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Technisches Gebiet
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Das
technische Gebiet betrifft allgemein Formgusstechniken und im Spezielleren
das Einbringen von hohlen Sandkernen, um Gasfehler in Gussteilen
zu reduzieren.
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Hintergrund
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Gießen ist
ein Fertigungsprozess, bei dem ein flüssiges Material (üblicherweise)
in eine Form gegossen wird, die einen hohlen Hohlraum mit der gewünschten
Form umfasst, und dann zum Erstarren gebracht wird. Das feste Gussteil
wird dann ausgeworfen oder herausgebrochen, um den Prozess abzuschließen.
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Sandguss
ist eine Art von Gießprozess,
in dem ein gegossenes Teil produziert wird, indem eine Form aus
einer Anordnung von Sandkernen gebildet wird und eine Metallschmelze
in den Hohlraum der Form gegossen wird. Die Form und das Metall
werden dann abgekühlt,
bis das Metall erstarrt ist. In der letzten Stufe wird das Gussteil
von der Form getrennt.
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Cold-Box-
und No-Bake-Technologien sind Arten von Sandgussprozessen, welche
organische und/oder anorganische Bindemittel verwenden, die den
Sandkern stärken,
indem sie chemisch am Sand haften. In Cold-Box- und No-Bake-Technologien
wird das Harz mithilfe einer Katalysatorreaktion ausgehärtet, um
den gesamten Kern im Inneren und außen zu verfestigen, bevor flüssiges Material
eingebracht wird, das in eine gewünschte Form gegossen wird. Die
Grünsandtechnologie
verwendet Ton, um den Sand zu binden, und wird verwendet, um Formen herzustellen,
in die hinein Sandkerne angeordnet werden, falls erforderlich.
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Zusammenfassung beispielhafter
Ausführungsformen
der Erfindung
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Ein
beispielhaftes Verfahren umfasst, dass ein Kerneinsatz gebildet
wird, ein Sandkern um den Kerneinsatz herum gebildet wird und zumindest
ein Durchgang innerhalb des Sandkerns erzeugt wird, indem ein Abschnitt
des Kerneinsatzes entfernt oder anderweitig umgebildet wird, wobei
der zumindest eine Durchgang zumindest einen Austrittspunkt umfasst.
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Ein
weiteres beispielhaftes Verfahren umfasst, dass ein Kerneinsatz
gebildet wird, ein Sandkern um den Kerneinsatz herum gebildet wird,
zumindest ein Durchgang innerhalb des Sandkerns erzeugt wird, indem
ein Abschnitt des Kerneinsatzes entfernt oder anderweitig umgebildet
wird, wobei zumindest ein Durchgang einen Austrittspunkt umfasst,
der Sandkern als Teil einer Gießformanordnung
eingebracht wird, die eine Entlüftungsöffnung aufweist,
wobei die Entlüftungsöffnung mit
dem Austrittspunkt gekoppelt ist, und ein Teil innerhalb der Gießformanordnung
gegossen wird, wobei das Gas, welches während des Gießprozesses
erzeugt wird, aus dem Sandkern durch die Durchgänge zu dem Austrittspunkt und
der Entlüftungsöffnung entweicht.
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Weitere
beispielhafte Ausführungsformen der
Erfindung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten
Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die
detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie
beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung offenbaren, lediglich Illustrationszwecken dienen
sollen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den
beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
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1 ein
logisches Flussdiagramm zum Bilden eines Sandkerns innerhalb eines
Kernkastensystems und zur anschließenden Verwendung des gebildeten
Sandkerns zum Bilden eines gegossenen Teiles in Übereinstimmung mit einem beispielhaften Verfahren
ist;
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2 eine
schematische Veranschaulichung eines Paares von Sandkerneinsätzen in Übereinstimmung
mit einer beispielhaften Ausführungsform
ist;
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3A eine
schematische Veranschaulichung eines Sandkern-Vorläufers ist,
der innerhalb eines Kernkastensystems in Übereinstimmung mit einer beispielhaften
Ausführungsform
gebildet ist und die Sandkerneinsätze von 2 umfasst;
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3B eine
Schnittansicht des Sandkerns von 3A entlang
der Linie 3B-3B ist;
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4A eine
schematische Veranschaulichung eines aus dem Sandkern-Vorläufer von 3A gebildeten
Sandkerns nach dem Auswerfen aus dem Sandkernkasten ist;
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5 eine
schematische Veranschaulichung einer Gießformanordnung in Übereinstimmung
mit einer beispielhaften Ausführungsform
ist, die mehrere Sandkerne umfasst; und
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6 eine
vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts von 5 innerhalb des Kreises 7 ist.
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Detaillierte Beschreibung
beispielhafter Ausführungsformen
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Die
nachfolgende Beschreibung der Ausführungsformen) ist rein beispielhaft
(illustrativ) und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in
keiner Weise einschränken.
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Zuerst
Bezug nehmend auf 1 ist ein beispielhaftes Verfahren
zum Bilden eines Sandkerns innerhalb eines Kernkastensystems und
die anschließende
Produktion eines gegossenen Teiles unter Verwendung der Sandform
in einem logischen Flussdiagramm veranschaulicht. Die ergänzenden 2–6 helfen
bei der Erklärung
der Bildung des gegossenen Teiles auf verschiedenen Stufen von einem
Sandkern und Sandkern-Vorläufer,
die in Übereinstimmung
mit einer beispielhaften Ausführungsform
gebildet sind.
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Zuerst
Bezug nehmend auf 1 beginnt das Verfahren, wie
in dem Feld 10 gezeigt, indem eine Größe und Form eines Sandkerns
(in den 4A, 4B und 5 bei 69 gezeigt)
bestimmt wird, der anschließend
verwendet werden kann, um ein gegossenes Teil in einer Sandform
zu bilden.
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Als
Nächstes,
in dem Feld 11, kann eine Bestimmung für die Größe und Stelle eines oder mehrerer
innerer Durchgänge
(in den 4A und 4B bei 56 gezeigt)
mit einem oder mehreren Austrittspunkten (in 4A bei 58gezeigt)
erfolgen, der/die in den Sandkern 69 eingebracht werden
soll/en um einen Kanal zum Entweichen von Gasen während des
anschließenden
Gießprozesses
vorzusehen.
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Als
Nächstes,
in dem Feld 12, kann/können ein
oder mehrere Kerneinsätze
gebildet werden, die ungefähr
jedem der inneren Durchgänge 56 in
annähernder
Größe und Form
entsprechen, wie in dem Feld 11 bestimmt.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf 2 kann eine
beispielhafte Ausführungsform
eines Paares von gebildeten Kerneinsätzen 20 zur Verwendung
in einem beispielhaften Sandkern veranschaulicht werden. Die Kerneinsätze 20 können eine
beliebige Vielfalt von Speichen 21 umfassen, die an Kopplungspunkten 22 miteinander
verbunden sein können.
Die Speichen 21 können
eine beliebige definierte Dimension und Form aufweisen und können zumindest
ein Ende 23 umfassen, welches einen Austrittspunkt 58 für Gase in
dem anschließend
gebildeten Sandkern 69 definieren wird.
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Die
Kerneinsätze 20 können aus
einer breiten Vielfalt von Materialien unter Verwendung einer breiten
Vielfalt von verschiedenen Herstellungsverfahren gebildet sein.
Die Materialien können
zumindest teilweise thermisch oder chemisch zersetzbar sein, um
die Durchgänge 56 innerhalb
des Sand 69-Kerns zu erzeugen. Überdies können die Materialien der Kerneinsätze 20 eine
andere Reaktivität
aufweisen als die Harzkomponente 66, um zuzulassen, dass
sie in ihrem ursprünglichen
Zustand bleiben (d. h. sich nicht chemisch oder thermisch zersetzen), wenn
die Harzkomponente 66 verfestigt oder ausgehärtet werden
kann, wie oben in dem Feld 15 beschrieben.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann
der Kerneinsatz 20 aus einem Schaummaterial mit einer niedrigen
Zerfallstemperatur gebildet sein. Eine Zerfallstemperatur, wie für die Zwecke
hierin definiert, ist eine Temperatur, bei der ein Material sich zumindest
teilweise zersetzt, schrumpft, oder anderweitig darauf eingewirkt
wird, um einen Durchgang (in 4A bei 56 gezeigt)
innerhalb des verfestigten Sandkerns 69 zu erzeugen. Die
Zerfallstemperatur kann größer sein
als jeder Temperaturanstieg in Verbindung mit dem Verfestigen oder
Aushärten
der Harzkomponente 66, um die verfestigte Sandform 69 zu
bilden, wie unten in dem Feld 17 beschrieben.
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Nicht
einschränkende
beispielhafte Schaummaterialien, welche den Kerneinsatz bilden können, umfassen
Styrolschaum, einen Methylmethacrylatschaum, einen Polystyrolschaum
und einen Polyalkylencarbonatschaum. Darüber hinaus können diese Schaummaterialien
mit Fasern wie z. B. Kohlefasern, Aramidfasern, Glasfasern oder
anderen Polymer- und Nicht-Polymer-Fasermaterialien
verstärkt
sein, um einen Grad von struktureller Verstärkung vorzusehen.
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In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der feste Kerneinsatz 20 aus
einem schmelzbaren oder sublimierbaren Material gebildet sein, das
schmilzt oder sublimiert, um den Durchgang 56 zu bilden.
Wie bei den Schaummaterialien kann die Schmelz- oder Sublimationstemperatur
dieser Materialien höher
sein als jeder Temperaturanstieg in Verbindung mit dem Verfestigen
oder Aushärten
der Harzkomponente 66, um den Sandkern 50 zu bilden,
wie unten in dem Feld 15 beschrieben.
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Beispielhafte
schmelzbare Materialien, die verwendet werden können, umfassen Wachs, Polymere
mit einem Schmelzpunkt unterhalb von etwa 200 Grad Celsius, anorganische
Materialien wie Salze oder ultraniedrigschmelzende Legierungsmaterialien
wie z. B. Lötlegierungen.
Darüber
hinaus können diese
schmelzbaren Materialien mit Fasern, z. B. Kohlefasern, Aramidfasern,
Glasfasern oder anderen Polymer- und Nicht-Polymer-Fasermaterialien
verstärkt
sein, um einen gewissen Grad struktureller Verstärkung vorzusehen. Außerdem Darüber hinaus können weitere
schmelzbare Verbundmaterialien oder schmelzbare organische oder
anorganische Materialien einschließlich Füllstoffmaterialien verwendet
werden.
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Sublimierbare
Materialien können
jedes Material umfassen, welches unterhalb von etwa 200 Grad Celsius
sublimiert. Beispielhafte sublimierbare Materialien umfassen organische
Polymere wie z. B. Kampfer.
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Selbstverständlich sind
hierin auch andere Polymer und Nicht-Polymer-Materialien vorstellbar, um den Kerneinsatz 20 zu
bilden, vorausgesetzt, sie können
entfernt oder es kann anderweitig auf sie eingewirkt werden, um
die Durchgänge 56 zu
erzeugen, ohne den umgebenden Sandkern 69 nachteilig zu beeinflussen.
Des Weiteren können
diese weiteren Materialien, ähnlich
wie die oben beschriebenen Schaummaterialien, schmelzbaren Materialien
und sublimierbaren Materialien sich nicht zersetzen oder anderweitig
umgewandelt werden, um die Durchgänge 56 bei oder unterhalb
der Temperatur in Verbindung mit dem Verfestigen oder Aushärten der
Harzkomponente 66 zu erzeugen, um den verfestigten Sandkern 69 zu
bilden, wie unten in dem Feld 17 beschrieben.
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Unter
neuerlicher Bezugnahme auf 1 kann/können in
dem Feld 13 der eine oder die mehreren Kerneinsätze 20 in
das Innere 54 des Kernkastensystems 52 an vorbestimmten
Stellen eingebracht werden.
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In
dem Feld 14 von 1 und wie in den 3A und 3B gezeigt,
kann eine Mischung 62 aus Sand 64 und Harz 66 in
das Innere 54 des Kernkastensystems 52 geblasen
werden, um den inneren Bereich 54 um den einen oder die
mehreren Kerneinsätze 20 herum
zu füllen,
um einen Sandform-Vorläufer 50 auf
solch eine Weise zu bilden, dass die Enden 23 der Speichen 21 des
Kerneinsatzes 20 nicht mit Sand 64 und Harz 66 abgedeckt
sind (d. h. sie liegen frei).
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In
dem Feld 15 kann die Harzkomponente 66 der Mischung 62 um
den einen oder die mehreren Kerneinsätze 20 herum verfestigt
werden, um darin den Sandkern 69, wie in den 4A und 4B gezeigt,
aus dem Sandform-Vorläufer 50 zu
bilden. Dieser Verfestigungsschritt kann auf solch eine Weise ausgeführt werden,
dass der eine oder die mehreren Kerneinsätze 20 nicht nachteilig
beeinflusst werden. In vielen beispielhaften Ausführungsformen
fällt der Verfestigungsschritt
mit dem Aushärten
der Harzkomponente 66 zusammen.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform,
die auch in 3A gezeigt ist, kann Triethylamingas 65 in
das Innere 54 des Kernkastensystems 52 eingeleitet
werden. Das Gas 65 kann durch den Sandform-Vorläufer 50 hindurch
geblasen werden, um die Harzkomponente 66 auszuhärten und
den Sandkern 69 zu bilden, wobei die Harzkomponente 66 ein
Polyurethanmaterial ist. Das Aushärten des Polyurethanmaterials 66 kann
bewirken, dass die Harzkomponente 66 sich verfestigt und
im Endeffekt die Sandkomponente 62 und die Harzkomponente 66 in
einer integralen Struktur verschmilzt oder anderweitig miteinander
koppelt.
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In
weiteren beispielhaften Ausführungsformen
(nicht gezeigt) können
andere Arten von Aushärtungsmechanismen
wie z. B. Wärme
oder Strahlung verwendet werden, um die Harzkomponente 66 zu
verfestigen, ohne den einen oder die mehreren Kerneinsätze 20 nachteilig
zu beeinflussen.
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In
noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen (nicht gezeigt)
kann das Verfestigen ohne einen zugehörigen Aushärtungsschritt bewerkstelligt
sein (d. h., das Harz verfestigt sich, ohne auszuhärten). Zum
Beispiel kann ein Katalysator (nicht gezeigt) mit der Harzkomponente 66 gemischt
werden, der bewirkt, dass die Harzkomponente 66 innerhalb
einer spezifischen Zeitspanne aushärtet, um die Sandkomponente 62 und
die Harzkomponente 66 miteinander zu verschmelzen, ohne
die Sandkerneinsätze 20 nachteilig
zu beeinflussen.
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Als
Nächstes,
in dem Feld 16, wird/werden der eine oder die mehreren
Kerneinsätze 20 oder
zumindest ein Abschnitt des einen oder der mehreren Kerneinsätze 20 entfernt
oder anderweitig umgewandelt, um einen entsprechend angeordneten
inneren Durchgang 56 innerhalb des verfestigten Sandkerns 69 zu
erzeugen. Der Endabschnitt 23 des einen oder der mehreren
Kerneinsätze 20 kann
entfernt oder umgewandelt werden, um den entsprechenden Austrittspunkt 58 zu
erzeugen.
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Das
genaue Verfahren für
die Entfernung oder Umwandlung des einen oder der mehreren Kerneinsätze 20,
um die Durchgänge 56 und
Austrittspunkte 58 zu erzeugen, kann durch die Zusammensetzung
des einen oder der mehreren Kerneinsätze 20, wie oben beschrieben,
bestimmt sein.
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Zum
Beispiel können
Kerneinsätze 20,
die aus Materialien, die zerfallen können, wie z. B. den oben beschriebenen
Schaummaterialien, gebildet sind, umgewandelt werden, um die Durchgänge 56 zu
erzeugen, indem der Sandkern 69 auf eine erhöhte Temperatur
(d. h. oberhalb der Zerfallstemperatur für das Material) erwärmt wird,
die ausreicht, um zu bewirken, dass die Kernmaterialien 20 zerfallen
(d. h. zusammenbrechen oder anderweitig verändert werden), um Leerräume zu erzeugen,
welche die Durchgänge 56 darstellen.
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Hingegen
können
Kerneinsätze 20,
die aus schmelzbaren Materialien gebildet sind, geschmolzen werden,
indem die Temperatur des Sandkerns 69
erhöht wird.
Das geschmolzene Material kann sich dann hauptsächlich durch die erzeugten
Durchgänge 56 hindurch,
entweder mithilfe der Schwerkraft oder durch Vakuumunterstützung in
Richtung der Austrittspunkte 58 bewegen. Die geschmolzenen
Kernmaterialien können
dann mithilfe einer Sammelvorrichtung (nicht gezeigt) gesammelt
werden, wenn sie durch die Austrittspunkte 58 hindurch
austreten.
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Sublimierbare
Materialien können
sublimiert werden, indem die Temperatur über die Sublimationstemperatur
des Materials erhöht
wird, wobei darin das feste Kernmaterial in Gas umgewandelt wird. Das
Gas (nicht gezeigt) kann sich dann hauptsächlich durch die erzeugten
Durchgänge 56 hindurch
in Richtung der Austrittspunkte 58 bewegen und aus dem
Sandkern 69 austreten. Das Gas kann mithilfe einer Sammelvorrichtung
(nicht gezeigt) gesammelt werden, wenn es durch die Austrittspunkte 58 hindurch
austritt, oder einfach in die Umgebung gelassen werden.
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Unter
neuerlicher Bezugnahme auf 1 kann in
dem Feld 17 der Sandkern 69, der die inneren Durchgänge 56 aufweist,
aus dem Kernkastensystem 52 ausgeworfen werden. Der resultierende Sandkern 69,
der die Durchgänge 56 und
Austrittspunkte 58 aufweist, kann in einer Ausführungsform
in den 4A und 4B veranschaulicht
werden.
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In
einer alternativen Anordnung zu den Feldern 16 und 17,
wie in den Feldern 16A und 17A gezeigt, kann der
Sandkern 69 mit den Kerneinsätzen 20 zuerst, wie
in dem Feld 16A gezeigt, aus dem Inneren 54 des
Kernkastensystems 52 ausgeworfen werden, bevor die Kerneinsätze 20 entfernt
oder umgewandelt werden.
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Als
Nächstes,
wie in dem Feld 17A gezeigt, können die Kerneinsätze 20 auf
die oben in Schritt 16 beschriebene Weise entfernt werden,
um die inneren Durchgänge 52 und
Austrittspunkte 58 zu erzeugen.
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Als
Nächstes,
in dem Feld 18, kann der Sandkern 69 verwendet
werden, um ein gegossenes Teil zu bilden.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann/können ein
einzelner Sandkern 69 oder mehrere Sandkerne 69,
der/die wie oben beschrieben gebildet ist/sind, mit einem inneren
Bereich 102 einer Gießformanordnung 100 eingebracht
werden, welche eine Entlüftungsöffnung 106 umfasst.
Die 5 und 6 veranschaulichen solch eine
beispielhafte Ausführungsform,
wobei mehrere Sandkerne 69 innerhalb der Gießformanordnung 100 eingebracht sind.
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Die
Gießformanordnung 100 kann
aus einem oder mehreren Stücken
aus einem Sandkernmaterial, hier als mehrere Stücke 101 gezeigt, gebildet
sein. Die Zusammensetzung und das Verfahren zur Herstellung des
einen oder der mehreren Stücke 101 können im
Wesentlichen ähnlich
dem Sandkern 69 sein, allerdings ohne dass Durchgänge 58 durch Entfernen
der Kerneinsätze 20 gebildet
sind. Die Gießformanordnung 100 kann
auch aus zusätzlichen oder
anderen Materialien wie z. B. Kernstücken, die mittels Grünsandtechnologie
gebildet sind, oder dergleichen, gebildet sein und sind daher nicht
auf irgendeine spezielle Anordnung und Materialzusammensetzung der
Stücke 101,
wie in den 5 und 6 gezeigt,
beschränkt.
Die Gießformanordnung 100 kann
auch eine äußere Ummantelung
(nicht gezeigt) umfassen, welche aus einem Metall, einem Polymer
oder dergleichen gebildet ist und die Sandkernstücke 101 und einen
oder mehrere Sandkerne 69 enthält.
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Als
Nächstes
kann ein flüssiges
Material 104 innerhalb einer Gießformanordnung 100 eingebracht werden,
um den inneren Bereich 102 zu bilden, der ansonsten nicht
von dem Sandkern 69 und den Sandkernstücken 101 eingenommen
wird. Das flüssige
Material 104 darin erstarrt innerhalb des inneren Bereiches 102 der
Gießformanordnung 100 um
den Sandkern 69 und die Stücke 101 herum, um
ein gegossenes Teil (nicht gezeigt) zu bilden. Wenn das flüssige Material 104 eingebracht
wird, kann Gas 110 infolge der Zersetzung der Harzkomponente 66 des Sandkerns 69 und
der Stücke 101 erzeugt
werden. Dieses Gas 110 folgt dem Weg des geringsten Widerstandes,
hauptsächlich
durch die inneren Durchgänge 56 in
dem Sandkern 69 hindurch und tritt aus dem Sandkern 69 durch
den einen oder die mehreren Austrittspunkte 58 aus, der/die
strategisch mit einer entsprechenden Entlüftungsöffnung 106 innerhalb des
Rests der Gieß-formanordnung 100 gekoppelt sein
kann/können.
Es kann auch ein Vakuum 108 mit den Entlüftungsöffnungen 106 gekoppelt
sein, um die Entfernung des erzeugten Gases 110 zu beschleunigen.
Somit kann das flüssige
Material 104 ohne das wesentliche Einleiten von Gas 110 dadurch
erstarren, was weniger Fehler auf einem makroskopischen und mikroskopischen
Niveau in dem gegossenen Teil in Verbindung mit der Gasentwicklung
zur Folge hat. Auf diese Weise kann ein komplexes gegossenes Teil
in einem einzigen Gießarbeitsschritt
mit weniger auf Gas zurückzuführenden
Fehlern produziert werden.
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In
alternativen Anordnungen (nicht gezeigt) bildet/n der/die Sandkern
oder -kerne 69 die Gesamtheit der Gießformanordnung 100.
Anders ausgedrückt
können
zusätzliche
Stücke 101 eines
Sandkerns, die miteinander gekoppelt sind, oder andere Materialien,
die oben erwähnt
sind und den Sandkern 69 umgeben, nicht verwendet werden.
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Die
obige Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung ist rein beispielhafter Natur und Abwandlungen davon
sind nicht als Abweichung von dem Geist und Schutzumfang der Erfindung
zu betrachten.
