DE102014211350A1 - Casting method for producing a piston and pistons for internal combustion engines - Google Patents

Casting method for producing a piston and pistons for internal combustion engines Download PDF

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DE102014211350A1
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Johannes Spermann
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen oder mehrteiliger Kolben aus Metall oder einer Metalllegierung für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben oder mindestens ein Kolbenteil in einem Gießverfahren basierend auf einer verlorenen Form oder in einem Gießverfahren basierend auf einer Dauerform hergestellt ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to one or multi-part pistons made of metal or a metal alloy for an internal combustion engine, the piston or at least one piston part being manufactured in a casting process based on a lost mold or in a casting process based on a permanent mold, and a process for its manufacture.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolben, gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method for producing pistons for internal combustion engines and a piston produced by this method, according to the features of the respective preamble of the independent claims.

Die DE 10 2010 052 579 A1 betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, welche aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei zumindest eines der Kolbenteile als Gussbauteils ausgebildet ist, wobei das zumindest eine als Gussbauteil ausgebildete Kolbenteil an das andere Kolbenteil angegossen ist. Das Angießen eines Kolbenteils an ein anderes Kolbenteil ist sehr aufwendig und kostenintensiv, da eine genaue Positionierung des zu umgießenden Kolbenteils in der Gießform erfolgen muss.The DE 10 2010 052 579 A1 relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston upper part and a piston lower part, which are made of different materials, wherein at least one of the piston parts is formed as a cast component, wherein the at least one piston member designed as a cast component is cast on the other piston part. The casting of a piston part to another piston part is very complicated and expensive, since an accurate positioning of the piston part to be cast around in the mold must be done.

Die DE 102 97 060 T5 offenbart einen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor aus einer Aluminium-Silicium-Legierung sowie ein Verfahren zum Herstellen des Kolbens.The DE 102 97 060 T5 discloses a forged piston for an aluminum-silicon alloy internal combustion engine and a method of manufacturing the piston.

Die DE 85 01 763 U1 betrifft einen einteiligen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Kolbenkrone und Kolbenschaft, wobei die Kolbenkrone zumindest einen Feuersteg sowie einen umlaufenden Kragen aufweist, der den Kolbenschaft umgibt, wobei der Kolbenschaft aus zwei Pendelschaftohren besteht.The DE 85 01 763 U1 relates to a one-piece forged piston for an internal combustion engine with piston crown and piston skirt, wherein the piston crown has at least one land and a circumferential collar surrounding the piston skirt, wherein the piston skirt consists of two pendulum shank ears.

Die DE 38 11 200 A1 betrifft einen Kolbenrohling für einen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Kolbenkrone mit Wärmedrosselringspalt und an die Kolbenkrone unterseitig angeformten Pendelschaftohren, die aus einem kronenseitigen Teilstück und einem Pendelschaftaugenteilstück bestehen und im Pendelschaftaugenteilstück Pendelschaftaugen für die Aufnahme eines Pendelschaftbolzens aufweisen. Die Pendelschaftaugenteilstücke der Pendelschaftohren weisen im oberen Bereich der Pendelschaftaugen eine größere Wanddicke auf als die kronenseitigen Teilstücke. Die kronenseitigen Teilstücke schließen an die Pendelschaftaugenteilstücke über eine Hinterschneidung an.The DE 38 11 200 A1 relates to a piston blank for a forged piston for an internal combustion engine with piston crown with heat-restricting annular gap and to the piston crown underside integrally formed pendulum ears, which consist of a crown-side portion and a Pendelschaftaugenteilstück and in Pendelschaftaugenteilstück Pendelschaftaugen for receiving a pendulum shank bolt. The pendulum shaft suction sections of the pendulum shaft have in the upper part of the pendulum shaft eyes a greater wall thickness than the crown-side sections. The crown side sections connect to the pendulum shaft suction sections via an undercut.

Die DE 1 525 895 A bezieht sich auf geschmiedete einteilige Motorkolben mit einem langen Ölkanal und einer einzigen Schweißung und auf das Verfahren zum Herstellen derselben.The DE 1 525 895 A refers to forged one-piece engine pistons with a long oil passage and a single weld and to the process of making same.

Bisher wurden Gesenkschmieden zur Herstellung des Kolbenunterteils und des Kolbenoberteils eingesetzt. Gesenkschmieden sind aufwändige, unflexible und teure Werkzeuge. Jede Formänderung am Kolbenunterteil bzw. Kolbenoberteil erfordert einen Werkzeugneubau.Until now, swage forges were used for the production of the piston lower part and the piston upper part. Drop forged are elaborate, inflexible and expensive tools. Each change in shape on the piston lower part or upper piston part requires a new tool.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Gestaltungsfreiheit und Materialauswahl für Kolben zu erhöhen bei einer Reduktion der Fertigungskosten für Kolben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und einen Kolben mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The object of the invention is to increase the freedom of design and material selection for pistons with a reduction of manufacturing costs for pistons. This object is achieved by a method and a piston with the features of the independent claims.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein Schmiedeunterteil eines Kolbens durch ein mindestens teilweise im insbesondere horizontalen Lost-Form-Gussverfahren hergestellten Gussunterteil ersetzt. Dieses Gussunterteil kann mit einem Schmiedeoberteil eines Kolbens zu einem Kolben zusammengefügt werden. Eine Herstellung des Kolbenoberteiles im Gussverfahren ist ebenfalls denkbar. Durch die Herstellung eines Kolbenunterteils, zumindest teilweise, im horizontalen Lost-Form-Guss erhöht sich die Flexibilität für die Gestaltung, Materialauswahl und Designänderungen für das erfindungsgemäße Kolbenunterteil. Weiterhin wird eine Kostenreduktion für Stahlkolben zum Einsatz in HD- und HSDI-Motoren erzielt. Bevorzugt werden mehrere Kolbenunterteile in einem Urformvorgang bei geringer Taktzeit hergestellt.According to the invention, a forged lower part of a piston is preferably replaced by a cast lower part produced at least partially in the particular horizontal lost-mold casting process. This casting lower part can be assembled with a forging upper part of a piston to form a piston. A production of the piston upper part in the casting process is also conceivable. The production of a lower piston part, at least partially, in the horizontal lost-mold casting increases the flexibility for the design, material selection and design changes for the piston lower part according to the invention. Furthermore, a cost reduction for steel pistons is achieved for use in HD and HSDI engines. Preferably, several piston parts are produced in a primary molding with a low cycle time.

Erfindungsgemäß wird zur Durchführung des Verfahrens das Gussteil, insbesondere ein Kolbenunterteil horizontal im Bezug auf die Kolbenachse angeordnet. Der Anschnitt erfolgt seitlich am Umfang des Kolbens bzw. des Kolbenunterteiles. Die Befüllung der Gusswege erfolgt vertikal. Auch die Trennung der Gussformen erfolgt vertikal. Der Guss erfolgt im Lost-Form-Guss oder im Kokillen-Guss. Das zuvor beschriebene Verfahren ist nicht auf Kolbenunterteile beschränkt sondern kann auf jegliche Bauteile, auch auf das Kolbenoberteil angewendet werden. Bevorzugt wird mehr als ein Gussteil, mindestens zwei Gussteile, in einem Guss gefertigt.According to the invention, the cast part, in particular a lower piston part is arranged horizontally with respect to the piston axis for carrying out the method. The gate occurs laterally on the circumference of the piston or the piston lower part. The filling of the casting paths is vertical. The separation of the molds is vertical. The casting takes place in lost-mold casting or die-casting. The method described above is not limited to piston bottoms but can be applied to any components, including the piston top. Preferably, more than one casting, at least two castings, are manufactured in one casting.

Vergossen werden Metalle, bevorzugt Eisenwerkstoffe. Auch die Verwendung von Aluminiumlegierungen ist denkbar.Cast metals are metals, preferably iron materials. The use of aluminum alloys is conceivable.

Als Vorteile ergeben sich eine Kostenreduktion beim Fertigteil, bei der Entwicklung und kurze Prototypenzeiten.The advantages are a cost reduction in the finished part, during development and short prototype times.

Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren eine belastungsgerechte Materialauswahl für Kolbenunterteil, Kolbenoberteil bzw. für den gesamten Kolben erfolgen.Furthermore, by the method according to the invention for producing a piston for internal combustion engines or internal combustion engines, a selection of material for the piston lower part, piston upper part or for the entire piston can be made.

Unter Lost-Form-Gussverfahren werden im Sinne dieser Schrift Verfahren verstanden, bei denen sogenannte Verlorene Formen Verwendung finden.For the purposes of this document, lost-mold casting methods are understood to mean processes in which so-called lost forms are used.

Verlorene Formen gliedern sich in Dauermodelle und Verlorene Modelle. Ein Verfahren bei dem verlorene Modelle zum Einsatz kommen ist das Lost-Foam-Verfahren. Das Lost-Foam-Verfahren wird auch als Lost Foam Gießverfahren (LFGV) bezeichnet.Lost forms are divided into permanent models and lost models. A procedure at The Lost Foam Process is used for lost models. The Lost Foam process is also known as Lost Foam Casting (LFGV).

Lost Foam ist ein Gießverfahren, welches geeignet für die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien von Kolben oder Kolbenteilen aus einem Guss. Kennzeichnend für das Verfahren ist die Verwendung „verlorener” Modelle aus organischen Schaumstoffen. Die Schaumstoff-Modelle werden unter Vibrationsverdichtung in einen binderfreien Formstoff eingebettet. Beim Abguss wird das Schaumstoff-Modell dann von der Schmelze des Gießwerkstoffes thermisch zersetzt, wobei die Schmelze gleichzeitig den entstehenden Hohlraum ausfüllt. Dabei entsteht ein exaktes Abbild des Schaumstoff-Modells als metallischer Abguss. Die durch das Lost-Foam-Verfahren hergestellten Kolben oder Kolbenteile zeichnen sich neben der möglichen geometrischen Komplexität durch eine hervorragende Oberfläche und Maßhaltigkeit aus.Lost Foam is a casting process, which is suitable for the production of complex component geometries of pistons or piston parts from a single casting. Characteristic of the process is the use of "lost" models of organic foams. The foam models are embedded under vibration compaction in a binder-free molding material. During casting, the foam model is then thermally decomposed by the melt of the casting material, wherein the melt simultaneously fills the resulting cavity. The result is an exact image of the foam model as a metallic casting. The pistons or piston parts produced by the lost-foam process are distinguished not only by the possible geometric complexity but also by their outstanding surface and dimensional stability.

Die verwendeten Modelle aus Polystyrolschäumen werden in einem Gießbehälter in Formsand eingebettet und durch zugeführtes, flüssiges Metall zersetzt. Der entstehende Formhohlraum wird durch die Metallschmelze ausgefüllt, wobei die Geometrie des Modells exakt nachgebildet wird.The used models of polystyrene foams are embedded in a casting container in molding sand and decomposed by supplied, liquid metal. The resulting mold cavity is filled by the molten metal, the geometry of the model is replicated exactly.

Als Rohmaterial für die verlorenen Modelle aus Schaumstoffen dient beispielsweise Expandiertes Polystyrol (EPS), Expandiertes Polymethylmethacrylat (EPMMA) oder ein Copolymer. Die Herstellung von Modellsegmenten besteht aus drei Verfahrensschritten. Beim Vorschäumen werden Rohpartikel durch Zuführung thermischer Energie expandiert, was mit Hilfe von eingelagertem Treibmittels, beispielsweise Pentan realisiert wird. Beim anschließenden Konditionieren werden die Partikel zur Stabilisierung einem Ausgleichsprozess mit der Umgebungsluft unterzogen. Als letzter Verfahrensschritt schließt sich das Fertigsschäumen an. Die vorgeschäumten und konditionierten EPS-Kügelchen werden in die geteilte Form eines Schaumwerkzeugs gebracht und nachfolgend mit thermischer Energie beaufschlagt, wodurch die Formgebung zum fertigen Modellsegment hervorgerufen wird. Ein Modellsegment kann einen Teilbereich eines Kolbens oder Kolbenteiles wiedergeben. Beispielsweise den Schaft, die Ausformung für die spätere Verbrennungsraummulde, den Kühlkanal, den Kühlraum oder die Ringpartie.The raw material used for the lost foam models is, for example, expanded polystyrene (EPS), expanded polymethylmethacrylate (EPMMA) or a copolymer. The production of model segments consists of three process steps. When prefoaming raw particles are expanded by supplying thermal energy, which is realized by means of embedded propellant, such as pentane. During the subsequent conditioning, the particles are subjected to a compensation process with the ambient air for stabilization. The last stage of the process is followed by ready-foaming. The prefoamed and conditioned EPS beads are placed in the split mold of a foam tool and subsequently subjected to thermal energy, thereby causing the molding to form the finished model segment. A model segment may represent a portion of a piston or piston member. For example, the shaft, the formation of the subsequent combustion chamber, the cooling channel, the refrigerator or the ring section.

Für das anschließende Fügen von Modellsegmenten zu einem Kolben- oder Kolbenteilmodell eignen sich beispielsweise das Zusammenstecken, das Kleben und das Heizelementschweißen. Diese Kolben- oder Kolbenteilmodelle bilden die verlorenen Modelle zur Verwendung beim Lost-Foam-Verfahren.For the subsequent joining of model segments to a piston or piston part model, for example, mating, gluing and heating element welding are suitable. These piston or piston submodels form the lost models for use in the lost foam process.

Mehrere Kolben- oder Kolbenteilmodelle können zu Modelltrauben zusammengefügt werden.Several piston or piston submodels can be assembled to form model screws.

Beim darauffolgenden Schlichten der Modelltrauben werden die zusammengefügten Gusstrauben mit Schlichte, einem dünnen feuerfesten Überzug, beschichtet. Die Schlichte besteht aus einer wässrigen Suspension von keramischen Partikeln, sie muss im Lost-Foam-Verfahren verschiedenste Anforderungen und Aufgaben erfüllen. Die Schlichte dient der Stabilisierung des Kolben- oder Kolbenteilmodells bzw. der Modelltraube bestehend aus verbundenen Kolben- oder Kolbenteilmodellen während des Einformprozesses in bindemittelfreiem Quarzsand, da während des Abgießens ein Polster aus Gas und Kunststoffschmelze zwischen Modell und Metallschmelze entsteht, würde ohne die Schlichte als Barriere der bindemittelfreie Quarzsand unweigerlich einbrechen, und das Gussstück unbrauchbar machen. Ferner beeinflusst die Schlichte durch ihre Gasdurchlässigkeit die Abfuhr der entstehenden Gase und Flüssigkeiten in den umliegenden bindemittelfreien Quarzsand und bestimmt somit den Druck, der sich in dem Gaspolster zwischen dem Kolben- oder Kolbenteilmodells bzw. der Modelltraube bestehend aus verbundenen Kolben- oder Kolbenteilmodellen und Metallschmelze aufbauen kann. Die Schlichte steuert daher in entscheidendem Maße die Geschwindigkeit der Formfüllung und nimmt damit unmittelbaren Einfluss auf das Gießergebnis.In the subsequent finishing of the model grapes, the assembled casting screws are coated with size, a thin refractory coating. The sizing consists of an aqueous suspension of ceramic particles; it must fulfill a wide variety of requirements and tasks in the lost-foam process. The sizing serves to stabilize the piston or piston part model or the model screw consisting of connected piston or piston submodels during the molding process in binder-free quartz sand, since during casting a cushion of gas and plastic melt between the model and molten metal would be created without the sizing as a barrier The binder-free quartz sand inevitably break and make the casting useless. Furthermore, the size, through its gas permeability, influences the removal of the resulting gases and liquids into the surrounding binder-free quartz sand and thus determines the pressure which builds up in the gas cushion between the piston or piston submodel or the model grape consisting of connected piston or piston submodels and molten metal can. The size therefore controls the speed of the mold filling to a decisive extent and thus has a direct influence on the casting result.

Nach dem Trocknen der Kolben- oder Kolbenteilmodelle bzw. der Modelltrauben bestehend aus verbundenen Kolben- oder Kolbenteilmodellen werden sie in einen Gießbehälter eingesetzt und mit bindemittelfreiem Sand umhüllt und darin eingeformt. Durch Anlegen von Vibration wird der Sand fluidisiert, läuft in die Hohlräume und Hinterschnitte der Modelle und wird verdichtet.After drying the piston or piston part models or the model screws consisting of connected piston or piston part models, they are placed in a casting container and wrapped with binder-free sand and molded therein. By applying vibration, the sand is fluidized, runs into the cavities and undercuts of the models and is compacted.

Bei dem sich anschließenden Gießen der Kolben- oder Kolbenteilmodelle bzw. der Modelltraube bestehend aus verbundenen Kolben- oder Kolbenteilmodellen wird das vorliegende Schaumstoffmodell exakt in Metall abgebildet. Die Metallschmelze wird dazu nach dem Schwerkraftguss zum Fertigteil in die Gießform gegossen. Das Schaumstoffmaterial wird durch die hohe Temperatur der Schmelze zersetzt und tritt über die Schlichteschicht in den das Model umgebenden bindemittelfreien Sand ein. Die entstehenden Gase können über ein am Behälter installiertes Absaugsystem direkt einer Filteranlage zugeführt werden. Nach dem Erstarren der Schmelze kann der Sand durch einfaches Entleeren des Formbehälters von der Gusstraube getrennt werden. Dieser Vorgang wird als Entformen bezeichnet. Da der Sand keinerlei Binder enthält, rieselt er beispielsweise aus Bohrungen und Kühlkanälen ohne weitere Hilfe direkt heraus. Die Putz- und Strahlarbeit beim Lost-Foam-Verfahren ist sehr gering. Da die Form nicht geteilt ist, entsteht beim Abgießen kein Grat.In the subsequent casting of the piston or piston submodels or the model grape consisting of connected piston or piston submodels, the present foam model is reproduced exactly in metal. The molten metal is poured into the casting mold after gravity casting to the finished part. The foam material is decomposed by the high temperature of the melt and enters the binder-free sand surrounding the model via the sizing layer. The resulting gases can be fed directly to a filter system via a suction system installed on the tank. After solidification of the melt, the sand can be separated by simply emptying the mold container from the Gusstraube. This process is called demolding. Since the sand contains no binder, it trickles out of holes and cooling channels directly without further help. The cleaning and blasting work at the Lost Foam process is very low. Since the mold is not split, no burr is produced when pouring.

Das Lost-Foam-Verfahren ermöglicht die Herstellung von Kolben oder Kolbenteilen mit komplexen Gussteilgeometrien in höchster Qualität. Das Lost-Foam-Verfahren ermöglicht die Fertigung von Kolben oder Kolbenteilen mit hoher Maßhaltigkeit und geringen Toleranzen. Durch den Einsatz des Lost-Foam-Verfahrens wird die Herstellung von dünnwandigen, filigranen Kolbengussteilen ermöglicht. Dies kann zu geringeren Massen für den fertigen Kolben führen. Durch das Lost-Foam-Verfahren kann auf die Nacharbeit verzichtet werden, da es kernlos und ohne Grate arbeitet. Daher besteht fast kein Nachputzaufwand. Dies führt zu einer hohen Oberflächenqualität der im Lost-Foam-Verfahren hergestellten Kolben oder Kolbenteile. Das Lost-Foam-Verfahren ist umweltfreundlich, da es ein energieeffizienter Gießprozess mit geringen Emissionen und geschlossenem Formstoffkreislauf ist. Das Lost-Foam-Verfahren ist ein wirtschaftlich leistungsfähiges Gießverfahren für Kolben- oder Kolbenteilprototypen und Kolben- oder Kolbenteil-Seriengussteile.The Lost-Foam process enables the production of pistons or piston parts with complex casting geometries of the highest quality. The lost-foam process enables the production of pistons or piston parts with high dimensional accuracy and low tolerances. The use of the Lost-Foam process enables the production of thin-walled, filigree piston castings. This can lead to lower masses for the finished piston. The lost-foam process eliminates the need for reworking because it works coreless and without burrs. Therefore, there is almost no Nachputzaufwand. This leads to a high surface quality of the piston or piston parts produced in the lost foam process. The Lost-Foam process is environmentally friendly as it is an energy-efficient casting process with low emissions and closed molding cycle. The lost-foam process is an economically efficient casting process for piston or piston part prototypes and piston or piston part series castings.

Die Herstellung von Kolben oder Kolbenbauteilen nach dem Lost-Foam-Verfahren gliedert sich in die folgenden Verfahrensschritte:

  • 1 Modellherstellung
  • 1a Vorschäumen
  • 1b Fertigschäumen
  • 2 Modellmontage
  • 3 Schlichten
  • 4 Einformen und Gießen
  • 5 Entnahme der Kolben oder Kolbenteile
The production of pistons or piston components by the lost-foam process is divided into the following process steps:
  • 1 model production
  • 1a pre-foaming
  • 1b ready foams
  • 2 model assembly
  • 3 finishing
  • 4 molding and casting
  • 5 Removal of pistons or piston parts

Verfahren bei dem Dauermodelle zum Einsatzkommen sind beispielsweise Sandgießverfahren. Auch im Sandgießverfahren können Kolben oder Kolbenteile hergestellt werden.Methods in the permanent models are used, for example, Sandgießverfahren. Also in Sandgießverfahren pistons or piston parts can be produced.

Nach dem jeweils verwendeten Binder werden beim Sandgießverfahren die Verfahrensvarianten unterschieden. Zum Einsatz kommen Ton (Bentonit) zusammen mit Wasser oder organische Harze, beispielsweise Polyurethan oder Furanharz. Ergänzend finden weitere anorganische Bindersysteme Verwendung. Als Formgrundstoff wird, abgesehen von Ausnahmen, Quarzsand eingesetzt.After the binder used in each case, the process variants are differentiated in the sand casting process. Clay (bentonite) is used together with water or organic resins, for example polyurethane or furan resin. In addition, other inorganic binder systems are used. As molding material, apart from exceptions, quartz sand is used.

Als Grunsandverfahren wird das Gießverfahren bezeichnet, bei dem Bentonit als Binder Verwendung findet. Verlorene Formen werden erzeugt, indem der Formsand (tonmineralumhüllter Quarzsand) auf eine Modellplatte in einem Kasten oder auch kastenlos aufgebracht und anschließend verdichtet wird. Die Verdichtung des Formsandes kann manuell (Handformguss) oder maschinell (Maschinenformguss) erfolgen. Durch das Zusammenlegen der Formhälften wird der Hohlraum erzeugt, in den das Metall eingegossen werden kann.As Grunsandverfahren the casting process is referred to, in which bentonite is used as a binder. Lost molds are produced by applying the molding sand (clay mineral-clad quartz sand) to a model plate in a box or boxless and then compacting. The compaction of the foundry sand can be done manually (hand molding) or mechanically (machine casting). By merging the mold halves of the cavity is generated, in which the metal can be poured.

Als Alternative zum tongebundenen Formsand kann auch mit kunstharzgebundenem Sand gearbeitet werden. Die abgießfähige Festigkeit des Formsandes wird dabei Ober eine chemische Reaktion erzielt.As an alternative to clay-bonded molding sand can also be worked with resin-bonded sand. The pourable strength of the molding sand is thereby achieved above a chemical reaction.

Eine weitere Möglichkeit Sandformen herzustellen besteht darin, dass mehrere kunstharzgebundene Sandkerne hergestellt und zu einem Paket zusammengebaut werden. In dem Fall wird vom Kernpaket- oder Kernblockverfahren gesprochen. Die Herstellung von Sandkernen wird nachfolgend beschrieben.Another way to make sand molds is that several resin-bonded sand cores are produced and assembled into a package. The case is referred to as the core packet or core block method. The production of sand cores will be described below.

Mit Hilfe von in die Form eingelegten Kernen lassen sich Hohlräume, wie beispielsweise Kühlkanäle, Durchbrüche und Hinterschneidungen in Kolben oder Kolbenteilen gießtechnisch erzeugen. Kerne kommen nur zum Einsatz, wenn dies aus Formgebungsgründen erforderlich ist. Eine sichere Positionierung der Kerne in der Form ist erforderlich.With the help of inserted into the mold cores, such as cooling channels, breakthroughs and undercuts in pistons or piston parts can be produced by casting. Cores are used only if required for molding purposes. Secure positioning of the cores in the mold is required.

Als Formgrundstoff wird bevorzugt Quarzsand verwendet. Anorganische Verfahren zeichnen sich durch eine geringere Arbeitsplatz und Umweltbelastung aus. Daneben können sich weitere technische Vorteile wie eine geringere Gasentwicklung beim Abguss ergeben. Thermisch aushärtende anorganische Verfahren zur Herstellung von Kernen zur Produktion von Kolben oder Kolbenteilen erfordern teilweise alternative Formstoffe (synthetische Sande), zur Erzielung optimaler Oberflächenguten. In Verbindung mit Kernen bieten die Sandgießverfahren sehr weitreichende Konstruktionsmöglichkeiten. Im Hinblick auf die Stückzahlen reicht die Bandbreite von der Einzelstückfertigung bis zu Serien in größter Stückzahl.The molding material used is preferably quartz sand. Inorganic processes are characterized by a lower workplace and environmental impact. In addition, there may be other technical advantages such as lower gas evolution during casting. Thermosetting inorganic processes for the production of cores for the production of pistons or piston parts sometimes require alternative molding materials (synthetic sands) to achieve optimum surface quality. In combination with cores, the sand casting processes offer very wide-ranging design possibilities. In terms of quantities, the bandwidth ranges from single-piece production to series in the largest number of units.

Über den Grad der Mechanisierung des Formverfahrens sowie über die Güteklasse der Modelle kann die Maßgenauigkeit der Gussstücke gesteuert werden. Durch die Verwendung besonders feiner Formsande oder spezieller Schlichten lässt sich eine hohe Oberflächengüte erzielen.The degree of mechanization of the molding process and the quality of the models can be used to control the dimensional accuracy of the castings. By using particularly fine sands or special sizing a high surface quality can be achieved.

Bedingt durch die geringere Erstarrungsgeschwindigkeit im Sandguss, lassen sich im Vergleich zum Kokillenguss nicht ganz so hohe Festigkeitswerte erreichen. Durch den lokalen Einsatz von Kühlkörpern oder Eingießteilen können gezielt hohe Festigkeitswerte in bestimmten Bereichen des Kolbens oder des Kolbenteils erzielt werden. Diese Kühlkörper werden gezielt in Bereichen positioniert, in denen höhere Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des Kolbens oder Kolbenteils gestellt werden. Alternativ zur Schwerkraftfüllung können durch eine Formfüllung mit Niederdruckanwendung höhere Festigkeiten unter zyklischer Beanspruchung erzielt werden.Due to the lower solidification rate in sand casting, not quite as high strength values can be achieved in comparison to chill casting. The local use of heat sinks or casting parts allows targeted high strength values to be achieved in certain regions of the piston or of the piston part. These heat sinks are specifically positioned in areas where higher demands are placed on the mechanical properties of the piston or piston part. As an alternative to gravity filling, higher pressure can be achieved by filling the mold with a low-pressure application Strengths are achieved under cyclic loading.

In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Herstellung des Kolbens oder mindestens eines Kolbenteiles im Kokillengießverfahren. Kokillengießverfahren beruhen auf Dauerformen.In a further embodiment, the production of the piston or at least one piston part takes place in Kokillengießverfahren. Mold casting are based on permanent molds.

Eine Variante ist das Schwerkraft-Kokillengießverfahren, mit ihm lassen sich maßgenaue Gussstücke mit guter Oberflächenbeschaffenheit herstellen. Die relativ schnelle Erstarrung beim Kokillengießverfahren ergibt günstige mechanische Werkstoffkennwerte. Die Formen (Kokillen) werden aus Stählen, beispielsweise aus Warmarbeitsstählen oder aus Gusseisen mit Lamellengraphit gefertigt. Bei einer sogenannten Vollkokille besteht die gesamte Kokille aus Metall. Bei einer Halbkokille bestehen das Unterteil aus einer Kokille und das Oberteil aus einer Sandform.A variant is the gravity die casting process, with it can be produced dimensionally accurate castings with good surface finish. The relatively rapid solidification in Kokillengießverfahren results in favorable mechanical material properties. The molds (molds) are made of steels, for example hot-work steels or cast iron with lamellar graphite. In a so-called full mold, the entire mold is made of metal. In a half-mold, the lower part of a mold and the upper part of a sand mold.

Kokillengussstücke sind wie auch Sandgussstücke uneingeschränkt wärmebehandlungsfähig, schweißgeeignet und dekorativ anodisch oxidierbar, wenn die hierfür geeigneten Legierungen gewählt werden.Chill castings, as well as sand castings, are fully heat-treatable, weldable and decorative anodically oxidizable, if the alloys suitable for this purpose are chosen.

Beim Standard-Kokillengießverfahren erfolgt die Formfüllung mittels Schwerkraft und überwiegend im steigenden Guss, das heißt die Schmelze wird durch einen Einguss gefüllt, fließt dann über einen Lauf, der unterhalb und gegebenenfalls seitlich des eigentlichen Gussstücks angeordnet ist, über den Anschnitt oder die Anschnitte in den Formhohlraum. Damit wird die Form von unten nach oben steigend gefüllt.In the standard Kokillengießverfahren the mold filling takes place by gravity and predominantly in the rising cast, that is, the melt is filled through a sprue, then flows through a run, which is located below and possibly laterally of the actual casting over the gate or the gates in the mold cavity. This will fill the mold rising from bottom to top.

Zur Optimierung des Füllprozesses wurden alternativ zum Standard-Kokillengießverfahren weitere Verfahrensvarianten entwickelt. Bei einer Variante wird die Form über eine Drehbewegung um die Kokillenlängsachse gefüllt. Diese Variante wird als Kippkokillenguss bezeichnet. Von der Gussteilgeometrie abhängig erfolgt die Füllung direkt durch sogenannte Einlaufspeiser oder durch seitlich angeordnete Gießläufe. Schädliche Turbulenzen werden durch die Neigung der Form zu Beginn der Formfüllung vermieden. Die gelenkte Erstarrung wird parallel gefördert, da in der Regel durch jene gießtechnischen Elemente gefüllt wird, aus denen während der Erstarrung die Sättigung (Speisung) erfolgt. Mit dem Kippkokillenguss wird eine Verbesserung der Gussteilqualität erzielt, da weniger füllbedingte Einschlüsse und Poren im Gussteil, beispielsweise einem Kolben oder Kolbenteil vorliegen.To optimize the filling process, alternative process variants were developed as an alternative to the standard gravity die casting process. In one variant, the mold is filled via a rotational movement about the mold longitudinal axis. This variant is called tilting mold casting. Depending on the casting geometry, the filling takes place directly through so-called inlet feeders or through laterally arranged pouring runs. Harmful turbulence is avoided by the inclination of the mold at the beginning of mold filling. The directed solidification is conveyed in parallel, as is usually filled by those casting-technical elements from which the saturation (feed) takes place during solidification. With the tilt mold casting, an improvement of the casting quality is achieved since there are fewer fillings and pores due to filling in the casting, for example a piston or piston part.

Eine weitere Variante des Kokillengießverfahrens stellt das Niederdruck-Kokillengießverfahren dar. Während bei den zuvor beschriebenen Kokillengießverfahren die Formfüllung mittels Schwerkraft erfolgt, geschieht dies beim Niederdruck-Kokillengießverfahren durch einen geringen Überdruck von circa 0,3 bis 0,7 bar. Hierzu wird ein druckdichter Gießofen über ein Steigrohr mit der darüber angeordneten Kokille verbunden. Durch eine Erhöhung des Drucks steigt der Metallspiegel durch das Steigrohr von unten in den Formhohlraum. Somit wird eine ruhige Formfüllung und bei geeigneter Gussstückgestalt eine gute Speisung gewährleistet. Vorteilhaft sind die mit dem Niederdruck-Kokillengießverfahren verbundene ruhige Metallzuführung und der geringe Kreislaufanteil. Bei entsprechenden Gussstücken und Seriengrößen ist auch das Niederdruck-Kokillengießverfahren weitgehend automatisierbar. Bevorzugt werden rotationssymmetrische Teile im Niederdruck-Kokillengießverfahren hergestellt, beispielsweise Kolben oder Kolbenteile.Another variant of the Kokillengießverfahrens represents the low-pressure Kokillengießverfahren. While in the previously described Kokillengießverfahren the mold filling by gravity, this is done in the low-pressure Kokillengießverfahren by a slight overpressure of about 0.3 to 0.7 bar. For this purpose, a pressure-tight casting furnace is connected via a riser pipe with the mold arranged above. By increasing the pressure, the metal mirror rises through the riser from below into the mold cavity. Thus, a quiet mold filling and a suitable casting shape ensures a good feed. Advantageous are associated with the low-pressure Kokillengießverfahren quiet metal feed and the low cycle content. With appropriate castings and series sizes, the low-pressure die casting process can also be largely automated. Preferably, rotationally symmetric parts are produced in the low-pressure Kokillengießverfahren, for example, pistons or piston parts.

Eine weitere Variante des Kokillengießverfahrens stellt das Gegendruck-Kokillengießverfahren (auch CPC-Verfahren – Counter Pressure Casting) dar. Der wesentliche Unterschied zum Niederdruck-Kokillengießverfahren besteht in der druckdichten Ausführung der Kokille. Die Kokille wird vor der Formfüllung unter Druck gesetzt (ca. 4–5 bar) und dann über einen entsprechend höher liegenden Differenzdruck gefüllt. Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass der Speisungsdruck gegenüber dem Niederdruck-Kokillengießverfahren erhöht ist, wodurch sich ein porenärmeres Gefüge und damit bessere mechanische Eigenschaften erzeugen lassen. Der verfahrenstechnische Aufwand ist jedoch höher und dementsprechend auch die Gussstückkosten.Another variant of Kokillengießverfahrens represents the counter-pressure Kokillengießverfahren (also CPC method - Counter Pressure Casting). The main difference to the low-pressure Kokillengießverfahren consists in the pressure-tight design of the mold. The mold is pressurized before mold filling (about 4-5 bar) and then filled with a correspondingly higher differential pressure. The advantage of the method is that the feed pressure is increased compared to the low-pressure Kokillengießverfahren, which can produce a pore-poorer structure and thus better mechanical properties. However, the procedural effort is higher and therefore also the casting costs.

Bei mehrteiligen Kolben können alle in einem Gießverfahren hergestellten Kolbenteile mit einem in einem Schmiedeverfahren hergestellten Kolbenteil kraft-, form- und/oder stoffschlüssig gefügt werden. Zu den Gießverfahren zählen insbesondere auf verlorenen Formen basierende Gießverfahren sowie auf Dauerformen basierende Gießverfahren.In the case of multi-part pistons, all piston parts produced in a casting process can be positively, positively and / or materially joined with a piston part produced in a forging process. Casting methods include, in particular, lost mold based casting processes and permanent casting methods.

Zu den auf verlorenen Formen (Lost-Form-Verfahren) basierenden gehören insbesondere die auf verlorenen Modellen basierenden Lost-Foam-Verfahren und Feinguss-Verfahren sowie die auf Dauermodellen basierenden Sandgussverfahren.Lost-Form methods include Lost-Foam and investment casting based on lost models as well as continuous casting sand casting methods.

Zu den auf Dauerformen basierenden Gießverfahren zählen insbesondere alle Varianten des Kokillengießverfahrens sowie alle Varianten des Druckgussverfahrens.In particular, all variants of the mold casting process and all variants of the die casting process are among the casting molds based on permanent molds.

Auch können Kolbenteile erzeugt mit verschiedenen Gießverfahren kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander zu einem Kolben für Brennkraftmaschinen gefügt werden.Also piston parts can be produced with different casting process force, form and / or cohesively joined together to form a piston for internal combustion engines.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen ein oder mehrteiliger Kolben aus Metall oder einer Metalllegierung für eine Brennkraftmaschine herzustellen, wobei der Kolben oder mindestens ein Kolbenteil in einem Gießverfahren basierend auf einer verlorenen Form oder in einem Gießverfahren basierend auf einer Dauerform hergestellt ist.According to the invention is provided one or more parts piston made of metal or a A metal alloy for an internal combustion engine, wherein the piston or at least one piston part is produced in a casting process based on a lost mold or in a casting process based on a permanent mold.

Der Einsatz von Gießverfahren ermöglicht die flexible Reaktion auf Markt- bzw. Kundenanforderungen. Selbst Kleinserien können somit wirtschaftlich hergestellt werden. Änderungen in der Serie sind zeitnah und mit vertretbarem Aufwand möglich. Je nach Gießverfahren ist eine Losgröße eins möglich.The use of casting processes enables the flexible response to market or customer requirements. Even small batches can thus be produced economically. Changes in the series are possible in a timely manner and with reasonable effort. Depending on the casting process, a batch size of one is possible.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens ein im Gießverfahren hergestelltes Kolbenteil mit mindestens einem in einem Schmiedeverfahren hergestellten Kolbenteil kraft-, form- und/oder stoffschlüssig gefügt ist.Furthermore, it is provided according to the invention that at least one piston part produced in the casting process is positively, positively and / or materially joined with at least one piston part produced in a forging process.

Bei der Kombination von im Gießverfahren hergestellten Kolbenteilen mit in Schmiedeverfahren hergestellten Kolbenbauteilen sind die Vorteile beider Verfahren für einen Kolben nutzbar. Ein Basisteil an dem wenige Änderungen innerhalb einer Serie zu erwarten sind kann beispielsweise im Schmiedeverfahren gefertigt werden.When combining piston parts produced by the casting process with piston components produced by forging processes, the advantages of both methods can be utilized for a piston. A base part on which few changes can be expected within a series can be produced, for example, in the forging process.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben oder mindestens ein Kolbenteil im Lost-Form-Verfahren hergestellt ist.Furthermore, it is provided according to the invention that the piston or at least one piston part is produced in the lost-mold process.

Lost-Form-Verfahren bieten eine hohe Fiexibilität bei der Gestaltung der Form. Sie bieten daher bei der Herstellung von Kolben für Kleinserien und Versuche große Vorteile.Lost-form methods offer a high degree of flexibility in shaping the shape. They therefore offer great advantages in the production of pistons for small series and experiments.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass er Kolben oder mindestens ein Kolbenteil im Kokillengießverfahren hergestellt ist.Furthermore, it is provided according to the invention that it piston or at least one piston part is manufactured by Kokillengießverfahren.

Kokillengißverfahren ermöglichen größere Stückzahlen mit einer hohen Präzision zu gießen.Die casting methods enable larger quantities to be cast with high precision.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Lost-Form-Verfahren ein Lost-Foam-Verfahren ist.Furthermore, it is provided according to the invention that the lost-mold method is a lost-foam method.

Das auf bevorzugt Polystyrolschäumen basierende Lost-Foam-Verfahren ermöglicht kostengünstig einzelne Kolben oder Kolbenteile anzufertigen.The preferred based on polystyrene foams Lost Foam method allows cost to manufacture individual pistons or piston parts.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Lost-Form-Verfahren ein Sandgießverfahren ist.Furthermore, it is provided according to the invention that the lost-mold method is a sand casting method.

Auch Sandgießverfahren ermöglichen die Herstellung kleiner Stückzahlen bzw. die Herstellung von Kleinserien.Also Sandgießverfahren allow the production of small quantities or the production of small batches.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Gussunterteil mit einem Schmiedeoberteil kraft-, form- und/oder stoffschlüssig zusammengefügt ist.Furthermore, it is provided according to the invention that a casting lower part with a forging upper part is positively, positively and / or materially joined together.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Schmiedeunterteilunterteil mit einem Gussoberteil kraft-, form- und/oder stoffschlüssig zusammengefügt ist.Furthermore, it is provided according to the invention that a forged lower part base with a cast shell is force, form and / or materially joined together.

Die Kombination von Schmiedeteilen und Gussteilen an Kolben ermöglicht, die Vorteile des jeweiligen Fertigungsverfahrens zu nutzen. Schmiedeverfahren eignen sich für die Kolbenteile die innerhalb einer Serie bevorzugt keiner Änderung unterliegen. Auch ist die Nachbearbeitung von Schmiedeteilen häufig aufwendiger.The combination of forgings and castings on pistons allows to take advantage of the particular manufacturing process. Forging processes are suitable for the piston parts which are preferably subject to no change within a series. Also, the post-processing of forgings is often more expensive.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben oder ein Kolbenteil, insbesondere das Gussunterteil oder das Gussoberteil, mindestens teilweise im horizontalen Lost-Form-Gussverfahren hergestellt ist.Furthermore, it is provided according to the invention that the piston or a piston part, in particular the casting lower part or the casting shell, at least partially produced in the horizontal lost-mold casting process.

Der Einsatz des horizontalen Lost-Form-Gussverfahrens bietet Vorteile aufgrund der Geometrie der Kolben bzw. Kolbenteile.The use of the horizontal lost-mold casting process offers advantages due to the geometry of the pistons or piston parts.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens oder Kolbenteiles für einen Kolben für Brennkraftmaschinen vorgesehen, umfassend die folgenden Schritte:

  • a) Herstellung eines verloren Modells oder Dauermodells des Kolbens oder Kolbenteils
  • b) Einformen des verloren Modells oder Dauermodells eines Kolbens oder Kolbenteils
  • c) Füllen der Form mit Metallschmelze
  • d) Entnahme der Kolben oder Kolbenteile
According to the invention, a method is provided for producing a piston or piston part for a piston for internal combustion engines, comprising the following steps:
  • a) Preparation of a lost model or permanent model of the piston or piston part
  • b) molding the lost model or permanent model of a piston or piston part
  • c) filling the mold with molten metal
  • d) removal of the pistons or piston parts

Die Kosten für die Herstellung einer einzelnen Form bzw. Modells sind bei Lost-Form-Verfahren gegenüber anderen Gießverfahren gering. Im Sinne eine kontinuierlichen Verbesserungsprozesses können Änderungen am Kolbendesign kurzfristig in die Serie übernommen werden.The cost of producing a single mold or model is low in lost-mold processes over other casting processes. In the sense of a continuous improvement process, changes to the piston design can be transferred to the series at short notice.

Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Lost-Foam-Verfahren mit den folgenden Schritten vorgesehen:

  • a) Modellherstellung mit den Teilschritten
  • a1) Vorschäumen und
  • a2) Fertigschäumen
  • b) optionale Modellmontage
  • c) Schlichten
  • d) Einformen und Gießen
  • e) Entnahme der Kolben oder Kolbenteile
Furthermore, according to the invention, a lost-foam method is provided with the following steps:
  • a) Modeling with the sub-steps
  • a1) Prefoaming and
  • a2) ready foaming
  • b) optional model assembly
  • c) sizing
  • d) molding and casting
  • e) Removing the pistons or piston parts

Das Lost-Foam-Verfahren bietet die Möglichkeit kostengünstig präzise Modelle bzw. Formen zu erstellen. Änderungen an der Kolbengestaltung können kurzfristig in die Serienproduktion übernommen werden.The Lost-Foam process offers the possibility to create precise models or shapes cost-effectively. Changes to the piston design can be taken over at short notice in series production.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (9)

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens aus Metall oder einer Metalllegierung für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kolbenteil, insbesondere der geamte Kolben, in einem Lost-Form-Verfahren hergestellt wird.Method for producing a piston made of metal or a metal alloy for an internal combustion engine, characterized in that at least one piston part, in particular the entire piston, is produced in a lost-mold process. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein im Gießverfahren hergestelltes Kolbenteil, insbesondere ein Kolbenunterteil, mit mindestens einem in einem Schmiedeverfahren hergestellten Kolbenteil, insbesondere ein Kolbenoberteil, kraft-, form- und/oder stoffschlüssig gefügt wird.Method for producing a piston according to claim 1, characterized in that at least one piston part produced in the casting process, in particular a piston lower part, with at least one piston part produced in a forging process, in particular a piston upper part, is positively, positively and / or materially joined. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben oder mindestens ein Kolbenteil im Kokillengießverfahren hergestellt wird.A method for producing a piston according to claim 1 or 2, characterized in that the piston or at least one piston part is manufactured by Kokillengießverfahren. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lost-Form-Verfahren ein Lost-Foam-Verfahren ist.A method of manufacturing a piston according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the lost-mold method is a lost-foam method. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lost-Form-Verfahren als horizontaler Lost-Form- bzw. Lost-Foam-Gussverfahren ausgeführt wird.Method for producing a piston according to one of the preceding claims, in particular according to claim 5, characterized in that the lost-mold method is carried out as a horizontal lost-mold or lost-foam casting method. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lost-Form-Verfahren ein Sandgießverfahren ist.Method for producing a piston according to one of the preceding claims, characterized in that the lost-mold method is a sand casting method. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben oder ein Kolbenteil, insbesondere das Gussunterteil oder das Gussoberteil, mindestens teilweise im horizontalen Lost-Form-Gussverfahren hergestellt ist.Method for producing a piston according to one of the preceding claims, characterized in that the piston or a piston part, in particular the cast base or the cast shell, at least partially made in the horizontal lost-cast casting process. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens oder Kolbenteiles für einen Kolben für Brennkraftmaschinen gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Herstellung eines verloren Modells oder Dauermodells des Kolbens oder Kolbenteils b) Einformen des verloren Modells oder Dauermodells eines Kolbens oder Kolbenteils c) Füllen der Form mit Metallschmelze d) Entnahme der Kolben oder KolbenteileMethod for producing a piston or piston part for a piston for internal combustion engines, characterized by the following steps: a) Preparation of a lost model or permanent model of the piston or piston part b) molding the lost model or permanent model of a piston or piston part c) filling the mold with molten metal d) removal of the pistons or piston parts Verfahren zur Herstellung eines Kolbens oder Kolbenteils nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Lost-Foam-Verfahren mit den folgenden Schritten: a) Modellherstellung mit den Teilschritten a1) Vorschäumen und a2) Fertigschäumen b) optionale Modellmontage c) Schlichten d) Einformen und Gießen e) Entnahme der Kolben oder KolbenteileA method for producing a piston or piston part according to claim 8, characterized by a lost foam method comprising the following steps: a) Modeling with the sub-steps a1) Prefoaming and a2) ready foaming b) optional model assembly c) sizing d) molding and casting e) Removing the pistons or piston parts
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