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Verfahren zum Herstellen von Gummiringen Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Herstellen von Gummiringen aus Rohgummimasse unter Erwärmen und Vulkanisieren
in zwei sich zu der Gestalt der Ringe ergänzenden Formhälften, dem die Rohgummimasse
in Form eines Streifens zwischen die Formhälften geführt und aus dem Streifen ein
Stück herausgeschnitten wird sowie die Formhälften bis zum vollständigen Schließen
mehrere Male aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden.
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Bei allen solchen Verfahren werden die Formhälften mit einer bestimmten
Menge Rohgummimasse gefüllt. Diese wird während der öffnungs- und Schließbewegungen
der Formhälften durchknetet und unter der Einwirkung des Druckes und der Temperatur
vulkanisiert. Dabei ist man bestrebt, die Vulkanisationszeit klein zu halten. Eine
Möglichkeit zum Herabsetzen der Vulkanisationszeit liegt in einem Erhöhen der Temperatur.
Einer Erhöhung der Temperatur sind aber Grenzen gesetzt, da die Gummimasse bei zu
hoher Temperatur verkohlt und zur Blasenbildung neigt.
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Verschiedene andere Möglichkeiten sind bereits erwogen worden, um
die Vulkanisationszeit herabzusetzen. So ist ein Verfahren zum Erzeugen von Formartikeln
aus vulkanisierbaren Kautschukmischungen bekannt, bei dem eine annähernd auf Vulkanisationstemperatur
vorgeformte Kautschukmischung in das Formnest zwischen den gleichfalls auf etwa
Vulkanisationstemperatur erwärmten Formhälften eingespritzt wird. Noch ein weiteres
Verfahren ist bekannt, bei dem die Formhälften auf Temperaturen gebracht werden,
die weit über den Vulkanisationstemperaturen liegen. Mit diesem Verfahren wird erreicht,
daß die Vulkanisation in dem gesamten Querschnitt des Formartikels fast auf einmal
erfolgt.
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Bei allen bekannten Verfahren besteht jedoch die Neigung, daß sich
an der Oberfläche der Formartikel Bläschen bilden. Diese Gefahr besteht besonders
dann, wenn die Vulkanisationszeit durch Erhöhen der Temperatur oder des Druckes
herabgesetzt werden soll. Die Ursache hierfür liegt in dem Einschluß von Luft und
anderen Gasen in dem Formnest auf Grund des erhöhten Druckes, mit dem die Formhälften
zusammengedrückt werden. Diese Gase dispergieren in der Kautschuk- oder Rohgummimasse
und führen bei den hohen Temperaturen zu Verbrennungen und verkohlten Stellen.
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Bei den bekannten Verfahren wird in die Formhälften mehr Masse eingefüllt,
als ihrem Volumen entspricht. Die Kautschuk- oder Rohgummimasse wird dadurch verdichtet,
wodurch ihre Wärmeleit-
fähigkeit unter den schon von Natur aus geringen Wert sinkt.
Die Gefahr örtlicher Überhitzung und einer örtlichen Verbrennung wird dadurch heraufgesetzt.
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Es hat sich herausgestellt, daß sich die Vulkanisationszeit ohne
die Gefahr eines Verbrennens oder Verkohlens wesentlich herabsetzen läßt, wenn die
Kautschuk- oder Rohgummimasse nicht in verdichtetem, sondern im expandierten oder
expandierenden Zustand gehalten wird. Wärmeleitfähigkeit und -kapazität werden dann
größer. Wegen der niedrigeren Kompression der Kautschuk- oder Rohgummimasse können
die Gase weiter leichter aus dieser austreten, so daß die Temperatur ohne die Gefahr
einer Verbrennung oder Blasenbildung unter gleichzeitiger Herabsetzung der Vulkanisationszeit
erhöht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird das Vorstehende dadurch möglich, daß die Formhälften
mit weniger Rohgummimasse gefüllt werden, als ihrem Volumen entspricht. Hierdurch
werden Temperaturen möglich, die weit über den bisher üblichen liegen.
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Weiter ist es vorteilhaft, daß die Formhälften mit sich vergrößerndem
Hub aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden. Der auf die Rohgummimasse
bei den Schließbewegungen ausgeübte Druck steigt dadurch nur allmählich an, so daß
die eingeschlossenen Gase leichter und noch zu Beginn dieser Knetvorgänge entweichen
können.
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Zweckmäßigerweise werden die Formhälften auf um einen geringen Betrag
voneinander abweichende Temperaturen erwärmt. Schließlich ist es günstig, daß die
Formhälften bei den aufeinanderfolgenden Hüben unter Belassen einer dünnen Schicht
der Rohgummimasse zwischen den Flächen der Formhälften aufeinander
zu
bewegt werden. Dadurch bleiben die fertigen Gummiring über diese dünne Schicht miteinander
verbunden und können so einfacher aus der Maschine herausgenommen, gelagert und
verpackt werden.
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In den Zeichnungen wird das Verfahren an Hand eines praktischen Falles
bei der Herstellung von O-Ringen erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 die perspektivische
Darstellung von zwei Formhälften, F i g. 2 einen vergrößerten Schnitt in Richtung
der Schnittlinie 2-2 in F i g. 1, Fig. 3 die schematische Darstellung der Formhälften
zu Beginn des Verfahrens, Fig. 4, 5 und 6 vergrößerte Schnitte durch die Formhälften
und den zu formenden Ring in verschiedenen Verfahrensstufen, F i g. 7 einen Schnitt
ähnlich den Darstellungen in den Fig. 4 bis 6 mit einer Darstellung der nach außen
gerichteten Expansion des Werkstoffes zu Beginn des Verfahrens, F i g. 8 einen Schnitt
entsprechend F i g. 7 mit der Darstellung der folgenden nach innen gerichteten Expansion
und Fig. 9 einen vergrößerten Schnitt mit der Darstellung des Verfahrens am Ende
der Vulkanisation.
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In der folgenden Beschreibung wird unter dem Ausdruck »Rohstück«
die Form des Werkstoffes zu Beginn des Vorganges und unter dem Ausdruck »Vorstück«
die Form des Werkstückes nach dem »Stoß«-Vorgang, aber vor der endgültigen Vulkanisation
verstanden.
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Die Fig. 1 zeigt zwei identische Formhälften 10.
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In diese sind Höhlungen 12 zum Herstellen von O-Ringen eingearbeitet.
Die Höhlungen 12 haben entsprechend dem Profil der herzustellenden 0Ring halbkreisförmigen
Querschnitt und werden von den ringförmigen umlaufenden Kanten 14 und 16 begrenzt.
Nach innen und außen fallen die Kanten 14 und 16 unter einem Winkel von etwa 450
gegenüber der Längsachse unter Bildung von Flächenl8 und 20 ab.
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Die Formhälften selbst dienen zum Abmessen der benötigten Werkstoffmenge,
wie Fig. 3 zeigt. Ein flaches Rohstück 22 aus mit einer bestimmten Menge Schwefel
versetztem Rohgummi liegt zwischen den Formhälften 10 und wird bei deren Aufeinanderbewegung
mit verhältnismäßig scharfen Kanten 24 (Fig. 4) beschnitten. Wegen des bei diesem
Abscheren auftretenden Druckes verwerfen sich die Kanten des ausgeschnittenen O-Ringes
etwas und legen sich nicht glatt an die Wand der Höhlung 12 an, sondern krümmen
sich etwas. Entsprechend ist das Volumen des bei vollständigem Schließen der Höhlungen
12 in diesem zurückbleibenden Vorstückes B etwas kleiner als das Volumen der Höhlung
12 selbst.
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Es hat sich herausgestellt, daß dieser Unterschied zwischen den beiden
Volumen zum wirkungsvollen Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes nicht
ausreicht und daß das Volumen des in der Höhlung 12 zurückbleibenden Vorstückes
durch die Scherwirkung nicht allein so genau festgelegt werden kann, wie es die
erwünschte Gleichmäßigkeit des herzustellenden Gegenstandes erfordert.
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Ein genaues Abmessen des vorbestimmten geringeren Werkstoffvolumens
aus dem flachen Rohstück 22 ergibt sich unter Einwirkung der bei der Ver-
dichtung
entstehenden Kräfte 25, die durch die konischen Flächen 18 und 20 bei der Zusammenbewegung
der Formhälften 10 auf den Werkstoff ausgeübt werden. Die resultierenden Kräfte
26 aus den Kräften 25 sind von der Höhlung 12 radial nach innen oder außen gerichtet,
und zwar senkrecht zu der Längsrichtung. Die resultierenden Kräfte 26 ziehen beim
Abscheren des Werkstoffes durch die Kanten 24 zusätzlich Werkstoff aus der Höhlung
12 und aus dem Raum zwischen den ringförmigen Kanten 14 und 16 ab. Durch eine zweckmäßige
Steuerung der Schließgeschwindigkeit der Formhälften 10 läßt sich der Betrag, um
den das Volumen des abgescherten Werkstoffes geringer als das Volumen der Höhlung
12 ist, genau bestimmen. Bei der Herstellung der besprochenen O-Ringe hat sich z.
B. gezeigt, daß mit einer Schließgeschwindigkeit der Form von 4,25 m/Min. und bei
Verwendung einer Rohgummimischung mit einer Härte von 70 Shore das Volumen des in
der Höhlung zurückbleibenden Vorstückes B acht Zehntel des Volumens der Höhlung
12 ausmacht. Dieser Wert ist für eine erfolgreiche Durchführung des Verfahrens geeignet.
Die beim Abscheren des Werkstoffes ausgeübte Kraft ist geringer als die Kraft zum
Zusammenhalten der Formhälften 10 am Ende des Vorganges und liegt in der Größenordnung
von 0,07 kg/mm2 bei der oben angegebenen Mischung.
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Das Volumen des in der Höhlung 12 zurückbleibenden Werkstoffes hängt
von der Härte des Werkstoffes selbst und der Schließgeschwindigkeit ab. Bei Erhöhen
der Härte muß die Schließgeschwindigkeit herabgesetzt werden, damit die gleiche
Werkstoffmenge in die Höhlung 12 gegeben wird. Auf ähnliche Weise läßt sich die
in der Höhlung 12 zurückbleibende Werkstoffmenge durch Herabsetzen der Schließgeschwindigkeit
erhöhen und umgekehrt.
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Der eben beschriebene Abmeßvorgang stellt nur einen Anfangsschritt
bei der Durchführung des Verfahrens dar. Der Abmeßvorgang erstreckt sich über mehrere
Aufundabbewegungen der Formhälften 10 und beschränkt sich nicht auf die erste vollständige
Schließbewegung.
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Wie in den F i g. 4 bis 6 gezeigt ist, wird die Höhlung 12 bei der
ersten Aufeinanderbewegung der Formhälften 10 nicht vollständig geschlossen. Bei
den folgenden Aufundabbewegungen nähern sich die Formhälften unter gleichzeitigem
stufenweisem Abscheren des Werkstoffes immer mehr. Bei der dritten in F i g. 6 gezeigten
Schließbewegung ist die Höhlung 12 vollständig geschlossen, und das VorstückB ist
von dem Rohstück 22 bereitsvbis auf eine äußerst dünne verbindende Schicht (nicht
dargestellt) getrennt, die zwischen den ringförmigen Kanten 14 und 16 stehenbleibt.
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Während der anfänglichen teilweisen Schließung der Höhlung 12 in
die in Fig. 4 gezeigte Stellung wird das flache Rohstück 22 teilweise von den Kanten
24 abgetrennt und die Kanten des ringförmigen Vorstückes B, das sich hierbei bereits
zum Teil ausbildet, werden in der Höhlung verdichtet. Als Folge dieser Werkstoffverdichtung
am Umfang wird dieser aus seiner flachen Form in eine Form mit seitlichen Einbuchtungen
übergeführt, wie dies in der Fig. 4 zu sehen ist. Während der folgenden Bewegung
der Formhälften 10 in die in F i g. 5 angedeutete Offnungsstellung ist der Werkstoff
bestrebt, sich wieder zu entspannen. Während der darauffolgenden teilweisen etwas
größeren Schließbewegung der Formhälften,
wie dies in F i g. 5 in
ausgezogenen Linien dargestellt ist, wird das bereits teilweise ausgebildete Vorstück
weiter durch die Kanten 24 abgeschert und an seinen Seiten eingebuchtet. Fig. 6
zeigt die Lage bei der oben aufgeführten dritten Schließbewegung, in der die Höhlung
12 vollständig geschlossen und die Kanten 24 den Werkstoff fast vollständig abgeschert
haben. Auch F i g. 6 zeigt die seitlichen Einbuchtungen.
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Das Vorstück B hat nun etwa die Gestalt einer Acht angenommen. Sein
Volumen ist kleiner als das der Höhlung 12, und die verbleibenden Einbuchtungen28
sind mit Gas gefüllt. Während der oben erläuterten, mit Stößen bezeichneten Schließ-
und Öffnungsbewegungen der Formhälften 10 werden diese auf eine verhältnismäßig
hohe Temperatur erwärmt. Vorzugsweise weichen die Temperaturen der beiden Formhälften
10 etwas voneinander ab. Es hat sich z. B. gezeigt, daß ohne Verschmoren oder Blasenbildung
an der Oberfläche des Gummis die obere Formhälfte 10 auf eine Temperatur bis zu
1960 C und die untere Formhälfte 10 auf eine Temperatur vorzugsweise in der Größenordnung
von 1930 C erwärmt werden kann.
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Durch diese Temperaturen der Formhälften 10 wird das Vorstück B aufgewärmt.
Der Stoßvorgang führt aber gleichzeitig zu einer inneren Erwärmung, da bei den Öffnungs-
und Schließbewegungen der Werkstoff gebogen wird und eine innere Reibung auftritt.
Es hat sich gezeigt, daß das Vorstück in seinem Innern bei einer gegebenen Zahl
von Stößen bis in einen halbflüssigen Zustand erwärmt werden kann. Abhängig von
der Härte des verwendeten Werkstoffes kann eine Zahl von zwei bis sechs Stößen ausreichen,
um den Werkstoff in seiner Mitte in diesen halbflüssigen Zustand überzuführen, wobei
die Temperatur dann von der Mitte nach außen hin abfällt. An der Oberfläche ist
der Werkstoff deshalb dichter und fester als in der Mitte.
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Bei der Verdichtung des Werkstoffes werden die Poren zusammengedrückt,
was zu einer Wanderung der in diesen eingeschlossenen Luft und anderer Gase führt.
Auf Grund der nach der Mitte hin zunehmenden Verflüssigung des Werkstoffes wird
einer Wanderung der Gase nach innen weniger Widerstand entgegengesetzt als einer
Wanderung nach außen in die dichteren und festeren Teile in der Nähe der Oberfläche.
Infolgedessen wandern die eingeschlossenen Gas- und Luftbläschen nach der Mitte
und sammeln sich dort unter Bildung eines Lunkers 30.
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An O-Ringen, die man unmittelbar nach dem Stoßvorgang aus der Form
herausnahm, konnte man nach Auftrennen den Lunker 30 deutlich erkennen. Sein Durchmesser
lag in der Größenordnung von 3 mm.
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Auf Grund der durch das Walken hervorgerufenen inneren Erwärmung
und auf Grund der Zufuhr von Wärme durch die Formhälften 10 dehnt sich der Werkstoff
selbst wie auch das in dem Lunker 30 eingeschlossene Gas aus. Nach dem endgültigen
Schließen der Form geht diese Ausdehnung des Werkstoffes und der in dem Lunker 30
eingeschlossenen Gase nach außen (F i g. 7) in Richtung auf die Wand der Höhlung
12 und führt zu einem Schließen der Einbuchtungen 28 (Fig. 8). Die Ausdehnung findet
da ihre Grenze, wo die in den Einbuchtungen 28 eingeschlossenen Gase, die durch
den expandierenden Werkstoff verdrängt werden, an einem Entweichen aus der Höhlung
12 verhindert werden. Wenn die
Gase nicht aus der Höhlung entweichen können, führt
dies zu einem Verschmoren und zu einer Blasenbildung, wie oben erläutert wurde.
Um nun einen Austritt der Gase zu ermöglichen, wird die auf die Formhälften 10 ausgeübte
Kraft gerade so groß gehalten, um ihre Trennung durch die von dem sich ausdehnenden
Werkstoff ausgeübte Kraft zu verhindern. Im gezeigten Beispiel wird eine Kraft entsprechend
einem Druck in der Größenordnung von 0,28 kg/mm2 verwendet. Zwischen den aufeinanderliegenden
Kanten 14 und 16 verbleibt dabei eine dünne Werkstoffschicht, die als Dichtung wirkt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Schicht außerordentlich dünn ist und durch
die heißen Formhälften so schnell verschmort wird, daß sich winzige Durchgänge bilden,
die den Durchtritt der Gase aus der Formhöhlung 12 ermöglichen.
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Der Werkstoff dehnt sich so lange aus, bis die Einbuchtungen 28 vollständig
verschwunden sind (F i g. 8). Das Vorstück liegt dann glatt an der Höhlung 12 an
und hat dessen Gestalt angenommen. Zu dieser Zeit erweitert sich der Lunker 30 etwas
im Verhältnis zu seiner ursprünglichen in Fig. 6 gezeigten Größe, da die in ihm
eingeschlossenen Gase expandieren. Nach Beendigung der nach außen gerichteten Ausdehnung
expandiert der Werkstoff in Richtung nach innen, wobei der Lunker 30, wie in F i
g. 9 gezeigt, geschlossen wird. Beim Schließen des Lunkers wandern die in ihm eingeschlossenen
Gase nach außen. Wie jedoch weiter unten noch eingehend erläutert werden wird, ist
zu dieser Zeit der Werkstoff bereits fast vollständig vulkanisiert und ausgereift,
so daß die Gase nicht bis zur Oberfläche des Vorstückes B an die Wand der Höhlung
12 vordringen können. Die Gase verteilen sich daher gleichmäßig über den Kern des
Vorstückes B, und zwar über etwa ein Drittel von dessen Durchmesser, wie in F i
g. 9 dargestellt ist.
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Bis zu dieser Stufe hat das Verfahren.annähernd 18 Sekunden gedauert.
Wie eben angegeben, ist der Werkstoff dabei schon fast vollständig ausvulkanisiert.
Diese schnelle Vulkanisation hat seine Ursache in der hohen Temperatur, auf die
die Formhälften 10 aufgeheizt werden und in der Expansion des Werkstoffes während
der Vulkanisationsperiode, was nachstehend erörtert wird.
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Bei den üblichen Verfahren führt das Anwenden von hohen Temperaturen
zur Vulkanisation zu einem Verschmoren und zu einer Blasenbildung, wie dies bereits
ausgeführt wurde. Dies liegt daran, daß die beiden Formhälften bereits bei der ersten
Schließbewegung mit einer Kraft von etwa 350t bis zum vollständigen Aufeinanderstoßen
zusammengedrückt werden. Hierdurch wird das Entweichen von Gasen aus der Höhlungl2
unterbunden. Der in den Gasbläschen enthaltene Sauerstoff ruft dann die Verschmorung
und die Blasenbildung hervor. Beim vorliegenden Verfahren jedoch werden- die Gase
während des Stoßens aus der Höhlung 12 vertrieben, und die noch verbleibenden Gasbläschen
können noch nach der endgültigen Schließung der Höhlung wegen des verwendeten niedrigeren
Druckes während der nach außen gerichtete» Expansion des Werkstoffes entweichen.
Daher verbleibt kein oder nur wenig Sauerstoff in der Masse, und ein Verschmoren
bleibt aus.
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Bei den bekannten Verfahren wird eine Blasenbildung auch dadurch
hervorgerufen, daß die in der
Masse eingeschlossenen Gase fast vollständig
gleichmäßig über diese verteilt sind. Infolgedessen liegen auch einige der eingeschlossenen
Gasbläschen unmittelbar an der Oberfläche. Diese Gasbläschen expandieren und brechen
die Masse an der Oberfläche auf, so daß Blasen gebildet werden. Bei dem vorliegenden
Verfahren jedoch werden bereits zu dessen Beginn die Gase von der Oberfläche weg
zur Mitte getrieben, so daß selbst bei den verwendeten höheren Temperaturen keine
Blasenbildung auftritt.
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Das allmähliche Schließen und Abscheren ist nicht erforderlich, d.
h., das Vorstück B kann auch bei der ersten Schließbewegung der Formhälften vollständig
abgeschert und dann bei den weiteren Bewegungen der Formhälften nach und nach gewalkt
werden. Das Abscheren kann auch als selbständiger Vorgang vor dem Stoßen durchgeführt
werden. Der Grund für das allmähliche Schließen bei dem beschriebenen Verfahren
liegt darin, daß die schmale Berührungsfläche zwischen den beiden Formhälften 10
dazu verwendet wird, die Schließkraft auf einen zuträglichen Wert zu begrenzen.
Die erste Schließbewegung der beiden Formhälften endet bei einem bestimmten noch
freibleibenden Abstand, wenn der Widerstand der in diesem Raum verbleibenden Rohgummimasse
der Schließkraft das Gleichgewicht hält. Bei der nächsten Schließbewegung nähern
sich die Formhälften 10 etwas mehr, bevor der Widerstand der Rohgummimasse der Schließkraft
entspricht, und dies geht so lange weiter, bis die Höhlung 12 vollständig verschlossen
wird. Bei ausreichender Schließkraft jedoch können die Formhälften 10 bei jedem
Hub die Höhlung 12 vollständig schließen.
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Bei den bekannten Verfahren steht die in der Höhlung 12 eingeschlossene
Masse unter einem beträchtlichen Druck, da die Höhlung zu Beginn mit der verhältnismäßig
kalten Masse gefüllt wird, deren Volumen nach der Erwärmung zunimmt. Die Verdichtung
der Masse, ihre schlechte Wärmeleitfähigkeit und die verhältnismäßig niedrigen Temperaturen,
auf die die Formhälften erwärmt werden, ergeben eine verhältnismäßig lange Zeit,
in der die zum Vulkanisieren notwendige Wärmemenge zugeführt werden kann. Bei den
bekannten Verfahren beansprucht deshalb die Vulkanisation von z. B. ORingen eine
Zeit von etwa 20 Minuten.
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Bei dem vorliegenden Verfahren jedoch befindet sich die zu verformende
Masse in expandierendem Zustand. Zuerst expandiert sie nach außen und anschließend
nach innen. In expandierendem Zustand ist die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität
von Rohgummi wesentlich höher als im verdichteten Zustand. Dies führt zusammen mit
der Anwendung der höheren Temperaturen zu einer wesentlichen Herabsetzung der Vulkanisationszeit
bei dem vorliegenden Verfahren. Bei der Herstellung von O-Ringen erreicht man deshalb
mit dem angegebenen Verfahren eine Herabsetzung der Vulkanisationszeit auf den Wert
von etwa 20 Sekunden. Diese verhältnismäßig kurze Zeit trägt auch dazu bei, die
Blasenbildung und ein Verschmoren zu vermeiden,
da die Vulkanisation bereits abgeschlossen
ist, bevor die Masse verbrennen kann.
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Die beiden Formhälften 10 werden auf den oben angegebenen verschiedenen
Temperaturen von z.B.
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380 und 3850 C gehalten, um auf Grund des natürlichen Bestrebens der
Wärme von der heißeren Stelle zu der kälteren Stelle zu fließen, eine schnellere
Wärmeübertragung auf die Masse zu erzielen. Durch diesen Temperaturunterschied wird
daher eine schnelle Wärmeströmung über die in der Höhlung 12 eingeschlossene Masse
erreicht, was einen schnellen Wärmeübergang auf die Masse selbst ergibt.
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Die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Gegenstände erweisen
sich als in allen Eigenschaften besser als die nach bekannten Verfahren hergestellten
Erzeugnisse. Da die in der Masse eingeschlossenen Gasbläschen sich in der Mitte
anhäufen, ergibt sich bei der Herstellung von O-Ringen, wie im vorliegenden Fall,
eine größere Dichte und geringere Porenhaltigkeit an der Oberfläche des Ringes,
die bei der Verwendung des Ringes an der Wand des Gerätes anliegt, in dem der Ring
verwendet wird. Der Ring hat daher bessere Abdichteigenschaften, eine größere Abriebfestigkeit
und eine längere Lebensdauer.