JP6513647B2 - 多軸スクリュー式機械用のスクリューエレメント - Google Patents

Description

本発明は、対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント、多軸スクリュー機械におけるスクリューエレメントの使用、およびこれらのスクリューエレメントを使用して、プラスチック組成物を押出成形するための方法、ならびにスクリューエレメントを製造するための方法に関する。

同一方向に回転する２軸あるいは多軸機械であって、そのロータが互いに完全にワイピングする機械は、かなり前から知られている（例えば、ドイツ特許８６２６６８号明細書参照）。ポリマー調製および処理では、完全ワイピングプロファイルの原理に基づいているスクリュー機械が、さまざまな用途に利用されてきた。これは、特に、ポリマー溶融物が表面に粘着し、通常の処理温度の下で、時間の経過とともに劣化するということによるものであり、このことは、完全ワイピングスクリューのセルフクリーニング効果によって防がれる。完全ワイピングスクリューのプロファイルを生成するための規則は、例えば刊行物［１］（［１］＝Ｋｌｅｍｅｎｓ Ｋｏｈｌｇｒｕｂｅｒ：“Ｄｅｒ ｇｌｅｉｃｈｌａｕｆｉｇｅ Ｄｏｐｐｅｌｓｃｈｎｅｃｋｅｎｅｘｔｒｕｄｅｒ”［ｔｈｅ ｃｏ−ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｗｉｎ−ｓｃｒｅｗ ｅｘｔｒｕｄｅｒ］，Ｈａｎｓｅｒ Ｖｅｒｌａｇ Ｍｕｎｉｃｈ，２００７）の９６から１０９ページに記載されている。同書には、２軸押出機の第１軸上の予め決定されたスクリュープロファイルが、２軸押出機の第２軸上のスクリュープロファイルを決定するということも述べられている（［１］の９７ページ）。したがって、第１軸上のスクリュープロファイルは、生成スクリュープロファイルと称される。第２軸上のスクリュープロファイルは、２軸押出機の第１軸上のスクリュープロファイルに基づいているため、被生成スクリュープロファイルと称される。多軸押出機の場合には、生成スクリュープロファイルおよび被生成スクリュープロファイルは、隣接する軸に常に交互に用いられる。現行の２軸押出機は、異なるスクリューエレメントをコア軸に実装することが可能なモジュールシステムを有する。これにより、当業者は、２軸押出機を各処理タスクに適合させることができる。

キンクが、スクリューのフライト部での断面プロファイルに発生し、フライトのフランクとの急激な変化部を形成するスクリューエレメントが先行技術により知られており、このフライト部は、中心点としてプロファイルの回転点と、プロファイルの半径＝外径を有する円弧を含んでいる。プロファイルのフランクへの変化部でのこのキンクは、スクリューエレメントのエッジを形成している。多軸機械で行われる主なタスクの１つは、互いに均質に混合することができない液相または溶融物の分散またはポリマー溶融物中の固体の分散である。せん断流と延伸流の組み合わせが、困難な分散タスクに最適であることは、技術文献（Ｃｈａｎｇ Ｄａｅ Ｈａｎによる“Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ ｉｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １９８１を参照）から知られている。流れのこのような形態は、スクリューチャネルに存在し、ここで、材料が、一方で軸の回転によりせん断され、他方でフライト部に向かってスクリューチャネルが収束することにより同時に延伸される。ただし、スクリューのフライト部の領域では、困難な分散タスクが分散にほとんど寄与しない場合に、単なるせん断流が存在する。一方、導入されるエネルギーの大部分は、スクリューのフライト部とバレルまたは隣接する軸との間のギャップで消費される。このように、この領域は、分散の処理タスクに寄与することなく、ポリマー組成物の温度上昇と、その結果として熱分解にかなり寄与する。偏心配置された円形ディスクは例外であり、これを完全にワイピングする方法で配置できることが知られている。これらは、単なるせん断流を伴う任意のフライト部領域を全く有していない。これらの優れた分散効果は既知であるが、大きな円周領域にわたって非常に狭いギャップを作るため、高いエネルギー入力を同様に有する。さらに、これらは、フライトの数Ｚ＝１に制限されている。

国際公開第２００９／１５２９６８号パンフレットおよび国際公開第２０１１／０６９８９６号パンフレットの全内容が、本明細書中に参照により援用されており、このパンフレットには、対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントについても記述されている。上述の問題に対処するために、これらのスクリューエレメントは、連続微分可能プロファイル曲線で表すことができる軸方向の断面におけるプロファイルを有するように開発されている。ただし、これはまだ、すべての応用分野におけるスクリューエレメントの最適な性能を達成していない。

特に２軸押出機が開示されている欧州特許出願第１０９３９０５号明細書は、高い分散および分配混合効果で押出成形される材料の散逸した温度上昇を回避する問題にすでに対処しているが、単に不適切な解決策を提供している。

また、ドイツ特許出願第１０２００８０２６８６２号明細書は、多軸押出機の場合の分散および分配混合効果の向上に関係しているが、押出成形される材料の散逸した温度上昇の問題を対処していない。

欧州特許出願第０８７５３６号明細書は、一方で多軸押出機の場合の分散および分配混合効果の向上に、もう一方で穏やかな処理に焦点を当てているが、分散性の向上および穏やかな処理との組み合わせによる分散および分配混合効果に焦点を当てていない。

欧州特許出願第０００２１３１号明細書には、プラスチック上で改善されたニーディング作用を有する多軸押出機が開示されている。ただし、この特許出願は、分散または分配混合効果の改善に対処することも、押出成形される材料の散逸した温度上昇の問題に対処することもしていない。

国際公開第２００１／００６５１６号パンフレットには、改善された散逸した混合効果を有する多軸押出機が開示されている。ただし、この特許出願も、押出成形される材料の散逸した温度上昇の問題に対処していない。

したがって、先行技術に基づいて、本目的は、可能な限り少ないエネルギー入力で、先行技術と比較して改善された分散効果を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントを提供することである。

本発明の目的は、請求項１の特徴を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント、および請求項１０の特徴を有するこれらのスクリューエレメントを製造するための方法によって、達成される。本発明の好適な改良および適用は、従属請求項および別の独立請求項に記載されている。

驚くべきことに、プロファイル曲線に沿って連続微分可能ではないが、その外半径内に位置するキンクを有するプロファイル曲線によって断面全体にわたってプロファイルを表すことができるスクリューエレメントによって、本目的が達成されることが分かっており、プロファイルの外半径に対するスクリュープロファイルの曲率半径の比率は、０．０５〜０．９５である。このことは、特に、バレルをクリーニングする点Ｐ_Ａで適用される。キンクは、プロファイル曲線の傾斜部における急激な変化の位置、または傾斜部での幾何学的な不連続部であると考えられる。また、「プロファイル曲線の外半径内」という用語は、キンクがプロファイル曲線の外半径となる位置にないが、それぞれのスクリューエレメントの回転点から、または回転軸から、プロファイル曲線の外半径よりも小さい半径となる位置にあることを意味する。

本発明の好ましい実施形態では、プロファイルの外半径に対するスクリュープロファイルの曲率半径の比率は、０．２〜０．８、好ましくは０．３〜０．７、特に好ましくは０．３５〜０．６５である。このことは、特に、バレルをクリーニングする点Ｐ_Ａで適用される。プロファイル曲線がさまざまな関数から部分的に構成されている場合、曲率半径は、場合によっては、不連続であってもよく、すなわち、回転の一方向での一点に近づいているときの値の曲線の半径の限界値が、回転の反対方向での一点に近づいているときの値と異なる。このような変化部がプロファイルの外半径で特異的である場合、好ましい範囲が、２つの限界値の少なくとも一方に適用されることが好ましい。

本発明の主題は、したがって、対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントであって、これらのスクリューエレメントは、対になって完全にワイピングし、スクリュー軸は、２つ以上のスクリューフライトを有するスクリューエレメントから構成され、生成および被生成スクリュープロファイルをそれぞれ、プロファイル曲線の傾斜部に少なくとも１つのキンクまたは幾何学的な不連続部を有するプロファイル曲線によって断面全体にわたって表すことができるスクリューエレメントにおいて、少なくとも１つのキンクまたは少なくとも１つの不連続部は、プロファイル曲線の外半径に位置しておらず、プロファイルの外半径に対するスクリュープロファイルの曲率半径の比率は、０．０５〜０．９５であることを特徴としている。このことは、特に、バレルをクリーニングする点Ｐ_Ａで適用される。本発明によるスクリューエレメントは、距離ａで互いに平行に配置された２つの回転軸を中心に同じ回転速度で同じ方向に回転するときに、常に少なくとも１つの点で互いに接触していることが意図されている。

同時に、本発明は、スクリューエレメントおよびコア軸によるスクリューの現行の通常のモジュール構造を備えたスクリューエレメントに限定されるものではなく、一体構造のスクリューに適用されることも可能である。したがって、用語「スクリューエレメント」は、一体構造のスクリューを意味するとも理解されるべきである。少なくとも１つのキンクがスクリューエレメントのプロファイルにエッジを形成しているが、そのエッジは、スクリューのフライト部に位置しないが、半径方向内側にオフセットされるため、温度上昇に著しく寄与することなく、ポリマー組成物の分散に寄与することができる。

本発明の好ましい実施形態では、本発明によるスクリューエレメントの断面プロファイル（以下、スクリュープロファイルまたは略してプロファイルと称される）を、前記少なくとも１つのキンクを除くその全長にわたって連続微分可能曲線によって表すことができる。好ましくは、連続微分可能プロファイル曲線の部分は、国際公開第２０１１／０６９８９６号パンフレットに記載された方法によって生成される。

生成および被生成スクリュープロファイルを参照して既に上述したように、一方のスクリューエレメントの断面プロファイルを予め決定することができ、他方のスクリューエレメントの断面プロファイルが、この予め決定されたプロファイルから容易に導出される。また、スクリュープロファイルまたはスクリューエレメントは、対応するプロファイルまたはエレメントとして、簡略化のために、ここに参照される。この場合、生成プロファイルまたは予め決定されるべきプロファイルだけが、いくつかの容易に満たされる基準に従う必要がある。対応するスクリューエレメントのプロファイルの導出または生成は、グラフまたは計算のいずれかの容易な方法で行われる。これにより、さまざまな対応するスクリューエレメントの構築が可能となる。対応するスクリューエレメントの断面プロファイルを曲線から生成することができるように、スクリューエレメントの断面プロファイルを記述する曲線は次の基準：曲線が閉じていること、曲線が連続していること、曲線が凸状であること、曲線が部分的に連続微分可能であること、曲線が各点でスクリューエレメント間の中心線距離ａ以下である曲率半径を有すること、を満たす必要がある。

本発明の好ましい実施形態では、一方のスクリューエレメントの生成断面プロファイルが、連続した、部分的に連続微分した、閉じた、凸状の曲線
によって平面内に形成され、他方のスクリューエレメントの被生成断面プロファイルが、以下の関係（１）に従って曲線
から形成される：
ここで、
−曲線
は、各点でスクリューエレメント間の中心線距離ａ以下である曲率半径ρを有し、
−連続微分可能部分内の曲線
の各点に対し、長さ１を有する正規化された法線ベクトル
が存在し、それぞれの点でのベクトルは曲線
の接線に垂直であり、湾曲の中心点の方向にある点は曲線
のそれぞれの点に属し、
−
は、生成プロファイルの回転点から断面内の被生成プロファイルの回転点の方向に導く、長さａを有するベクトルである。

この関係では、曲線
は、単一の数学関数によって部分的に記述することができる。例として挙げることができる関数は、例えば、円関数または楕円関数、放物線関数または双曲線関数のような、当業者に既知のものである。例えば、次の形式の関数で表現することも可能である：
それにより関数ｆ（ｓ）の形式に応じて、半径ｒ_０を有するバレルと回転しているスクリューエレメントとの間にスクリューエレメントを実際に設ける場合、自由に選択可能な形式のギャップが得られる。関数ｆ（ｓ）は、例えば、線形関数またはｓの２次関数、双曲線関数または指数関数であってもよい。

また、値が、例えば、Ｂスプライン関数、ベジェ関数、有理ベジェ関数、および非一様有理Ｂスプライン（ＮＵＲＢＳ）のような制御点によって決定される関数が挙げられる。ＣＡＤシステム（ＣＡＤ＝コンピュータ支援設計）での構築に多く使用されるため、ベジェ関数、有理ベジェ関数およびＮＵＲＢＳが好ましく、ここで、これらは、特に、制御点をシフトすることによって、幾何学的図形の形式での任意の所望の形式を画定するために使用される。特に好ましいのは、２次および３次（すなわちここで、ｎ＝２およびｎ＝３）のベジェ関数と３次の有理ベジェ関数である。

ベジェ関数は、一例としてここで引用されている。既知のように、ベジェ関数は式
であり、ここで
は制御点の座標であり、
はバーンスタイン多項式である。

既知のように、例えばＭ．Ｓ．Ｆｌｏａｔｅｒによる“Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ ｏｆ Ｒａｔｉｏｎａｌ Ｂｅｚｉｅｒ Ｃｕｒｖｅｓ”，Ｃｏｍｐ．Ａｉｄ．Ｇｅｏｍ．Ｄｅｓｉｇｎ ９，１９９２の１６１〜１７４ページに記載されているように、次数ｎの有理ベジェ関数は式
であり、ここで、
は関数の制御点の座標を表し、
はその重みを表している。

同様に、
を、さまざまな数学関数によって部分的に記述することができ、部分ベースの関数は、好ましくは、前の段落で述べた関数に対応している。数学関数による部分ベースの記述の特殊な場合が、円の弧を使用して記述することによって表現される。すなわち、円弧によって、一部または全体の曲線
と、結果としての一方のスクリューエレメントの一部または生成断面プロファイルを記述することが可能である。上記の関係（１）によると、具体的に
この場合、曲線
と、結果としての他方のスクリューエレメントの被生成断面プロファイルもまた、円の弧で構成されている。

曲線
は、少なくとも部分的に、連続微分可能でなければならない。部分的に画定された曲線
の部分の境界では、個々の部分が、結果として連続微分の方法で互いに合流する必要はない。曲線の２つの部分がキンク点で互いに交わる場合は、接線ベクトルと法線ベクトルは、キンク点やキンク位置に対して画定されない。したがって、上記の関係（１）は、一方のスクリューエレメントのプロファイルのキンク位置に対して、他方のスクリューエレメントの曲線
の対応する部分を与えない。

一方のスクリューエレメントの断面プロファイルの各キンクに対し、他方のスクリューエレメントのプロファイル内の円弧が対応している。円弧の大きさは、その中心角および半径を指定することによって与えられる。以下、円の弧の中心角は、略して、円弧の角度と称する。円弧の位置は、その中心点の位置によって、およびその２つの終点の位置によって与えられる。他方のスクリューエレメントの断面プロファイルにおける一方のスクリューエレメントの断面プロファイルでのキンクに対応する円弧は、常に中心線距離ａに対応するサイズの半径を有する。また、キンクに対応する円弧は、常に、曲線部の接線がキンク点で交わるその角度に対応する角度を有する。曲線
のプロファイル部分が半径ａを有する円の弧である場合、曲線
の対応するプロファイル部分が「キンク」であることが、同様に逆に適用される。

この点で、半径がゼロに等しい円弧によってキンクを記述することが有利である。キンクでは、半径ゼロの円の弧の角度の周りの回転による、第１の曲線部から第２の曲線部への変化部がある。半径ゼロの円の弧の中心点における第１の曲線部の接線は、円の弧の角度に対応する角度での円の弧の中心点で同様に第２の湾曲部の接線と交差する。円の弧を考慮すると、すべての隣接する曲線部（第１の曲線部→半径ゼロの円弧→第２の曲線部）が互いに接線方向に合流する。半径ゼロの円弧は、便宜上、半径がｅｐｓに等しい円弧のように扱われ、ここで、ｅｐｓは、０に近い非常に小さい正の実数である（ｅｐｓ＜＜１，ｅｐｓ→０）。対応する断面プロファイルで、同じ角度および半径＝中心線距離を有する円弧が生じる。この状況は、国際公開第２０１１／０６９８９６号パンフレット（国際公開第２０１１／０６９８９６号パンフレットの８ページ、５〜１１行）に示されている。

したがって、本発明の好ましい実施形態では、スクリューエレメントのプロファイルを、専ら円弧の配置によって説明することもできる。本発明による生成および被生成スクリューエレメントのスクリュープロファイルは、ｎ個の円弧の全体に構成され、ここで、ｎは４以上である。ｎ個の円弧の各々は、始点と終点を有している。いくつかの円弧は、これらの始点と終点で互いに接線方向に合流することができるため、部分的に連続微分可能プロファイル曲線を形成している。ただし、プロファイル曲線のキンクもしくは傾斜部における急激な変化の位置、または傾斜部での幾何学的な不連続部で、それぞれの円弧は互いに接線方向に合流しないが、互いに交わり、その角度は、好ましくは９０°〜１８０°、より好ましくは１２０°〜１８０°、さらに好ましくは１４０°〜１８０°である。

各円弧ｊ（ｊ＝１〜ｎ）の位置を、異なる２点を指定することによって確実に固定することができる。円弧の位置は、便宜上、中心点および／または始点もしくは終点を指定することによって固定されている。個々の円弧ｊの大きさは、半径ｒ_ｊと、始点と終点との間の中心点の周りの角度α_ｊにより固定されており、半径ｒ_ｊは、０より大きくかつ軸と角度α_ｊとの間の中心線距離ａより小さく、この角度α_ｊは、ラジアン測定で０以上かつ２π以下であり、ここで、πは円周率である。

本発明の好ましい実施形態では、スクリューエレメントが以下であることを特徴としている。

−生成スクリュープロファイルおよび被生成スクリュープロファイルが、１つの平面に位置している。

−生成スクリュープロファイルの回転軸および被生成スクリュープロファイルの回転軸は、それぞれの場合において、距離ａ（中心線距離）でスクリュープロファイルの前記平面に垂直であり、前記平面に対する生成スクリュープロファイルの回転軸の交点が生成スクリュープロファイルの回転点と称され、前記平面に対する被生成スクリュープロファイルの回転軸の交点が被生成スクリュープロファイルの回転点と称される。

−生成スクリュープロファイル全体の円弧の数ｎが、４以上である（ｎ≧４）。

−生成スクリュープロファイルの外半径ｒａが、０より大きく（ｒａ＞０）かつ中心線距離ａよりも小さい（ｒａ＜ａ）。

−生成スクリュープロファイルのコア半径ｒｉが、０より大きい（ｒｉ＞０）かつ外半径ｒａ以下である（ｒｉ≦ｒａ）。

−円弧が閉じたスクリュープロファイルを形成し、すなわち、円弧ｊのすべての角度α_ｊの合計が２πに等しく、πは円周率（π≒３．１４１５９）である。

−円弧が、凸状のスクリュープロファイルを形成する。

−生成スクリュープロファイルの円弧のそれぞれが、外半径ｒａとコア半径ｒｉを有する円形リングの境界内または境界に位置し、その中心点が、生成スクリュープロファイルの回転点に位置している。

−生成スクリュープロファイルの円弧の少なくとも１つが、点Ｐ_Ａで生成スクリュープロファイルの外半径ｒａと接触している。

−生成スクリュープロファイルの円弧の少なくとも１つが、点Ｐ_Ｉで生成スクリュープロファイルのコア半径ｒｉと接触している。

−被生成スクリュープロファイルの円弧の数ｎ’が、生成スクリュープロファイルの円弧の数ｎに等しい。

−被生成スクリュープロファイルの外半径ｒａ’が、中心線距離と生成スクリュープロファイルのコア半径との差に等しい（ｒａ’＝ａ−ｒｉ）。

−被生成スクリュープロファイルのコア半径ｒｉ’が、中心線距離と生成スクリュープロファイルの外半径との差に等しい（ｒｉ’＝ａ−ｒａ）。

−被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の角度α_ｊ’が、生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の角度α_ｊに等しく、ここで、ｊおよびｊ’は、１から円弧の数ｎまたはｎ’の範囲内のすべての値を含む整数である。

−被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の半径ｒ_ｊ’と、生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の半径ｒ_ｊの和が中心線距離ａに等しく、ここで、ｊおよびｊ’は、１から円弧の数ｎまたはｎ’の範囲内のすべての値を含む整数である。

−被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の中心点が、生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の中心点から離れており、その距離は中心線距離ａに等しく、被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の中心点が、被生成スクリュープロファイルの回転点から離れており、その距離は、生成スクリュープロファイルの回転点から生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の中心点までの距離に等しく、被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の中心点と生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の中心点との間の接合線が、被生成スクリュープロファイルの回転点と生成スクリュープロファイルの回転点との間の接合線に平行な線であり、ここで、ｊおよびｊ’は、１から円弧の数ｎまたはｎ’の範囲内のすべての値を含む整数である。

−被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の始点が、被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の中心点に対する方向に位置し、この方向は、生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の始点が生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の中心点に対する方向と反対であり、ここで、ｊおよびｊ’は、１から円弧の数ｎまたはｎ’の範囲内のすべての値を含む整数である。

本発明の好ましい実施形態では、本発明によるスクリューエレメントのプロファイルを、三角定規とコンパスで構成することができることを特徴としている。生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧と（ｊ＋ｌ）番目の円弧との間の接線の変化部を、ｊ番目の円弧の終点の周りに半径ｒ_ｊ＋１を有する円を記述することによって、およびこの円の直線との交点によって構成することができ、この直線は、（ｊ＋ｌ）番目の円弧の中心点である生成スクリュープロファイルの回転点の近くに位置するｊ番目の円弧の中心点と終点によって画定される。より実用的な方法では、三角定規とコンパスの代わりに、コンピュータプログラムを使用してスクリュープロファイルを構築することになる。

本発明によるスクリューエレメントは、対称であっても非対称であってもよいが、本発明によるスクリューエレメントを対称とするのが好ましい。対称のスクリューエレメントは、軸対称であっても点対称であってもよいが、本発明によるスクリューエレメントを軸対称とするのが好ましい。スクリューエレメントは、それぞれの場合において、例えば、プロファイル曲線の周りを１８０°またはラジアン測定での角度πで互いにオフセットした、プロファイル曲線の外半径内のプロファイル曲線に沿った不連続な２つの位置を有することが好ましい。これらの位置の各々は、プロファイル曲線のフライト部の出口側に位置することが好ましい。

本発明の好ましい実施形態では、本発明によるこのような軸対称のスクリューエレメントのフライトの数Ｚが、２〜８の範囲であり、特に好ましくは２〜４の範囲である。本発明による対称のスクリューエレメントの断面のプロファイル曲線は、結果として、プロファイル部分に分割されることが可能であり、これらは、プロファイルの中心または対称軸にミラーリングする点または軸線により相互に移動される。プロファイル部分のうちの１つを形成する円弧の数ｎは、好ましくは２〜８の範囲であり、特に好ましくは３〜６の範囲である。

本発明による非対称のスクリューエレメントの断面のプロファイル曲線は、好ましくは、２・Ｚ個のプロファイル部分に分割されることが可能であり、これらを、プロファイルの対称軸にミラーリングする軸線により相互に移動することができる。その対称性のために、フライトの数Ｚを有する軸対称のスクリューエレメントのプロファイルを、したがって、プロファイルの２つの対称軸間に位置する３６０°／（２・Ｚ）のセグメントでのプロファイル部分によって完全に画定することができる。残りのプロファイルは、対称のＺ個の軸線にプロファイル部分をミラーリングすることによって得られ、このＺ個の軸線は回転点で交差し、回転点の周りの３６０°の角度を２・Ｚ個の３６０°／（２・Ｚ）の角度に分割する。軸対称のスクリューエレメントの場合には、さらに、隣接する軸上の対応するスクリュープロファイル（生成プロファイルおよび被生成プロファイル）が同じであるか、またはこれを回転によって一致させることができる。同じことが、点対称のスクリュープロファイルに類似して当てはまり、対称部分を、対称の中心でミラーリングする点によってそれぞれ互いに移動することができる。

本発明の好ましい実施形態では、本発明による軸対称のスクリューエレメントのプロファイル部分が、プロファイルの外半径に位置する点Ｐ_Ａと、プロファイルのコア半径に位置する点Ｐ_Ｉとの間で、円の弧から構成されることを特徴としている。円弧は、相互に合流し、プロファイル部分の一番大きい部分の上に連続微分可能曲線を形成するが、このプロファイル部分は、円弧が相互に接線方向に合流せずに、キンクを形成するかまたは９０°〜１８０°の角度で交わる、少なくとも１つの位置を含む。特に好ましい実施形態では、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル部分は、点Ｐ_Ａと点Ｐ_Ｉとの間で、正確に３つの円弧から構成される。３つの円弧を有して、小さな半径を選択することによって、バレル壁をクリーニングする点Ｐ_Ａの領域に、プロファイルをより細長く作製することができ、これにより、エネルギーの消耗がさらに低減される。

本発明の別の実施形態において、フライトの数Ｚを有する点対象のスクリュープロファイルを、Ｚ個の対称な部分に分割することが可能であり、この対称な部分を、対象の中心またはプロファイルの回転点でミラーリングする点によって相互に移動させることができる。点対称のスクリューエレメントの場合には、隣接する軸上の対応するスクリュープロファイル（生成プロファイルおよび被生成プロファイル）が同じであるか、またはこれを回転によって一致させることができる。

本発明の好ましい実施形態において、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル部分は、相互に接線方向に合流し、２つの位置間で連続微分可能曲線を形成するいくつかの円弧により構成されることを特徴とし、ここでは、それぞれの円弧は、隣接するプロファイル部分に接線方向に合流しないが、９０°〜１８０°の角度で交わり、この角度は、より好ましくは約１２０°〜１８０°、さらに好ましくは約１４０°〜１８０°である。つまり、本実施形態における各プロファイル部分の終点は、プロファイル曲線にキンク位置を形成する。

本発明の好ましい実施形態では、本発明による２条フライトのスクリューでの、中心線距離ａに対するスクリューエレメントの外半径ｒａの比率は、０．５４〜０．７、特に好ましくは０．５８〜０．６３であり、３条フライトのスクリューでは、０．５３〜０．５７、特に好ましくは０．５４〜０．５６であり、４条フライトのスクリューでは、０．５１５〜０．５３５である。

本発明によるスクリューエレメントは、搬送エレメントまたはニーディングエレメントまたは混合エレメントとして形成されてもよい。

既知のように（例［１］の２３４から２３７ページ参照）、搬送エレメントは、スクリュープロファイルが連続的に螺旋状に回転され、軸方向に連続しているということによって区別される。この場合には、搬送エレメントは、右回りであっても左回りであってもよい。搬送エレメントのピッチは、例えば、外径の０．１〜１０倍の値をとることができ、このピッチは、スクリュープロファイルの完全な回転のために必要とされる軸方向長さを意味するものと理解される。ピッチｔは、好ましくは外径の０．３〜３倍の範囲内である。実用的な理由のために、搬送エレメントの軸方向長さは、ｔ／Ｚの整数倍として設定されることが好ましい。

既知のように（例［１］の２３７から２４０ページ参照）、ニーディングエレメントは、スクリュープロファイルがニーディングディスクの形でオフセットする方法で軸方向に連続しているということによって区別される。ニーディングディスクの構成は、右回りであっても左回りであってもよく、中立であってもよい。ニーディングディスクの軸方向長さは、外径の０．０２〜２倍の範囲内であることが好ましい。２つの隣接するニーディングディスク間の軸線距離は、外径の０．００１〜０．１倍の範囲内であることが好ましい。

既知のように（例［１］の２４２から２４４ページ参照）、混合エレメントは、スクリューのフライト部に開口部を設けた搬送エレメントによって形成される。混合エレメントは、右回りであっても左回りであってもよい。これらのピッチｔは、好ましくは外径の０．１〜１０倍の範囲内である。搬送エレメントと同様に、混合エレメントの軸方向長さは、ｔ／Ｚの整数倍として設定されることが好ましい。開口部は、好ましくは、Ｕ字形またはＶ字形の溝の形態を有する。混合エレメントが積極的に搬送エレメントに基づいて形成されている場合、溝は、反搬送方向または軸方向に平行に配置されるのが好ましい。

また、本発明の主題は、本発明によるスクリューエレメントを製造するための方法を含み、このスクリューエレメントは、距離ａで互いに平行に配置された２つの回転軸を中心に同じ回転速度で同じ方向に回転するときに、常に少なくとも１つの点で互いに接触している。

この方法の好ましい実施形態では、一方のスクリューエレメントの（生成）断面プロファイルが、連続した、部分的に連続微分した、閉じた、凸状の曲線
によって回転軸に垂直な平面Ｅ内に形成され、他方のスクリューエレメントの（被生成）断面プロファイルが、以下の関係（１）に従って曲線
から形成される：
ここで、
−曲線
は、各点でスクリューエレメント間の中心線距離ａ以下である曲率半径ρを有し、
−連続微分可能部分内の曲線
の各点に対し、長さ１を有する正規化された法線ベクトル
が存在し、それぞれの点でのベクトルは曲線
の接線に垂直であり、湾曲の中心点の方向にある点は曲線
のそれぞれの点に属し、
−
は、平面Ｅを有する生成プロファイルの回転軸の交点から平面Ｅを有する被生成プロファイルの回転軸の交点の方向に導く、長さａを有するベクトルである。

上記式に従って、各プロファイルの生成を、曲線
上の点に基づいて実証することができる。プロファイル曲線
は、スクリューエレメントの回転軸に垂直な平面内に生成される。回転軸は、互いから距離ａの位置にある。ベクトルａは、回転軸の一方から他方への方向に長さａと点を有する。一方の（生成）プロファイルのプロファイル曲線
の各点から、他方の（被生成）プロファイルの対応する曲線
上の点を生成することができる。対応する曲線
上の点は、曲線
の点で曲線に接線
を置き、この接線に対して正規化された法線ベクトル
を形成し、係数ａによってそれを拡張し（すなわち、
）、最後にこのベクトル
にベクトル
を加えることによって得られる。

既に上述したように、本発明の好適な実施形態におけるスクリューエレメントは、曲線を形成するために円の弧から構成されたプロファイルによって区別され、この曲線は、少なくとも１つのキンク位置または曲線に沿った傾斜部の不連続な位置を有し、この少なくとも１つの位置は、プロファイル曲線の外半径内にある。したがって、２つ以上のスクリューフライトを有し、同一方向に対になって、中心線距離ａで対になって完全にワイピングするスクリュー軸を有する、多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメントを製造するための本発明による方法では、ｎ個の円弧によって断面全体に形成されたスクリュープロファイルを有するのが好ましく、ここでｎは４以上の整数である。

本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法は、好ましくは、以下を特徴とする。

−生成スクリュープロファイルの外半径ｒａが、０より大きく（ｒａ＞０）かつ中心線距離ａよりも小さく（ｒａ＜ａ）なるように選択される。

−生成スクリュープロファイルのコア半径ｒｉが、０より大きく（ｒｉ＞０）かつ外半径ｒａ以下である（ｒｉ≦ｒａ）ように選択される。

−円弧は、位置とサイズを固定することによって、円弧が閉じた、凸状のスクリュープロファイルを形成するような方法で次々に配置され、生成スクリュープロファイルの円弧のそれぞれが、外半径ｒａとコア半径ｒｉを有する円形リングの境界内または境界に位置し、その中心点が、生成スクリュープロファイルの回転点に位置し、生成スクリュープロファイルの円弧の少なくとも１つが、点Ｐ_Ａで生成スクリュープロファイルの外半径ｒａと接触し、生成スクリュープロファイルの円弧の少なくとも１つが、点Ｐ_１で生成スクリュープロファイルのコア半径ｒｉと接触する。

−被生成スクリュープロファイルのｎ’個の円弧が、以下の場合に生成スクリュープロファイルのｎ個の円弧によって生じる。
・被生成スクリュープロファイルの円弧の数ｎ’が、生成スクリュープロファイルの円弧の数ｎに等しい。
・被生成スクリュープロファイルの外半径ｒａ’が、中心線距離ａと生成スクリュープロファイルのコア半径ｒｉとの差に等しい（ｒａ’＝ａ−ｒｉ）。
・被生成スクリュープロファイルのコア半径ｒｉ’が、中心線距離ａと生成スクリュープロファイルの外半径ｒａとの差に等しい（ｒｉ’＝ａ−ｒａ）。
・被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の角度α_ｊ’が、生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の角度α_ｊに等しく、ここで、ｊおよびｊ’は、１から円弧の数ｎまたはｎ’の範囲内のすべての値を含む整数である。
・被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の半径ｒ_ｊ’と、生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の半径ｒ_ｊとの和が中心線距離ａに等しく、ここで、ｊおよびｊ’は、１から円弧の数ｎまたはｎ’の範囲内のすべての値を含む整数である。
・被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の中心点が、生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の中心点から離れており、その距離は中心線距離ａに等しく、被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の中心点が、被生成スクリュープロファイルの回転点Ｃ’から離れており、その距離は、生成スクリュープロファイルの回転点Ｃから生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の中心点までの距離に等しく、被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の中心点と生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の中心点との間の接合線が、被生成スクリュープロファイルの回転点と生成スクリュープロファイルの回転点との間の接合線に平行な線であり、ここで、ｊおよびｊ’は、１から円弧の数ｎまたはｎ’の範囲内のすべての値を含む整数である。
・被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の始点が、被生成スクリュープロファイルのｊ’番目の円弧の中心点に対する方向に位置し、この方向は、生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の始点が生成スクリュープロファイルのｊ番目の円弧の中心点に対する方向と反対であり、ここで、ｊおよびｊ’は、１から円弧の数ｎまたはｎ’の範囲内のすべての値を含む整数である。

スクリュープロファイルが円の弧から構成されている好ましい変形例では、本発明による方法を、驚くべきことに、単に三角定規とコンパスを用いて紙上で実行することができる。このため、単に手動で一方のスクリューエレメントの断面プロファイルを作製し、グラフィカルに予め定められたプロファイルから対応するスクリューエレメントの断面プロファイルをグラフィカルに導出することも原理的には可能である。

ただし、スクリュープロファイルを作製するための方法をコンピュータ上で実行することが推奨される。プロファイルの座標および寸法は、コンピュータでさらに処理可能な形態であるため、コンピュータシステム上で本発明による方法を実行することが好適である。また、スクリューエレメントの寸法は、スクリューエレメントを製造するために、ＣＡＤフライス盤にスクリューエレメントを後で供給することができる形である。

このように、本発明の主題は、コンピュータ上で本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法を実行するためのコンピュータシステムも含む。コンピュータシステムは、好ましくは、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を有し、このＧＵＩにより、ユーザが、例えばマウスおよび／またはキーボードなどの入力デバイスにより、プロファイルを作製するための自由に選択可能な変数を、簡単な方法で入力することが可能になる。特に好ましくは、例えば、Ｂスプライン関数、ベジェ関数、有理ベジェ関数、および非一様有理Ｂスプライン（ＮＵＲＢＳ）のような制御点によって値が画定される関数の場合に、コンピュータシステムが、制御点と、おそらく重み付けを用いて、プロファイルの輪郭を特定する可能性があり、グラフィカルにまたはグラフと数値入力の組み合わせで、数の形式（座標）でこれを実行することが可能である。また、コンピュータシステムは、グラフィック出力を有するのが好ましく、これにより、例えば、スクリーンおよび／またはプリンタのようなグラフィック出力デバイスに計算されたプロファイルを表示することができる。

コンピュータシステムは、好ましくは、計算されたプロファイルをエクスポートする可能性があり、すなわち、これを計算されたスクリューエレメントの幾何学的寸法を含む格納可能なデータレコードの形でデータキャリア上に格納するか、または使用のさらなる目的のために接続されたデバイスに転送するかのどちらかである。コンピュータシステムは、断面プロファイルと断面プロファイルから生成されたスクリューエレメントの両方を計算することができ、実際のスクリューエレメントを製造するために、例えばフライス盤のような工作機械のボディなどを製造するための機械で使用することができるフォーマットで計算された形状を出力することができるように、設計されるのが好ましい。このようなフォーマットは、当業者に知られている。

本発明の主題は、本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法をコンピュータ上で実行するためのプログラムコード手段を用いた、コンピュータプログラム製品も含む。

本発明の好ましい実施形態では、コンピュータプログラム製品のユーザは、選択されるべきパラメータ（生成および被生成スクリュープロファイルの円弧の数、半径、角度）を入力することができるように、ユーザインタフェース、好ましくはグラフィカルユーザインターフェスを備えている。ユーザはコンピュータシステムによって支援されることが好ましく、このコンピュータシステムは、選択したパラメータ値が完全に対になってワイピングしないスクリュープロファイルを作製することになる場合を、ユーザに示す。前記ユーザは、好ましくは、表示されている許容可能なパラメータ値の範囲によって、パラメータ値の入力を支援される。許容可能なパラメータ値は、完全に対になってワイピングするスクリュープロファイルをもたらすパラメータ値の組み合わせを意味するものとして理解される。

本発明の好ましい実施形態では、単にプロファイルだけでなく、スクリューエレメント全体が、コンピュータ上の仮想現実に構成されている。この構成の結果として、画面上またはプリンタ上に構造図の形で出力されることが好ましい。電子ファイルとして結果を出力することも同様に考えられ、好ましい実施形態では、これを対応するスクリューエレメントを製造するためにＣＡＤフライス盤に渡すことができる。

３次元プロファイルが記載の方法で製造された後、例えば、フライス盤、旋盤、または旋回機によって、スクリューエレメントを製造することができる。ボディが押出機のスクリューである場合、このようなボディを製造するための好適な材料は、特に、窒化鋼、クロム鋼、工具鋼、および特殊鋼などの鋼や、鉄、ニッケル、コバルトまたは例えば酸化ジルコニウムまたは炭化ケイ素のようなエンジニアリングセラミック材料ベースの粉末冶金的に作製された金属複合材料、である。

本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法は、スクリューのプロファイルが、特定のタスクに最適であるように最初から設計されることを可能にする。先行技術から知られているスクリューエレメントは、大部分が、実際のタスクに最適に設計されていない。むしろ、メーカーは、実際のタスクから独立した固定モジュラーシステムにより、スクリューエレメント（搬送エレメント、ニーディングエレメント、混合エレメント）を供給している。本発明のスクリュープロファイルを作製するための本発明による方法は、セルフクリーニングするスクリューエレメントのプロファイルが、実質的に完全に自由に設計され、その結果、それぞれのアプリケーションのパラメータの微小な変化によって、アプリケーションを視野に入れて最適化されることを可能にする。この関連において、スクリュープロファイルを生成するための円弧の数が限定されないことを、指摘しておく。結果として、円弧から構成されず、その結果、セルフクリーニングしないスクリュープロファイルが可能であり、十分な数の円弧により所望の精度で近似されることになる。この場合には、円弧の手段により近似されたプロファイルは、もちろんセルフクリーニングである。

また、対応する縦断面プロファイルを（生成または被生成）スクリュープロファイルから計算することができることを指摘しておく。スクリュープロファイルの各円弧は、明確な関数によって、その円弧に属する縦断面の一部を計算するために使用されるのが好ましい。スクリュープロファイルの円弧の点の距離ｓを計算するために、第１段階では、直線ｇの交点（Ｓｘ，Ｓｙ）は、前記直線がスクリュープロファイルの平面内に位置し、スクリュープロファイルの回転点を通過することを特徴とし、この直線の向きは、その半径ｒと中心点（Ｍｘ，Ｍｙ）により特徴づけられる円弧ｋｂにより決定される角度φで与えられる。第２段階では、スクリュープロファイルの回転点から交点（Ｓｘ，Ｓｙ）の距離が計算される。円弧と直線との交点の計算を、明確な関数で表すことができる。同じことは、距離の計算に適用される。したがって、距離についてｓ＝ｓ（φ，ｒ，Ｍｘ，Ｍｙ）が真になる。スクリューエレメントの既知のピッチｔを用いて、角度φをφ／２π＊ｔによって軸線位置ｚ＿ａｘに変換することができ、このため、距離についてｓ＝ｓ（ｚ＿ａｘ，ｒ，Ｍｘ，Ｍｙ）＝ｓ（φ／２π＊ｔ，ｒ，Ｍｘ，Ｍｙ）が真になる。関数ｓ（ｚ＿ａｘ，ｒ，Ｍｘ，Ｍｙ）は、スクリュープロファイルの円弧について求められる縦断面を記述している。

本発明の主題は、多軸スクリュー機械での本発明によるスクリューエレメントの使用をさらに含む。本発明によるスクリューエレメントは、２軸スクリュー機械で使用されるのが好ましい。多軸スクリュー機械では、スクリューエレメントは、ニーディング、搬送、または混合エレメントの形であってもよい。スクリュー機械において、ニーディング、搬送、および混合エレメントを互いに組み合わせることが、同様に可能である。また、本発明によるスクリューエレメントは、例えば、先行技術により既知の他のスクリューエレメントと組み合わせることもできる。

同一方向に対になった多軸スクリュー機械および対になった完全ワイピングスクリュー軸において、本発明によるスクリューエレメントは、その全周にわたって延伸するチャネルを形成する。この場合には、チャネルは、交互に増減するチャネル幅を有する。このようなチャネルは、ここでは、収束発散チャネルと称される。この収束発散チャネルでは、動作時に、せん断流と延伸流の組み合わせが、その全長にわたって発生し、これは非常に良好な分散効果がある。エネルギー入力は、先行技術により既知の従来のスクリューエレメントと比較して低減される。偏心配置された円形ディスクは、同様に、収束発散チャネルを形成する。ただし、本発明によるスクリューエレメントは、偏心配置された円形ディスクよりも、非常に狭いギャップが存在する、より小さな円周領域を有する。したがって、多軸スクリュー機械で本発明によるスクリューエレメントを用いた場合のエネルギー入力は、偏心配置された円形ディスクを使用した場合と比較して低減される。スクリューエレメントのプロファイルは、バレル内径の中心に位置する回転点に対して対に変位されるのが好ましい。

本発明によるスクリューエレメントは、例えば、懸濁液、ペースト、ガラス、セラミック組成物、溶融形態での金属、プラスチック、ポリマー溶融物、ポリマー溶液、エラストマ、およびゴム組成物である、プラスチックおよび粘弾性組成物を押出成形するのに適している。

プラスチック組成物は、変形可能な組成物を意味すると理解される。プラスチック組成物の例は、ポリマー溶融物、特に、熱可塑性プラスチック、ならびにエラストマ、ポリマー溶融物の混合物、または固体、液体、もしくは気体でのポリマー溶融物の分散体である。

熱可塑性ポリマー、またはポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、特にポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ならびにポリエーテル、熱可塑性ポリウレタン、ポリアセタール、フッ素重合体、特にポリビニリデンフルオリド、ならびにポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、特にポリエチレンやポリプロピレン、ならびにポリイミド、ポリアクリル、特にポリ（メチル）メタクリレート、ならびにポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン、スチレンポリマー、特にポリスチレンや、スチレン共重合体、特にスチレンアクリロニトリル共重合体や、アクリロニトリルブタジエンスチレンブロック共重合体ならびにポリ塩化ビニル、などの一連のポリマーの混合物が使用されるのが好ましい。記載されたプラスチックのいわゆるブレンドが使用されるのが同様に好ましく、これらは、２つ以上のプラスチックの組み合わせとして当業者に理解されている。

粘弾性組成物は、時間、温度、および振動数に依存する弾性を有するこれらの物質や混合物を意味すると理解される。粘弾性は、部分的に弾性であること、部分的に粘性挙動があることによって区別される。材料は、外力を除去した後に単に不完全に緩和され、残りのエネルギーは、フロープロセスの形態で消費される（リターデーション）。

粘弾性材料の例としては、スチレンブタジエンゴム、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブタジエンアクリロニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ブチルゴム、ハロブチルゴム、クロロプレンゴム、エチレンビニルアセテートゴム、ポリウレタンゴム、熱可塑性ポリウレタン、ガッタパーチャ、アクリルゴム、フッ素ゴム、シリコンゴム、硫化ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴムが挙げられる。記載されたゴムの２以上の組み合わせや１つまたは複数のプラスチックを有する１つまたは複数のゴムの組み合わせも、もちろん可能である。

押出成形されるプラスチックまたは粘弾性ポリマーは、純粋な形態で、または充填剤および特にガラス繊維などの補強材の混合物として使用することができ、この混合物は、互いの混合物もしくは他のポリマーとの混合物または慣例のポリマー添加剤との混合物などである。

添加剤を、ポリマーと一緒に固体、液体または溶液として押出機に導入することができ、あるいは、少なくともいくつかの添加剤またはすべての添加剤が、副流を介して押出機に供給される。

添加剤は、ポリマーにさまざまな特性を与えることができる。これらは、例えば、可塑剤、着色剤、顔料、加工助剤、充填剤、酸化防止剤、補強材、紫外線吸収剤および光安定剤、エキステンダー油、金属不活性化剤、過酸化物スカベンジャ、塩基性の安定化剤、核化剤、安定剤または酸化防止剤としてのベンゾフランおよびインドリノンアクティブ、離型剤、難燃添加剤、帯電防止剤、色素製剤、および溶融体の安定剤であってもよい。充填剤および補強材の例は、カーボンブラック、ガラス繊維、粘土、雲母、グラファイト繊維、二酸化チタン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、イオン液体および天然繊維が挙げられる。

上述のように、本発明によるスクリューエレメントは、粘弾性組成物の押出成形に特に適している。これらのエレメントを用いて実行することができる方法のステップは、例えば、固体または液体または気体の混合または分散である。固体は、例えば、上述した固体の添加剤であってもよい。液体は、例えば、上述した液状の添加剤だけでなく、例えば水であってもよい。気体は、例えば、窒素または二酸化炭素であってもよい。本発明の主題は、したがって、本発明によるスクリューエレメントを使用して、２軸または多軸押出機で粘弾性組成物を押出成形するための方法も含む。

本発明は、好ましい例示的な実施形態に基づいて添付の図面を参照して以下に例として説明され、以下に提示されている特徴は、個々の場合および組み合わせの両方で、本発明の態様を表すことが可能である。

本発明の例示的な実施形態による多軸スクリュー機械における、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル曲線を示す図である。 本発明の別の例示的な実施形態による多軸スクリュー機械における、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル曲線を示す図である。 図２の例示的な実施形態の修正形態による多軸スクリュー機械における、本発明によるスクリューエレメントのプロファイル曲線を示す図である。

実用的な理由のために、さらなる説明は、原点がスクリューエレメントの回転点Ｃによって形成されたデカルト座標系に基づくものとする。デカルト座標系のｘ軸は点Ｐ_Ａを通過し、ｙ軸は回転点Ｃでｘ軸に垂直である。このような座標系は、図１に示されている。

異なる押出機のサイズへの変換を容易にするために、無次元特性値を使用することが望ましい。例えば長さや半径のような幾何学的変数のための基準値は、中心線距離Ａが適当であり、なぜなら、この値を押出機によって変更することができないからである。

座標ｘおよびｙが、軸の一方の回転点にその原点を有するという規則が、図面に適用されている。指定角度はすべてラジアン測定値で与えられている。他のすべての仕様は、中心線距離に正規化され、Ａ＝ａ／ａ；Ｒ_ｊ＝ｒ_ｊ／ａ；ＲＡ＝ｒａ／ａ；ＲＪ＝ｒｉ／ａ；Ｔ＝ｔ／ａなどの大文字で表される。ＭｘおよびＭｙはプロファイル生成円弧の円の中心点のｘおよびｙ座標であり、Ｒは中心線距離ａに正規化された半径であり、αは円弧の角度である。また、ＲＧ＝正規化されたバレル半径、ＲＶ＝正規化された実質的なバレル半径、ＲＡ＝完全ワイピングプロファイルの正規化された外半径、ＲＦ＝作製されるスクリューの正規化された外半径、Ｓ＝互いに対するスクリューの正規化されたクリアランス（ギャップ）、Ｄ＝バレルに対するスクリューの正規化されたクリアランス、ＶＰＲ＝プロファイル変位の正規化された量、ＶＰＷ＝ラジアン測定でのプロファイル変位の角度、ＶＬＲ＝左側の軸の変位の正規化された量、ＶＬＷ＝左側の軸の変位の角度、ＶＲＲ＝右側の軸の変位の正規化された量、ＶＲＷ＝右側の軸の変位の角度、である。

図１に示すのは、本発明による２つの完全ワイピングの２条フライトのスクリューエレメント１０，１０’の断面であり、これらは互いから距離Ａに配置され、それぞれ生成プロファイル１１および被生成プロファイル１１’を有している。ＣおよびＣ’で特定される点が、プロファイル１１，１１’の回転点またはスクリューエレメントが配置されている軸の回転軸Ｗ，Ｗ’を示している。生成スクリューエレメント１０の回転点Ｃは、対応する（被生成）スクリューエレメント１０’の回転点Ｃ’から距離Ａに配置されている。この図および他のすべての図において、座標原点は、軸Ｗの回転点Ｃを示している。スクリューエレメント１０のコア半径ＲＩを有する円（内円）および外半径ＲＡを有する円（外円）を、回転点Ｃの周りに描画することができる。内円と外円は、円形リングを形成している。外半径ＲＡを用いて、プロファイルの周りに円を描画することができる。バレル内径１２は、クリアランスＤの分だけ外半径ＲＡに対して増加される半径ＲＧを有する同心円で表現される（すなわち、ＲＧ＝ＲＡ＋Ｄ）。

スクリューエレメント１０は、フライトの数Ｚ＝２、およびいくつかの円弧で形成された凸状のプロファイル曲線１１を有している。プロファイル曲線１１を２・Ｚ個に分割することができ、すなわち、４つのプロファイルの部分になり、これを、プロファイルの対称軸でミラーリングする軸により相互に移動させることができる。このようにして、スクリューエレメント１０のプロファイル１１を、３６０°／（２・Ｚ）のセグメントでのプロファイル部分によって完全に画定することができ、すなわち、プロファイルの対称の２軸間が９０°である。図１に示した生成プロファイル１１は、ｘ軸およびｙ軸に関して軸対称であるため、全体のプロファイル１１は、ｘ軸およびｙ軸で点Ｐ_Ａと点Ｐ_Ｉとの間の４分の１をミラーリングすることによって得られることになる。点Ｐ_Ａと点Ｐ_Ｉとの間のプロファイル部分のすべての点、および結果として得られるスクリューエレメント１０の全体のプロファイル１１は、コア半径ＲＩと外半径ＲＡとの間の円形リング内にある。プロファイル１１は、９０°のセグメントでのプロファイル部分内に単一の点Ｐ_Ａのみが存在するということによって区別され、この点Ｐ_Ａは、スクリューエレメント１０の外半径ＲＡに対応する回転点Ｃから離れている。別の言い方をすると、外半径ＲＡ（外円）を有する回転点Ｃを中心とする円上に位置するプロファイル部分に、単一の点Ｐ_Ａのみが存在する。点ＣとＰ_Ａを通る直線（すなわち、ｘ軸）上および点ＣとＰ_Ｉを通る直線（すなわち、ｙ軸）上に、点Ｐ_ＡとＰ_Ｉとの間のプロファイル部分を連続的にミラーリングすることにより、（生成）スクリューエレメント１０の全体のプロファイル１１を構成することができる。対応する（被生成）スクリューエレメント１０’のプロファイル１１’は、その後、９０°の角度だけスクリューエレメント１０のプロファイル１１を回転させることによって得られる。

点Ｐ_Ａと点Ｐ_Ｉとの間のプロファイル部分を作製するために、点Ｐ_Ａは、接合線Ｃ−Ｐ_Ａ上にある半径Ｒ_１＜ＲＡと中心点Ｍ_１を有する第１の円弧１の始点を特定する。点Ｐ_Ａは外円上に位置している。点Ｐ_Ｉは、半径Ｒ_３＝Ａ−Ｒ_１を有する円弧３の始点を特定する。その中心点Ｍ_３は、直線Ｃ−Ｐ_Ｉ上に位置している。円弧２が円弧３に接線方向に合流するが円弧１との角度θでキンク位置Ｋを形成するような方法で、円弧１と円弧３との間に、半径Ｒ_２＝Ａと中心点Ｍ_２を有する円弧２が隣接し、キンク位置Ｋは、プロファイル曲線１１の傾斜部に幾何学的な不連続部を表す。この角度θは、１４０°と１８０°との間の範囲にあるのが好ましい。

ここで図２を参照すると、本発明による２つの完全ワイピングの２条フライトのスクリューエレメント１０，１０’の断面が示されており、これらは互いから距離Ａに配置され、ここでは、プロファイル部分をミラーリングする軸により一致させることができないが、プロファイル部分は、回転点Ｃ，Ｃ’に関して点対称である。このため、全体のスクリュープロファイル１１，１１’は、回転点ＣまたはＣ’の半体をミラーリングすることによって得られる。この結果、スクリューエレメント１０，１０’は、生成プロファイルと被生成プロファイルの形で、同じ点対称のスクリュープロファイル１１，１１’を有する。右側のスクリューエレメント１０’は、左側のスクリューエレメント１０に対して９０°回転している。示されている各スクリュープロファイル１１，１１’は、２つの対称なプロファイル部分から構成され、これらの部分の変化部に、矢印で特定されるキンクＫ，Ｋ’が存在する。

プロファイル部分を作製するために、点Ｐ_Ａは、接合線Ｃ−Ｐ_Ａ上にある半径Ｒ_１＜ＲＡと中心点Ｍ_１を有する第１の円弧１の始点を特定することができる。点Ｐ_Ａは外円上に位置している。点Ｐ_Ｉは、接合線Ｃ−Ｐ_Ｉ上にある半径Ｒ_２と中心点Ｍ_２を有する円弧２の始点を特定する。円弧１，２が互いに角度θで交わりキンク位置Ｋを形成するような方法で、円弧２が円弧１に隣接し、このキンク位置Ｋは、プロファイル曲線１１の傾斜部に幾何学的な不連続部を表す。この角度θは、１４０°と１８０°との間にあるのが好ましい。また、点Ｐ_Ｉは、同じく直線Ｃ−Ｐ_Ｉ上にある半径Ｒ_３＝Ａ−Ｒ_１と中心点Ｍ_３を有する円弧３の始点を特定し、円弧２は円弧３に接線方向に合流している。円弧３は、さらに、半径Ｒ_４＝Ａと中心点Ｍ_４を有する円弧４に接線方向に合流し、プロファイル曲線１１の半体は、外円上の対向する点Ｐ_Ａに関して最終的な円弧５によって補完されている。円弧５は、直線Ｐ_Ａ−Ｃ上にある半径Ｒ_５＝Ａ−Ｒ_２および中心点Ｍ_５を有し、円弧４から点Ｐ_Ａに接線方向に延びている。

点Ｐ_Ａ−Ｐ_Ａ間を延び、一連の円弧１−２−３−４−５によって形成されているプロファイル曲線１１の上半体は、回転点Ｃでもう片方の半体をミラーリングする点によって生成することができるプロファイル曲線１１の下半体に対応している。ただし、この例示的な実施形態におけるスクリュープロファイル１１，１１’を、２つの連続微分可能な半体を含むプロファイル曲線として推測することができ、この２つの半体はそれぞれ、ａ）相互に接線方向に合流する一連の円弧２−３−４−５−１、を含み、それぞれのキンク位置Ｋ，Ｋ’で交わる。すなわち、キンク位置Ｋ，Ｋ’を、それぞれのプロファイル部分の終点と見なすこともできる。図２の被生成スクリュープロファイル１１’のキンク位置Ｋ’と回転点Ｃ’を通る破線に基づいて、これを十分に推測することができる。このように、各プロファイル部分は、相互に接線方向に合流し、かつ２つのキンク位置Ｋ，Ｋ’間の連続微分可能曲線を形成する複数の円弧１〜５で構成され得る。キンク位置Ｋ，Ｋ’で、それぞれの円弧は、隣接するプロファイル部分に接線方向に合流しないが、互いに角度θを成す。

本発明によるスクリューエレメントのさらなる実施形態は、図３に例として示されている。図３は、多少異なる寸法を有する図２の例示的な実施形態の修正形態であるが、原理的には、５つの円弧１〜５と２つキンク位置Ｋ，Ｋ’を有する同じ点対称構造を有している。

スクリュー機械もしくは２軸スクリューのためのスクリューエレメントまたは多軸押出機は、通常、バレル内に取り付けられている。この場合、スクリューエレメントおよびバレルは、対になって隣接するスクリューエレメントのワイピングだけが、スクリューエレメントの回転によってもたらされるような方法で構成されるが、スクリューエレメントの回転の結果としてバレルの内壁もクリーニングされる。これまでは、完全ワイピングスクリューのプロファイルのみが議論されてきた。ただし、技術的に構成された機械の場合には、正確に画定されたギャップＳおよびＤがクリーニング中に維持される条件で、完全ワイピング形状から逸脱する必要があり、ここでの用語「クリーニング」は、本発明の文脈において「ワイピング」と同義で使用されている。製造公差を補償し、ギャップでの過剰なエネルギー消費を回避するために、金属の「焼き付き」を防止する必要がある。

例えば、刊行物［１］の２７〜３０ページに示されるように、スクリューエレメントおよびバレルを備えた構成は、常にクリアランスとして知られているものを実際に有する。当業者に既知のように、スクリューとバレルとの間およびスクリューとスクリューとの間のクリアランスは、異なるサイズであっても同じサイズであってもよい。スクリューとバレルとの間のクリアランスは“δ”で示され、スクリューとスクリューとの間のクリアランスは“ｓ”で示されている。また、クリアランスは、指定された制限内で、一定であっても可変であってもよい。クリアランス内のスクリュープロファイルを変位させることも可能である。その結果、存在するクリアランスの都合上、厳密ではないが実際に使用されるスクリューエレメントは、互いに平行に配置された軸を中心に同じ回転速度で同じ方向に回転するときに、少なくとも１つの点で互いに接触しているという特性を有している。ただし、［１］に記載したように、実際にスクリューエレメントを製造するために、完全ワイピングの輪郭（プロファイル）が、通常は基礎として適用され、その後、クリアランスが導入される。したがって、本発明によれば、互いに平行に配置された軸を中心に同じ回転速度で同じ方向に回転するときに、常に少なくとも１つの点で互いに接触しているスクリューエレメントが、最初に実質的に作製されることが好適である。これらの好適な実質的な形状に基づいて、クリアランスが設けられることにより、実際に使用されるスクリューエレメントの「焼き付き」、すなわち、スクリューエレメントが互いに擦れ合うと同時にその表面を破壊することを防ぐ。

所定の完全ワイピングスクリューのプロファイルからクリアランスを有するスクリュープロファイルを導出するための方法は、当業者に知られている。この既知の方法は、例えば、［１］の２８ページ以下に記載の、中心線距離の増加、等距離の縦断面、および等距離の空間が可能である。中心線距離を増加させる場合には、より小さな直径のスクリュープロファイルが構築され、スクリュー間のクリアランスの分だけ離さられる。縦断面を等距離にする方法の場合には、縦断面のプロファイル曲線（各エレメントの回転軸に平行）が、回転軸方向に、スクリュー間のクリアランスの半分だけ、プロファイル曲線に内向きに垂直に変位される。空間を等距離にする方法の場合には、スクリューエレメントが互いにクリーニングする空間曲線から始まって、スクリューエレメントは、完全ワイピングプロファイルの表面に垂直な方向に、スクリュー間のクリアランスの半分だけサイズが縮小される。また、バレルワイピングを保持し、対になってワイピングしている間に、バレル内のスクリューエレメントが偏心位置決めされることは、押出技術の当業者に知られている（例えば、［１］の１０８、２４６、および２４９ページを参照）。画定されたギャップＳを有するスクリュープロファイルを作製するための規則やバレルの使用、クリアランスおよび／または偏心位置決めを、本発明によるスクリューエレメント１０，１０’に対応する方法で適用することができ、このスクリューエレメント１０，１０’は、常に、少なくとも１つの点で互いに接触しているような方法で互いに平行に配置された２つの軸線の周りを同じ方向に回転する際に、互いに擦れ合う。

図１から図３において、２条フライトのスクリューエレメント１０，１０’は、排他的に扱われた。ただし、同じ原理を、３つ以上のフライトを有するスクリューエレメントに適用することもできる。３条フライトのスクリューエレメントの場合の手順は、２条フライトのプロファイルの場合の手順と類似している。プロファイルの外半径はバレル半径と比較して小さくなり、プロファイルは対になって変位され、回転点はバレルに関して中心に維持される。３条フライトのプロファイルの場合、偏心的に回転するプロファイルを構築することもできる。スクリューが互いに完全にクリーニングする場合のスクリュープロファイルに、特に関心があり、ここでバレルは、３つのフライト部のうちの１つだけによってクリーニングされる。プロファイルの相互クリーニング、およびバレルのクリーニングでのギャップの作製は、２条フライトのプロファイルの場合の手順と完全に一致する方法で行われる。３条フライトのプロファイルを、連続搬送スレッドとしてまたはニーディングディスクとして、本発明に従って使用することができる。

軸対象の４条フライトのスクリューを、スクリュープロファイルの４５°の部分だけ完全に画定することができる。偏心プロファイルの生成およびクリーニングでのギャップの作製は、２条フライトのおよび３条フライトのプロファイルの場合と同様に行われ、ここでは示されていない。４条フライトのプロファイルを、連続搬送スレッドとしてまたはニーディングディスクとして、同様に使用することができる。５つ以上のフライトを有する本発明によるプロファイルを、類似の方法で作製することができる。同様に、ギャップは可変であり、偏心プロファイルを、類似の方法で作製することができる。

図４は、Ｅｒｄｍｅｎｇｅｒプロファイル（［１］の２２７〜２２８ページ）として知られている先行技術の、対になって完全にワイピングするスクリューエレメントのプロファイルを概略的に示している。キンク位置（Ｋ１〜Ｋ４）がプロファイル曲線の外半径ＲＡ上に位置することは、明らかである。このような構成により、ポリマー組成物が加熱され、分散の処理タスクに寄与することなく熱分解に寄与する可能性があるという重要な効果を有する。

Claims (14)

1. 対になって同一方向に回転するスクリュー軸（Ｗ，Ｗ’）を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント（１０，１０’）であって、前記スクリューエレメントが、対になって完全にワイピングし、前記スクリュー軸が、２つ以上のスクリューフライトを有する前記スクリューエレメントから構成され、スクリュープロファイル（１１，１１’）をそれぞれのプロファイル曲線によって断面全体にわたって表すことが可能であるスクリューエレメント（１０，１０’）において、前記各プロファイル曲線（１１，１１’）が、前記プロファイル曲線に沿ってその外半径（ＲＡ，ＲＡ’）内に位置するキンク位置（Ｋ，Ｋ’）を有し、キンクは、曲率半径が変化するとともに連続微分可能でない位置であり、前記プロファイルの前記外半径に対する前記スクリュープロファイルの曲率半径の比率は、バレルをクリーニングする点Ｐ_Ａで０．０５〜０．９５であり、前記点Ｐ_Ａは、前記外半径ＲＡを有する回転点Ｃを中心とする円上に位置する９０°のセグメントのプロファイル部分内にある唯一の点であることを特徴とする、スクリューエレメント（１０，１０’）。
2. 連続し、閉じている、凸状の曲線である前記各プロファイル曲線が、前記少なくとも１つのキンク位置（Ｋ，Ｋ’）を除いてさらに連続微分可能である、請求項１に記載のスクリューエレメント（１０，１０’）。
3. 前記一方のスクリューエレメント（１０）の前記プロファイル（１１）が、曲線
   によって形成され、前記他方のスクリューエレメント（１０’）の前記プロファイル（１１’）が、以下の関係（１）に従って曲線
   から形成され：
   ここで、
   前記曲線
   が、各点で、前記スクリューエレメント（１０，１０’）間の中心線距離ａ以下である曲率半径ρを有し、
   連続微分可能部分内の前記曲線
   の各点に対し、長さ１を有する正規化された法線ベクトル
   が存在し、前記それぞれの点での前記ベクトルは前記曲線
   の接線に垂直であり、湾曲の中心点の方向にある点が前記曲線
   の前記それぞれの点に属し、
   は、前記生成プロファイル（１１）の回転点（Ｃ）から前記被生成プロファイル（１１’）の回転点（Ｃ’）の方向に導く、長さａを有するベクトルである、
   請求項２に記載のスクリューエレメント（１０，１０’）。
4. 前記各スクリュープロファイルまたは前記各プロファイル曲線（１１，１１’）が円の複数の円弧（１〜５）から構成され、前記それぞれの円弧（１〜５）が、前記少なくとも１つのキンク位置（Ｋ，Ｋ’）で互いに９０°〜１８０°の角度（θ）を成している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクリューエレメント（１０，１０’）。
5. 前記各スクリュープロファイルまたは前記各プロファイル曲線（１１，１１’）が、ミラーリングする点または軸線によって相互に移動させることができるプロファイル部分に分割されることが可能である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスクリューエレメント（１０，１０’）。
6. 前記各プロファイル部分が円の複数の円弧（１〜５）から構成され、前記プロファイル部分のうちの１つを形成する前記円弧（１〜５）の数が、２〜８の範囲である、請求項５に記載のスクリューエレメント（１０，１０’）。
7. 前記プロファイル部分のうちの１つが、前記プロファイル（１１，１１’）の外半径（ＲＡ，ＲＡ’）に位置する点（Ｐ_Ａ，Ｐ_Ａ’）と、前記プロファイル（１１，１１’）のコア半径（ＲＩ，ＲＩ’）に位置する点（Ｐ_Ｉ，Ｐ_Ｉ’）との間に延びるとともに、前記少なくとも１つのキンク位置（Ｋ，Ｋ’）を含む、請求項５または６に記載のスクリューエレメント（１０，１０’）。
8. 前記各プロファイル部分が、２つのキンク位置（Ｋ，Ｋ’）間に連続微分可能曲線を含む、請求項５または６に記載のスクリューエレメント（１０，１０’）。
9. 前記プロファイルの前記外半径に対する前記スクリュープロファイルの曲率半径の比率が、バレルをクリーニングする点Ｐ_Ａにおいて、０．２〜０．８である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスクリューエレメント（１０，１０’）。
10. 対になって同一方向に回転するスクリュー軸を有する多軸スクリュー機械のためのスクリューエレメント（１０，１０’）を製造するための方法であって、前記スクリューエレメントが、対になって完全にワイピングし、前記スクリュー軸が、２つ以上のスクリューフライトを有する前記スクリューエレメントから構成され、前記スクリュープロファイル（１１，１１’）を作製するために、プロファイル曲線が回転軸（Ｃ，Ｃ’）に垂直な平面内に形成され、前記プロファイル曲線が少なくとも１つのキンク位置（Ｋ，Ｋ’）または前記曲線に沿った傾きの不連続な位置を有し、前記キンク位置（Ｋ，Ｋ’）が前記プロファイル曲線の外半径（ＲＡ，ＲＡ’）内に位置し、キンクは、曲率半径が変化するとともに連続微分可能でない位置であり、前記プロファイルの前記外半径に対する前記スクリュープロファイルの曲率半径の比率は、バレルをクリーニングする点Ｐ_Ａで０．０５〜０．９５であり、前記点Ｐ_Ａは、前記外半径ＲＡを有する回転点Ｃを中心とする円上に位置する９０°のセグメントのプロファイル部分内にある唯一の点である、方法。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の、または請求項１０に記載の方法で製造されたスクリューエレメント（１０，１０’）の、スクリュー機械における使用。
12. 全周にわたって前記スクリューエレメント（１０，１０’）同士の間に一定のギャップを伴い対になってクリーニングする前記スクリューエレメント（１０，１０’）、または前記全周にわたって前記スクリューエレメント（１０，１０’）同士の間に一定ではないギャップを伴い対になってクリーニングする前記スクリューエレメント（１０，１０’）の、請求項１１に記載の使用。
13. 対になって同一方向に回転するスクリュー軸（Ｗ，Ｗ’）を有するスクリュー機械であって、前記スクリュー軸が、請求項１〜９のいずれか一項に記載の、または請求項１０に記載の方法で製造されたスクリューエレメント（１０，１０’）を有する、スクリュー機械。
14. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の、もしくは請求項１０に記載の方法で製造されたスクリューエレメント、または請求項１３に記載のスクリュー機械が使用されることを特徴とする、プラスチック組成物を押出成形するための方法。