14) 내의 입자 발포체 부품보다 차가운 경우 냉각된다. 이는 입자 발포체 부품의 안정화를 가속화할 수 있다.
쉘벽 및 성형 몸체(22)는 모두 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에테르, 특히 UHMWPE, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 같은 RF 방사에 본질적으로 투과적인 소재로 제조된다. 성형 몸체(22)는, 예를 들어 이들 소재 중 하나로부터 과립을 소결시킴으로써 제조된다.
주형도구(3)의 내측 경계면(19)을 템퍼링하는 또 다른 대안은 내측 경계면(19)에 RF 방사에 투과성이 없는 소재의 층을 구비하는 것이다. 이 층은 이하에서 수동 가열층(24)(도4)으로 지칭된다. 상기 수동 가열층(24)은 RF 방사에 투과성이 없는 온도 안정적인 소재로 제조 가능하다. 이러한 수동 가열층(24)에 적합한 다른 소재는 아철산염(ferrite)이다. RF 방사가 인가되는 경우, 상기 수동 가열층(24)은 가열되어 인접한 발포 입자로 열을 방출한다.
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르에테르 케톤(PEEK), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리이미드 및 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)와 같이 적당한 손실 계수를 가지는 소재 또한 수동 가열층(24)으로 이용될 수 있다. 폴리옥시메틸렌은 약 0.008의 유전 손실 계수 D를, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)는 약 0.02의 유전 손실 계수를 가진다. 이들 가열층은 단지 작은 비율만 흡수하기 때문에 전자기 방사에 투과적이고, 상대적으로 낮은 손실 계수로 인해, 이들 가열층은 바람직하게는 적어도 2mm, 특히 적어도 2.5mm, 특히 적어도 5mm의 일정 두께로 구비되어야 한다. 이러한 가열층은 또한 10mm 또는 그 이상의 두께를 가질 수 있다. 이러한 가열층은 또한 주형 절반부(12, 13)의 내측 경계면(19)에 인접하여 배열되는 별도의 플레이트로서 형성될 수 있다.
PET, PMMA 및 POM은 주로 ePE, eTPU 또는 ePS를 융해하기 위한 주형도구에 이용된다. 융해 온도는 120°C와 130°C 사이이다. ePP 또는 ePS는 또한 융해 온도가 약 160°C 인 PET 도구와 융해될 수 있다.
높은 융해 온도 예를 들면 250°C에서, PEEK 또는 폴리이미드(PI)로 만들어진 내열 도구도 사용 가능 하다. 내열 도구는 바람직하게는 코팅된 세라믹으로 만들어질 수도 있다. 상기 코팅은 내열성 플라스틱 소재일 수 있다. 이러한 내열 도구는 예를 들어 ePES(팽창 가능한 폴리에테르 설폰)를 융해시키는 데 이용될 수 있다.
POM의 용융 온도는 약 175°C 이다. 따라서, POM으로 만든 도구는 160°C 또는 그 이상의 융해 온도를 가지는 소재를 융해시키는데 적합하지 않다.
도구의 소재는 융해 온도 및 전기적 손실 계수와 관련하여 융해되는 소재와 관련하여 선택된다. 도구 소재의 용융 온도는 융해 온도보다 높아야 한다. 도구 소재의 전기적 손실 계수는 융해되는 소재의 전기적 손실 계수와 동일하거나 낮을 수 있다. 도구 소재의 보다 높은 밀도가 고려되어야만 한다.
가열층(24)은 커패시터 플레이트에 인접한 경계면(19) 뿐만 아니라 주형 절반부(12, 13)의 모든 경계면(19)에 구비되어, 형성되는 입자 발포체 부품을 완전히 둘러싼다. 온도 채널이나 가열 와이어와 같은 다른 가열 및 템퍼링 장치에도 동일하게 적용된다.
주형 절반부(12, 13)는 낮은 유전 손실 계수 D를 가지는 실질적으로 투명한 물질로 전체적으로 제조 가능하여, 전자기 방사, 특히 RF 방사가 적용되는 경우 주형 절반부(12, 13)가 가열된다.
상기 열거된 내측 경계면(19)을 템퍼링하기 위한 다른 가능성은 또한 하나의 주형도구에서 조합하여 이용될 수 있다.
상술한 주형 도구(3)의 설계의 예들은 각각 평평한 커패시터 플레이트(15, 16)를 가진다. 주형 도구(3)의 추가적인 설계 형태에 따르면, 이들은 커패시터 플레이트(15, 16)는 제조될 주형 챔버(14) 또는 입자 발포체 부품의 형상에 적합하도록 설계될 수 있다. 도4에 도시된 설계 예는 그 내측 경계면(19)이 단차형 주형 챔버(14)를 정의하는 2개의 주형 절반부(12, 13)를 도시한다. 외측면(20)은 각 주형 절반부(12)의 대응하는 내측 경계면(19)의 윤곽에 적합하다. 다시 말해서, 내측 경계면(19)은 각 주형 절반부(12, 13)의 외측면(20) 상에 맵핑되며, 이에 의해 주형 도구(3)는 예를 들어 외측면(20)이 내측 경계면(19)으로부터 오프셋되는 균일한 두께로 형성된다. 외측면(20)상에서, 바람직하게는 내측 경계면(19)의 작은 구조가 평탄화된다.
외측면(20)상에 커패시터 플레이트(15, 16)는 전기 전도층으로서 설계되고, 각 주형 절반부(12, 13)의 대응 외측면(20)과 본질적으로 동일한 형상 또는 윤곽을 가진다.
주형도구의 커패시터 플레이트는 제조될 입자 발포체 부품 또는 주형 챔버(14)에 맞춰지므로, 서로 대향하는 커패시터 플레이트 사이의 거리는 모든 곳에서 거의 동일하고, 이는 서로 대향하는 커패시터 플레이트(15, 16) 사이의 거리는 작게 유지될 수 있어서 상대적으로 낮은 전압에서 높은 전기장의 세기가 달성됨을 의미한다.
제조되는 입자 발포체 부품의 형상에 대한 커패시터 플레이트의 이러한 외형의 맞춤은 쉘 형상 입자 발포체 부품에 특히 유용하다. 이러한 쉘 형상 입자 발포체 부품은 예를 들어 상자 또는 구(球) 형상의 쉘이다. 이러한 상자가 2개의 평평한 커패시터 플레이트 사이에 형성된다면, 커패시터 플레이트 사이의 거리는 모든 경우에서 그들 사이에 챔버를 가질 정도로 커야 할 것이다. 2개의 커패시터 플레이트 사이의 거리는 커패시터 플레이트가 형상에 맞춰지는 경우 입자 발포체 부품의 벽 두께보다 단지 약간 더 클 수 있다. 따라서, 커패시터 플레이트의 이러한 외형의 적합은 발포 입자를 융해하기에 충분한 전기장을 제공하기 위하여 전압원에 대한 요구 사항을 낮추면서, 대용량의, 특히 쉘 형상 입자 발포체 부품을 제조하는 것을 가능하게 한다.
밀도가 다른 입자 발포체 부품들의 문제점은 밀도가 보다 높은 영역이 밀도가 보다 낮은 영역보다 더 많은 열을 흡수한다는 것이다. 보다 높은 밀도의 영역은, 예를 들어, 2개의 주형 절반부(12, 13)가 이미 발포 입자로 채워진 후 조금씩 함께 가압되어 이로 인해 그 안에 함유된 발포 입자가 압축되는 균열 간격 공정(cracking gap process)에서 생성된다. 변위 경로가 모든 영역에서 동일하기 때문에, 주형 챔버(14)의 얇은 영역은 보다 두꺼운 영역에 비해 더 강하게 압축된다. 이로 인해 더 얇은 영역의 발포 입자가 더 강하게 압축된다.
도 5는 커패시터 플레이트(15, 16)가 주형 챔버(14)까지의 거리가 개별적으로 조절 가능한 수 개의 세그먼트(25)로 분할되는 주형도구(3)의 일 예를 도시한다. 이 설계의 예에서, 커패시터 플레이트(15, 16)의 세그먼트(25)는 각각 작은 사각 플레이트이고, 각각은 세그먼트 로드(segment rod)(26)에 결합된다. 상기 세그먼트 로드(26)는 AC 전압원(18)에 연결되고, 커패시터 플레이트(15, 16)을 형성하는 각각의 전기적 전도성 플레이트와 전기적으로 접촉한다.
세그먼트 로드(26)들은 세그먼트 로드(26)들이 소정의 위치에 고정 가능한 홀더(holder)(27)에 슬라이딩 가능하게 배치된다. 상기 홀더(27)는 세그먼트 로드(26)가 분리 가능하게 고정될 수 있도록 설계될 수 있어서, 세그먼트 로드(26) 및 그에 따른 커패시터 플레이트(28)는 서로 다른 위치에 고정될 수 있다. 하지만, 브래킷(27)은 세그먼트 로드(26)를 한 번 고정하도록 설계될 수도 있다. 예를 들어, 적어도 일정 영역에서 세그먼트 로드(26)를 둘러싸며 세그먼트 로드(26) 및 커패시터 플레이트(28)가 배치된 후 소정의 원하는 배열로 쏟아져 나오는 포팅 몸체(potting body)로부터 이러한 지지체(27)는 형성될 수 있다. 이러한 한 번 고정 가능한 커패시터 플레이트(15, 16)는 매우 자주 또는 대량으로 생산되고 해당 도구가 반복적으로 이용되는 입자 발포체 부품에 주로 이용된다. 커패시터 플레이트들(15, 16)은 이들이 반복적으로 함께 이용되는 해당 주형 절반부(12, 13) 에 할당된다.
커패시터 플레이트(15, 16)들의 섹션 사이의 거리가 클수록, 각 섹션들 사이에 생성되는 전기장은 더 작아진다. 따라서, 커패시터 플레이트(28)는 주형 챔버(14)의 영역에 배치되고, 발포 입자가 저밀도로 존재하는 상기 영역보다 주형 챔버까지 더 먼 거리에서 입자 발포체 부품을 제조하는 동안 발포 입자가 고밀도로 존재한다. 이는 보다 낮은 밀도의영역보다 더 많은 열을 흡수하는 보다 높은 밀도의영역을 보상하여, 발포 입자는 주형 챔버(14)에서 고르게 가열된다.
도5에 도시된 주형도구(3)는 발포 입자들(29)을 가지며 구획화된 주형 절반부들(12, 13)로 채워진 크랙-갭 주형도구이다. 주형도구(3)를 채운 후에, 주형도구의 2개의 절반부(12, 13)는 함께 가압되어, 이로 인해 주형 챔버(14)에 위치한 발포 입자(29)는 압축된다. 도5에 도시된 주형 챔버(14)는 단면의 서로 상이한 두께들을 가지므로, 영역A의 두께는 영역B 및 C보다 조금 작다. 결과적으로, 발포 입자(29)는 영역B및 C 보다 영역A에서 더 강하게 압축되며, 이는 영역B및 C 보다 영역A에서 발포 입자에 더 높은 밀도를 부여한다. 발포 입자(29)는 영역B 및 C보다 영역A에서 더 높은 밀도를 가진다. 따라서, 영역A에 인접하여 위치되거나 영역A를 향하는 커패시터 플레이트(28)는 범위B 및 C를 각각 향하는 커패시터 플레이트(28)보다 중심면(30)으로부터 더 멀리 위치한다. 중심면(30)은 2개의 커패시터 플레이트(15, 16) 사이에서 대략 중앙에 배치된다.
본 발명은 발포 입자를 주로 RF 방사의 직접 흡수에 의해 가열하기 때문에, 즉 열이 흡수되지 않거나 RF 방사를 흡수하여 발포 입자로 방출하는 열 전달 매체에 의하여 단지 작은 정도로 흡수되기 때문에, 주형 챔버 내의 온도는 열 전달 매체에 작용하는 매개변수들에 의해 제어될 수 없다. 예를 들어, 최신 기술에서는, 열 전달 매체로서 물을 사용하고, 압력을 조절하여 주형 챔버의 온도를 조절하는 것이 알려져 있다. 대부분의 직접 흡수로 인해, 발포 입자는 원하는 만큼 고온이 될수 있고, 서로 다른 밀도로 다른 정도까지 가열될 수 있다.
기본 목표는, 발포 입자들이 동일한 소재로 만들어진다면, 주형 챔버의 발포 입자들을 가능한 한 균일하게 가열하는 것이다. 커패시터 플레이트(15, 16)의 섹션마다의 주형 챔버(14) 또는 중심면(30)까지의 거리를 변화시킴으로써 상이한 강도 또는 장(場)의 세기의 영역을 가지는 전기장을 형성함으로써, 발포 입자들이 비록 상이한 밀도로 배열된다 하여도 주형 챔버(14)에서 발포 입자의 균일한 가열이 가능하다. 그러므로, 비평면 구성을 가지는 커패시터 플레이트(15, 16)를 구비하는 것이 유리할 수 있다.
도5에 도시된 설계의 예에서, 커패시터 플레이트(15, 16)는 세그먼트 형상이고 커패시터 플레이트(28)들로 이루어지며, 그 위치는 개별적으로 결정될 수 있다.
도6은 주형 절반부(12, 13)가 도5에 도시된 형태와 유사한 내측 경계면(19)으로 형성되는 다른 유형의 주형도구(3)를 도시한다. 이 주형도구(3)는 외측면(20)이 윤곽 형상을 가지어 외측면(20)의 섹션들이 중심면(30)으로부터 서로 상이한 거리로 구획화되는 사실에 특징이 있다. 커패시터 플레이트(15, 16)는 윤곽이 잡힌 외측면(20)상에 장착되고, 그 형상은 윤곽이 잡힌 외측면(20)에 맞춰진다. 커패시터 플레이트(15, 16)는 예를 들어 주형 절반부(12, 13)의 외측면(20)에 인가되는 전기 전도성 코팅에 의해 제조 가능하다. 커패시터 플레이트(15, 16)는, 전기적으로 잘 전도되는 금속 또는 전기적으로 잘 전도되는 금속 합금으로 구성되고 외측면(20)에 형태적으로 맞춰지고 외측면에 접착되는 유연한 시트 금속 부품으로 설계될 수도 있다.
도5에 도시된 설계에서, 커패시터 플레이트(15, 16)의 섹션들은 중심면(30) 또는 주형 챔버(14)로부터 상이한 거리로 구획화되어, 상이한 전기장의 세기를 가지는 14개의 영역이 주형 챔버에서 생성된다. 발포 입자(29)(A)가 보다 높게 압축되는 영역에 있어서, 커패시터 플레이트(15, 16)의 대향 섹션의 거리는 발포 입자(29)가 낮게 압축되는 영역B, C의 것보다 크다. 커패시터 플레이트(15, 16)의 개별 섹션의 중심면(30)까지의 거리는 커패시터 플레이트(15, 16)의 대향 섹션들 사이의 영역에서 발포 입자(29)의 밀도에 대략적으로 비례한다. 비례 계수는 상이한 소재들간에 달라지고, RF방사의 흡수 능력에 좌우된다.
대형 입자 발포체 부품 제조를 위한 주형도구(3)는 커패시터 플레이트(15, 16)의 수 개의 분리된 세그먼트를 가질 수 있다. 커패시터 플레이트는 어느 방향으로도 RF 방사의 파장의 1/4보다 크지 않는 것이 바람직하다. 27.12MHz의 주파수에서, 파장 λ는 약 11m이다. 따라서, 커패시터 플레이트의 세그먼트의 최대 연장은 약 2.75 미터를 초과하면 안된다. 실제는 약 2 미터 크기까지 커패시터 플레이트는 27.12MHz의 주파수에서 매우 균일한 전기장를 생성한다는 것을 보여 주었다. 커패시터 플레이트가 λ/4보다 크면, 커패시터 플레이트의 개별 포인트들의 방사선은 상이하며 개별 포인트들은 더 이상 동시에 방출하지 않는다. λ/4보다 큰 커패시터 플레이트에 대해, 각각이 LC소자를 형성하는 분산형 인덕턴스(distributed inductance)들을 커패시터 플레이트에 제공하는 것이 바람직하다. 이는 커패시터 플레이트의 상이한 섹션들의 진동의 동시성이 복원되도록 한다. 하지만, 이러한 LC소자의 제공은 매우 복잡하다. 따라서, 커패시터 플레이트를 서로 독립적으로 AC전압을 공급받는 별도의 섹션들로 분할하는 것이 보다 편리할 수 있다.
도7a 내지 도7k는 열 전달 매체 없이 그리고 발포 입자로 제조된 주형도구의 추가적인 온도 제어 없이 일부가 절단되어 RF 방사선으로 융해된 입자 발포체 부품의 사진들을 도시한다. 다음의 표는 전압 U, 지속 시간 t, 1MHz 및 실내 온도에서의 전기적 손실 계수 D, 소재의 지정 및 그림에 대한 참조의 매개 변수들을 보여준다.
Figure pct00001
폴리에테르 블록 아미드(ePEBA), 발포 열가소성 폴리우레탄(eTPU), 폴리락테이트(PLA) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)와 같은 모든 소재는 RF 방사만으로 양호하게 융해될 수 있다는 것을 보여준다. 도7g에 도시된 예에서, 입자 발포체 부품이 2개의 상이한 밀도의 발포 입자로부터 제조되었다. 어두운 색의 발포 입자는 밝은 색의 발포 입자 보다 결이 거칠기 때문에, 도7g에서 위의 발포 입자는 어두운 색이며 아래의 발포 입자보다 낮은 밀도를 가진다.
위의 예들은 독창적인 공정이 매우 다양한 재료를 처리하는 데 이용될 수 있음을 보여준다. PET는 100% 재활용 가능하다. PET는 재활용 공정으로부터 적은 비용으로 대량으로 획득된다. PET는 지금까지 플라스틱 음료수병 용으로 선호되는 소재였다. 또한 매우 단단하며, 발포 폴리프로필렌(EPP)으로 만들어진 입자 발포체와 유사한 성질을 지닌 입자 발포체를 제조하도록 한다.
PLA는 또한 100% 재활용 가능하고 완전히 생분해되며 발포 폴리스티렌 (ePS) 입자 발포체 부품과 같은 기계적 성질을 가지고 있다. 초기 측정 결과에 따르면 PLA의 유전 손실 계수는 약 0.1 내지 0.01 범위이다. 정확한 측정 결과는 아직 이용 가능하지 않다. PLA는 약 100℃의 연화 온도를 가진다. 비교해 보면, eTPU의 연화 온도는 약 125℃ 내지 130℃이고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 연화 온도는 약 200℃ 내지 260 ℃이다.
ePEBA는 매우 가볍고 탄력성이 높다. ePEBA는 발포 열가소성 폴리우레탄으로 만들어진 입자 발포체 부품과 유사한 성질을 가진다.
1 장치
2 재료 용기
3 주형도구
4 관리
5 바닥부
6 압축 공기 라인
7 압축 공기 공급원
8 제트 노즐
9 압축 공기 라인
10 충전 분사기
11 압축 공기 라인
12 주형 절반부
13 주형 절반부
14 주형 챔버
15 커패시터 플레이트
16 커패시터 플레이트
17 전기 케이블
18 AC 전압원
19 경계면(내측)
20 외측면
21 쉘벽(비-다공성)
22 성형 몸체
23 채널
24 수동 가열층
25 세그먼트
26 세그먼트 로드
27 지지대
28 커패시터 플레이트
29 발포 입자
30 중심면
31 진공 펌프
32 팬(fan)
33 냉각 핀
34 가열 와이어
35 전원

Claims (20)

  1. 주형 챔버(14)를 한정하는 주형도구(3)를 포함하는 입자 발포체 부품을 제조하는 장치로서,
    적어도 2개의 커패시터 플레이트(15, 16)는 상기 주형 챔버에 인접하여 배치되고 RF 방사원(放射源)에 연결되며,
    상기 RF 방사원은 RF 방사를 방출하도록 설계되고,
    상기 주형도구(3)는 상기 주형 챔버(14)를 한정하는 내측 경계면(19)의 영역에서 상기 주형도구를 템퍼링(tempering)하고 및/또는 상기 내측 경계면에 인접한 주형도구의 영역에 가열 매체를 공급하기 위한 수단을 포함하는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주형도구(3)는 상기 내측 경계면(19)의 적어도 일부를 형성하고 가열 유체를 공급하는 장치와 연통하게 연결되는 다공성 성형 몸체(22)를 포함하는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주형도구는 가열 유체를 공급 또는 가열 유체를 통과시키기 위한 적어도 하나의 채널(23)을 포함하는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주형도구는 RF방사에 투과성이 없는 소재로 만들어진 수동 가열층(24) 및/또는 전기 가열 장치(34)를 가지는 내측 경계면(19)에 구비되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수동 가열층은 아철산염(ferrite) 또는 플라스틱 소재로 형성되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도구는 PET, POM, PET, PEEK, PMMA, PI 또는 세라믹으로 만들어지는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주형도구(3)의 커패시터 플레이트(15, 16)는 상기 주형도구의 내측 경계면의 윤곽에 적합한,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터 플레이트(15, 16)는 3차원 윤곽 형상을 가지며, 사용 시, 발포 입자가 배치되는 주형 챔버의 영역을 향하는 커패시터 플레이트의 부분은 발포 입자가 덜 치밀화되는 주형 챔버의 영역으로 향하는 커패시터 플레이트(15, 16)의 부분보다 주형 챔버(14)로부터 더 멀리 떨어져 배치되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터 플레이트(15, 16) 각각은, 상기 주형 챔버(14)로부터의 거리에서 서로 독립적으로 반복되거나 한 번 조절될 수 있는 수 개의 세그먼트(28)로부터 형성되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 방사원은 RF 방사를 방출하도록 설계되고 적어도 1MHz 및/또는 최대 100MHz의 주파수를 가지는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주형도구(3)는 전자기 RF방사에 실질적으로 투과적인 소재로 형성되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터 플레이트(15, 16)는 평평한 면인,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주형도구(3)는 상기 각 커패시터 플레이트(15, 16)들 사이의 영역에서 상이한 두께를 가지어, 상기 주형 챔버(14)는 3차원 윤곽 내측 경계면(19)에 의하여 한정되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 장치.
  14. 입자 발포체 부품을 제조하는 방법으로서, 특히, 입자 발포체 부품에 융해되기 위하여 주형도구(3)의 주형 챔버(14) 내에서 팽창 가능한 고분자 재료로 형성된 발포 입자를 가열함으로써, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 장치로 입자 발포체 부품을 제조하는 방법으로서,
    열은 전자기 RF방사에 의하여 발포 입자들에 공급되고, 상기 팽창 가능한 고분자 재료와 유사한 전기적 손실 계수를 가지는 소재로부터 적어도 주형 챔버에 인접한 영역에 형성되는 주형도구가 이용되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 팽창 가능한 고분자 재료의 전기적 손실 계수 및 상기 주형도구의 소재는 최대 20% 상이한,
    입자 발포체 부품을 제조하는 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 따른 절차에 있어서,
    각 커패시터 플레이트(15, 16)들 사이의 영역에서 상이한 두께를 가지는 주형도구가 이용되어, 상기 주형 챔버(14)는 3차원 윤곽 내측 경계면(19)에 의하여 한정되는,
    절차.
  17. 입자 발포체 부품을 제조하는 방법, 특히 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 장치 및/또는 특히 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 방법으로서,
    팽창 가능한 고분자 재료로부터 형성된 발포 입자들이 주형도구(3)의 주형 챔버(14)에서 가열되어 입자 발포체 부품에 융해되고, 열은 전자기 방사에 의하여 발포 입자에 공급되며, 발포 입자는 적어도 160°C의 온도로 가열되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 발포 입자들은 적어도 180°C 또는 적어도 200°C의 온도로 가열되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 발포 입자는 먼저 소정의 온도로 예열되고, 이로 인해 발포 입자는 이 소정의 온도에서, 특히 전자기 방사의 직접 흡수에 의해 더 높은 온도로 가열되는,
    입자 발포체 부품을 제조하는 방법.
  20. 제19항에 따른 절차에 있어서,
    상기 예열은 다음의 방법들:
    -주형 챔버(14)에 위치한 유전성 열 전달 매체를 발포 입자들과 함께 가열;
    -주형 챔버(14)로의 증기 공급; 및
    -별도의 가열 장치로 주형도구(3)를 가열,
    중 하나 또는 그 이상에 의하여 수행가능한, 절차.
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