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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strangs aus, insbesondere mehrfarbiger, keramischer Masse sowie eine dazu geeignete Vorrichtung.
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Um Keramikerzeugnisse, insbesondere Keramikfliesen, mit mehrfarbigen Dekoren zu versehen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, auf eine farblich weitgehend homogene Scherbenoberfläche ein Dekor aufzubringen, welches das gewünschte Farbmuster darstellt.
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Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen eine „durchgefärbte” Farbstruktur im Scherben selbst enthalten sein soll. Solche Farbmuster/-strukturen können z. B. Natursteinmarmorierungen darstellen oder aber auch Holzmaserungen nachempfunden sein.
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Die
DE 30 01 607 A gibt dazu ein Verfahren an, bei welchem zwei unterschiedlich eingefärbte keramische Massen zusammen in die Vakuumkammer eines Vakuumextruders eingebracht werden und von dort nach dem Passieren einer Zubringereinrichtung bereits teilweise vermischt in einen Schneckenextruder gelangen, der die beiden Massen weiter vermischt durch ein Mundstück ausbringt und so zu einem Keramikstrang formt. Je nach Einfärbung der beiden keramischen Massen und des Mischungsverhältnisses entsteht dabei in dem erzeugten Strang eine Farbstruktur, die den gesamten Querschnitt des Strangs durchsetzt. Diese Farbstruktur ist mehr oder weniger zufällig und kann nur in engen Grenzen über die Farbgebung und das Mischungsverhältnis der beiden eingesetzten keramischen Massen bzw. durch deren farbliche und rheologische Einstellung beeinflusst werden.
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Es besteht also die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um einen farblich strukturierten Strang aus keramischer Masse auszubilden, bei dem die Gestaltungs- und Variationsmöglichkeiten der Farbstruktur ausgeweitet und verbessert sind.
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Diese Aufgabe löst das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 8.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erste keramische Masse in einem ersten Extruder zugeführt und eine zweite andersfarbige keramische Masse in einem zweiten Extruder. Diese zweite keramische Masse wird in die erste keramische Masse ausgebracht, die sich in einem Schneckenabschnitt des ersten Extruders befindet. Dazu dient ein in den Schneckenabschnitt des ersten Extruders mündender erster Anschluss aus dem zweiten Extruder. Hinter diesem Anschluss – in Hauptförderrichtung des ersten Extruders gesehen – werden die erste und zweite keramische Masse weiter gefördert und miteinander vermischt und schließlich durch ein am Ende des Extruders angeordnetes Mundstück geformt und mit der gewünschte Farbstruktur ausgebracht.
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Die zweite keramische Masse wird also direkt in den in der Förderschnecke befindlichen Strang der ersten keramischen Masse injiziert. Durch das direkte Einspeisen der zweiten keramischen Masse in die erste kann der Farbaufbau und die Farbstruktur wesentlich besser beeinflusst werden. Es können so gezielt und wiederholgenau gewünschte (z. B. holzartige oder natursteinähnliche) Strukturen dargestellt werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens kann über einen dritten Extruder eine dritte keramische Masse zugeführt werden, um weitere Strukturmerkmale zu erreichen (z. B. eine weitere Farbe, Sekundärstrukturen mit gleicher Farbe, überlagernde z. B. periodisch veränderbare Farbstrukturen). Die dritte keramische Masse wird über einen zweiten Anschluss in die erste (und zweite) keramische Masse eingebracht und ebenfalls mit dem Massestrang im ersten Extruder vermischt.
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Die dritte keramische Masse kann – in Förderrichtung gesehen – auf gleicher Höhe des ersten Anschlusses oder aber auch hinter dem ersten Anschluss zugeführt werden.
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Die Farbstruktur wird zum einen durch die Eigenschaften der keramischen Massen (Farbe, Rheologie, Zusammensetzung, Feuchte, etc.), deren Mischungsverhältnis untereinander und zum anderen durch die Fördereigenschaften der Extruder (Druck, Geschwindigkeit, Temperatur) beeinflusst. Es entsteht so eine charakteristisches Farbstruktur im Massestrang, welche sich über den Querschnitt des aus dem Mundstück heraustretenden Strangs erstreckt und ein andere Farbstruktur in Längsrichtung, welches in unterschiedlichen Längsschnittebenen unterschiedlich ausgeprägt sein kann.
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Durch Teilen des aus dem Mundstück heraustretenden Strangs in mehrere entlang der Austrittsrichtung verlaufende Teilstränge können besondere in Längsrichtung verlaufende Farbstrukturen im Innern des Stranges herausgearbeitet werden. Solche Längsschnitte zeigen in Abhängigkeit von der Lage und Orientierung der Teilebenen u. U. völlig unterschiedliche Farbstrukturen; ähnlich den Maserungsverläufen in den verschiedenen Schnittebenen eines in Längsrichtung zerschnittenen Baumstammes.
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In einer weiteren Ausbildung kann das Mundstück auch dazu dienen, den austretenden Strang zu profilieren, z. B. um in Längsrichtung verlaufende Rippen, Kammern oder Stege auszubilden, welche die Verarbeitung von aus dem Strang hergestellten Keramikprodukten, wie z. B. Fliesen, erleichtern.
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Durch Einstellen und Steuern der Fördercharakteristika, wie Fördervolumen, Förderdruck, Fördertemperatur, in wenigstens einem der Extruder, kann die Farbstruktur weiter beeinflusst werden.
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Im Betrieb erfolgt dies in der Regel über eine Steuerung bzw. Einstellung der Schneckendrehzahl in wenigstens einem der Extruder. Eine Veränderung der Schneckendrehzahl wirkt sich sowohl auf das Fördervolumen als auch auf den im Extruder und am Mundstück aufgebauten Förderdruck aus. Dies gilt sowohl für den im ersten Extruder geförderten Hauptstrang als auch für die im zweiten und dritten Extruder zugeführten Nebenstränge. So ist z. B. die Eintrittstiefe (über den Injektionsdruck) und Eintrittsmenge (Injektionsvolumen) der zweiten und dritten keramischen Masse in die erste keramische Masse einstellbar bzw. beeinflussbar.
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Das gewünschte Mischbild kann über eine feste und/oder variable Einstellung der Extruderdrehzahlen beeinflusst werden. Es ist auch möglich, periodische oder zufällige Drehzahlprofile abzufahren, um besondere Farbstrukturen im Keramikstrang erzeugen. Die Drehzahlen der Extruder können auch in Abhängigkeit voneinander (Master/Slave) oder in Abhängigkeit von erfassten Betriebsgrößen wie Druck, Temperatur eingestellt, gesteuert und/oder geregelt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen eines Strangs aus keramischer Masse weist einen ersten und einen zweiten Extruder auf. Dabei ist der zweite Extruder über einen in einen Schneckenabschnitt des ersten Extruders mündenden Anschluss mit diesem verbunden. Damit wird im Betrieb einer im Schneckenabschnitt des ersten Extruders geförderten ersten keramischen Masse eine vom zweiten Extruder geförderte zweite keramische Masse zugeführt. Diese Gestaltung erlaubt das gezielte Einbringen der zweiten keramischen Masse in die erste keramische Masse.
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In einer Ausführung ragt dabei eine Austrittsöffnung des Anschlusses radial in die im Schneckenabschnitt des ersten Extruders geförderte Masse hinein. Damit ist es möglich, die zweite keramische Masse tiefer in die erste keramische Masse zu injizieren und so die gewünschte Farbstruktur zu beeinflussen.
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In einer anderen Ausführung ist der Anschluss in einem den Schneckenabschnitt umgebenden Rohrstück ausgebildet. Damit kann auf einfache Weise die Lage des Anschlusses entlang der Förderschnecke durch Versetzen des Rohrstücks verändert werden. So kann der Anschluss z. B. entweder unmittelbar hinter dem Einspeisepunkt der ersten keramischen Masse angeordnet werden oder aber auch unmittelbar vor dem Mundstück, aus dem die keramische Masse austritt. Durch entsprechende Teilungen des die Extruderschnecke umgebenden Förderrohrs kann der Anschluss damit an jeder beliebigen Stelle entlang der Förderschnecke angeordnet werden.
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In einer weiteren Ausführung ist die Austrittsöffnung in einem verstellbaren und/oder auswechselbaren formgebenden Mundstück angeordnet. Damit können Mundstücke mit unterschiedlich gestalteten Austrittsöffnungen (unterschiedliche Querschnittsgrößen, unterschiedliche Querschnittsgeometrien, Anzahl der Austrittsöffnungen, etc.) verwendet werden.
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Durch Verstellen des Mundstücks in einer entsprechenden Aufnahme, insbesondere durch Verdrehen des Mundstücks, kann die Orientierung der einzubringenden zweiten keramischen Masse in die erste keramische Masse verändert werden. Z. B. kann eine schlitzförmig gestaltete Austrittsöffnung quer zur Förderrichtung oder entlang der Förderrichtung ausgerichtet werden und so die im Förderstrang entstehende Farbstruktur verändern.
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In einer anderen Ausführung weist die Förderschnecke des ersten Extruders im Bereich des Anschlusses einen Schneckenbereich mit reduziertem Außendurchmesser auf. Diese konstruktive Maßnahme stellt sicher, dass der aus dem zweiten Extruder eingebrachte Massenstrang durch den die Austrittsöffnung überstreichenden Rand der Förderschnecke des ersten Extruders nicht abgeschert wird, sondern ununterbrochen in den Hauptmassestrang einläuft. Der Außendurchmesser des Randes kann dabei so weit reduziert werden, dass die Austrittsöffnung des Anschlusses besonders weit in den Hauptförderstrang hineinragen kann.
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Im Normalfall geht man von einem etwa radialen Eintrag der zweiten keramischen Masse in den Hauptstrang (erste keramische Masse) aus. Es gibt aber auch Ausführungen, bei denen, die zweite keramische Masse in einem anderen Winkel zur Hauptförderrichtung eingebracht wird, also beispielsweise schräg in oder gegen die Hauptförderrichtung geneigt injiziert wird. Auch diese Maßnahme erlaubt eine weitere Beeinflussung des Mischbildes. In ähnlicher Weise kann der Eintragswinkel auch in oder gegen die Rotationsrichtung verändert werden, um die Farbstruktur im Hauptförderstrang zu beeinflussen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben, in denen zeigt:
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1 eine Ansicht von oben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen eines Strangs aus keramischer Masse;
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2 eine perspektivische Ansicht eines Injektorrings zum Einbringen einer keramischen Masse im Bereich einer Förderschnecke;
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3 eine Querschnittsdarstellung des in 2 dargestellten Injektorrings;
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4 zwei in den Injektorring einsetzbare Mundstücke mit unterschiedlich gestalteten Austrittsöffnungen;
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5 eine perspektivische Ansicht einer Förderschnecke mit einer Ausnehmung im Randbereich;
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6 ein Ablaufdiagramm/Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Strangs aus keramischer Masse; und
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7 beispielhafte Schnittsdarstellungen (Querschnitt, Längsschnitt) eines Strangs aus keramischer Masse, wie er gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgebildet wird.
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Extruder 2 und einen zweiten Extruder 3. Am hinteren Ende des ersten Extruders 2 ist ein Antriebsmotor 4 angeordnet, der über ein Getriebe 5 mit der Förderschnecke 6 und zwei Einzugswalzen 7 gekoppelt ist. Die Einzugswalzen 7 werden über das Getriebe 5 gegenläufig angetrieben und sind im Gehäuse 8 gelagert. Von oben (aus Sicht des Betrachters) sind die Einzugswalzen über einen Einfüllschacht zugänglich.
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Die (gestrichelt angedeutete) Förderschnecke 6 verläuft von ihrem hinteren Ende ausgehend, unterhalb der Einzugswalzen 7 im Gehäuse 8 ansetzend, durch mehrere Abschnitte hindurch bis zu einem Presskopf 10, der mit einem Mundstück 11 versehen ist, aus dem ein gepresster Keramikstrang 12 heraustritt.
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Die Förderschnecke 6 verläuft dabei zunächst durch ein erstes Förderrohr 13 und durch ein Sieb bzw. eine Lochscheibe 14 und durchsetzt dann nacheinander eine Vakuumkammer 15, einen Injektorring 16, ein zweites Förderrohr 17 und mündet schließlich in den sich verjüngenden Presskopf 10.
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Der zweite Extruder 3 ist analog zum ersten Extruder 2 aufgebaut. Er weist ebenfalls einen Antriebsmotor 104 mit Getriebe 105 sowie eine Förderschnecke 106 auf, die über ein Einzugswalzenpaar 107 und einen Einfüllschacht 109 beschickt werden kann. Die Förderschnecke 106 durchsetzt den Bereich unterhalb der Einzugswalzen 107. Ein erstes Förderrohr 113, ein Sieb bzw. eine Lochscheibe 114, eine Vakuumkammer 115 und ein zweites Förderrohr 117, welches über einen Anschluss 19 mit dem Injektorring 16 verbunden ist.
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Aufbau und Funktion des Injektorrings 16 ergibt sich aus den 2–4. Der Injektorring 16 ist über zwei stirnseitige Anschlussflansche 20, 21 mit der Vakuumkammer 15 und dem zweiten Förderrohr 17 verbunden. Er weist zwei seitliche Anschlüsse 19 auf, die jeweils mit einem auswechselbaren Mundstück 22 versehen sind, deren Enden in das Innere des Injektorrings 16 hineinragen und damit im Bereich der Förderschnecke 16 in einen Massestrang eindringen. An diesen Enden der Mundstücke 22 sind eine oder mehrere Austrittsöffnungen 24 angebracht, welche den zweiten Extruder 3 mit dem ersten Extruder 2 verbinden.
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Die zylindrischen Mundstücke 22 weisen an ihrem hinteren Ende eine Schulter 25 auf, mit dem ihre axiale Einbaulage im Anschluss 19 festgelegt ist. Dazu ist dieser mit einem Anschlussflansch 26 versehen, der eine der Schulter 25 entsprechende Ausnehmung 27 aufweist. Der Anschlussflansch 26 ist über ein Rohrstück 28 mit dem Rohrkörper 29 des Injektorrings 16 verbunden. Die Mundstücke 22 können in unterschiedlichen Drehlagen in den jeweiligen Ausnehmungen 27 bzw. den Rohrstücken 28 angeordnet werden, so dass die Orientierung der Austrittsöffnungen 24 bezüglich der Hauptförderrichtung des ersten Extruders veränderbar ist.
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in 5 ist erkennbar, dass der Rand 6a der Förderschnecke 6 im Bereich der Enden 23 der Mundstücke 22 eine Ausnehmung 6b aufweist. Damit können die Mundstücke 22 radial in den Förderbereich des ersten Extruders 2 hineinragen und die zweite keramische Masse gelangt „tiefer” in erste keramische Masse. Je nach Tiefe und Geometrie der Ausnehmung 6b kann auch das Abscheren der zweiten keramischen Masse bei Ihrem Eintritt in die erste keramische Masse beeinflusst werden, wenn der Rand 6a mit der Ausnehmung 6b den Bereich der Mundstücke 22 überstreicht.
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Im Betrieb der Vorrichtung 1 geschieht folgendes: Zunächst wird eine entsprechend aufbereitete keramische Masse, die auf eine geeignete Pressfeuchte eingestellt ist (z. B. gemahlener Ton mit der gewünschten Plastizität und Trockenbiegefestigkeit), durch den Einfüllschacht 9 und die Einzugswalzen 7 in die Förderschnecke 6 geführt. Diese fördert die keramische Masse zunächst zur Aufbereitung (zum Aufschließen) durch das erste Förderrohr 13 und das Lochblech 14. Dazu ist die Förderschnecke 6 im Bereich vor dem Lochblech unterbrochen, so dass sich vor diesem ein Massepolster aufbaut, welches über den gesamten Querschnitt des ersten Förderrohrs 13 durch das Lochblech 14 in die Vakuumkammer 15 gepresst wird, wo der Masse über eine Vakuumpumpe Luft und Gas entzogen wird. Ein Aufsteigen der keramischen Masse in der Vakuumkammer 15 wird ggf. über Räumschnecken verhindert, welche dafür sorgen, dass die keramische Masse im Bereich der Förderschnecke 6 gehalten wird. Es gibt auch Extruder, in denen zur Entlüftung die Masse über einen Extruder, der s. g. Vorpresse, durch eine Lochscheibe in eine Vakuumkammer gepresst wird. Die so entstandenen Teilstränge fallen dann in den Hauptextruder, die s. g. Nachpresse.
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Diese fördert dann die aufbereitete (entgaste) keramische Masse weiter durch den Injektorring 16, das zweite Förderrohr 17, den Presskopf 10 und schließlich aus dem Mundstück 11 heraus. Um die Förderwirkung in Längsrichtung zu unterstützen, sind die Förderrohre 13 und 17 sowie der Injektorring 16 und ggf. auch Bereiche der Vakuumkammer 15 und des Mundstücks 10 mit Zügen 31 und Feldern 30 versehen (siehe 2 und 3), welche die axiale Förderwirkung der Schnecke 6 verstärken, indem sie das Verdrehen der Masse am Wandbereich des Extruders verhindern.
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Die zweite keramische Masse wird im zweiten Extruder analog aufbereitet und gefördert und tritt durch die Austrittsöffnung 24 in den Förderstrang des ersten Extruders 2 und wird dort durch die Förderschnecke 6 in Umfangsrichtung und Längsrichtung weitertransportiert und in den Hauptförderstrang eingearbeitet, so dass sich dort eine bestimmte Farbstruktur im Hauptstrang ausbildet.
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Die zweite keramische Masse gelangt also fließend in den sich durch Wirkung der Förderschnecke 6 vorwärts bewegenden Strang der ersten keramischen Masse und gelangt so in Richtung Presskopf 10 und Mundstück 11. Dadurch, dass die zweite keramische Masse selbst entlüftet ist und erst hinter der Vakuumkammer 15 in die erste keramische Masse gelangt, bleibt auch der zusammengesetzte keramische Massenstrang insgesamt homogen und ohne Gaseinschlüsse.
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Die Ausprägung der Farbstruktur 12a, 12b des Strangs 12 wird neben der Farbwahl der jeweils zugeführten keramischen Massen (z. B. Ton) zum einen durch die Einstellung der Drehzahl und damit dem Fördervolumen und -druck der von den Schnecken 6 und 106 transportierten Massen bestimmt und zum anderen durch die Ausbildung des oder der Mundstücke 22 bzw. der darin angeordneten Austrittsöffnungen 24.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Austrittsöffnungen etwa senkrecht zur Hauptförderrichtung 30 und etwa senkrecht zur Drehrichtung der Förderschnecke 6. Es gibt auch Ausführungen, in denen die Austrittsöffnungen 24 so angeordnet sind, dass sie zur Hauptförderrichtung 30 um einen Winkel α geneigt sind, also die zweite keramische Masse in Richtung der Hauptförderrichtung 30 oder gegen die Hauptförderrichtung 30 in die erste keramische Masse injizieren.
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Es gibt auch Ausführungen, in denen die Öffnungen 24 um einen Winkel β in oder gegen die Rotationsrichtung geneigt sind und die zweite keramische Masse damit in oder gegen die Rotationsrichtung der Förderschnecke 6 in die erste keramische Masse injizieren.
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Es gibt auch Ausführungen bei denen die Züge 31 und Felder 30 nur abschnittsweise oder gar nicht im Bereich der Förderschnecke 6 ausgebildet sind. Über das gezielte Anordnen oder Weglassen der Züge 31 und Felder 30 und damit verbundenes mehr oder weniger starkes Verdrehen des geförderten Keramikstrangs im Bereich der Förderschnecke 6 kann dessen Misch-/Farbstruktur 12a, 12b weiter gezielt beeinflusst werden.
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Bild 7 zeigt ein Beispiel einer typischen Farbstrukur 12a, 12b. Die Farbstruktur 12a zeigt eine typische Farbverteilung über den Querschnitt mit gestreckten Farbringe, während die Farbstrukturen 12b die Farbverteilung in unterschiedlichen Längsschnittebenen zeigt. Mit den oben beschriebenen Maßnahmen, sind auch andere „organische” aber widerholgenaue Farbverteilungen möglich.
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Das Flussdiagramm in 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren. Optionale Schritte sind durch gestrichelte Rahmen gekennzeichnet. Das Grundverfahren umfasst die Schritte:
- – Zuführen einer ersten keramischen Masse in einen ersten Extruder 2
- – Zuführen einer zweiten keramischen Masse in einen zweiten Extruder 3
- – Ausbringen der zweiten keramischen Masse aus dem zweiten Extruder 3 in die in einem Schneckenabschnitt 16 des ersten Extruders 2 mündenden ersten Anschluss 19
- – Fördern und Vermischen der ersten und zweiten keramischen Masse in einem Schneckenabschnitt 17, 10 des ersten Extruders 2
- – Formen und Ausbringen eines Strangs 12 durch ein am Ende des ersten Extruders 2 angeordnetes Mundstück 11
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Optional kann eine dritte keramische Masse in einen dritten Extruder 103 zugeführt werden und diese dritte keramische Masse in die erste keramische Masse durch einen zweiten Anschluss 19a eingebracht werden. Die erste, zweite und dritte keramische Masse wird dann in den Schneckenabschnitten 17, 10 des ersten Extruders 2 befördert und vermischt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Zusammenhang mit einem mehrfarbigen Strang aus keramischen Massen erläutert. Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung sind aber ebenfalls geeignet, grundsätzlich unterschiedliche keramische Massen miteinander in strukturierter Weise zu verbinden. So können z. B. auch strukturelle Oberflächeneffekte erzielt werden, in dem man grobkörnige mit feinkörnigen Massen vermischt und strukturiert ausbringt.
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Weitere Variationen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Ansprüche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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