AT526517A4 - Extruder und verfahren zur regelung eines extruders - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Extruder umfassend einen als Matrize (3) ausgebildeten Auslass und einen vor der Matrize (3) angeordneten zweiten Auslass (4). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Auslass (4) als Druckregelvorrichtung zur Regelung des Drucks an der Matrize (3) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Regelung des Drucks an einer Matrize (3) eines Extruders. Die Erfindung erlaubt den Einsatz von optimierten Matrizen an Extrudern für Hochdruckanwendungen.
Description
Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Extrusion eines Materials, insbesondere Lebensmittel oder Futtermittel, umfassend einen Einlass zur Zuführung des Materials, einen Verarbeitungsbereich zur Erhöhung des Drucks des Materials und einen als Matrize ausgebildeten Auslass zur Extrusion des Materials, wobei zwischen dem Einlass und der Matrize ein zweiter Auslass angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Regelung des Drucks an einer Matrize eines Extruders, wobei dem Extruder über einen Einlass Material, insbesondere Lebensmittel oder Futtermittel, zugeführt, der Druck des Materials in einem Verarbeitungsbereich des Extruders erhöht und das Material durch einen als Matrize
ausgebildeten Auslass extrudiert wird.
In der Lebensmittel- bzw. Futtermittelindustrie erlauben Extruder zum einen eine Konditionierung und zum anderen die Formgebung des Materials, wobei das Material unter Druck kontinuierlich aus einem Auslass des Extruders - der Matrize herausgepresst wird. Schneckenextruder bzw. Schneckenpressen stellen eine typische Bauform dar. Das Material wird kontinuierlich über einen Einlass dem Verarbeitungsbereich des Extruders zugeführt und über die Schnecke in einer Axialrichtung des Extruders zum Auslass - bzw. der Matrize - gefördert. Im Verarbeitungsbereich wird das Material zwischen der Schnecke und der Trommel verdichtet und auf den für die Extrusion erforderlichen Druck gebracht. Im Auslassbereich wird auf einen homogenen Austrag abgestellt, was durch die Matrize erreicht wird. Extruder werden typischerweise für hohe Nominaldrücke, z.B. 150 bar, ausgelegt, wobei die einzelnen Komponenten des Extruders diesen Belastungen gewachsen sein müssen. Dabei treten insbesondere an der Matrize diese höchsten Belastungen auf, wobei an die Matrize zusätzlich qualitative Erwartungen hinsichtlich
des erzeugten Extrudats gestellt werden.
So offenbart die EP3539748A1 eine Schneckenpresse zur Extrusion von Lebensbzw. Futtermitteln, wobei das Material durch eine Matrize extrudiert und von einer Messereinheit abgenommen wird. Der Extruder umfasse weiter ein „sanitary start-up and discharge system (SSDS)“, wobei ein Ventil innerhalb der Trommel stromabwärts vom Verarbeitungsbereich des Extruders und stromaufwärts der Matrize angeordnet ist. Beim Anfahren bzw. Abschalten des Extruders wird das
Ventil vollständig geschlossen, und sämtliches Material wird durch einen Bypass-
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Verarbeitungsbereich auch die spezifische mechanische Energie geregelt werden.
Ziel der Erfindung ist ein Extruder, der eine verbesserte Regelung des Drucks am Auslass, bzw. an der der Matrize, erlaubt und dabei kompakt aufgebaut, im Betrieb robust und einfach nachzurüsten ist. Insbesondere soll die Erfindung eine energieeffiziente Regelung des Drucks erlauben. Die flexible Verwendung unterschiedlicher Matrizen und die Herstellung eines qualitativ hochwertigen Extrudats, insbesondere mit kleinem Durchmesser, ist ebenso Ziel der Erfindung, wobei der sichere Betrieb
des Extruders bzw. der Matrizen wichtig ist.
Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass der zweite Auslass als Druckregelvorrichtung zur Regelung des Drucks an der Matrize ausgebildet ist, wobei zur Regelung des Drucks an der Matrize ein Teilstrom des Materials durch den zweiten Auslass aus dem Extruder ausführbar ist. Der zweite Auslass erlaubt insbesondere im Betrieb des Extruders die Regelung des Drucks an der Matrize. Dabei ist der zweite Auslass zwischen dem Einlass und der Matrize, insbesondere zwischen dem Verarbeitungsbereich und der Matrize, angeordnet. Der Extruder umfasst eine von einer Trommel umgebene Schnecke, wobei die Schnecke eine Wendel umfasst und rotierbar in der Trommel angeordnet ist. Im zwischen der Trommel und der Schnecke ausgebildeten Verarbeitungsbereich wird das Material verdichtet und auf den für die Extrusion erforderlichen Druck gebracht. Durch die Möglichkeit, im Betrieb des Extruders einen Teilstrom des Materials durch den zweiten Auslass auszuführen, kann der Druck an der Matrize gezielt geregelt werden. Dazu wird bei Auftreten eines unerwünscht hohen Drucks an der Matrize der zweite Auslass geöffnet, um einen Teilstrom des Materials auszuführen, bzw. wird der über den zweiten Auslass geführte Teilstrom weiter vergrößert. Umgekehrt kann bei geöffnetem zweiten Auslass und einem Unterschreiten des gewünschten Drucks an der Matrize der über den zweiten Auslass geführte Teilstrom solange reduziert werden, bis der gewünschte Druck an der Matrize wieder eingestellt ist. Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders kompakt und einfach nachzurüsten, da die Wirkung durch den zweiten Auslass erzielt wird und insbesondere innerhalb der
Trommel keine Einbauten vor der Matrize erforderlich sind. Die Lösung ist robust, da 2
Betriebsdrucks entsprechend dem Nominaldruck der Matrize einher.
Ebenso vorteilhaft erweist sich ein Extruder, wobei der zweite Auslass am Umfang des Extruders angeordnet ist, die Druckregelvorrichtung eine von dem Teilstrom durchströmbare Regelfläche umfasst und die Größe der Regelfläche zur Regelung des Teilstroms einstellbar ist. Die Anordnung des zweiten Auslasses am Umfang des Extruders ist insbesondere kompakt und einfach nachzurüsten, beispielsweise durch Anordnung der vorteilhaften Druckregelvorrichtung zwischen dem Verarbeitungsbereich und der Matrize. Insbesondere wird innerhalb der Trommel auf
Einbauten vor der Matrize verzichtet, was einen energieeffizienten und robusten
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Teilstrom durch den zweiten Auslass führbar.
Vorteilhafterweise ist die Druckregelvorrichtung als Armatur, insbesondere als Ventil, Schieber oder Klappe, ausgebildet, und erlaubt eine einfache und genaue
Einstellung der Größe der Regelfläche der Druckregelvorrichtung.
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Regelfläche unmittelbar vom zweiten Auslass umfasst. So kann beispielsweise ein Schieber dazu verwendet werden den zweiten Auslass nicht, teilweise oder ganz abzudecken, um so eine in
der Größe einstellbare Regelfläche auszubilden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Regelfläche getrennt vom zweiten Auslass ausgebildet. Dabei umfasst in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die Druckregelvorrichtung einen beweglichen Kolben, welcher Kolben insbesondere in einer Radialrichtung des Extruders beweglich ist und welcher Kolben ausgebildet ist, in einer ersten Stellung den zweiten Auslass in der Trommel des Extruders zu verschließen und in einer zweiten Stellung den zweiten Auslass freizugeben, wobei die Größe der Regelfläche zur Regelung des Teilstroms durch eine Positionierung des Kolbens zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung einstellbar ist. Dabei ist die Regelfläche beispielsweise durch eine Verschneidung des Kolbens mit einem insbesondere tangential zum Extruder angeordneten Kanal ausgebildet, wobei durch die insbesondere radiale Bewegung des Kolbens aus der ersten Stellung in die zweite Stellung ein zunehmender Teilstrom durch den Kanal aus dem Extruder ausführbar ist. Diese Anordnung ist kompakt und erlaubt die effizientere Ausführung auch größerer Teilstrome aus dem
Extruder.
Vorteilhaft ist ein Extruder, wobei sich die Größe der Regelfläche in Abhängigkeit vom Druck am zweiten Auslass und einer in der Druckregelvorrichtung, insbesondere
durch eine Feder, eine Spindel, hydraulisch, pneumatisch oder über Aktuatoren,
Ansprechdruck einzustellen ist.
Ebenso vorteilhaft ist ein Extruder, wobei die Druckregelvorrichtung einen insbesondere einstellbaren Ansprechdruck aufweist, und bei einem Druck, insbesondere an der Matrize oder am zweiten Auslass, kleiner dem Ansprechdruck kein Material durch den zweiten Auslass ausführbar ist und bei einem Druck gleich bzw. größer dem Ansprechdruck zumindest ein Teilstrom des Materials durch den zweiten Auslass ausführbar ist. Durch einen insbesondere einstellbaren Ansprechdruck, kann die Druckregelvorrichtung optimal auf die Verwendung von Matrizen mit unterschiedlichen Nominaldrücken abgestimmt werden, was eine verbesserte Betriebssicherheit des Extruders sicherstellt. Vorteilhafterweise wird der Druck an der Matrize erhoben, womit der unmittelbar relevante Druck für den
sicheren Betrieb von Matrizen mit unterschiedlichem Nominaldruck erhoben wird.
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vorteilhafte selbständige Regelung der Druckregelvorrichtung ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist ein Extruder, wobei die Matrize einen Identifikator zur Bezeichnung eines Nominaldrucks und der Extruder ein Auslesemittel zur Auslesung des Nominaldrucks umfasst, wobei der Ansprechdruck der Druckregelvorrichtung entsprechend dem ausgelesenen Nominaldruck einstellbar ist. Dies erlaubt einen besonders sicheren Betrieb des Extruders mit Matrizen, deren Nominaldruck stark vom Nominaldruck des Extruders abweicht. Durch das unmittelbare Auslesen des zulässigen Nominaldrucks und durch die Verarbeitung dieser Information zu einem Ansprechdruck der Druckregelvorrichtung ist eine Fehlbedienung des Extruders durch zu hohe Drücke ausgeschlossen. Dabei kann der Identifikator auf der Matrize beispielsweise als Seriennummer, Strichcode, RFID oder Ähnlichem ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist das automatisierte Stellen des Ansprechdrucks der Druckregelvorrichtung, z.B. durch automatisiertes Stellen der in der
Druckregelvorrichtung zu bildenden, entgegenwirkenden Kraft.
Ebenso günstig ist ein Extruder, wobei die Druckregelvorrichtung zwischen dem Einlass und einer vor der Matrize angeordneten Ventilplatte, bzw. insbesondere zwischen dem Verarbeitungsbereich und der Ventilplatte angeordnet ist. Die Ventilplatte kann beispielsweise als Venturiplatte ausgeführt sein. Durch die Anordnung des zweiten Auslasses bzw. der Druckregelvorrichtung vor der Venturiplatte ist eine besonders gleichmäßige Verteilung des Materials nach der Venturiplatte und vor der Matrize sichergestellt. Besonders vorteilhaft ist weiter ein Extruder, wobei eine Schließvorrichtung zum Verschließen der Ventilplatte, zwischen der Ventilplatte und der Matrize angeordnet ist. Dies erlaubt sicherzustellen, dass kein Material zur Matrize führbar ist, was ein sicheres Arbeiten, z.B. im Rahmen
eines Serviceeinsatzes, an der Matrize ermöglicht.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Regelung des Drucks an einer Matrize eines Extruders, wobei dem Extruder über einen Einlass Material,
insbesondere Lebensmittel oder Futtermittel, zugeführt, der Druck des Materials in
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Druckverlust verursachende Einbauten vor der Matrize erforderlich sind.
Entsprechend einer weiteren günstigen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Teilstrom des über den zweiten Auslass ausgeführten Materials über die Größe einer vom Teilstrom durchströmten Regelfläche eingestellt. Dies erlaub den durch den zweiten Auslass geführten Teilstrom unmittelbar einzustellen. Bei maximaler Öffnung der Regelfläche wird ein maximaler Teilstrom, bzw. bei vollständiger Schließung der
Regelfläche kein Teilstrom durch den zweiten Auslass geführt.
Besonders günstig ist ein Verfahren, wobei die Druckregelvorrichtung bei einem Druck, insbesondere an der Matrize oder am zweiten Auslass, kleiner einem insbesondere einstellbaren Ansprechdruck den zweiten Auslass verschließt und bei einem Druck, insbesondere an der Matrize oder am zweiten Auslass, gleich oder größer dem Ansprechdruck den zweiten Auslass zumindest teilweise öffnet. Dabei bleibt der Betrieb der Matrize bei Drücken kleiner dem insbesondere einstellbaren Ansprechdruck vollkommen unbeeinflusst. Zugleich ist sichergestellt, dass bei Überschreiten des Ansprechdrucks der Druck, insbesondere an der Matrize oder am zweiten Auslass, gezielt reduziert wird, um ein Versagen des Extruders in Folge zu hoher Betriebsdrücke zu verhindern. Vorteilhafterweise wird der Ansprechdruck der Druckregelvorrichtung abhängig von einem Nominaldruck der Matrize eingestellt. Die Matrize stellt im Regelfall eine druckbegrenzende Komponente des Extruders dar, womit gerade die Absicherung des Extruders über den Nominaldruck der Matrize vorteilhaft ist. Ebenso günstig ist ein Verfahren, wobei bei Überschreiten des
Ansprechdrucks der Massenfluss des Materials und / oder die Viskosität des 7
der Druckregelvorrichtung.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Extruder entsprechend dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine Matrize entsprechend dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Extruder.
Fig. 4 zeigt einen weiteren Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Extruder.
Fig. 1 zeigt einen Extruder entsprechend dem Stand der Technik, wobei ein Material, insbesondere Lebensmittel oder Futtermittel, über den Einlass 1 dem Extruder zugeführt wird. Der Extruder umfasst weiter einen Verarbeitungsbereich 2, der zwischen einer Trommel 8 und einer Schnecke 9 ausgebildet ist, wobei das Material im Verarbeitungsbereich verdichtet und auf den für die Extrusion erforderlichen Druck gebracht wird. Das verdichtete Material wird nach dem Verarbeitungsbereich einer Ventilplatte 10 zugeführt, welche eine gleichmäßige Verteilung des Materials
vor der Matrize sicherstellt und schließlich durch die Matrize 3 extrudiert.
Fig. 2 zeigt eine Matrize 3 entsprechend dem Stand der Technik, wobei das im Verarbeitungsbereich 2 des Extruders verdichtete Material durch die Öffnungen der Matrize, z.B. Bohrungen, gepresst wird. Entsprechend dem Durchmesser der Öffnungen wird ein Extrudat mit entsprechendem Durchmesser ausgebildet. Die Matrizendicke bezeichnet im Wesentlichen die Länge der Öffnungen der Matrize in Extrusionsrichtung. In Fig. 2 ist erkennbar, dass die so definierte Matrizendicke die geringste Dicke der Matrize bezeichnet. Die Matrizendicke hat eine wesentliche Bedeutung für die Festigkeit der Matrize und bestimmt den für die Matrize zulässigen
Nominaldruck.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Extruder, wobei der zweite Auslass 4 als Druckregelvorrichtung zur Regelung des Drucks an der Matrize 3
ausgebildet ist, und zur Regelung des Drucks an der Matrize 3 ein Teilstrom des
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Verwendung von Matrizen mit unterschiedlichen Nominaldrücken abstimmbar.
Fig. 4 zeigt einen weiteren Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Extruder, bzw. ist ein Schnitt durch den in Fig. 3 dargestellten Extruder normal zur Längsachse des Extruders durch den zweiten Auslass 4 dargestellt. Im oberen Bild der Fig. 4 ist die erste Stellung 6 des Kolbens 5 dargestellt, wobei der Kolben 5 den zweiten Auslass 4 verschließt. Im unteren Bild der Fig. 4 ist die zweite Stellung 7 dargestellt, wobei der Kolben 5 den zweiten Auslass 4 freigibt. Im unteren Bild der Fig. 4 gibt der
Kolben 5 den zweiten Auslass 4 vollständig frei und ebenso ist die Regelfläche 12
maximal geöffnet, um den maximalen Teilstrom durch den zweiten Auslass 4 zu
führen.
Die vorliegende Erfindung bietet zahlreiche Vorteile. Sie erlaubt eine verbesserte und insbesondere energie-effiziente Regelung des Drucks am Auslass, bzw. an der Matrize. Dabei ist die Druckregelvorrichtung kompakt aufgebaut, im Betrieb robust
und einfach nachzurüsten.
Bezugszeichen
1 Einlass
2 Verarbeitungsbereich 3 Matrize
4 Zweiter Auslass
5 Kolben
6 Erste Stellung
7 Zweite Stellung
8 Trommel
9 Schnecke
10 Ventilplatte
11 Schließvorichtung 12 Regelfläche
13 Kanal
10
Claims (15)
1. Extruder zur Extrusion eines Materials, insbesondere Lebensmittel oder Futtermittel, umfassend einen Einlass (1) zur Zuführung des Materials, einen Verarbeitungsbereich (2) zur Erhöhung des Drucks des Materials und einen als Matrize (3) ausgebildeten Auslass zur Extrusion des Materials, wobei zwischen dem Einlass (1) und der Matrize (3) ein zweiter Auslass (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Auslass (4) als Druckregelvorrichtung zur Regelung des Drucks an der Matrize (3) ausgebildet ist, wobei zur Regelung des Drucks an der Matrize (3) ein Teilstrom des Materials durch den zweiten Auslass (4) aus dem Extruder ausführbar ist.
2. Extruder nach Anspruch 1, wobei der zweite Auslass (4) am Umfang des Extruders angeordnet ist, die Druckregelvorrichtung eine von dem Teilstrom durchströmbare Regelfläche (12) umfasst und die Größe der Regelfläche (12) zur Regelung des Teilstroms einstellbar ist.
3. Extruder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Druckregelvorrichtung als Armatur, insbesondere als Ventil, Schieber oder Klappe, ausgebildet ist.
4. Extruder nach Anspruch 2, wobei die Druckregelvorrichtung einen beweglichen Kolben (5) umfasst, der Kolben (5) insbesondere in einer Radialrichtung des Extruders beweglich ist, der Kolben (5) ausgebildet ist, in einer ersten Stellung (6) den zweiten Auslass (4) zu verschließen und in einer zweiten Stellung (7) den zweiten Auslass (4) freizugeben, wobei die Größe der Regelfläche (12) zur Regelung des Teilstroms durch eine Positionierung des Kolbens (5) zwischen der ersten Stellung (6) und der zweiten Stellung (7) einstellbar ist.
5. Extruder nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei sich die Größe der Regelfläche (12) in Abhängigkeit vom Druck am zweiten Auslass und einer in der Druckregelvorrichtung, insbesondere durch eine Feder, eine Spindel, hydraulisch, pneumatisch oder über Aktuatoren, gebildeten entgegenwirkenden Kraft ausbildet.
6. Extruder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Druckregelvorrichtung einen insbesondere einstellbaren Ansprechdruck aufweist, und bei einem Druck, insbesondere an der Matrize oder am zweiten Auslass,
kleiner dem Ansprechdruck kein Material durch den zweiten Auslass (4) ausführbar
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ist und bei einem Druck gleich bzw. größer dem Ansprechdruck zumindest ein Teilstrom des Materials durch den zweiten Auslass (4) ausführbar ist.
7. Extruder nach Anspruch 6, wobei die Matrize (3) einen Identifikator zur Bezeichnung eines Nominaldrucks und der Extruder ein Auslesemittel zur Auslesung des Nominaldrucks umfasst, wobei der Ansprechdruck der Druckregelvorrichtung entsprechend dem ausgelesenen Nominaldruck einstellbar ist.
8. Extruder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Extruder eine Trommel (8) und eine Schnecke (9) umfasst, die Schnecke (9) drehbar in der Trommel (8) angeordnet ist und der Verarbeitungsbereich (2) zwischen der Trommel (8) und der Schnecke (9) ausgebildet ist.
9. Extruder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Druckregelvorrichtung zwischen dem Einlass (1) und einer vor der Matrize (3) angeordneten Ventilplatte (10), bzw. Venturiplatte, angeordnet ist.
10. Extruder nach Anspruch 9, wobei eine Schließvorrichtung (11) zum Verschließen der Ventilplatte (10), bzw. Venturiplatte, zwischen der Ventilplatte (10) und der Matrize (3) angeordnet ist.
11. Verfahren zur Regelung des Drucks an einer Matrize (3) eines Extruders, wobei dem Extruder über einen Einlass (1) Material, insbesondere Lebensmittel oder Futtermittel, zugeführt, der Druck des Materials in einem Verarbeitungsbereich (2) des Extruders erhöht und das Material durch einen als Matrize (3) ausgebildeten Auslass extrudiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Materials zwischen dem Einlass (1) und der Matrize (3) über einen als Druckregelvorrichtung ausgebildeten zweiten Auslass (4) ausgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Teilstrom des über den zweiten Auslass (4) ausgeführten Materials über die Größe einer vom Teilstrom durchströmten Regelfläche (12) eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die Druckregelvorrichtung bei einem Druck, insbesondere an der Matrize oder am zweiten Auslass, kleiner einem insbesondere einstellbaren Ansprechdruck den zweiten Auslass (4) verschließt und bei einem Druck, insbesondere an der Matrize oder am zweiten Auslass, gleich oder größer dem Ansprechdruck den zweiten Auslass (4) zumindest
teilweise Öffnet.
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14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Ansprechdruck der Druckregelvorrichtung abhängig von einem Nominaldruck der Matrize (3) eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei bei Überschreiten des Ansprechdrucks der Massenfluss des Materials und / oder die Viskosität des Materials, beispielsweise durch Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts des Materials,
insbesondere durch Zumischung von Wasser zum Material, erniedrigt wird.
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|---|---|---|---|---|
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| DE202009011114U1 (de) * | 2009-08-14 | 2010-12-30 | Gala Industries Inc. | Granuliervorrichtung sowie Anfahrventil hierfür |
| DE102018216152A1 (de) * | 2018-09-21 | 2020-03-26 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Regel- und Verschlusseinrichtung für extrudierten plastisch verformbaren Werkstoff |
| DE102021110843A1 (de) * | 2021-04-28 | 2022-11-03 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Additive Fertigungsvorrichtung zur extrusionsbasierten Herstellung eines Formkörpers |
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2023
- 2023-06-23 AT ATA50496/2023A patent/AT526517B1/de active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AT526517B1 (de) | 2024-04-15 |
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