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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines für den Einsatz beim Druckguss geeigneten Salzkörpers.
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Für die Herstellung komplexer metallischer Gussteile werden heutzutage das Sandgussverfahren, das Kokillengießverfahren, das Lost-Foam-Verfahren und das Feingussverfahren eingesetzt. Die mit diesen Verfahren erzielbaren Geometrien mit Hohlräumen, Durchbrüchen und innenliegenden Kanälen sind im Druckguss als dem produktivsten Gießverfahren derzeit nicht erzielbar. Um derartige Hohlstrukturen im Druckguss zu erzeugen, sind Kerne notwendig, die nach dem Abguss wieder aus dem Gussteil entfernt werden können. Bei einfachen Geometrien wird das durch bewegliche Stahlkerne erzielt. Komplexe Geometrien lassen sich damit allerdings nicht erzeugen, da die Kerne für derartige Geometrien zerstörend entfernt werden müssen. Die bei den anderen Gießverfahren hierzu eingesetzten Sandkerne halten jedoch dem Fülldruck im Druckguss nicht stand. Diese konventionellen Kerne werden dabei noch während des Abgießens zerstört und/oder von der Schmelze infiltriert.
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Eine Alternative zu den Sandkernen stellen Salzkerne dar, die eine geschlossene Oberfläche besitzen und nicht von der metallischen Schmelze infiltriert werden. Aktuell werden derartige Salzkerne gepresst oder analog zur Sandkernherstellung geschossen. Diese Salzkerne sind jedoch nicht beliebig komplex herstellbar und häufig auch nicht ausreichend dicht, um ein Infiltrieren mit Schmelze zu verhindern. Zur Erhöhung der Festigkeit dieser Salzkerne wird teilweise noch ein zusätzlicher Sinterprozess durchgeführt. Weiterhin ist es bekannt, Salzkerne in einem Kokillengießprozess oder in einem Druckgießprozess herzustellen, wobei eine geschlossene Außenhaut und eine hohe Festigkeit erreicht werden. Nachteile dieser Techniken bestehen im hohen Verschleiß an den metallischen Dauerformen, in der geringen geometrischen Freiheit in der Gestaltung der Salzkerne, in der Gefahr von Warmrissen und in der hohen Dichte der Salzkerne, die ein einfaches Auswaschen der Kerne nach dem Umgießen mit metallischer Schmelze erheblich erschwert.
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Die
US 4875517 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Salzkernes, bei dem ein Modell für den Salzkern aus einem Polymerschaum mit Hilfe eines ungebundenen Formstoffes in ein Gießbehältnis eingeformt und mit einer Salzschmelze abgegossen wird. Bei diesem Abguss zersetzt sich der Polymerschaum aufgrund der Temperatur der Salzschmelze, die im Bereich zwischen 675°C und 760°C gewählt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines für den Einsatz beim Druckguss geeigneten Salzkörpers anzugeben, mit dem auch Salzkörper mit komplexer Geometrie und Hohlstrukturen erzeugt werden können, die sich beim Einsatz in einem Gießprozess leicht wieder auswaschen lassen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines für den Einsatz beim Druckguss geeigneten Salzkörpers wird wenigstens ein Modell für den Salzkörper aus einem Polymerschaum oder einer Polymerfolie hergestellt. Dieses Modell wird mit Hilfe eines ungebundenen und/oder gebundenen Formstoffes in ein Gießbehältnis, bspw. einen Formenkasten, eingeformt. Der Formstoff wird vorzugsweise im Gießbehältnis noch verdichtet. Anschließend wird mit einer Salzschmelze ein Abguss durchgeführt, wobei sich der Polymerschaum oder die Polymerfolie des Modells durch den Kontakt mit der Salzschmelze zersetzt. Das Abgießen der Salzschmelze erfolgt beim vorliegenden Verfahren bei einer Temperatur der Salzschmelze von ≥ 780°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 780°C und 860°C. Der durch Erstarrung der Salzschmelze entstandene Salzkörper wird nach der Abkühlung ausgeformt. Zum Abtrennen des Salzkörpers vom Gießsystem kann der für den Abguss verwendete Anschnitt auch direkt mit einer Sollbruchstelle versehen sein.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der Salzkörper somit in einem Lost-Foam-Gießverfahren hergestellt. Das Lost-Foam-Gießverfahren, auch als evaporatives Gießen oder als Gießen mit expandierten Modellen bezeichnet, gehört zu den Gießverfahren mit verlorenem Modell, zu denen auch bspw. das Vollformverfahren, das Vakuumformverfahren und das Feingussverfahren gehören. Das Lost-Foam-Gießverfahren ist eine relativ junge Metallgusstechnik, bei der die Formmodelle üblicherweise aus EPS (EPS: expandierbares Polystyrol), EPMMA (EPMMA: expandierbares Polymetacrylat) oder einem Co-Polymer hergestellt werden. Durch den Kontakt mit der Salzschmelze zersetzen sich diese Schaumstoffe und das von dem Modell ursprünglich eingenommene Volumen wird durch die Salzschmelze ausgefüllt, die anschließend bei der Abkühlung zum Salzkörper erstarrt. Der Salzkörper kann hierbei als Salzkern oder auch als Salzform für den späteren Druckguss dienen. Der Vorteil des Lost-Foam-Gießverfahrens besteht in der großen geometrischen Freiheit der damit herstellbaren Gussteile, d. h. im vorliegenden Beispiel des Salzkörpers, die mit anderen Gießverfahren entweder kaum oder nur bei weit höheren Kosten erreichbar ist. Durch die Herstellung der Salzkörper aus einer Salzschmelze wird eine ausreichend dichte Außenhaut erhalten, die ein Infiltrieren der metallischen Schmelze beim Druckguss verhindert.
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Das vorgeschlagene Verfahren hat weiterhin den Vorteil, dass nur ein geringer Kontakt mit metallischen Komponenten auftritt, insbesondere nicht mit Formen und Dosiereinrichtungen wie im Druck- und Kokillenguss, die durch die Salzschmelze stark angegriffen werden. Durch den Wegfall der Kerne (Lost-Foam) tritt keine Kernbinderzersetzung und damit keine Verformung der Salzkerne auf. Da bei dem Lost-Foam-Gießverfahren ungebundene, fließfähige Formstoffe eingesetzt werden können, sinkt das Risiko von Warmrissen gegenüber der Herstellung von Salzkernen in metallischen oder keramischen Dauerformen. Die Oberflächenbeschaffenheit der Salzkerne kann durch die Ausgestaltung der Modelle gezielt vorgegeben werden. Es können damit glatte Oberflächen mit geringer Oberflächenrauigkeit oder auch strukturierte Oberflächen hergestellt werden, z. B. zur Beeinflussung von Wärmeübertragungsvorgängen oder Strömungsverhalten.
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Die Temperaturwahl von ≥ 780°C beim Abgießen entspricht einer Schmelzüberhitzung der Salzschmelze, durch die eine poröse Innenstruktur des Salzkörpers erzeugt wird. Die Kinetik der Pyrolyse des Polymerschaums verändert sich mit steigender Temperatur zu niedermolekularen (gasförmigen) Zersetzungsprodukten, so dass bei der Zersetzung mehr Gas entsteht. Dadurch wird mit steigender Temperatur die Porosität im Salzkörper erhöht. Eine derartige innere Porosität weist besondere Vorteile für das spätere Auswaschen der Salzkörper beim Druckguss nach dem Umgießen mit dem Metall auf. Die höhere Porosität ermöglicht ein leichteres Auswaschen des Salzkörpers.
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Vorzugsweise wird für die Salzschmelze eine Salzmischung mit einem Liquiduspunkt von > 760°C eingesetzt. Beispielsweise können Salzmischungen aus dem binären System NaCl-Na2CO3 eingesetzt werden, die einen Liquiduspunkt von > 760°C aufweisen, wie z. B. 90-mol-%NaCl (Rest Na2CO3) oder 80-mol-% Na2CO3 (Rest NaCl).
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Das Verfahren ermöglicht die Herstellung mehrerer komplexer Salzkörper in einem einzigen Gießvorgang. Für verschiedene Stückzahlen bietet das Lost-Foam-Gießverfahren unterschiedliche Herstellungswege der Modelle, so dass mit Stückzahl 1 bis hin zur Großserie wirtschaftlich gearbeitet werden kann. Durch die hohe geometrische Freiheit können direkt Salzkörper mit Hohlstrukturen oder Hohlgeometrien wie bspw. Kanälen, Durchbrüchen oder anderen offenen Hohlräumen hergestellt werden. Dadurch wird die eingesetzte und aufzuschmelzende Salzmenge reduziert und die Salzkörper können beim späteren Druckguss nach dem Umgießen mit metallischer Schmelze leicht ausgewaschen werden.
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Alternativ zu dem Polymerschaum können die Modelle oder einzelne Modellsegmente auch aus einer Polymerfolie hergestellt werden, die die Außenhaut des zu gießenden Salzkerns darstellt und innen einen Hohlraum bildet. Damit wird die notwendige Wärmeenergie zur Zersetzung des Modellwerkstoffes reduziert. Vorzugsweise werden derartige Modelle oder Modellsegmente durch Thermoformen, Blasformen oder Streckblasformen aus der Kunststofffolie hergestellt. Das Thermoformen ist ein technisch ausgereiftes und weit verbreitetes Massenfertigungsverfahren. Daher ist es möglich, ein Gießmodell mittels bestehender industrieller Anlagen zur Herstellung von Verpackungen anzufertigen. Dies reduziert die Kosten der Herstellung der Gießmodelle. Insbesondere können die eingesetzten Polymerfolien eine vorgegebene Gasdurchlässigkeit aufweisen, wodurch unter Umständen auf die Verwendung von Schlichte beim Gießen verzichtet werden kann. Die Gasdurchlässigkeit kann durch verschiedene Maßnahmen bewirkt werden. Sie kann bspw. eine Materialeigenschaft der verwendeten Kunststofffolie sein. Die Gasdurchlässigkeit kann auch durch eine nachträgliche Perforierung der Polymerfolie bewirkt werden. Die Technik der Herstellung verlorener Modelle für das Lost-Foam-Gießverfahren aus Kunststoff- bzw. Polymerfolien ist bspw. aus der
DE 102009033170 A1 bekannt.
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Für das Gießen komplexer Salzkörper können die Modelle auch aus mehreren einzelnen Segmenten aufgebaut und entsprechend zusammengesetzt, bspw. zusammengeklebt, werden. Die Dichte des Modellwerkstoffes kann dabei speziell auf den Wärmeinhalt der Salzschmelze und die beabsichtigte Art der Formfüllung, Erstarrung und/oder der zu erzielenden Struktur des Salzkörpers abgestimmt werden.
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Alternativ zum konventionellen Lost-Foam-Schwerkraftgießen kann der Abguss zur Herstellung der Salzkörper auch im Niederdruckguss erfolgen, wodurch der Kontakt der Salzschmelze mit metallischen Komponenten vollkommen ausgeschlossen wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Porosität des Salzkörpers durch gezieltes Einfrieren oder Verschließen des oder der Anschnitte beim Gießvorgang zusätzlich erhöht, über die die Salzschmelze beim Abgießen zugeführt wird. Das gezielte Einfrieren kann durch schnelle Temperaturerniedrigung im Bereich des Anschnittes erfolgen, wodurch eine Unterfüllung beim Abguss auftritt, die zu der gewünschten Porosität führt. Alternativ kann der Anschnitt auch bspw. durch einen Schieber verschlossen oder zumindest im Querschnitt während des Abgusses verringert werden, um die Porosität zu erreichen.
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Als Formstoff für das Einformen der Modelle kann bindefreier Sand oder auch gebundener Sand verwendet werden. So kann bspw. Quarzsand eingesetzt werden, der ein Schüttgewicht von ca. 1,5 kg/dm2 erreicht. Durch Verdichtung beim Einformen werden Dichtewerte bis ca. 2,6 kg/dm2 erhalten, wobei die Sandsäule über dem Gießmodell bei max. 100 cm liegt. Bei der Auswahl der Festigkeit des Gießmodells oder darin enthaltener Hohlsegmente sind diese Werte zu berücksichtigen. Hierbei können im Unterschied zum konventionellen Lost-Foam-Gießverfahren die Modelle aus dem Polymerschaum mit einer geringeren Dichte hergestellt werden, da aufgrund der geringeren Dichte der Salzschmelze gegenüber einer Metallschmelze eine geringere Verdichtung des Formstoffes notwendig und damit die Gefahr einer Modellverformung geringer ist. Vorzugsweise wird das Modell daher aus einem Polymerschaum mit einer Dichte von < 20 kg/m3 hergestellt.
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Für Sonderanwendungen können auch andere Formstoffe wie bspw. Chromsand oder Zirkonsand eingesetzt werden. Hier kann die Dichte bis ca. 4,1 kg/dm2 ansteigen. Weiterhin lassen sich anstelle von Formsand auch andere Materialien, insbesondere keramische Partikel oder metallische Formstoffe analog zum Magnetformverfahren einsetzen. Ein Beispiel für einen bei dem Verfahren einsetzbaren keramischen Formstoff ist Mullit.
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Vorzugsweise wird das Gießmodell vor dem Einformen mit einer Schlichte überzogen, bspw. mit einer Keramikglasur. Die Gasdurchlässigkeit der Schlichte kann dabei gezielt zur Beeinflussung der Formfüllung eingestellt werden. Die Gasdurchlässigkeit der Schlichte lässt sich bspw. durch die zeitliche Dauer des Schlichtvorganges beeinflussen. Bei einem Einsatz von gasdurchlässigem Folienmaterial kann unter Umständen auch auf die Schlichte verzichtet werden.
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Vor dem Schritt des Schlichtens bzw. vor dem Einformen können mehrere Gießmodelle auch zu einer Gießtraube zusammengefügt werden. Dies ermöglicht die parallele Herstellung mehrerer Salzkörper in einem einzelnen Gießvorgang.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Herstellung der Salzkörper durch Abguss im Niederdruckguss. Hierbei kann zur Reduzierung von Kreislaufmaterial, d. h. der Salzschmelze, der Fülldruck nach Erstarrung der Salzschmelze im Anschnitt reduziert werden, so dass noch flüssiges Material aus dem Gießkanal wieder zurück in den Ofen für die Erhitzung der Salzschmelze fließt. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Fülldruck nach Erstarrung einer äußeren Schale des Salzkörpers im Formhohlraum angelassen werden, wodurch noch flüssiges Salz aus der erstarrten Schale herausläuft und damit ein Hohlkörper hergestellt werden kann.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich poröse Salzkörper, insbesondere Salzkerne, mit komplexer Geometrie und auch mit Hohlräumen herstellen, so dass damit im Druckguss metallische Gussteile mit Hohlräumen herstellt werden können. Durch die Möglichkeit der Herstellung von Salzkörpern mit hoher geometrischer Komplexität können auch ganze Formeinsätze mit dem vorliegenden Verfahren abgegossen bzw. hergestellt werden, die dann entsprechend im Druckgießverfahren verwendet werden können. Dies ist insbesondere bei hochkomplexen Formen und schwer zu vergießenden Legierungen vorteilhaft.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein erstes Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens und die Verwendung des damit hergestellten Salzkerns im Druckguss; und
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2 ein zweites Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens und die Verwendung des damit hergestellten Salzkerns im Druckguss.
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Wege zur Ausführung der Erfindung Ein Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung eines Salzkerns mit Vollprofil ist in den Teilabbildungen a–f der 1 schematisch dargestellt. Die 1g–1j zeigen dann die Verwendung des hergestellten Salzkerns im Druckguss für die Herstellung eines Metallgussteils.
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Im ersten Schritt des vorgeschlagenen Verfahrens wird im vorliegenden Beispiel ein Polystyrol-Modell 1 für den herzustellenden Salzkern aus unterschiedlichen Segmenten 1a, 1b, 1c zusammengeklebt (1a). Die Klebenähte 2 sind in der Figur angedeutet. Die Bildung des Polystyrol-Modells 1 aus mehreren Segmenten hat den Vorteil, dass die einzelnen Segmente 1a, 1b, 1c eine einfache Geometrie aufweisen können und somit sehr einfach aus dem Polystyrol herstellbar sind. Im nächsten Schritt (1b) wird das Polystyrol-Modell mit dem Abguss 3 verbunden, der in diesem Beispiel ebenfalls aus Polystyrol besteht. Dieses positive Gießmodell mit dem daran befestigten Anguss wird dann mit Hilfe von Formsand 4 in einen Formenkasten 5 eingebettet, wie in der 1c schematisch dargestellt ist. Nach dem Verdichten des Formsandes 4 erfolgt im nächsten Schritt der Abguss, bei dem die erhitzte Salzschmelze über den Anguss 3 eingeleitet wird. Durch die hohe Temperatur der Salzschmelze zersetzt sich das Polystyrol des Angusses 3 sowie des Gießmodells 1, wodurch das von diesen Komponenten eingenommene Volumen durch die Salzschmelze ausgefüllt wird. Nach dem Abkühlen der Salzschmelze weist somit das daraus erstarrte Salzbauteil 6 die Form des Gießmodells 1 auf (1d).
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Für die Salzschmelze kann bspw. eine Mischung aus 27 Gew.% NaCl und 73 Gew.% Na2CO3 verwendet werden.
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Auch beliebige andere Mischungen innerhalb dieses Systems sind möglich. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, andere Salzmischungen, bspw. weitere binäre und tertiäre Legierungssysteme, für die Salzschmelze einzusetzen. Beispiele hierfür sind Mischungen aus KCl und Na2CO3, aus NaCl, KCl und Na2CO3 oder aus NaCl, MgCl und Na2CO3. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.
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Im vorliegenden Beispiel kann für die Herstellung eines dichten Salzkerns mit einer Salzschmelze aus 27 Gew.% NaCl und 73 Gew.% Na2CO3 eine Gießtemperatur von 780°C gewählt werden. Eine höhere Gießtemperatur von bspw. 830°C mit dieser Salzmischung führt zu einem Salzkern mit noch stärkerer poröser Struktur im Inneren und einer geschlossenen Randschale. Die Stärke der Porosität des Salzgussteils kann über die Gießtemperatur eingestellt werden. Je höher die Gießtemperatur, desto größer ist die Porosität. Dieser Effekt kann bei der vorgeschlagenen Salzmischung im Temperaturbereich von 780°C bis 830°C beobachtet werden und lässt sich auch auf andere Salzmischungen übertragen.
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Nach der Erstarrung des Salzbauteils 6 erfolgt das Ausbetten (1e) und das Abtrennen des Salzbauteils 6 vom Abguss (1f). Der auf diese Weise erhaltene Salzkern 6 kann anschließend für den Metalldruckguss eingesetzt werden. Dies wird anhand der 1g bis 1j nochmals kurz erläutert. Der Salzkern 6 wird hierbei in die Druckgießform 7 eingelegt und in dieser Gießform mit einer Metallschmelze 8 umgossen (1g und 1h). Nach der Erstarrung der Metallschmelze wird das Metallbauteil mit dem inneren Salzkern aus der Druckgießform 7 entnommen (1i). Durch Ausspülen mit Wasser wird anschließend der Salzkern herausgelöst, so dass das gewünschte Metallgussteil 9 mit einer entsprechenden Hohlstruktur erhalten wird (1j).
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich auch Salzkörper mit Hohlstrukturen erzeugen. 2 zeigt ein Beispiel für die Herstellung eines Salzkerns mit Hohlprofil. Die einzelnen Teilfiguren 2a bis 2j beziehen sich hierbei auf die gleichen Schritte wie bei 1, so dass im Folgenden nur auf die Unterschiede zum Beispiel der 1 eingegangen wird. Im Unterschied zum Verfahren der 1 wird bei dieser Ausgestaltung ein positives Gießmodell mit einer entsprechenden Hohlstruktur, im vorliegenden Fall einem Hohlkanal, erzeugt. Dieses Gießmodell 1 aus Polystyrol wird in gleicher Weise wie bei dem Beispiel der 1 aus einzelnen Segmenten 1a, 1b, 1c verklebt. Das Gießmodell 1 wird anschließend ebenfalls mit einem entsprechenden Polystyrol-Anguss 3 verbunden, mit Hilfe von Formsand 4 in einen Formenkasten 5 eingebettet und entsprechend mit der Salzschmelze vergossen. Nach dem Ausbetten und Abtrennen vom Anguss wird auf diese Weise ein Salzkern 6 mit einem Hohlprofil erhalten, wie er in 2e zu erkennen ist. Bei Nutzung dieses Salzkerns 6 beim Metalldruckguss wird ein entsprechend mit den Hohlstrukturen versehenes Metallgussteil 9 erhalten (vgl. 2g bis 2j).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gießmodell
- 1a, b, c
- Segmente des Gießmodells
- 2
- Klebenähte
- 3
- Anguss
- 4
- Formsand
- 5
- Formenkasten
- 6
- Salzbauteil bzw. Salzkern
- 7
- Druckgießform
- 8
- Metallschmelze
- 9
- Metallgussteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4875517 [0004]
- DE 102009033170 A1 [0013]