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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Verarbeitung von extrudierbaren Massen sowie eine Verwendung der Anordnung.
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Bekannt ist die Verwendung von Schnecken-Zylinder-Kombinationen in Extrudern zum Plastifizieren und Extrudieren von Werkstoffen. Beispielsweise können damit Kunststoffe in einem Verfahren zur Kunststoffaufbereitung weiterverarbeitet werden. In der Schnecken-Zylinder-Kombination werden Schnecken mit über die Länge unterschiedlich ausgebildeten Abschnitten eingesetzt. Beispielsweise können solche Abschnitte speziell zum Fördern oder zum Kneten des Materials ausgebildet sein. Solche Schnecken und der Zylinder sind dabei speziell so aufeinander abgestimmt, um gewünschte Effekte zu erzielen, wie eine bestimmte Förderleistung bzw. eine bestimmte Knetleistung zu erzielen. Bekannte Schnecken-Zylinder-Kombinationen sind starr aufeinander abgestimmt. Eine Änderung der Förderleistung bzw. Knetleistung ist nur durch Austausch der Schnecke oder Teile der Schnecke möglich und damit aufwendig und kostenintensiv.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur Verarbeitung von extrudierbaren Massen bereitzustellen, welche mittels einer einfachen und kostengünstigen Anordnung eine Variabilität der Prozessparameter, insbesondere der Förderleistung und/oder Knetleistung, erlaubt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bietet dabei den Vorteil, dass diese mit einer einfachen und kostengünstigen Konstruktion bereitgestellt werden kann und auf einfache Weise eine Variabilität der Prozessparameter ohne Demontage der Anordnung erlaubt.
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Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Anordnung, insbesondere für einen Extruder, welche ein Zylinderrohr und mindestens eine Schnecke, die in dem Zylinderrohr angeordnet ist, umfasst. Insbesondere ist die Schnecke relativ zum Zylinderrohr rotierbar. Die mindestens eine Schnecke weist dabei einen maximalen Außendurchmesser D auf. Das Zylinderrohr und die mindestens eine Schnecke sind in axialer Richtung des Zylinderrohrs relativ zueinander um mindestens einmal den Außendurchmesser D verschiebbar bzw. verstellbar. Bevorzugt ist eine Anzahl der im Zylinderrohr angeordneten Schnecken, insbesondere in verschiedenen Betriebszuständen der Anordnung, konstant.
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Die mindestens eine Schnecke weist dabei über die Länge der Anordnung mindestens zwei unterschiedliche Schneckenelemente auf. Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Schneckenelemente mindestens ein Förderelement und mindestens ein Knetelement. Alternativ oder zusätzlich zu dem Knetelement ist mindestens ein Rückförderelement als Schneckenelement vorgesehen. Weiterhin weist das Zylinderrohr in axialer Richtung mindestens zwei Abschnitte mit einer Länge von mindestens 0,5 D, bevorzugt mindestens 1 D, auf, wobei die Abschnitte jeweils einen unterschiedlichen Innendurchmesser aufweisen. Bevorzugt sind die Abschnitte des Zylinderrohres jeweils zylindrisch ausgebildet.
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Das Zylinderrohr ist bevorzugt einteilig ausgebildet. Alternativ bevorzugt kann das Zylinderrohr auch mehrteilig, beispielsweise aus mehreren in Axialrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Segmenten, ausgebildet sein.
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Mit anderen Worten wird eine Anordnung mit einem Zylinderrohr und mindestens einer Schnecke bereitgestellt, wobei das Zylinderrohr an dessen innerem Umfang gestuft ausgebildet ist, indem Abschnitte mit unterschiedlichen Innendurchmessern vorgesehen sind. Dadurch ändert sich über die axiale Länge der Anordnung der für das zu extrudierende Material zur Verfügung stehende Freiraum zwischen Schnecke und Innenwand des Zylinders. Hierdurch liegen bei der Verarbeitung des Materials Zonen mit unterschiedlicher Scherung oder Reibung vor.
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Durch die axiale Verschiebbarkeit von Schnecke und Zylinderrohr relativ zueinander können die unterschiedlichen Schneckenelemente der Schnecke dabei in unterschiedliche axiale Überdeckungsgrade mit den Abschnitten des Zylinderrohrs mit unterschiedlichem Innendurchmesser gebracht werden. Somit kann während des Betriebs der Anordnung besonders einfach und flexibel die Verarbeitung des Materials angepasst werden, um beispielsweise die Förderleistung und/oder Knetleistung in den Zonen flexibel zu verändern. Insbesondere ist hierbei das Knetelement, sowie beispielsweise auch das Rückförderelement, im Bereich mit größerem Innendurchmesser des Zylinderrohres weniger wirksam. Durch die axiale Verschiebung kann somit auf einfache Weise ein Energieeintrag in das Material verändert werden. Beispielsweise kann durch niedrigeren Energieeintrag ein zu starkes Aufschmelzen und beispielsweise eine Schädigung des Materials vermieden werden. Somit kann eine einfache Anpassung an unterschiedliche Materialen mit selber Konfiguration von Schnecke und Zylinderrohr nur durch die axiale Verschiebung ermöglicht werden, ohne dass eine Demontage und ein Austausch von Schnecke und/oder Zylinderrohr erforderlich ist.
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Bevorzugt ist der Innendurchmesser des Zylinderrohres jeweils in den einzelnen Abschnitten, also in sämtlichen Abschnitten des Zylinderrohres, mindestens 0,05 mm und maximal 2 mm größer als der maximale Außendurchmesser D der mindestens einen Schnecke. Das heißt, zwischen Schnecke und Innenwand des Zylinderrohres liegt stets ein Ringspalt von mindestens 0,025 mm und maximal 1 mm Breite.
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Besonders bevorzugt weist mindestens eines der beiden Schneckenelemente, insbesondere das Knetelement und/oder das Rückförderelement, eine axiale Länge von mindestens 1 D, vorzugsweise von maximal 20 D, besonders bevorzugt von maximal 10 D, auf. Vorzugsweise weisen sämtliche Schneckenelemente eine axiale Länge von mindestens 1 D, vorzugsweise von maximal 20 D, besonders bevorzugt von maximal 10 D, auf.
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Vorzugsweise weisen die Abschnitte des Zylinderrohres jeweils eine maximale axiale Länge von 10 D, insbesondere von maximal 5 D, vorzugsweise von mindestens 1 D, auf.
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Weiter bevorzugt umfasst die Anordnung ferner eine Vorrichtung, welche eingerichtet ist zur relativen Verschiebung des Zylinderrohres gegenüber der Schnecke in axialer Richtung. Die Vorrichtung ist bevorzugt eine mechanische Vorrichtung, besonders bevorzugt eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung, oder eine elektrische Vorrichtung. Dadurch kann auf einfache Weise die axiale Verschiebung präzise gesteuert umgesetzt werden. Bevorzugt können alternativ oder zusätzlich einer oder mehrere Distanzringe vorgesehen sein als Vorrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise können der oder die Distanzring(e) zwischen unterschiedlichen Schneckenelementen angeordnet sein, um die relative Verschiebung durch eine initiale axiale Ausrichtung von Schnecke und Zylinderrohr anzupassen.
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Besonders bevorzugt kann die Anordnung eine axial verschiebbare Zylinderrückwand aufweisen, wobei die Zylinderrückwand ein entgegen einer Förderrichtung des Materials liegendes axiales Ende des Zylinderrohres bildet, insbesondere wobei ein Schneckenschaft, welcher zur Rotation und zur axialen Verschiebung der Schnecke dienen kann, sich durch die Zylinderrückwand hindurch erstreckt. Vorzugsweise ist die axial verschiebbare Zylinderrückwand zusätzlich zu einer nicht verschiebbaren statischen Zylinderrückwand vorgesehen. Dadurch kann bei einer axialen Verschiebbarkeit der Schnecke relativ zum Zylinder die axial verschiebbare Zylinderrückwand die beim Extrudieren entstehenden Kräfte aufnehmen.
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Vorzugsweise weist ein erster Abschnitt des Zylinderrohres einen ersten Innendurchmesser auf, und ein zweiter Abschnitt des Zylinderrohres, welcher axial an den ersten Abschnitt unmittelbar angrenzend angeordnet ist, weist einen zweiten Innendurchmesser auf, wobei der erste Innendurchmesser 0,05 mm bis 2 mm kleiner als der zweite Innendurchmesser ist.
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Bevorzugt folgt auf den zweiten Abschnitt des Zylinderrohres in axialer Richtung des Zylinderrohres ein dritter Abschnitt des Zylinderrohres, wobei der dritte Abschnitt einen dritten Innendurchmesser aufweist, der 0,05 mm bis 2 mm kleiner als der zweite Innendurchmesser ist. Das heißt, in diesem Fall sind drei unterschiedliche Abschnitte des Zylinderrohres vorhanden, welche jeweils unterschiedliche Innendurchmesser aufweisen.
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Besonders bevorzugt weist das Zylinderrohr einen vierten Abschnitt auf, welcher axial unmittelbar an den dritten Abschnitt angrenzend angeordnet ist, wobei der vierte Abschnitt einen vierten Innendurchmesser aufweist, der 0,05 mm bis 2 mm kleiner als der dritte Innendurchmesser ist. Vorzugsweise ist der vierte Innendurchmesser gleich dem zweiten Innendruchmesser.
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Weiter bevorzugt folgt auf den vierten Abschnitt des Zylinderrohres in axialer Richtung des Zylinderrohres ein fünfter Abschnitt des Zylinderrohres, welcher einen fünften Innendurchmesser aufweist, wobei der fünfte Innendurchmesser 0,05 mm bis 2 mm kleiner als der vierte Innendurchmesser ist.
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Bevorzugt ist über die gesamte axiale Länge der Anordnung keine Drosselstelle und kein Blister vorgesehen. Insbesondere wird als Drosselstelle ein Drosselring auf der mindestens einen Schnecke angesehen. Das heißt, über die gesamte axiale Länge der Anordnung liegt ein freier Ringspalt zwischen Schnecke und Innenwand des Zylinderrohres vor, welcher durch den maximalen Außendurchmesser der Schnecke und den minimalen Innendurchmesser sämtlicher Abschnitte des Zylinderrohres definiert ist. Bevorzugt kann eine Drosselung stattdessen durch die verschiedenen Abschnitte des Zylinderrohres, welche Querschnittssprünge des Ringspalts bewirken, und die axiale Verschiebung der Schnecke mit den unterschiedlichen Schneckenelementen erreicht werden. Somit kann eine besonders einfache, kostengünstige und robuste Konstruktion der Anordnung bereitgestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Schnecke aus zwei oder mehr Segmenten aufgebaut, welche lösbar miteinander verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich ist das Zylinderrohr einteilig oder aus zwei oder mehr Segmenten aufgebaut, welche lösbar miteinander verbunden sind. Dadurch kann eine besonders hohe Flexibilität der Anordnung für unterschiedliche Einsatzzwecke ermöglicht werden.
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Weiterhin führt die Erfindung zu einem Verfahren zur Verarbeitung von extrudierbaren Massen, vorzugsweise von thermoplastischen Kunststoffen oder Kunststoffmischungen, besonders bevorzugt in einem Extruder. Bei dem Verfahren werden die extrudierbaren Massen mittels eines Zylinderrohrs und mindestens einer Schnecke, die in dem Zylinderrohr angeordnet ist, verarbeitet. Die Schnecke weist dabei mindestens ein Knetelement und/oder mindestens ein Rückförderelement auf. Besonders bevorzugt ist während der Durchführung des Verfahrens eine Anzahl der in dem Zylinderrohr angeordneten Schnecken über die gesamte axiale Länge der Anordnung konstant. Bei dem Verfahren wird durch Verschieben der Schnecke gegenüber dem Zylinderrohr in axialer Richtung der relative Anteil des mindestens einen Knetelements und/oder des mindestens einen Rückförderelements der Schnecke in zwei axial aneinandergrenzenden Abschnitten des Zylinderrohrs, welche unterschiedliche Innendurchmesser aufweisen, verändert. Mit anderen Worten wird bei dem Verfahren eine axiale Überdeckung unterschiedlicher Schneckenelemente der Schnecke mit Abschnitten des Zylinderrohrs mit unterschiedlichen Innendurchmessern durch die relative axiale Verschiebung verändert. Dadurch können auf einfache Weise die Wirksamkeiten der jeweiligen Schneckenelemente, beispielsweise die Wirkung des Knetelements, verändert werden, um beispielsweise eine unterschiedliche Scherung oder Reibung in dem zu extrudierenden Material zu bewirken.
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Bevorzugt wird das Verfahren mittels der oben beschriebenen Anordnung durchgeführt. Besonders bevorzugt wird das Verfahren mittels eines Extruder durchgeführt, der die oben beschriebene Anordnung aufweist.
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Vorzugsweise liegt in einer ersten Stellung ein Knetelement der Schnecke vollständig oder überwiegend in einem ersten Abschnitt des Zylinderrohres, der einen kleineren Innendurchmesser aufweist als ein an den ersten Abschnitt angrenzender zweiter Abschnitt des Zylinderrohres. In einer zweiten Stellung, nach einem axialen Verschieben der Schnecke gegenüber dem Zylinderrohr, liegt das Knetelement vollständig oder überwiegend im zweiten Abschnitt des Zylinderrohres. Als „überwiegend“ wird angesehen, dass mindestens 80 % einer axialen Länge des Knetelements innerhalb des jeweiligen Abschnitts des Zylinders angeordnet ist. Das heißt, das Knetelement kann vollständig oder überwiegend entweder im ersten Abschnitt des Zylinderrohrs mit kleinerem Innendurchmesser angeordnet sein, sodass eine hohe Knetwirkung des Knetelements vorliegt, oder im zweiten Abschnitt des Zylinderrohrs angeordnet sein, sodass eine niedrigere Knetwirkung des Knetelements vorliegt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung der oben beschriebenen Anordnung, zur Einstellung der Scherwirkung und/oder der Knetwirkung mindestens eines Knetelements der Schnecke, insbesondere durch die axiale Verschiebung der Schnecke und des Zylinderrohrs relativ zueinander.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigt:
- 1 eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer ersten Konfiguration, und
- 2 eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Anordnung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer zweiten Konfiguration.
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Die 1 und 2 zeigen vereinfachte schematische Schnittansichten einer Anordnung 1 zur Verarbeitung von extrudierbaren Massen, wie thermoplastischen Kunststoffen oder Kunststoffmischungen. Vorzugsweise wird die Anordnung 1 eingesetzt in einem (nicht dargestellten) Extruder.
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Die Anordnung 1 umfasst ein Zylinderrohr 3 und eine Schnecke 2, welche innerhalb des Zylinderrohrs 2 und relativ zum Zylinderrohr 3 rotierbar angeordnet ist.
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Die Schnecke 2 weist mehrere unterschiedliche Schneckenelemente 21, 22, 23 auf. Die Schneckenelemente sind dabei Förderelemente 21, mittels welchen Material in einer Förderrichtung gefördert wird, Rückförderelemente 22, mittels welchem Material entgegen der Förderrichtung gefördert werden kann, und Knetelemente 23, mittels welchem Material geknetet werden kann. Über die Länge der Schnecke 2 sind dabei mehrere dieser unterschiedlichen Schneckenelemente 21, 22, 23 angeordnet.
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Die Knetelemente 23 haben vorzugsweise eine (in den Figuren nicht erkennbare) ovale Form.
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Das Zylinderrohr 3 weist in axialer Richtung mehrere unterschiedliche Abschnitte 31, 32 auf, welche jeweils zylindrisch sind, und welche unterschiedliche Innendurchmesser 36, 37 aufweisen.
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Erste Abschnitte 31 des Zylinderrohrs 3 weisen dabei einen ersten Innendurchmesser 36 auf, welcher mindestens einem zum Fördern des Materials erforderlichen Minimaldurchmesser entspricht. Vorzugsweise ist der erste Innendurchmesser 36 etwa 0,05 mm bis 1 mm größer als ein maximaler Außendurchmesser D der Schnecke 2.
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Zweite Abschnitte 32 des Zylinderrohrs 3 weisen einen im Vergleich zum ersten Innendurchmesser 36 vergrößerten zweiten Innendurchmesser 37 auf. Der zweite Innendurchmesser 37 ist mindestens 0,05 mm bis maximal 2 mm größer als der erste Innendurchmesser 36.
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Die zweiten Abschnitte 32 erstrecken sich jeweils über eine axiale Länge 35 von mindestens 0,5 D bis 1 D. Die Knetelemente 23 weisen eine axiale Länge 26 auf, welche im Wesentlichen der axialen Länge 35 der zweiten Abschnitte 32 entspricht, also mindestens 0,5 D bis 1 D.
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Schnecke 2 und Zylinderrohr 3 sind relativ zueinander axial verschiebbar. Im Detail ist die Schnecke 2 mittels einer Vorrichtung 5, welche beispielsweise eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung sein kann, axial im Zylinderrohr 3 verschiebbar. Dadurch kann die Anordnung 1 in unterschiedliche Konfigurationen bezüglich der axialen Ausrichtung von Schnecke 2 und Zylinderrohr 3 gebracht werden.
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1 zeigt dabei eine erste Konfiguration, in welcher Schnecke 2 und Zylinderrohr 3 so zueinander angeordnet sind, dass sich die zweiten Abschnitte 32 mit dem vergrößerten zweiten Innendurchmesser 37 jeweils mit Förderelementen 21 der Schnecke 2 in axialer Richtung überschneiden.
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Durch axiales Verschieben der Schnecke 2 um mindestens 1 D kann die Anordnung 1 in die in der 2 gezeigte zweite Konfiguration gebracht werden. In dieser zweiten Konfiguration sind Schnecke 2 und Zylinderrohr 3 so zueinander angeordnet, dass sich die zweiten Abschnitte 32 mit dem vergrößerten zweiten Innendurchmesser 37 jeweils mit Knetelementen 23 der Schnecke 2 in axialer Richtung überschneiden.
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Durch den vergrößerten Innendurchmesser 37 sind die Knetelemente 23 in dieser zweiten Konfiguration weniger wirksam als in der ersten Konfiguration. Im Detail entsteht hierbei weniger Scherung oder Reibung im Material durch die Knetelemente 23. Dadurch wird weniger Energie in das Material eingebracht, und dieses wird weniger geschädigt bzw. aufgeschmolzen.
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Das heißt, durch die axiale Verschiebung der Schnecke 2 kann die Scher- bzw. Knetwirkung der Knetelemente 23 der Schnecke 2 flexibel angepasst werden.
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Es sei anzumerken, dass die Anordnung 1 nicht nur in die beiden in den 1 und 2 gezeigten Konfigurationen bringbar ist, sondern vielmehr in beliebige axiale Überdeckungsgrade der jeweiligen Abschnitte bzw. Elemente von Zylinderrohr 3 und Schnecke 2.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 2 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Schnecke
- 3
- Zylinderrohr
- 5
- Vorrichtung
- 21
- Förderelement
- 22
- Rückförderelement
- 23
- Knetelement
- 26
- axiale Länge
- 31
- erster Abschnitt
- 32
- zweiter Abschnitt
- 35
- axiale Länge
- 36
- erster Innendurchmesser
- 37
- zweiter Innendurchmesser
- D
- maximaler Außendurchmesser
