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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Kokillengießen, insbesondere Schwerkraft-Kokillengießen, zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses, vorzugsweise im Kippgießverfahren, mit einer Gießform und mit einem Werkzeugeinsatz, der zumindest eine Kühlpinole aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein zur Verwendung des Werkzeuges bestimmtes Kokillengießverfahren.
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Ein gattungsgemäßes Kokillengießverfahren sowie ein zur Durchführung des Kokillengießverfahrens bestimmtes Werkzeug werden in der Praxis zur Herstellung von Motoren- oder Fahrzeugteilen bereits vielfach eingesetzt und zählen somit bereits aufgrund offenkundiger Vorbenutzung zum Stand der Technik.
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In der Praxis werden auf diese Weise beispielsweise Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse gefertigt, wobei eine untereutektische Aluminium-Silizium-Legierung zum Einsatz kommt. Untereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen besitzen jedoch nicht die notwendigen tribologischen Eigenschaften, um eine adäquate Zylinderlauffläche abzubilden.
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So ist beispielsweise durch die
DE 199 41 316 A1 eine Gießform für die Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses bekannt geworden, bei der ein Kühlkörper zur lokalen Ableitung von Wärme aus dem Gussmaterial vorgesehen ist, um die Lagerstege des Kurbelgehäuses einer erhöhten Wärmeableitung zu unterziehen. Das erstarrende Aluminium weist in diesen Bereichen schnellerer Abkühlung eine erhöhte Festigkeit auf, wodurch das Zylinderkurbelgehäuse im Bereich der Kurbelwellenlagersitze stärker beansprucht werden kann.
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Außerdem offenbart die
EP 2 606 995 A2 ein Verfahren zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses, bei dem die Metallschmelze, insbesondere eine Aluminiumschmelze, von unten nach oben strömt, indem die Schmelze im Ofen mit Druckluft beaufschlagt wird, um so die Schmelze von unten in ein Steigrohr zu fördern. Die Schmelze gelangt zunächst nur in den die späteren Zylindermantelflächen abbildenden Teil des Formhohlraumes und erst dann auch in den oberen, das spätere Zylinderkurbelgehäuse mit den Lagerstühlen für die Kurbelwellenlager abbildenden Teil der Gießform. Als Formkerne für die späteren Zylinder dienen flüssigkeitsgekühlte, axial bewegliche Pinolen, deren Kühlung durch ein flüssiges Kühlmedium im Inneren der Pinolen erreicht wird.
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Eine besondere Bedeutung kommt dabei den späteren Laufflächen für die Kolben innerhalb der Zylinder zu, die einer besonders starken Beanspruchung unterworfen sind. Aus diesem Grunde werden in das Zylinderkurbelgehäuse Gusseisenbuchsen durch thermisches Fügen oder Gusseisenbuchsen durch Eingießen eingebracht oder es wird in nachgelagerten Arbeitsschritten eine eisenhaltige Beschichtung innerhalb der die Zylinder bildenden Wandflächen aufgebracht. Die jeweils geeigneten Maßnahmen ergeben sich vor allem aus der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine und der sich daraus ableitenden thermischen Belastung.
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Bei Brennkraftmaschinen mit höheren spezifischen Leistungen wird das Zylinderkurbelgehäuse einer größeren thermischen Belastung ausgesetzt. In diesem Bereich kommen die Vorteile einer Zylinderlaufflächenbeschichtung, die bessere Wärmeleitung aus dem Zylinderkurbelgehäuse, zum Tragen.
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Beschichtungsfähige Zylinderkurbelgehäuse müssen ein porenarmes Gefüge und hohe mechanische Kennwerte über die komplette Höhe der Zylinderbohrungen besitzen. Damit diese Forderungen erfüllt werden können, müssen die Zylinderbohrungen während des Gießens gekühlt werden. Hierfür eignen sich wassergekühlte Stahlpinolen. Im Vergleich zu eingegossenen Zylinderlaufbuchsen ist das Aufbringen einer Zylinderlaufflächenbeschichtung mit höherem Aufwand verbunden, sodass die Anwendung des Verfahrens derzeit vorwiegend auf Brennkraftmaschinen mit höheren spezifischen Leistungen beschränkt ist.
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Das Eingießen von Gusseisenbuchsen wird derzeit beim Druckgießen sowie bei Niederdruckkokillengieß- und Kernpaket-Verfahren eingesetzt, nicht jedoch im Schwerkraftkokillengießen.
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Aus der
DE 10 2005 018 200 A1 ist eine Druckgießanlage zum Druckgießen von Zylinderkurbelgehäusen aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bekannt, die eine Druckgussform mit als Metallpinolen ausgebildeten durchlaufgekühlten Zylinderkernen umfasst. Jede Pinole kann einen individuell regelbaren Kühlmitteldurchfluss oder eine Kühlmitteltemperatur aufweisen.
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Aus der
DE 198 20 976 A1 ist die Herstellung eines Kurbelgehäuses mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bekannt. Die Zylinderlaufbuchsen werden in ein Kurbelgehäuse im Druckgießverfahren eingegossen, wobei die Arbeitstemperatur im thixotropischen Temperaturbereich der übereutektischen Legierung liegt. Hierbei ist eine sehr schnelle Abkühlung vorgesehen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zum Kokillengießen der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass die Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen für Brennkraftmaschinen mit niedrigen oder hohen spezifischen Leistungen mit geringem Aufwand und geringen technologischen Anpassungen ermöglicht wird. Insbesondere soll so ohne großen Mehraufwand das Fertigen von Zylinderkurbelgehäusen mit beiden Zylinder-Laufflächen-Arten ermöglicht werden. Weiterhin soll ein zum Einsatz des Werkzeuges bestimmtes Kokillengießverfahren geschaffen werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Werkzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß umfasst das Werkzeug neben dem zumindest eine Kühlpinole aufweisenden ersten Werkzeugeinsatzes weiterhin einen zumindest eine Heizvorrichtung aufweisenden zweiten Werkzeugeinsatz, wobei die Werkzeugeinsätze wahlweise bzw. alternativ in die Gießform einsetzbar ausgeführt sind. Durch das erfindungsgemäße Werkzeug mit den beiden Werkzeugeinsätzen wird erstmals das Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses ermöglicht, mit dem sowohl Zylinderlaufbuchsen eingegossen werden können als auch Laufflächen in Zylinder-Bohrungen, für die ein porenarmes Gussgefüge wesentlich ist, erzeugt werden, auf die eine Zylinderlaufflächenbeschichtung aufgebracht werden kann. Dies ermöglicht eine Anpassung der Laufflächentechnologie an die Leistungsdaten der jeweils herzustellenden Brennkraftmaschine und der damit verbundenen Anforderungen an die Zylinderkurbelgehäuse, insbesondere der Zylinderlaufflächen, ohne dass hierzu eine grundsätzlich geänderte Konstruktion oder ein anderer Fertigungsprozess des Zylinderkurbelgehäuses erforderlich ist. Weiterhin werden hierzu auch keine geänderten Werkzeuge benötigt. Vielmehr können so auf der Basis eines Zylinderkurbelgehäuses Brennkraftmaschinen mit sehr unterschiedlichen Leistungsdaten und der entsprechend bevorzugten Zylinderlauffläche (eingegossene Gusseisen-Buchse und/oder Beschichtung) aufgebaut werden. Dabei eignet sich das Werkzeug gleichermaßen zur Anwendung im Schwerkraftkokillengießen – insbesondere dem Kippkokillengießen – wie auch bei weiteren, zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen bereits üblichen Gießverfahren, insbesondere also sowohl beim statischen als auch beim dynamischen Gießen.
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Durch die Erwärmung der Zylinderlaufbuchsen mittels des zweiten Werkzeugeinsatzes wird erreicht, dass die Schmelze, vorzugsweise eine Aluminium-Silizium-Legierung, nicht vorzeitig erstarrt und sich gut an die gegebenenfalls außenseitig strukturierte Oberfläche der Zylinderlaufbuchse anlegt oder sich mit einer auf der Buchse aufgebrachten Beschichtung verbindet.
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Der die Kühlpinole aufweisende erste Werkzeugeinsatz umfasst vorzugsweise aktiv gekühlte Stahlpinolen, die insbesondere von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbar sind. Die Kühlpinolen bewirken ein rasches Erstarren der Schmelze. Durch die somit verbesserten Erstarrungsbedingungen, im Vergleich zu dem beim Stand der Technik üblichen Gießen gegen Sandkerne, stellt sich ein feineres und porenärmeres Gefüge ein.
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Hierbei sind die Werkzeugeinsätze an einer Grundplatte des Werkzeuges austauschbar oder beweglich bzw. unbeweglich fixiert, sodass dass das Werkzeug beispielsweise in die jeweilige, von dem gewünschten Werkzeugeinsatz abhängige Bearbeitungsposition geschwenkt wird.
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Dabei unterscheiden sich der erste und der zweite Werkzeugeinsatz hinsichtlich ihrer Hauptaufgabe, der Kühlung einerseits und dem Aufheizen bzw. Temperieren andererseits, während die äußeren Abmessungen zumindest ähnlich sind oder je nach Einsatzgebiet auch übereinstimmend ausgeführt sein können.
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Dabei hat sich eine Ausgestaltungsform als besonders praxisgerecht erwiesen, bei der zumindest eine Heizvorrichtung eine Aufnahme als Positionierhilfe für eine in dem Zylinderraum des Zylinderkurbelgehäuses anzuordnende Zylinderlaufbuchse aufweist. Die Lagerung der Zylinderlaufbuchse mittels der auch als Positioniereinheit dienenden Aufnahme der Heizvorrichtung verringert zudem die toleranzbedingten Abweichungen, verglichen mit solchen Zylinderlaufbuchsen, die mit einer beim Stand der Technik üblichen Buchsen-Lagerung über das Kernpaket gehalten werden.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Aufnahme zur relativen Positionierung der Zylinderlaufbuchse in der Gießform einstellbar ausgeführt ist. Dadurch dient der als Aufheiz- / Temperier-Modul dienende zweite Werkzeugeinsatz sowohl der Lagerung und der relativen Positionierung und Orientierung als auch der Temperierung der Zylinderlaufbuchsen. Während der Erwärmung bis zu einem definierten Temperaturniveau der Zylinderlaufbuchsen wird beispielsweise die relative Position in der Gießform mittels einer geeigneten Sensorik überwacht und gegebenenfalls die Aufnahme entsprechend nachgeführt. Hierdurch wird ein erfolgreiches Eingießen der Zylinderlaufbuchsen ermöglicht.
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Die Wärmezuführung kann mittels an sich bekannter Wärmequellen erfolgen. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die Heizvorrichtung zumindest eine Induktionsspule, einen Porenbrenner und/oder einen Wärmestrahler beispielsweise im nah-infrarotem Lichtspektrum aufweist, sodass ein unmittelbarer Kontakt der Heizvorrichtung durch die berührungslose Erwärmung der Zylinderlaufbuchsen entbehrlich ist. Die Zylinderlaufbuchsen werden somit lediglich in der hierzu geeigneten Aufnahme gehalten.
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Weiterhin hat sich bereits eine Abwandlung als besonders praxisgerecht erwiesen, bei welcher das Werkzeug eine an dem Zylinderkopf, insbesondere dem Topdeck, des Zylinderkurbelgehäuses anlegbare Grundplatte aufweist. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Kokille für ein Zylinderkurbelgehäuse zum Schwerkraftkokillengießen aus der Grundplatte und jeweils zwei Seiten- und Stirnschiebern aufbauen. Somit kann mit einer Kokille und entsprechend gewählten Einsätzen mit der Grundplatte ein Zylinderkurbelgehäuse gefertigt werden, welches optimal für eine Zylinderlaufflächenbeschichtung geeignet ist oder das Eingießen einer Zylinderlaufbuchse ermöglicht. Die Medienversorgung des Werkzeuges erfolgt über entsprechende Anschlüsse an der Gießmaschine.
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Das beschriebene Werkzeug mit den Werkzeugeinsätzen ist für alle Gießverfahren denkbar. Dabei kommt es nicht darauf an, mit welchem Druck gearbeitet wird, oder aus welchem Werkstoff das Werkzeug, die Werkzeugeinsätze oder die Grundplatte aufgebaut werden.
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Dadurch kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Abwandlung der Erfindung das Werkzeug mit dem jeweiligen Werkzeugeinsatz gemeinsam mit der Gießform für das Zylinderkurbelgehäuse verschwenkbar ausgeführt werden. Hierdurch eignet sich das Verfahren gleichermaßen für Gießprozesse, die dynamisch, beispielsweise im Kippgießverfahren, oder statisch durchgeführt werden, wobei die Erfindung bevorzugt für die Fertigung von Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen anwendbar sein soll. Insbesondere bei solchen Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug verschiedene Zylinderlaufflächentechnologien umsetzen. Mit Hilfe der Wechseleinsätze lassen sich zukünftige Zylinderkurbelgehäuse mit einer Zylinderlaufflächenbeschichtung versehen – für Brennkraftmaschinen mit vorzugsweise hohen Liter-Leistungen – und Gusseisen-Buchsen eingießen – für Brennkraftmaschinen mit vorzugsweise geringeren Liter-Leistungen.
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Die zweitgenannte Aufgabe, ein zum Einsatz des Werkzeuges bestimmtes Kokillengießverfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels eines ersten, die zumindest eine Kühlpinole aufweisenden Werkzeugeinsatzes oder eines zweiten, zumindest eine Heizvorrichtung aufweisenden Werkzeugeinsatzes des Werkzeuges, die einströmende Schmelze gekühlt oder eine in der Gießform an der Aufnahme der jeweiligen Heizvorrichtung positionierte Zylinderlaufbuchse erwärmt oder temperiert wird. Dadurch wird für alle Gießverfahren eine Anpassung der Laufflächentechnologie an die Leistungsdaten der jeweils herzustellenden Brennkraftmaschine und der damit verbundenen Anforderungen an die Zylinderkurbelgehäuse möglich, ohne dass hierzu verschiedene, zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses erforderliche Werkzeuge und damit gegebenenfalls verbundene, abweichende Bearbeitungsschritte oder ein grundlegend anderes Gießverfahren erforderlich sind. Vielmehr können so die verschiedenen Zylinderlaufflächentechnologien für Brennkraftmaschinen mit hoher oder geringer spezifischer Leistung umgesetzt werden, indem sowohl Zylinderlaufbuchsen eingegossen als auch zur Herstellung von Laufflächen geeignete Zylinderbohrungen in einem porenarmen Gussgefüge erzeugt werden können, auf die nachfolgend eine Zylinderlaufflächenbeschichtung aufgebracht wird.
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Vorzugsweise wird die Kühlung und/oder die Erwärmung bzw. Temperierung der Zylinderlaufbuchsen während der Schwenkbewegung durchgeführt, sodass die Kühl- bzw. Heizwirkung während des gesamten Gießvorganges nutzbar ist oder auch aufgrund erfasster Parameter des Gießprozesses entsprechend geregelt werden kann.
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Weiterhin hat es sich bereits als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Schwenkbewegung bis zum Erreichen einer Überkopfposition fortgesetzt wird, in welcher ein Lagerraum des Zylinderkurbelgehäuses in einer Ebene oberhalb des Zylinderkopfes positioniert ist. Für die gewünschte Beschichtungsfähigkeit der Zylinderlaufbahnen eignet sich diese Bauteillage, in welcher der Kurbelraum nach oben weist, weil in dieser Bauteillage die Formhohlräume für die späteren Zylinderlaufflächen durch Stahlpinolen abgebildet werden. Hierzu erfolgt die Orientierung vorzugsweise in einer Bauteillage der Kokille mit der Zylinderkopfseite, dem sogenannten Topdeck, auf der Grundplatte. Das Werkzeug eignet sich somit generell für alle Kokillengießverfahren. Vorzugsweise eignet sich dieses Werkzeug jedoch für ein Schwerkraftkokillengießverfahren, dessen Anwendung auch noch möglich ist, wenn die kurbelraumseitige Zugänglichkeit von oben durch Kerne, Kühleisen oder andere konstruktiven Randbedingungen blockiert ist. Dies gilt sowohl für den die Heizvorrichtung aufweisenden zweiten Werkzeugeinsatz als auch für den die Kühlpinole aufweisenden ersten Werkzeugeinsatz. Das durch Kühlung herstellbare porenarme Gefüge begünstigt den Vorbehandlungsprozess für die sich anschließende Zylinderlaufflächenbeschichtung bzw. ermöglicht eine erfolgreiche Beschichtungsvorbehandlung, beispielsweise auch durch Aktivierung der Zylinderlaufflächen als Beschichtungsvorbehandlung durch definiertes Aufrauen des Gussgefüges, sodass sich die aufgebrachte Spritzschicht mit der vorbehandelten Oberfläche optimal verklammern kann.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 ein Werkzeug mit einem eine Heizvorrichtung aufweisenden ersten Werkzeugeinsatz;
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2 das in 1 gezeigte Werkzeug mit einem eine Kühlpinole aufweisenden zweiten Werkzeugeinsatz.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug 1 zum Kokillengießen wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher erläutert. Das Werkzeug 1 dient zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses 2 im Kippgießverfahren mittels einer eine Innenwandfläche 4 aufweisenden Gießform 3 und hat eine mit dem Zylinderkurbelgehäuse 2 an dessen Topdeck 5 positionierbare Grundplatte 6. In der dargestellten Endposition nach Abschluss des Kippgießvorganges, in welcher die Gießform 3 vollständig mit der Schmelze gefüllt ist, liegt ein Lagerraum 7 des Zylinderkurbelgehäuses 2 in einer Ebene oberhalb des Topdecks 5 in einer Überkopfposition.
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Das Werkzeug 1 ist mit einem ersten, eine Kühlpinole 8 aufweisenden Werkzeugeinsatz 9 und einem zweiten, eine Heizvorrichtung 10 aufweisenden Werkzeugeinsatz 11 ausgestattet, wobei die Werkzeugeinsätze 9, 11 alternativ in die Gießform 3 einsetzbar ausgeführt sind und während des dynamischen Gießprozesses mit dem Topdeck 5 verbunden bleiben. Dadurch können sowohl Zylinderlaufbuchsen 12 eingegossen als auch ein Gussgefüge in den Zylinderbohrungen erzeugt werden, das für die Beschichtungsfähigkeit von entscheidender Bedeutung ist und auf die eine Zylinderlaufflächenbeschichtung aufgebracht werden kann, sodass auf der Basis desselben Zylinderkurbelgehäuses 2 sowie größtenteils identischer Werkzeuge verschiedene Brennkraftmaschinen mit sehr unterschiedlichen Leistungsdaten aufgebaut werden können.
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Wie in 1 erkennbar, ist der die Heizvorrichtung 10 aufweisende zweite Werkzeugeinsatz 11 mit einer Aufnahme 13 als Positionierhilfe für die in das Zylinderkurbelgehäuse 2 einzubringende Zylinderlaufbuchse 12 ausgestattet, die so eine einfache relative Positionierung der Zylinderlaufbuchse 12 in der Gießform 3 ermöglicht. Als Heizvorrichtung 10 zur berührungslosen Temperierung der Zylinderlaufbuchse 12 dient dabei ein Wärmestrahler.
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Die in 2 dargestellte Kühlpinole 8 ist mit einer im Bereich ihrer Wandfläche schneckenförmig bzw. U-förmig verlaufenden Kühlmittelzuführung 14 ausgestattet, durch die ein flüssiges Kühlmittel in den zu kühlenden Bereich zugeführt werden kann. Durch eine zentrale Kühlmittelrückführung 15 wird das Kühlmittel zu einer nicht gezeigten zentralen Kühlmittelversorgungseinheit zurückgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeug
- 2
- Zylinderkurbelgehäuse
- 3
- Gießform
- 4
- Innenwandfläche
- 5
- Topdeck
- 6
- Grundplatte
- 7
- Lagerraum
- 8
- Kühlpinole
- 9
- Werkzeugeinsatz
- 10
- Heizvorrichtung
- 11
- Werkzeugeinsatz
- 12
- Zylinderlaufbuchse
- 13
- Aufnahme
- 14
- Kühlmittelzuführung
- 15
- Kühlmittelrückführung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19941316 A1 [0004]
- EP 2606995 A2 [0005]
- DE 102005018200 A1 [0010]
- DE 19820976 A1 [0011]
