DE7530164U - Extruderschnecke - Google Patents

Description

PATENTANWALT ^

Dipl. PHYS. DR. WALTHER JUNIUS 3 Hannover L

»Ol. FSTRASS F 2 4 ■ TILEFON (05 II) 83 «5 3C

23. September 1975 Dr. JAt Meise Akte:

Paul Troester, Maschinenfabrik, 3 Hannover, An Brabrinke 2-k Extruderschnecke

Die vorliegende Erfindung betrifft dnc Extruderschnecke für die Verarbeitung von Kunststoffen und Kautschuk im Schneckenextrudern, in der em Zylinder dl· Extmderscomecke befindlich ist, die mehrere Zonen unterschiedlicher Gangzahl länge ihrer Länge aufweist.

Schneckenextruder sind aus eines Zylinder und einer dadn rotierenden Extruderschnecke aufgebaut. Si· dienen zus Extrudieren von Kunststoffen, Kautschuk und sonstigen Theraoplasicin und Elastomeren und sonstigen plastischen Massen· Seit

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vielen Jahrzehnten haben sie sich für die Verarbeitung dieser Stoffe bestens bewährt. Es ist tine sehr groAe Vielzahl von Schneckenkonstruktionen entwickelt worden, um entsprechend den Erfordernissen verschiedener Materialsorten eine gute Homogenisierung, Aufschliefiung mnd Bearbeitung des Materialee au erreichen. Mit sehr langen Schneckenextrudern oder mehreren hinter einander geschalteten Schneckenextrudern kann man auch schwer ▼erarbeitbare Stoffe in der gewünschten Weise aufschließen und homogenisieren, insbesondere wenn die Schneckenextruder an bestimmten Stellen gekühlt oder beheizt werden. Die Vielzahl bestehender Schneckenkonstruktionen zeigt aber an, dass das Arbeiten mit Schneckenextrudern nickt ganz problemlos ist. Wird eine Bearbeitung zu schnell und auf einer zu kurzen Strecke vorgenommen, so erhitzt sich das zu verarbeitende Material derart, dass es wichtige Eigenschaften verlieren kann oder sogar wertlos werden kann. Geht die Bearbeitung zu langsam vor sich, so ist das Material oft nicht vollständig bearbeitet, wenn es den Schneckenextruder verlässt.

Diese Probleme ergeben sich zwangsläufig dadurch, dass im allgemeinen bearbeitetes, aufgeschlossenes Material Im Schaeckeagang neben unbearbeitetem Material liegt mad zusammen mit dem bearbeiteten Material la des Schneckengang bis zur Extruderspitze vorgeschoben wird« Das bearbeitete mad daher stärker viskose Material umhöllt das unbearbeitete csd daher «eaiger starke viskose Material, verleiht ihm so ausgezeichnete Qleiteigenschaften mnd fördert somit die Möglichkeit, dass das unbearbeitete Material bis zur Schneckenspitze vordringen kann.

Schon sehr frühzeitig hatte »an erkannt, dass man die Wirkung einer Extruderscanecke erheblich dadurch verbessern kann, dass man in die Stege der Extruderschnecke Durchlässe einfräste, die Ton der Druckseite zur Leeseite führen. 'DT-PS kO2 879)· Heute weiß man, dass diese Verbesserung der Wirkung der Extruderschnecke auf folgendem beruht: in der Leeseite ist die Häufigkeit unbearbeiteter Materialteilchen sehr viel größer als an de Druckseite der Flanke eines Schneckensteges· Lässt man nun das bearbeitete Material an der Druckseite des Schneckensteges durch eine Ausnehmung hindurchtreten und teilt somit den trom des Materiales in einem Schneckengang in zwei Teile auf, so gelingt es, die unbearbeiteten Teile an die Druckseite der Schneckenstegflanke zu bringen, wo sie in stärkerem aße bearbeitet werden als an der Leeseite.

Die Fachwelt hat aber diese Erkenntnis lange Zeit nicht weiter ausbauen kennen. Sie ist statt dessen andere wege gegangen, um die stärker viskosen Teile von den weniger viskosen Teilen zu trennen und um auf diese Weise zu erreichen, dass über einen bestimmten kurzen Schneckenabschnitt sämtliche Teile einer Bearbeitung uifcrworfen werden. Die DT-PS 910 zeigt eine Schneckenpresse, die im Einzugsbereich eingängig, Im Bearbeitungebereich zweigängig und im Ansstoßbereich wieder eingängig ist. Hler ist la zweigängigen Teil ein Schneckenirlcken vorgesehen, aber den das Material aus dem ersten Qang in den zweiten Gang strömen muss· Durch diesen Schneckenrflcken zwischen dem ersten und dem zweiten Gang wird nicht nur weniger viskoses, unbearbeitetes Material zurückgehalten, es wird durch die runde Form dieses Schnecken-

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rückens audi das Material einer Walzwirkung unterworfen, bevor es in den zweiten Schneckengang eintreten kann. Am Ende dieses Walzvorganges ist das Material so weit ausgewalzt, dass es durch den engen Spalt zwischen dem runden Schneckenstegrücken und der Zylinderinnenwandung hindurchtreten kann. Dieses soweit ausgewalzte Material wird spätestens von der nachfolgenden nicht runden Schneckeuf&lnke mitgenommen. Bei dieser bekannten Extruderschnecke schiebt sich das unbearbeitete Material unter relativ niedrigem Druck parallel zu dem runden Schneckenetegrücken, über den das bearbeitete, aufgeschmolzene Material nach vorne zur Auestoßzone abgeführt wird, ebenfalls in Richtung nach vorne und wird nach und nach durch die ,Valzwirkung dieses runden Rückens bearbeitet. Für Kunststoff braucht man nur einen zweigängigen Teil zu haben, für Kautschuk ist es notwendig, mindestens zwei derartige Teile zu haben. Mit dieser Schneckenpresse Bind erstaunlich gute Resultate zu erreichen. Das Material vird in guter Homogenität erhalten. Die Temperatur dar Teile des Extrudates ist völlig einheitlich.

Eine identische Art der Schneckenstegführung weist die

auf. deutsche Patentschrift 1 207 07^. Hier ist der runde Schneckenstegrücken aber nicht mehr rund, sondern ebenso wie die anderen Scbneckenstege ausgeführt. Für Kunststoff arbeitet diese Maschine infolge der Trennung von Stärkerviskosen und weniger stark viskosen Teilen auch ohne die Walzwirkung des runden Rückens in gleicher Weise.

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Trotz der guten Erfolge dieser beiden Extruderschneckenausführungen sind sie nicht für alle Materialien geeignet. Da sämtliches Material ein oder mehrmals einen Schneckenstegrücken überqueren müssen, sind die aufgewendeten Antriebsenergien für die Extruderschnecke nicht unerheblich. Die Teaperaturverteilung längs der schnecke ist nicht einheitlich. Die Schneckengeometrie schließt es nicht aus, dass Stellen vorhanden sind, an denen das Material länger verweilt und bei hohen Temperaturen eimer Beschädigung oder gar Zerstörung ausgesetzt wird.

nachdem die hier praktizierten Arbeitsvorgänge bekannt waren, griff die Technik wieder die Idee der Teilung der im Schneckengaig befindlichen Materialien auf: Die DT-AS 1 302 C96 zeigt eine Möglichkeit hierzu, bei der zwei eingängige Schneckengewinde gleicher Steigung ein Stück versetzt in einander greifen, so dass zwischen Abschnitten mit eingängiger Schneckenführung kurze Abschnitte zweigängiger Schneckenführung liegen, auch auf diese Weise lässt sich erreichen, dass das Material von der Leeseite im zweigängigen Teil so geführt wird, dass es im folgenden eingängigen Teil an der Druckseite der Flanke des Schneckensteges liegt, nei der DT-AS 1 302 096 geht dieses ohne jegliche einbauten Viderstände vorstatten. Anders ist das bei der DT-PS 1 813 M+0: Hier sind an den Stellen, wo der Materialstrom im Schneckengang auf zwei Schneckengänge verteilt wird, quer zur Richtung des Schneckemgamgee verlaufende Stegstücke eingebaut. Diese quer zur Gangrichtung verlaufenden Stegstücke stellen dort, wo noch weitgehend unbearbeitetes Material vorhanden ist, sehr starke Widerstände dar, die nicht nur eine sehr hohe

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Antriebsleistung fur die Maschine erforderlich machen, sondern auch das zu bearbeitende Material erheblich beanspruchen.

Diese Konstruktion wendet ähnliche Arbeitsmittel an, die sich als Scherteil am Ende einer vorzugsweise eingängigen Schnecke besonder bewährt haben: Dieses Scherteil ist mehrgängig und seine Schneckenstege sind als Förderstege ausgebildet. Zwischen den Schneckenstegen liegen Schneckengänge, die von je einem im wesentlichen achsparallelen Steg durchzogen sind, dessen ^rofil mit dem die Schnecke umgebenden Extruderzylinder einen Keilspalt bildet. Ein derartiges Scherteil ist durch die DT-OS 17 29 36i+ bekannt geworden. Eier wird der in vorzugsweise einem Schneckengang befindliche zu bearbeitende Materialstrom au Ende der Bearbeitungszone in eine Mehrzahl von Teilstränen aufgeteilt und jeder Teilstrom wird einzeln über den den Schaeckengang querender. Steg durch einen engen Spalt gedrückt. Auf diese Weise lässt sich bereits bearbeitetes Material hervorragend scheren und damit homogenisieren. Als Arbeitsmittel dient hierzu die Aufteilung in mehrere Schneckengänge und die bei dieser Aufteilung erfolgende gleichzeitige Führung über einen den Schneckengang querenden Steg. Arbeitsmittel, die sich hier sehr gut für die Scherung von bereite bearbeitetem Material verwenden lassen, sind aber nicht so gut geeignet, um weniger Viskose, unbearbeitete Teile einer Bearbeitung zu unterziehen. Dieses ist zwar auch möglich, hier tritt jedoch insbesondere dann, wenn die den Schneckengang querenden Stege kurz sind, eine hohe Erwärmung des zu bearbeitenden Materialee auf.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in kurzen Schneckenextrudern eine vollständige Bearbeitung, Aufschließung und Homogenisierung mit geringem Energieaufwand bei weitgehend gleichmäßiger Temperatur über die gesamte Länge des Bearbeitungsbereiches der Extruderschnecke zu erreichen.

Das Wesen der erfindungsgemassen Extruderschnecke besteht darin, dass zu mindest in einem Bereich der Schneckenlänge mehrmals eine eingängige Zone mit einer zweigängigen ώοηβ von der Länge einer halben Schneckenwindung wechselt, dass jede zweigängige Zone zwei achsparallele Stege keilförmigen Flankenanstieges aufweist, so dass zwischen der Zylinderinnenwand des Schneckenextruders und der keilförmigen Flanke ein Keilspalt gebildet ist, und dass der eine Schneckensteg der zweigängigen Zone an den Schneckensteg der vorher angeordneten eingängigen Zone, der andere Schneckensteg mit der zweigängigen Zone an den Schneckensteg der nachfolgenden eingängigen Zone jeweils dort anschließt, wo der achsparallele Schneckensteg feit diesem Schneckensteg der zweigängigen Zone zusammentrifft.

Diese Extruderschnecke erreicht eine besonders gute Wirkung durch dio Kombination der genannten Arbeitsmittel, die hier in besonderer Weise wirken: Diese Schnecke ist so aufgebaut, dass jedes Materialteil beim Durchlaufen dieses besonders ausgebildeten Bearbeitungsbereiches mehrmals über einen achsparallelen Steg hinwegzulaufen hat. Dabei tritt aber nicht das gesamte Material gleichzeitig über ac-hsparallele Stege, dieses erfolgt vielmehr nach und nach, so dass eine

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gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Länge des Bearbeitungebereiches erzielbar let. Die erreichte Geometrie der Sehneckenoberfläche 1st deshalb so besonders gut, weil das durch den Keilepalt gehende Material vor den Keilspalt Möglichkeiten einer seitlichen Ausdehnung entsprechend der Abnahme in der Gangtiefe eine Zunahme in der Gangbreite hat« FUr den zuerst von Material erreichbaren Spalt - der tob weniger bearbeiteten Material überschritten wird, trifft dieses auf auch für den Bereich hinter den Spalt zu. Durch diese besondere Anordnung wird erreicht, dass in beständiges Wechsel Material τοη der Leeseite einesjSchneckensteges auf die Druckseite des Sc.hneckensteges herübergebracht wird und umgekehrt. Da dieses In ständiger Folge vorsieh geht, ist erklärlich, dass eine besonders gute AufSchließung und Homogenisierung des zu verarbeitenden Materialee bereite auf kurzen Schnecke mlänge η erreicht wird.

Besonders einfach wird der Aufbau, wenn jede eingängige Zone nur eine volle Windung aufweist. Dabei 1st es vorteilhaft, wenn jede Zone, auch die zweigängigen Zonen, die Länge einos Extruderschneckendurchmessers aufweist. Besonders leicht ist eine derartige Extruderschnecke unter diesen Voraussetzungen dadurch herstellbar, dass man die Schnecke aus einzelnen Stücken von eingängigen Zonen und von sweigängigen Zonen zu staute nee tzt.

Seh? gute bearbeitung^ werden erreicht, wenn der Rücken dos achsparallelen Steges über einen Winkelbereich von mindestens 20° mit gleichem Radius verläuft. Dann ist ein ausreichend langer Spalt auch für die Aurschließung schwer aufachließbarer Teilchen erzielt.

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Bei manchen Materialien kann Ban die Extruder schnecke noch weite- dadurch verbessern, aaee die Flanken der acheparallelen Stege Rillen in übfausrichtung (senkrecht zur *chsenrichtung) aufweisen. Dieses kann, dicht hinter des Einzugsbereich eine gute Wirkung haben, da hier die nicht viskosen Teile in kleinere Teil« unterteilt werden.

In hinteren Bereichen hingegen kann es recht zweckaässig sein, wenn der Schnecke rücken ache^aralleler Stege Rillen aufweist, die unter eines spitzen Winkel zur Umfängerichtung bzw. zur Achsrichtung verlaufen. Denn in diese Rillen geratendes nicht aufgeschlossenes Material wird so in einfachster Weise in den Spalt zwischen Schneckenrttcken und Zylinderinnenwandung geführt.

Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielep näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht der Extruderschnecke,

Fig. 2 eine Ansicht der um 90° gedrehten Extruderschnecke der Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine eingängige Zone der Extruderschnecke,

Fig. k einen Querschnitt durch eine zweigängige Zone der Extruderschnecke,

Fig. 5 einen Schneckemantelabwicklung·

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Die Extruderschnecke 1 befindet eich In dem Zylinder 2 des Schneckenextruiers. Die Zylinderinnenwand 1st mit 3 bezeichnet. Die Extruderschnecke ist aus einer Vielzahl ▼on eingängigen Zonen k und zweigängigen Zonen 5 zusammengesetzt. Jede Zone kann für eich als einzelnes Werkstück hergestellt sein. Die Schnecke kann aber auch als ein einziges Werkstück gefertigt sein.

Jede eingängige Zone weist einen einzigen Schneckensteg 6 auf· Dieser windet sich im gezeichneten Ausführungsbeispiel Jewell" um 360° einmal um jede eingängige Zone if herum.

Die zweigängigen Zonen 5 weisen zwei Schneckenstege 7»8 auf, wobei sich jeder Schneckensteg 7, 8 um 180° um die zweigängige Schneckenzone 5 herumwindet· Zwischen den Schneckenstegen 7>8 befindet sich ein achsparalleler weiterer Schneckensteg 9· Dieser durchquert den schneekengang zwischen den Schneckenstegen 7,8. Da jede zweigängige ochneckenzone zwei Schneckenstege 7,8 und somit auch zwei Schneckengänge aufweist, weist sie auch zwei achsparallele Schneckenstege auf. Diese achsparallelen Sche/hckenstege 9 sind nun so geformt, dass sie zwischen der Zylinderiaaenwandung 3 und der Flanke 9 A des Schneckensteges 9 einen Keilwinkel SZ einschließen. Im Querschnitt der Fig. k ist dieses deutlich erkennbar: Vom Schneckensteg 7 an verläuft der Grund des Schneckenganges zuerst mit einem konstanten Radius, um dann tangential weiterzulaufen und mit einer Rundung In den Eücken des Schneckensteges 9 überzugehen. Der Querschnitt des Schneckenkernes hat auf diese Weise an diesen Stellen

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zwei gegenüber liegende Teile mit einem Radius, der größer ist als der KrUamungpradlus der Zylinderinnenwand und zwei senkrecht hierzu liegende Bereiche, in denen der Krümmungsradius erheblich kleiner ist und die den Schneckenrücken bilden.

Die einzelnen Zonen k und 5 sind derat zusammengesetzt, dass der Schneckensteg 6 einer eingängigen Zone jeweils dort beginnt, wo ein achsparalleler Schneckensteg 9 den Schneckensteg 7, 8 der zweigängigen Schneckenzone 5 berührt. Jeder Schneckensteg 6 einer eingängigen Schneckenzone if endet dort, wo ein achsparalleler Schneckensteg 9 auf den Schneckensteg 7,8 des zweigängiges Teiles auftrifft. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich jeweils an einem Schneckensteg 6 auf der einen Seite <=·1η Schneckensteg 7, auf der anderen Seite ein Schneckensteg 8 anschließt. Durch den Gang 10 der eingängigen Zone k hindurchfließendes Material kann somit in den Gang 11 oder in den Gang 12 der zweigängigen Zone 5 einfließen. In den G_ang 11 tritt dasjenige Material, welches sich auf der Leeseite befindet, also Material, welches eine größere Häufigkeit von unbearbeiteten Materialstücken aufweist. Hingegen kann das auf der Druckseite befindliche Material vorzugsweise in den Gang 12 eintreten, wo es einen längeren Weg bis zu einem achsparallelen Steg 9 zurückzulegen hat- Dieses schon weiter aufgeschlossene Material kann während dieses laugen Weges wieder relaxieren, so dass jeweils über einen achsparalleleq£chneckensteg 9 unbearbeitetes «der relaxiertes Material herübertritt.

Durch diese besondere Anordnung lässt sich erreichen, dass

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bei geringes Energieaufwand - an jeder Teilungeatelle eines Schneekengangeβ 10 in zwei Schneckengänge 11, 12 ein Teil dee Materialee ohne sofortigen Übertritt ttber einen Schneckenrucken 9 noch ein Stuck la Schneckengang 12 weiterwandern kann, ehe es erneut über einen Schneckenlücken 9 iiinübertreten muss.

Zweckmäesigerweiee wählt man die Länge einer jeden Zone so, dass jede Zone die Länge eines Schneckendurchmesserβ D aufweist. Dieses ist aber nicht eine notwendige Voraussetzung· Ebenso ist es nicht notwendige Voraussetzung, dass sich in den eingängigen Zonen h der Schneckensteg 6 ein volles Mal oder mehwe Male um den Schneckenkern herumwindet.

Zwecknässig ist es, la Einzugsbereich an den Flanken 9 A der achsparallelen Stege 9 Killen Ik in tJmfangerichtimg (senkrecht zur Achsenrichtung) vorzusehen· Derartige Killen Ik verstärken die Walzwirkung, weil sie verhindern, dass unbearbeitete oder relaxiert· Teile um die freie Kante des achsparallelen Steges 9 herumwandern.

Zweckmässig kann es auch sein, auf den Rücken der Stege Killen 15 vorzusehen, die vorzugsweise unter eines spitzen Winkel zur Umfangsrichtung bzw. zur Achsrichtung verlaufen. Aa Ende der Bearbeitungszone wird man aber den Kücken der Stege 9 einfach glattmachen.

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Der Querschnitt des zweigängigen Teiles wird rorzugsweise genähert den Umfang einer Elipse haben.

Es ist zweckaässig, die achsparallelon Stege etwas, etwa in den Grenzen τοη O_tOCl bis O,Oif D niedriger zu gestalten als die anderen Stege der Extruderschnecke, die als Förderstege dienen. In Eingangsbereich der Schnecke wird man Yortellhafterweiee die ac ^parallelen Stege niedriger bauen als an Ende der Bearb<»itungezone. So passt nan die Spaltweite der Abnehmer der Viskosität des zunehmend bearbeiteten Materiales an. Auf diese Weise erreicht nan, dass die Aufschließung des zu bearbeitenden Materiales allmählich längs der geset ten Bearbeitungszone erfolgt, was nicht nur Uberhitzungen dicht hinter dem Eingangsbereich, unnötigen Energieaufwand und eine unaweckmässige Auenutzung der Extruderechnecke vermeidet, sondern auch eine dem zu verarbeitenden Material besonders zuträgliche Art der Aufschließung erreicht.

Fur die Verarbeitung von Kunststoff ist es zweckmäseig, dem beschriebenen Schneckenteil einen nicht zu kurzen, ein- oder mehrgängigen Teil zum Druckaufbau und Plastifizieren vorzuordnen, bei Kautschuk kann dieser Teil kurzer sein.

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Claims (1)

1.j Extruderschnecke für die Verarbeitung von Kunststoffen und Kautschuk in Schneckenextrudern, in deren Zylinder die Extruderschnecke angeordnet ist, die mehvre Zonen unterschiedlicher Gangzahl längs ihrer Länge aufweist, dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest in einen Bereich der Schneckenlänge mehrmals eine eingängige Zone (if) ait einer zweigängigen Zone (5) von der Länge einer hallen Schneckenwindung wechselt,

dass jede zweigängige Zone (5) zwei achsparallele Stege (9) keilförmigen Flankenanstieges aufweist, so dass zwischen der Zylinderinnenwand (3) des Schneckenextruders und der keilfömigen Flanke (9 A) ein Keilspalt gebildet ist, und dass der eine Schneckensteg (7) der zweigängigen Zone (5) an den Schneckensteg (6) der vorher angeordneten eingängigen Zone (^), der andere Schneckensteg (8) der zweigängigen Zone (5) an den Schneckensteg (6) der nachfolgenden eingängigen Zone A) jeweils dort anschließt, wo der achsparallele Schneckensteg i9/ mit diesem Schneckensteg (7,8) der zweigängigen Zone (5) zusammentrifft.

£· Extruderschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass jede eingängige Zone (k) eine volle Windung des Schneckensteges (6) aufweist·

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3. ixtruderschnecke nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

dass jede Zone (4-j 5) die Länge eines Extruderschneckendurchmessers D aufweist.

Extruderschnecke nach Anspruch 1 bis 3_}

dadurch gekennzeichnet,

dass der Rücken des achsparallelen Steges (9) über einen Winkelbereich von mindestens 20 mit gleichem Radius

verläuft.

5. Extruderschnecke nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,

dass die Flanke (9 A) der achsparallelen Stege (9) Rillen (Ii+) in ümfangsrichtung (senkrecht zur Achsenrichtung) aufweisen.

6. Sxfcruderschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der ochneckenrücken achsparalleler Stege (9) Rillen 15) aufweist, die unter einem opitzen Winkel zur Ümfangsrichtung bzw. Achsrichtung verlaufen.

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