DE2113923A1

DE2113923A1 - Mischeinrichtung fuer fluessige Kunststoffe mit Zusaetzen

Info

Publication number: DE2113923A1
Application number: DE19712113923
Authority: DE
Inventors: Ansel Ferman Lee
Original assignee: Denver Brick and Pipe Co
Current assignee: Denver Brick and Pipe Co
Priority date: 1970-04-03
Filing date: 1971-03-23
Publication date: 1971-10-14
Also published as: US3650510A; FR2085834A7; CH519382A

Description

mein Zeichen: 0754 Pt

THE DEOTER BRICK AND PIPE COMPANY, 4501 Fox Street, Denver. State of Colorado, U.S.A.

Mischeinrichtung für flüssige Kunststoffe mit Zusätzen

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf eine Einrichtung zur Herstellung von Schaumstoffen aus Kunststoff.

Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß Mittel zur Lagerung einer Welle vorgesehen sind, welche eine Kammer zum Einführen einer dosierten Kunststoffmenge und Zusätze bilden, mit einer durch die Mittel zur Lagerung hindurchgeführten Antriebswelle und einer Kammer, einer den Mitteln zur Lagerung zugeordneten und mit der Welle zusammenarbeitenden Dichtung, wobei die Mittel zur Lagerung so ausgebildet sind, daß sie auswechselnd und auswählbar eines von zahlreichen Mischkopfgehauser aufnehmen, von welchen ein jedes eine Öffnung besitzt, durch welche sich die Welle in axialer Richtung hindurcherstreckt, und das Innere des Mischkopfgehäuses mit der Kammer zum Ein-

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führen der Kunststoffmenge in Verbindung steht, wobei das Ge- I häuse eine Auslaßöffnung aufweist, welche von demjenigen Ende j entferntliegt, in welches die Mischung eingeführt wird, daß auf j der Welle ein Mischrotor angeordnet ist, welcher in dieser öff- | nung drehbar gelagert ist, und daß dieser Rotor radial nach I außen sich erstreckende Mittel zum Durchmischen des Kunststoffe^ und der Zusätze und zum Fördern der Mischung durch diese Aus- j laßöffnung hindurch besitzt. I

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Einrichtung j zur Herstellung von Kunststoffschäumen mit Gaszusätzen. Diese j Einrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß die radial nach außen sich erstreckenden Mittel eine Vielzahl von axial mit Abstand ' zueinanderliegenden Zapfenpaaren halbrunden Querschnittes be- ; sitzen, welche sich durch die radialen Öffnungen der Welle hin- \ durcherstrecken, daß zumindest einige dieser Paare an gegenüber-4 liegenden Enden im Winkel auseinandergespreizt sind, daß ein ; jedes Paar gegenüber dem oder einem jeden benachbarten Paar um
90° orientiert ist, daß zumindest einer dieser Zapfen in einer
solchen Weise abgeschrägt ist, daß die flache Längsseite als
stromabweisender Propellerflügel dient, daß ein Rohr vorgesehen | ist, welches mit dem Gehäuse am Ende in Verbindung steht, und j daß dieses Rohr zwischen einem Paar der Zapfen über eine Öffnung in der stromabweisenden Wand des Rohres angeordnet ist, durch
welche in die Mischung bei der Bewegung um das Rohr herum Luft
eingesaugt wird.

Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung sind nachstehend anhand der Zeichnung noch etwas ausführlicher erläutert. Die Zeichnung zeigt in rein scheraatischer
Weises

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungjs form der erfindungsgemäßen Einrichtung

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Fig. 2 einen senkrechten Schnitt längs der Linie 2 - 2 in Figur 1

Fig. 3 eine isometrische Darstellung des Rotors nach Figur 1

Fig. 4 eine Seitenansicht einer etwas abgewandelten Ausführungsform des Rotors

Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 5 der Anordnung nach Figur 4

Fig. 6 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Rotors

Fig. 7 eine Ansicht des Rotors in Richtung des Pfeiles 7 in Figur 6.

Wie aus Figur 1 hervorgeht, besteht die Einrichtung aus einer Grundplatte 10,aus einem Lagerblock 12 und einem Lager- und Dichtungsbl'ock 14, der Zuführleitungen besitzt und mit welchem verschiedene Mischkammern und deren entsprechende Rotoren austauschbar verbunden werden können. Mit 15 ist eine axial einstellbare Stopfbuchse bezeichnet, welche eine Wellendichtung oder Packung 16 zusammendrückt, die mit einem Schmierapparat 17 geschmiert wird. Ein jeder Rotor besitzt eine Antriebswelle 18, welche in den Lagern 19 gleitend geführt und in Längsrichtung von Muffen oder Stellringen 20 gehalten wird. Ein jedes Mischkammergehäuse 22 besitzt eine Bohrung 24, welche an dem einen Ende von einem Bodenteil 26 mit einer Öffnung verschlosser wird. Durch diese öffnung hindurch wird das Mischmaterial extrudiert. Das andere Ende weist einen Flansch 28 auf, welcher mit dem Block 2k mittels Schrauben 30 verschraubt werden kann.

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Diese Schrauben 30 werden in den Block 14 eingeschraubt, wobei i sich die Schraubenköpfe gegen den Flansch anlegen. Nach Ent- j fernung der Stellringe 20 und der Schrauben 30 kann der Misch- j kopf und dessen Rotor entfernt werden, welcher durch einen ande-| ren Mischkopf und Rotor ersetzt werden kann. Die Welle 18 kann j mit einem nicht weiter dargestellten Antriebsmotor über eine I Keilnut 32 verbunden werden, welche sich in eine Antriebskupplung einlegt, die schnell lösbar und austauschbar ist, um die Welle 18, den mit ihr verbundenen Rotor und die Mischkammer 22 zu entfernen.

Der Block 14 (Figur 2) besitzt ein Paar Zuführleitungen 34, über welche das Kunststoffmaterial und die entsprechenden Zusätze in den Block eingeführt werden. Es ist ferner eine dritte Zuführleitung 36 mit einem Absperrorgan 38 vorgesehen. Im Betrieb werden das Kunststoffmaterial und dessen Zusätze in die Leitung 34 mittels in ihrer Geschwindigkeit veränderbarer Dosierpumpen, insbesondere Zahnradpumpen eingeführt. Es können auch Vorkehrungen getroffen werden, um die Geschwindigkeit der Pumpen zu verändern. Es können aber auch Dosierventile benutzt werden, um das Mischungsverhältnis zu verändern.

Der Rotor nach Figur 1, welcher noch besser in Figur 3; dargestellt ist, ist auf einer Welle 18 gelagert. Diese Wolle ^l besitzt in axialer Richtung mit Abstand zueinanderliegende Bohrungen 40, von welchen eine jede ein Paar Mischflügel 42 halbkreisförmigen Querschnittes aufnimmt. Zuerst sind die Mischflügel geradlinig und werden auf die gewünschte Länge geschnitten. Nach dem Einsetzen eines Paares in eine der Bohrungen werden die Enden dieser Mischflügel auseinandergespreizt, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Hierdurch werden die Mischflü gel in ihrer Lage nicht nur gesichertj vielmehr werden hierdurch auch die Längemischzonen vergrößert. Wie aus der Zeichnung hervor geht, ist ein jedes Paar um 90° gegenüber dem benachbarten Paar der Mischflügelpaar© orientiert. Der letzte Flügel 44 ist vor·=·

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zugsweise geradlinig ausgebildet, wobei dessen Enden in entgegengesetzten Richtungen verdrillt sind, so daß die flachen, ebenen Seiten stromabwärts weisen und als Flügel eines Propellers dienen. Dieser Flügel kann mit Hilfe von mehreren Schrauben am Ende der Welle 16 oder aber durch Punktschweißung, Löten und dergleichen gesichert werden. Die Funktion dieser Teile liegt im Prinzip darin, durch die Kammer hindurch eine axiale Strömung zu erzeugen, wobei die verbleibenden, nicht verdrillten Flügel in der Hauptsache als Mischflügel dienen.

In der Mitte zwischen den Mischflügeln ist ein nach unten verschlossenes Rohr 46 vorgesehen, welches sich in den : Flüssigkeitsstrom hineinerstreckt und eine Öffnung 48 besitzt, die stromabwärts weist. Das Rohr 46 steht über das Ventil 50 mit der Atmosphäre in Verbindung. Wenn die Flüssigkeit die ■ stromaufwärtsliegende zylindrische Fläche des Rohres bespült, liegt im allgemeinen eine gleichförmige Strömung vor. Beim Umströmen der stromabliegenden Fläche wird jedoch eine Unterdruckzone gebildet, welche bewirkt, daß die Luft in die Strömung ein-

: tritt.

Im Betrieb teilt das Rohr 46 die Kammer in zwei Teile, welche für andere Funktionen bestimmt sind. Wenn das flüssige ; Kunststoffmaterial und die Zusätze in das in der Zeichnung auf j der rächten Seite befindliche Ende der Kammer eingeführt werden, j bo stellen die ersten vier Sätze der Schaufeln und Flügel eine

irmigo Durchmischung sicher. Die Luft wird dann eingeführt, und die restlichen FLügel oder Schaufeln gewährleisten eine innigj und intensive Durchmischung der eingeleiteten Luft mit : dom gemischten Kunststoffmaterial und den Zusätzen. Selbstver- > übandLich tritt ein weiterer Mischvorgang bezüglich des Kunststoffmaterials und der Zusätze ein, wenn das Material stromab des iiohres 46 fließt. Während diese Ausführungsform besonders

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zweckmäßig ist bei dem Zusatz der Luft zu Schaumstoffen, insbesondere Polyurethan-Kunststoffen, ist es klar, daß der gleiche Effekt auch durch bloßes Schließen des Ventiles 50 erreicht werden kann.

Wie aus den Figuren 4 und 5 der Zeichnung hervorgeht, entspricht die Welle 18a der Welle 18 nach Figur 1, ausgenommen ι hinsichtlich ihrer Länge, so daß die Welle 18a die Welle 18 nach; Figur 1 ersetzen kann. Das Gehäuse 22a kann in seinen Abmessun- j gen verändert werden, besitzt aber einen nicht dargestellten j Flansch, mit dessen Hilfe das Gehäuse 22a mit dem Block 14 lös- ] bar verbindbar ist. Die Konstruktion dieses Rotors kann am besteja anhand der Herstellungsmethode desselben erläutert werden. Ein j herkömmliches Schraubenzahnrad 52 (beispielsweise mit einer j Evolventen-Verzahnung) besitzt eine Vielzahl von axial mit Ab- '■

stand und parallel zueinanderliegenden Nuten oder Kanälen 54, ! deren Tiefe vorzugsweise zumindest mit dem' Zahngrundkreis zu- j sammenfällt. Dabei werden vier schmale und zwei breitere Segmente gebildet. Die relative axiale Breite dieser Segmente ist wahrscheinlich nicht kritisch; der axiale Abstand zwischen den schraubenlinienförmigen Segmenten, welche von ringförmigen und axial mit Abstand zueinanderliegenden Kanälen getrennt werden, sind für eine verbesserte Durchmischung der Kunststoffe ursächlich, welche hohe Scherkräfte erforderlich macht, Die genaue Wahl der Drehrichtung aller dieser Segmente aufgrund der sehrau benllnienförmigen Beziehung der Zähne zueinander dient als propellerförmiges Antriebsorgan, um die Flüssigkeit in Längsrichtung der Kammer zu bewegen» Wenn aber ein ganz bestimmtes Segment das Strömungsmittel in einen ringförmigen Kanal entleert, tritt in der Strömung eine Diskontinuität auf, und zwar während des Eintrittes in einen ringförmigen Kanal und bevor sich das Strömungsmittel durch das nächstfolgende Segment hindurchbewegt hat, Die Flüssigkeit wird also während der Bewegung durch einen der ringförmigen Kanäle und Transport in das nächstfolgende achraubenlinienförmige Segment hohen Scherkräften unterworfen, und zwo]·

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quer zu der Längsrichtung der Strömung, ganz im Gegensatz zu einer gleichförmigen Strömung ohne Diskontinuität der Strömungsf

richtung. Diese Ausführungsform ist von besonderer Bedeutung bei der Verarbeitung von Polyurethan-Schäumen, welche hohe Scherfestigkeit besitzen und zur Bildung von Kristallisationskernen Luft benötigen. Diese Luft wird über ein Ventil eingeführt, das mit einem nicht gezeigten Luftkompressor verbunden ist.

Die Figuren 6 und 7 zeigen eine weitere AusfÜhrungs- ί form eines Rotors zur Erzeugung hoher Scherkräfte. Das Eintritt«; ende des Rotors besitzt eine Schnecke 56 mit quadratischem Querschnitt, welcher hinsichtlich des Außendurchmessers ein wenig kleiner ist als die Bohrung des Gehäuses 22b. Die Drehrichtung ! des Rotors ist so gewählt, daß das Gewinde als Art Schöpfbohrer j

dient, der das Material nach vorne schiebt. Aufgrund der Flüs- | sigkeitsreibung tritt im allgemeinen auch in axialer Richtung j durch denjenigen ringförmigen Teil, welcher die Schnecke umgibt, eine Strömung auf. Der in der Zeichnung links liegende Teil ist ebenfalls als Schnecke 58 mit quadratischem Querschnitt ausgebildet} die Schnecke liegt aber auf der gegenüberliegenden Seite der Schnecke 56 und ist in einem Gehäuse mit kleinerem freien Spiel gelagert. Die Schnecke 58 besitzt eine Vielzahl von im Winkel und mit Abstand zueinander angeordneten Schlitzen 60, wobei die Gestalt am besten anhand des Herstellungsverfahrens erläutert werden soll. Dabei ist ein herkömmliches Fräsoder Schneidwerkzeug C (Figur 7) vorgesehen, welches einen rechi eckigen Querschnitt besitzt. Dieses Fräswerkzeug C ist relativ zu der Schnecke so gelagert, daß die Mittelebene P des Fräswerkzeuges gegenüber dem Durchmesser der Schnecke schräg liegt. Die Tiefe des Schlitzes im Punkte 62 ist auf diese Weise größer als im Punkte 64. Die Ebene des Fräs- oder Schneidwerkzeuges liegt aber auch schräg zu der Diametralebene der Schnecke. Dann wird ein geradliniger Schnitt ausgeführt, ohne daß sich dabei das Schneid- oder Fräswerkzeug und die Schnecke relativ zueinander

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drehen. Hierdurch wird ein Schlitz gebildet, welcher sich in seiner Form einer Spirallinie annähert, ohne daß dabei aber ein konstanter Winkeldrall entsteht, welcher für eine echte Spirallinie charakteristisch ist, und der sich um eine Zylinder-j fläche herum mit konstantem Winkel fortsetzt, und zwar relativ j .zu dem Axialvorschub. Nach einer besonderen Ausführungsform ! sind die Schlitze im Winkel mit Abstand zueinander gelagert, so daß insgesamt sechs Schlitze entstehen, welche ein Paar dia- { metral gegenüberliegende Stege 66 und ein Paar dazwischenliegende Stege 68 bilden; letztere sind im Winkel kleiner als erstere. Diese Konstruktion führt - wie festgestellt wurde - zu zufriedenstellenden Mischvorgängen. Wegen der außerordentlich schwierigen Aufgabe, genau zu beobachten, welche Wirkung in axialer Längsrichtxjing der unterbrochenen Schnecke 58 entsteht, kann nicht mit Gewißheit gesagt werden, welche Bedeutung der Gestalt und dem Winkel der Spitze sowie deren nicht einheitlichem Winkelabstand zukommt. Die Schlitze sollten aber im allgemeinen spiralförmig sein, wobei der uneinheitliche Winkelabstand eine uneinheitliche Strömung erzeugen kann. Hierdurch wird das Material sich ständig verändernden Scherkräften unterworfen, und zwar beim Durchgang durch die Schnecke 58 in axialer Richtung. Die Folge davon ist eine Erhöhung des Mischeffektes. Diese AusfUhrungsform ist von besonderer Bedeutung im Zusammenhang mit Polyurethan-Elastomeren, welche hohe Scherfestigkeiten besitzen, aber nicht schäumen. In diesem Falle wird in das Ventil 38 keine Luft eingeführt.

Der Bohrungsdurchmesser der Gehäuse ist in allen Fällen etwa 37 mm groß, während die Länge dieser Gehäuse - wie aus den Figuren 3, 4 und 5 ersichtlich - sich verändert. Damit ver» ! ändert sich aber auch die Länge der Welle 16. Die vorstehend j beschriebenen Einheiten, welche auf deren Lagern austauschbar sind, besitzen auf diese Weise eine Welle, wobei der angeschlossene Rotor und das Gehäuse einen Endflansch aufweisen, und die Gesamtanordnung in den Block 14 eingepaßt v/erden kann. Auf

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diese Weise wird eine Verdoppelung der Hauptlager, des Motors und der Antriebskupplungen und dergleichen verhindert. Der Motor kann darüber hinaus reversibel sein, und zwar in Abhängigkeit von der Drehrichtung, die erforderlich ist für
ein axiales Einspeisen oder Pumpen des Materials durch die Rotoren hindurch.

- Patentansprüche -

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

h.'Mischeinrichtung für flüssige Kunststoffe mit Zusätzen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Lagerung einer Welle vorgesehen sind, welche eine Kammer zum Einführen einer dosierten Kunststoffmenge und Zusätze bilden, mit einer durch die Mittel zur Lagerung hindurchgeführten Antriebswelle und einer Kammer, einer den Mitteln zur Lagerung zugeordneten und mit der Welle zusammenarbeitenden Dichtung, wobei die Mittel zur Lagerung so ausgebildet sind, daß sie auswechselnd und auswählbar eines von zahlreichen Mischkopfgehäusen aufnehmen, von welchen ein jedes eine Öffnung besitzt, durch welche sich die Welle in axialer Richtung hindurcherstreckt, und das Innere des Mischkopfgehäuses mit der Kammer zum Einführen der Kunststoff menge in Verbindung steht, wobei das Gehäuse eine Auslaßöffnung aufweist, welche von demjenigen Ende entferntliegt in welches die Mischung eingeführt wird, daß auf der Welle ein Mischrotor angeordnet ist, welcher in dieser Öffnung drehbar gelagert ist, und daß dieser Rotor radial nach außen sich erstreckende Mittel zum Durchmischen des Kunststoffes und der Zusätze und zum Fördern der Mischung durch diese Auslaßöffnung hindurch besitzt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, mit einer Mischvorrichtung für Schaumkunststoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach außen sich erstreckenden Mittel eine Vielzahl von axial mit Abstand zueinanderliegenden Zapfenpaarenhalbrunden Querschnittes besitzen, welche sich durch die radialen öffnungen der Welle hindurcherstrecken, daß zumindest einige dieser Paare an gegenüberliegenden Enden im Winkel auseinandergespreizt sind, daß ein jedes Paar gegenüber dem oder einem jeden benachbarten Paar um 90° orientiert ist, daß zumindest einer dieser Zapfen in einer solchen Weise abgeschrägt ist, daß die flache Längsseite als stromab-

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weisender Propellerflügel dient, daß ein Rohr vorgesehen ist, welches mit dem Gehäuse am Ende in Verbindung steht, und daß dieses Rohr zwischen einem Paar der Zapfen über eine Öffnung in der stromabweisenden Wand des Rohres angeordnet ist, durch welche in die Mischung bei der Bewegung um das Rohr herum Luft eingesaugt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-j zeichnet , daß eine Leitung vorgesehen ist, der~en j eines Ende mit der Einführkammer unmittelbar verbunden ist, durch welche zur Förderung der Bildung von Kristallisationskernen bei Schaumkunststoffen Druckluft einführbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zur Unterbrechung der Lufteinführleitung ein Ventil vorgesehen ist, mit welchem diese Leitung abgeschlossen wird, sobald keine Luft mehr benötigt wird.

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5. Einrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch ge

[ kennzeichnet, daß der Rotor aus einem Schrauben-

zahnrad hergestellt wird, welches in den Zähnen axial mit

' Abstand zueinander liegende Ringnuten besitzt, durch welche zwischen benachbarten Zahnsegmenten Kanäle gebildet werden, welche eine Diskontinuität der Strömung durch die Zähne der

j Segmente hindurch sicherstellen, daß die Mischung bei der

Bewegung von dem einen Ringkanal in das nachfolgende Segment

; hohen Scherkräften unterworfen wird, und daß die Zähne im

j Winkel in einer Richtung abgeschrägt sind derart, daß die

j Mischung in Richtung des Auslaßendes transportiert wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotor eine erste Schnecke besitzt, deren Durchmesser kleiner ist als die Bohrung in dem Gehäuse und die Schnecke in der Lage ist, die Mischung in Richtung des Auslaßendes zu transportieren, daß eine zweite, von der

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ersten Schnecke axial mit Abstand gelagerte zweite Schnecke vorgesehen ist, welche eine Vielzahl von im Winkel mit Abstand zueinander und im allgemeinen spiralförmigen Nuten besitzt, welch letztere Kanäle bilden, die eihe Diskontinuität der Strömung durch diese zweite Schnecke hindurch sicherstellen, und daß die zweite Schnecke der ersten Schnecke gegenüberliegt und einen Durchmesser aufweist, der etwa dem Durchmesser der Bohrung des Gehäuses entspricht.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mischkopfkammer vorgesehen ist, wobei der angeschlossene Rotor und die Antriebswelle den Anordnungen nach den Ansprüchen 2, 5 und 6 bzw. deren Kombination entsprechen.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Welle in einem Lager axial verschiebbar gelagert ist, und daß die Welle lösbare Mittel aufweist, welche sie gegen Axialbewegung sichern.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als '■ direkter Antrieb ein Elektromotor vorgesehen ist, welcher mit der Welle gekuppelt ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Bohrung der Mischkammer etwa 50 mm und weniger groß ist.
11. Einrichtung zur Herstellung von Schaumstoffkunststoff und Gas, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen auf einer Antriebswelle angeordneten Rotor und eine Mischkammer für das Kunststoffmaterial und das Gas besitzt, daß der Rotor Mittel zum

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Durchmischen des Kunststoffmaterials und des Gases sowie Mittel zum Transport der Mischung in eine Auslaßöffnung der Kammer besitzt, und daß diese Mischkammer in der Lage ist, wahlweise verschiedene Rotorformen zum Mischen von Kunststoffen unterschiedlicher Charakteristik unt^'subringen.

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