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Beschreibung der Erfindung zur Patentanmeldung
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Titel : " VERFAHREN ZUM PLASTIFIZIEREN VON KUNSTSTOFFEN DURCH SCHMELZENUMLAUF
" Die Erfindung betrifft das gezielte Plastifizieren durch Auf- bzw. oberflächiges
Anschmelzen der Kunststofformmasse (Granulat, ries oder Pulver) mittels Unterstützung
einer Plastomerschmelzenrückführung für das Urformen homogener thermoplastischer
Schmelzen und Mehrphasensysteme zum Herstellen thermoplastischer halbzeuge wie Profile,
Platten und Folien.
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Da Kunststoffe bekanntlich schlechtwärmeleitend sind und die Strömungsform
im Schneckenkanal von Einschneckenextruåern hauptsächlich laminar ist, besteht eine
schlechte Wärmeübertragung zu den einzelnen Korn- oder Granulatteilchen in dem zu
plastifizierenden Massestrang.
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Um eine wirksamere, d.h. auch schnellere und gleichmäßigere Plastifizierung
des Kunststoffrohstoffs ohne Minderung der gewünschten Extrudatqualität zu erreichen,
wird beispielsweise ein systemeigener Teilschmelzenstrom unter bezw. direkt vor
der Einfüllzone einer Schnecken-Plastifiziereinheit rückgeführt,in den Kunststoff-Granulat,
- Gries oder -Pulver eingegeben wird. Durch Einflußnahme auf das Schmelzenrücklaufvolumen
und auf die Schmelzentemperatur wird der optimale mech.-thermische Energieumsatz
in der gesamten Schneckenkanal-
#üllung einstellbar, so daß auch
eine partielle Senädigung der Kunststoffschmelze nicht stattfindet. Die Fürderung
homegener Kunststoffschmelzen unterschie@licher Temperatur und Durchmischung z.B.
zur Herstellung dünnwandiger Profile, aber auch von Mehrphasensystemen unterschiedlicher
Konzentrationen, wie z.L-. granulat in Schmelze verteilt oder verstärkte und gefüllte
Kunststolfe zum Beispiel Tär die Kerstellung qickwandiger Profile wird hiermit möglich.
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Die Verkurzung der Plastifizierzeit wogen Vergrößerung der Kontaktoberflächen
und wegen des Entfallens der Festförderzone, in dem eine nicht unbeträchtlicher
Teil der aufgenommenen Antriebsenergie bereits in form von Reibungswärme umgesetzt
wird, bedeutet gleichnzeitig eine Verringerung des erforderlichen Antriebsenergiebedarfs
für den Plastifiziervorgang.
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Das Plastifizieren in Schneckenextrudern zählt zum dominierenden,
weitverbreitetsten Verfahren mit dem Vorteil, sowohl kontinuierlich beim Extrudierens
wie aber auch diskontinuierlich beir Spritzgießen und zum Teil nuch beim Hohlkörperblasen
eingesetzt werden zu können. [1/58; 2/158-159; 3/61] Eine oder in Sonderfällen zwei
meist Tliegend gelagerte Schnecken in einem mit mindestens einer Beschickungsöffnung
und einer Austrittsöfnung angepaßten Gehäuse können als ihr gemeinsames maschinenbauliches
Merkmal angesehen werden D 4/74 ].
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Einschneckenextruder lassen sich grundsätzlich, je nach thermodynamischer
ArDeitsweise, in zwei Hau6tgruppen unterscheiden, d.h. sie erhalten die zum Materialaufschluß
erforderliche Temperatur neben der durch Energieumsatz entstehenden Reibungs-und
Scherwärme durch Wärmezufuhr von "außen" durch die beheizte Zylinderwand, oder autogen,
d.h. der Materialaufschluß erfolgt ausschließlich "von innen heraus" durch die von
der hierbei mit höherer Drehzahl rotierenden Schnecke erzeugten Reibungs-und Scherwärme
t4/76-85; 5/1-31; 6/15-20].
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Entsprechend ihrer Aufgabe (Materialtransport, Umwandlung, Druckaufbau,
Zumessen, homogenisieren) besitzt die dem Verfahren und Werkstoff angepaßte Form
der Schnecke bei dem bisher allgemein verfolgen Konzept der kontinuierlichen Verfahrensweise
drei aufeinander folgende sich beeinflussende Funktionsabschnitte [1/59; 4/104-184;
5/1-31; 6/20-21; 7/19-66; 8; 9/35-36]: Linzugszone : Einfüllen, Feststoffördern,
Einleiten des Aufschmelzvorc'anges Urnwandluns- bzw.
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Kompressionszone : Aufschmelzen des Kunststoffs Austrags- bzw.
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Meteringzone : Schmelzeförderung Die für die Plastifizierung erforderliche
arme wird über dem sich kompaktierenden Haufwerk aber Zylinder und Schneckekonduktiv-konvektiv
zugeführt und durch Friktion in der sich bildenden Schmelze zwischen Feststoffbett
und Zylinderwand erzeugt [8 ]. Das von Scherdeformationen freie Eaufwerk nach
allseitig umhüllter umlaufender und einsickernder Schmelze bei Kunststoffmaterialien
mit guter lIaftung (z.B. Polyolefin-Pulver oder -Cr=nulat) wie aber auch die komprimierte
(zusammengesinterte) Fritte, welche erst in einer schmalen Ubergangszone in den
plastischen Zustand übergeht, bei schlecht wandhaftenden Kunststoffmaterialien (z.B.
PVC hart) sind die beiden möglichen Extreme beim Aufschmelzvorgang £-11/31; 1/59-62
2.
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Gerade bei der Verarbeitung pulverförmiger und schlecht wandhaftender
Materialien ist das Abschaben des Schmelzenfilms mit dem Schneckensteg infolge Gleitens
der Masse häufig nicht gegeben tl/61-62i. Mit Hilfe von Beschickungs-, Einzugs-
und Mischteilen ist es jedoch z.T. auch hier möglich geworden, diese Materialien
mit Einschneckenextrudern gut zu verarbeiten [1/69-73; 4/85-117; 18 7.
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rinfüllhilfen wie Gewichtsdosierung oder im Bereicl-, der Einfüllöffnung
angebrachte fürderwirksame Binzugsbuchsen mit zylindrisch- bzw. konisch-axial genuteter
Form haufiX in Kombination mit spezifisch wirksamen iIomogenisierhilfen finden bezüglich
eines leistungsfähigeren Durchsatzverhaltens ihre Verwendung E1/69-73; 8; 10/31-32;
11/9-12; 7/41-45; 12; 13; 14; 163.
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Grundsätzlich beeinflußt weitgehend die Einzugszone das Förderverhalten
von Einschneckenextrudern, wobei bei glatter Zylinderwand die äußere Reibung zwischen
Kunststoff-Zylinderwand wid Kunststoff-Schnecke una bei längsgenuteter intensiv
gekühlter "Födersteifer" Einzugszone noch zusätzlich die innere Reibung und Scherfestigkeit
des Materials berücksichtigt werden muß C3; 16; 17;3. Alle diese Feststofförderbereiche
bedingen eine hohe Antriebs leistung und schwere Bauart der Lager während beim herkömmlichen
Einscnneckenextruder die Meteringzone den :Iassedurchsatz zumißt, bestimmt der Extruder
mit förderwirksamer ninzugsbuchse die Einzugszone und beim dosierten Beschicken
die Einfüllhilfe bei weitgehender Unabhängigkeit vom Gegendruck den Slassedurchsatz
C 3/65 I .
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Zweischneckenextruder werden in der Aunststoffverarbeitung nur für
schwierig berarbeitbare Fornmassen wie Pulver und vor allem das leicht zum Zersetzen
neigende Polyvinylchlorid sowie für die Regranulatverarbeitung sinnvoll eingesetzt.
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maschinentechnisch aufwendige Konstruktion und schwierige Schneckenlagerung
können jedoch den Vorteil, der bei der weitgehenden Zwangsförderung auftretenden
kürzeren Verweilzeit des Materials und kräftigere Scherung und damit der Gefahr
der thermischen örtlichen Überhitzung von Schmelzeanteilen bei den meist gegenläufig
kämmenden Schnecken nicht aufheben [33].
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Die wenier verbreitete und aufwendigere Bauart, meist als Lntgasungsextruder
zeichnet sich durch eine Hintereinanoerschaltung zweier Schneckenstufen aus, die
so aufeinander abgestinurt sein müssen, daß beim Eintritt in das zweite System die
Entspannung und das Entgasen durch Aufspalten der Schmelze in viele kleine Teilströme
stattfindet r 30 7.
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Die llintereinanderschaltung kann sowohl als Kombination zweier völlig
unabhängiger Einschneckenextrudersysteme (Kaskadenextruder) erfolgen, als auch durch
starre Kupplung zweier Systeme in einem Zylinder. Das aufwendigere erste System
weist aber im besonderen neben der zusätzlichen Schmelzeentgasung eine sehr gute
Regelbarkeit infolge der möglichen Drehzahldifferenzierung auf 10/34-36J.
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Folgende Grundfunktionen haben alle bisherigen Schneckenextruder in
Kaskadenanördnung gemein: a) Verdichten und Entlüften des Kunststoffaufgabegutes
b) Plastifizieren des Materials sowie gleichzeitiger Druckaufbau durch Kanalverengung
c) Druckentlastung des plastifizierten Materials und Absaugen der frei werdenden
flüchtigen Bestanteile d) Erneuter Druckaufbau und Ausstoß der entgasten Schmelze
Durch den Einbau entsprechender Mischvorrichtungen für eine wirksame Schmelzeentgasung
wird diese Maschine komplizierter, teurer und weniger betriebsacher. Sie eignet
sich jedoch besenders für die Pulververarbeitung t10/34-36.
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Dieses System findet als Plastifiziereinheit gleichfalls beim kontinuierlichen
(Extrudieren) und beim diskontinuierlichen (Spritzgießen) Produktionsbetrieb Verwendung
t31; 32 7.
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4 ines Schneckenextruders in Raßkadenanoratung.
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Das Forderverhalten in der Einzugszone konventicneller Einschneckenextruder
und damit der für die Plastifizierung und die Verformung der thermoplastischen melasse
notwendige Druckaufbau hunzt weitgehend vom temperatur- und drehzahlabhängigen Reibungsverhalten
zwischen Kunststoffrohstoff und Zylinderwand bzw.
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Schneckenoberfläche und von der inneren Reibung zwischen den Kunststoffpartikeln
ab t19/238-2452. Dies bedeutet zwangshäufig, daß ein erheblicher Teil der Schneckenlange
als reine Transportzone fungiert, die die Fördermenge des Gesamtextruders wesentlich
mitbestimmt S 17 2. Für Feststofftransport, -verdichtung und -vorwärmung kann dabei
die benötigte Energie gegenüber dem Gesamtenergiebedarf bis zu 30 % betragen r 12;
172.
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Der von Scherdeformationen freie zentrale Bereich des Schneckenkanals
um die Hullspannungsebene11, dessen Volumenelemente gegenüber den an den Grenzen
des Kanals befindlichen Teilchen großer Verweilzeit den Extruder am schnellsten
durchlaufen, kann nur durch eine entsprechend lange Meteringzone geringer Gangtiefe,
eventuelle Schneckenkühlung und durch eine Erhöhung des Rückdrucks vom Bereich mit
effektiver alischwirkung erfaßt werden und somit inhomogenitäten im extrudierten
Produkt vermeiden helfen. Einer Erhöhung des Rückdrucks sind dabei Grenzen gesetzt
C4/113-116; 19/256-257 .
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Da bei diesem Plastifiziervorgang der iIauptteil der Friktion nur
auf wenige dünne Schmelzeschichten an der Zylinderwand begrenzt ist, ist ein lokales
Überhitzen und somit Schädigung des Schmelzefilms in den Randzonen leicht gegeben.
C 9 S.
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Das Erstellen granulatdurchsetzter Schmelzen des gleichen Ausgangsmaterials
oder mit Fu.'ll- und Verstärkungsstoffen durchsetzte Schmelzen mit guter Verteilung
und unterschiedlicher Konzentration z.B. für dickwandige Profile ist bei diesem
Extrusions-Plastifiziermodell nur sehr schwer und unter Verlust einer erheblichen
Effektivität möglich.
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Um die Schmelzenqualität, d.h. die mechanisch-thermische Homogenität
verbessern zu können, wurden zusätzliche mischzone für Schmelzen hohler Viskosität
und Scherzonen bzw. Kombinationen für niedrigviskose thermoplastische Schmelzen
(allgemein auf dem letzten Drittel der Schneckengesamtlänge) angeordnet, die durch
Aufreißen des Massestrangs den Zerteil- und Verteilvorgang mit gleichzeitigem Wärmeäbergang
an den neu geschaffenen Oberflächen verbessern halten t1/61-62 u. 69-73; 20; 25.
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Grundsätzlich ist jedes ;5isch- und Scherteil ein Druckverbraucher,
welcher immer eine Verringerung des möglichen Massedrucksatzes verursacht. Die gleichzeitige
Temperaturerhöhung in der thermoplastischen Schmelze durch Einbringen eines zusätzlichen
Energieanteils verrößert gegenüber Schnecken ohne Scherteilen die Gefahr der partiellen
Schädigung der Schmelze. Weiterhin müssen diese Misch- und Scherteile genau auf
die Eigenschaften der Kunststoffmasse wie aber auch auf das Schneckenzylindersystem
und das Werkzeug abgestimmt sein und gewähren so nur eine relativ schmale Arbeitsbreite
des Linschnekcneextruders C 20/355-361-7.
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Ein Nachteil bei den konventionellen reibschlüssig fördernden Einschneckenextrudern,
der durch ungünstigen Einlauf, Gangsteigerung, Schneckengeometrie, Drehzahl und
Material bedingt oft pulsierende und gegendruckabhängige Ausstoß bei einem Förderwirkungsgrad
von nur 20 - 60 i, ließ ein Konzept verwirklichen, bei dem genutete Einzugsbuchsen
eine weitgehende Zwangsförderung mit Druckaufbau und - maximum in der Einzugszone
bewirken, aber gleichzeitig eine wesentlich erhöhte Antriebsleistung verlangt g7;
8; 12; 21-24 7.
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Die vielfache erhebliche Erhöhung des Massedurchsatzes mit Hilfe von
diesen im Einzugsbereich eingebauten förderwirksamen Einzugsbuchsen erfordern für
eine gute Extrudatqualität zum mindesten bei fördertechnisch problematischen Kunststoffen
spezifisch wirksanie Homogenisierhilfen, die in Form von Misch-, Scher- und Kombinationen
beider mit jedoch unterschiedlichem Erfolg eingesetzt werden.
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Die Abhängigkeit der Förderung ist auch hierbei von ilaterialart und
-form gegeben 1/69-73; 11/62; 8; 26-282.
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Eine Verbesserung zu einer möglichst gleichmäßigen schnellen Plastifizierung
im Einschneckenextruder konnte nun am IKV in Aachen durch die Einspritzung flüssigkeitsähnlicher
medien in die unplastifizierte Feststoffmasse der Einzugszone mittels eines Hilfsextruders
erreicht werden C 29 S.
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Der
Erfindung dieses Verfahrens liegt die Aufgabe zugrunde, grolDe Volumendurchsätze
bei einstellbarer gleichmäßiger und schonenderer Plastifizier-, wlisch- und Homogenisierwirkung
mittels einer kleinen kompakten Bauweise unter Enerbieeinsparung zu ermöglichen
und die Förderung homogener Kunststoffschmelzen wie aber auch i!ehrphasensysteme
zu gestatten.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Kunststoff-Granulat,
- Gries oder-Pulver in einen in den Einzugsbereich einer Plastifiziereinheit rückgeführten
einstellbaren Kunststoffschmelz4en-Volumenstrom (Schmelzenumlauf) eingegeben wird,
um einerseits mit Wärmeaufnahme durch lZ-irmeleitung von der Zylinderheizung über
die Kontaktoberfldchen der Partikel und durch Wärmeübertragung aufgrund der Bewegung
in der die Korngrenzen umhüllenden Schmelze ein gleichmäßiges, schnelles und schonendes
Plastifizieren zu erwirken und somit Plastifizierzeit vermindern, den Raumbedarf
verkleinern und Energie einsparen und um andererseits neben der Förderung homogener
Kunststoffschmelzen für z.B. dünnwandige Halbzeug auch Mehrphasensysteme sich wie
Schmelze-Granulat-Gemische unterschiedlicher Konzentrationen und gleichmäßiger Verteilung
oder Kunststoffschmelzen mit Verstärkungs- und Füllstoffzumischungen zu ermöglichen.
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Der wegen eines gezielten und steuerbaren Plastifizierens der Kunststofformmasse
mit einer Drossel definiert einstellbare Kunststoffschmelzenrücklauf vird durch
Kombination zweier unabhängiger in Reihe nebeneinander liegender Einschneckenextrudersysteme
erreicht, welche zum Zwecke des Schmelzenumlaufs an Anfang und Ende miteinander
mit Schmelzekanal-verbindenden Umlenkungen versehen sind. Die Pumpelemente die den
Schmelzenumlauf ganz oder teilweise unterstützen, sind in getrennten oder in einem
gemeinsamen Gehäuse untergebracht, wobei mit letzterer Ausführung eine maximale
Wärmeausnutzung erreicht wird.
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Um ein weitgehend stabiles Druckniveau am Auslaß der Plastifiziereinheit
zu ermöglichen, womit ilasseåurchsatzschwankungen vermieden werden können, weiterhin
die Wirtschaftlichkeit des Systems bei größerer Schmelzenentnahme zu wahren bzw.
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verbessern zu können und aber auch eine weitere Wärmezufuhr zum schnellen
und gleichmäßigen Plastifizieren der Kunststoffformmasse zu ermöglichen, wurde zwischen
den beiden Einschneckenextrudersystemen ein steuerbarer Schmelzenleckstrom in Form
eines Beipasses angebracht.
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1. Schnellere und gleichmäßigere Plastifizierung durch Einspeisung
des Kunststoffrohstoffs in die umlaufende bzw. rückgeführte Schmelze 2. Einstellbarer
mechanisch-thermischer Energieumsatz durch steuerbares Schmelzenrücklaufvolumen
und somit Beeinflussung der Ilassetemperatur, der IIischwirkung und des Durchsatzes
3. Stabiles Druckniveau am Schneckenende und Wahrung bzw. Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
bei größerer Arbeitsbreite mit Hilfe eines Steurkreises in Form eines Beipaß.
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4. Antriebsenergieeinsparung bei kleiner kompakter Bauweise durch
Fortfall der Festkörperförderzone und durch größere Wärmeübergangsoberflächen bei
den+Feststoffkörnern.
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5. Geringerer Heizenergieverlust durch bessere Wärmeübertragung und
Kompaktbauweise 6. Geringere Gefahr partieller Schädigung des Kunststoffs beim Plastifizieren
wegen einer besseren Temperaturführung durch den Schmelzenrücklauf.
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Diese Ausführung einer Schnecken-Plastifiziereinheit mit Schmelzeumlauf
besteht im wesentlichen aus 2 in Reihe nebeneinander geschalteten Einscnneckenextruåern,
welche am Ende zum Zwecke des Schmelzenumlaufs über zwei Verteilerköpfe und Umlenkungen
mit Transmissionsplatten verbunden sind.
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Das zu plastifizlerende Kunststoffrohmaterial wird über den Einfülltrichter
in den mit Hilfe des Drosselventils II definiert einstellbaren Schmelzenrücklauf
eingegeben. Die Druckregelung im Schneckenkanal über die beiden anderen längsverschiebbaren
Drosselelemente I und IV am Ende des 1. Extruders in der rechten Transmissionsplatte
und hinter dem Verteilerkopf am Ende des 2. Extruders dient einer Arbeitsweise mit
angepaßtem und kontrolliertem Gegendruck, welche neben dem einstellbaren mech.-thermischen
Energieumsatz den Vorzug einer gewünschten Durchmischung der Schmelzen in sich birgt.
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Die beiden letztgenannten im Ilauptstrom geschalteten Drosselelemente
sind bezüglich ihrer Schmelzendrosselung voneinander abhängig. Bei größerer Schmelzeentnahme
würde das Schmelzerücklaufvolumen zur Schneckenstufe 1 entsprechend gemindert werden.
Dies würde eine Veränderung des mech.-thermischen Energieumsatzes nach sich ziehen.
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Die Vorzone, in unserem Fall der Schmelzenrücklauf, beeinflußt dabei
die Förderung bzw. das Förderverhalten. Daher wurde zusätzlich in den offenen Plastifizierkreis
ein innerer geschlossener Steuerkreis in Form einer Nebenstromschaltung eingebaut.
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Dieser Beipaß, dargestellt durch die 3. Transmissionsplatte zwischen
beiden Schneckenstufen, läßt dabei primär über die Massenstromregelung mit Hilfe
eines Drosselelementes III ein einstellbares konstantes Druckniveau in beiden Schneckenkanälen
zu, ermöglicht die Optimierung des Verfahrens und ermöglicht sekundär eine weitere
Wärmezufuhr über einen Schmelzenleckstrom zum schnellen Plastifizieren.
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Beim Übergang von Pulver bzw. Granulat in Schmelze erfolgt über die
Schneckenlänge stets eine Volumenverminderung, welche bei äblichen Extrudern unter
Kompaktieren durch Veränderung der Gangtiefe der Schnecke abgefangen wird. 3eim
Plastifizieren LIt zcnenlosen Schnecken würde die Gefahr bestehen, daß die Masse
mit Druckregelung am Ende der Schnecke pulsierend austritt.
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Durch den Schmelzenrückfluß über den Beipaß is dies nun weitgehend
eingeschränkt.
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Eine Entgasungsmöglichkeit der thermopl. Schmelze bietet sich zu beginn
der 2. Schnecke, der Stelle des niedrizsten Masseduckes, an.