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Ausgroß- und Mischvorrichtung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zun Mischen und
Extrudieren von thermoplastischen und wärschärtenden Arkstoffen.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Vorrichtung @@ ein@ Schranben-bzw.
Schneckenausführung zum Mischen und Extrudieren von Natur-und Kunst-Gummis und elastonerem
Material mit unterschiedlichen Viskositäten. Sofern nicht anders angegeben, soll
der Ausdruck "Extruder", wie er hier benutzt wird, schrauben- bzw. Schnockenvorrichtungen
einschließen, die verwendet werden, um ein Extrudat gewünschter Querschnittsgestalt
zu erhalten und oder thermoplestische oder wärmehärtende Massen zu mischen und zu
ver@ahlen, Herkömmliche Extruder weisen einen Tubus, einen schrauben- bzw.
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schneckenartigen Läufer, der in Tubus augeordnet und relativ zu diesem
drehbar ist, sowie eine Einrichtung auf, mit der sich das zu verarbeitende Material
in den Extruder einführen läst, wie bspw. einen Trichter und ggf. zugehörige Vorrichtungsteile.
Der Läufer ist mit unterschiedlicher Schneckengestalt ausgeführt, und die Drehbewegung
des Läufers relativ zum Tubus drückt das verarbeitete Material durch den Tuhus und
aus dem stromabwärtigen Ende des Tubus hinaus. Während das verarbeitete Material
aus einem Ende des Extruders austritt, wird frisches Rohmaterial heiß oder kalt
in den Speisetrichter am entgegengesetzten Ende des Extruders eingefüllt, damit
der Auspreßvorgang kontlnuierlich ablaufen kann.
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Beispiele für den Stand der Technik zeigen die US-PSn 3.632.255, 3.375.549
sowie Re 26.147.
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Obgleich viele Prolere Minsichtlich des Auspressaus plastischen Werkstoffen
@läst worden sind, stellen das Dispergieren, Mischen und die Temperaturst@@prung
weiter@@@ Schwirerlgkelten dar, an denen sich die @@@lität des Anspre@vergange mißt.
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Beis Knetnischen, bei dem das Roh@@terial in @ndern auf einer Walze
varliegt und durch den @lscherste@ und -spal gedreht wird, zeigt eine @@@@be, daß
d@s @ohnaterial an der Knetrolle nicht @eschert bzw. bewegt werden ist. Dies ist
ein Beispiel für ungleichmäßig geschertes oder schlecht ge@ischtes @ohmaterial.
Un die bestmögliche Enetuischung zu erreichen, wird der Arbeiter daher das Knethand
abschneiden, das Roh@aterial zu einer langen @olle aufrollen und diese dann mit
einem Ende voran in den Knetspalt einführen. Die @ohmaterialteilchen werden, während
sie in den Knetspalt elngezogen werden, gestreckt. @ollt bzw. speist nan unter einem
@inkel ein, breiten die Teilchen, die aufangs linienförmig sind, sich zu Flächen
aus. Man erhält so ein Dispergieren der Teilchen bei minimaler Scherung und minlmalem
Leistungsverbrauch.
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Die Konstruktion eines @@truders beschränkt die Strömung des @ohmsterials
auf ein festes labyrinth, das von der Ausgestaltung der Läufer- und der Tubushut
gebildet wird. Die vorliegende Erfindung sieht eine Kombination von miteinander
zusammenwirkenden Läufer- ujnd Tubusnuten vor, die die Teilchen auf ähuliche Weise
scheren und strecken wie bei der oben erwähnten "besten" Knetmischung. Der Mischvorgang
verbessert sich mit zunehmender Anzahl
der Euten Bzw. Gänge; zur
klareren Larstellung wird jedoch die folgende Dickussion eine eingängige Konstruktion
betreffen.
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Las Rohmaterial tritt aus dem Trichter in die Mischstufe der Vorrichtung
über die Läufernut ein. Die Mischstufe bestcht aus zwei Zonen, und zwar zunächst
eine Materialübergengszone zwischen Läufer und Tubus und dann einer Materialübergangszone
vom Tubus zum Läufer. Die Tubus-auf-Läufer-Zone kann 1/20 bis 1/2 so lang wie die
Läufer-auf-Tubus-Zone sein; vorzugsweise hat sie ein Viertel deren Länge. In der
Läufer-auf-Tubus-Zone wird das Mischgut nus einer Läufernut in olne Tubusnut, in
der Tubus-auf-Läufer-Zone aus einer Tubusnut in eine Läufernet übertragen.
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In der Läufer-auf-Tubus-Zone ist der Läufer mit eine Läufernut verseilen,
die auf abnehmbarer Auspreßkapazität dimensioniert ist, so daß in wesentlichen das
gesamte oder nin Teil des l-aterials -bspw. drei Viertel des Mischguts - gleichmäßig
entlang der Zonenlänge auswärts flißt. Dieses Material wird von einer spiralförmigen
Tubusnut bzw. "Mischtasche" aufgenommen. Die Auspreßkapazitiit einer Läufernut stellt
in Zusammenhang Illit den Nutabmessungen, wenn die Läufernut gegen einen Platten
Tubus arbeitet. 10 die Gegenfläche jedoch selbst unstetig ist, wie bspw. bei einem
genuteten Tubus, stehen ciie Nutenabmessungen nicht unbedingt in einem festen Zusammenhang
mit der Auspreßkapazität. Als Auspreßkapazität soll daher das Materialvolumen Selten,
das durch den Extruder infolge der Gemeinsarlen Wirkung der Läufer und der Tubucnuten
fließt.
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Die Materialteilchen in der Ljufernut werden geschert und gestreckt,
wählend das Material durch die Extruderwirkung die Läufernut entlang-fließt. Während
Mischgut zum Tubus übergeht, wird es von der Läufernut abgeschert, wobei die Teilchen
gestreckt werden; dies ist ein erster Schritt, um ein Dispergieren zu erreichen.
Das gescherte Material sammelt sich in der Mischtasche bzw. Nut des Tubus in Form
eines spiral gewickelten Konus an, dessen breites Lnde strornabwärts weist.
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Wihrend der Übergang von weniger als im wesentlichen dem gesamten
Material des Tubus eine geringere Mischwirkung ergeben kann lls ein vollständiger
Übergang, ist das Verhältnis des Material übergangs von Läufer zilin Tubus zu dem
vom Tubus zum Läufer so sich einstellen, daß man die Mischbedingungen erfüllt.
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Die Tubus-auf-Läufer-Zone ist verhältnismäßig l.urz und so konstruiert,
daß dert die Tubus- und Läufermaterialströme gemeinsam in die Läufernut einfließen.
Um die beste Mischung zu er@eichen, wird die Mischgutströmung aus der Tubusnut durch
die konstruktiv.
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Ausbildung des stromabwärtigen Endes der Tubusnut abrupt gewendet
so daß die Streckflußlinien in den Scherbereich, d.h. den Umfang des Läufer bzw.
der Tubusbohrulls, unter einem spitzen Winkel eintreten; das Mischgut wird also
umgerichtet, während es der Scherwirkung des Läufers ausgesetzt ist.
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Bei einer Ausführungsform des Auslaßendes der Tubusnut ist ta Betracht
Gezogen, daß der Materialfluß am äußeren Teil einet
Tubusnut schneller
zu sein tendiert. Aus dlesen Grund ist ei;1c Prallwand vorgesehen, so daß der @ruckfluß
am inneren Teil der Nut das Mischgut um- und aus der Nut hinauslenkt. Dieser Fluß
wird von der abnehmenden Nuttiefe unterstützt. Weiterhin kann am Ende der Tubusnut
ein Flußteiler vorgesehen sein, der den Materialkegel zu zwei Strängen aufteilt;
auf diese preise stabilisiert man die Ausrichtung des Materialflusses und erzeugt
zusätzliche Tubuswechselwirkung mit dem Laufer, um die Anspreßreaktion zu entwickeln.
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Die Gangänderung kann positiv oder negativ sein, wobei die beiden
Extremfälle ein Umfangsgang, d.h. Ganghöhe null, und die zweite ein Axialgang, d.h.
Ganghöhe unendlich sind, wenn ein negativer Gang aus Gründen der Materialausräumung
unerwünscht sein sollte.
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Das Mischgut neigt in einer Extruder-Nut zu einer Ausrichtung entlang
des Umfangs an der Oberfläche und quer über die darunterliegende Nutenfläche. Es
ist also das Ziel der Nutkonstruktion, eine maximals Ausrichtung des Mischguts zu
erreichen. Eine Einrichtung, mit der sich dies erreichen läßt, ist ein Pflug an
der Ablaufkante der Nut, der sich unter das in Umfangsrichtung fließende Material
schiebt und es zwingt, axial in die Tubus-auf-Rotor-Zone eimzufließen.
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Xaderungen der Nuttiefe können in Umfangs-, Axialrichtung oder entin
der Nut verlaufen; auch hier ist es das Ziel der Konstruktion, die Materialflußlinien
rechtwinklich zu orientieren.
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Die obengenannten Flußmuster sind ideal und nicht vollständig erreichbar1
aber selbst t eine teilweise Ausrichtung stellt eine wesentliche Verbesserung dar.
Weiterhin muß in Betracht gezogen werden, dp-P eine Kombinationskonstruktion möglich
ist, un die gewünschte Orientierung zu erreichen. Wo weniger als im wesentlichen
das gesamte Mischgut in die Tubusnut in der Läufer-auf-Tubus Zone überceht, Jcht
der Rest (bspw. das oben erwähnte Viertel des Mischguts) von der Läufer-auf-Tubus
Zone unmittelbar in die Tubusauf-Läufer-Zone des Läufers über. Da der Läufer stetig,
aber mit vergrößertem Querschnitt ausgebildet ist, kann die Läufernut versetzt ausgebildet
sein, so daß das Mischgnt im Läufer in den vergrößerten Toll der Läufernut erst
eintritt, nachdem ein Teil des Mischguts aus der Tubnsnut auf den Läufer übergegangen
ist. Das Ziel dieser Ausgestaltung ist, das Mischgut des Läufers in eine Vorzugslage
zu bringen, um beLni Erreichen einer zweiten Mischstufe übertragen zu werden.
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Während sich weiterhin das vorerwähnte Viertel des Mischguts in der
Läufornut dem Ende der Läufer-auf-Tubus-Zone nähert, kann man die Läufernut mit
Teilern austatten, so daß zalilreiche Material stränge in den vergrößerten Läuferteil
in der Tubus-auf-Läufer-Zone eintreten, DEr Tubus-auf-Läufer-Zone folgt eine einfache
Anspreßzone, d.h.
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eine opiralnut, die relativ zu einem glatten zylindrischen Tubus dreht.
Dieser Abschnitt wirkt als Auflagefläche, die den Läufer führt und den Druck für
die Auspreßströmung entwickelt.
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Die bovorzugte Konstruktion für die Hischstufe, d.h. die Läuferzu-Tubus-Zone,
ist derart getroffen, daP' die Ausproßkapazität der Läufer- und Tubusnnten derart
ist, daß die Läufer-zu-Tubus-Zone beim Arbeiten mit der Hennkapazität Materialflußdruck
erzeugt.
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Der geringe Leistungsbedarf orlaubt nehrnutige und mehrstufige Konstruktionen.
Die bevorzugte Konstruktion weist eine Läuferauf-Tubus-Zone mit vier parallelen
Spiralnuten auf, die mit vier bis scchs Tubusnuten oder Hischtaschen in Flußverbindung
stehen.
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Die vier bzw. sechs Huten sind zwar gleich, können aber mit unterschiedlichen
Auspreßraten ausgeführt sein, um eine Auspreßmischung zu erreichen. Für eine bestmögliche
Konstruktion kann man drei hintereinander geschaltete Mischstufen verwenden, um
wärnehärtende Stoffe mit sicherer Temperatur zu verarbeiten.
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Die Grundform der Extruder ist im wesentlichen ein langer aktivierter
Kanal, so daß die Einlaßfolge des Mischgnts die gleiche ist wie die Auslaßfolge.
Ein gewisses Durchmischen erhält man, während das Material sich zu einer lagen Spirale
ausformt, deren Mittelteil den äußeren Teilen nachzulaufen tendiert. Hohe Formdrücke
verstärken diesen Hachlauf, der als "Druckfluß" ('pressure flow') bezeichnet wird;
in Wirklichkeit handelt es sich uin eiren Rückdruckfluß. Dies bedeutet, dar;' das
Durchr:lischen nur durch den RUckdruckfluß erfolgt und folglich hier nur Leistung
verschwendet wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft die Mittel, um eine Durchmischung
zu
einem gewünchten Ausmaß zu erreichen. Eine Mischstufe mit Läufer- und Tiibusnuten
weist zwei Auspreßraten auf. Das vom Läufer äbertragene Hischgut trifft in der es
aufnelunenden Tubusauf-Roter-Zone vor dem Material ein, das in der Tubusnut fließt.
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Diese Verechiebung erfolgt ohne eingentlichen Leistungsverbrauch.
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ter iiiSCiIrad kann frei gewählt werden. Indem man die relativen Kapazitäten
der Auspreßkenäle im Läufer bzw. Tubus ändert, läßt sicii ein Bereich von Mischverhältnissen
in breiter Form erreichen Dieser Bereich macht ein kontinuierliches Mischen auch
bei weniger genauen Durchlaufwaagen möglich.
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Die Temperaturerhöhung in einem Extruder ergibt sich aus der zum Scheren
des Materials erforderlichen Arbeit. Da die Extruderkonstruktion festliegt, erzeugt
jede Windung des Läufers die gleiche Scherwirkung auf das Material und erfordert
die gleiche @ingengsarbeit. Die Eingangsarbeit ist also der Läufergeschwindig @eit
proportional. Der Wärmeübergang vom Extruder neigt zu einem konstanten Wert, der
von der Temperatur des I-iaterials und Konstanten des Kühlsystems abhängt. Das Ergebnis
ist, daß die Materialaustrittstemperatur mit der Läufergeschwindigkeit steigt.
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Wenn also die Materialtemperaturen kritisch sind, begrenzt man die
Läufergeschwindigkeit. Da man mit einer Mischstraße, die einen Innenmischer enthält,
Mischgut mit unterschiedlichen Viskositäten (und unterschiedlicher Wärmeerzeugungsfähigkeit)
verarbeitet, muß der extruder so ausgelegt sein, daß er die Mischkapazität des Innenmischers
aufnehmen kann, wenn der Mischer das
viskoseste Material verarbeitet.
Dies ergibt entweder einen großes und langsailaufenden Extrudermischer oder einen
mit minimaler Hischleistung. Der große und langsamlaufende Iiischextruder erfordert
hohen Aufwand für die Anlagenteile und das Drehnoment, die sich bei Materialien
niedriger Viskosität nicht wirkungsvoll nutzen lassen.
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Der Mischextruder mit minimaler Mischfähigkeit kann bei höheren Drehzahlen
die hochviskosen Materialien zwar wirtschaftlich verarbeiten, ist aber beim Verarbeiten
der niedriGviskosen Material lien noch unwirksamer. Bin idealer Mischextruder zum
Einsatz mit einem Innenmiacher wäre ein kleiner schnellaufender Mischers der seine
volle Leistung unabhängig von der Viskosität des Materials und mit einer vom Innenmischer
bestimmten Kapazität abgibt. Bei einem Auspreßmischer, den man unabhängig von einem
Innenmischer beim Nachmischen des endgültigen Mischgutansatzes oder der Zugabe von
Konservierungsmitteln ("curatives") verwendet, kann die Ausgabetemperatur noch wichtiger
sein. Wo Konservierungsmittel Zuge geben werden, muß die Ausgabe temperatur hoch
genug sein, um Schwefel zu schmelzen, aber niedrig genug, um die Härtung nicht einzuleiten.
Dieser Toleranzbereich kann u.U. nur etwa 100C C200F) betragen. Auch bei Materialien
mit unterschiedlicher Viskosität ist die ULufergeschwindigkait allein kein ausreichendes
Mittel zur Temperatureinstellung.
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Da Auspreßvorrichtungen mit anderen Mi 5 chanlagen wettbewerbsfähig
sein
müssen, hat das Fehlen einer Temperatursteuerung die Anzahl der Anlagen gering gehalten,
in denen die Auspreßmischung an und für sich eingesetzt werden könnte.
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Ls ist also einzusehen, daß die Temperatursteuerung von ,röl3ter Wichtigkeit
ist, wenn eine Vielzahl von Materialien verarbeitet werden soll. Din Ausprelr,rnischer
ist dabei mit einem Innenmischer mit fester Zyklenzeit vergleichbar.
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Ein Jierkrial der Erfindung ist, einen Auspreß1aischer mit einer variablen
Zyklenzeit auszustatten. Dies wird erreicht durch eine Einstellun, für den Durchsatz
bzw. die Kapazität pro Windung. Xeduziert man die Kapazität pro Windung und gibt
die gleiche Arbeitsmenze pro Windung auf den Läufer, wird mehr Arbeit pro Gewichtseinheit
auf das Material ausgeübt. Diese Einstellung erfolgt hauptsächlich, indem man die
Auspreßkapazität der Tubus-auf-Läufer-Zone einstellt. Diese oben beschriebene Zone
ist entlang der Läuferachse nur kurz und dazu ausgelegt, das Material aus der Tubusnut
in die vollflächige Läufernut derselben zu übertragen.
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Die Auspreßkapazität dieser Zone läßt sich verringern, indem man den
Läufer nach vorn verschiebt, so daß der Ausgang der Tubusnut am stromabwärtigen
Ende der Läufer-auf-Tubus-Zone mit einer kleinerfl ichigen Läufernut fluchtet. Diese
ELnengung reduziert die Auspreßkapazität, so daß die Arbeitsmenge pro Gewichtseinheit
und damit die Auspreßtemperatur zunehmen. Diese Methode verschwendet keine Leistung,
da bei geringerem Durchsatz die gescherten >iaterialquerschnitte
dänner
und damit die Scherung bzw. das Durchmischen pro Materialeinheit stärker werden.
Die Läuferlage läßt sich auf irgendeinen Punkt zwischen einer minimalen und einer
maximalen Einengung einstellen. Auf diese Weise läßt sich eine Einstellung finden,
die die Kapazität- und Auslaßtemperaturbedingungen für einen breiten Bereich von
Materialviskositäten erfüllt. Die mininiale Einengungseinstellung gilt dabei fiir
das härteste oder viskoseste Material. Die Läuferkonstruktion trifft man dann so,
daß das harte Rohmaterial mit der gewünschten Kapazität und AuslaPtemperatur mit
einer Läufergeschwindigkeit verarbeitet wird, die nahe der vollen Ausgangsleistung
des Antriebsmotors liegt.
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Für weichere oder weniger viskose Materialien ist ein geringeres Antriebsmoment
für den Läufer erforderlich. Die Leistungszufuhr wird nun wieder hergestellt, indem
die Auspreßkapazität reduziert und die Lä.ufereschwindigkeit angehoben werden, ur
das niedrigere Drehmoment auszugleichen. Die Zufuhr fast der gesamten Leistung kann
auch für das Mischen weicherer I-iaterialien sinnvoll sein.
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Die Einheit kommt nunmehr dem idealen Auspreßmischer nahe, da sie
harte und weiche Materialien qgleichermaßen mit voller Leistung mischen und die
gewünschte Kapazitt und Auslaßtemperatur einhalten kann.
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Bin Vorteil der Erfindung ist ihre Fähigkeit, die Teilchen eines Ansatzes
bei minimaler Scherbewegung und damit bei geringstmög
licher Beeinträchtigung
des Polymerisats zu dispergieren. Weiterhin erfolgt das Mischen des Rohmaterials,
während es den Läufer und den Tubus der Vorrichtung durchläuft. Die Temperatur des
Extrudats beim Austreten käßt sich mittels Geänderter Auspreßeisenschaften der Läufer-
und Tubusgestalt einstellen.
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Weiterhin kann die Vorrichtung darauf eingestellt werden, das Material
während des Durchlaufs durch die Vorrichtung in unterschiedlichem Ausmaß durchzumischen.
Sie läßt sich in einem breiten Bereich von L:tufergeschwindikeiten betreiben und
das Extrudat mit gleichmäßiger Einstelltemperatur abgeben. Weiterhin kann sie mit
hohen Läufergeschwindigkeiten betrieben werden, um die Kapitalinvestitionen geringzuhalten.
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Weiterhin kann man mit der Vorrichtung kalt eingespeiste Bestandteile
zu einer gleichmäßigen masse mit der gewünschten Auspreßtemperatur vermischen. wenn
mit einem Innenmischer zusammen eingesetzt, kann die Vorrichtung so eingestellt
werden, daß unabhängig von der Viskosität des Materials sie den größten Teil ihrer
Leistung auf den Mischvorgang aufbringt.
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Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungs form
der vorliegenden Erfindung für die Verarbeitung bspw. gummiartiger Massen, die ein
Innenmischer ausgibt; Fig. 2 ist ein Teilseiteurizß der Nuten des Läufers in einer
typischen Mischstufe;
Fig. 3 ist eine Oberflächenabwicklung einer
typischen Nnt des Läufers und zeigt die Ganghöhe und die Breite; Fig. 4 bis 8 einschließlich
sind Schnittdarstellung einer typischen Läufernut entlang der in teig. 3 gezeigten
Läufernut; Fig. 9 ist eine Schnittdarstellung der i4ischtasche bzw. -nut des Tubus
mit einer Gangänderung zum Umrichten des Materials; Fig. 10 ist eine Oberflächenabwicklung
einer typischen liischtasche oder -nut des Tubus mit sich verändernder Ganghöhe
zuri Umlenken des Materials; Fig. 11 bis 15 einschließlich sind Schnittdarstellung
der l-ischtasche bzw. Nut im Tubus entlang der Tasche bzw. Hut der Fig. 10; Fig.
16 ist eine Schnittdarstellung der Tubus-iiischtaschen bzw.
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-nuten mit einem Umlenkring zum Umrichten des Materials nach einer
Abänderung der vorliegenden Erfindung; Fig. 17 ist eine Oberflächenabwicklung einer
typischen Mischtasche bzw. -nut mit einen Umlenkring fiir das Uinrichten des Materials
nach Fig. 16; Fig. 18 bis 22 einschließlich sind Schnittdarstell'uigen von Tubus
mischtaschen bzw. -nuten entlang der in Fig. 17 gezeigten Tasche bzw. Nut; Fig.
23 ist eine Schnittdarstellung der tíischstufe mit Mitteln, um den Läufer in Längsrichtung
relativ zurn Tubus zu verschieben, wobei der Unterteil geschnitten dargestellt ist
und den Materialfluß bei mit geringster Einengung angeordneten Läufer zeigt; Fig.
24 ist eine ciinittdarstellung der Mischstufe bei vorwärts in eine Einengungslage
verschobenem Läufer, wobei dieser unten
geschnitten dargestellt
ist, um die Materialströmung und die fiir eine hohe Flußgesch'vi.ndigkeit gedachte
Lage zur Verringerung der Auspreßkapazität zu zeigen; Fig. 25 ist ein Teilriß der
Nuten eines Läuferelements einer abgeänderten ;onstruktion in einer typischen iischstufe;
Fig. 26 ist eine Oberflächenabwicklung einer typischen Nut des in Fig. 25 gezeigten
Läufers und zeigt die Ganghöhe und die Breite; Fig. 27 bis 33 einschließlich sind
Schnittdarstellung einer typischen Läufernut entlang der Nut der in Fig. 26 gezeigten
Läufers ; Fig. 34 ist eine Schnittdarstellung der tischtasche bzw. -nut eines Tubus
nach einer modifizierten Konstruktion, wobei die Gang höhe veränderlich ist um das
Material umzurichten; Fig. 35 ist eine Oberflächenabwicklung einer typischen Mischtasche
bzw. -nut des in der Fig. 34 gezeigten Tubus mit Gangänderung für ein Umrichten
des Materials; Fi. 36 bis 40 einschließlich sind Schnittdarstellungen der Mischtasche
bzw. -nut im Tubus entlang der Tasche bzw. Nut der Fig.35; Fig. 41 ist eine Schnittdarstellung
der Tubus-Mischtaschen bzw.
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-nuten des Tubuselements einer modifizierten Konstruktion mit Gangänderung
zum Umrichten des Materials; Fig. 42 ist eine Oberflächenabwicklung einer typischen
Mischtasch bzw. -nut des Tubuselements der Fig. 41; und Fig. 43 bis 49 einschließlich
sind Schnittdarstellungen von Tubus-Mischtaschen bzw. -nuten entlang der Tasche
bzw. Nut der ig. 42.
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Die Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung der Auspreßeinrichtung A nach
der vorliegenden llrfinduni, bei der es sic um die bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung in Anwendung auf ein Natur- oder Kunstgummimaterial handelt, wie es insbesondere
der Vorrichtung heiß aus einem Chargeninnenmischer zugeführt wird. Die Auspreßvorrichtung
A weist einen Tubus 10 mit einer Tnnenbohrung 11 konstanten Durchmessers auf, die
durch den Tubus hindurchverläuft und mit dem Läufer bzw. der Schnecke 12 zusammenwirkt,
dic drehbar im Tubus gelagert ist. Der Läufer 12 kann von einer Antriebsvorrichtuiig
13 mit veränderbarer Geschwindigkeit angetrieben werden, wie im Stand der Technik
üblich.
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Dieser Tubus 10 ist an seinem Einspeiseende oben oder seitlich und
entfernt vom Auslaßende If: des Tubus 10 mit einer Trichteröffnung 14 versehen,
durch die das ZU verarbeitende Material in die Vorrichtung A eingefüllt wird.
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Der Läufer 12 ist mit ein(:r schraublinienförmigen Nut 15 ritt einzelnem
Finlauf ("signle start") verschen, die, wenn mit Rohmaterial aus der Trichteröffnung
14 gefüllt und durch den Antrieb 13 relativ zum Tubus 10 gedreht, das Material entlang
der Nut 16 vorwhrts zum Punkt 17 bewegt. Der Läufer 12 ist mit vier schraublinienförmigen
Nuten 19 versehen, die mit der ilut 16 in Verbindung stehen und ebenfalls das Material
vorwärts bewegen. Die Nuten 19 des Läufers 12, die einen Schraubwinkel von etwa
14...78° zur 2-ilittellinie des Läufers einschließen können, sind untcreinander
Thalich
und um den Läufer 12 herun gleichbeabstandet. Diese Huten zeisen er Punkt 27 zum
Punkt 18 eine gleichmäßig abnehmend Ausprefkapazität auf, d.h. bspw. von der vollen
auf ein Viertel der vollen Auspreßkapazität, während die Nuten 20 und die Umflächen
22 des den Läufer ungebenden Tubus 10 - vergl. Fig. 1 - aneinander vorbeilaufen.
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wird darauf verwiesen, daP die Auspreßkapazität, wie sie oben erwähnt
ist, in keinem unmittelbaren Zusammenhang mit der Tiefe, Fläche oder der Volumen
der Nuten steht, sondern die Haterialmenge ist, die Infolge der Relativdrehwirkung
der Tubusnuten 20 und der Umflächen 22 in den Tubusnuten 20 fließt. Das Verhältnis
der Tiefe zu Sreite der Nuten, die Steigung der Seiten- oder Boden ~ flächen der
Nuten, deren Jage im igLitifer und Tubus und der ttbergang an scharfen Nutenecken
sind ebenfalls wichtige Einflußgrößen und beeinflussen die Auspreßkapazität.
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Die Auswirkung der abnchmenden Auspreßkapazität ist, daß bspw.
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drei Viertel der Materialströmung aus den Läufernuten 19 in die Tubusnuten
20 in der i;iufer-auf-Tubus-Zone jeder Ijischstufe überehen. Infolge der Ausgestaltung
der Nuten nimmt das Mischgut dabei die Gestalt eines gleichmäßigen dünnen Bandes
an, dessen Brei te der Entfernung der Punkt 17 und 18 entspricht. Jede Tubusnut
20 nimmt Material aus jeder Läufernut 19 nacheinander auf, so daß eine erheblich
Mischwirkung entsteht.
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In der bevorzugten Ausführungsform der Fig. 1 und 9 sind sechs
Tubusnuten
20 gezeigt. Über die Länge zwischen den Punkten 17, 18 stehen die Nuten 20 in Strömungsverbindung
mit den Läufernuten 19 und die Sciiraublinie der Nuten 20, die vorzugsweise einen
.-Jinkel von 1,5 ... 600 zur Mittellinie der i,ohrung 11 einschließt, verläuft derart,
daß ein itaterialfluß vom Punkt 17 zum Punkt 18 in der Läufer-auf-Tubus-Zone stattfindet.
Die relative Auspreßkapazität der Tubusnuten 20 im Verhiltnis zur Auspreßkapazität
der I..iufernuten ist in einer beispielhaften Ausfiihrungsform derart, daß ein Unterschied
des Materialflusses zwischen dem Material in den Tubusnuten 20 und dem in den Läufernuten
19 vorliegt. Der Sinn dieser Maßnahme ist, einem Teil des Materials die Möglichkeit
zu geben, die Mischzone mit erhöhter Geschwindigkeit zu durchlaufen, so daß ein
Mischeffekt entsteht.
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An Punkt 18 sind die Tubusnuten 20, die dort bspw. nun drei Viertel
des Extruderdurchsatzes führen, so konstruiert, daß sie dieses Haterial umlenken,
und zwar in Richtung der Verformung, die von der durch die Vorrichtung A aufgebrachte
Scherspannung l>ewirkt wird. Das Umlenkverfahren, nach der bevorzugten Ausführungsform
(vergl. Fig. 9 bis 15 einschl.) ist, die Tiefe der Tubusnuten 20 zu reduzieren und
in der Tubus-auf-Läufer-Zone eine 5.nderung des Spiralwinkels der Tubusnuten 20
vorzunehmen. D.h., die Nuten 20 zwischen den Punkten 17 und 18 der Läufer-auf-Tubus-Zone
weisen eine maximale Ganghöhe auf; bspw. laufen sie pro Windung um den gesamten
Umfang herum oder haben einen Spiralwinkel von 450 zur Läufermittellinie. An den
Punkten 18 bis 23 der Tubus-auf-Läufer-
7one, die in der d dargestellten
Vorrichtung etwa ein Viertel der Lunge der Läufer-Tubus-Zone hat, liest eine minimale
Ganghöhe vor D.h., daß die Tubusnuten 20 zwischen den Punkten 18 und 23 der Tubus-auf-Läufer-Zone
um den Umfang ganz oder so weit herum verlaufen, wie möglich, ohne den Materialfluß
übermäßig zu drosseln.
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Weiterhin nimmt zwischen den Punkten 18 und 23 der Tubus-auf-Läufer-Zone
die Querschnittsfläche der Tubusnuten 20 von einem Maximum auf ITull eo, so dar
der Übergang des Materials aus den lubusnuten 20 in die L;ufernuten 19 des Läufers
12 in der Tubusauf-Läufer-Zone der Vorrichtung A unterstützt wird, Die Läufernuten
19 sind am Punkt 18 von der Viertelauspreßkapazitrat auf die volle Auspreßkapazität
erweitert, so d ein ausreichender Durchschnittskanal für die umglenkte Materialströmung
vorliegt, die von cen Tubusnuten 20 in der Tubus-auf-Le.iufer-Zone geschert wird.
Weiterhin wird am Punkt 18 das beispielsweise eine Viertel des Materials, das in
der Läufer-auf-Tubus-Zone nicht in die Tubusnuten 20 übergegangen ist, von der vergrößerten
Läufer nut 19 wieder aufgenommen, um mit dem umgelenkten Tubusmaterial in der Tubus-auf-Läufer-Zone
gemischt zu werden. An der Austritts stelle der Nut 19 (Nut mit 1/4-Auspreßkapazität)
am Punkt 18 können zahlreiche Flußteiler vorgesehen werden, um eine Flußsteuerung
und das Durchmischen zu erleichtern. ES ist in der Fig. 1 als mit der Mittellinie
einer erweiterten Nut 19 ausgerichtet dar gestellt, kann aber versetzt sein, so
daß das Material vom Läufer in eine bevorzugte Lage zum Uebergang in die nächste
Mischstufe erit.
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Die Bohrung 11 des Tubus 10 zwischen den Punkten 23 und 17' (nächste
Mischstufe) ist flach und enthalt keine luton, un Is Lager und Führung fiir den
Läufer 12 zu wirken. Die läufernuten 19 sind vom Punkt 18 bis zum Punkt 17' der
nächsten Mischstufe auf voller Auspreßkapazität gehalten.
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Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit zwei Mischstufen nach der obigen
Beschreibung, obgleich zusätzliche Mischstufen vorgesehen oder auch nur eine einzelne
Mischstufe eingesetzt werden lönneìl.
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Auf die beiden Mischstufen folgen vier parallele Ljiifernuten 24,
die mit den Nuten 19 kontinuierlich sind, aber eine geringere Auspreßkapazität haben.
Die Läufernuten 24 im durchgehenden Abschnitt der Bohrung 11 des Tubus 10 wirken
dabei als Lager für den Läufer 12. Weiterhin ist die geringere Ganghöhe und damit
die geringere Auspreßkapazität so gewählt, daß beim Betrieb mit voller Kapazität
die Materialströmmung gedrosselt wird und dadurch Druck in der Vorrichtung A erzeugt,
der die Mischstufen mit Material gefüllt halt und eine intensive Scherwirkung gewährleistet.
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Die Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstelluiig der vier parallelen
Läufernuten 19 des Läufers 12 für eine vollständige Mischstufe vom Punkt 23 der
ersten Stufe bis zum Punkt 23' der zweiten Stufe.
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Die Fij. 3 ist eine Oberflächenabwicklung eines Quadranten der Nut
19 des Läufers 12 und zeigt den Zusammenhang zwischen den Flächen der Nut 19 und
den Flächen 21 des Läufers 12.
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Die Fig. 4 bis 8 einschl. zeigen aufeinanderfolgende Querschnitte
des
Quadranten des Läufers 12 und näherungsweise die Gestalt der Nut 19, w: Auspreßkapazität
zu erreichen. Die Fig. 9 ist eine Schnittdarstellung des bevorzugten Tubus 10 mit
sechs parallelen Huten 20 und Flächen 22 vom Punkt 23 der ersten Mischstufe zum
Punkt 23' der zweiten Hischstufe.
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iie z . 1G it eine Oberflächenabwicklung eines Spiralsextanten der
Dohrun 11 des Tubus 10 und zeigt den Zusammenhang zwischen der Nut 20 und den Flächen
22. weiterhin zeigt die Fig. 10 auch die Knderung der Ganghöhe zwischen den Punkten
17, 18 im Vergleich zu der Ganghöhe zwischen den Punkten 18, 23'.
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Die Fig. 11 bis 15 einschl. zeigen aufeinanderfolgende Querschnitte
VOll Sextanten des Tubus sovic die näherungsweise Gestalt der Tubusnuten 2C für
die Umlenkung und Weiterfiihrung des Mischguts.
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Die Fi. 16 ist eine ^uerscllnittsciarstellung einer weiteren Ausfährungsform
der Tubusnut 25 des Tubus 10. Es liegen vier parallele Spiralnuten 25 mit Flächen
26 bei diesem alternativen Tubuselement 10' vor. Die lauten 25 nehmen drei Viertel
des vom Läufer zwischen den Punkten 17, 18 der Läufer-auf-Tubus-Zone ausgedrück
ten Materials - ähnlich den Nuten 20 - auf. Der Hauptunterschied zwischen dieser
und der bevorzugten Ausführungsform der Fig. 9 bis 15 ist, daß das in den Nuten
angesammelte Material radial auswärts als der Nut mittels eines Umlenkrings 27 gelenkt
wird
DEr Umlenkring 27 verlangsamt den Materialfluß am An@enteil
der Nut 25 und erlaubt damit den unteren und nun schnelleren Teil, das Mischgut
radial abzulenken. Diese alternativ Konstruktion enthalt keine iinderun der Ganghöhe,
könnte aber mit der hevorzugten Ausführungsform der Fig. 9 bis 15 einschl. einer
größeren oder kleineren Ganghöhe kombiniert werden. Die ITuten 7), vEiC sie die
Fig. 16 und 17 zeiten, sind an der Mittellinie der PTut 25 zwischen den Punkten
18, 23' der Tubus-auf-Läufer-Zone mit einem Mischgutteiler 28 versehen. Dieser Teiler
28 unterstütst die Aktivierung der Auspreßkapazität des Läufers und bewirkt eine
weitere Teilung, um die Scherung des Mischguts zu verstärken. Die Nuten 25 in der
Tubus-auf-Läufer-Zone der Fig.16 sind jeweils als stetige Fortsetzung der Nut in
der Läufer-auf-Tubus-Zone angeordnet. Eine solche flut liat eine positive Ganghöhe.
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Es ist Jedoch einzusehen, daß die Nuten 25 in der Tubus-auf-Läufern-Zone
auf eine negative Ganghöhe oder Punkte zwischen einer 2ositiven und einer negativen
Ganghöhe aufweisen kann.
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Die Fig. 23 ist eine Schnittdarstellung der zusammengebauten Mischatufe
und stellt die normale Zuordnung zwischen Läufer 12 und Tubus 10 dar> wobei der
unten weggeschnittene Teil einen normalen Mischgutfluß - vergl. die sechs gestrichelten
linien 29 -zeigt. Es ist zu erkennen, daß die Nuten des Läufers 12 und des Tubus
10 gemeinsam einen ausreichenden Kanal durch die Auspreeinrichtung A hindurch bilden.
Die Punkte 17, 18 des Läufers 12 fluchten mit den Punkten 17, 18 der Nut des Tubus
10.
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Die Fig. 24 ist eine Thnliche Schnittdgrstellung der zusangenge bauten
llischstufe, aber bei in Längsrichtung gegeneinander verschobenem läufer 12 und
Tubus 10. Der iunlit 18 des Läufer 12 fluchtet num mit dem Punkt 23 des Tubus 10.
Eine Über sechs gestrichelten Linien 29 im weggeschnittenen Teil unten in Fib. 24
zeigt nun, daß eine Flußkonzentration ciifl Punkt 18 des Läufer 12 oder Punkt 23
des Tubus 10 vorliegt. Diese Flußkonzetration ist das Mittel, um eine Drosselung
zu erreichen und somit die Auspreßkapazität bzw. Den Extruderdurchsatz zu verringern.
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;lie in der Fig. 1 dargestellt, dienen folgende Mittel für eine Einstellung
des Läufers 12 in Längsrichtung: eine Gewindemutter 30 ist auf eine Antriebssninciel
31 geschraubt. Die Iinstellschraube 32 ist in die Mutter 30 geschraubt und liegt
auf dem Läuferansatz 33 auf, wenn der Liufcr 12 vorwärtsbewegt werden soll. Um den
Ljufer 12 zuriickzuziehen, wird die Einstellschraube 32 an der Anschlagmutter 34
auf dem Läuferansatz aufgelegt. Die Einstellschraube 32 wird von einem Zahnrad 35,
dieses seinerseits von einer Schnecke 36 und einem zugehörigen Antriebsmotor angetrieben.
Die Schnecke wird mittels eines Scharniers 37 und eines Luftzylinders 38 ein- und
ausgekuppelt. Mit dieser Antriebsweise kann der Läufer 12 bei in Rube befindlichem
Antrieb in Längsrichtung angetrieben werden. Eine kompliziertere Einstellvorrichtung
würde einen nicht gezeigten Differentialantrieb enthalten, der eine Binstellung
auch bei laufendem Extruder gestattet.
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Die gesamte Auspreßeinrichtung A ist mit geeigneten Maschinenbolzen
auf
den Sockel 42 montiert, der seinerseite mit geeigneten Stutzen (nicht geseigt) auf
den Boden 44 festgelegt ist.
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Die Dig. 2@ ist ein Teilaufriß eins Läufers 12', der gegenüber dem
Läufer 12 eine geänderte Nutenkonstruktion aufweist, bei der die Nuten 19' auf die
Anspreßkapszität Null sich verjüngen, so daß das verarbeitete Mischgut maximal auf
die Tubusnuten in der Läufer-auf-Tubus-Zone übergeht. Bei dem in Fig. 25 gezeigten
Läufer liegen die Nuten 19' unter einem Spiralwinkel von etwa 60° zur Läuferachse.
Andere Spiralwinkel sind ebenfalls geeignet.
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Auch ist die Anzahl der Läufernuten in der Tubus-auf-Läufer-Zone 18-23
verdoppelt, und zwar mit @ilfe eines Mischgutteilers 40 in jeder IJut 19' an deren
Anfang. Falls erforderlich, ist es auch möglich, nur die llülfte der Nuten auf diese
weise zu teilen.
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Fig. 26 ist eine Obefflächenabwicklung eines Quadranten der Spiralnut
19' des Läufers 12' und zeigt die Zuordnung der Nut 19' und der Foldflächen 21'
des Lufers 12'.
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Die Fig. 27 bis 32 zeigen aufeinanderfolgende Querschnitte von Quadranten
des Läufers 12' und näherungsweise dc Gestalt der ist 19', mit der sich Auspreßkapazität
erreichen läßt.
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Fig. 33 ist ein Teilschnitt auf der Linie 33-33 der Fig. 26.
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Fig. 34 ist eine Schnittdarstellung eines dem Tubus 10 ähnlichen
Tubus
10' mit sechs parallelen Tubusnuten 20' modifizierter Konstrulztion und Umflächen
22' vom Punkt 23 der ersten Mischstufe zum Punkt 23' der zweiten Mischstufe.
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Fig. 35 ist eine Oberflächenabwicklung eines Spiralsextanten der
Bohrung 11' oder Tubus 10' und zeigt die Zuordnung der ITut 20' und der Umflächen
22'. Die Fig. 35 zeigt die Änderung der Ganghöhe zwischen den Punkten 17, 18 im
Vergleich zu der Ganghöhe zwischen den Punkten 18, 23'.
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Die Fig. 36 bis 40 zeigen aufeinanderfolgende Querschnitte von Sextanten
des Tubus mit der näherungsweisen Gestalt der Nuten 20' für das Rückhalten und die
Übertragung des Mischguts. In der in den Fig. 34 bis 40 gezeigten Konstruktion wird
das Fluß. muster in Umfangsrichtung gelenkt, so daß man eine längsscherung des Iiischguts
an den Nuten erhält, während es vom Tubus auf den Läufer übergeht. Der Spiralwinkel
der Nut 20' ist vorzugsweise 45 ... 60 zur Mittellinie der Bohrung 11'. Die Mischgutströmung
an der Ablaufkante der Nut unterstützt die Verlangsamung der Umfangsströmung. des
Mischguts und die .';nderung dessen Richtung dergestalt, daß sie die Nutströmung
kreuzt. Die nockenförmige gestaltete Umfangsnut treibt das Mischgut vom Tubus zum
Läufer, wobei das Volumen ausreicht, um Auspreßdruck zu erzeugen. Die Mischgutströmung
erfolgt in Umfangsrichtung, wobei die ocherlinien überwiegend, axial mit dem Läufer
oder unter einem spitzen Winkel zur Nutrichtung verlaufen. Die Umfangsscherung,
während das Mischgut vom
Tubus zum Läufer übergeht, ist derart,
daß sie die Scherlinien flächig strecken will. Diese Scherart ist erwünscht, um
eine mikroskopische Dispersion zu erreichen, aber fiir eine Mischung weniger wirkungsvoll
als die Querscherung. Am Eingang zur Umfangs nut kann ein Mischgutteiler angeordnet
werden.
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Die Fi. 41 ist eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
der Tubusnut 20" des Tubus 10". Es liegen vier parallele Spiralnuten 20" mit den
Umflächen 22' in diesem alternativen Tubus 10" vor.
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Die Fig. 42 ist die Oberflächenabwicklung eines Spiraiquadranten der
Bohrung 11" des Tubus 10" und zeigt die Zuordnung der Nut 20" zu den Umflächen 22".
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Die Fig. 43 bis 47 einschl. zeigen aufeinanderfolgende Querschnitte
des Tubus 10" und näherungsweise die Gestalt der Tubusnuten 20" für das Rückhalten
und die Ubertragung des Mischguts.
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Fig. 48 und 49 zeigen Schnitt durch die Tubusnuten 20" auf den linien
48-48 bzw. 49-49.
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Fig. 41, 42 zeigen die Änderung der Ganghöhe zwischen den Punkten
1?, 18 auf Null zwischen den Punkten 18 und 23'. Der Spiralwinke der Nut 20" in
der Läufer-auf-Tubus-Zone beträgt vorzugsweise 45 ... 600 zur Mittellinie der Bohrung
11" und nimmt in der
Tubus-auf-L1.ufer-Zone 18-23' auf Null ab,
d.h. auf Parallelität mit der Mittellinie der Bohrung 11'.
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Das Mischgut in einer Extrudernut strömt angenähert wie folgt.
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Der offenliegende Teil des Mischguts in der Nut wird in Umfangsrichtung
geschert, so daß der resultierende Fluß zur Ablaufkante der Nut im wesentlichen
in Umfangsrichtung verläuft. Das von dieser Umfangsströmung verschobene Mischgut
folgt dann dem Weg geringsten Widerstands zurück zur Auflaufkante der Extrudernut.
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Dieser Riickflußweg liegt etwa rechtwinklig zur llut; die Druckströmung
kann aber auch einen Weg erzeugen, der fast parallel zur Läuferachse verläuft.
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In der Konstruktion der Fig. 41, 42 ist diese Strömung radial gerichtet,
so daß man beim Uebergang des Mischgutes vom Tubus zum Läufer Quernutscherung erhält.
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Die Mischgutströmung an der Ablaufkante der Nut unterstützt dabei
die Verlangsamung des Umfangsströmung und deren Richtungsänderun zur Quernutströmung.
Der verengte Strömmungsgaerschnitt erhöht di Strömungsgeschwindigkeit, so daß die
resultierende Strömung richtung fast axial verläuft. Die Tilbus-auf-Läufer-Nut ist
axial gerichtet und im Profil kreisrund, so daß das Mischgut rechtwinklig abgelenkt
wird und den Tubus in radialer Richtung verläßt. Der Teiler 42 in der Mitte der
axialen Austrittsnut stabilisierte die Radialströmung des Mischguts aus der Tubusnut.
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Große Umflächen in dieser Konstruktion verursachen wirkungsvoll eine
Strömung in den entsprechenden Läufernuten. Diese Konstruktion (Querscherung) ist
wirkungsvoll, da das Mischgut in der Tubus nut infolge der Führung der Strömung
vom Läufer zum Tubus in Form einer langen Spirale aus aufgewickelten Bandmaterial
vorliegt, deren Breite gleich der Länge der Läufer-auf-Tubus-Zone und deren Steigungswinkel
eine Funktion der kapazität ist.
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Während die vorsehende Vorrichtung hauptsächlich am Beispiel des Raffinierens
von Werkstoff wie gehärtetem oder Gummimaterial beschieben worden ist, läßt sie
sich mit oder ohne Änderungen und Einstellungen auch fiir die Verarbeitung anderer
thermoplastischer und wärmchärtender Werkstoffe bei sowohl warmer als auch kalter
Einspeisung einsetzen.