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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur Dosierung von Zweikomponentensystemen,
insbesondere zur Dosierung von Polyurethan-Komponenten dient, und mit der die, maschinelle,
Zweikomponentenverarbeitung vor allem im Kleinverbrauch (Größenordnung von einer
Tonne oder einigen Tonnen pro Jahr) attraktiver werden könnte; Wie groß der Bedarf
z.B. an Polyurethanschaum in vielen Bereichen von Handwerk und Kleinindustrie ist,
zeigt. die große Verbreitung von Schäumen aus Einwegkartuschen Oder Aerosolgebinden,
obwohl diese Schäume bis.zu 30 DM pro kg kosten und neben dem hohen Preis noch andere
Nachteile besit'zen, die die Verarbeitung und die Schaumqualität betreffen. Im Vergleich
dazu iiegendie Materialkosten bei Maschinenschäumen für die unterschiedlichsten
Anwendungen bei ca. 5 DM pro kg.
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Es sind in letzter Zeit zwar etliche preiswerte Einfachmaschinen
auf den Markt gekommen (Spritz- und Gießmasnhinen fur 4 ltr./min unter 10.000 DM),
trotzdem ,liegen die'Kosten noch für viele Anwendungen über der Rentabilitätsgrenze.
Doch selbst, wo Mengen verbraucht werden könnten, daß sich eine Maschine lohnt,
scheuen die Anwender häufig die Maschinenanschaffung, weil auch die,einfachsten
Anlagen sorgfältige Wartung fordern und insbesondere Stillstandszeiten, wie sie
auf der
Baustelle und im Handerksbetrieb unvermeidlich sind, mit
Fehlern quittieren, denn bei einem Verbrauch von einer Tonne oder einigen Tonnen
pro Jahr, um den es hier geht, steht eine Maschine zwangsläuSig oft still.
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Erfahrungsgemäß steigt bei diesen Anlagen der-Wartungsaufwand mit
den Stillstandszeiten, damit aber wird der Rüstkostenanteil den meisten Anwendern
zu'groß, so daß sie entweder keinen Polyurethanschaum einsetzen oder in nur so'geringen
Mengen, daß sie dafür die hohen Kosten der Schäume aus Wegwerfbehältern bezahlten.
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Bei den herkömmlichen Polyurethan-Schäumanlagengelangen für die Dosierung
der PUR-Komponenten üblicherweise motorangetriebene Dosierpumpen zum Einsatz Der
Materialfluß wird dabei mit Hilfe von Zahnrad-, Schrauben-, Kolbenpumpen u.a. erzeugt,
die neben den hohen Kosten alle den Nachteil besitzen, daß sie empfindlich gegen
die nachfolgend beschriebenen Störgrößen sind.
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Bei den herkömmlichen Polyurethan-Schäumanlagen ist der Einsatz unter
kritischen Klimabedingungen, wie sie z.B. während d'er Winterzeit auf Baustellen
herrschen, nicht unproblematisch. Die Isocyanatkomponente kann bei Frost teilweise
auskristallisieren, damit setzen sich die Dosierpumpen mit ihren Ventilen, Rohrleitungen
und engen Bohrungen zu, was zu einem völligen Ausfall der Anlage und damit zu hohen
Rüstkosten und großen Rüstzeiten führt.
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Dasgleiche gilt für jede Art von Feuchtigkeitseinwirkung, die bereits
durch das "offene" Einfüllen.de-r Komponenten bei hoher Luftfeuchtigkeit auf der
offenen Baustelle nie ganz auszu-schließen ist.
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Als drittes ist die beschränkte Lagerfähigkeit der Komponenten zu
nennen, die zu Ablagerungen in den engen Passungen der Dosierpumpen und Bohrungen
führt.
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Ein weiterer Nachteil ist, daß die Dosierpumpen nicht als billige
Austauschteile (sogenannte Wegwerfteile) zu ersetzen sind, falls es aufgrund der
nicht immer leicht beherrschbaren Eigenschaften der PUR-Komponenten durch unregelmäßige
Arbeitsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, beschränkte Lagerfähigkeit) zu Störungen
im Verfahrensablauf gekommen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beiden Komponenten
unter Ausschluß von Luftfeuchte (ohne Luftberührung) in zwei getrennten Dosierzylindern
druckfest .zu lagern und mittels Druckluft im Niederdruckverfahren (max. 12 bar
Luftdruck, entspricht 18 bar Komponentendruck) dosiert einer Mischeinrichtung zuzuführen.
Dabei sollen alle'Bauteile,--die-mit den beiden Komponenten in Berührung kommen,
als billig Wegwerfteile ausgelegt sein, die eine leict'e Austauschbarkeit auch durch
ungeschultes,Persona1 Personal gestatten.
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Die Mischeinrichtung ist nicht Gegenstand der Erfindung.-Es sollte
aber nicht unerwähnt bleiben, daß Mischersysteme, die nach dem Druckluftwirbelmischverfahren
arbeiten, größte verfahrenstechnische Einfachheit in Verbindung mit geringster Störanfälligkeit
und leichteste Austauschbarkeit sämtlicher Funktionsteile, die mit den beiden Komponenten
in Berührung kommen, aufweisen und sich deshalb in Kombination mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung besonders anbieten.
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Derart kombinierte Polyurethan-Schäumanlagen dürften vor allem für
jene kleineren und mittleren Unternehmen interessant werden, die bisher keinen Polyurethanschaum
einsetzten oder nur in so geringen Mengen, daß sich eine konventionelle PUR-Schäumanlage
bisher nicht für sie lohnte, denen die Maschinen bisher nicht robust genug, bzw.
die Rüstkosten und Rüstzeiten zu groß waren, so daß sie lieber aie hohen Kosten
der Schäume aus Wegwerfbehältern bezahlten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1: Schnitt durch die Dosiervorrichtung Figur 2: Als
Universal-Kompressor-Anlage ausgeführte Dosiervorrichtung Die Funktionen "feucktigkeitsgeschütztes
Lagern in Dosierzylindern" der beiden Komponenten sowie die synchrone pulsations-
und leckagefreie Förderung und Dosierung der beiden Volumenströme im exakten Dosierverhältnis
werden erfindungsgemäß von einer Dosiervorrichtung erfüllt, die in Figur 1 dargestellt
ist.
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Die hier skizzierte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus 3 Kolben
(Dosierverhältnis hier 1:1, auch andere Dosierverhältnisse sind möglich), auf denen
je eine Rollmembran abrollt sowie den dazugehörigen Zylindern.
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Die 3 Kolben sind über eine tolbenstange 9 miteinander verbunden.
Die Kolbendurchmesser sind ca. 10 mm kleiner als die Zylinderbohrung. In dem sich
bildenden Ringraum zwischen Kolben und Zylinderwand rollt die ca.
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1 mm dünnwandige Rollmembran ab. Die beiden Dosierkolben 10 und 3
tragen Rollmembranen 4, die auf der der Komponente zugewandten Seite aus einer gegenüber
der Komponente resistenten Abdichtmembran und auf ihrer anderen Seite aus einer
luftdurchlässigen gummielastischen und gewebeverstärkten Trägermembran gebildet
sind, und einen Prüfdruck von ca. 12 bar aufweisen.
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In der Mitte zwischen den beiden Dosierzylindern befindet sich der
Pneumatikkolben 8, der in umgekehrter Richtung wie die beiden Dosierkolben auf die
Kolbenstange montiert ist. Während die Rollmembranen der Dosierkolben auf die Kolben
aufrollen, rollt die Rollmembran vom Pneumatikkolben ab und umgekehrt. Im Unterschied
zu den Dosierkolben trägt der Pneumatikkolben eine herkömmliche gummielastische
Rollmembran 7, die ebenfalls
gewebeverstärkt ist und einen Prüfdruck
von 12 bar aufweist. Der Pneumatikkolben 8 hat die wichtige Aufgabe, den Innendruck
in den Dosierzylindern zu erhöhen (im Fall der 3 gleich' großen Kolben um ca. 50
%). Auf der Komponentenseite muß immer ein Überdruck vorhanden sein, damit die Rollmembranen
in gestreckter Lage gehalten werden, da sich sonst Falten oder Knickstellen in den
Rollfalten der Dosierkolbenmembranen bilden würden, die die Membranen sehr schnell
zerstörten. Bei einer gewebeverstärkten Membran sollte der Überdruck 3 ) bar fi12
bar sein, da sich in diesem Druckbereich die Rollfalte am besten ausbildet.
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Erfindungsgemäß erfolgt der Antrieb der Dosiervorrichtung pneumatisch
durch Druckluftbeaufschlagung der 3 Kolben. Üblicherweise werden Rollmembranen nur
über die Kolbenstange angetrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dagegen wird
hauptsächlich durch das hinter den Kolben liegende Luftpolster angetrieben. Die
Kolbenstange vergrößert diese Antriebskraft um nochmals die Hälfte (im Fall der
drei gleich"großen Kolben), da sich die Kolbenkraft des Pneumatikkolbens über die
Kolbenstange auf beide Dosierkolben etwa gleichmäßig verteilt.
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Bei völlig ausgefahrenem Hub würde der Überdruck, der durch das Zusammenspiel
von Dosierkolben und Pneumatikkolben in den Dosierzylindern vorhanden ist, verschwinden
und eine Zerstörung der Dosiermembranen wäre die Folge. Aus diesem Grunde ist die
Dosiervorrichtung erfindungsgemäß mit einer Hubendabschaltung versehen, die verhindern
soll, das die Kolben gegen eine Hubbegrenzung auflaufen. Kurz vor Ende des Hubweges
verriegeln pneumatisch angetriebene Absperrorgane 11, die vom Füllmengenanzeiger
1 durch einen elektrischen Endabschalter 2 betätigt werden, den Komponentenfluß.
Ein völliges Leerfahren der Dosiervorrichtung wird damit zuverlässig verhindert.
Die
Absperrorgane 11 können erst wieder per Hand geöffnet werden,
wenn die Kolben zwecks Befüllen der Dosiervorrichtung wieder zurückgefahren worden
sind.
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Auch bei der Kolbenrückführung zwecks Befüllen der Dosiervorrichtung
muß immer ein Überaruck in den Dosierzylindern vorhanden sein.
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Erfindungsgemäß erfolgt das Befüllen der Dosiervorrichtung durch
Vakuum, das auf der Rückseite der Dosierkolben aufgebracht wird, nachdem die hierbefindliche
Druckluft ins. Freie abgelassen worden ist. Der Pneumatikkolben 8 wird auf der druckabgewandten
Seite mit Vakuum beaufschlagt, nachdem die Druckluft auf der gegenüberliegenden
Seite ebenfalls abgelassen worden ist. Die Absperrorgane 11 zur Mischeinrichtung
hin bleiben geschlossen, die Absperrorgane 5 zum Einfülltrichter 6 hin werden geöffnet.
Gleichzeitig wird die Saugseite des Kompressors über Mehrwegeventil den zu evakuierenden
Räumen zugeschaltet.
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Bei der Kolbenrückführung, die jetzt beginnt, ergibt sich ein umgekehrter
Effekt wie beim Arbeitshub: Anstelle einer Kraftverstärkung verringert der Pneumatikkolben
8 jetzt die Antriebskraft über die Kolbenstange um die Hälfte, da das Vakuum am
Pneumatikkolben entgegengesetzt zu den Dosierkolben angreift. Auf diese Art und
Weise wird der geforderte Gegendruck aufgebaut, wobei die Druckdifferenz zwischen
den beiden Rollmembranseiten genau die Hälfte des maximal möglichen Vakuums ausmacht
(bei gleich großen Kolben im Maximum also 0,5 bar bei 100 «/O Vakuum)0 Die um die
Stangenkraft verminderten Kolbenkräfte reichen völlig aus, um die Kolben sicher
in ihre Ausgangsstellung zurückzuführen. Jetzt wird auch deutlich, warum die Trägermembranen
der Dosierzylinder luftdurchlässig sein müssen: Das angreifende Vakuum sorgt für
ein strammes Anliegen der Abdichtmembran auf der Trägermembran während der
Kolbenrückführung.
Ohne die Luftdurchlässigkeit der Trägermembranen würden die Abdichtmembranen Falten
werfen und in dem engen Ringraum zwischen Kolben und Zylinderwand anschließend zerquetscht
werden.
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Über die Einfülltrichter 6 werden dann die beiden Komponenten eingefüllt,
die Absperrorgane 5 geschlossen und über das Mehrwegeventil die Saugleitung des
Kompressors wieder ab- und die Druckleitung wieder zugeschaltet.
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Durch eine geeignete Mehrwegeschaltung bedarf es also nur einer -Hebelbewegung,
um die Vorrichtung vom Zustand 'Dosieren" in den Zustand Befüllen zu bringen und
umgekehrt. Auf diese Art und Weise kann die Vorrichtung in jeder Kolbenposition
befüllt werden.
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Beim Betrieb der Vorrichtung an einem Druckluftnetz wäre grundsätzlich
eine Vakuumpumpe (z.B. Strahlpumpe) zusätzlich notwendig. Es empfiehlt sich daher,
die Vorrichtung zusammen mit einem kleinen Druckluftkompressor auf einem fahrbaren
Chassis anzuordnen. Eine entsprechende Ausführung zeigt Figur 2.
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Die Kombination von Dosiervorrichtung 13, Mischeinrichtung (ohne
Abb.) und Kompressor 14 als fahrbare Einheit garantiert zügiges Arbeiten vor Ort
und sorgt für ein breites Arbeitsfeld. Sie ist so ausgelegt, daß alle einschlägigen
Arbeiten in Industrie und Handwerk damit ausgeführt werden können, insbesondere
auch Farbspritzen, Arbeiten mit Druckluftwerkzeugen, usw.
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Durch die leckagefreie Abdichtung der Kolben durch die Rollmembranen
ist eine völlige Trennung von Druckluft und Komponenten gegeben und durch das relativ
große Luftpolster hinter den Kolben (im Minimum ca.
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50 ltr. bei befüllter Anlage, im Maximum ca. 90 ltr.
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bei leergefahrener Anlage) ist die Kombination von Dosiervorrichtung
und Druckluftkompressor gleichzeitig als Universal-Kompressor-Anlage einsetzbar.
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Die Dosierzylinder, sind so reichlich zu dimensionieren (bei dem
vorgegebenen Jahresdurchsatz von einer Tonne oder einigen Tonnen sind das etwa 20
ltr. Dosiervolumen pro Zylinder), daß ein einmaliges Befüllen der Vorrichtung pro
Arbeitstag ausreicht. Rollmenbranen in dieser Größenordung sind in vielen Größen
und Wer.kstoffen handelsüblich. Bei Abnahme größerer Mengen (ab 250 Stück) sind
sie auch hirreichend preiswert, so daß sie als billiges,Austauschteil bei Überholungen
der Dosiervorrichtung angesehen werden können.
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Bei einem gewählten Kolbenhub von ca. 200 mm und einem Membrandurchmesser
von ca. 300 mm ergeben sich bei einer maximalen Austragsleistung- von 6 kg/min extrem
niedrige Kolbengeschwindigkeiten von ca. 0,001 m/s.
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Bei diesen extrem niedrigen Gleitgeschwindigkeiten (quasistatische
Bewegung) befinden wir uns ständig im Übergangsbereich von der Haftreibung zur Gleitreibung;
eine kontinuierliche Gleitbewegung ohne Rucken (Stick-slip-Effekt) ist bei konventionellen
Dicht- und Lagerbauteilen nicht mehr möglich.
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Ein Ausweg ist nur durch den Einsatz von PTFE-Dichtungs- und Lagerelementen
bzw. durch eine Abdichtung der Kolben mittels der oben beschriebenen Rollmembranen
möglich. Der Reibungskoeffizient des PTPE ist gegenüber den meisten Gegenlaufwerkstoffen
sehr niedrig. Haft-und Gleitreibung sind nahezu gleich und das Material ist resistent
gegen alle bekannten Komponenten. Es ist allerdings darauf zu achten, daß das Material
nicht gummielastisch, sondern hornartig wie Polyäthylen ist, und darum als Dichtelement
meistens mit gummielastischen D;chtelementen kombiniert werden muß.
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s Solche zweiteiligen Dichtelemente sind innerhalb der Dosierzylinder
nicht einsetzbar, da z.B. PUR-Komponenten die gummielastischen Anpreßelemente zerstören
würden.
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Als Kolbenstangendichtung sind Manschettenpackungen aus
PTFE
auf dem Markt, die ganz aus PTFE bestehen und deren Anpressung durch Stahlfedern
besorgt wird. Mit einem solchen Dichtelement ist die Kolbenstange zwischen Dosierzylinder
und Pneumatikzylinder abzudichten. Pür die beiden anderen Stangendurchführungen
können die zuerst beschriebenen zweiteiligen PTFE-Dichtelemente mit Gummianpreßringen
benutzt werden.
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Grundsätzlich können auch die drei Kolben mit PTSE-Dichtel.eme.nten
ausgerüstet werden. Solche Dosiervorrichtungen sind als hydraulische Hochdruckdosiereinheiten
in Großanlagen seit langem in Gebrauch.
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Für den Kleinanwender verbieten sich jedoch solche Vorrichtungen aus
Kosten- und Funktionsgründen. Es müßten sehr teure gehonte Zylinderrohre sowie aufwendige
Kplben eingesetzt werden, Maschinenelemente also, die aufgrund ihrer engen Passungen
wiederum sehr empfindlich auf Ablagerungen an den feinbearbeiteten Flächen reagieren.
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Bei der Abdichtung der Kolben durch Rollmembranen können dagegen
Kolben und Zylinder relativ grob toleriert werden (es gilt DIN 7715 für die Fertigungsmaße
der Membran), wichtig ist nur eine optisch einwandfrei glatte Oberfläche im Rollbereich
der Membran, die bei Leichtmetallwerkstoffen etwa durch Eloxieren, bei Eisenwerkstoffen
durch Kunststoffbeschichten zu erreichen ist. Außerdem bietet nur die Rollmembran
den Vorteil völliger Dichtheit bei geringstem Sigenwiderstand über den gesamten
Hub. Selbst wenn sich Ablagerungen an der Zylinderoberfläche bilden sollten (z.B.
durch Auskristallisieren des Isocyanats in Stillstandszeiten aufgrund ungünstiger
klimatischer Bedingungen), ergeben sich daraus keine Bunktionsstörungen.
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Empfehlenswert ist außerdem die Auskleidung der Zylinder durch herausnehmbare
dünnwandige Kunststoffzylinder oder Kunststoff folienschläuche, die anläßlich
einer
Überholung derDosiervorrichtung mit evt.
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anhaftenden Ablagerungen der Komponenten leicht entfernt und erneuert
werden können.
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Somit sind alle Teile, die innerhalb der Dosiervorrichtung mit den
beiden Komponenten in Berührung kommen, als preiswerte Austauschteile ausgelegt,
so daß das Reinigen anläßlich einer Überholung entfällt.
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Alle beweglichen Teile der Dosiervorrichtung unterliegen im Betrieb
wegen der extrem langsamen Kolben geschwindigkeit kaum nennenswertem Verschleiß
und brauchen deshalb auch nicht gewartet zu werden.
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Die Bedienung der Dosiervorrichtung ohne Antriebsmotor und ohne Pumpen
ist denkbar einfach: Die Dosierzylinder werden beide bequem von oben über die Einfülltrichter
6 gefüllt, Die beiden Absperrorgane 5 werden geschlossen. Dann läßt man den Kompressor
14 auf die drei Lufträume hinter den Kolben mit konstantem Druck arbeiten, An der
Mischeinrichtung wird die Austragsleistung der Dosiervorrichtung durch Drosselorgane
zwischen Null und Maximalleistung kontinuierlich geregelt.
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An der Dosiervorrichtung ragt auf der einen Seite ein Stück der Kolbenstange
heraus9 die als Füllmengenanzeiger 1 dient und in Verbindung mit einer Meßskala
12 die verbrauchte Komponentenmenge anzeigt. So kann mit einem Blick festgestellt
werden, ob das Material für den beabsichtigten Arbeitsvorgang noch ausreicht, oder
ob neues Material in die Dosierzylinder nachgefüllt werden muß. Ebenso kann der
Füllnengenanzeiger 1 mit einer entsprechend genauen Meßskala 12 dazu benutzt werden,
um eine bestimmte Austragsmenge in eine Form zu füllen.
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Die Absperrorgane 5 an den Einfülltrichtern 6 sind pneumatisch verriegelt
solange die Dosierzylinder unter Druck stehen, erst nach dem Ablassen der Druckluft
aus den Lufträumen wird die Verriegelung gelöst.
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Soll die als Universal-Kompressor-Anlage ausgeführte Vorrichtung
zu anderen Zwecken als zum Dosieren von weikomponentensystemen eingesetzt werden,
empfiehlt es sich, die Dosierzylinder bis zur Endabschaltung leerzufahren, um einen
möglichst großen Druckluftkessel zur Verfügung zu haben.
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insgesamt ist die Vorrichtung so ausgelegt, daß auch ungeschultes
Personal nach kurzer Einweisung damit arbeiten kann. Der einzige Pehler, den es
bei der Bedienung machen kann, besteht im Vertauschen der beiden Komponenten beim
Einfüllen. Es sollen daher erfindungs gemäß die beiden Einfülltrichter von innen
mit farbigem Polyäthylen ausgekleidet sein, so daß beim Einfüllen der Komponenten
in die festangebauten und luftdicht verschließbaren Einfüllt-ichter aufgrund der
Farbzuordnung Bedienungsfehler praktisch ausgeschlossen werden können.