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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und ist mit besonderem Vorteil im Bereich der Gießereitechnik anwendbar. Besondere Vorteile kann die Erfindung auf dem Gebiet der Metallgießverfahren mit verlorenen Formen entfalten, wobei die Anwendung auf anderen Gebieten ebenfalls denkbar ist. Beispielsweise kann die Erfindung bei Beton-, Keramikschlicker- oder Kunststoffgießverfahren eingesetzt werden. Besondere Wirkung entfaltet die Erfindung bei Metallgießverfahren, sofern anorganische Bindemittel für die Herstellung der Formen und Kerne eingesetzt werden.
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Gießverfahren ermöglichen die Formung von Bauteilen mit sehr komplexen Formen. Hierbei ist der Einsatz von verlorenen Kernen, die jeweils nur für ein einziges Werkstück verwendet werden können, bereits bekannt. Besondere Aufmerksamkeit verdient bei der Verwendung solcher verlorenen Kerne die Entformung bzw. die Entfernung von Kernen nach dem Guss.
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Beispielsweise können Kerne im Handformverfahren, im Vertikalformverfahren (automatisiert) und durch das sogenannte Kernschießen hergestellt werden. Auch additive Fertigungsverfahren (3D-Druck) werden inzwischen als Fertigungsverfahren für Kerne und Gussformen diskutiert. Mit dem letztgenannten Verfahren sind sehr komplizierte Geometrien realisierbar. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 10 22 49 81 bekannt. Es ist bekannt, dass die Entkernbarkeit, d.h. die Entfernbarkeit eines Gusskerns, nach dem Gießverfahren von verschiedenen Faktoren abhängt wie dem Formgrundstoff, in vielen Fällen Sand oder ein ähnliches Granulat sowie dem Bindemittel und dem eigentlichen zu vergießenden Material. Das Bindematerial sorgt üblicherweise für die Maßhaltigkeit des Kerns beim Gießen. Es bindet den Formgrundstoff. Nach dem Gießen wird der Kern üblicherweise zerstört, indem er zerkleinert bzw. aufgelöst wird. Dabei spielt unter anderem auch eine Rolle, bei welchen Temperaturen der Gießvorgang stattgefunden hat (bei Aluminiumguss sind Gießtemperaturen um 750°C üblich, bei Eisen bei 1300°C und bei Stahl 1600°C). Hohe Temperaturen können bei Sandkernen beispielsweise zu Versinterungen führen, die den Kern stabilisieren und das Entkernen erschweren.
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Es sind verschiedene Materialsysteme für die Herstellung von Kernen bekannt, die das Entformen erleichtern sollen. Zudem hängt die Entformung von der Behandlung der Gießvorrichtung nach dem Vergießen ab. Hierzu ist beispielsweise ein Verfahren aus der
EP 1995002 B1 bekannt. Beispielsweise werden Erschütterungen der Gießvorrichtung zur Auflösung von Kernen eingesetzt.
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Hierzu ist beispielsweise das Impulshämmern bekannt, bei dem auf das Gussteil geschlagen wird, um den Kern zu brechen. Auch mittels einer starken Rüttelbewegung kann ein Kernbruch herbeigeführt und der Kern durch Schütteln aufgelöst werden.
Aus der Offenlegungsschrift
DE 102009035446A1 ist als Material für einen Giesskern ein Füllmittel bekannt, das Partikel aufweist, die trägheitsbedingt beim Rütteln eines mit dem Gießkern hergestellten Gusswerkstücks eine Zerstörung des Giesskerns bewirken und Rückstände des Gießkerns entfernen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Kerns für ein Gießverfahren sowie eine Gießvorrichtung zu schaffen, die ein leichtes und zuverlässiges Entformen eines Gusskörpers nach dem Gießvorgang ermöglichen.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung mittels Patentanspruch 1 durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kerns für ein Gießverfahren gelöst. Die Patentansprüche 2-4 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens. Die Aufgabe wird ferner durch einen Gießkern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kerns für ein Gießverfahren, bei dem in dem Material des Kerns wenigstens eine Inhomogenität bezüglich der Materialbeschaffenheit erzeugt wird, wobei in dem Material des Kerns eine vorbestimmte örtliche Verteilung eines Parameters der Materialbeschaffenheit erzeugt wird, wobei während des Aufbaus des Kerns bei einem Kernschießprozess nacheinander verschiedene Bereiche des Kerns hergestellt werden und dabei nacheinander verschiedene Materialien oder Materialzusammensetzungen für verschiedene Bereiche verwendet werden, wobei zur Herstellung des Kerns im Kernschießverfahren zunächst ein oder mehrere Festkörper mit einer auflösbaren Umhüllung versehen und in eine Kernschießbüchse eingelegt werden und danach um die eingelegten Festkörper herum der Kern geschossen wird, und wobei nach dem oder während des Aushärtens des Kerns die Umhüllung(en) des/der Festkörper durch Einwirkung einer Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur der Umhüllung liegt, oder durch die Einwirkung eines Lösungsmittels aufgelöst wird/werden.
Durch die Inhomogenität bzgl. der Materialbeschaffenheit kann gezielt eine Struktur des Kerns erzeugt werden, bei der nach dem Gießvorgang bestimmte Bereiche des Kerns gegenüber anderen Bereichen gestärkt oder geschwächt vorliegen, so dass Bereiche bestimmt werden können, die bei der gezielten Belastung früher oder später zerstört oder zersetzt werden als andere Bereiche. Dadurch lässt sich der Vorgang des Zersetzens oder der Zerstörung eines Kerns oder einer Gussform planen und später planvoll herbeiführen.
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Die örtliche oder ortsabhängige Verteilung kann dabei dreidimensionale, im Volumen ausgedehnte, sich in allen drei Raumdimensionen erstreckende Bereiche aufweisen, die einen Beschaffenheitsparameter aufweisen, der sich von der Beschaffenheit oder dem Beschaffenheitsparameter unmittelbar benachbarter Bereiche unterscheidet. Die Ausdehnung eines oder mehrerer solcher Bereiche, die sich von den jeweils benachbarten Bereichen unterscheiden, kann in allen drei Raumdimensionen beispielsweise mehr als 0,5 mm, insbesondere mehr als 1 mm betragen.
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Eine örtliche Verteilung der mechanischen Festigkeit führt dazu, dass einige Bereiche fester oder schwächer ausgebildet sind als andere, so dass beispielsweise bei einer mechanischen Impulsbelastung wie Impulshämmern oder Rütteln manche Bereiche des Kerns eher zerstört werden als andere. Ein solcher gezielt herbeiführbarer Zerfall eines Kerns in einem bestimmten Bereich kann dazu führen, dass die übrigen Bereiche nachfolgend leichter zerstörbar sind, beispielsweise dadurch, dass sie beweglich werden und dann durch weitere mechanische Belastung schnell weiter zerfallen.
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Inhomogenitäten der Materialbeschaffenheit oder einer mechanischen Eigenschaft können dabei beispielsweise Gradienten von Parametern oder eine unstetige örtliche Verteilung eines Parameters, also ein Parametersprung im Körper eines Kerns sein. Es sind jedoch auch viele andere Formen von ortsabhängigen Funktionen bei der Materialbeschaffenheitsparameter denkbar.
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Die gewünschte Verteilung der Materialbeschaffenheit kann umgekehrt auch dazu führen, dass bestimmte Bereiche eines Kerns stabiler ausgeführt werden als andere, so dass diese beim Zerfall des Kerns länger erhalten bleiben als andere Bereiche und beim Bewegen als Impulsgeber/Hammer wirken und andere Bereiche gezielt zersetzen/zerkleinern können.
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Mit dem Kernschießverfahren können inhomogene Kerne hergestellt werden. Im einfachsten Fall wird in eine Kernbüchse in einem ersten Schritt ein Sand-Binder-Gemisch geschossen. Die eingeschossene Substanzmenge ist dabei so bemessen, dass die Form/Kernbüchse nicht gefüllt wird. Danach folgt ein zweiter Schuss mit einer Mischung mit einem anderen Mengenverhältnis zwischen Sand und Binder. Danach können weitere Schüsse mit unterschiedlichem Sand-Binder-Verhältnis folgen.
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Beispielsweise können Festkörper in Form von Metallkugeln/Metallkörpern zunächst mit Wachs oder einem Schaumstoff umhüllt werden und in der Kernschießbüchse umschossen werden. Beim Abkühlen des Formsandes oder bei einer anschließenden Wärmebehandlung kann dann die jeweilige Umhüllung eingeschmolzen und abgeführt werden, so dass die Metallkörper/ -kugeln als Impulshämmer in Hohlräumen zurückbleiben. Die Umhüllung der Metallkörper kann auch durch ein Lösungsmittel aufgelöst werden. Es ist bei dem Verfahren darauf zu achten, dass die Kernmarken zur Entfernung des Formsands nach dem Gießen so bemessen sind, dass die Metallkörper durch sie hindurchpassen.
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Die Größe der Metallkörper ist zudem durch die dünnste Struktur des Gußteils bestimmt. Dabei sind Hohlraumabmessungen kleiner als 3 mm üblich, beispielsweise bei einem zu gießenden Zylinderkopf. Deshalb sind hier Schlagkörper kleiner als 2 mm sinnvoll. In anderen Fällen können die Durchmesser von Schlagkörpern auch mehr als 3 mm betragen.
Über die Zahl und Anordnung von Abluftverschlüssen in der Form kann die Geometrie der Festigkeitsverteilung beeinflusst werden.
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Es ist auch denkbar, vorgefertigte Kerne in eine Kernbüchse einzulegen und danach das Kernschießverfahren anzuwenden, so dass ein vorgefertigter Kern umschossen wird. Auch bei diesem Verfahren sind inhomogene Verteilungen der verwendeten Materialien realisierbar.
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Auch die Herstellung von hybriden Kernen unter Verwendung gänzlich unterschiedlicher Materialien ist auf diese Weise möglich, so dass nicht nur die Festigkeit ortsabhängig variiert sondern auch andere Eigenschaften des Kernmaterials inhomogen verteilt sein können.
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Beim Entformen von solchen Kernen sind dann besondere Trennverfahren für die Materialien anzuwenden, um ein umweltfreundliches Recyceln zu erlauben.
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Es kann beim Kernschießverfahren auch vorgesehen sein, dass dieses mit einem Handformverfahren oder einem Vertikalformverfahren zur Herstellung einer Form für den Kern kombiniert wird.
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Inhomogenitäten können bei den beschriebenen Herstellungsverfahren dadurch erreicht werden, dass während des Aufbaus eines Kerns nacheinander verschiedene Bereiche des Kerns hergestellt werden und dabei nacheinander verschiedene Materialien oder Materialzusammensetzungen für verschiedene Bereiche verwendet werden.
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Insbesondere ist dabei denkbar, dass während des Aufbaus eines Kerns aus einem Gemisch mehrerer Komponenten das Mengenverhältnis von wenigstens zwei Komponenten des Gemisches stetig oder sprunghaft geändert wird.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kerns auch auf einen mit dem Verfahren hergestellten Gießkern.
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Eine derartiger inhomogener Kern eröffnet Möglichkeiten zu einer einfachen und/oder zuverlässigen Entformung dadurch, dass gezielt bestimmte Bereiche des Kerns in einfacher Weise zeitlich vor anderen Bereichen destabilisiert/aufgelöst werden können, so dass eine Bewegung von Bereichen des Kerns gegeneinander oder relativ zu dem Gussteil in einfacher und zuverlässiger Form initiiert werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert.
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Dabei zeigt
- 1 eine Gießform gemäß dem Stand der Technik in einem Längsschnitt,
- 2 eine Gießform der 1 in einem Querschnitt,
- 3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Kern in einer starken Vergrößerung zur Illustration der Bindungsverhältnisse,
- 4, 5 und 6 Aspekte des Kernschießverfahrens gemäß dem Stand der Technik (4, Kernbüchse in einer Schnittdarstellung, 5, gefüllte Kernbüchse nach dem Schuss, 6, entnommener Kern),
- 7, 8 und 9 eine schematische Darstellung des Entkernens nach dem Gießvorgang,
- 10 nicht von den Ansprüchen umfasst,
- 11 nicht von den Ansprüchen umfasst
- 12, 13, 14 Längsschnitte durch Kerne, wobei die ortsabhängige Festigkeit durch die Dichte der Punktschraffur symbolisiert ist,
- 15, 16, 17 schematische Darstellungen eines Kernschießverfahrens zur Herstellung eines Kerns mit ortsabhängig variabler Festigkeit (15: Kernbüchse mit eingelegtem Vorkern, 16: Schuss, 17: Kern mit ortsabhängiger Festigkeitsverteilung),
- 18 eine Darstellung eines Kerns im Längsschnitt zur Illustration einer vorteilhaften Festigkeitsverteilung,
- 19 einen Längsschnitt eines Kerns, bei dem die Festigkeitsverteilung punktuell Bereiche mit höherer Festigkeit aufweist,
- 20 einen Längsschnitt eines Kerns mit vor dem Kernschießen eingelegten Impulsreinigungskörpern,
- 21 einen durch Kernschießen hergestellten Kern mit Festkörpern in Form von Stahlkugeln, die umhüllt sind, sowie
- 22 nicht von den Ansprüchen umfasst
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Die 1 zeigt eine Gussform 1 gemäß dem Stand der Technik mit einem Formoberkasten 101, einem Formunterkasten 102, einem Eingusstrichter 103, einem Gießlauf 104, einem Hohlraum des Gussstückes 105, einem Speiser 107 sowie einem Kern 100. Der Hohlraum 105 wird mit dem Gusswerkstoff gefüllt und nach der Erstarrung wird der Kern 100 entnommen. Eine Kernmarke des Kerns 100 ist mit 106 bezeichnet. In der 2 ist die beschriebene Ausführung im Querschnitt gezeigt.
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Die 3 zeigt in einer stark vergrößerten Darstellung einen Ausschnitt aus einem Kern, der einen granulatartigen Formstoff und einen Binder aufweist. Der Binder kann beispielsweise einen anorganischen Bindungswerkstoff enthalten, der sich bei Herstellung des Kerns verfestigt oder verfestigt wird. Mit 200 ist dabei ein Formstoffkorn bezeichnet, mit 201 eine Binderbrücke. 202 bezeichnet einen Hohlraum zwischen Formstoffkörnern, wobei die Hohlräume die Porosität des Kerns ausmachen. Mit 203 ist eine gedachte Außengrenze des Kerns bezeichnet, wobei deutlich wird, dass die Oberfläche des Kerns nicht ideal glatt ist, sondern dass durch die unregelmäßige Form der Formkörner eine Oberflächenrauigkeit gegeben ist.
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Dabei können im Oberflächenbereich gebundene Formstoffkörner wie z.B. das Randkorn 204 gegeben sein und auch lose Formstoffkörner wie beispielsweise das Randkorn 205.
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Während des Gießvorgangs ist die Oberfläche 203 des Kerns von einem Gießwerkstoff umgeben, der mit 207 bezeichnet ist.
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In der 4 ist eine Kernbüchse 300 dargestellt, die zur Herstellung eines Kerns nach dem Stand der Technik dient. In der Kernbüchse ist der Hohlraum 301 zur Akkumulation des Kernmaterials vorgesehen. Es ist ein Kanal 308 für die Zuführung von Druckluft 305, Sand-Formstoff 303 und Binder 304 zu dem Hohlraum 301 vorgesehen. Die Kanäle 306, 309, 310, 311 und 312 dienen als Abluftöffnungen zum Entweichen der Abluft. Das Material des Kerns, bestehend aus Sand-Formstoff und Binder 304 akkumuliert sich in dem Hohlraum 301 und ist in der 5 als Kern 100 in der Kernbüchse dargestellt. In der 6 ist der Kern nach der Entnahme aus der Kernbüchse gezeigt.
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Die 7 zeigt in einem Längsschnitt ein Gussteil 400, in dem ein Hohlraum vorgesehen ist, der in der Darstellung der 7 noch mit dem Kern 100 gefüllt ist. Die 8 zeigt schematisch das Aufbringen eines Impulses mittels eines Impulserzeugers 401, um eine mechanische Belastung des Kerns 100 zu dessen Zerstörung zu erzeugen. Mit 402 ist ein erster Riss im Kern bezeichnet. In der 9 sind verschiedene weitere mechanische Belastungsformen dargestellt, wobei symbolisch mit 405 eine Rotation des Gussteils und 403 das Aufbringen von Vibration symbolisiert ist. Der Bereich 404 stellt den Teil des Kerns dar, der bereits aus der Gussform ausgetreten ist, wobei sich ein Hohlraum 406 aus dem anfänglichen Riss 402 gebildet hat. 404 wird auch die „auslaufende Kernknolle“ genannt.
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Anhand der folgenden Figuren werden nun verschiedene Möglichkeiten dargestellt, eine inhomogene Festigkeitsverteilung in einem Kern für eine Gussform zu erzeugen.
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Die 12 zeigt schematisch im Längsschnitt einen Kern mit einer Punktschraffur, wobei die gleichmäßige Verteilung 500 der Punktschraffur eine homogene Festigkeitsverteilung in dem gezeigten Querschnitt darstellt. Die 13 zeigt eine Punktschraffur, die für den Randbereich 501 des Kerns eine bereichsweise höhere Festigkeit symbolisiert.
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In der 14 ist dargestellt, dass in dem Längsschnitt des Kerns 100 Bereiche 502 vorgesehen sind, die in dem gezeigten Beispiel im Inneren des Kerns von dessen Randbereich beabstandet liegen und die eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen als die diesen benachbarten Bereiche.
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Diese Festigkeitsverteilungen stellen Beispiele einer inhomogenen Festigkeitsverteilung dar, die dazu führen, dass beim Auflösen des Kerns diese Auflösung in bestimmten, determinierbaren Bereichen beginnt. Damit lässt sich die Auflösung des Kerns planen und steuern. Bestimmte Bereiche des Kerns können gezielt geschwächt werden, deren Festigkeit für den eigentlichen Gießvorgang nicht benötigt wird. Dadurch kann die Schwelle der mechanischen Beanspruchung, die angewendet werden muss, um den Kern aufzulösen, gesenkt werden. Sind erste Bereiche des Kerns dann nach dem eigentlichen Gießvorgang aufgelöst, so führt dies zu einer generellen Destabilisierung, so dass auch die übrigen Bereiche leicht aufgelöst werden können, sei es durch Aufbringen von äußeren Impulsen, durch Schütteln oder Vibration.
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Wie die 14 zeigt, können auch Bereiche innerhalb des Kerns besonders stabilisiert werden, indem ihnen eine hohe Festigkeit verliehen wird. Diese bleiben während der Auflösung des Kerns zunächst fest und können spätestens dann, wenn ein Teil des Kerns in loser Form, beispielsweise im Bereich der Kernmarken, ausgeflossen ist, zur Reinigung des Innenraums des Gussteils von Resten des Formsandes des Kerns verwendet werden. Schließlich können zum Ende auch die festen Bereiche 502, die sogenannte innere Impulshämmer bilden, aus dem Hohlraum des Gussteils entfernt werden.
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In den 15, 16, 17 ist ein Herstellvorgang für einen Kern gezeigt, der sich des Verfahrens des Kernschießens bedient, wobei eine inhomogene Gestaltung des Kerns dadurch erreicht wird, dass ein Vorkern 700 in die Kernbüchse 300 eingelegt wird. Dieser Vorkern 700 bildet einen Teil des Kerns, nachdem er mit einem zusätzlichen Material umschossen worden ist. Der umschossene Kern ist in der 16 dargestellt und mit 702 bezeichnet. Nach dem Umschießen wird der Kern 100 der Kernbüchse 300 entnommen und ist als solcher in der 17 dargestellt.
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Selbst wenn das Material, mit dem der Vorkern 700 umschossen wird, in sich homogen ist, kann der Vorkern 700 eine andere Festigkeit aufweisen als das Außenmaterial, mit dem der Vorkern umschossen worden ist. Hierdurch können Bereiche unterschiedlicher Festigkeit in dem Kern 100 hergestellt werden, so dass das Auflösen des Kerns in gezielter Weise in Bereichen geringerer Festigkeit beginnen kann. Bei der Gestaltung der Festigkeitsverteilung ist nicht nur die Materialwahl des Vorkerns 700 und des umschossenen Materials wichtig, sondern auch die geometrische Gestaltung, beispielsweise die Schichtdicke des Materials, mit dem umschossen wird oder gezieltes Einbringen von Wandschwächungen des Materials, mit dem umschossen wird. Die 18 zeigt in einem Längsschnitt einen Kern 100 mit einem Vorkern 802, der umschossen ist mit einem Material 801, das den Vorkern umhüllt und das eine höhere Festigkeit aufweist als der Vorkern 802. Gestrichelt und mit 800 bezeichnet ist eine Isolinie gleicher mechanischer Festigkeit. Dort wo die Isolinie 800 sich der Außenkontur des Kerns 100 nähert, ist das festere Material im Außenbereich des Kerns 100 im Randbereich besonders beschwächt, so dass sich dort im übertragenen Sinn eine Kerbwirkung einstellt. Dort, beispielsweise an der mit 803 bezeichneten Stelle ergeben sich Sollbruchstellen des Kerns, die hier bei mechanischer Belastung während des Entformvorganges zu ersten Brüchen führen.
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Die 19 zeigt in Längsschnitt einen Kern 100 mit einzelnen stark verfestigten Bereichen 900 in Kugelform. Diese weisen eine höhere mechanische Festigkeit auf als die übrigen Bereiche des Kerns 100 und bleiben beim Auflösen des Kerns während der Entformung besonders lange erhalten. Diese kugelförmigen Bereiche 900, die im Übrigen auch andere Formen annehmen können, wirken beim Entformen und beispielsweise bei einer Rüttel- oder Vibrationsbewegung als interne Impulshämmer, die für die Reinigung des Gussteils und die vollständige Entfernung des Kernmaterials aus einem Hohlraum des Gussteils sorgen.
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Die 20 zeigt in Längsschnitt einen Kern 100, der im Kernschießverfahren hergestellt wird, wobei in der Kernbüchse Impulsreinigungskörper 1000 fixiert sind und umschossen werden. Mit 1001 ist eine Fixiereinrichtung für die Impulsreinigungskörper bezeichnet, beispielsweise ein Draht oder eine Stange, die die Impulsreinigungskörper während des Kernschießprozesses fixiert. Diese Fixierung kann nach dem Kernschießprozess aufgehoben werden.
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Die 21 zeigt einen Kern 100 aus einem Formsandmaterial, bei dem vor dem Schießen des Kerns Festkörper in Form von Stahlkugeln 1101 in die Kernschießbüchse eingebracht und dort zum Schießen gehalten werden. Die Stahlkugeln sind jeweils mit einer Umhüllung 1102 aus einem Schaumstoff, beispielsweise Styropor, oder einem Wachs umhüllt, die thermisch, beispielsweise bei 150°C, oder durch ein chemisches Lösungsmittel zur Freilegung der Stahlkugeln aufgelöst werden können. Die Stahlkugeln dienen dann beim Herausschütteln des Kerns aus dem Gusskörper als Schlagkörper.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Verwendung einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung wird die Entformung bei Gussteilen mit Hohlräumen erleichtert, so dass auch die mechanische Beanspruchung der Gussteile im Entformungsprozess reduziert werden kann und eventuelle Nachbearbeitungen entfallen oder reduziert werden können.
