Einrichtung zum Vulkanisieren eines Rohlings aus elastomerem Material

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Vulkanisieren eines torusförmigen Rohlings aus elastomerem Material, vorzugsweise zum form- oder konturgebenden Vulkanisieren einer gewebeverstärkten Gummimembran zu einem Luftfederbalg, bei der der Rohling mindestens endseitig, d.h. mindestens an einem seiner beiden Enden zwischen einem inneren Form- und/oder Einspannwerkzeug und einer den Rohling umgebenden

Vulkanisationsform eingespannt ist und sich während der konturgebenden Vulkanisation durch Innendruck beaufschlagt an die Innenoberfläche der Vulkanisationsform anlegt.

Solche Einrichtungen zur Vulkanisation, insbesondere von torusförmigen

Luftfederrohlingen zu einem Luftfederbalg sind seit langem bekannt. Die Rohlinge sind dabei in der Regel als gewebeverstärkte Gummimembranen ausgebildet., Zur Vulkanisation solcher Rohlinge in Form von Hohlkörpern aus elastomeren Materialien werden die Rohlinge in eine Heizform eingelegt, die sie von außen umgibt, und zusätzlich von ihrer Innenseite mit Heizmedium beaufschlagt, um eine vollständige und gleichmäßige innen- und außenseitige Heizung auf Vulkanisationstemperatur zu erreichen. Je nach Elastomer / nach Werkstoff erfolgt die Vulkanisation bei einer Temperatur zwischen 160 und 200 °C. In aller Regel beträgt die Vulkanisationszeit, ebenfalls abhängig vom

Werkstoff, etwa 6 bis 12 Minuten.

Je nach Art des zu vulkanisierenden Werkstücks kann die Innenseite oder die Außenseite direkt mit einem Heizmedium beaufschlagt werden oder mit einem Stützbalg/Heizbalg versehen sein, der das zu vulkanisierender Werkstück vom Heizmedium trennt. Als Heizmedium wird normalerweise heißer Dampf verwendet. Bei der Herstellung von Luftfederbälgen etwa für Rollbalgluftfedern, insbesondere bei der Vulkanisation ohne Heizschlauch bzw. Heizbalg, d.h. bei der so genannten balglosen Vulkanisation, sind nur die Enden des Rohlings mechanisch im Vulkanisationswerkzeug eingespannt. Diese Einspannung erzeugt hohe Druckspannungen auf die Oberfläche der eingespannten Wandbereiche des Rohlings, und zwar innen und außen.

Außen ist nämlich auch die komplette Wand des Rohlings durch den Kontakt zur

Vulkanisationsform abgestützt. Innen sind bei der balglosen Vulkanisation nur die Enden durch das Einspannwerkzeug eingespannt, um eine genaue Ausformung der komplex geformten Endbereiche/Schnittstellen und eine Abdichtung des beim Vulkanisieren herrschenden Innendrucks sicher zu stellen.

Aufgrund der lokalen Begrenzung der inneren Einspannung auf die auszuformenden Bereiche entsteht am Rand der Einspannwerkzeuge ein starker Gradient der

Druckspannung in Richtung Einspannungsrand /Rand des Einspannwerkzeugs. Dadurch, dass sich beim Aufheizen des Materials natürlich die Viskosität der Gummimischung noch verringert, kann das solchermaßen fließ freudige Material in Richtung des Gradienten verdrängt werden, also in Richtung auf den Einspannungsrand fließen.

Durch ein solches Fließen des Materials entstehen Nachteile. Infolge des Materialabflusses wird nämlich die Gewebeabdeckung mit Gummi an der Einspannstelle geringer. Das kann zu Ausschuss bei der Produktion führen, insbesondere dann, wenn im späteren Betrieb am Fahrzeug die Kombination aus Gewebewinkel und Rollbalggeometrie zu einer höheren Belastung der Gummiabdeckung in den Anschlussbereichen führt. Um dem

entgegenzuwirken, muss dann von vornherein eine dickere Innengummischicht vorgesehen werden, die aber das Produkt und die Herstellung verteuert und das Gewicht steigert.

Des Weiteren ist ein Zielkonflikt dadurch gegeben, dass bei der Entwicklung neuer Produkteigenschaften es teilweise sogar wünschenswert ist, relativ fließ freudige

Gummimischungen zu verwenden. Solche Mischungen sind aber bei hohen Druckgradienten bei der Einspannung nicht einsetzbar, so dass hierdurch eine

„Prozessgrenze" bei der Herstellung gesetzt wird, die nicht überschritten werden kann.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, eine Einrichtung zum Vulkanisieren eines torusförmigen Rohlings aus elastomerem Material so auszubilden, dass die genannten Nachteile vermieden werden, indem ein Fließen des zur Vulkanisation erwärmten

Materials im Einspannbereich verhindert bzw. so verringert wird, dass keine

Kompensation durch höhere Materialdicken erforderlich wird und auch höherviskose Mischungen eingesetzt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Dabei weist die Oberfläche des Einspannwerkzeugs mindestens im Kontaktbereich mit dem Rohling eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen und/oder Vertiefungen auf, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass während der Einspannung ein durch den Druck des Einspannwerkzeugs auf den Rohling erzeugtes Fließen des elastomeren Materials in nur einer Vorzugsrichtung verhindert wird, insbesondere ein Fließen zum Rand des

Einspannwerkzeugs.

Die Einspannwerkzeuge werden also mit einer Mikrostruktur versehen, die als Negativ auf der Oberfläche der betreffenden Einspannbereiche eingeprägt ist. Der Begriff

„Mikrostruktur" ist natürlich relativ, ist aber hier so zu verstehen, dass die Struktur wesentlich kleiner ist als die übrigen geometrischen Abmessungen des

Einspannwerkzeugs, wobei die Größenordnungen der Erhebungen und/oder Vertiefungen maximal im Zehntel-Millimeter-Bereich angeordnet sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Oberfläche im Kontaktbereich des Einspannwerkzeugs verteilte Kavitäten aufweist, vorzugsweise regelmäßig verteilte Kavitäten gleicher Form und Tiefe, insbesondere in Form einer miniaturisierten

Golfballoberfläche. Eine solche Oberfläche der Einspannwerkzeuge ist sehr leicht durch formende Bearbeitung herzustellen, etwa durch stempeln, meißeln oder Schlagen.

Regelmäßig verteilte Kavitäten gleicher Form und Tiefe können auch in Form einer so genannten„technischen Oberfläche/technischen Narbung" ausgebildet sein, bei der ein bestimmtes Muster von z.B. rechteckigen, rautenförmigen oder anderen geometrischen Erhebungen über den Einspannbereich verteilt ist, ggf. in Gruppen und regelmäßig wiederholt. Auch hier ist die Herstellung relativ einfach und kann beispielsweise durch Rollen oder Stanzen erfolgen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Oberfläche im Kontaktbereich des Einspannwerkzeugs unregelmäßige und/oder unregelmäßig verteilte Vertiefungen und Vorsprünge aufweist, vorzugsweise in Form einer Narbung, insbesondere einer

Ledernarbung. Die Strukturierung der Oberfläche im Kontaktbereich kann so auch auf bestimmte Materialien oder Mischungen angepasst werden. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass, wie oben bereits kurz

angesprochen, die Kavitäten oder Vertiefungen eine Tiefe von 0,05 bis 0,4 mm aufweisen, vorzugsweise von 0,15 bis 0,2 mm, also als Mikrostruktur ausgebildet sind. Der besondere Vorteil einer solchen Ausbildung besteht darin, dass durch die geringen Tiefen eine Veränderung der übrigen Eigenschaften des Luftfederbalges, etwa der

Biegewechselfestigkeit der Oberfiächenbereiche nach der Vulkanisation, nicht zu befürchten ist.

Eine vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Erhebungen und/oder Vertiefungen in Oberflächenrichtung einen solchen Abstand aufweisen, dass in Bezug auf die Fadenbreite bzw. den Fadendurchmesser der Gewebefäden in der Gewebeverstärkung mindestens ein Wechsel von einer Erhebung auf eine Vertiefung oder umgekehrt innerhalb einer

Fadenbreite erfolgt. Eine solche„Auflösung" der Oberflächenstruktur führt insbesondere dazu, dass auf jeden Fall eine ausreichende Überdeckung der Fäden mit Gummimatrix erhalten bleibt, auch bei hohen Einspannkräften. Der besondere Effekt, der durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vulkanisationseinrichtung erreicht wird, liegt darin, dass dem bei der bisher verwendeten glatten Oberfläche radial orientierten Druckgradienten durch die erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche Druckgradienten in alle drei Raumrichtungen überlagert werden. So wird der Druckgradient in Richtung auf den Rand des Einspannwerkzeugs verringert und das Material wird in alle Richtungen in die Kavitäten der Oberflächenstruktur verdrängt. Damit wird die globale Vorzugsfließrichtung zum Werkzeugrand in lokal begrenzte Fließvorgänge aufgelöst. Damit ergibt sich keine dominierende allgemeine Fließrichtung in Richtung

Werkzeugrand, sondern ein Speichereffekt, bei dem das Material zwar fließen kann, dabei aber mehr an gleicher Stelle verbleibt und der Abfluss zum Rand unterbunden wird.

So können empfindliche Produkte mit verringerter Ausschussrate produziert werden und es können neue, fließ freudigere Mischungsvarianten und dünnere Innengummischichten verwendet werden.

Vorteilhafterweise ist eine solche erfindungsgemäße Einrichtung sowohl für die balglose Vulkanisation als auch für die Vulkanisation mit einem innen liegenden Heizbalg zu verwenden, nämlich einerseits zum Vulkanisieren einer gewebeverstärkten

Gummimembran zu einem Luftfederbalg ohne Heizbalg, bei der die Gummimembran im Wesentlichen an ihren End- oder Schulterbereichen zwischen einem inneren

Einspannwerkzeug und der Innenoberfläche der Vulkanisationsform eingespannt ist. Andererseits kann die Vulkanisation auch mit einem innenliegenden Heizbalg erfolgen, so dass die Gummimembran im Wesentlichen zwischen Heizbalg und Innenoberfläche der Vulkanisationsform eingespannt ist. Dabei weist dann der Heizbalg insbesondere an seinen End- oder Schulterbereichen auf seiner zur Vulkanisationsform gerichteten Oberfläche die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur auf. Ein besonders vorteilhafter zusätzlicher Effekt ergibt sich übrigens, wenn an beiden Enden der Gummimembran die Einspannung an bzw. zur Innenoberfläche der

Vulkanisationsform mit einem inneren Einspannwerkzeug erfolgt, dessen Oberfläche im Kontaktbereich mit dem Rohling die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur mit

Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist.

Durch diese strukturierte Oberfläche formen sich die Erhebungen und/oder Vertiefungen bei der Vulkanisation nämlich als Negativ, d.h. als bleibende Mikrostruktur auf der Innenseite der Gummimembran ab und finden sich so in beiden inneren Endbereichen des einbaufertigen Luftfederrollbalgs wieder. Wenn dann ein oder beide inneren Endbereiche der Rollbalgluftfeder beim Zusammenbau eine ringförmige Dichtfläche zu entsprechend ausgebildeten Anschlussteilen bilden, entstehen durch die Mikrostruktur eine Vielzahl von „Dichtlippen", die die Abdichtung deutlich verbessern und Mikroleckagen in den

Endbereichen vermeiden helfen. Dementsprechend ist auch ein solcherart ausgebildeter Luftfederbalg beansprucht.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig 1 eine erfindungsgemäße Vulkanisationseinrichtung,

Fig 2 eine vergrößerte Darstellung des oberen Einspannwerkzeugs der

Vulkanisationseinrichtung gemäß Fig. l,

Fig 3 eine mit der Vulkanisationseinrichtung gemäß Fig.l hergestellte / vulkanisierte Rollbalgluftfeder

Fig 4a eine Oberfläche eines Einspannwerkzeugs im Kontaktbereich /

Einspannbereich mit einer Mikrostruktur aus Erhebungen und Vertiefungen

Fig 4b ein Foto mit einer weiteren Oberfläche eines Einspannwerkzeugs im Kontaktbereich / Einspannbereich mit einer Mikrostruktur aus Erhebungen und Vertiefungen Fig. 1 zeigt eine Vulkanisationseinrichtung 1, bei der im Weiteren nur die für die

Erfindung wesentlichen Teilen beschrieben und dargestellt sind.

Diese Vulkanisationseinrichtung 1 besitzt eine den Rohling auf seiner Außenseite umgebenden Vulkanisationsform 2, die in einem entsprechenden Maschinenrahmen gehalten ist und durch Deckel 3 und Boden 4 verschlossen ist.

Innerhalb und im oberen Teil der Vulkanisationsform 2 befindet sich ein

Einspannwerkzeug 5, mit dem der Rohling endseitig im Zusammenwirken mit

umgebenden Vulkanisationsform 2 einspannbar ist.

Im unteren Teil der Vulkanisationsform 2 erkennt man ein weiteres Form-und

Einspannwerkzeug 6, mit dem der Wulstring 7 des Luftfederbalgs 8 mit dem eingelegten Kern 9 ausgeformt wird. Wulstring, Kern und Luftfederbalg erkennt man am besten in der Zusammenschau mit der Fig. 3, die den bereits fertig vulkanisierten Rohling darstellt, nämlich als ausvulkanisierten Luftfederbalg 8. In der Fig. 1 ist die

Vulkanisationseinrichtung der besseren Übersicht halber ohne den eingelegten Rohling dargestellt. Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung das obere Einspannwerkzeug 5. Das

Einspannwerkzeug besteht im Wesentlichen aus einer Betätigungsstange oder Druckstange 10 und dem eigentlichen Spannkörper 11, der unter Druck gegen die Innenwandung der Vulkanisationsform gefahren wird und den Rohling dabei einpresst bzw. einspannt. Die äußere Form des Spannkörpers und die innere Form der Vulkanisationsform in Ihrem Endbereich sind dabei über den Einspannbereich 12 entsprechend komplementär ausgeformt.

Die Oberfläche des Einspannwerkzeugs im Einspannbereich 12, d.h. im Kontaktbereich mit dem Rohling, weist eine Oberflächenstruktur 13 auf mit einer Mikrostruktur aus Erhebungen und Vertiefungen, wie sie in der Fig. 4a abgebildet ist. In der hier gezeigten Ausführung handelt es sich um eine so genannte„technische Narbung" aus unregelmäßigen und beliebig verteilten Mikroerhebungen von ca. 0,18 mm Höhe und beliebig verteilten kurzen eingravierten Linien/Einritzungen. Fig. 4b zeigt als Foto eine Oberflächenstruktur 13 mit beliebig verteilten Mikroerhebungen von ca. 0,18 mm Höhe ohne solche Einritzungen.

Die Mikroerhebungen sind dabei so ausgebildet und angeordnet, dass während der

Einspannung ein durch den Druck des Einspannwerkzeugs auf den Rohling erzeugtes Fließen des elastomeren Materials in nur einer Vorzugsrichtung verhindert wird. Dadurch entstehen, wie bereits oben dargestellt, Druckgradienten in alle drei Raumrichtungen, so dass das Material in alle Richtungen in die Kavitäten der Oberflächenstruktur verdrängt und die Vorzugsfließrichtung zum Werkzeugrand aufgelöst wird.

Diese Mikrostruktur 13 findet sich nach der Vulkanisation natürlich als Negativ 13a wieder auf der Innenseite der RoUbalgluftfeder, wie auch in der Figur 3 gezeigt. Die

RoUbalgluftfeder in der Figur 3 ist übrigens, wie man leicht sieht, einmal um 180° gedreht dargestellt in Relation zu ihrer Lage in der Vulkanisationseinrichtung 1.

Bei dieser Ausführung ist also nur ein Ende des Rohlings mit einem Werkzeug eingespannt worden, welches mit einer Mikrostruktur aus Erhebungen und Vertiefungen versehen ist. Natürlich kann auch das gegenüberliegende Einspannwerkzeug so ausgebildet werden, wodurch sich dann an beiden Enden der RoUbalgluftfeder die oben bereits erwähnten zusätzlichen vorteilhaften Effekte bei der Dichtung in der Verbindung zu den

Anschlussteilen ergeben.

Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Vulkanisationseinrichtung

2 Vulkanisationsform

3 Deckel der Vulkanisationseinrichtung

4 Boden der Vulkanisationseinrichtung

5 Einspannwerkzeug, oben

6 Einspannwerkzeug, unten

7 Wulstring

8 Luftfederrollbalg

9 Kern

10 Druckstange

11 Spannkörper

12 Einspannbereich, Kontaktbereich mit dem Rohling

13 Oberflächenstruktur

13a Negativ der Oberflächenstruktur