Vulkanisationsverfahren und Vorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vulkanisation von Körpern aus elastomerem Werkstoff, bei dem der zu vulkanisierender Rohling in einer den Rohling aufnehmenden metallischen Vulkanisationsform auf Vulkanisationstemperatur erwärmt wird. Ebenfalls ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart sowie besondere

Anwendungen des Verfahrens.

Üblicherweise werden Produkte aus elastomerem Werkstoff unter Verwendung von heißem Dampf vulkanisiert. Dabei wird in einem Kesselhaus mit Hilfe eines

Gasbrennersystems überhitzter Wasserdampf erzeugt und anschließend über ein weit verzweigtes Leitungssystem zu den Vulkanisationspressen in der Fabrik geleitet. An den Vulkanisationsanlagen/Vulkanisationspressen wird der Dampf zur Aufheizung der

Vulkanisationsformen und deren Bestand- und Bauteile bzw. zum Spülen der Formteile verwendet. Die Erzeugung des Dampfs ist sehr teuer und durch das weit verzweigte

Leitungssystem entstehen erhebliche Energieverluste, bevor der Dampf im eigentlichen Heizprozess ankommt. Hier ist es z.B. erforderlich, alle Leitungen zu isolieren, damit ausreichend thermische Energie im Prozess verbleibt. Zudem sind die Rüstvorgänge bei den vielen unter Dampfdruck stehenden Vorgängen sehr zeitaufwendig und es fällt eine relativ hoher Aufwand für Reparatur und Instandhaltung an, da der Dampf alle Kontaktflächen angreift und z.B. Ventile, Kondensatoren etc. nach relativ kurzer Einsatzzeit überholt werden müssen. Auch bewegliche Leitungen, wie etwas Schläuche, unterliegen hohem Verschleiß. Auch sind die zur Reparatur und Instandhaltung erforderlichen Arbeiten aufgrund der Wärme und der schweren Ausführungen der Teile sehr aufwendig und nicht ganz ungefährlich. Im Stand der Technik wurden daher bereits Lösungen zum Ersatz der aufwendigen Heißdampfvulkanisation durch andere Verfahren vorgeschlagen. So offenbart die DE 881 848 bereits ein Verfahren zur Vulkanisation von Kunststoffen oder Kautschuk in einem hochfrequenten Wechselfeld, bei dem unterschiedliche elektrische Einrichtungen zur Erzeugung dieser Wechselfelder Überhitzungen des zu vulkanisierenden Produktes vermeiden sollen. Die DE AS 1 054 229 zeigt ein Vulkanisationsverfahren von Bahnen aus Kautschuk auf einer Rolle bzw. in einem Wickel in einem hochfrequenten elektrischen Feld, bei dem zwischen den Bahnen ein Material mit anderen dielektrischen Kenngrößen als Kautschuk aufgewickelt ist. Die DE 23 54 938 AI offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Schläuchen für

Fahrzeugreifen, bei dem die Vulkanisationswärme durch elektro-induktive Mittel erzeugt wird und metallische Formteile erwärmt, die zwischen die Schläuche gelegt werden.

Diese zu der Dampfheizung alternativen Erwärmungsmethoden haben sich jedoch bisher schon allein aus dem Grunde nicht durchsetzen können, dass eine gleichmäßige und vollständige Durchwärmung der Kautschukprodukte nicht zufriedenstellend erreicht werden konnte.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, eine Alternative für die bisher mit Heißdampf arbeitende Vulkanisation und gleichzeitig ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine sichere Temperaturführung, ein einfacher Pressenaufbau, eine erleichterte Bedienbarkeit und ein wesentlich reduzierter Instandhaltungsaufwand erreicht werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart. Dabei erfolgt die Erwärmung des Rohlings durch Wärmeübertragung aus einer elektrisch induktiv erwärmten Vulkanisationsform, wobei die Erwärmung der Vulkanisationsform über mindestens zwei elektrisch gekoppelte und koaxial an den Enden der

Vulkanisationsform angeordneten und von einem hochfrequenten Wechselstrom

durchflossenen Kopplungsspulen, die einer Helmholtzspulenanordnung ähneln.

Helmholtz spulen sind eine besondere Spulenanordnung, bei der zwei Spulen

in einem Abstand koaxial und im Wesentlichen parallel aufgestellt und gleichsinnig von Strom durchflössen sind. Der definierte Abstand entspricht dabei dem Radius einer Spule. Beide Spulen erzeugen unabhängig voneinander ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien sich um die Spulen herum wölben. Durch den geometrischen Abstand der Spulen zueinander ist es möglich, die Magnetfeldlinien zu überlagern bzw. zu koppeln. Durch die Überlagerung beider, durch den Stromfluss in der Spule entstehenden Magnetfelder, ergibt sich zwischen beiden Spulen ein Bereich mit weitgehend homogenem Magnetfeld.

Bei dem erfindungs gemäßen Verfahren ist dagegen der Abstand der beiden Spulen größer als der Radius einer Spule, so dass sich an sich kein homogenes Magnetfeld zwischen den Spulen ausbilden könnte. Erst wenn sich in diesem Feld ein metallischer Leiter befindet, wie z.B. eine metallische Vulkanisationsform für Luftfederrohlinge, werden die

Magnetfeldinien zur Form geleitet, sodass sich innerhalb der Form ein nahezu homogenes Magnetfeld aufbaut. So erzeugt das von dem hochfrequenten Wechselstrom erzeugte Wechselfeld molekulare Schwingungen im Metall. Als Folge erhitzt sich die metallische Vulkanisationsform aufgrund molekularer Reibung. Die Intensität der Erwärmung ist dabei abhängig von den Werkstoffkennwerten.

Mit einer solchen Art der Erzeugung und Übertragung von Vulkanisationswärme entfallen die oben genannten und durch die üblicherweise im Stand der Technik genutzten

Heißdampferwärmung entstehenden Handhabungs- und Instandhaltungsproblem vollständig. Zudem ergeben sich signifikante Einsparungen an Energiekosten, da die bei einer Dampfheizung durch das weit verzweigte Leitungs- und Ventilsystem auftretenden, kumulierten Energieverluste stark reduziert werden. Die benötigte Energie zur Beheizung der Vulkanisationsform wird direkt vor Ort erzeugt bzw. über normale Stromleitungen geführt. Aufgrund der hohen Wirkungsgrade elektrotechnischer Anlagen (in der Regel größer 95%), fallen nur sehr wenige Verluste an. Aufwendige Wartungs- oder Reparaturarbeiten in regelmäßigen, teilweise sehr kurzen Zeitintervallen entfallen aufgrund des Verzichts auf Wasserdampf zur Beheizung der Vulkanisationsformen. Elektrotechnische Anlagen sind in der Regel sehr wartungsarm.

Bei der Induktionsheizung allgemein und auch bei der erfindungs gemäßen

Verfahrensausbildung mit Kopplungs spulen sorgen die elektrischen Wirbelstromverluste für die Erwärmung. Wirbelstrom- und Hystereseverluste sind abhängig von der

Strom-Durchlässigkeit des metallischen Werkstoffes und dessen

Magnetisierungskoeffizienten (Permeabilität). Lässt der Werkstoff wenig Strom hindurch, bedeutet dies, dass ein großer Teil der mit Hilfe des Magnetfeldes eingebrachten Energie in molekulare Reibungshitze umgewandelt wird und die Form erwärmt. Wird ein geeigneter Werkstoff mit hoher Permeabilität und relativ niedrigem elektrischem Leitwert für die Vulkanisationsform ausgewählt, kann die benötigte elektrische Leistung verringert werden. Außerdem weist das erfindungs gemäße Verfahren mit der beanspruchten Anordnung von Kopplungs spulen auch erhebliche Vorteile gegenüber der Anwendung von Ringinduktoren auf, mit denen man alternativ die Vulkanisationsform umgeben könnte. Für eine

Anwendung von Ringinduktoren müssen speziell angefertigte Spulen für jede

Vulkanisationsform gewickelt werden, während bei den erfindungs gemäß eingesetzten Kopplungs spulen im Wesentlichen vorgefertigte Spulen eingesetzt werden können die im Abstand und elektrischen Größen für eine Reihe von Vulkanisationsform gleichermaßen eingesetzt werden können. Darüber würde der Einsatz von Ringinduktoren die

Konstruktion der Vulkanisationsform beeinflussen, also etwa dadurch dass die

Vulkanisationsform ausschließlich nach einem Topf-Deckel-Prinzip gebaut werden müsste. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft zur Vulkanisation von Hohlkörpern in Form von Luftfederbälgen einsetzen. Dabei wird ein zu vulkanisierender Balgrohling/Luftfederbalgrohling in einer den Balgrohling umgebenden metallischen Vulkanisationsform bis zur Anlage an deren Innenwand unter Innendruck gesetzt und durch Wärmeübertragung auf Vulkanisationstemperatur erwärmt wird. Durch die mit diesem Verfahren erreichbare besonders gleichmäßige Temperatur in der

Vulkanisationsform und der entsprechend gleichmäßigen Wärmeübertragung lassen sich auch bei diesem Hohlkörper in hervorragender Weise Überhitzungen vermeiden und es ergibt sich eine vollständige und an allen Balgbereichen gleichmäßig durchvulkanisierte Materialmatrix.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass Spulengeometrie, Strom,

Windungszahlen und Abstand der koaxial an den Enden der Vulkanisationsform angeordneten Kopplung s spulen so ausgebildet sind, dass ein im Wesentlichen homogen ausgebildetes magnetisches Wechselfeld mit gradlinig über die Länge der

Vulkanisationsform verlaufenden Magnetfeldlinien entsteht. Damit wird zum einen unterstützt, dass eine über die Länge der Vulkanisationsform im Wesentlichen gleiche Temperatur entsteht, und zum anderen eine Voreinstellung der Auslegung solcher Vulkanisationsanlagen möglich, bei der aus einer Vielzahl von Parametern eine bestmögliche Vorauswahl getroffen werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass Teilbereiche der

Vulkanisationsform oder Teile ihrer Umgebung durch magnetische Abschirmungen abgeschattet oder abgedeckt werden. Mit Hilfe solcher Abschirmungen kann das räumlich auftretende Magnetfeld eingedämmt und so die Erhitzung von

metallischen Gegenstanden, insbesondere feinere, empfindlichere metallische

Konstruktionen vor zu hoher Erwärmung geschützt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass Stromstärke, die Stromfrequenz und die Spannung der Kopplung s spulen über einen Frequenzumrichter gesteuert sind. Dadurch ist es möglich, die Temperatur indirekt mit Hilfe der Induktion in den Spulen individuell einzustellen. Mit Hilfe eines Frequenzumrichters ist es möglich, die

Stromstärke, die Stromfrequenz und die Spannung je nach Wunsch einzustellen.

Rezeptverwaltungen, als z.B. auf eine Gummimischung angepasste Vulkanisationsabläufe, kurze Aufheizintervalle durch zeitlich nicht gleichmäßige Durchflutungs-Intensität, oder Intervall-Beheizung mit Temperaturüberwachung sind dann problemlos möglich.

Denkbar ist auch eine zeitgesteuerte, nicht konstante Beheizung der Vulkanisationsformen. Am Anfang eines Heizzyklus wird die Form konstant auf der bisherigen Temperatur gehalten. Ist die Vulkanisation an der äußeren Kontur der Gummiluftfeder erfolgt, kann nach und nach fein die Temperatur erhöht werden. So wird vermieden, dass der Kautschuk während der Vernetzung verbrennt. Sobald erste Vernetzungen Gummi an der

Außenkontur erzeugt sind, kann die Temperatur erhöht werden und in Folge dessen die inneren Konturen schneller vulkanisiert werden. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Frequenzumrichter durch Sicherheitseinrichtungen in der elektrischen Schaltung einer zugehörigen

Vulkanisationsanlage ansprechbar ist und beim Auslösen einer solchen

Sicherheitseinrichtung die Stromzufuhr unterbricht. Notabschaltung sind hiermit problemlos möglich.

Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahrens zur Vulkanisation von Reifenrohlingen in metallischen Vulkanisationsformen oder zur Vulkanisation von auf einer metallischen Formtrommel aufgewickelten oder in einer zylindrischen formgebenden Vulkanisationsform aufgenommenen Rohlingen für Antriebsriemen verwenden.

Dasselbe gilt für die Vulkanisation von Transportbändern bzw. Förderbändern, wobei die Bänder segment- bzw. längenweise vulkanisiert werden, indem das Transport- oder Förderband durch eine auf die Oberseite und die Unterseite des Förderbandes einwirkende und zustellbare flache Vulkanisationspresse vulkanisiert wird. Hier werden diese Bänder in langen Schüssen oder als Endlosband durch die Kopplungs spulen und die dazwischen liegenden metallischen Heizplatten der Vulkanisationspresse gefahren, die Heizplatten werden dann zugestellt und danach erwärmt. Nach Abschluss dieser partiellen

Vulkanisation werden die Heizplatten geöffnet, das Band um etwa eine Heizplattenlänge vorgefahren und der Prozess beginnt von neuem. Die Kopplungs spulen sind hierbei natürlich im Wesentlichen rechteckig ober flachoval ausgebildet, entsprechend den flachen und an das Band angepassten Heizplatten der Vulkanisationspresse.

Bei diesen Anwendungen treten bei der bisherigen Verwendung von Heißdampf typischerweise dieselben Probleme auf wie bei dessen Verwendung zur Vulkanisation für Luftfederbälgen. Außerdem sind bei diesen Anwendungen die Vulkanisationsformen in aller Regel größer im Durchmesser und auch schwieriger in der Handhabung, so dass eine Alternative, wie sie beispielsweise mit Ringinduktoren gegeben wäre, hier ausscheidet und die Kopplungs spulen eine besonders gute und geeignete Lösung für die Aufgabe darstellen. Anhand eines Ausführungsbeispiels, nämlich einer erfindungs gemäßen

Vulkanisationspresse für die Vulkanisation von Luftfederrohlingen, soll die Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt hierzu schematisch eine

Vulkanisationspresse 1 zur Durchführung des Verfahrens, ausgelegt als Doppelpresse für die Vulkanisation von Luftfederrohlingen.

Die Presse weist dabei einen Maschinenrahmen 2 auf, in dem für jede der doppelt ausgelegten Vulkanisationsformen 3, 4 ein Oberteil 5 und ein entsprechendes Unterteil 6 ausgebildet sind. Die Oberteile 5 sind im Maschinenrahmen 2 verfahrbar angeordnet und werden jeweils mit Hilfe eines Pressenzylinders 7 bewegt. Die Unterteile 6 sind fest mit dem Maschinenrahmen verschraubt.

Die jeweiligen Oberteile 5 können damit in die auf der linken Seite dargestellte geöffnete Position der Vulkanisationsform 3 gefahren werden und in die auf der rechten Seite dargestellte geschlossene Position 4. In der geöffneten Position 3 wird der Rohling 8 des zu vulkanisierenden Luftfederbalgs eingelegt. Danach wird die Vulkanisationsform 3 geschlossen und die Vulkanisation des Luftfederrohlings, das heißt die Erwärmung der Vulkanisationsform kann beginnen. In einem solchen Zustand befindet sich beispielsweise die auf der rechten Seite gezeigte Vulkanisationsform 4.

Die Vulkanisationsformen 3 und 4 sind mit Einrichtungen versehen, die den

Luftfederrohling in Berührungskontakt mit den Vulkanisationsformteilen bringen, nämlich mit hier nicht näher dargestellten Einrichtungen, mit denen der Luftfederrohling unter Innendruck gesetzt werden kann, so dass er sich nach dem Schließen der Presse an die Innenwand des jeweils hohlen topfförmig ausgebildeten Oberteils 5 der

Vulkanisationsformen 3 und 4 anlegen kann.

Jeweils koaxial zum Ober- und Unterteil Vulkanisationsformen 3 und 4 sind an letzteren die Kopplungs spulen 9 und 10 angeordnet, nämlich eine Spule 9 am oberen Ende des jeweiligen Oberteils 5 der Vulkanisationsform und eine Spule 10 am unteren Ende des Unterteils 6.

Nach dem Schließen der Vulkanisationsform wird ein hochfrequenter Wechselstrom an die beiden Spulen 9 und 10 angelegt, der die Spulen gleichsinnig durchfließt.

Beide Spulen 9 und 10 erzeugen ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien sich so überlagern, dass zwischen beiden Spulen im Bereich der geschlossenen

Vulkanisationsform 4 ein weitgehend homogenes Magnetfeld im Metall der

Vulkanisationsform entsteht. Das von dem hochfrequenten Wechselstrom erzeugte Wechselfeld führt zur Erwärmung der Vulkanisationsform. Diese Wärme wird auf den in der Form befindlichen und an der Innenwand angelegten Luftfederrohling übertragen und für die gleichmäßige Vulkanisation genutzt.

Nicht näher dargestellt sind hierbei die Einrichtungen zur Steuerung und Energiezufuhr der Presse und zur Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Wechselstromes in den Kopplungsspulen, mit denen die hier nur schematisch dargestellte Doppelpresse natürlich versehen ist. Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Vulkanisationspresse / Doppelpresse

2 Maschinenrahmen

3 Vulkanisationsform

4 Vulkanisationsform

5 Oberteil der Vulkanisationsforai

6 Unterteil der Vulkanisationsform

7 Pressenzylinder

8 Luftfederrohling

9 Kopplungs spule

10 Kopplungs spule