DE1912459A1

DE1912459A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung von hochviskosen Werkstoffen,insbesondere Kautschukmischungen in Einschnecken-Extrudern

Info

Publication number: DE1912459A1
Application number: DE19691912459
Authority: DE
Inventors: Harms Dipl-Ing Engelbert Georg; Menges Dr-Ing Hans Geor Ludwig; Lehnen Dipl-Phys Josef Peter
Original assignee: Uniroyal GmbH
Current assignee: Uniroyal GmbH
Priority date: 1968-03-22
Filing date: 1969-03-12
Publication date: 1969-11-13
Also published as: BE730101A; NL6904269A; FR2004549B1; GB1253714A; CH504943A; FR2004549A1; DE6750568U; AT307009B

Description

DR.-ING. VON KREISLER DR.-I NG. SCHONWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

11.5 1969 Sch/Ma.

51 Uniroyal Engleberfc Deutschland AG, Aachen, Hüttenstrasse

Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung von hoohviskosen Werkstoffen, insbesondere Kautschukmischungen in Einschneoken-Extrudern.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung τοη hoehviekosen Werkstoffen, insbesondere Kautschukmischungen mit beliebigen Anteilen an Naturkautschuk in Einschneoken-Extrudern·

Zur Erzielung einer guten Extrudatqualitat ist es erforderlich, durch intensives Kneten und Mischen eine ausgeglichen· Temperaturverteilung und damit eine gleichmäßige Mastizität, Plastizität und Homogenität im Werkstoff zu bewirken. Die Qualität des Extrudates hängt vom Zusammenwirken von Zylinder, rotierender Sohnecke und Werkzeug bei der förderung, Durch·* mischung, Mastizierung, Plastieierung und Homogenisierung während des Maseedurohlaufs ab· Die Eigenschaften

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und Abmessungen dee Extrudatee sind dann im allgemeinen auereichend, wenn der Werkstoff im Zylinder mechanisch und thermisch zu einer homogenen Masse plastiziert und durch zeitlich konstanten Druck im Werk«zeug verformt und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit ausgestoßen wird_e

Bisher war es bei der Verarbeitung von Kautschuk-Mischungen in Extrudern üblich, den Extruder mit bereits maetiziertem, plastiziertem und vorgewärmtem Werkstoff in Form von Streiftn oder Pellets zu beschicken. Der Extruder hatte dann nur noch die Aufgabe, die bereits plastische Mischung zu erfassen, gleichmäßig zu fördern und durch ein Formstück zu pressen. Aus wirtschaftlichen Überlegungen und aus Qualitätsgründen verlagert sich die Entwicklung bei der Extrusion von Kautschuk-Mischungen jedoch immer mehr von den sogenannten Warmfütter- zu den Kaltfütter-Extrudern· Der Weg von der gelagerten fertigen Mischung bis zum Endprodukt mit gleichmäßig guter Qualität soll damit abgekürzt und vor allem kontinuierlich gestaltet werden.

Qualitätsmäßig werden an das Extrudat folgende Forderungen gestellti Gleichmäßige und einwandfreie Vermischung über dem Bxtrud&tquerschnitt, Maßhaltigkeit in engen Toleranzen, gering· Schwankungen des Metergewichtes, gute und gleichmäßig· Oberflächenbeschaffenheit, keine oder unwesentlich· öaseinschlüsse. Diese Forderungen sind aufgrund unterschiedlicher Verweilzeiten von Mischungsteilen auf der Mischwalze und den damit verbundenen Plastizitässohwankungen in der Verarbeitung

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auf "Wannfütter-Extrudern" nicht einzuhalten. Während bei der Warmbeschiokung der Extruder die bereite vorgewärmte und plastische Mischung nur fördert, verdichtet und formt, muß sie bei der Kaltbeschickung noch zusätzlich auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, aastiziert und plastiziert werden.

Ee sind Kunststoffschneckenpressen zur Verarbeitung von Kautschuk, Kunststoffen u_odgl_o bekannt, bei denen die Schnecke in Abschnitte unterschiedlicher Gestaltung aufgeteilt ist, beispielsweise wird der Schneokengang an vorbestimmten Stellen unterbrochen, und zwar durch sogenannte Mischköpfe, die die Form eines polygonalen Prismas aufweisen. Dadurch will man den Werkstoff bei der Förderung durch die Schnecke zusätzlich einer besonderen Scherung unterziehen· Ferner ist bei der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen in einer Schneckenpresse bekannt, die Piastizier- und Mastizierwirkung durch Strömen des plastizierten Kunststoffes durch einen Spalt zwischen Schneckensteg und Schneckenzylinderinnenwand zu erhöhen. Hierdurch soll erreicht werden, die Schmelze von der festen Phase des zu verarbeitenden Kunststoffes während dessen Förderung in der Schnecke zu trennen und den flüssigen Werkstoff einem Sammelraum zuzuführen, in den die noch festen Bestandteile des Kunststoffes nicht gelangen können. Hierzu sind im Schneokenetag radiale Kanäle angeordnet, die in einem axial verlaufenden Kanal innerhalb des Sohneckenkerne münden. Weiterhin soll der Trennvorgang dee flÜBsigen Werkstoffes von dem noch festen Werkstoff in der Schneckenpresse dadurch erreicht werden, daß bei einer doppelgängigen Schnecke die Durchflußquerschnitte

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in entgegengesetzten Richtungen bis zu einem Wert O abnehmen und der Durchmesser des einen Schneckensteges ein wenig größer gehalten wird ale der Durchmesser des anderen Schneckenstegee, so daß die Schmelze von dem • einen Schneckenkanal in den anderen übertreten kann, die festen Bestandteile jedoch zurückgehalten werden.

Es hat sich bei solchen Ausbildungen der Schnecken w herausgestellt, daß bei Kaut se hukmi schlingen trotz der größeren Schneckenlängen eine gleichmäßige Misohungserwärmung und Piastizierung, besonders bei höheren Ausstoßleistungen, nicht zu erzielen waren· Die Ursache hierfür ist in der hohen Strukturviskoeität der Kautschukmischungen zu suchen, die sich besonders bei Mischungen mit größeren Naturkautschukanteilen bemerkbar macht.

Bei der Verarbeitung von Kautschuk-Mischungen sind insbesondere folgende Eigenschaften zu beachten: geringe Wärmeleitfähigkeit, nicht-Newton»schee Fließverhalten, hohe scheinbare Viskosität - laminares Fließen und Temperaturabhängigkeit von scheinbarer Viskosität und Plastizität. Diese Eigenschaften verhindern eine gleichmäßige Erwärmung, Durchmischung, Mastizierung und Plastizierung, da zunächst nur die mit der beheizten Zylinderwand bzw« die mit der Schneckenoberfläche in Berührung stehenden Werkstoffteilchen erwärmt werden· Dies bedeutet eine Verminderung der scheinbaren Viskosität und damit lokalisiertes Fließen in Wandnähe. Hinzu kommt, daß mit zunehmendem Geschwindigkeitsgefälle die scheinbare Viskosität weiter abnimmt - das Gleiten in Wandnähe also

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noch verstärkt wird. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit isolieren die Werkstoffschichten in Wandnähe den Werkstoffkern von der Wärmezufuhr. Dadurch ergeben sich größere Temperatur- und stärkere Viekositatsunterschiede, die sich nachteilig auf die Extrudatqualität auswirken·

Aufgabe der Erfindung ist, die Verarbeitung von hochviskosen Werkstoffen, insbesondere Kautsohuk-Mischungen, in einem Kaltfütter-Extruder bei Erzielung einer guten Qualität des Endproduktes hinsichtlich Knetung und Mischung möglich zu machen_e Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Werkstoffmischung bei Erwärmung während der Förderung durch den Extruder zunächst eine vorbejfcimmte Wegstrecke lang gestaut, teils rückwärts gefördert und bei starker Khetung in eine turbulente Strömung überführt wird und danach eine weitere Wegstrekke lang bei überwiegend stetiger Vorwärtsförderung in kommunizierende Teilströme aufgeteilt, verdichtet und dabei intensiv vermischt wird·

Durch eine solche Zweistufigkeit der Verarbeitung innerhalb der Sohneckenpresse wird zunächst eine Grobmisohung hergestellt, bei der der Werkstoff bereite weitgehend durchgeknetet, maitiziert und plastiziert ist. Danach schließt eich eine Feinmisohzone an, in der die Mastizierung und Plastieierung bis zur fertigen Mischung vervollständigt wird. Der Werkstoff, der sich aus vielen Komponenten zusammensetzt, ist sodann so durchmischt, daß am Sohneokenend· mit konstanter Geschwindigkeit eine

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homogene gleichmäßig maetizierte und plastizierte MiBChung austritt, die in allen Punkten gleiche Temperatur aufweist· Zugleich ist der durchmischte Werkstoff gut verdichtet» Ee läßt sich somit ein wirtschaftlich optimaler Ausstoß erreichen. Ferner ist die Schnecke für Kautschuk-Mischungen mit beliebigen Naturkautschukanteilen verwendbar.

Die Schnecke ist vorteilhaft in der Weise ausgebildet, daß im Anschluß an eine Einzugezone für den Werkstoff ein Abschnitt mit gegenläufigem Schneckenteil, dessen Stege Unterbrechungen aufweisen, und danach folgend ein Abschnitt angeordnet ist, in dem zwei Schneckenstege mit gleichem radialen Wandspiel zwischen Steg und Zylinderinnenwand und von unterschiedlicher Steigung vorgesehen sind· Hierbei weist der Schneckeneteg, vor dem der Sohneckenkanal in Förderrichtung sich verkleinert, am Umfang radiale Nuten auf_# In der erateren Arbeitszone mit einem oder mehreren gegenläufigen Schneckengängen erzielt man ein gewisse· Rückwärtsfördern des Werketoffee. Es wird ein Stau im Werkstoff entgegengesetzt der allgemeinen Förderrichtung hervorgerufen. Danach wird der Förderetrom von einer laminaren in eine turbulente Strömung umgewandelt. Der Werkstoff wird einer intensiven Durohwirbelung unterzogen» so daß eich eine hervorragende Durchknetung ergibt, wie man diese bisher auf den üblichen Knetwalzen o.dgl. durchgeführt, aber nicht erreicht hat. In der anschließenden Arbeitseone wird der Werkstoff nochmals gezwungen, bei steigender Verdichtung eich stete weiter zu vermischen, so daß er nach der groben Vormischung die endgültige

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Durchmischung erhält. In beiden Arbeitszonen wird auf die oben angeführten Eigenschaften der Kautschuk-Mischungen so Rücksicht genommen, daß in der Mischung eine Homogenität entsprechend der Viskosität und Temperatur erreicht wirdo

Vorzugsweise ist der Schneckensteg mit radialen Nuten breiter ausgebildet als der benachbarte Schneckensteg in der zweiten Arbeitezone_o Dadurch wird die Vermischung des Werkstoffes beim Rückströmen erhöhte Bs ist ferner bedeutsam, daß die beiden Schneckenstege unterschiedlicher Steigung an beiden Enden frei auslaufen. Hierdurch wird der Mischvorgang nicht gestörte

Nach der Peinmischzone kann der Werkstoff unmittelbar über ein Spritzwerkzeug ausgestoßen werden. Man kann auch eine Ausstoßzone Zwischenschalten, die ein Schneckenteil mit einem oder mehreren Gängen sein kann* Zusätzlich kann die Schneekenspitze als Torpedokopf ausgebildet sein«.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele nachstehend erläutert.

Pig. 1 zeigt die Ausbildung einer Schnecke für eine Schneckenpresse zur Verarbeitung von Kautschuk-Mischungen in Ansicht und im Schema.

In den Pig. 2 und 3 Bind jeweils Querschnitte gemäß

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den Linien H-II bzw. III-III der Fig. 1 durch die ' Schnecke dargestellt.

Die gesamte Schnecke 1 weist an der Eingangseeite für . den Werkstoff eine Einzugszone 2 auf, in der eine ein- oder zweigängige bzw_e mehr als zweigängige Schnecke 3 angeordnet sein kann, mittels der der Werkstoff in den Extruder eingezogen wird₀ Danach folgt die Arbeitszone 4. In dieser Zone ist eine gegenläufige ein- oder mehrgängige Schnecke 5 vorgesehen, wobei die Stege der Schnecke in Abständen, die regelmäßig oder unregelmäßig sein können, Unterbrechungen 6 aufweisen. Der Werkstoffstrom wird in diesem Teil vielfach aufgeteilt« Dies führt zu einer intensiven Durchmischung, einer gleichmäßigen Temperaturverteilung und einem Ausgleich der Plastizitätsschwankungen. Je nach Größe der Schnecke können die Länge der Arbeitezone 4 und auch die Gangsteigung, der Kanalquerechnitt 7 und der Querschnitt der Durchbrüche 6 variiert werden·

Der Mischprozess wird in dem weiteren Teil, der Arbeitszone 8 abgeschlossen. In dieser Zone 8 als Peinmischzone sind zwei Schneckenstege 9 und 10 mit gleichem radialen Wandspiel zwischen Schneckensteg und Zylinderinnenwand unterschiedlicher Steigung und Stegbreite einander gleichläufig überlagert. Der Steg 10 ist in regel- oder unregelmäßigen Abständen mittels Durchbrüche 11 unterbrochen. Auch hierbei können die Steigungen, die Stegbreiten und die Querschnitte der Durchbrüche 11 je nach Schneckengröße geändert werden. Vorteilhaft ist der Sohneckensteg 10 breiter als der Schneckensteg 9 ausgebildet. Aufgrund

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der unterschiedlichen Steigung der Stege 9 und 10 nehmen die Kanalquerschnitte 12 und 13 in entgegengesetzten Richtungen bis auf einen !Durchlaß ab₀ Der Hauptstrom des Werkstoffe» tritt in den Schneckenkanal 12 ein und wird wegen des sich fortschreitend verkleinernden Durchlaßquerschnittee und des damit verbundenen Druckaufbaue gezwungen, durch die Durchbrüche 11 in den Schneckengang 13 zu strömen«. Die Teilung dee Haupt Stroms in viele rückwärts gerichtete Teilströme bewirkt eine weitere Verbesserung der Mischgüte, Ausgleich der PlastizitätsSchwankungen und gleichmäßige Temperaturverteilung. Der sich nach rückwärts abbauende Druck sorgt gleichzeitig für eine gute Verdichtung und Homogenisierung des Werkstoffes«, Die bestgeeignete Arbeitstemperatur kann durch eine Temperaturregelung an Schnecken— und Zylinderteil eingestellt werden₀ Die Schneckenstege 9 und 10 laufen am Anfang und am Ende frei aus, so daß die Kanäle 12 und 13 einen freien Zugang zu den benachbarten Zonen haben« Die Höhe der Durchbrüche 11 und der Durchbrechungen 6 entsprechen der Höhe der Schneckenstege.

Der in den Arbeitszonen 4 und 8 mastizierte, plastizierte und homogenisierte Werkstoff kann kontinuierlich an eine ein- oder mehrgängige Schnecke 15 einer Ausstoßzone 14 üblicher Art oder unter Wegfall der Ausstoßzone direkt an das Spritzwerkzeug abgegeben werden»

Die gesamte Länge der Schnecke sowie die Länge der einzelnen Zonen kann je nach dem Schneckendurchmesser sowie dem Werkstoff verschieden sein«. Das gleiche gilt

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für die Gangsteigung der Schnecke und für die Gangtiefe. Die beschriebene Schnecke der Schneckenpresse kann an allen Kaltfütter-Extrudern und Kaltfütter-Spritzgußmaschinen angewendet werden₀

Die länge der Schneckenteile in der Einzugszone, Grob» mischzone und Feinmischzone wird bei größer werdendem Schneckendurchmesser ebenfalls größer. Das Anwachsen * der länge der Schneckenteile geht jedoch nicht proportional zu dem Größer-werden des Schneckendurchmeasere« Es wurde beispielsweise gefunden, daß bei Vergrößerung des Durchmessers der Schnecke in einem Bereich von etwa 50 mm bis zu etwa 250 mm ein Wachsen der Schneckenlänge aller drei Zonen zusammen bei jeweiliger Verdoppelung des Schneckendurchmesserβ um einen Betrag ausreicht, der etwa je dem Zweifachen des Schneckendurchmessers entspricht· Hierbei kann der Schneckenteil der Peinmischzone in seiner Länge nahezu unverändert bleiben, während die Längen der Schneckenteile der Grobmischzone und Einzugszone je um den gleichen Anteil, d.h. um je eine einem Schneckendurchmesser entsprechende Länge größer werden.

Bei Größerwerden der Längen der Schneckenteile vergrößert sich zweckmäßig auch die Gangtiefe der Schnecken= kanäle. Unter Berücksichtigung des vorstehend genannten Bereiche« der Vergrößerung des Schneckendurchmessers kann die Gangtiefe bei dem doppelten Betrag des Scheckendurchmessers zu dem Wert des unteren Bereiches etwa um das Drei~ bis Vierfache und bei einem etwa vierfachen Schneckendurchmesser um etwa das Sechs- bis Siebenfache wachsen.

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Die Steigung der Sehneckenetege kann bei allen
Sohneokendurchmeβsern in der Einzugezone konstant
"bleiben, in der Grobmischzone kann man die Steigung
der Schrieckenstege bis zu etwa 30 1> anwachsen lassen, während die Steigung insbesondere des mit Durchbrüchen versehenen Schneckenstegee in der Peinmischzone mit
wachsendem Schneckendurchmesser vorteilhaft erheblich steiler gestellt wird, und zwar um etwa 50 # bis 70 $> gegenüber der Steigung der Schneckenstege in der Einzugszone·

Die Anzahl der Durchbrechungen in den Schneckenstegen der Grobmischzone kann linear mit dem wachsenden
Schneckendurchmesser größer werden· Bei dem durchbrochenen Sohneckensteg der Feinmischzone kann die Anzahl
der Durchbrüche an diesem mit wachsendem'Schneckendurchmesser relativ zu den Verhältnissen in der Grobmisohzone wesentlich stärker anwachsen, wobei jedoch die Anzahl der Durchbrechungen in der Grobmischzone hinsihhtlich der absoluten Zahl normalerweise höher ist ale die
Anzahl der Durchbrüche an dem steileren Schneckeneteg der Peinmischzone_β Die Breite der Durchbrechungen und der Durchbrüche bei den Schneckenstegen der Grobmischzone und der Peinmischzone wird zweckmäßig bei allen Schneokendurchmessern konstant gehaltene Es ist anzustreben, daß die Gesamtfläche aller Durchbrechungen in den Schneckenstegen der Grobmischzone größer ausfällt als die Gesamtfläche der Durchbrüche in den Schneckenstegen der Peinmischzone, wobei das Verhältnis etwa
zwischen 200 f> bis 60 # schwanken kann. Die geringen Werte gelten hierbei für die größeren Sehneckendurchmesser.

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Die vorstehend genannten Verhältniszahlen in Abhängigkeit von dem Anwachsen des Schneckendurchmessere gelten unter der Voraussetzung der Erzielung annähernd gleicher Qualitätsbedingungen des zu verarbeitenden Werkstoffes· Die Ausstoßleistung der beschriebenen Vorrichtung liegt unter Erzielung einer an sich besseren Qualität bei allen Vorrichtungsgrößen wesentlich über derjenigen bisher bekannter Vorrichtungen, wobei eine Leistungssteigerung von etwa 30 - 60$ erreicht werden konnteβ

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Claims

Ansprüche

1« Verfahren zur Verarbeitung von hochviskosen Werk-

stoffen, insbesondere Kautschuk-Mischungen mit beliebigen Anteilen an Naturkautschuk und Füllstoffen in Einschnecken-Extrudern, bei dem der Werkstoff einem Mischeffekt unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffmischung bei Erwärmung während der Förderung durch die Schneckenpresse zunächst durch eine vielfache und überwiegende Stromteilung einer intensiven Vermischung unterworfen wird und danach eine weitere Wegstrecke lang in kommunizierende Teilströme aufgeteilt, verdichtet und dabei intensiv vermischt wird.

2ο Vorrichtung zur Durchführung des ^erfahrene nach Anspruch 1, bei der eine Schnecke in einer Schneckenpresse drehbar gelagert ist und die Schneckenabschnitte unterschiedliche Gestaltung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an eine Einzugszone (2) für den Werkstoff ein Abschnitt (4) mit gegenläufigem Schneokenteil (5), dessen Stege Unterbrechungen (6) aufweisen, und danach folgend ein Abschnitt (8) angeordnet sind, in dem zwei Schneckenstege (9,10) mit gleichem radialen Wandapiel zwischen Steg und Zylinderinnenwand und von unterschiedlicher Steigung vorgesehen sind, wobei der Sohneckensteg (10), vor dessen Schubflanke der Schneckenkanal (12) in Förderrichtung sich verkleinert, am Umfang radiale Nuten (11) aufweist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckensteg (10) mit radialen Durchbrüchen (11) breiter als der benachbarte Schneckensteg (9) ist.

4-. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schneckenetege (9, 10) unterschiedlicher Steigung an beiden Enden frei auslaufen.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der wirksamen Schnecken (2,4,8) mit wachsendem Schneokendurchmesser bei jeweiliger Verdoppelung des Durchmessers der Schneoke (1) um je etwa 12 $> bis 20 # größer vorgesehen ist, wobei die Länge des Schneckenteil· der Feinmieohzone (8) im wesentlichen unverändert bleibt, während die Verlängerung der Schneckenteile der Binzugezone (2) und der G-robmischzone (4) zu etwa gleichen Anteilen an der Längenvergrößerung der Schnecke (1) teilhaben.

6« Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangtiefe der Schnecken (2,4,8) zu dem Schneckenaußendurchmeeser bei jeweiliger Verdoppelung des Durchmesser« um etwa 27j£ bis 18$ ansteigt, wobei das prozentuale Verhältnis mit wachsendem Schneckendurchmeeser eich dem niedrigeren Prozentwert nähert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schneckenstege (3,5,9,10) in Abhängigkeit vom Schneckendurch-

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messer in der Einzugszone (2) und in der Grobmischzone (4) annähernd gleich bleibt, während die Steigung des Schneckenstegee (10) in der Feinmischzone (8) mit wachsendem Schneckendurchmesser steiler vorgesehen ist.

8o Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichbleibender Breite der Durchbrüche (6) bzw₀ der Durchbrechungen (11) bei den Schneckenstegen (5»10) der Grobmischzone (4) und der Peinmischzone (8) die Anzahl der Durchbrüche (6) in den Stegen (5) der Grobmisvhzone (4) größer ist als in der Feinmischzone (8), wobei die Steigerung der gesamten Fläche der Durchbrechungen (11) bzw« Durchbrüche (6) in den Stegen (5,10) in Abhängigkeit von dem Schneckendurchmesser einen Bereich von etwa 200 fo bis 60 $ (abfallend) bei größer werdendem Schneckendurchmesser) aufweist.

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