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Dorn zum Kühlen und Zurichten einer schlauchförmigen Feinfolie aus
einem Thermoplasten.
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Zusatz zum Patent... ....(Patentanmeldung P 20 62 789.8 -unsere Nr.
16 770 -Die Erfindung betrifft einen Dorn zum Kühlen und Zurichten einer schlauchförmigen
Feinfolie aus einem Thermoplasten, der vorzugsweise in einem Verfahren und einer
Vorrichtung gemäß Patentanmeldung P 20 62 789.8 Verwendung findet.
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Die bisher zum Kühlen und Zurichten einer schaEuchförmigen, aus einem
ringförmigen Werkzeug stranggepreßten Feinfolie verwendeten Dorne bestehen im wesentlichen
aus einer einheitlichen Konstruktion aus einem zylindrischen Mantel, der durch ein
im Innern zirkulierendes Kühlmittel gekühlt wird, einem oberhalb des zylindrischen
Mantels befindlichen umlaufenden Schlitz zum Durchleiten der Kühlluft und einem
abgestumpften, konischen oder halbkugelförmigen
Teil oberhalb des
Luftschlitzes, der an dem zylindrischen Mantel befestigt ist oder mit diesem in
Verbindung steht, so daß der konische oder halbkugelförmige Teil mit dem gleichen
Kühlmittel gekühlt werden kann, das zum Kühlen des Mantels verwendet wird. Bei Verwendung
bisher bekannter Dorne wurden Feinfolien von schlechter Qualität hergestellt.
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Eine Analyse der Mängel der Feinfolie, die mit bekannten Dornen hergestellt
wurden, zeigte, daß sie durch flüchtige Bestandteile in dem stranggepreßten Harz
entstanden, die durch das Strangpressen gebildet oder während diesem freigesetzt
wurden, auf dem gekühlten konischen oder halbkugelförmigen Teil des Dorns kondensierten
und dann auf dem zylindrischen Mantel tropfen und opake Flecken und Streifen hervorriefen,
wodurch die erhaltene Folie zur Verwendung als handelsübliches Verpackungsmaterial
ungeeignet wurde. Wenn man den Dorn bei einer Temperatur von 9000 arbeiten ließ,
indem die Zirkulation des Kühlmittels begrenzt wurde, zeigte sich eine erstaunlich
geringe positive Wirkung.
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Der erfindungsgemäße Dorn wurde zur Uberwindung dieser Schwierigkeiten
entwickelt und unterscheidet sich durch folgende wesentliche Merkmale von den bekannten
Dornen: 1. Die konischen oder halbkugelförmigen oberen Teile der bekannten Dorne
wurden weggelassen und durch einen abgeflachten oberen Teil ersetzt.
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2. Der zylindrische Mantel wurde pro 30 cm der Dornlänge um jeweils
0,1 bis 5,0 % des Durchmessers verjüngt,
wobei sich der maximale
Durchmesser an der Spitze befindet, um die Schrumpfung des Umfangs auszugleichen,
wenn die Folie gekühlt und abgezogen wird.
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3. Der verjüngte Mantel wurde in einen nicht gekühlten oberen Abschnitt
und einen unteren Abschnitt eingeteilt, in dem ein Kühlmittel im Gegenstrom zu der
Bewegungsrichtung der Folie zirkuliert.
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4. Die äußere Oberfläche des verjüngten Mantels wurde so behandelt,
daß sie eine Oberflächentextur von 50 bis 1000 Mikrozoll quadratisches Mittel (rms)
aufweist.
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Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Dorn der konische obere Teil
der bekannten Dorne weggelassen wird und im oberen Teil des Dorns nicht gekühlt
wird, kann der Dorn näher an das Werkzeug bewegt werden, so daß die Dornspitze durch
Strahlung vom Werkzeug her erhitzt werden kann. Aufgrund dieser Veränderungen wird
die Kondensation der flüchtigen Stoffe aus dem stranggepreßten Harz praktisch ausgeschlossen.
Die verjüngte Konstruktion des Mantels und die ihm verliehene besondere Oberflächentextur
verhindert das Kleben- oder Hängenbleiben der Folie, während gleichzeitig ein guter
Kontakt für eine hohe Wärmeübertragung garantiert ist. Die vorstehend aufgeführten
Verbesserungen des Dorns ermöglichen die Herstellung einer klaren Folie ohne Flecken
bei hohen Geschwindigkeiten.
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Wie bereits vorstehend ausgeführt, findet der erfindungsgemäße Dorn
besonders bevorzugte Verwendung in einer Strangpreßvorrichtung, wie sie in der Patentanmeldung
P
2062 789.8 beschrieben wird und die (a) ein Werkzeug mit einer Werkzeugöffnung zum
Strangpressen eines geschmolzenen schlauchförmigen Körpers in eine allgemein abwärtsführende
Richtung, (b) den Kühldorn axial unterhalb des Werkzeugs, (c) Aufnehmerwalzen zum
Befördern der schlauchförmigen Folie vom Werkzeug abwär s über die Außenfläche des
Dorns, (d) Einrichtungen, die eine Vielzahl von kreisringförmigen oeffnungen in
staffelförmiger Anordnung enthalten, zur Erzeugung einer Vielzahl von Druckzonen
um die Außenseite der Folie zwischen dem Werkzeug und dem Dorn und (e) Zuführungseinrichtungen
zur Zuführung eines Gases unter Druck zwischen die Öffnungen zur Führung der Folie
zwischen dem Werkzeug und dem Dorn und zur Erzeugung eines Ausdehnungsgradienten
zwischen Werkzeug und Dorn enthält.
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In Fig. 4, die im Grundsätzlichen der Vorrichtung der nachstehend
erläuterten Fig. 1 entspricht, werden die Merkmale der Ausführungsform nach Patentanmeldung
P 2062 789.8 detailliert beschrieben. Die Mehrstufenringanordnung 14 enthält eine
äußere Uberdruckkammerwand und einen Befestigugsring 144, woran eine Befestigungsplatte
142 für die Mehrstufenringe angeschlossen ist. Eine innere Uberdruckkammerwand 172
und eine innere Uberdruckkammerplatte 174 bilden eine Luftdruckkamm#r 146, durch
die durch den Kreisring 1o Luit den Ringen zugeführt wird. Der
Nockenring
124, der mit der Befestigungsplatte 142 verbunden ist, trägt den Außenring 122 und
die Lochplatte 178, den Mittelluftring 126 und die Lochplatte 180 und den Innenluftring
128 und die Lochplatte 182. Die Höhe jedes Ringes und dessen dazugehörige Lochplatte
sind unabhängig voneinander durch Griffe, die in den nachfolgenden Figuren gezeigt
werden, einstellbar. Ein Abdichten zwischen den verschiedenen Ringen wird durch
die Verwendung eines elastomeren "O"-Ringes 110 bewerkstelligt, In Figur 1 wird
ein aus einem Extruder (nicht gezeigt) kommender geschmolzener Thermoplast 4 zur
Entfernung von Verunreinigungen durch ein Sieb (nicht gezeigt) filtriert und durch
die Werkzeugöffnung 8, die durch eine innere Werkzeugkappe 10 und einem äußeren
Einstellring 12 in dem ringförmigen Werkzeug 6 gebildet wird, strang -gepreßt. Die
aus der Werkzeugöffnung 8 austretende schlauchförmige Feinfolie wird von einem aus
dem Austrittsschlitz 38 kommenden Luftstrom aufgebläht, unter Bildung einer oberen
Folienblase 20, die teilweise gekühlt wird und wird durch Luft, die durch den Luftring
14 außen auf die obere Folienblase geblasen wird, zwangsläufig in die Richtung der
oberen Kante des Dorns geführt.
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Die Folie wird über die Außenfläche des Dornman -tels 50 durch das
Wasserbad 16, das die Folie unter deren Verfestigungstemperatur abkühlt und den
Kontakt zwischen der Folie und der äußeren Oberfläche des Dornman -tels durch den
hydrostatischen Druck des Wassers aufrechterhält, abgezogen. Die die untere Kante
des Dorns ver -lassende zugerichtete Folie 18 wird von der durch die Leitung 32
eingeblasenen Luft als untere Folienblase gehalten,
bis der Folienschlauch
durch Haltewalzen flachgedrückt bezw. gestreckt und auf Aufnehmerwalzen aufgewickelt
wird.
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Im Gegensatz zu der einheitlichen Konstruktion der bekannten Dorne
zeichnet sich der erfindungsgemäße Dorn durch eine aus mehreren Teilen bestehende
Konstruktion aus, die ein rasches Auseinandernehmen zum Zwecke der Instandhaltung,
zum Auswechseln oder für Veränderungen des Ver -fahrens ermöglicht. Die Dornanordnung
enthält einen verjüngten Mantel 50, dessen oberes Ende die untere Schnautze des
Luftaustrittsschlitzes 38 beschreibt. Die obere oder Deckplatte 22 ist eine flache
Scheibe oder ein Kreisring, dessen Peripherie die obere Schnautze des Austrittsschlitzes
38 beschreibt.
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Die Breite und der Winkel des Austrittsschlitzes 38 können so eingestellt
sein, wie es in Figur 1 gezeigt wird, nachdem die Praxis die optimalen Parameter
gezeigt hat, oder es kann eine andere Konstruktion wie sie in Figur 2 gezeigt wird,
verwendet werden. Figur 2 ist ein Quer -schnitt durch die obere Kante des Mantels
50 und die Peripherie der Deckplatte 22, der die Verwendung des unteren Ringes 88,
der die untere Schnautze des Austrittsschlitzes 38 umgrenzt, und eines entsprechenden
oberen Ringes 90, der die obere Schnautze des Austrittsschlitzes 38 um -grenzt,
zeigt. Durch die Verwendung der einander entsprechenden Ringeinlagen kann der Winkel
des Austrittsschlitzes 38 von OO bis 90°, gemessen von der horizontalen Ebene der
Deckplatte, verändert werden, so daß ein optimales Arbeiten sichergestellt ist,
ohne daß ein neuer Mantel 50 oder eine Deckplatte 22 hergestellt werden muß. Die
Ringe 88 und 90
können aus der gleichen oder einer anderen Metallzusammensetzung
wie der Mantel und die Deckplatte bestehen, oder sie können aus einer wärmebeständigen
nicht metallischen Verbindung wie beispielsweise ein Polyfluoräthylen, hergestellt
werden.
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Die Luft für den Austrittsschlitz 38 wird durch die Leitung 30 der
Uberdruckkammer 24 zugeführt, in der die Stauscheibe 36, die eine Vielzahl von Perforationen
oder eine durchflochtene Maschenkonstruktion aufweisen kann, ein gutes Vermischen
der Luft garantiert, die aus dem Austrittsschlitz 38 mit einer Temperatur und einem
Druck austritt, die um die Peripherie herum gleichmäßig sind.
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Die Peripherie des äußeren Abdichtringes 34 der Uberdruckkammer,
der z.B. durch Verschweißen an der Innenwand des Mantels 50 befestigt ist, ist mit
dem inneren Abdichtring 78 der liberdruckkammer verschraubt, der die Deckplatte
22 des Dorns durch Befestigungsringe 48 stützt.
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Die Dornanordnung wird in einem feststehenden axialen Verhältnis durch
ein Befestigungsrohr 44 von dem Werkzeug 6 gestützt und ist daran befestigt, wobei
das Befestigungsrohr 44 am unteren Ende an dem inneren Abdichtring 78 der Uberdruckkammer
und am oberen Ende durch einen Zentrier ring 66 und die Befestigungsplatte 40 befestigt
ist. Das Befestigungsrohr 44 ist mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen 46 für
die aus dem Austrittsschlitz 38 austretende Luft versehen. Die durch die Austrittsöffnungen
46 strömende Luft wird durch die zentrale Öffnung 68 in dem Werkzeug 6 in die Atmosphäre
oder in ein Absaugsystem abgezogen.
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Es können jedoch auch andere Vorrichtungen zum Be -festigen und Stützen
des Dorns vorgesehen sein. So können die Befestigungsringe 48 beispielsweise aus
einem Stück mit dem Befestigungsrohr 44 bestehen oder mit diesem an dessen unterem
Ende verschraubt sein, unterhalb der Austrittsöffnungen 46, wobei man auf eine Befestigung
des inneren Abdichtringes 78 der Uberdruckkammer an dem unteren Ende des Befestigungsrohrs
44 verzichten kann. Es ist ersichtlich, daß jede dieser Anordnungen ein rasches
Auseinandernehmen des Mantels 50 ermöglicht, indem die Verstärkungsplatte 86 entfernt
wird, die Verbindungen 82 und 84 unterbrochen und die Schrauben 80 entfernt werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Befestigen der Deckplatte 22 und der
oberen Abdichtplatte 78 an dem Be -festigungsrohr 44.
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Der äußere Mantel 50 des Dorns ist verjüngt, wobei sein maximaler
Durchmesser der unteren Schnautze des Austrittsschlitzes 38 entspricht, so daß die
Schrumpfung des Folienumfangs beim Abziehen über den Dorn ausgeglichen wird. Der
Grad der Verjüngung ist eine Funktion des Ausdehnungskoeffizienten des Harzes, der
Temperatur der oberen Folienblase, des Dorndurchmessers, der Abziehgeschwindigkeit,
der Temperatur des im Wasserbad und dem Dorn verwendeten Kühlmittels und der Enddicke
der Folien. Bei Dornen mit einem Durchmesser von 12,70 bis 127 cm und Polyolefinen
hat sich eine Mantelverjüngung von 0,1 bis 5,0 % des maximalen Durchmessers pro
30 cm der Dornlänge als zufriedenstellend erwiesen. Zum Beispiel kann der untere
Durchmesser eines Dorns mit einem oberen maximalen Durchmesser
von
76,2 cm und einer Länge von 30 cm zwischen 76,12 vm (0,1 *) und 72,5 cm (5,0 %)
liegen. In einer nachstehend beschriebenen typischen Ausführungsform wur -de ein
Dorn mit einem maximalen Durchmesser von 117 cm am oberen Ende, einer Länge von
30 cm und einem Durchmesser von 114 cm am unteren Ende verwendet. Die Verjüngung
betrug 2,17 %.
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Der Mantel 50 wird im Gegenstrom zu der Bewegungsrichtung der Folie
von einem Kühlmittel wie gekühltes Wasser, das durch eine an ihren Enden an die
Abdicht -platte 34 der Uberdruckkammer und an die untere Abdichtplatte 70 befestigte
Innenwand 62 fließt, gekühlte Der Raum zwischen der röhrenförmigen Innenwand 62
und dem Mantel 50 wird durch das vertikale Abdichtrohr 56 geteilt, das an seinen
Enden an der äußeren Abdichtplatte 34 der Uberdruckkammer bzw. an der unteren Abdichtplatte
70 befestigt ist. Die röhrenförmige Außenwand 56 ist mit einer Vielzahl von Einlaßöffnungen
54 versehen, die an deren unteren Ende umlaufend angeordnet sind und eine gleiche
Anzahl von Auslaßöffnungen 52 an deren oberen Ende. Der Raum zwischen der röhren#örmigen
Innenwand 62-und der röhrenförmigen Wand 56 wird durch die horizontale Abdichtplatte
64 abgetrennt, wobei eine obere Kammer 72 und eine untere Kammer 74 geschaffen werden.
Eine Reihe von tTrop£1öchepngf 58 ermöglichen das Abfließen des Kühlmittels aus
der Dornanordnung durch den Ablaßpfropfen 6G5 wenn der Dorn gewartet oder ausgewechselt
werden muß Beim Betrieb tritt das Kühlmittel durch die Leitung 26 in die untere
Kammer 74 ein fließt abwärts durch die Öffnungen 54 in die äußere Kammer 76 dann
nach oben durch die
Öffnungen 52 in die obere Kammer 72, von dort
nach unten und tritt durch die Leitung 28 aus dem Dorn aus.
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Die Oberflächentextur der äußeren Wand des Dorn -mantels 50 ist ein
äußerst wichtiger Faktor für die erfolgreiche Herstellung einer fleckenfreien Folie
bei hoher Geschwindigkeit. Die Verwendung von feingeschliffenen, glatten oder polierten
Oberflächenstrukturen von 0,5 bis 20 Mikrozoll quadratisches Mittel führt zu einem
Festfressen der Folie auf der Oberfläche und zu Unterschieden in der Dicke. Das
Kugelstrahlen mit 0,64 bis 1,27 cm dicken Stahlkugeln zur Erzielung einer ~Orangenschalen"-Oberfläche
bietet eine gewisse Verbesserung und wurde bisher angewandt. Nach einer Vielzahl
-von Experimenten wurde nun gefunden, daß die besten Ergebnisse erzielt werden,
wenn man eine Oberflächentextur von 50 bis 1 000 Mikrozoll quadratisches Mittel
verwendet. Ein bevorzugter Bereich ist 150 bis 500, insbesondere 200 bis 400 Mikrozoll
quadratisches Mittel. Eine Vorrichtung zur Herstellung der bevorzugten Oberflächentextur
wird in dem nachstehenden Beispiel ausführlich beschrieben.
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Zur Durchführung des nachstehenden Versuchs wurde eine handelsübliche
Vorrichtung zur fabrikationsmäßigen Herstellung von Feinfolie bestehend aus einer
Strangpreßvorrichtung mit einem Schrauben- und automatischen Siebwechsler, einem
Werkzeug, einer Luftringanordnung, einem äußeren Wasserbad, einem erfindungsgemäßen
Dorn, Haltewalzen und Aufnehmerwalzen verwendet.
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Ein drehbares Schmelzverbindungsstück (melt-joint adapter), das die
Strangpreßvorrichtung mit dem Werkzeug
verbindet, ermöglicht es,
daß das Werkzeug, die Luftringanordnung, der Dorn und das Wasserbad, die in einem
festen axialen Verhältnis miteinander verbunden sind; unter Schwingen langsam durch
einen Winkel von 3600 rotiert werden, um irgendwelche Unterschiede in der Foliendicke
zufallsmäßig zu verteilen. Eine Geschwindigkeitskontrolle in der Schwingvorrichtung
ermöglicht eine Variierung der Rotationsgeschwindigkeit von 10 bis 203 cm/Min.,
gemessen als lineare Geschwindigkeit an der Peripherie des Dorns.
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Eine Standardbeschickung von kristallinem Polypropylen mit einer
95+,#' 1 %-igen Unlöslichkeit in n-Heptan, einem Schmelzindex von 6,5 + 0,5 und
einer Dichte von 0,902 bis 0,905 wurde für den nachfolgenden Versuch verwendet.
Der Extruder wurde mit dem Polypropylen mit einer Geschwindigkeit von 318 kg/Std.
beschickt und die Beschickung wurde durch ein Werkzeug mit einem Durchmesser von
91 cm einer Werkzeugöffnung von 0,5 mm bei einer Temperatur von 220 + 100C und einem
Druck von 352 atü unter Verwendung eines Werkzeugs, eines Luftrings, eines Dorns
und eines Wasserbads, wie sie in der Figur 1 beschrieben sind, stranggepreßt.
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Der das Werkzeug mit einer linearen Geschwindigkeit von etwa 5,1
m/Min. verlassende stranggepreßte Schlauch wurde partiell mit Luft unter einem Druck
von 0,12 bis 1,2 cm/Wasser, die aus der Austrittsöffnung 38 an der oberen Kante
des Dorns strömte, der einen maximalen Durchmesser an seinem oberen Ende von etwa
117 cm besaß#, und sich zum Boden hin pro 30 cm auf 114 cm verjüngte, aufgeblasen
und über den gekühlten Dorn durch ein Wasserbad heruntergezogen. Eine untere Folienblase
wurde dadurch
aufrechterhalten, daß man unterhalb des Dorns Luft
einbließ bis der Schlauch durch Haltewalzen gestreckt und auf Aufnehmerwalzen aufgewickelt
wurde. Der Dornmantel hatte eine Oberflächentextur von 350 Mikrozoll quadratisches
Mittel.
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Der Luftringanordnung, die sich zwischen dem Werk -zeug und dem Dorn
befand, wurde Luft unter einem Druck von 0,12 bis 12,7 cm/Wasser zugeführt. Unter
gleichbleibenden Betriebsbedingungen, wie sie in der nachstehenden Tabelle I dargelegt
sind, wurden Abziehgeschwindigkeiten von 52,50 linearen Metern pro Minute und eine
Folien -dicke von 0,0318 mm ohne weiteres erhalten, und man erhielt eine Folie mit
einer außergewöhnlichen Klarheit, die frei von Streifenbildung, Trübung oder Unregelmäßigkeiten
war.
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Tabelle I Luftdruck auf äußeren Luftring 3,30 cm/H20 Luftdruck in
oberer Folienblase 0,63 cm/H20 Luftdruck in unterer Folienblase 0,50 cm/H20 Lufttemperatur
14,60 Abstand von Dorn zu Werkzeug 30,48 cm Länge des Dorns 12 cm Temperatur des
Wassers zum Dorn 1500 Temperatur des Wassers vom Dorn 2000 Temperatur des Wassers
zum Wasserbad 150C Temperatur des Wassers vom Wasserbad 1800 Schwingungsgeschwindigkeit
(an der 71,1 cm/Min.
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Peripherie des Dorns)
Um eine Folie von höchster
Klarheit zu erhalten, ist es wesentlich, die Folie vor dem Abschrecken im Wasserbad
und Kühlen durch die Berührung mit dem Dorn oberhalb der Temperatur zu halten, bei
der eine vollständige Verfestigung oder Kristallisation stattfindet. Ein langsames
Abkühlen nur durch Luft, beispielsweise in dem Bereich, in dem die Folie in Form
der oberen Folienblase vorliegt, führt zur Herstellung einer Folie, die sich durch
extreme Brüchigkeit, starke Trübung und opalisierende Zonen auszeichnet, Durch schnelles
Abschrecken, wie es im Wasserbad und an dem Dorn stattfindet, werden Folien von
höchster Klarheit erhalten.
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Der in dem vorstehend beschriebenen Versuch verwen -dete Dornmantel
hatte eine Oberflächentextur von 350 Mikrozoll quadratisches Mittel und wurde auf
folgende Weise hergestellt: Der aus einem niedriggekohlten Stahl hergestellte Dornmantel
wurde bearbeitet, geschliffen-und poliert bis zu seiner endgültigen Größe mit einer
Oberflächentextur von 20 Mikrozoll quadr. Mittel oder weniger. Die Oberfläche wurde
dann mit Stahlstrahlkugeln mit einem Durchmesser von 0,457 bis 0,813 mm unter Verwendung
eines unter direktem Druck stehenden Sandstrahlgebläses bei einem Druck von 4,22
atü abgestrahlt. Die Oberfläche wurde anschließend durch Hartchromplattierung bis
zu einer Dicke von 0,025 mm bei einer Stromdichte von 0,310 Ampere/cm² bearbeitet.
Auf diese Weise wurde eine Oberflächenstruktur von 350 Mikrozoll quadr. Mittel erhalten,
wie durch ASA Test r. B46.1-1962 unter Verwendung eines Feinstbearbeitungs-Komparators
für kugelgestrahlte Oberflächen bestimmt wurde.
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Außer der Vermeidung der Kondensation der flüchtigen Produkte aus
dem llarz bietet die abgeflachte Spitze und der ungekühlte obere Abschnitt des Dorns
viele Vor -teile während des Betriebs. Zu Beginn der Herstellung verfestigt sich
die aus dem Werkzeug kommende Folie bei Berührung mit der warmen Oberfläche des
erfindungsgemäßen Dorns nicht, wie sie es an der kalten Spitze der bekannten Dorne
tut. Dadurch läßt sich die Folie in Anpassung an den Dorn leichter dehnen und aufblasen
und zu den Haltewalzen herunterziehen. Von gleicher Wichtigkeit ist die Tatsache,
daß es bei kontinuierlichem Betrieb häufig notwendig wird, das Sieb zwischen der
Schraube und dem Werkzeug auszuwechseln, um einen maximalen Durchsatz aufrechtzuerhalten.
Auch bei automatischen Siebauswechslern wie sie in der USA-PS 2 838 084 beschrieben
sind, tritt eine vorübergehende stärkere Verminderung des Polymerflusses auf, wodurch
eine instabile obere Folienblase mit einer Tendenz zum Zerfallen gebildet wird.
Bei den bekannten Dornen ist es erforderlich, den Betrieb neu zu beginnen, während
sich die Blase bei dem erfindungsgemäßen Dorn ohne Unterbrechung des Verfahrens
neu bildet.