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Die Erfindung betrifft eine Granulatlochplatte, ein Verfahren zum Berechnen von Bohrungslängen einer Granulatlochplatte und ein Verfahren zum Herstellen einer Granulatlochplatte.
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Zur Herstellung von Granulaten aus thermoplastischem Kunststoffmaterial, insbesondere Polymeren wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen, werden häufig Granuliervorrichtungen eingesetzt, bei welchen extrudiertes, geschmolzenes Kunststoffmaterial durch Düsenbohrungen einer Lochplatte in ein Kühlfluid gepresst wird, beispielsweise Wasser, das sich in einer Schneidkammer befindet, damit das austretende Schmelzematerial möglichst schnell durch Abkühlen zum Erstarren gebracht wird. In der Schneidkammer befindet sich weiter eine Messeranordnung mit Messern, welche die Öffnungen der Lochplatte überstreichen und die Materialstränge abtrennt, so dass Granulatkörner gebildet werden.
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In letzter Zeit finden in verschiedensten Anwendungsbereichen, wie in den Bereichen Mikrospritzguss, Rotationsgießen, Verpackung oder Compounding/Masterbatches zunehmend Mikrogranulate Verwendung, bezeichnend für Granulate mit Abmaßen kleiner oder gleich 1,0 mm. Für die Mirkogranulierung werden meist speziell gefertigte Lochplatten verwendet, in denen eine große Anzahl von Düsenbohrungen ausgebildet sind. Die Düsenbohrungen sind dabei in Bohrungsnestern, auch als Cluster bezeichnet, gruppiert, in denen eine Vielzahl der Düsenbohrungen in enger Nachbarschaft ausgebildet sind. Eine Vielzahl von Bohrungsnestern ist wiederum auf einem oder auf mehreren Teilkreisen der Lochplatte liegend angeordnet.
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Derartige Granulationsvorrichtungen sind beispielsweise als Unterwassergranulatoren der Reihe SPHERO® der Automatik Plastics Machinery GmbH bekannt.
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Durch die unterschiedlichen Temperaturen, welche an und in der Lochplatte herrschen, bildet sich ein ausgeprägtes Temperaturprofil in der Lochplatte aus. Heißeren Zonen der Lochplatte, etwa in direkter Umgebung eines Wärmekanals, in dem ein Wärmeträgeröl von beispielsweise 240°C zirkuliert zum Beheizen der Lochplatte, oder im Bereich der Schmelzezuführung, in dem die Schmelze mit beispielsweise 230°C der Lochplatte zugeführt wird, stehen kältere Zonen gegenüber, wie die Öffnungsseite der Lochplatte, die in Kontakt steht mit und bespült wird durch das Kühlfluid, das beispielsweise eine Temperatur von 70°C aufweisen kann.
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Der Kühleffekt des Kühlfluids ist dabei besonders ausgeprägt im Bereich der Düsennester bzw. Düsenbohrungen, da dort die Kontaktfläche der Lochplatte in besonders intensivem Kontakt mit dem Kühlfluid steht.
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Es lässt sich dabei beobachten, dass der Kühleffekt sich auf die Düsenbohrungen eines Düsennestes unterschiedlich auswirken kann, wobei Düsenbohrungen, die in dem Bereich des Düsennestes peripher angeordnet sind, kälter sein können als zentral angeordnete Düsenbohrungen.
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Durch die unterschiedlichen Temperaturen, die in den Bereichen unterschiedlicher Düsenbohrungen eines Düsennestes herrschen, wird die Schmelzemenge, die sich in den jeweiligen Düsenbohrungen befindet, entsprechend unterschiedlich abgekühlt. Dies führt dazu, dass die Schmelze in kühleren Düsenbohrungen langsamer fließt, und einen entsprechend geringeren Durchsatz aufweist, als in wärmeren Düsenbohrungen.
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Dieser ungleichmäßig verteilte Durchsatz von Schmelzematerial durch die Bohrungen eines Nestes führt dazu, dass das erzeugte Mikrogranulat eine entsprechend breite Streuung der Korngrößen aufweist.
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Eine Möglichkeit, die Gleichmäßigkeit des Durchsatzes für verschiedene Düsenbohrungen zu erhöhen ist, diese auf konzentrischen Kreisringen anzuordnen, was die Wechselwirkung zwischen benachbarten Düsenbohrungen leichter kalkulierbar macht und für die einzelnen Kreisringe eine verhältnismäßig einfach kalkulierbare und dort jeweils zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur ergibt, was die Streuung der Korngrößen tendenziell eher wünschenswert verringert. Dennoch reicht dieser positive Effekt der kreisringartigen Anordnung meist nicht aus, um die geschilderten Wechselwirkungen und die damit verbundenen unerwünschten Effekte, z. B. auf die Korngrößenverteilung, allein damit auf ein Minimum zu reduzieren.
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Es kann auch vorkommen, dass sich Schmelzematerial in den äußeren, kühleren Düsenbohrungen so weit abkühlt, dass es nicht mehr fließfähig ist und aushärtet. Die betroffenen Bohrungen „frieren ein” und es reduziert sich entsprechend die Anzahl an Düsenbohrungen der Lochplatte, die im Betrieb sind und aus denen Schmelzematerial austritt, das granuliert werden kann. Das Einfrieren von Düsenbohrungen führt mithin zu einer Reduzierung der Granulierleistung, bzw. zu einer unerwünschten Zunahme des Mittelwerts der Korngrößenverteilung der Granulatkörner, da ein Einfrieren einzelner Düsenbohrungen den Durchsatz durch die verbleibenden freien Düsenbohrungen erhöht.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Lochplatte anzugeben, welche die vorstehenden Nachteile überwindet.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Lochplatte anzugeben, welche die Herstellung von Granulat, insbesondere von Mikrogranulat, mit reduzierter Streuung der Korngrößen erlaubt.
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Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung, eine Lochplatte anzugeben, in der das Auftreten von eingefrorenen Düsenbohrungen möglichst verhindert oder zumindest reduziert wird.
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Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden mit einer Lochplatte zum Erzeugen von Granulat aus thermoplastischem Kunststoffmaterial gemäß Anspruch 1, einem computerimplementierten Verfahren zum Ermitteln von Düsenbohrungslängen für eine Lochplatte zum Erzeugen von Granulat aus thermoplastischen Kunststoffmaterialien gemäß Anspruch 4, einem Verfahren zum Herstellen einer Lochplatte zum Erzeugen von Granulat aus thermoplastischem Kunststoffmaterial gemäß Anspruch 14 gelöst.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Lochplatte zum Erzeugen von Granulat aus thermoplastischem Kunststoffmaterial, mit einer Vielzahl von Düsenbohrungen, wobei die Düsenbohrungen in ihrer Länge jeweils so bemessen sind, dass die Düsenbohrungen einen im Wesentlichen gleichen Durchsatz von Schmelzematerial aufweisen.
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Gemäß der Erfindung kann ein ungleichmäßiger Durchsatz von Schmelzematerial durch Düsenbohrungen im Wesentlichen kompensiert werden, indem die Länge der jeweiligen Düsenbohrungen, und dadurch der von den Düsenbohrungen hervorgerufene hydraulische Widerstand, variiert wird. Mit Düsenbohrungen, die entsprechend variiert sind und unterschiedliche Längen aufweisen, kann eine möglichst gleichmäßige Durchsatzverteilung erreicht werden.
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Auf diese Weise kann insbesondere auch vermieden werden, dass es dazu kommt, dass einzelne Düsenbohrungen einen wesentlich geringeren Durchsatz an Schmelzematerial aufweisen als andere Düsenbohrungen, so dass die auf Grund eines geringeren Durchsatzes an Schmelzematerial bestehende Gefahr des Einfrierens von Bohrungen reduziert wird.
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Die Lochplatte kann bevorzugt eine Lochplatte zum Erzeugen von Mikrogranulat aus thermoplastischem Kunststoffmaterial sein, die eine Vielzahl von Düsennestern aufweist, welche auf zumindest einem Teilkreis der Lochplatte angeordnet sind. Jedes Düsennest kann dabei eine Vielzahl der Düsenbohrungen aufweisen, die bevorzugt einen jeweils gleichen Bohrungsdurchmesser aufweisen. Die Düsenbohrungen können einen Durchmesser kleiner 1,0 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 0,8 mm aufweisen.
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Die Bohrungslänge kann insbesondere verkürzt werden, indem eine Vorbohrung mit größerem Durchmesser eingebracht wird, mithin die Düsenbohrung angesenkt wird.
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Alternativ oder ergänzend kann eine Segmentdicke verändert werden oder auf andere Weise die Topologie des Düsennestes geändert werden, um eine Düsenbohrung mit kürzerer Düsenbohrungslänge zu erhalten. Insbesondere kann die Topologie durch eine gestufte Fläche, eine asphärische Fläche oder eine sphärische Fläche beschrieben sein, welche eine Seite des Düsennests beschreibt, die einer Messeranordnung abgewandt und/oder einem Zulaufkanal zugewandt ist.
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Die Variation der Bohrungslängen kann einige wenige 1/10 mm betragen.
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Die Länge der Düsenbohrungen kann insbesondere bestimmt werden mit Hilfe einer dreidimensionalen Simulation mittels Computational Fluid Dynamics CFD, wobei die Simulation vorzugsweise für einen vorgegebenen, gewünschten Betriebszustand und/oder auch in einem Bereich um den gewünschten Betriebszustand ausgeführt wird.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zum Ermitteln von Düsenbohrungslängen für eine Lochplatte zum Erzeugen von Granulat aus thermoplastischen Kunststoffmaterialien, wobei die Lochplatte eine Vielzahl von Düsenbohrungen aufweist, mit den Schritten:
Erstellen eines Modells, das die Lochplatte zumindest im Bereich zumindest einer Teilmenge der Vielzahl von Düsenbohrungen beschreibt;
Vorgeben von Betriebsparametern für zumindest einen gewünschten Betriebszustand;
Durchführen einer computerimplementierten Berechnung und/oder Simulation eines Flusses von Schmelzematerial durch die Teilmenge von Düsenbohrungen unter Verwendung des Modells, um für jede Düsenbohrung der Teilmenge einen Durchsatz von Schmelzematerial zu ermitteln; und
Verändern von Längen der Düsenbohrungen, um einen gleichmäßigeren Durchsatz zu erzielen.
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Die Teilmenge kann dabei eine Anzahl von Düsenbohrungen beschreiben, die in der Lochplatte benachbart angeordnet sind und/oder in einem abgrenzbaren Bereich der Lochplatte ausgebildet sind. Die Teilmenge kann dabei eine Untermenge aller Düsenbohrungen der Lochplatte darstellen. Es ist ebenfalls möglich, in dem Verfahren alle Düsenbohrungen der Lochplatte zu berücksichtigen, in welchem Fall die Teilmenge der gesamten Vielzahl der Düsenbohrungen entspricht.
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Bevorzugt werden mit dem Verfahren Düsenbohrungslängen ermittelt für eine Lochplatte zum Erzeugen von Mikrogranulat, wobei die Lochplatte eine Vielzahl von Düsennestern aufweist, welche auf zumindest einem Teilkreis der Lochplatte angeordnet sind. Die Teilmenge von Düsenbohrungen kann dabei den Düsenbohrungen von zumindest einem der Düsennester entsprechen.
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Vorzugsweise wird die computerimplementierte Simulation als eine dreidimensionale Simulation mittels Computational Fluid Dynamics CFD durchgeführt.
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Das Modell kann die Geometrie und die die Wärmeübertragung betreffenden Materialeigenschaften der Lochplatte zumindest im Bereich der Teilmenge von Düsenbohrungen beschreiben. Das Modell kann ein Düsennest oder kann mehrere Düsennester als die Teilmenge beschreiben. Es ist ebenfalls möglich, ein Modell für die gesamte Lochplatte zu verwenden.
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Die Betriebsparameter können insbesondere Viskositätsparameter für das Schmelzematerial, eine Temperatur des Schmelzematerials in einem Zuleitungsbereich, eine Lochplattenheizungstemperatur und/oder eine Kühlfluidtemperatur umfassen.
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Der Durchsatz von Schmelzematerial durch eine Düsenbohrung kann ermittelt werden durch Ermitteln der Geschwindigkeit, mit welcher das Schmelzematerial durch die Düsenbohrung fließt. Dabei kann beispielsweise ein Geschwindigkeitsprofil über den Durchmesser des zumindest einen Düsennests ermittelt werden und/oder die Durchschnittsgeschwindigkeit über den Durchmesser.
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Der Bezugswert kann vorzugsweise ein vorgegebener Sollwert für den Durchsatz von Schmelzematerial, ein Wert des Durchsatzes von Schmelzematerial, der für eine als eine Referenz gewählte Düsenbohrung ermittelt wird, oder ein Mittelwert des Durchsatzes von Schmelzematerial aller Düsenbohrungen der Teilmenge von Düsenbohrungen sein. Als Referenz-Düsenbohrung kann bevorzugt eine zentral im Düsennest angeordnete Düsenbohrung gewählt werden.
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Die Länge einer Düsenbohrung kann verkürzt werden, wenn der für die Düsenbohrung ermittelte Durchsatz von Schmelzematerial geringer ist als der Bezugswert.
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Die Länge einer Düsenbohrung kann mit einer fest vorgegebenen Schrittweite geändert werden. Vorzugsweise wird die Länge einer Düsenbohrung mit einem variierenden Wert geändert. Insbesondere kann bei einer iterativen Bestimmung optimaler Düsenbohrungslängen durch wiederholtes Berechnen und/oder Simulieren des Durchsatzes von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen eine sich für jede Iteration verringernde Schrittweite verwendet werden.
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Vorzugsweise wird ein Gütemaß bestimmt, das repräsentativ ist für eine Abweichung der Durchsätze von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen eines Düsennestes. Das Gütemaß kann insbesondere basieren auf einem minimalen Wert und/oder einem maximalen Wert der ermittelten Durchsätze von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen; einer Differenz zwischen dem maximalen Wert und dem minimalen Wert der ermittelten Durchsätze von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen; oder einer Summe der Quadrate der Differenzen der ermittelten Durchsätze von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen zu einem Durchschnitt der ermittelten Durchsätze von Schmelzematerial.
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Das Gütemaß kann insbesondere dazu verwendet werden, um bei einer iterativen Bestimmung von Düsenbohrungslängen mit einem vorgegebenen Kriterium verglichen zu werden, wobei das Iterieren abgebrochen wird, wenn das Gütemaß das Kriterium erfüllt.
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Das Verfahren kann dazu verwendet werden, um geeignete, insbesondere optimale Düsenbohrungslängen für eine Lochplatte zu bestimmen.
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Das Verfahren kann Bestandteil eines Verfahrens zum Herstellen einer Lochplatte zum Erzeugen von Mikrogranulat aus thermoplastischen Kunststoffmaterialien sein, wobei die Lochplatte gemäß den ermittelten Düsenbohrungslängen gefertigt wird.
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Die Lochplatte kann Teil einer Heißabschlag-Granuliervorrichtung sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben werden, mit Bezug auf die Zeichnungen:
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1 zeigt eine Mikrogranulatlochplatte gemäß einer Ausführungsform;
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2 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Lochplatte im Bereich eines Düsennestes;
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3 zeigt einen beispielhaften Temperaturverlauf in einem Ausschnitt einer Lochplatte im Bereich eines Düsennests für den Fall gleicher Düsenbohrungslängen;
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4 stellt schematisch eine erste Verteilung von Geschwindigkeiten von Schmelzeflüssen durch Düsenbohrungen eines Düsennestes für den Fall gleicher Düsenbohrungslängen dar;
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5 stellt schematisch eine zweite Verteilung von Geschwindigkeiten von Schmelzeflüssen durch Düsenbohrungen eines Düsennestes für den Fall gleicher Düsenbohrungslängen dar;
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6 zeigt schematisch ein Düsenbohrungsnest mit angepassten Bohrungslängen von Düsenbohrungen gemäß einer Ausführungsform;
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7 stellt schematisch eine Verteilung von Geschwindigkeiten von Schmelzeflüssen durch Düsenbohrungen eines Düsennestes für den Fall angepasster Düsenbohrungslängen gemäß einer Ausführungsform dar;
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8 zeigt einen beispielhaften Temperaturverlauf in einem Ausschnitt einer Lochplatte im Bereich eines Düsennests für den Fall angepasster Düsenbohrungslängen gemäß einer Ausführungsform;
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9 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln von Düsenbohrungslängen für eine Lochplatte gemäß einer Ausführungsform; und
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10 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Lochplatte im Bereich eines Düsennestes gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Eine Lochplatte 10 zum Erzeugen von Mikrogranulat aus thermoplastischem Kunststoffmaterial gemäß einer Ausführungsform ist in der 1 in einer Draufsicht auf eine Schmelzeaustrittsseite der Lochplatte 10 dargestellt.
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Wie in der 1 dargestellt, sind in der Lochplatte 10 eine Vielzahl von Düsenbohrungen 30 ausgebildet, die in Bohrungsnestern 20, auch als Cluster bezeichnet, gruppiert sind. Die Bohrungsnester 20 sind auf einem oder auf mehreren Teilkreisen der Lochplatte 10 liegend angeordnet.
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In der 2 ist ein Ausschnitt im Bereich eines Düsennestes 20 einer Lochplatte 10 zum Erzeugen von Mikrogranulat aus thermoplastischen Kunststoffmaterial gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Wie in der 2 dargestellt, ist in dem Düsennest 20 eine Vielzahl von Düsenbohrungen 30 ausgebildet. Die Düsenbohrungen 30 weisen jeweils einen gleichen Bohrungsdurchmesser auf, der im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,0 mm liegen kann. Die Düsenbohrungen 30 sind in dem Düsennest 20 in enger Nachbarschaft ausgebildet. So kann der Abstand zwischen zwei benachbarten Düsenbohrungen kleiner als das 7-fache, bevorzugt kleiner als das 5-fache, besonders bevorzugt kleiner als das 3-fache des Bohrungsdurchmessers der Düsenbohrungen 30 sein. Auf diese Weise wird eine kompakte Packung erzielt und es können in der Lochplatte 10 eine sehr große Anzahl an Düsennestern 20 mit einer jeweils großen Anzahl von Düsenbohrungen 30 ausgebildet werden. Wie in der 2 weiter dargestellt, kann das Düsennest 20 als ein Einsatz 22 ausgebildet sein, der in einen Lochplattenkörper eingesetzt ist, um die Lochplatte 10 zu bilden. Es ist ebeno möglich, die Lochplatte 10 einteilig auszubilden und das Düsennest im einteiligen Körper der Lochplatte 10 auszubilden.
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Die Düsenbohrungen 30 können in dem Düsennest 20 unregelmäßig oder regelmäßig verteilt angeordnet sein, beispielsweise regelmäßig verteilt auf konzentrischen Kreisen, oder in einer Dreieck-, Viereck- oder Sechseckanordnung.
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Wie in der 2 weiter dargestellt, kann in der Lochplatte 10 ein Zuleitungskanal 40 vorgesehen sein, mittels dem heißes Schmelzematerial dem Düsennest 20 zugeführt wird. In der 2 sind weiter Kanäle 50 gezeigt, die in der Lochplatte 10 ausgebildet sind und die dazu dienen, ein Wärmeträgerfluid zu führen, um die Lochplatte 10 zu temperieren.
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Im Betrieb der Lochplatte 10 wird das heiße Schmelzematerial, das über den Zuleitungskanal 40 dem Düsennest 20 zugeführt wird, durch die Vielzahl der Düsenbohrungen 30 des Düsennestes 20 gepresst, um durch die auslassseitigen Öffnungen der Düsenbohrungen 30 in ein Kühlfluid, wie zum Beispiel Wasser, gepresst zu werden.
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Die auslassseitige Oberfläche der Lochplatte 10 steht daher insbesondere im Bereich der Düsennester 20 in innigem Kontakt mit dem Kühlfluid, das beispielsweise eine Temperatur von 70°C aufweisen kann. Dadurch wird ein Fluss von Wärmeenergie aus der heißen Lochplatte 10 in das kalte Kühlfluid verursacht, der die Lochplatte 10 insbesondere im Bereich der Düsennester 20 lokal auskühlt, was sich insbesondere auf die Temperatur der Düsenbohrungen 30 auswirkt.
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Die Düsenbohrungen 30 der Düsennester 20 stehen gleichzeitig an ihren Innenwänden in innigem Kontakt mit dem durch die Düsenbohrungen 30 strömenden heißen Schmelzematerial, das einen Teil der enthaltenen Wärmeenergie über die Innenwand an die jeweiligen Düsenbohrungen 30 abgibt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine im Zentrum des Düsennestes 20 angeordnete Düsenbohrung 30 vollständig von weiteren Düsenbohrungen 30 umgeben ist, während für eine am Rand des Düsennestes 20 angeordnete Düsenbohrung 30 nach außen hin keine weiteren benachbarten Düsenbohrungen existieren.
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Es sei nun der Fall angenommen, dass die Düsenbohrungen 30 alle eine gleiche Geometrie, insbesondere einen gleichen Durchmesser und eine gleiche Länge aufweisen. In diesem Fall speist die von einer in der Mitte des Düsennestes 20 angeordneten Düsenbohrung 30 abgegebene Wärme daher ein kleineres Volumen des Düsennestes 20, und erwärmt dieses daher stärker, als dies eine am Rand des Düsennestes 20 angeordnete Düsenbohrung 30 tut. Gleichzeitig ist der Anteil der mit dem kalten Kühlfluid in Kontakt stehenden Oberfläche, der auf eine am Rand des Düsennestes 20 angeordnete Düsenbohrung 30 entfällt, wegen der geringeren Anzahl an benachbarten Düsenbohrungen größer als derjenige für eine im Zentrum des Düsennestes 20 angeordnete Düsenbohrung 30. Im Ergebnis führt dies dazu, dass die Düsenbohrungen 30 an den Rändern des Düsennestes stärker auskühlen und eine geringere Temperatur aufweisen als Düsenbohrungen 30 im Zentrum des Düsennestes 20.
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Dies ist beispielhaft in der 3 dargestellt, die das Ergebnis einer Simulation des Temperaturverlaufs in dem Düsennest 20 und den das Düsennest 20 umgebenden Teil der Lochplatte 10 zeigt. In der 3 ist zu erkennen, dass der zentrale Bereich des Düsennestes 20 eine höhere Temperatur aufweist als der Randbereich.
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Die unterschiedlichen Temperaturen der Düsenbohrungen 30 führen dazu, dass Schmelzematerial, das durch eine am Rand des Düsennestes 20 angeordnete Düsenbohrung 30 fließt, auf Grund der relativ kälteren Innenwand stärker abgekühlt wird als dies der Fall ist für Schmelzematerial, das durch eine im Zentrum des Düsennestes angeordnete Düsenbohrung 30 fließt, auf Grund der dort relativ wärmeren Düsenbohrung.
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Die unterschiedliche Abkühlung führt dazu, dass das Schmelzematerial in den verschiedenen Düsenbohrungen unterschiedliche Viskositäten annimmt und dementsprechend unterschiedlich schnell fließt. Dies ist beispielhaft in der 4 dargestellt, die das Ergebnis einer Simulation des Flusses von Schmelzematerial durch das Düsennest 20 zeigt, wobei in der Darstellung der 4 für jede Düsenbohrung 30 die Vektoren der Geschwindigkeit dargestellt sind, mit der Schmelzematerial durch die jeweiligen Düsenbohrungen 30 fließt und aus diesen austritt. In der 4 ist zu erkennen, dass die Geschwindigkeit, mit der das Schmelzematerial durch eine Düsenbohrung 30 fließt, am höchsten ist für zentral in dem Düsennest 20 angeordnete Düsenbohrungen und die Geschwindigkeit zum Rand des Düsennests 20 hin abnimmt, wie durch die unterschiedlich langen und breiten Geschwindigkeitsvektoren zu erkennen ist.
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Die 5 zeigt ein weiteres Ergebnis einer weiteren Simulation des Flusses von Schmelzematerial durch das Düsennest 20, wobei in diesem Fall die am Rand des Düsennestes 20 liegenden Düsenbohrungen 30 so weit ausgekühlt sind, dass das Schmelzematerial nicht länger fließt und die am Rand liegenden Düsenbohrungen 30 „eingefroren” sind; dementsprechend ist in der Darstellung der 5 für die betroffenen Düsenbohrungen 30 kein Geschwindigkeitsvektor zu sehen. Zur Mitte des Düsennestes 20 hin nimmt die Geschwindigkeit des Schmelzematerials immer weiter zu, wobei ein großer Unterschied in der Geschwindigkeit zu erkennen ist, mit der Schmelzematerial durch die einzelnen nicht eingefrorenen Düsenbohrungen strömt und aus diesen austritt.
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Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, die Längen von Düsenbohrungen zu variieren und so anzupassen, dass ein im Wesentlichen gleichmäßiger Durchsatz von Schmelzematerial erzielt wird.
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So können beispielsweise, wie in der 6 dargestellt, die Düsenbohrungen 30 mit Vorbohrungen angesenkt sein, derart, dass die Vorbohrungen die Düsenbohrungen 30 soweit ansenken, dass sich für unterschiedliche Düsenbohrungen 30 unterschiedliche Düsenbohrungslängen ergeben. Insbesondere können wie in der 6 dargestellt am Rand des Düsennestes 20 gelegene Düsenbohrungen 20 mit einer tiefer ausgeführten Vorbohrung ausgeführt sein, so dass sich für die am Rand des Düsennestes 20 gelegenen Düsenbohrungen 30 eine kürzere Düsenbohrungslänge ergibt als für zentral im Düsennest 20 angeordnete Düsenbohrungen.
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Durch Verkürzen der Düsenbohrungslänge wird der hydraulische Widerstand der betroffenen Düsenbohrung 30 reduziert, so dass sie dem Schmelzefluss einen kleineren Strömungswiderstand entgegensetzt. Der Schmelzefluss kann daher durch die verkürzte Düsenbohrung 30 schneller fließen. Idealer Weise wird die Düsenbohrungslänge so bemessen, dass durch den sich ergebenden, angepassten hydraulischen Widerstand der sich aus den Temperaturunterschieden ergebende Einfluss möglichst optimal kompensiert wird. Durch geeignete Wahl von Düsenbohrungslängen für die Düsenbohrungen 30 eines Düsennestes 20 kann so erreicht werden, dass sich für alle Düsenbohrungen 30 des Düsennestes 20 ein im Wesentlichen gleicher Durchsatz von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen 30 ergibt.
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Dies ist beispielhaft in der 7 gezeigt, welche eine Verteilung von Geschwindigkeiten von Schmelzeflüssen durch Düsenbohrungen eines Düsennestes für den Fall angepasster Düsenbohrungslängen darstellt. Wie in der 7 zu erkennen, sind die Geschwindigkeitsvektoren des Schmelzematerials im Wesentlichen gleich für alle Düsenbohrungen 30 des Düsennestes 20. Dies wurde dadurch erreicht, dass, wie in 7 ebenfalls zu erkennen, die Düsenbohrungslängen insbesondere der am Rand des Düsennestes 20 liegenden Düsenbohrungen 30 entsprechend weit angesenkt wurden, so dass die Düsenbohrungslängen der am Rand liegenden Düsenbohrungen 30 so angepasst und gekürzt sind, dass sich eine möglichst gute Kompensation ergibt.
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Wie in dem Temperaturverlauf der 8 gezeigt, stellt sich bei angepassten Düsenbohrungslängen ebenfalls ein flacherer Temperaturgradient durch das Düsennest 20 ein; die Temperaturunterschiede zwischen Randbereich und Zentrum des Düsennestes 20 sind geringer als in dem in 3 dargestellten Fall ohne Kompensation durch Anpassung von Düsenbohrungslängen.
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Um zu bestimmen, welche Längen die einzelnen Düsenbohrungen 30 aufweisen sollen, um die gewünschte Kompensation zu erzielen, kann ein Verfahren zum Ermitteln von Düsenbohrungslängen für eine Lochplatte eingesetzt werden, das in der 9 gezeigt ist.
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In dem Verfahren der 9, das als Software auf einem Computer ausgeführt wird, wird zunächst in einem Schritt 110 ein Modell bereitgestellt. Das Modell, das als Rechen- und/oder Simulationsmodell dient, beschreibt die Geometrie und die Eigenschaften der Lochplatte. Insbesondere beschreibt das Modell die Anzahl und die räumliche Anordnung der Düsenbohrungen 30 in dem Düsennest 20, sowie die Geometrie der Düsenbohrungen 30 selbst, wie Durchmesser und Länge der Düsenbohrungen. Das Modell kann weiter das thermische Verhalten der Materialien der Lochplatte beschreiben. Es ist dabei möglich, dass das Modell lediglich den Bereich eines Düsennestes beschreibt. Dies kann insbesondere dann möglich sein, wenn alle Düsennester 20 der Lochplatte 10 gleichen Bedingungen unterliegen, beispielsweise wenn alle Düsennester 20 auf einem gleichen Teilkreis einer rotationssymmetrischen Lochplatte 10 angeordnet sind. Alternativ ist es ebenso möglich, dass das Modell die gesamte Lochplatte 10 beschreibt, oder dass das Modell einen Bereich der Lochplatte 10 mit mehreren Düsennestern 20 beschreibt.
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In einem weiteren Schritt 120 werden die zur Berechnung und/oder Simulation notwendigen Parameter bereitgestellt. Dies können insbesondere Parameter eines gewünschten Betriebszustandes sein, für den die Lochplatte ausgelegt werden soll. Vorgebbare Parameter können insbesondere Viskositätsparameter für das Schmelzematerial, eine Temperatur des Schmelzematerials in einem Zuleitungsbereich, eine Lochplattenheizungstemperatur oder eine Kühlfluidtemperatur umfassen.
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Basierend auf dem Modell und auf den Parametern wird im Schritt 130 eine computergestützte Berechnung und/oder Simulation ausgeführt, um zu ermitteln, wie das Schmelzematerial durch das Düsennest 30 fließt. Bevorzugt wird dabei eine dreidimensionale Simulation mittels Computational Fluid Dynamics ausgeführt. Auf diese Weise wird für jede Düsenbohrung ermittelt, welcher Durchsatz von Schmelzematerial durch die einzelnen Düsenbohrungen sich ergibt. Der Durchsatz kann dabei als rechnerische Größe direkt ermittelt werden oder aus der Fließgeschwindigkeit des Schmelzematerials abgeleitet werden.
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Basierend auf dem Ergebnis der Berechnung und/oder Simulation werden in einem Schritt 160 die Längen der Düsenbohrungen angepasst. Dabei können für Düsenbohrungen 30, die einen geringen oder zu geringen Durchsatz an Schmelzematerial aufweisen, die Düsenbohrungslängen verkürzt werden. Alternativ oder ergänzend können für Düsenbohrungen 30, die einen hohen oder zu hohen Durchsatz an Schmelzematerial aufweisen, die Düsenbohrungslängen verlängert werden. Der Berechnungsvorgang wäre dann mit einer entsprechend neuen (z. B. längeren) Bohrung durchzuführen. Dies kann für alle Düsenbohrungen 30 oder nur für einen Teil der Düsenbohrungen 30 geschehen. Auch das Ändern der Länge nur einer Düsenbohrung 30 ist möglich.
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Um zu ermitteln, welche Düsenbohrung 30 in der Länge geändert werden soll, kann ein Bezugswert verwendet werden. Wenn der für eine Düsenbohrung ermittelte Durchsatz von Schmelzematerial um mehr als einen vorgegebenen Betrag von dem Bezugswert abweicht, wird bestimmt, dass die Länge der Düsenbohrung zu ändern ist. Als Bezugswert kann dabei beispielsweise ein vorgegebener Sollwert für den Durchsatz von Schmelzematerial, ein Wert des Durchsatzes von Schmelzematerial, der für eine zentral im Düsennest angeordnete Düsenbohrung ermittelt wird, oder ein Mittelwert des Durchsatzes von Schmelzematerial aller Düsenbohrungen des Düsennestes verwendet werden.
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In dem Schritt 160 können die Düsenbohrungslängen mit einer vorgegebenen Schrittweite geändert werden. Bei einem iterativen Vorgehen kann die Schrittweite dabei bevorzugt mit jeder Iteration verkleinert werden. Alternativ kann die Längenänderung, die an einer Düsenbohrung 30 vorzunehmen ist, auch berechnet werden abhängig davon, wie sehr der Durchsatz durch die Düsenbohrung 30 von dem Bezugswert abweicht.
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Vom Schritt 160 kann das Verfahren wieder zum Schritt 130 zurückkehren, um mit den geänderten Düsenbohrungslängen eine erneute Berechnung und/oder Simulation auszuführen. Derart kann auf iterative Weise, durch wiederholtes Simulieren und Ändern schrittweise eine möglichst optimale Bestimmung der Düsenbohrungslängen ermittelt werden.
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In dem Verfahren der 9 kann ferner in einem Schritt 140 ein Gütemaß bestimmt werden, das repräsentativ ist für eine Abweichung der Durchsätze von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen eines Düsennestes. Das Gütemaß kann basieren auf einem minimalen Wert und/oder einem maximalen Wert der ermittelten Durchsätze von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen, einer Differenz zwischen dem maximalen Wert und dem minimalen Wert der ermittelten Durchsätze von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen, oder einer Summe der Quadrate der Differenzen der ermittelten Durchsätze von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen zu einem Durchschnitt der ermittelten Durchsätze von Schmelzematerial. Das Gütemaß kann auf diese Weise ein Maß dafür sein, wie gut die durch die Längenänderung erfolgte Kompensation ist. So kann in einem Schritt 150 ein Vergleich des Gütemaßes mit einem vorgebbaren Kriterium erfolgen, um zu bestimmen, ob die Kompensation die gestellten Anforderungen hinreichend gut erfüllt. Wenn dies nicht der Fall ist, werden die Schritte 160, 130, 140 und 150 auf iterative Weise so oft wiederholt, bis das Kriterium erfüllt wird, oder das Verfahren von einem Benutzer abgebrochen wird.
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Wird im Schritt 150 bestimmt, dass das Gütemaß das vorgegebene Kriterium erfüllt, geht das Verfahren zum Schritt 170 und endet. Die ermittelten Düsenbohrungslängen können nun ausgegeben werden, beispielsweise um auf der Basis der erhaltenen Daten eine Lochplatte zu fertigen.
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Wie im Vorstehenden mit Bezug auf die 6 beschrieben, können die Düsenbohrungen 20 in ihrer Länge dadurch angepasst werden, indem Vorbohrungen angebracht werden, welche die Düsenbohrungen 30 soweit ansenken, dass sich die für die jeweiligen Düsenbohrungen 30 vorgesehenen Düsenbohrungslängen ergeben. Alternativ oder ergänzend ist es ebenfalls möglich, eine Segmentdicke eines Düsennestes zu verändern oder auf andere Weise die Topologie des Düsennestes zu ändern. Dies soll im Folgenden mit Bezug auf die 10 beschrieben werden.
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Die 10 zeigt einen Ausschnitt im Bereich eines Düsennestes 20 einer Lochplatte 10 zum Erzeugen von Mikrogranulat aus thermoplastischen Kunststoffmaterial gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie in der 10 gezeigt, kann das Düsennest 20 durch einen Einsatz 22 gebildet sein, der in einen Lochplattengrundkörper eingesetzt sein kann, um die Lochplatte 10 zu bilden. In dem Einsatz 22 sind die Vielzahl von Düsenbohrungen 30 des Düsennestes 20 ausgebildet. Der Einsatz 22 ist im Beispiel der 10 so ausgebildet, dass der Einsatz 22 auf der der Messeranordnung zugewandten Seite plan und auf der dem Zulaufkanal 40 zugewandten Seite konvex ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich eine Topologie des Einsatzes 22, auf Grund derer Düsenbohrungen 30 im Zentrum eine Länge aufweisen, die größer ist als die Länge von Düsenbohrungen, die am Rand des Einsatzes 22 ausgebildet sind.
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Der Einsatz 22 kann dabei beispielsweise auf der dem Zulaufkanal 40 zugewandten Seite durch ein Bearbeitzungszentrum bearbeitet werden, das die betroffene Fläche als Freiformfläche bearbeitet, um die entsprechenden ermittelten Düsenlängen zu erhalten. Die Fläche kann dabei ein gestuftes Profil aufweisen, oder wie in 10 dargestellt ein im Wesentlichen linsenförmiges Profil. Das Profil kann durch eine asphärische Fläche beschrieben sein. Alternativ kann das Profil auch durch eine sphärische Fläche beschrieben sein, wobei die Parameter der sphärischen Fläche so gewählt sein können, dass die ermittelten angepassten Längen der Düsenbohrungen, die erzielt werden sollen, möglichst gut angenähert werden. Insbesondere im Fall einer sphärischen Fläche kann die Bearbeitung auch durch Schleifen erfolgen.
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Auf diese Weise können in dem Düsennest 20 die Düsenbohrungen 30 mit angepasster Düsenbohrungslänge ausgebildet werden, ohne dass in die betroffenen Düsenbohrungen Vorbohrungen eingebracht werden müssten.
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Wie im Vorstehenden beschrieben, kann durch die Veränderung und Anpassung der Längen der Düsenbohrungen die Gleichmäßigkeit des Durchsatzes von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen verbessert werden.
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Alternativ ist es ebenfalls denkbar, um die Gleichmäßigkeit des Durchsatzes für verschiedene Düsenbohrungen zu erhöhen, den Düsendurchmesser einzelner Düsenbohrungen zu ändern bzw. an das Temperaturprofil entsprechend anzupassen. So kann beispielsweise für alle Düsenbohrungen eines Düsennestes durch eine entsprechende Simulation analog dem mit Bezug auf 9 beschriebenen Verfahren ein jeweiliger angepasster Bohrungsdurchmesser ermittelt werden, derart, dass sich ein optimal gleichmäßiger bzw. ein zumindest hinreichend gleichmäßger Durchsatz von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen einstellt. Da bereits eine Änderung des Durchmessers im Bereich weniger 1/100 mm eine sehr starke Änderung des jeweiligen hydraulischen Widerstands der betroffenen Düsenbohrung bewirken kann, ist der Parameter des Düsendurchmessers sehr empfindlich hinsichtlich der Einstellbarkeit. Für eine angepasste Lochplatte wäre es daher erforderlich, die Düsenbohrungen präzise mit einer großen Vielzahl von jeweils angepassten, nur leicht unterschiedlichen Durchmessern zu fertigen. Da dies fertigungstechnisch wesentlich schwerer zu realisieren ist als eine fertigungstechnisch leicht beherrschbare Änderung und Anpassung der Düsenbohrungslängen, ist die Änderung und Anpassung von Düsenbohrungslängen gegenüber der Änderung und Anpassung von Düsendurchmessern bevorzugt.
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Insbesondere im Fall großer Düsennester mit einer großen Anzahl von Düsenbohrungen und/oder im Fall von Lochplatten, die im Bereich der Düsenbohrungen relativ dünn ausgestaltet sind und deren Düsenbohrungen entsprechend kurze Düsenbohrungslängen aufweisen, kann es vorteilhaft sein, sowohl den Durchmesser als auch die Länge der jeweiligen Düsenbohrungen anzupassen. So ist es beispielsweise möglich, zunächst ausgehend von einem Ausgangsdurchmesser einer Düsenbohrung eine angepasste Länge der Düsenbohrung zu ermitteln. Falls die ermittelte Länge einen Wert annimmt, der größer ist als eine gewünschte maximale Länge einer Düsenbohrung, oder einen Wert, der kleiner ist als eine minimale Länge einer Düsenbohrung, kann der Ausgangsdurchmesser vergrößert bzw. verkleinert werden und basierend darauf erneut eine angepasste Länge der Düsenbohrung ermittelt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Düsenbohrungen sich in ihrer Länge nicht in einem eventuell unerwünscht großem Ausmaß unterscheiden. Werden dabei für die möglichen Durchmesser der Düsenbohrungen nur eine begrenzte Anzahl von sich unterscheidenden Durchmessern vorgesehen, etwa 2, 3, 4 oder 5 unterschiedliche Durchmesser, ist es möglich, für diese begrenzte Anzahl an Durchmessern entsprechende Werkzeuge wie Bohrer bereitzustellen, die eine präzise Fertigung dieser begrenzten Anzahl unterschiedlicher Durchmesser erlauben. Derart ist es ohne allzu großen fertigungstechnischen Aufwand möglich, Lochplatten zu fertigen, deren Düsenbohrungen sowohl in ihrem Durchmesser als auch in ihrer Länge entsprechend angepasst sind, um einen möglichst gleichmäßigen Durchsatz von Schmelzematerial durch die Düsenbohrungen zu erzielen.
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Während die Erfindung im Vorstehenden mit Bezug auf Lochplatten zur Erzeugung von Mikrogranulat beschreiben wurde, ist die vorliegende Erfindung in dieser Weise nicht begrenzt. Vielmehr lässt sich die Erfindung auch auf andere Arten von Lochplatten anwenden, die eine Vielzahl von Düsenbohrungen aufweisen, die nicht in Düsennestern angeordnet zu sein brauchen.
