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Beschreibung
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Vorrichtung zum Spritzen und Spritzgießen plastifizierbarer Massen,
insbesondere schmelzfähiger Kunststoffe Die Erfindung soll in ihrer Ausfuhrungsmögli
chkeit als Einfach schneckenextruder bz. als Spritzgießeichtung zur formgebenden
Verarbeitung von schmelzfähigen Kunststoffen, z.B.
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Polyvinylchlorid, Polyäthylen usw., erläutert werden. Ausführungsformen
können also für kontinuierliche Verarbeitun£saufgaben, aber auch ür Sritzgießzwecke
im diskontinuierlichen Betrieb verwendet werden. Im letzteren Fall ist aber auch
eine kontinuierliche Plastifizierung vor dem diskontinuierlichen Spritzvorgang berücksichtigt.
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Zur Verarbeitung der vorgenannten Kunststoffe haben sich Einfachschneckenextruder
bewährt. Die beim Extrudieren der Verärbeitungsmasse benöti@te Transportreibung
kann bei entsprechender Gestaltung der Extruderschnecke annähernd restlos zur Ervärmung,
also im Beda@fsfall zum Aufschmelzen der Masse, ausenutzt werden. Das kalt zugeführte
Verarbeitungsmaterial, Pulver oder Granulat, ist in den ersten Gewindegängen im
Eingangsteil des Extr puders noch griffig, also gut einzugsfähig. In den nachfolgenden
Gängen wird es durch leichte Erwärmung noch förder,-ihi;er. In weiteren nachfolgenden
Gewindegängen aufschmelzende und aufgeschmolzene Vera@beitungsmasse wird - auch
wenn im Bedarfsfall eine wässerige Konsistenz entstanden ist -vom Eingang der Schnecke
zugeschobener festeren Masseteilchen auf den benötigten Verdüsungsdruck komprimiert.
Wird die Extrudenscilnecke in Bezug auf Länge und Drehzahl entsprechend bemessen,
kann im Vera:beitunsprozess eine Bilanz erreicht werden.
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daß die angelegte Transrort- und Kompressionsarbeit gerade die Größe
der Warmemen-,e besitzt, die zur erfolderlichen Erwärmung des Vera@beitungsgutes
zwecks Aufschmelzens benötigt wird.
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Bei Bemessung der Schnecke muß ihre maximale Umfa###########-digkeit
in Bezug auf zulässige Wandreibungswärme berücksichtigt werden. Die Gewindegänxe
sollen einerseits zur Schaffung eines möglichst großen Durchsatzvolumens eine, aber
noch transpotwirkende, große Tiefe besitzen, andererseits jedoch, speziell im auslaufenden
Schneckenbereich, eine .geringere Tiefe aufweisen, um bei möglichst geringer Masseschichtstärke
eine schnelle und gleichmäßige ärmezufuhr ins Innere der Mase zu erzielen.
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Aus der von der jeweilig gewählten Gangtiefe abhängigen Verweilzeit
zur Durchplastifizierung sämtlicher Uaseteilchen bei zulässiger maximaler Schmelztemperatur
ergibt sich die L.inge der Schnecke.
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Obwohl in den Gewindegängen der Einfachschnecke im Gegensatz zu im
Schraubenpumpenprinzip arbeitenden Mehrfacschnecken kein unmittelbarer Vorschub
durch Verdrä verwirkung erfolgt, sondern der Vorschub durch Abrollen der Masse zwischen
Gehäusewandung und Schneckenkern btattfindet, und dadurch eine ständige Bewegung
der Masseschicht vorliegt, ist die erforderliche VelTJeilzeit vom Quadrat der Gangtiefe
abhängig. Wenn wirtschaftlich interessante Ausstoßmengen erzielt werden sollen,
sind relativ lange Schneckenbaulängen im Verhältnis zum Durchmesser unumgänglich.
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Um mit möglichst großen Gangtiefen und möglichst kurzen Schneckenlängen
befriedigende Durchsatzmengen bei kürzerer Veneilzeit zu erzielen, ist es notwendig,
die Schmelztemperaturen möglichst hoch anzulegen, und an der Schichtoberfläche der
Verarbeitungsmasse auftretende Übertemperaturen und im Masseinneren vorhandene Untertemperaturen
durch mannigfaltig gestaltete zusätzliche Knetelemente an verschiedenen Zonen der
Schnecke auszugleichen.
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Z.B. werden am Schneckenauslaufende geriffelte oder mit Nocken versehene
Homogenisierelemente angebracht.
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Bei bekannten Vorrichtungen mit zusätzlich angeordneten Homogenisierelementen
kann zwar erreicht werden, daß in der verdüsungsfähig plastiftzierten Masse eine
Durchschnittstemperatur zu messen ist, die der Höhe des dem Verarbeitungsgut ginstigsten
Wertes
entspricht} jedoch verursachen einerseits einmal aufgetretene bberternperaturen
in einzelnen Masseteilen schädliche Zersetzun spartikel und andererseits durch nicht
erreichte volle Schmelztemperatur einzelner Partikel ebenfalls eine Qualitätsminderung
des Produktes.
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Die mit Hilfe von Homogenisierelementen auf eine scheinbar günstigste
Temperatur gebrachte Masse besitzt neben der allgemeinen ualitätsminderung auch
noch den Nachteil, daß sie infolie von örtlich im Pl;stifizierprozeß aufgetretenen
Übertemperaturen, an den Entstehungsstellen, z.3a an Ghäuse- bzw.
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Kanalwandungen, einen unFunstiKen Einfluss auf die Wandoberflächen
ausüben. Nicht nur bei durch örtliche bertemperaturen entstehende Salzsäureteilchen
(bei PVC-Vera-nbeitung), sondern auch bei durch bbertemperatur entstehende Abbaukonzentratteilchen
(bei Polyolefinen) verursachen Korrosionen bzw. Haftfilme an den Wandungen. Notwendige
mechanische manuelle Retnigungsarbeiten berrenzen lästig die Dauerbetriebszeiten.
Beeinflussung zersetzter Masseteilchen auf Wandoberflächen setzt auch die Lebensdauer
der Verarbeitungseinrichtung beträchtlich herab.
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Solche Umsnde bringen es insbesondere auch mit sich, daß verschiedene
bekannte günstige Methoden zur Lenkung von Masseströmen über Steuerelemente an Verarbeitungseinrichtungen
in der Praxis nur bedingt angewandt werden können. Wenn beispielsweise im Spritzgießverfahren
eine rotierende Extruderschnecke bei niedrigem günstigem Druck die Masse plastifiziert,
und die Kasse anschließend über axialen Kolbenschub der Schnecke mit hohem Druck
in Formen gepreßt wird, sind in vielen Fällen Rückschlagventile zur Abgrenzung von
Nieder- und Hochdruck erforderlich, die zur Funktionserhaltung besonders häufig
von übertemperierten Masseteilchen gereinigt werden müssen.
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Wenn bei Spitzgießverfahren die an sich vorteilhafte Methode angewandt
werden möchte, die Extruderschnecke nicht wie üblich nur zeitweise diskontinuierlich
zur Vorbereitung des Sprit volumens rotieren zu lassen, sondern kontinuierlich,
also ohne Unterbrechung auch während des Hochdruckspritzvorganges, dadurch
rotierend
betreiben zu können, daß die mit niedrigem ßxtrusionsdruck plastifizierte Maste
über Steuerelemente wechselweise in zwei oder mehrere Hochdruckkolbenrezipienten
eingespeist wird, von denen jeweils einer nach Absperrung über das Steuerelement
vom Niederdruckteil zum Spritzen mit Hochdruck verwendet werden könnte, sind die
Steuerelemente durch vorbeschriebene Rückstandsverunreinigungen derartig gefährdet,
daß in der Praxis die Anwendung von Wechselrezipienten infrage gestellt ist. Steuendemente
für wechselnde Beschickung mehrer Kolbenrezipienten hinter einer Extrudierschnecke,
z.Bv Kugelventile oder Drehkolbenschieber, bedürfen auch stets einer aus dem Ventilorgan
herausführenden Bedienungswelle. Ebenso, wie an verwendeten Plungerkolben in Rezipienten,
sind nach außen führende Bewegungsspalte erforderlich. Solche Spalte sind dann besonders
schwierig abzudichten, wenn das Verarbeitungagut, wie dies bei bekannten Schneckenkonstruktionen
zur restlosen Aufschmelzung sämtlicher Masseteilchen notwendig ist, weit über seine
theoretische Schmelztemperatur erwärmt wurde, also eine sehr niedrige Viskosität
besitzt. Beispielsweise müssen Polyolefine, die einen theoretischen Schmelzpunkt
von 140 - 2400 besitzen, auf 220 - 3600 erwärmt werden.
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Um Über- und Untertemperaturen zu vermeiden, ist es bekannt, die Schnecke
in mehrere Zonen zu unterteilen und jede einzelne Zone getrennt geregelt anzutreiben
und für günstigste Verarbeitungseinwirkung ( Transport, Plastifizierung, Druckaufbau),
besonders in Bezug auf günstigste Umfangsgesohvrrindigkeit der bewegten Teile,.
auszulegen. W.nn zwischen eimer getrennt angetriebenen lediglich für günstigsten
Transport ausgelegten Mingang.- und Ausgangsschne@ke ein speziell zur Kasseplastifisierung
ausgelegter Schmelzreaktor in seiner Umfangsgeschwindigkeit steuerbar angeordnet
ist, kann eine besonders kurze Verweilzeit, also eine hohe Durchgangsleistung, bei
niedrigster Schmelstemperatur erreicht werden. Die im Mischreaktor angewandle Mlschwirkuq
gewährleistet eine gleichläSige Wärmebildung is Inneren der linie, so daß auf nachträgliche
Somogenialereinrichtunglen verzichtet werden kann.
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Da bei solchen Aggregaten jedoch auf den benötigten Transportschnecken
- besonders einer hochkomprimierenden iustragschnecke " die an der Oberfläche der
Masseschicht auftretende Reibungiwärme durchsatzfördernde Geschwindigkeiten begrenzt,
ist der Aufwand der getrennten Antriebsmittel nur für besondere Verarbeitungsaufgaben
rentabel.
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E 9 w u r d e g e f u n d e n , daß das bewährte Prinzip des konventionellen
Einfachschneckenextruders - I>ruckerzeugung vom kalten Material aus, volle Ausnutzung
von Transport-und Kompressionsarbeit zur Plastifizierwärmebildung, einfachste Antriebsmittel
-- auch mit relativ kurzer Schnecke, die für günstigsten Transport effekt einen
möglichst tiefen Gewindegang besitzt, angewandt werden kann, wenn durch Gestaltung
des Gewindeganges die transportwirkende Wandreibung zwischen Schneckengangoberfläche
und Gehäuseinnenwand vorranglich den Kassetransport in Förderrichtung einleitet,
und im Gewindegang angeordnete Mischnocken das Innere der Kasseschicht dabei durchkämmen.
Sich ergebende Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere auch für Spritzgießaufgaben,
sind erfindungsgemäß als Abhängigkeit gefundener Maßnahmen erläutert.
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Durch an sich bekannte Gestaltung des Schneckenganges für gUnstigs
ten Transporteffekt, nämlich Anlage einer größeren Oberfläche des aehäustinnenwandanteils
gegenüber der Gewindegangoberfläche, kann der Transporteffekt der Schnecke auch
bei tiefem Gewindegang so groß sein, daß entsprechend, ebenfalls in an sich bekannter
Weise, von Obeflächengrößen abhängig bemessene im Gewindegang angeordnete Mischnocken
den Vorschub der Masse nicht behindern.
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Die erfindungsgemäße Kombination, nämlich bekannte Ausbildung des
Gewindeganges nach Reibflächengröße und Anordnung von ebenfalls bekannten nach Reibflächengrößen
bemessene Mischnocken, unmittelbar im Gewindegang'gestattet eine von Schichtatärken
unabhängige Zubringung der Schmelzwärme durch kischbewegung des gesamten Massevolumens
im Gewindegang. Eine sichere Transportwirkung im Gewindegang kann also bei Anordnung
von Mischnocken innerhalb des Ganges, auch wenn dieser extrem tief geschnitten ist,
erreicht werden, wenn die Oberflächenreibkräfte am Zylinderwandanteil
um
einen Gang herum gröber sind als die Oberflächenreibkräfte an Gangkern plus Gangstegflanken
plus wirksamer Oberflächen der Mischnocken. Die Reibkräfte sind bei gleichem spezifischen
Massedruck den vorhandenen Obeilächen;rößen proportional.
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Die am stehenden Gehäusewandanteil benötigte größere bremsende Reibkraft
gegenüber einer kleineren, möglichst noch gleitfähigen Reibkraft im Schneckengang,
wird also dann gebildet, wenn die Oberfläche des Gehäusewandanteils größer ist als
die Obe-flächen von Schneckenkern plus Gangflanken plus Mischnocken.
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Die Schneckenkernoberfläche ist unabhängig von Gangtiefe und Steigung
stets kleiner als die umgebende Gehtiusewandfläche. Die Obe fläche der Gangflanken
wird dagegen mit größer werdender Gangtiefe quadratisch größer, der Anteil der gesamten
Shst Gangoberfläche jedoch mit größer werdender Gangsteigung geringer.
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Nach an sich bekannter Gestaltung des Gewindeganges mit einer Gangsteigung
von etwa 1,5 1 Schneckendurchmesser wird der Anteil der Gangflankenflächen trotz
quadratisch wachsender Größe auch bei tief geschnittenen Gängen nicht so groß, daß
er plus Gangkernoberflache den Gehäusewandflächenanteil überschreitet.
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Analog zum Transphrteffekt ist auch der Mischeffekt eines rotierenden
Werkzeuges von den Oberflächen, einerseits des feststehenden Gehäusewandanteils
und andererseits des rotierenden Werkzeuges abhängig. Zur Erreichung eines inneren
Mischeffektes muß die Verarbeitungsmasse auch an glatter Gehäuseinnenwand g in der
Bewegung gebremst werden, im rotierenden Mischwerkzeug jedoch möglichst gleiten,
damit an der Gehäusewand geringe Bewegung, also geringe Reibarbeit ausgeführt wird,
Dagegen im Inneren der Masse große Bewegung und hohe Reibarbeit zustande kommt.
In an sich bekannter Weise wird das dafür benötigte Oberflächenverhältnis zwischen
Stator und Rotor dann erreicht, wenn die Projektionsflächen in Wirkrichtung der
Kischwerkzeugnocken plus Oberfläche der Nockenwelle kleiner sind als die umgebende
Gehäusewandfläche.
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Um bei erfindungsgeniäßer Kombination der bekannten Elemente, einerseits
tief geschnittener Schneckengang mit ungewohnt großer Steigung mit andererseits
unmittelbar im Gewindegang angeordneten
speziell gectalteten Mischnocken
einen -leichmäßigen Transport im Schneckengang und einen gleichmäßigen Mischeffekt,
vorranglich in Umfangsrichtung wirkend, zu erreichen, sind die Mischnocken vorzugsweise,
in an sich bekannter Weise so gestaltet, daß sie keine eigene aktive Transportfunktion
in Förderrichtung des Mazoestromes ausüben, z.B. dadurch, daß sie als RundstäBe
ausgebildet sind.
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Die gefundene Kombination soll an fol endem Zahlenbeispiel erläutert
werden: Schnecke 80 mm , Gangtiefe 10 mm, Gangsteigung 1,5 D = 120 mm.
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Im Gewindegang sind am Umfang verteilt Jeweils 12 Mischnocken von
8 mm # Je Gangbereich angeordnet.
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Die Gehäusewand über einem Gewindegang besitzt die Oberfläche von
301 cm².
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Oberfläche des Schneckenkernes eines Ganges 225 cm2 zwei Gangstirnflächen
50 cm2 Wirksame Oberfläche von 12 Mischnocken 2 innerhalb eines Gewindeganganteils
10 cm 2 Gesamtobe-flächenanteil rotierender Teile 285 cm also 94,6 r vom Gehäusewandanteil.
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Extruderschnecken nach erfindunsemäßer Gestaltung ermöglichen es,
trotz einfachster Ausführungsform auf kleinem Raum das Verarbeitunggut durch innere
Mischreibung von Anfang bis Ende des VerarbeitunC,sprozesses gleichmäßig einer gev,ünschten
Wärmezufuhr auszusetzen. Wenn das Gut vom pulver- oder granulatförmigen Ausgangsprodukt
zur formfähigen dichten Masse verdüst werden soll, also durch Aufschmelzen bzw.
Kompression vom Schüttgewicht von z.B, 0,5 auf ein spezifisches Massegewicht von
1,4 verdüst wird, nimmt die Dichte der Masse von der Einspeisestelle aus bis zur
Austrittsdüse sukzessiv zu. Verdrängte Luft und verdampfende andere Gase können
ungehindert entgegen der Fließrichtung an der Einspeisestelle des Extruders entweichen.
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Erfindungsgemäß gestaltete Schnecken können in üblicherweise für Strangpressenextruder
eingesetzt werden. Sie können auch,
ebenfalls in üblicherveise'
in Spritzpgießvorrichtun'en, einerseits als diskontinuierlich rotierendes Plstifizierorgan
für niedrigen Plastifizierdruck und andererseits als diskontinuieilich axial be:ectes
Kolbenorgan für Edchstdruck, angewandt werden. Die gleichmäßig bei niedrigster Temperatur
durchwäimte Vera:r-beitunsmasse gestattet optimalen Strömungsverlauf, auch in notwendigen
Rücksperrelementen, ohne Wandverkrustungen im Dauerbetrieb.
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Die Schnecken ermöglichen es aufgrund der beschriebenen Eigenschaften
aber auch, Steuerelemente am Düsenteil der Vorrichtungen funktionsfähig anzuordnen,
die kontinuierlich plactifizierte Masse wechselv:eise diskontinuierlich in zwei
oder mehrere getrennt angetriebene Kolbenrezipienten mit Niederdruck einspeisen.
Die Masse kann dann, wieder wechselweise diskontinuierlich, mit beliebig hohem Druck
verspritzt werden.
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Der jeweils mit Niederdruckinasse zu beschickende Rezipient kann so
überseinen Kolbenantrieb beim Zurückweichen des Kolbens gesteuert werden, daß beim
Massezufluß gerade der Widerstand entsteht, der einen günstigsten Plastifizierdruck
auf der Extrusionsschnecke erzeugt.
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Neben der erreichten Produktionsqualitätsverbesserung kann mit den
gefundenen Maßnahmen bei Spritzgießverfahren der fließtechnische Vorteil ausgenutzt
werden, die Plastifizierschnecke lediglich kontinuierlich auf eine zugemessene Drehbewegung
(ohne Axialschub) anzutreiben. Die Schnecke als Hauptorgan der Spritzgießvorrichtung
erfordert dann keinerlei Stillstandzeiten und keine komplizierten anfälligen Antriebsmittel
für ständige An- und Abatellvorgänge.
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Nach der Erfindung kennen Maschinen ökonomisch so konstruiert werden,
daß sie je nach Produktionsbedarf als Strangextruder, durch Vorbau eines St euerelement
es mit Kolbenreziptenten aber auch für Spritzgießaufgaben zu verwenden sind, Der
wesentliche Bestandteil der Erfindung, die Extruderschnecke, ist als Ausführungsbeispiel
in der Zeichnung dargestellt: Zig. 1. zeigt einen Gesamtlängsschnitt des Extruders
t mit steilgängiger Schnecke 2 und im Gewindegang 3 angeordneten Mischnocken 4.
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Die Nocken 4 können im gesamten Bereich des Gewindeganges 3 angeordnet
sein; sie können aber je nach Verarbeitungserforder nis auch nur in Teilbereichen
des Gewindeganges 3 angeordnet sein.
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Fig. 2. zeiSt einen Teillcingsschnitt und Fig. 3. einen Querschnitt
durch einen Steigungsanteil des Gewindeganges 3 mit in diesem Gangteil angeordneten
Mischnocken 40 Die Mischnocken 4 sind zur Vermeidung einer selbständigen aktiven
Förderwirkung in Achsrichtung der Schnecke 2 als Rundstifte ausgebildet.
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Fig. 4. zeigt einen Querschnitt des Extruders 1 durch den Gewindegang
3 zwischen den Gangstegflanken 7 und Nocken 4.
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Die Oberfläche 5 der Innenwand des Extruders 1 um den Gewindegang
3 herum, bezogen auf den Abstand zwischen den zwei gangbildenden Flanken 7 (s. Fig.2.),
ist über die durch Wahl der Gangsteigung vorhandene Abstandsgröße so bemessen, daß
sie größer ist als die Oberfläche 6 des Kerns der Schnecke 2, wieder bezogen auf
den Abstand der Gangflanken 7 plus der wirksamen Oberflächen8 der zwischen den Gangflanken
7 angeordneten zwölf Nocken 4.
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Da bei Drehung 10 der Schnecke 2 komprimierte Verarbeitungsmasse einen
gleichmäßigen örtlichen spezifischen Normaldruck auf die berührten Oberflächen ausübt,
ist die Bremskraft 3 an der stehenden Innenwand 5 abhängig von der Oberflächengröße
des betrachteten Teilabschnittes zwischen den zwei Gangflanken 7 und dem Reibungskoeffizienten
für Verarbeitungsgut auf glatter Stahlfläche (s.B.
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0,4). Die an der rotierenden Schnecke 2 plus Mischnocken 4 im gleichen
Teilabschnitt vorhandenen Reibkräfte il, 12 und 13 sind nach Addition entsprechend
der kleineren Oberflächen kleiner als die Brems- Haftkraft 9 , so daß ein Gleiten
der Masse im Gewindegang 3 stattfindet und die Gewindeflanken 7 die erforderlichen
Kraftkciponenten zum Transport und Druckaufbau der Kasse in Achsrichtung des Extruders
in Richtung Düse 15 bilden lassen.
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In besonderen Fällen, wenn z.B. sehr hohe ospressionskräfte eingeleitet
werden sollen, kann die Innenwand 5 des Extruders in ahe des Einfüllstutzens 14
in an sich bekannter Weise durch Raten biw.
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Riffelung eine erhöhte @inzugsfördernde Ausbildung erhalten.
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Im oder am Einfüllstutzen 14 kann eine Dosiervorrichtung zur geregelten
Einspeisung des Verarbeitungsgutes angeordnet sein.
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Wenn die Vorrichtung nicht zum Herstellen von kontinuierlich extrudierten
Strängen (Rohre, Bänder, Folien, Beschickungsmaterial für Kalander usw.) sondern
für diskontinuierliche Spritzgießaufgaben Anwendung finden soll, kann die Schnecke
in üblicher bekannter Weise neben der Drehbewegung auch einen Axialschub mit Kolbendruckwirkung
ausüben.
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Eine besonders voíteilhafte Ausbildung der Vorrichtung für Spritzgießzwecke
wird erfindungsgemäß darin gesehen, daß an der Düse 15 ein Steuerelement, z.B. tugelventil
oder Drehschieber, angeordnet wird, du die kontinuierlich plastifizierte Masse diskontinuierlich
wechselweise in zwei oder Mehrere Kolbenrezipienten speisen läßt.