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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/312,849, eingereicht am 11. März 2010, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten oder Mischen von hochviskosen Materialien, wie etwa Kautschukmischungen, in einem einzigen Schneckenextruder. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Extruderschnecke, die einen Stegschneckengang mit einem Mischbereich aufweist, der mehrere Mischansätze enthält, welche bezüglich Schneckengängen der Extruderschnecke verschiedene Winkel und Höhen aufweisen.
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STAND DER TECHNIK
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Es ist auf dem Fachgebiet des Verarbeitens oder Mischens von hochviskosem Material, wie etwa Kautschuk, bekannt, das Material einem Kneten und Vermischen in einem Extruder zu unterziehen, der eine Schnecke aufweist, die innerhalb eines Gehäuseabschnitts dreht. Die Schnecke kann einen einzelnen Schneckengang oder mehrere Schneckengänge des Schneckenstegs aufweisen. Die Steigung oder Ganghöhe jeden Schneckengangs sowie die Tiefe des Schneckenkanals zwischen den Schneckengängen kann konstant oder variabel sein. In dem Verfahren werden verschiedene Mischmittel zum Erzielen einer zufriedenstellenden Vermischung des Materials während seiner Zufuhr entlang der Schnecke benutzt.
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Es ist beispielsweise bekannt, die Steigung oder Ganghöhe der Schneckengänge in periodischen oder variablen Abständen zu ändern oder umgekehrt gerichtete Schneckengänge der Schneckenstege einzuschalten oder den Steg der Schnecke durch Lücken zu unterbrechen. Wenn die Schnecke dreht, wird das Material in wirbelartige Muster gelenkt, die ein Vermischen der verschiedenen und unregelmäßigen Durchflusswege herbeiführen, welche durch diese Mischmittel bewirkt sind.
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Obgleich bei Extruderschnecken des Stands der Technik Stifte oder Rampen zwischen Schneckengängen zum Erleichtern des Mischens benutzt werden, so wurden diese Ausführungen doch als etwas beschränkt in ihrer Fähigkeit zum vollständigen Mischen des Kautschukmaterials erkannt. Dementsprechend besteht auf dem Fachgebiet ein Bedarf, eine Extruderschnecke mit Ansätzen bereitzustellen, die das Mischen von Kautschuk und anderem Polymermaterial ermöglichen, während sie weiterhin erlauben, dass das Material leicht durch den Gehäuseabschnitt fließt, ohne sich nachteilig auf die Fließgeschwindigkeit des Materials oder die Molekülstruktur des Materials auszuwirken.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts des Vorstehenden ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Extruderschnecke mit Ansätzen bereitzustellen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine zufriedenstellende Misch- und Homogenisierungswirkung des Materials beim Verarbeiten von hochviskosen Materialien mit einer hohen Materialfließgeschwindigkeit durch den Extruder zu erzielen. Gemäß der Erfindung erfolgt der Materialfluss im Wesentlichen in einer vorwärtsgerichteten Bewegung durch den Extruder. Der Extruder umfasst eine einzige Schnecke, die innerhalb eines Gehäuseabschnitts dreht, mit mehreren Hindernissen, wie etwa Formansätzen, die an einem Fußbereich zwischen den Schneckenstegen angebracht sind. Die Stärke, Form und Anzahl dieser Ansätze ist dem Material, das dem Mischen unterzogen wird, und dem gewünschten Mischgrad entsprechend veränderbar.
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Der Fließweg des Materials durch den Extruder und entlang der Schnecke ist daher örtlichen Wirbelbildungen des Materials unterworfen. An der Schnittstelle zwischen dem Material und dem Gehäuseabschnitt bzw. dem Schneckensteg liegt eine fortlaufende Änderung der Flächen innerhalb des Materials vor, das in Kontakt kommt, wodurch ein intensiver Material- und Wärmeaustausch herbeigeführt ist.
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Daneben besteht in Zusammenwirkung mit der Schnecke in großem Ausmaß eine Erhöhung im Scherstrom innerhalb des Materials infolge hoher Druckgradienten. Zudem ist eine hohe Materialfließgeschwindigkeit möglich, die durch eine optimale mechanische und thermische Homogenität des extrudierten Produkts erreicht ist.
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Die Ansätze sind selektiv den Fußkanal der Schnecke entlang angeordnet. Die Form aller oder einiger der Ansätze kann eine gewünschte Form oder dergleichen zum Erhöhen oder Verringern des Flusswiderstands aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, eine Extruderschnecke bereitzustellen, die zur Aufnahme in einem Zylinder eines Extruders geeignet ist, umfassend einen Kern, der von einem Abdichtungsende zu einem Nasenkegelende verläuft, zumindest einen Schneckengang, der radial von dem Kern in einem quasi-spiralförmigen Muster verläuft, wobei die einander benachbarten Schneckengänge Kanäle dazwischen ausbilden, und mehrere gestreckte Ansätze, die radial von dem Kern verlaufen und in den Kanälen angeordnet sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum vollständigen Verständnis der Aufgaben, Techniken und Struktur der Erfindung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen werden.
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Es zeigen:
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1 eine Draufsicht einer Extruderschnecke gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung, wobei die Schnecke zumindest ein Antriebsende, einen Sammelabschnitt, einen Mischabschnitt, einen austauschbaren Extrusionsabschnitt und ein austauschbares Nasenkegelende umfasst;
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1A bis 1C Detailansichten der Extruderschnecke gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung, wobei 1A eine Detailansicht des Sammelabschnitts, 1B eine Detailansicht des Mischabschnitts und 1C eine Detailansicht des austauschbaren Extrusionsabschnitts zeigt;
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2 eine Draufsicht des austauschbaren Extrusionsabschnitts ohne Ansätze gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Draufsicht des austauschbaren Extrusionsabschnitts mit Ansätzen gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Draufsicht des austauschbaren Nasenkegelabschnitts der einzelnen Schnecke gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung; und
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5A und 5B Perspektivansichten der Extruderschnecke, die gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
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BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
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Unter Bezugnahme auf alle Zeichnungen, und insbesondere auf 1, ist zu sehen, dass eine Extruderschnecke allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Schnecke 10 ist in einem Gehäuse- oder Zylinderabschnitt eines Extruders gehalten, der im Betrieb typischerweise erhitzt und/oder gekühlt wird. Wenn Polymermaterial, wie etwa Kautschuk, in das Gehäuse eintritt, wird das Material erhitzt und fließt durch den Zylinderabschnitt, wenn die Schnecke gedreht wird. Das Material tritt aus dem Zylinderabschnitt aus und wird zum Annehmen einer endgültigen oder Zwischenform durch eine Spitzen-/Düsen-Konfiguration oder in eine Form gedrückt.
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Die Extruderschnecke 10 weist eine Anzahl von Abschnitten auf. Die Schnecke enthält im Besonderen ein Antriebsende 12, das an einen Antriebsmechanismus eines Extrudersystems gekuppelt ist. Typischerweise ist das Antriebssystem oder der Antriebsmechanismus durch einen Elektromotor, mechanisches Getriebe und/oder Hydrauliksysteme angetrieben. Von dem Antriebsende 12 verläuft ein Abdichtungsabschnitt 14, der das Antriebsende 12 vom Rest der Extruderschnecke trennt. Der Abdichtungsabschnitt 14 verhindert, dass Polymermaterial in den Antriebsmechanismus eindringt. Ein Sammelabschnitt 16 verläuft von dem Abdichtungsabschnitt und nimmt Polymermaterial, das typischerweise in Streifen-, Platten oder anderer Form ist, durch eine Trichteröffnung in dem Zylinder auf, der die Extruderschnecke hält. Ein Mischabschnitt 18 verläuft von dem Sammelabschnitt 16 und mischt das Polymermaterial ferner zu einer gewünschten Konsistenz. Auf Grundlage des Erhitzens/Abkühlens, das auf den Zylinder ausgeübt ist, welcher die Schnecke hält, und der Konfiguration des Mischabschnitts werden die gewünschten Fließeigenschaften des Polymermaterials erzielt. Der Mischabschnitt 18 könnte einen austauschbaren Extrusionsabschnitt 20 enthalten, der entweder mit einem ansatzfreien Abschnitt 22, wie in 2 gezeigt, oder mit Ansatzabschnitten 24 versehen ist, wie in 3 gezeigt. Von dem Extrusionsabschnitt 20 verläuft ein austauschbarer Nasenkegel 26. Der Nasenkegel 26 passt mit der zweckdienlichen Spitzen-/Düsen- oder Formkonfiguration zusammen. Der Fachmann wird verstehen, dass die Schnecke 10 als einzelnes einstückiges Teil vorgesehen sein könnte, oder dass die verschiedenen Abschnitte derart konfiguriert sein könnten, dass sie aneinander befestigt sind. Dies ist deutlich aus 2 bis 4 ersichtlich, worin der Extrusionsabschnitt 20 ein gewindetes Erweiterungsende aufweist, das in einer geeigneten Gewindefassung des Mischabschnitts 18 aufnehmbar ist. Gleicherweise ist der Kegel 26 mit einem gewindeten Anschlussstück zur Aufnahme in einem geeigneten Ende des Mischabschnitts 18 versehen.
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Durchgehend durch alle Abschnitte des Extruders verläuft ein Fuß oder ein Kern, allgemein mit Bezugszeichen 30 bezeichnet, vom Abdichtungsende 14 zum Nasenkegel 26. Der Fuß 30 ändert sich über die verschiedenen Abschnitte hinweg im Durchmesser, um das Mischen des Polymermaterials zu erleichtern. Der Fuß 30 enthält eine Mittellinie 32, die die Drehachse der Schnecke ist, wenn sie durch den Antriebsmechanismus gedreht wird. Man wird verstehen, dass die Extruderschnecke mit zweckdienlichen Lagern und Abstützung versehen ist, sodass sie einwandfrei innerhalb des Gehäuses oder Zylinderabschnitts des Extruders dreht.
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Von dem Fuß 30 verläuft radial zumindest ein Schneckengang, der allgemein mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet ist. Tatsächlich verläuft/verlaufen der Schneckengang oder die Schneckengänge von dem Kern in einem quasi-spiralförmigen Muster. In der gezeigten Ausführungsform sind zwei Schneckengänge vorgesehen und mit den Bezugszeichen 34a und 34b bezeichnet. Die Schneckengänge weisen denselben Außendurchmesser auf und sind derart bemessen, dass sie geringfügig kleiner als der Zylinderinnendurchmesser sind, um die Drehung der Extruderschnecke innerhalb des Zylinders zu ermöglichen. Man wird verstehen, dass die Passung zwischen dem Außendurchmesser der Schneckengänge und dem Innendurchmesser des Zylinders eine derart enge Passung ist, dass sie gewährleistet, dass das geschmolzene Polymermaterial mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit aus der Schnecke gedrückt wird. In der gezeigten Ausführungsform sind die Schneckengänge ungefähr 180 Grad voneinander beabstandet, um ein einheitliches Mischen vorzusehen. Man wird ferner verstehen, dass ein einzelner Schneckengang oder mehr als ein Schneckengang von der Extruderschnecke benutzt sein kann. Jeder Schneckengang 34 enthält einen Schneckenganggrat 36, der sich in enger Nähe zu dem Innendurchmesser der Hülle oder des Zylinders des Extrudersystems befindet. Der Grat oder die Grate 36 könnte/n mit Kerben 38 zum Ermöglichen eines Rückflusses von Polymermaterial, wenn die Schnecke gedreht wird, versehen sein. Jeder Schneckengang drückt das Material vorwärts zum Nasenkegel 26 hin, wobei die Kerben jedoch ermöglichen, dass etwas Material zum zusätzlichen Mischen mit anderem Material zurückkehrt. Es sind Kanäle 40 zwischen jedem Schneckenganggrat 36 ausgebildet.
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Mehrere Ansätze 50 verlaufen radial von dem Fuß 30 und sind zwischen den Schneckengängen 34 angeordnet. Anders gesagt verläuft jeder Ansatz 50 vom Fuß 30 nach oben und in die Kanäle 40. Die Ansätze 50 sind im Mischbereich, der dem Sammelabschnitt benachbart ist, vorgesehen und könnten sich bis zum Nasenkegel erstrecken. Wie in den Zeichnungen gezeigt, sind die Ansätze 50 in radialen 90-Grad-Intervallen um den Fuß angeordnet. Natürlich können die radialen Intervalle nach Bedarf veränderlich sein.
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Jeder Schneckengang 34 weist eine Winkelausrichtung auf, die das Mischen des Polymermaterials erleichtert. Im Besonderen ist jedem Schneckengang 34 ein Schneckengangwinkel 52 zugeordnet. Der Schneckengangwinkel 52 ist durch Ziehen einer Linie entlang der Neigung jeden Grats und Überschneiden dieser Linie mit der Mittellinie 32 bestimmt. In der gezeigten Ausführungsform variiert der Schneckengangwinkel vom Abdichtungsende zum Nasenkegel abhängig von dem bestimmten Abschnitt und den gewünschten Mischparametern. Wie in 1A und 1B gezeigt, könnte der Schneckengangwinkel überall zwischen ungefähr 120° in der Nähe des Abdichtungsendes und ungefähr 100° in der Nähe des Nasenkegelendes liegen.
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Jeder Ansatz 50 ist mit einem gestreckten Abschnitt 60 versehen, der aus gegenüberliegenden Seiten 62 gebildet ist, die durch gegenüberliegende Enden 64 verbunden sind. Die Seiten 62 und Enden 64 sind mit einem Kranz 66 abgeschlossen, der die Oberseite jeden Ansatzes 50 ausbildet. Die Abmessungen der Ansatzmerkmale variieren abhängig von ihrer Lage entlang der Länge der Schnecke und gründen auf Zusammensetzungsbewertungen zum Gewährleisten eines geeigneten Mischens der Zusammensetzung. Jedem Ansatz 50 ist ein Ansatzwinkel 54 zugeordnet, der durch Ziehen einer Linie entlang der Neigung oder Winkelrichtung jeden Kranzes und Überschneiden dieser Linie mit der Mittellinie 32 bestimmt ist. Wie am besten in 1B zu sehen, sind die Ansätze mit Ansatzwinkeln 54 versehen, die überall zwischen ungefähr 120° beginnend am Ende des Sammelabschnitts und ungefähr 155° am Extrusionsabschnitt liegen. Wie am besten aus 1 ersichtlich, weichen die Ansatzwinkel 54 von den Schneckengangwinkeln 52 der Schneckengänge, die den Ansätzen unmittelbar benachbart sind, geringfügig ab. Man wird ferner verstehen, dass ein Mittelpunkt der Ansätze entlang des gestreckten Abschnitts 60 an den Kerben 38 ausgerichtet sein könnte.
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Wie besprochen weist jeder Ansatz 50 derart einen Ansatzwinkel 54 bezüglich der Mittellinie auf, dass die Ansatzwinkel vom Abdichtungsende zum Nasenkegelende allmählich zunehmen. Obgleich die Ansatzwinkel nach Bedarf variieren können, reichen die Ansatzwinkel in den meisten Ausführungsformen von 95° bis 175° bezüglich der Mittellinie 32. Auf ähnliche Art und Weise nehmen die Schneckengangwinkel vom Abdichtungsende zum Nasenkegelende allmählich ab, könnten variieren und können überall zwischen 95° bis ungefähr 175° liegen. Man wird ferner verstehen, dass der Schneckengangwinkel derart konfiguriert ist, dass jeder Ansatzwinkel größer als die Schneckengangwinkel von benachbarten Schneckengängen ist. Anders gesagt weist jeder Ansatzwinkel, der zwischen Schneckengängen angeordnet ist, einen Winkel auf, der größer als die Schneckengangwinkel ist, denen er am nächsten ist. Man wird ferner verstehen, dass die gestreckten Seiten der Ansätze im Wesentlichen winklig an den ihnen benachbarten Schneckengängen ausgerichtet sind. Im Besonderen sind die gestreckten Seiten und die benachbarten Schneckengangwinkel innerhalb von ungefähr 25° zueinander bezüglich der Mittellinie ausgerichtet.
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Ein weiteres Merkmal der Extruderschnecke 10 ist, dass die Höhe der Ansätze um einen vorgegebenen Abstand von den Schneckengängen versetzt ist. Im Besonderen ist in 1B zu sehen, dass jedem Ansatz und den dazu benachbarten Schneckengängen ein Versatzwert 70 zugeordnet ist. Im Besonderen ist der Schneckengangversatzwert der Abstand, der zwischen dem Kranz 66 und dem Außendurchmesser des Schneckenganggrats 36 gemessen ist. Der Versatzwertabstand wird entlang der Länge der Extruderschnecke allmählich kleiner, wenn das Material zum Nasenkegel hin fließt. Im Besonderen ist zu erkennen, dass der Versatzwert 70 an der Anfangsposition, dem Sammelabschnitt am nächsten, viel größer als der Versatzwert der Ansätze ist, die im Ansatzabschnitt 22 vorgesehen sind.
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Im Betrieb wird das Polymermaterial dem Mischabschnitt 16 zugeführt, wo es durch die Schneckengänge 34 vorwärts gedrückt wird. Wo Kerben 38 in den Schneckengängen 34 vorgesehen sind, fließt ein kleiner Anteil der Zusammensetzung zurück in einen breiteren oder früheren Schneckengangabschnitt zum weiteren Mischen mit dem Polymermaterial, das neuerlich von dem Trichter empfangen wurde. Wenn das Material durch die Schneckengänge vorwärts gedrückt wird, erreicht es den Mischabschnitt 18 und die Ansätze 50. Man wird verstehen, dass die Winkelanordnung der Ansätze ungefähr parallel zu den Schneckengängen ist, aber nicht völlig. Diese geringfügige Winkelabweichung ermöglicht das weitere Mischen des Materials, wenn die Extruderschnecke dreht. Man wird ferner verstehen, dass die Höhen der Ansätze anfangs derart sind, dass die Beeinflussung geringer ist, jedoch allmählich zunimmt, wenn die Höhe der Ansätze zunimmt, um so das Material, das zwischen die Kränze und den Innendurchmesser des Zylinders kommt, weiter zu mischen. Die Winkelanordnung der Ansätze ändert sich außerdem, wenn das Material vom Sammelabschnitt zum Nasenkegelende 32 hin wandert. Dieses weitere Mischen begünstigt die Eigenschaften des Polymermaterials, wenn es am Nasenkegelende austritt. Man wird ferner verstehen, dass sich der Kerndurchmesser mit der sich verändernden Konfiguration der Ansätze zum weiteren Begünstigen des Mischens ebenfalls ändern könnte.
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Man wird verstehen, dass die Ansätze, falls in einigen Ausführungsformen gewünscht, austauschbar sein könnten, sodass verschiedene Winkelkonfigurationen der Ansätze genutzt werden könnten. Dies kann zum Bestimmen der günstigen oder ungünstigen Auswirkungen der Ansätze auf das Polymermaterial, das durch die Schnecke fließt, erfolgen.
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Sobald eine gewünschte Konfiguration erhalten ist, wird man verstehen, dass in einigen Ausführungsformen die Ansätze mit der Extruderschnecke einstückig sind. Gleicherweise wird man verstehen, dass, je nach Zweckmäßigkeit ein ansatzfreier Abschnitt 22 anstelle eines Ansatzabschnitts 24 im Mischabschnitt 18 benutzt werden könnte.
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Auf Grundlage des Vorstehenden sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung ohne Weiteres ersichtlich. Durch selektives Regeln und Anpassen der Winkel- und Versatzparameter der Ansätze ist ein gewünschtes Mischen eines Polymermaterials durch die Schnecke erzielbar. Es hat sich herausgestellt, dass die Benutzung von Ansätzen in einer derartigen Konfiguration ermöglicht, dass die Schnecke im Vergleich zu Schnecken des Stands der Technik in der Länge verkürzt sein kann. Zudem ist die offenbarte Schneckenkonfiguration für kaltgefütterte Schneckengestaltungen verwendbar. Ein Kaltfütterextruder nimmt eine Zusammensetzung auf Raumtemperatur direkt in den Trichter-/Schneckenbereich des Extruders an. Ein Warmfütterextruder erfordert das Erwärmen der Zusammensetzung durch andere Mittel vor dem Eintritt in den Extruder. Infolgedessen ermöglicht diese Konfiguration, dass die Zusammensetzung ihren optimalen Extrusionszustand in viel kürzerer Zeit als bei Konfigurationen des Stands der Technik erreicht. Dies wird dahingehend als vorteilhaft erachtet, dass bestimmte wärmeempfindliche Zusammensetzungen benutzt werden. Der Fachmann wird verstehen, dass, wenn ein Polymermaterial über einen längeren Zeitraum auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, seine Molekülstruktur und Eignung für einen bestimmten Verwendungszweck verschlechtert sein könnten. Dementsprechend ermöglicht die vorliegende Konfiguration, dass sich das Polymermaterial mit minimaler Wärmeschädigung schnell durch das Extrudergehäuse bewegt. Man nimmt außerdem an, dass die vorliegende Konfiguration insofern weniger Leistung zum Betrieb erfordert, als das Material leichter durch den Schneckenzylinder fließt.
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Noch ein weiterer Vorteil der Extruderschnecke 20 ist, dass Geometrie und Form veränderbar sind, um es dem Benutzer zu ermöglichen, die Arbeitskennlinie des Extruders zum Erfüllen eines bestimmten Kriteriums oder Standards zu ändern. Interessante Standards oder Kriterien sind beispielsweise die Materialtemperatur (die vorzugsweise am Ende der Schnecke gemessen werden soll), die Durchflussgeschwindigkeit und die Qualität der Mischung (Viskosität, Schwindgrad und Homogenität).
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Obgleich eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen daran durchführbar sind, ohne von der Erfindung abzuweichen, und es ist daher beabsichtigt, dass derartige Änderungen und Modifikationen in den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie er durch die Ansprüche definiert ist.
