用于向热塑性制品添加表面增强剂的工艺的制作方法

用于向热塑性制品添加表面增强剂的工艺
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年2月18日提交的、题为“process for adding surface enhancement to thermoplastic article(用于向热塑性制品添加表面增强剂的工艺)”的美国临时专利申请62/977,963的优先权，该美国临时专利申请的内容通过引用全部并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及热塑性产品，并且更具体地涉及用于向先前制造的热塑性制品永久性地添加表面增强剂的工艺。


背景技术：

4.注塑成型是一种常用的工艺，用于再生产各种应用中使用的热塑性制品。注塑成型中使用的模具必须根据所需的规格制造，以提供所需的零件几何形状。
5.一些注塑成型产品需要在注塑模具中无法生产的特征。另一些注塑成型产品需要复杂的设计，这会使模具成本过高，尤其是对于较大的零件而言。当需要特殊的表面特征时，产品设计往往变得更加复杂。例如，一些热塑性产品需要添加防滑表面，以防止物品在产品表面上滑动或滑落。另一些热塑性产品需要添加减震垫和/或防刮覆层，以减少对产品和/或与产品接触的物品的损坏。
6.另一些注塑成型产品可能需要客户或最终用户基于特定需求进行定制变更或改进。这些变更或改进可能需要材料的附接来改变最终热塑性产品的几何形状或表面。
7.有许多已知的方法用于改变热塑性制品的表面几何形状。这些方法有许多缺点，特别是将材料组装到热塑性制品的表面的方法。许多方法会导致相对较弱的附接，随着时间的推移，这种附接可能会失效。另一些方法无法将材料在精确位置处或以特定布置附接到热塑性零件，特别是在需要高生产速度的应用中。在有限的生产量要求采用较低成本的应用方法的情况下，能够在有精度和速度的情况下附接材料的方法往往成本太高。
8.防滑表面带来了特殊的挑战，尤其是在比如使用热塑性运货板和箱子的散装搬运和储存等领域中。一些塑料制品注塑成型为带有小的尖突起，以减少制品上的产品滑动。另一些塑料制品具有在二次操作中磨损或砂磨的表面。这些表面不会产生足量的摩擦来防止重物滑动，并且在潮湿环境中完全无效。
9.用于在热塑性制品上提供防滑表面的其他技术包括附接预制“附加”产品，比如防滑材料制成的条带或索环。一些附加产品被设计为热焊接到热塑性制品的表面上。另一些附加产品被压装入或卡入表面的凹部中。热焊接和压装不足以承受重载下的剪切力。因此，当装载重物时，许多附加产品可以轻易地从表面分离和移出。另外，预制条带和索环具有固定形状，限制了它们能够如何布置以适合制品。此外，特别设计的附加产品通常具有高单位成本。
10.除了耐用性问题和成本之外，附加产品在比如食品和制药行业之类的需要消毒环
境的应用中也存在问题。例如，组装至运货板的条带、索环和其他附加产品可以在运货板表面中形成接缝和封闭空间。这些接缝和封闭空间容易聚集残留物、灰尘、污垢和其他污染物。被困在接缝和封闭空间中的污染物增加了污染与运货板接触的产品的风险，使得这些运货板非常难以清洁，因此不适合在许多应用中使用。
11.可以使用多部件模具来模制具有功能性表面的零件。然而，制造多部件模具并在机器中运行多部件模具是极其昂贵的，并且在小批量生产中通常成本过高。多部件模具对于极大批量的生产而言可能是可行选择，但通常仅适用于小尺寸产品。
12.通过在下面的部分中描述的装置和工艺在几个方面解决了上述缺点。
附图说明
13.结合附图中所示的非限制性示例，将更好地理解以下详细描述部分，在附图中：
14.图1是根据一个示例的工艺的流程图；
15.图2是根据另一示例的工艺的流程图；
16.图3是根据另一示例的用于在热塑性制品上形成改性表面的装置的示意性侧视图；
17.图4a是具有根据第一表面改性配置形成的具有保留空隙的热塑性制品的立体图；
18.图4b是具有根据第二表面改性配置形成的具有保留空隙的热塑性制品的立体图；
19.图4c是具有根据第三表面改性配置形成的具有保留空隙的热塑性制品的立体图；
20.图5是具有在图4a中所示的保留空隙中形成的改性表面的热塑性制品的立体图；
21.图6是图5中所示的改性表面的放大截断横截面图；
22.图7是图4a中所示的保留空隙的放大截断横截面图；
23.图8是用于形成根据本公开的保留空隙的模具的放大截断视图；
24.图9是图8中的模具在热塑性材料注入模具后的放大截断视图；并且
25.图10是图9中的模具和热塑性材料在热塑性零件固化之后并且当热塑性零件与模具分离时的放大截断视图。
具体实施方式
26.背景技术部分中描述的热塑性制品的挑战通过本文中描述的工艺和装置从许多方面来解决。
27.本文所述的工艺和装置使用如下所述定义的术语来描述。
28.如本文中所使用的术语“热塑性零件”是指具有至少一个由热塑性材料制成的表面的产品、装置、部件或其他制品。预期的热塑性零件的示例包括但不限于材料搬运产品，比如热塑性运货板、托盘、滑板、顶部框架、箱子和推车。预期的热塑性零件的其他示例包括但不限于用于制造船甲板、楼梯和坡道的结构部件。
29.如本文中所使用的“改性表面”、“对表面进行改性”等短语是指先前制造的热塑性零件的被改变的表面，或改变先前制造的热塑性零件的表面的几何形状的行为。例如，该短语可以指将材料添加到注塑成型零件的表面上。添加的材料可以由热塑性弹性体形成，并且可以在热塑性零件的表面上限定一个或更多个凸起表面。替代性地，可以将添加的材料添加到空隙中，以与热塑性零件的周围表面齐平和/或在热塑性零件的周围表面下方形成
凹陷。这些短语与通过将连续的材料层层叠在另一层的顶部之上而从零开始构建的物体(如3d打印物体)以及通过将连续材料层层叠在另一层的顶部之上而从零开始构建物体直至形成物体为止的过程(如3d打印)相区别。
30.如本文中所使用的短语“表面改性配置”是指用作用于形成改性表面的基础的任何可编程图案、形状、模板或设计。
31.根据本公开的改性表面包括但不限于“功能性表面”、“装饰性表面”和“标记”。
32.如本文中所使用的术语“功能性表面”是指具有提供或增强了实用目的或益处的一个或更多个特性的表面。功能性表面的示例包括但不限于热塑性零件的表面上的防滑表面、减震表面和抗划伤表面。“防滑表面”可通过添加冷却后摩擦系数高于热塑性零件表面摩擦系数的材料来形成。
33.如本文中所使用的术语“装饰性表面”是指应用于热塑性制品或其上以实现期望的美学外观或效果的表面、饰面、设计元素或其他表面特征。
34.如本文中所使用的术语“标记”是指字母、数字、符号、徽标、商标、商品名称、规则和其他传达信息的标记。
35.根据本公开的装置和工艺包括使用序列号为62/928,617的美国临时申请中所述的常规或定制的计算机数控(cnc)机器和颗粒挤出机的装置和工艺，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
36.根据本公开的装置和工艺利用特别选择的材料来形成改性表面。应用于热塑性零件以形成改性表面的材料必须与形成热塑性零件的材料相兼容，以确保材料的适当融合。下表包含兼容材料示例的部分列表。
37.兼容零件材料和添加材料的示例
[0038][0039]
本公开还包括将表面增强剂施加于熔融表面的工艺和装置。在一种工艺中，使用由控制器操作的隧道装置将表面增强剂施加于热塑性零件。零件可在穿过静止隧道装置的可移动输送机上被移动。替代性地，隧道装置可以在静止零件上方或周围移动。另外，隧道装置和零件两者可以都移动，但速度和/或方向不同，使得零件相对于隧道移动。图1示出了用于将表面增强剂施加于热塑性零件的一组可能的步骤。
[0040]
在第一步骤1000中，用表面改性配置对控制器进行编程。
[0041]
在第二步骤1100中，当热塑性零件相对于聚焦红外(ir)加热器移动时，ir加热器产生足以熔融零件的顶部表皮或表面的热流。顶部表面被熔融至所需深度。熔融深度基于一个或更多个参数来控制，该一个或更多个参数包括但不限于ir加热器的强度设置、加热器和零件之间的间隔以及零件相对于加热器移动的速度。整个顶部表面可以被熔融。替代性地，仅与表面改性配置对应的顶部表面区域被熔融。
[0042]
在第三步骤1200中，施加器立即将添加剂材料施加到零件的熔融表面上。添加剂材料可以呈颗粒、丸粒、薄片、粉碎料、粉末的形式，或者可以是从一个或更多个辊子供给的片材。施加器可以相对于热塑性零件的表面移动，以将添加剂材料施加到熔融表面上的不同区域。控制器控制施加器和/或热塑性零件的移动，以便根据表面改性配置施加添加剂材料。添加剂材料可以是热塑性弹性体(tpe)。tpe可以是多种热塑性材料中的一种，包括但不限于热塑性硫化橡胶(tpv)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(sebs)和线性低密度聚乙烯
(lldpe)。添加剂材料在其被施加后粘附至零件的粘性熔融表面。
[0043]
在第四步骤1300中，压延辊子压缩并剪切添加剂材料。压延辊子可以被冷却。替代性地，压延辊子可以被加热。压延辊子也可以有纹理。由压延辊子进行的压缩使添加剂材料与基板缠结，从而产生粘合，并使顶部表面变平。还可以调整参数，以使压缩对添加剂颗粒产生剪切并使其流动。如果辊子被冷却，则辊子使被加热的添加剂材料和顶部表面冷却。
[0044]
在第五步骤1400中，零件离开隧道。如本文中所使用的术语“离开”可指移动零件从静止隧道中被输送出来、移动隧道移动经过静止零件或者移动部件从以与移动零件不同的速度和/或沿与移动零件不同的方向行进的移动隧道中移出。
[0045]
上述步骤可用于将功能性表面、装饰性表面或标记添加到热塑性零件的表面。这些步骤可以是唯一使用的步骤，或者可以与其他步骤组合使用。
[0046]
例如，可以在第三步骤和第四步骤之间执行可选的加热步骤。在这样的步骤中，向新沉积的弹性体材料施加额外的热量。额外的热量可使用相同的ir加热器、位于下游的不同ir加热器或另一热源施加。此外，额外的热量可以集中在与表面改性配置相对应的表面区域上。额外的热量可用于熔融零件表面和/或沉积在零件表面上的添加剂材料，以帮助将添加剂材料结合到零件表面中。
[0047]
在另一工艺中，与第一工艺类似，使用由控制器操作的隧道装置将表面增强剂施加于热塑性零件。零件可在穿过静止隧道装置的可移动输送机上被移动。替代性地，隧道装置可以在静止零件上方或周围移动。另外，隧道装置和零件两者可以都移动，但速度和/或方向不同，使得零件相对于隧道移动。图2示出了使用该替代工艺将表面增强剂施加于热塑性零件的一组可能的步骤。
[0048]
在第一步骤2000中，用表面改性配置对控制器进行编程。
[0049]
在第二步骤2100中，当热塑性零件相对于聚焦ir加热器移动时，ir加热器产生足以熔融零件的顶部表皮或表面的热流。顶部表面被熔融至所需深度。熔融深度基于一个或更多个参数来控制，一个或更多个参数包括但不限于ir加热器的强度设置、加热器和零件之间的间隔以及零件相对于加热器移动的速度。整个顶部表面可以被熔融。替代性地，仅与表面改性配置对应的顶部表面区域被熔融。
[0050]
在第三步骤2200中，施加器立即将添加剂材料施加到零件的熔融表面上。施加器相对于热塑性零件的表面移动，以将添加剂材料施加到熔融表面上的不同区域。控制器控制施加器和/或热塑性零件的移动，以便根据表面改性配置施加添加剂材料。添加剂材料可以是热塑性弹性体(tpe)。tpe可以是多种热塑性材料中的一种，包括但不限于热塑性硫化橡胶(tpv)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(sebs)和线性低密度聚乙烯(lldpe)。此外，tpe可以以各种物理形式应用，包括但不限于丸粒、薄片或颗粒。添加剂材料在其被施加后粘附至零件的粘性熔融表面。
[0051]
在第四步骤2300中，激光相对于热塑性零件和添加剂材料的熔融表面移动，以用颗粒沉积烧结添加剂材料。控制器控制激光器的相对运动，以便根据编程的表面改性配置来烧结添加剂材料。该步骤还可以包括作为激光烧结的替代的二次热流施加。
[0052]
在第五步骤2400中，压延辊子将添加剂材料压平并使添加剂材料紧密配合到热塑性零件中。
[0053]
在第六步骤2500中，零件离开隧道。如上文所述，术语“离开”可指移动零件从静止
隧道中被输送出来、移动隧道移动经过静止零件或者移动部件从以与移动零件不同的速度和/或沿与移动零件不同的方向行进的移动隧道中移出。
[0054]
上述步骤可用于将功能性表面、装饰性表面或标记添加到热塑性零件的表面。这些步骤可以是唯一使用的步骤，或者可以与其他步骤组合使用。
[0055]
图3示出了用于将功能性表面施加至热塑性制品的装置100。热塑性制品通过第一端102进入装置100，并通过第二端104离开装置100。装置100包括传送带110，用于将热塑性零件移动经过多个工位。控制器115控制传送带和热塑性零件的相对运动。
[0056]
热塑性制品移动经过第一工位120，第一工位120包括呈第一ir加热器124的形式的热源122。当热塑性制品进入装置100时，热塑性制品以由控制器115确立的受控速率移动经过ir加热器124。ir加热器124构造成以受控的热流熔融热塑性制品的顶部表面，受控的热流也由控制器115控制。
[0057]
热塑性制品在于第一工位处被加热后移动到包括施加器132的第二工位130。施加器132构造成在热塑性制品的被加热的顶部表面仍然熔融时立即将呈颗粒p的形式的添加剂材料施加到热塑性制品的被加热的顶部表面。颗粒p可以包括热塑性丸粒、粉碎料或不规则形状的非热塑性材料或由热塑性丸粒、粉碎料或不规则形状的非热塑性材料组成，包括但不限于沙子、大理石粉尘、花岗岩粉尘、橡胶屑或其他材料。
[0058]
热塑性制品在于第二工位130处接收添加剂材料之后随传送带110移动到第三工位140，第三工位包括呈第二ir加热器144的形式的第二热源142。第三工位142是可根据需要施加补充热量以保持或改变热塑性制品表面的温度和添加剂材料的温度的可选工位。根据本公开的装置可以在禁用第三工位的情况下使用，或者如果不需要补充加热，则完全省略第三工位。
[0059]
然后，具有添加剂材料的热塑性制品移动经过包括辊子152的第四工位150。根据本公开的辊子可以是加热辊子、冷却辊子和/或纹理辊子。辊子152构造成压缩并剪切热塑性制品的顶部表面上的添加剂材料的颗粒，以将材料嵌入并结合到顶部表面。如果辊子152被冷却，则辊子进一步用于使顶部表面和添加剂材料冷却并开始固化。如果辊子152带有纹理，则辊子可以为顶部表面和添加剂材料赋予修改的表面纹理。在通过辊子152之后，传送带110构造成将具有改性表面的热塑性制品通过第二端104移出装置100。
[0060]
在另一工艺中，在热塑性零件的表面上形成保留空隙。随后在保留空隙中沉积或施加添加剂材料以填充并完全密封空隙，使得在空隙中不形成间隙或封闭空间。添加剂材料的第一部分将空隙填充至与热塑性零件的表面对齐的水平。添加剂材料的第二部分从保留空隙突出并突出至表面上方，以在热塑性零件的表面上形成功能性表面。保留空隙通过将添加剂材料的一部分保持在表面下方来增强添加剂材料与热塑性零件的结合。特别地，与在热塑性材料简单地施加到热塑性零件上没有空隙的平坦表面上的情况下将提供的表面面积相比，保留空隙在热塑性零件上提供了更多的表面面积用于附接至添加剂材料。在一些实施例中，保留空隙可被设计成保护添加剂材料免受热塑性零件上的单位载荷的剪切损伤，如将要解释的那样。
[0061]
图4a示出了具有用于接收添加剂材料的保留空隙的制品的一个示例。在本示例中，该制品是运货板3000，但它也可以是施加有添加剂材料的任何其他热塑性制品。运货板3000包括基板或基座3100。基座3100具有设计成支撑负载的上表面3110，负载例如为用于
散装运输和/或储存的一个或更多个容器。
[0062]
保留空隙3120形成在运货板3000的上表面3110中。为了简化本示例，保留空隙3120被示出为延伸到运货板3000的上表面3110中的浅筒形空隙。应当理解，根据本公开的热塑性制品可以具有任何数量的空隙，并且空隙可以具有任何几何形状，这些几何形状可以是相同的形状或者一种或更多种不同的形状，以在运货板上形成一个或多个防滑特征。例如，多个保留空隙可以形成为一系列条纹、圆点图案或同心形状，包括但不限于同心圆、椭圆形、正方形、矩形或其他形状。图4b示出了一个示例，其中保留空隙3120’形成为一系列线性条纹。图4c示出了替代性示例，其中保留空隙3120”形成为多个同心圆。
[0063]
返回参照图4a，保留空隙3120构造成接收添加剂材料以在上表面3110上形成功能性表面。图5示出了填充有由热塑性弹性体3142组成的添加剂材料3140的保留空隙3120。热塑性弹性体3142表现出比运货板3000的上表面3110更高的摩擦系数，从而在运货板上提供呈防滑特征3152的形式的功能性表面3150。与将索环或条带组装到凹部中的现有技术不同，添加剂材料3140通过与空隙的内部融合而完全填充并完全密封保留空隙3120，不留下可聚集污染物的接缝或封闭空间。这使得运货板3000易于保持清洁，并适用于需要消毒的应用。
[0064]
参照图6，在保留空隙3120和防滑特征3152的区域中示出了运货板3000的横截面图。应当理解，其他保留空隙构型，包括但不限于图4b和图4c中所示的那些构型,可以形成有相同的横截面。因此，下面的横截面描述不仅仅局限于筒形保留空隙，还适用于热塑性制品表面上具有其他形状和图案的保留空隙。
[0065]
添加剂材料3140具有在上表面3110下方的第一部分3140a和在上表面上方的第二部分3140b。出于描述的目的，第一部分3140a和第二部分3140b在图6中被虚线分开。保留空隙3120由底壁3122和侧壁3124限定。底壁3122和侧壁3124提供了增加的表面面积以用于将添加剂材料3140附接到基座3100。保留空隙3120中的组合表面面积(即底壁和侧壁的总面积)大于在上表面只是平坦的而没有空隙的情况下将提供的用于附接到上表面3110的表面面积。因此，保留空隙3120提供了优异的结合表面和改进的表面下基础，这增强了基座3100和添加剂材料3140之间的附接。
[0066]
添加剂材料3140的第二部分3140b在基座3100的上表面3110上方延伸。此外，第二部分3140b在暴露位置突出到侧壁3124上方。在该暴露位置，第二部分3140b用作前述防滑特征3152。
[0067]
在一些应用中，当运货板3000上的制品与防滑特征3152接触时，暴露的第二部分3140b可能会因剪切而损坏。为了保护防滑特征免受剪切损坏，保留空隙可以用一个或更多个保护壁或防护件制造，保护壁或防护件与保留空隙相邻并且至少部分地围绕在表面上方延伸的添加剂材料的第二部分。
[0068]
在所示的示例中，基座3100包括围绕保留空隙3120的外周的凸起壁3160。凸起壁3160在上表面3110上方延伸并包围第二部分3140b的主要部分，从而保护该部段免受与物体的横向碰撞，并减少物体与防滑特征3152摩擦时的剪切效应。
[0069]
添加剂材料和保留空隙之间的融合非常强，并且不太可能被机械力克服。尽管如此，但根据本公开的保留空隙可以具有能够进一步强化基座和添加剂材料之间的附接的各种横截面几何形状。参照图7，保留空隙3120被示出为没有添加剂材料3140。保留空隙3120
具有底切部3121，该底切部3121进一步防止防滑特征3152从基座3100中分离和拉出。特别地，保留空隙3120的底部处的直径db小于保留空隙的顶部处的直径dt。这形成了渐缩几何形状或收缩，渐缩几何形状或收缩防止添加剂材料3140的第一部分3140a从保留空隙3120中滑出或拉出。
[0070]
如上所述，保留空隙可以具有除筒形以外的形状。当使用用于保留空隙的其他形状和构型时，仍然可以提供底切部，例如通过使保留空隙的底部处的横截面宽度比保留空隙的顶部处的横截面宽度更宽而提供底切部。例如，保留空隙可以呈具有梯形横截面的通道的形式。
[0071]
参照图8至图10，示出了一种用于形成具有保留空隙3120的基座3100的技术。图8示意性地示出了空模具m的一部分。模具m包括平面内壁i，该平面内壁i与形成基座的腔室c相邻。圆形突起或塞子pl从内壁i延伸。塞子pl具有基部bp和自由端部fe，该基部bp具有第一直径d1，该自由端部fe具有第二直径d2。第二直径d2大于第一直径d1。塞子pl的直径从基部bp到自由端部fe以恒定比率或均匀方式增加。在这种布置中，塞子pl具有燕尾形横截面。
[0072]
图9示意性地示出了将热塑性材料t注入到模具中之后的模具m。在注入期间，热塑性材料t围绕塞子pl流入腔室c并与内壁i接触。随着热塑性材料t固化，内壁i形成基座3100的上表面3110，塞子pl形成延伸到上表面中的保留空隙3120。由于塞子pl的燕尾形几何形状，保留空隙3120具有底切几何形状。
[0073]
图10示意性地示出了在热塑性材料t固化之后从模具m移除的过程中的基座3100。当施加力以将基座3100从模具m移除时，塞子pl的燕尾形几何形状与保留空隙3120周围的侧壁3124互锁，从而产生干涉。因此，必须施加一定量的力以克服干涉。当施加该力时，塞子pl对抗保留空隙3120的侧壁3124。塞子pl比侧壁3124周围的固化热塑性材料硬得多。因此，当塞子pl从保留空隙中被拉出时，保留空隙3120周围的侧壁3124将在应力下屈服，如图所示。这会产生永久性地改变保留空隙3120周围的侧壁3124的形状的塑性变形。为了获得最佳结果，热塑性材料t应具有足够的弹性和伸长率，以便在脱模期间允许塑性变形而不会撕裂。
[0074]
返回参照图7，示出了从模具m中移除后的基座3100。保留空隙3120周围的侧壁3124的塑性变形导致顶部边缘3126被从基座3100的上表面3110向外和向上拉动。这形成了凸起壁3160，该凸起壁围绕保留空隙3120的外周并在突出至上表面3110上方。凸起壁3160形成具有锋利边缘3164的边沿3162。凸起壁3160和边沿3162适于保护从保留空隙3120突出的防滑特征3152的至少一部分。
[0075]
在没有添加剂材料施加或以其他方式沉积到保留空隙3120中的情况下，凸起壁3160本身也可以提供防滑功能。凸起壁3160的边缘3164可以增大上表面3110的表面粗糙度，并减少在基座3110上的滑动。
[0076]
在另一工艺中，使用uv固化的添加剂材料在热塑性零件的表面上形成功能性表面、装饰性表面或标记。在一个示例中，添加剂材料是滚涂橡胶油墨。在另一个示例中，添加剂材料是涂层，涂层被丝网印刷到热塑性零件的顶部表面上，然后输送到一个或更多个uv灯下方用于固化。
[0077]
在另一工艺中，使用移印或喷涂到热塑性零件上的添加剂材料在热塑性零件的表面上形成功能性表面、装饰性表面或标记。在一个示例中，添加剂材料是油墨或涂料。
[0078]
相应地，本公开涵盖所有前述可能性。此外，本公开涵盖包括或执行本公开中描述的特征或步骤的任何组合的装置和工艺，无论这些特征或步骤是在相同示例中呈现还是在单独示例中呈现的。进一步地，所附权利要求旨在覆盖落入本公开范围内的所有这些变型。