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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Gusskerns für die Fertigung von Zylinderköpfen, einen Gusskern für die Fertigung von Zylinderköpfen sowie ein Gießverfahren für die Fertigung von wenigstens zwei Zylinderköpfen.
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Es ist bekannt, dass Zylinderköpfe im Gießverfahren hergestellt werden. Hierfür ist üblicherweise in einer Werkzeugform eine entsprechende Außenkontur in Schiebern, bzw. insbesondere in einer Grundplatte, ausgebildet. Um entsprechende Innenkonturen, wie Wasserkanäle, Luftkanäle und die Brennräume in dem Zylinderkopf ausbilden zu können, werden sogenannte verlorene Kerne beim Gießen in der Werkzeugform eingesetzt. Diese verlorenen Kerne sind üblicherweise aus Sand ausgebildet, und dienen dazu, die entsprechenden Hohlräume vom Eindringen des geschmolzenen Schmelzmaterials freizuhalten. Bei bekannten Werkzeugformen ist die Ausrichtung der Zylinderköpfe von oben nach unten ausgebildet, so dass die Schmelze von oben eindringend mit hoher Schmelztemperatur direkt auf die Grundplatte auftrifft und sich dort verteilt. Dies führt zu hoher thermischer Belastung der Grundplatte und der dort ausgebildeten Konturen für die Ausbildung der entsprechenden Gegenkontur des Zylinderkopfes.
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Neben der thermischen Belastung und der entsprechend notwendigen Instandhaltung für die Grundplatte weisen bekannte Gießverfahren weitere Nachteile auf. Insbesondere handelt es sich dabei um die Einschränkung in der Gestaltungsfreiheit der Zylinderköpfe. So muss bei dieser Ausrichtung von oben nach unten die Entformbarkeit gewährleistet bleiben. Dies gilt auch und gerade bei verlorenen Kernen. Darüber hinaus muss auch für das Einsetzen und die Herstellung dieser verlorenen Kerne als Gusskerne eine entsprechende Herstellbarkeit gewährleistet bleiben. Diese beiden Einschränkungen reduzieren die Gestaltungsfreiheit und damit die Möglichkeit auch komplexe Zylinderkopfformen zu erzeugen. Nicht zuletzt ist die Herstellung der Gusskerne selbst ein aufwendiges und kostenintensives Verfahren. Auch das Ausrichten und Positionieren derselben in der Werkzeugform führt zu hohem Zeitaufwand.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kastengünstiger und einfacher Weise die Herstellung der Gusskerne und/oder der Zylinderköpfe zu verbessern.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Gusskern mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Gießverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gusskern sowie dem erfindungsgemäßen Gießverfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Herstellung eines Gusskerns für die Fertigung von Zylinderköpfen. Hierfür weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:
- – Erzeugen wenigstens eines Kernbauteils mit einem aufbauenden Verfahren mit einer Kontur für die Ausbildung von Innenkonturen eines ersten Zylinderkopfes,
- – Erzeugen wenigstens eines weiteren Kernbauteils mit einem aufbauenden Verfahren mit einer Kontur für die Ausbildung von Innenkonturen eines weiteren Zylinderkopfes,
- – Erzeugen wenigstens eines Anguss-Kernbauteils für die Zufuhr der Schmelze während des Gießverfahrens,
- – Verbinden der beiden Kernbauteile mit dem Anguss-Kernbauteil in einer entgegengesetzten Ausrichtung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren baut nun einen Gusskern aus einzelnen Kernbauteilen auf. Insbesondere werden mindestens zwei Kernbauteile erzeugt, welche jeweils für die Ausbildung der Innenkonturen eines Zylinderkopfes ausgebildet sind. Es ist somit erfindungsgemäß möglich, mit einem erfindungsgemäß hergestellten Gusskern zwei Zylinderköpfe gleichzeitig in einer Werkzeugform herzustellen. Bereits hier wird ersichtlich, dass die Herstellungskapazität mit einer Werkzeugform in gleicher Zeitspanne damit verdoppelt bzw. im Wesentlichen verdoppelt wird.
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Ebenfalls ist erkennbar, dass mit einem einzigen Gusskern und dementsprechend mit dem Herstellaufwand und der Herstellzeit eines einzigen Gusskerns ebenfalls die gleiche Verdopplung der Herstellung der Zylinderköpfe einhergehen kann.
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Ein aufbauendes Verfahren ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein sogenanntes Rapid-Prototyping-Verfahren oder der sogenannte dreidimensionale Druck. Dabei wird in schichtweisem Aufbau die jeweils gewünschte geometrisch dreidimensionale Form des entsprechenden Kernbauteils aufgebaut. Dabei können erfindungsgemäß verschiedenste Verbindungsarten zwischen den einzelnen Schichten zur Verfügung gestellt werden. Bevorzugt ist es, wenn diese Verbindung zwischen den einzelnen Schichten ausreichend stark ist, um beim Einbringen der Schmelze den notwendigen Widerstand zu leisten. Gleichzeitig ist es notwendig, dass für das Entformen eine leichte Auflösung für das Material des Gusskerns gewährleistet werden kann, um abschließend den entsprechend hergestellten Zylinderkopf auch verwenden zu können.
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Selbstverständlich können die Kernbauteile und/oder das Anguss-Kernbauteil zumindest teilweise auch gemeinsam in einem einzigen Schritt erzeugt werden. So ist es denkbar, dass eines der Kernbauteile direkt mit den Funktionalitäten des Anguss-Kernbauteils ausgestattet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass beide Kernbauteile teilweise das Anguss-Kernbauteil mit aufweisen, und dementsprechend in dem Zusammenfügen ein erfindungsgemäßer Gusskern hergestellt wird.
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Unter dem Verbinden der beiden Kernbauteile mit dem Anguss-Kernbauteil in einer entgegengesetzten Ausrichtung ist zu verstehen, dass anschließend innerhalb der Werkzeugform die Herstellung der beiden Zylinderköpfe ebenfalls in konträrer entgegengesetzter Ausrichtung erfolgt. Während bei bekannten Werkzeugformen üblicherweise die Zylinderköpfe mit ihren Brennräume nach unten in Richtung der Grundplatte ausgerichtet sind, kann nun durch einen erfindungsgemäßen Gusskern eine um 90° gedrehte Ausrichtung möglich werden. Dies führt dazu, dass die beiden Zylinderköpfe mit ihren Brennräumen auf die Richtung der seitlichen Schieber in der Werkzeugform ausgerichtet sind. Dabei ist die Ausrichtung der Brennräume der beiden Zylinderköpfe entgegengesetzt zueinander ausgerichtet. In einer seitlichen Ansicht bedeutet dies, dass einer der beiden Zylinderköpfe nach links und der andere der beiden Zylinderköpfe nach rechts ausgerichtet ist. Wie hier gut zu erkennen ist, müssen die aufwendigen Konturabbildungen nun nicht mehr in der Grundplatte, sondern vielmehr in den seitlichen Schiebern der Werkzeugform vorgesehen werden. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion der thermischen Beeinflussung der Grundplatte während des Gießverfahrens.
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Neben einer längeren Standzeit für die Grundplatte kann damit auch der Aufwand hinsichtlich Zeit und Kosten für die Instandhaltung der Grundplatte bzw. deren Austausch deutlich reduziert werden. Neben den prozesstechnischen Vorteilen hinsichtlich Schonung der Grundplatte und höherer Kapazität der Anlage, kann durch ein erfindungsgemäßes Herstellen des Gusskerns auch eine höhere Gestaltungsfreiheit für die geometrische Ausbildung der Zylinderköpfe gewährleistet werden. So wird durch die seitliche Ausrichtung der beiden Kernbauteile eine entsprechende freie Gestaltung der Innenkonturen und damit auch der abgeschlossenen bzw. teilweise abgeschlossenen Volumina innerhalb des Zylinderkopfes mit höherer Gestaltungsfreiheit möglich. Nicht zuletzt ist ein großer Vorteil eines erfindungsgemäßen Gusskerns die Reduktion des Materialaufwandes für den Kern. Dadurch, dass der Anguss-Kern nun für zwei Zylinderköpfe Verwendung findet, wird ein zweites Anguss-Kernbauteil im Vergleich zu den bekannten Lösungen bei der Herstellung eines einzigen Zylinderkopfes vermieden. Mit anderen Worten wird das erfindungsgemäß eingesetzte Anguss-Kernbauteil für das Speisen der Werkzeugform für zwei Zylinderköpfe parallel verwendet. Dies führt zu einem reduzierten Materialaufwand seitens des Gusskerns. Da gleichzeitig auch weniger Anguss-Material notwendig wird, können auch hier Kosten, Zeit und vor allem Materialaufwand eingespart werden.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Anguss-Kernbauteil ebenfalls durch ein aufbauendes Verfahren erzeugt wird. Unter dem aufbauenden Verfahren ist auch hier ein sogenannter dreidimensionaler Druck bzw. ein Rapid-Prototyping-Verfahren zu verstehen. Insbesondere wird dabei für das Anguss-Kernbauteil das gleiche Verfahren und/oder die gleiche Materialzusammensetzung wie für wenigstens eines der beiden anderen Kernbauteile verwendet. Bevorzugt ist es selbstverständlich, wenn für alle Kernbauteile sowie für das Anguss-Kernbauteil das gleiche Material und das gleiche aufbauende Verfahren eingesetzt wird. Hierdurch kann eine deutliche Reduktion der Komplexität des gesamten Verfahrens und damit auch dessen Kosten erreicht werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass die Kernbauteile einen Verbindungsabschnitt, insbesondere einen Formschlussabschnitt, und das Anguss-Kernbauteil Gegen-Verbindungsabschnitte, insbesondere Gegen-Formschlussabschnitte, aufweisen. Auf diese Weise können die Kernbauteile über die Verbindungsabschnitte an den Gegen-Verbindungsabschnitten des Anguss-Kernbauteils befestigt werden. Bevorzugt ist es, wenn es sich hier um formschlüssige und kraftübertragende Lösungen handelt. Damit wird ein einfaches Ineinanderstecken der Kernbauteile und des Anguss-Kernbauteils möglich. So kann beispielsweise die Verbindungsschnittstelle des Kernbauteils einen entsprechenden stiftförmigen Vorsprung aufweisen. Der zugehörige Gegen-Verbindungsabschnitt des Anguss-Kernbauteils weist eine entsprechende Vertiefung auf, so dass durch einfaches Einstecken des Kernbauteils in den zugehörigen Gegen-Verbindungsabschnitt des Anguss-Kernbauteils der Zusammenbau erfolgt. Dies ist insbesondere derart ausgebildet, dass die Verbindungsabschnitte und die Gegen-Verbindungsabschnitte zueinander geometrisch eindeutig ausgerichtet sind. Darunter ist zu verstehen, dass eine eindeutige Ausrichtung des jeweiligen Kernbauteils nur an einer einzigen Stelle und an einer einzigen Ausrichtung am Gegen-Verbindungsabschnitt möglich ist. Damit wird das Risiko einer Fehlzusammensetzung und damit einer falschen Geometrie für die herzustellenden Zylinderköpfe mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden. Nicht zuletzt können die Verbindungsabschnitte und die Gegen-Verbindungsabschnitt neben der reinen formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung auch eine Zentrierhilfe bzw. eine Positionierhilfe darstellen. Auch dies führt dazu, die zu erzielenden Toleranzen mit höherer Wahrscheinlichkeit und vor allem mit höherer Sicherheit zu erreichen. Der gesamte Zusammenbau und die Positionierung wird damit nicht zur einfacher, sondern auch schneller möglich.
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Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Kernbauteile mit einer entgegengesetzten Ausrichtung von ca. 180° mit dem Anguss-Kernbauteil verbunden werden. Unter dieser Ausrichtung ist insbesondere ein Ausrichtungswinkel zu verstehen, welcher sich zwischen den beiden Hauptausrichtungen der beiden Zylinderköpfe bzw. der beiden zugehörigen Kernbauteile ausbildet. So kann beispielsweise die Extrusionsachse eines entsprechenden Brennraums des Zylinderkopfes eine solche Ausrichtung darstellen. Es ist bevorzugt, wenn der Winkel zwischen der Achse des Brennraumes eines der beiden Zylinderköpfe und der Achse des Brennraums des weiteren Zylinderkopfes ca. 180° beträgt. Dies führt zu einer möglichst effizienten Ausnutzung des notwendigen Kavitätsraumes innerhalb einer Werkzeugform. Damit kann die zugehörige Werkzeugform kleiner, kompakter und materialsparender ausgebildet werden.
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Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Anguss-Kernbauteil wenigstens einen Speiserabschnitt und insbesondere wenigstens einen Luftauslassabschnitt aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass über dem Speiserabschnitt eine entsprechende Schmelzeeinbringung stattfinden kann. Auch hier ist gut ersichtlich, dass für zwei Zylinderköpfe nur ein einziger Speiserabschnitt bzw. eine einzige Mehrzahl von Speiserabschnitten notwendig ist. Da die Schmelze auch im Speiserabschnitt erstarrt, führt dies zwangsläufig zu Ausschuss während dem Gussverfahren, welcher durch die Ausbildung und doppelte Nutzung hier für zwei Zylinderköpfe dementsprechend halbiert werden kann, im Vergleich zu bekannten Lösungen. Gleiches gilt dementsprechend auch für den Luftauslassabschnitt, welcher dazu dient, während des Einbringens der Schmelze, die sich in der Kavität befindliche Luft auszulassen. Auch hier kann eine entsprechende Materialeinsparung erzielt werden.
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Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für die Herstellung wenigstens eines der Kernbauteile ein anorganisches Material eingesetzt wird. Dies führt insbesondere zu Vorteilen bei der Herstellung des Gusskerns, wie auch später beim Entfernen oder Einsetzen des Gusskerns. Dies bezieht sich insbesondere auf möglicherweise entstehende Schadstoffe bzw. Geruchsstoffe, welche unangenehm oder sogar schädlich sein können. Das Verwenden von anorganischem Material ist dementsprechend bereits bei der Herstellung des Gusskerns zu bevorzugen.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gusskern für die Fertigung von Zylinderköpfen, aufweisend wenigstens zwei Kernbauteile, erzeugt mit einem aufbauenden Verfahren mit einer Kontur für die Ausbildung von Innenkonturen von jeweils einem Zylinderkopf. Weiter weist dieser Gusskern ein Anguss-Kernbauteil für die Zufuhr der Schmelze während des Gießverfahrens auf. Dabei sind die Kernbauteile mit dem Anguss-Kernbauteil in entgegengesetzter Richtung verbunden. Bevorzugt ist ein Gusskern mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßer Gusskern die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind. Insbesondere ist hinzuweisen auf die möglichen Verbindungsarten zwischen den Kernbauteilen und dem Anguss-Kernbauteil, wie sie ausführlich mit Bezug auf die Verbindungsabschnitte bzw. die Formschlussabschnitte und die zugehörigen Gegen-Verbindungsabschnitte erläutert worden sind.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gießverfahren für die Fertigung von wenigstens zwei Zylinderköpfen, aufweisend die folgenden Schritte:
- – Zur Verfügung stellen eines Gusskerns mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung,
- – Einsetzen des Gusskerns in eine Werkzeugform mit einer seitlichen Ausrichtung der beiden Kernbauteile für die Ausbildung von wenigstens zwei Zylinderköpfen,
- – Schließen der Werkzeugform,
- – Einbringen der Schmelze durch Speiserkanäle, ausgebildet durch das Anguss-Kernbauteil des Gusskerns.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren nutzt insbesondere einen Gusskern, welcher durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt worden ist. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Gießverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Gusskern erläutert worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gusskerns und zugehöriger Zylinderköpfe,
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2 die Ausführungsform der 1 in anderer Perspektive,
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3 der aufbauende Verfahrensschritt für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Gusskerns,
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4 der Schritt des Verbindens der Kernbauteile mit einem Anguss-Kernbauteil,
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5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gusskerns, und
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6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gusskerns, eingesetzt in eine entsprechende Werkzeugform.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch, wie ein erfindungsgemäßer Gusskern 10 wirkt. Hier ist gut zu erkennen, wie über ein zentrales Anguss-Kernbauteil 40 links und rechts jeweils ein weiteres Kernbauteil 20 und 30 angeordnet ist. Die beiden seitlichen Kernbauteile 20 und 30 weisen dabei entsprechende Konturen auf, die für die Ausbildung des jeweiligen Zylinderkopfes 100 und der zugehörigen Innenkontur 110 dienen. Hier ist auch gut zu erkennen, wie über das zentrale Anguss-Kernbauteil und die entsprechenden Speiserabschnitte 46 und den Luftauslassabschnitt 48 diese Funktionen zentral und damit in doppelter Nutzung für beide Zylinderköpfe 100 zur Verfügung gestellt werden.
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3 zeigt schematisch einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier wird in aufbauender Weise, zum Beispiel mithilfe eines Rapid-Prototyping-Verfahrens oder einem dreidimensionalen Druckverfahren, vorzugsweise anorganisches Material schichtweise aufgebaut. Bei dieser Ausführungsform werden zwei Kernbauteile 20 und 30 aufgebaut. Hier ist bereits gut zu erkennen, dass beide Kernbauteile 20 und 30 symmetrisch ausgebildet sind, da sie für die Ausführung gleicher bzw. identischer Zylinderköpfe 100 eingesetzt werden. Auch ist bei dieser Darstellung gut die Ausbildung von stiftförmigen Fortsätzen für die Verbindungsabschnitte 22 und 32 zu erkennen. Die beiden Verbindungsabschnitte 22 und 32 sind hier als Formschlussabschnitte 24 und 34 ausgebildet.
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4 zeigt den Zusammenbau der hergestellten Kernbauteile 20 und 30 und eines Anguss-Kernbauteils 40. Das Anguss-Kernbauteil 40 kann hier zum Beispiel ebenfalls in schichtweisem Aufbau erzeugt worden sein. Hier ist über die Pfeile gut dargestellt, wie durch ein einfaches seitliches Einschieben die beiden Kernbauteile 20 und 30 in entsprechende Gegen-Verbindungsabschnitte 42 eingeschoben werden. Somit kann über die Korrelation der Gegen-Verbindungsabschnitte 42 bzw. der Ausbildung als Gegen-Formschlussabschnitte 44 die Verbindung mit den Verbindungsabschnitten 22 und 32 gewährleistet werden. Im Ergebnis nach dem Zusammenbau sieht der fertiggestellte Gusskern 10 beispielsweise aus wie die Ausführungsform gemäß der 5.
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Wird der Gusskern 10 der Ausführungsform der 5 nun in eine Werkzeugform 200 eingesetzt, so kann dies beispielsweise eine Ausbildung gemäß der 6 sein. Hier ist gut zu erkennen, dass eine Grundplatte 210 sowie seitliche Schieber 220 eine entsprechende Kavität zur Verfügung stellen, in welcher über dem Gusskern 10 freie Räume für die Ausbildung von freien Volumen in den Zylinderköpfen 100 freigehalten werden. Damit kann nun erfindungsgemäß der Gießvorgang durchgeführt werden, und zwei Zylinderköpfe 100 gleichzeitig in seitlicher 180° versetzter Ausrichtung links und rechts vom Anguss-Kernbauteil 40 ausgebildet werden.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gusskern
- 20
- Kernbauteil
- 22
- Verbindungsabschnitt
- 24
- Formschlussabschnitt
- 30
- Kernbauteil
- 32
- Verbindungsabschnitt
- 34
- Formschlussabschnitt
- 40
- Anguss-Kernbauteil
- 42
- Gegen-Verbindungsabschnitt
- 44
- Gegen-Formschlussabschnitt
- 46
- Speiserabschnitt
- 48
- Luftauslassabschnitt
- 100
- Zylinderkopf
- 110
- Innenkontur
- 200
- Werkzeugform
- 210
- Grundplatte
- 220
- Schieber
