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Schneckenpresse zur Verarbeitung von thermoplastischen und/oder thermisch
härtbaren Kunststoffen Die Erfindung betrifft eine Schneckenpresse zur Verarbeitung
von thermoplastischen oder thermisch härtbaren Kunststoffen, insbesondere pulverförmigen
Kunststoffen oder deren Mischungen, deren Zylinder mit Längsnuten versehen ist und
bei der die Schnecke und/oder der Zylinder heiz- und kühlbar sind.
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Es ist bekannt, für die Verarbeitung von Kunststoffen Schneckenpressen
zu verwenden, deren Zylinder mit Rillen oder schmalen Nuten versehen sind. Es sind
fener Schneckenpressen mit glattem Zylinder bekannt, deren Schneckendurchmesser
wesentlich kleiner ist als der für das freie Drehen der Schnecke in dem Zylinder
nötige Raum.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einmal die Ausstoßleistung
und damit den Wirkungsgrad der Schnecke zu erhöhen, zum anderen die Verweilzeit
des Kunststoffes in der Schneckenpresse zu verkürzen, um eine Zersetzung des Kunststoffes
in der Schneckenpresse zu verhindern. Die Lösung der Aufgabe besteht in ihrem Kern
in folgendem: Der Zylinder der Schneckenpresse ist auf seiner ganzen Länge oder
auf einem Teil seiner Länge mit Längsnuten versehen, deren Volumen mit Bezug auf
die Länge eines Ganges der Schnecke etwa 25 bis 60 °/o des Volumens der Schneckengänge
entspricht und in deren Bereich zwischen dem Außendurchmesser der Stegkanten der
Schnecke und dem Innendurchmesser des Zylinders ein Ringspalt vorgesehen ist, dessen
lichte Weite größer ist, als zur Erzielung eines freien Spiels der Schnecke notwendig
ist.
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Aus der Kombination dieser Merkmale ergibt sich folgende Wirkung:
Der Kunststoff wird durch die Eintrittsöffnung in die Schneckenpresse eingeführt.
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Das Kunststoffmaterial drängt gleichzeitig in die Gänge der Schnecke,
in die Längsnuten des Zylinders und in den Spalt zwischen Schnecke und Zylinder.
Durch die Drehung, den Druck und die damit im Zusammenhang stehende Förderung der
Schnecke in Verbindung mit der Heizung des Zylinders wird der Kunststoff allmählich
plastifiziert. Das Material, das sich in dem Spalt zwischen Schnecke und Zylinder
befindet, verbindet sich einerseits mit dem in den Nuten befindlichem Kunststoff,
andererseits mit dem Kunststoffmaterial, das sich in den Gängen der Schnecke befindet.
Durch die von der Schnecke ausgeübte Kompression wird ein geschlossener Ring aus
Kunststoff um die Schnecke herum gebildet, so daß auf diese Weise das Haften des
Kunststoffes auf der Schnecke sowie das Gleiten des Kunststoffes auf dem Zylinder
zufolge des Einflusses der Nuten verhindert
wird. Durch die Drehung und die Kompression
del Schnecke wird der gesamte Kunststoff, der sich in den Nuten, dem Spalt und den
Schneckengängen befindet, wie ein geschlossener Ring in axialer Richtung in der
Schneckenpresse rohrförmig mit großer Ausstoßleistung und kurzer Verweilzeit gefördert.
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Es hat sich herausgestellt, daß bei der Verarbeitung von niedrig-viskosen
thermoplastischen Kunststoffen, wie z. B. von Weich-PVC, Hoch- und Niederdruck-Polyäthylen,
Polyamiden, Polystyrol, die Nuten, die sich in der Zone des Zylinders befinden,
welche im unmittelbaren Bereich vor der Austrittsöffnung der Schneckenpresse liegt
und die nachstehend in dieser Erfindung »Gelierzone« genannt wird, die gleiche Wirkung
ausüben wie die Nuten, die sich in den restlichen Teilen oder Zonen des Zylinders
dieser Schneckenpresse befinden, wenn die Temperatur in der Gelierzone nicht vollkommen
aut die Plastifizierungstemperatur der vorgenannten niedrigviskosen Kunststoffe
erhöht oder eingestellt wird.
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Falls aber die Temperatur der Gelierzone auf die Plastifizierungstemperatur
dieser nidrigviskosen Kunststoffe erhöht oder eingestellt wird, gehen die niedrigviskosen
Kunststoffe in dieser Gelierzone im Gegensatz zu den hochviskosen Kunststoffen in
einen zähflüssigen Zustand über, wobei manche sogar ihren Schmelzpunkt erreichen.
In diesem letzten Fall können die Nuten, die sich in der Innenwandung der Gelierzone
befinden, infolge des zähílüssigen Zustandes der niedrigviskosen Kunststoffe nicht
mehr ihre Wirkung ausüben, d. h., der zähflüssige bzw. geschmolzene Kunststoff,
der sich in den Nuten befindet, kann nicht mehr den zähflüssigen Kunststoff von
den Schneckengängen abnehmen bzw. abreißen und das Ankleben des plastischen Kunststoffes
an der Schnecke vermeiden, obwohl die Nuten, welche sich in den restlichen Teilen
odei
Zonen des Zylinders befinden, infolge der eingestellten niedrigen
Temperatur der niedrigviskosen Kunststoffe ihre volle Wirkung ausüben und den zähflüssigen
Kunststoff fördern, welcher sich in der Gelierzone befindet; aber der Wirkungsgrad
der Schnekkenpresse kann sich in dieser Gelierzone durch die obige Erscheinung und
durch den Gegendruck des Kunststoffes, der sich in dem Spritzkopf und der Spritzdüse
befindet, vermindern.
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Außerdem wurde bei den Versuchen insbesondere mit nidrigviskosen
Kunstsoffen festgestellt, daß der Austrittsteil bzw. der Vorderteil der Schnecke
dieser Schneckenpresse, die nur an ihrem entgegengesetzten Ende bzw. Kunststoffeinfüllungsende
gelagert ist, in dieser Gelierzone durch den zähflüssigen bzw. gescholzenen Zustand
des Kunststoffes, der die Schnecke umhüllt, und/oder durch den starken Gegendruck
des Kunststoffes, welcher sich in dem Spritzkopf befindet, ihre zentrale Lagerung
verliert und federt. Durch diese Federung berühren die Stege der Schnecke, insbesondere
in dieser Gelierzone, die Stege der Nuten, und je nach dem Härtegrad des Zylinders-
und des Schneckenstahls werden die Nuten der Stege der Schnecke und/oder die Stege
der Nuten des Zylinders beschädigt. Diese Unzulänglichkeit tritt insbesondere dann
auf, wenn der vorstehend erwähnte Ringspalt zwischen dem Außendurchmesser der Stege
der Schnecke und dem Innendurchmesser der Stege des Zylinders vorhanden ist.
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Um die obigen Unzugänglichkeiten bei der Verarbeitung insbesondere
von niedrigviskosen Kunststoffen mit einer Schneckenpresse, die mit Längsnuten versehen
ist, zu vermeiden, wird entweder die Zylinderwandung der Gelierzone vollkommen glatt
gehalten, d. h. ohne Nuten, und zwischen dem Außendurchmesser der Stegkanten der
Schnecke und dem Innendurchmesser des glatten Zylinderteils der Gelierzone wird
nur ein geringer, für das freie Drehen der Schnecke erforderlicher Spielraum von
etwa 0,1 bis 0,2 mm auf dem Durchmesser gelassen.
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In diesem Fall werden die Gänge der Schnecke in dieser Gelierzone
entsprechend dem Volumen des Kunststoffes, der sich in den Nuten und in dem Ringspalt
befindet, vergrößert bzw. vertieft und/odel die Steigung der Gänge der Schnecke
dementsprechend verlagert bzw. vergrößert, um eine Stauchung und/oder eine Überhitzung
des Kunststoffes an dieser Stelle in der Schneckenpresse zu vermeiden.
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Es ist auch möglich, die Gelierzone des Zylinders derart auszubilden,
daß der Innendurchmesser der glatten Fläche des Zylinders in dieser Zone dem Innendurchmesser
der tiefsten Stelle der Nuten entspricht, um den äußeren Durchmesser der Schnecke
dementsprechend zu vergrößern, so daß wieder zwischen dem inneren glatten Durchmesser
des Zylinders dieser Gelierzone und dem äußeren Durchmesser dieses Teiles der Schnecke
das erforderliche freie Spiel von etwa 0,1 bis 0,2mm entsteht. Dabei ist immer zu
berücksichtigen, daß in diesem Teil bzw. der Gelierzone das Volumen der Gänge der
Schnecke entsprechend dem Volumen des Kunststoffes, der sich in den Nuten und in
dem Ringspalt befindet, auch zu vergrößern bzw. zu vertiefen und/oder die Steigung
der Gänge der Schnecke dementsprechend zu verlängern bzw. zu vertiefen ist.
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Es können auch mehrere Nuten des Zylinders vor oder in der Gelierzone
allmählich vereinigt werden,
wobei die Stege der Nuten in der Art verschwinden, daß
in der Gelierzone nur z. B. zwei bis sechs breite Nuten entstehen, damit in der
Gelierzone große flache Flächen bzw. breite Stege entstehen können.
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In diesem Fall ist das Volumen der breiten Nuten derart zu bemessen,
daß diese breiten Nuten dem Volumen der verhältnismäßig engeren Nuten und des Ringspaltes
entsprechen, damit keine Stauchung und/oder Überhitzung des Kunststoffes eintritt.
Auch bei dieser Ausführung muß zwischen diesen breiten, flachen und glatten Flächen
bzw. breiten Stegen der Gelierzone des Zylinders und dem Außendurchmesser der Stegkanten
der Schnecke ein geringer freier erforderlicher Spielraum von etwa 0,1 bis 0,2 mm
entstehen. Bei dieser Ausführung ist es nicht mehr nötig, die Gänge der Schnecke
in dieser Gelierzone zu vertiefen, da der Kunststoff, welcher sich in den verhältnismäßig
engeren Nuten des hinteren Teils des Zylinders befindet, durch die breiten Nuten
der Gelierzone gefördert wird, wodurch keine Stauchung des Kunststoffes stattfindet.
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Die Länge der Gelierzone, wo der Schneckenzylinder glatt oder mit
flachen Flächen durchzuführen ist, hängt von der Art des thermoplastischen Kunststoffes
ab. Je schneller man diese Kunststoffe in dem Zylinder auf volle Plastifizierungstemperatur
bringen will, um so länger wird die Gelierzone. Diese Gelierzone liegt zwischen
10 und 60 0/o der Gesamtlänge des Zylinders, zweckmäßigerweise jedoch zwischen 10
und 40 0/o der Gesamtlänge des Zylinders.
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Diese Anordnungen können an verschiedenen Stellen des Zylinders angebracht
werden, wo eine Gefahr für die Federung der Schnecke besteht und/ oder eine vollkommene
Plastifizierung des Kunststoffes stattfinden kann. Dies ist von der Länge und/ oder
von dem Durchmesser der Schnecke abhängig.
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Durch diese Anordnungen werden die Längsnuten in den restlichen Teilen
des Zylinders immer ihre Wirkung ausüben.
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Die Merkmale, Verbesserungen und zweckmäßigen Ausgestaltungen der
Erfindung sind an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der eine Ausführungsform
der Erfindung vereinfacht und beispielsweise schematisch dargestellt ist. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Schnecke und einen
Zylinder einer Schneckenpresse unter Fortlassung des Mundstückes bzw. Spritzkopfes
und der Düse, F i g. 2 einen Querschnitt nach Linie 11-11 der Fig. 1 in vergrößertem
Maßstab, Fig. 3 einen Teil eines Längsschnittes der erfindungsgemäß ausgebildeten
Schnecke und des Zylinders einer Schneckenpresse, wobei die Gelierzone nach der
Abänderung der Erfindung gemäß Fig. 1 ausgebildet ist, F i g. 4 eine Stirnansicht
der Gelierzone des Zylinders, die nach einer anderen Abänderung der Erfindung gemäß
den F i g. 1 und 3 ausgebildet ist, F i g. 5 eine Abwicklung der Gelierzone des
Zylinders nach F i g. 4, bei A-A aufgeschnitten, F i g. 6 eine vergrößerte Längsteilansicht
der Förderendes einer Schnecke mit doppelgängiger Schnecke, d. h. mit zwei parallellaufenden
Gängen, die zwei Ganganfänge hat, Fig. 7 eine Stirnansicht des Endes der Schnecke
nach Fig. 6, Fig. 8 eine vergrößerte Längsteilansicht des Förderendes einer eingängigen
Schnecke,
Fig. 9 eine Stirnansicht des Endes der Schnecke nach Fig.
8.
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In den Figuren ist mit 1 die Schnecke bezeichnet, die auf bekannte
Weise drehbar in einem Schneckenzylinder 2 angeordnet ist. Die flachen Schneckengänge
sind mit 3 und die tieferen Schneckengänge in der Gelierzone sind mit 3 a bezeichnet.
Sie sind um ein Mehrfaches größer als die mit 4 bezeichnete Steghöhe. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel ist die Gesamtlänge der Schnecke etwa 15mal so lang wie ihr
Durchmesser. Diese Merkmale sind kennzeichnend für diejenigen Schneckenpressen,
die zur Verarbeitung von thermoplastischen und thermisch härtbaren Kunststoffen
bestimmt sind. Der Zylinder der Schneckenpresse wird von einem Außenmantel 5 umschlossen.
Zwischen dem Außenmantel 5 und dem Zylinder 2 befindet sich ein Ringraum 6, der
zur Kühlung oder Heizung des Zylinders mit Ö1, Dampf, Luft oder Wasser geeignet
ist. Für den Fall, daß der Zylinder elektrisch geheizt wird, sind die Heizkörper
über dem Außenmantel 5 angeordnet. In diesem Fall dient der Ringraum 6 nur dem Kühlungszweck.
Die Heiz- oder Kühlzonen des Ringraumes 6 sind mit Trennstegen 6 a versehen, die
in jeder Zone eine separate und unabhängige Heizung oder Kühlung gestatten. Auf
diese Weise wird in diesen Zonen der durch die Schnecke 1 unter Druck gesetzte und
weitergeförderte Kunststoff erhitzt und/oder gekühlt, um den Kunststoff auf diese
Weise allmählich zwischen der Schnecke und dem Zylinder zu plastifizieren.
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Der granulat- und vorzugsweise pulverförmige Kunststoff wird über
eine Einfüllöffnung 7 in die Schneckenpresse zugeführt, die tangential, radial oder
auch - in Abweichung von der Zeichnung -axial angeordnet sein kann. In der Einfüllöffnung
7 können Füll- und Dosierungseinrichtungen angeordnet sein. Die Einfülleinrichtung
kann aus einer Schneckenpresse, vorzugsweise einer Schneckenpresse, deren Zylinder
ebenfalls mit Längsnuten versehen ist, bestehen. Der Durchmesser des Zylinders dieser
Füllschneckenpresse und ihre Schnecke sind vorzugsweise zu dem Fördervolumen der
Hauptförderschnecke berechnet. Je nach Art und Beschaffenheit des Kunststoffes (granulat-
oder pulverförmig) wird die Drehzahl dieser Einfüllschnecke mit der Drehzahl der
Förderschnecke regelbar abgestimmt, um in der Füllschnecke eine Stauchung des Kunststoffes
zu verhindern. Diese Fülleinrichtungen sind in der vorliegenden Erfindung nicht
näher dargestellt. Die Schnecke der Füll- und Förderschneckenpresse kann eingängig
oder doppelgängig sein oder mehrere parallellaufende Gänge haben. Es wird aber bevorzugt,
diese Schnecke eingängig oder doppelgängig herzustellen.
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Die Ausbildung des Endes der Schnecke ist vorzugsweise nach dem Prinzip
der Fig. 6 und 7 für eine doppelgängige Schnecke und die eingängige Schnecke nach
dem Prinzip der Fig. 8 und 9 zu bauen. Am Ende der Schnecke 1, die nach dem Prinzip
der F i g. 6, 7, 8 und 9 gebaut ist, verlaufen die Gänge bis zur Mitte der Stirnfläche
15 allmählich flacher werdend, so daß der letzte Gang des zylindrischen Teils der
Schnecke allmählich zylindrisch ausgebildet ist.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, den Kunststoff am Ende der
Schnecke nicht zu stauchen, den Gegendruck des Kunststoffes, welcher sich in
dem
Spritzkopf und in der Spritzdüse befindet, zu überwinden und den Kunststoff, der
von den Nuten, von dem Ringspalt und/oder von den Schneckengängen gefördert ist,
auf die ganze Stirnfläche am Ende der Schnecke in Axialrichtung rasch und gleichmäßig
in den Spritzkopf zu fördern. Auf diese Weise wird vennieden, daß der gesamte Kunststoff
sich an dieser Stelle staucht und sich durch die längere Verweilzeit und Reibung
des heißen Kunststoffes zersetzt oder verkohlt, wie dies im allgemeinen bei den
Schnecken der Fall ist, die ein konisches, flaches Auslaufende oder ein Auslaufende
mit flachen oder gerundeten Stirnflächen haben.
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Die Innenwandung des Zylinders 2 ist von der Einfüllöffnung 7 bis
zur Stelle 9 mit axialen Nuten 10 versehen, deren Ausbildung in F i g. 2 näher dargestellt
ist. In F i g. 2 sind die Nuten bei 11 beispielsweise sägezahnförmig im vergrößerten
Maßstab dargestellt, wobei die Drehrichtung der Schnecke mit dem Pfeil 13 dargestellt
ist, um ihre Rückwirkung gegenüber dem Kunststoff zu erhöhen.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig.2 sind die Längsnuten 10 nebeneinander
auf dem ganzen Umfang der Innenwandung des Zylinders 2 vorgesehen.
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In dieser Hinsicht sind Abwandlungen der Form, Tiefe und Breite der
Nuten und der Form und dei Breite der Stege 17 der Nuten möglich. Es genügt, wie
vorstehend erklärt, daß die Längsnuten eine genügende Menge Kunststoff aufnehmen
und unter dem Einfluß der Heizwärme der Schneckenpresse und/oder unter dem Druck
der Schnecke in ihren flachen Gängen anhaftenden Kunststoff von den Schneckengängen
abnehmen bzw. abreißen und das Ankleben des Kunststoffes an der Schnecke verhindern,
d. h. daß das Volumen der Nuten auf die Länge eines Ganges der Schnecke vorzugsweise
etwa 25 bis 60°/o des Volumens der flachen Schneckengänge entspricht.
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In Fig. 1 und 3 befindet sich in dem Bereich zwischen dem Ende 9
der Längsnuten 10 und dem Ende des Zylinders 8 die Gelierzone 12. In der Gelierzone
12 der F i g. 1 und 3 sind keine Längsnuten 10 vorgesehen, sondern hier ist die
Innenwandung des Zylinders 12 glatt durchgeführt.
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In F i g. 3 entspricht der Innendurchmesser der glatten Wandung der
Gelierzone dem Durchmesser der tiefsten Stelle der Längsnuten 10, und der äußere
Durchmesser der Schnecke 1 ist in dieser Gelierzone dementsprechend größer, wodurch
nur ein erforderliches freies Spiel von etwa 0,1 bis 0,2mm, wie auch in der Ausführung
der Fig. 1, entsteht. Sowohl in F i g. 1 als auch in F i g. 3 sind in der Gelierzone
12 die Gänge der Schnecke entsprechend dem Volumen des Kunststoffes in den Nuten
tiefer bzw. größer, und/oder die Steigung der Gänge kann verlängert bzw. vergrößert
sein, um eine Stauchung des Kunststoffes zu vermeiden.
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Der Außen durchmesser der Stegkanten der Schnecke ist mit Dl bezeichnet,
während der Innendurchmesser der Stegkanten des Zylinders das Bezugszeichen D2 trägt.
Zwischen diesen zwei Stegkanten befindet sich im Bereich der Axialnuten 10 ein Ringspalt
14, dessen Stärke so groß ist, daß sich zwischen den Stegkanten der Axialnuten 10
und den Stegkanten der Schnecke 1 ein dünner Zylinder aus Kunststoff befinden kann.
Auf diese Weise wird ein Zusammenhang zwischen dem in den einzelnen Axialnuten befindlichen
Kunststoff hergestellt, wodurch
die Verbindung des Kunststoffes,
der sich in den Gängen der Schnecke befindet, unterstützt bzw. erhöht wird. Die
Stärke dieses Ringspaltes, also die Wandstärke von D1-D2 wird in der Regel 0,2 bis
1 mm sein, d. h. daß der Durchmesser der Stegkanten der Schnecke 0,4 bis 2 mm kleiner
sein kann als der Innendurchmesser der Stegkanten des Zylinders.
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Im Bereich der Gelierzone ist der Durchmesser der Stegkanten der
Schnecke etwa 0,1 bis 0,2mm kleiner als der Innendurchmesser des glatten Teils des
Zylinders, um einen erforderlichen freien Drehspielraum der Schnecke zu gestatten.
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Die Ausführung der F i g. 4 und 5 stellt eine weitere Abänderung
der Gelierzone der Fig. 1 und 3 dar. In dieser Ausführung sind mehrere Nuten 10
des Zylinders, wie aus der F i g. 5 ersichtlich ist, vor oder in der Gelierzone
allmählich vereinigt, wobei die Stege 4 der Nuten 10 derart verschwinden, daß in
der Gelierzone nach Ausführung der F i g. 4 und 5 nur drei breite Nuten 10 a entstehen,
damit in der Gelierzone große flache Flächen bzw. breite Stege 17 entstehen können,
um die erwähnten Unzulänglichkeiten zu vermeiden. In diesem Fall wird das Volumen
der breiten Nuten derart bemessen, daß diese breiten NutenlOa dem Volumen des Kunststoffes,
der verhältnismäßig engeren Nuten 10 und des Ringspaltes 14 entspricht, damit keine
Stauchung und/oder Überhitzung des Kunststoffes stattfindet.
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Auch in dieser Ausführung muß zwischen diesen flachen Teilen bzw.
glatten Flächen der Gelierzone des Zylinders und dem Außendurchmesser der Stegkanten
der Schnecke ein geringer freier erforderlicher Spielraum von etwa 0,1 bis 0,2 mm
entstehen In dieser Ausführung ist es nicht mehr nötig, die Gänge der Schnecke,
die sich in der Gelierzone 12 befinden, zu vertiefen bzw. zu vergrößern.