EP1620216B1 - Formstoff, formteil und verfahren zur herstellung von formteilen für eine giessform - Google Patents

Formstoff, formteil und verfahren zur herstellung von formteilen für eine giessform Download PDF

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EP1620216B1
EP1620216B1 EP04731830A EP04731830A EP1620216B1 EP 1620216 B1 EP1620216 B1 EP 1620216B1 EP 04731830 A EP04731830 A EP 04731830A EP 04731830 A EP04731830 A EP 04731830A EP 1620216 B1 EP1620216 B1 EP 1620216B1
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casting
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mould material
produced
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/16—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents
    • B22C1/18—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents
    • B22C1/186—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents contaming ammonium or metal silicates, silica sols
    • B22C1/188—Alkali metal silicates

Definitions

  • the invention relates to a molding material for the production of moldings for casting molds for casting molten metals, in particular light metal melts, such as cast aluminum melts. Moreover, the invention relates to moldings produced from such a molding material. Finally, the invention provides a method with which molded parts can be produced from molded materials according to the invention.
  • quartz sand is usually used as a raw material of molded materials from which moldings, such as casting cores, are produced for casting molds. This sand is placed in advance in a mixer and mixed with a binder. The molding material obtained by this mixture is then injected into the mold cavity defining the shape of the molding to be produced. Subsequently, the solidification of the molding takes place in the mold. If an organic binder, for example synthetic resin-based binder, is used, a chemical reaction in the molding material injected into the molding tool is brought about.
  • an organic binder for example synthetic resin-based binder
  • an inorganic for example, water-glass-based binder
  • heat is usually added to the molding material contained in the mold in order to bring about the solidification of the molded part to be produced by evaporation of the water contained in the molding material.
  • quartz sand as a raw material for the production of moldings has proven itself in many ways, especially in the field of casting of light metal materials.
  • quartz sand can be obtained inexpensively and is characterized by a simple processability and a good quality in the image of the mold elements of each mold part to be produced.
  • JP-A-06 063683 discloses the use of Chromitsend, so a quartz-free sand, as a base form stoFP for moldings of Gie ⁇ formen.
  • the object of the invention was to provide a molding material, which allows the cost-effective production of mold parts, in particular casting cores.
  • low cost manufacturable molded parts and a method should be specified, which makes it possible to produce such moldings.
  • this object is achieved in that such a molding material from a base material produced on the basis of olivine sand and a mixed with the molding base, based on Water glass produced inorganic binder is made.
  • Olivine sand is a widespread mineral that is available in large quantities at low cost.
  • molding materials which are produced according to the invention on the basis of a wholly or at least predominantly quartz-free olivine sands base material, even when properly bonded with a water glass binder from the finished casting.
  • the remaining sand retention on the casting is reduced to a minimum. In this way, even when using Moldings made of novel moldings containing a water glass binder can be guaranteed to give sanding adherence-free castings.
  • the molding material produced on the basis of quartz-free olivine sand according to the invention creates the prerequisite for cost-effective production of castings.
  • the outlay for sand removal is reduced compared with that which is obtained in the cleaning of cast parts which have been cast using molded parts produced from conventional, quartz-containing molding materials.
  • the molding material used according to the invention can consist entirely of quartz-free olivine sand.
  • One of the requirements of practice particularly well fulfilling molding composition is characterized in that it contains 1.5 to 3.0 wt .-% water glass.
  • To improve the sand life of the molding material of the invention may contain 0.3 to 0.5 wt .-% sodium hydroxide solution.
  • a molded part according to the invention for casting molds which is in particular a casting core, is produced from a molding material according to the invention.
  • the advantageous effects achieved by using a molding material system based on the mixture of quartz-free sands and an inorganic water glass binder in the casting of light metal melts are independent of the process by which the respective molded parts, in particular casting cores, have been produced.
  • moldings which are produced by mixing quartz-free sands according to the invention, in particular olivine sand precursors, with an inorganic binder can reliably produce molded parts which not only have a particularly high strength and image fidelity, but moreover have the property of to disintegrate without adhesion during the production of the castings. Decay promoting additives in the binder system are no longer required. Therefore, in the application of the invention, environmental stresses and hazards to the operator are avoided by escaping gases whose formation and unwanted spread can be minimized in conventional manufacturing only with great technical effort.
  • the temperature of the molding box in the first stage of solidification should be 150 ° C to 200 ° C.
  • the complete curing of the molding then adjusts safely when the exposure time of the microwave heating in the second phase of solidification is 2 - 5 minutes.
  • the respective exposure time can be adjusted taking into account the complexity of the shaping so that at the end of the microwave treatment sufficient for the casting process final strength and dryness of the molding is guaranteed.
  • a molding material has subsequently been produced by mixing the molding material with a waterglass binder.
  • a proportion of sodium hydroxide solution has been added to the molding base to improve its durability.
  • the mold base material thus composed contained 2.5% by weight of waterglass binder, 0.3% by weight of sodium hydroxide solution and the remainder the molding base material of the above-described composition.
  • This molding material has been placed in the cavity of a preheated molding box which images the finished casting core. Due to the excellent flowability of the molding material while difficult-shaped, small-part mold elements of the cavity have been filled safely. This secure mold filling has also been supported by the fact that the mold box has already been subjected to negative pressure during the filling process. The negative pressure was 0.3 bar.
  • the temperature of the mold box was 180 ° C when filling the molding material. At this temperature, after completion of the filling operation in the molding box, the molding material has been held for 30 seconds with still effective negative pressure. At this time formed in the area of the inner walls of the Mold box adjacent areas of the molding material, a solid outer shell. In this way, at the end of the completed in the mold box first stage of solidification, a molding was available, the strength was sufficient to be able to safely transport it in a microwave oven can.
  • the molded article In the microwave oven, the molded article has been microwave heated for 3 minutes until it has reached a final strength sufficient for the casting insert.
  • the casting core thus produced has then been placed in a casting mold, in which subsequently the melt produced from the aluminum casting alloy has been cast to the cylinder head to be produced.
  • the casting core is automatically disintegrated into many small fragments due to the temperature influence of the casting heat and its due to the solidification of the casting mechanical stress, which could be easily removed after complete solidification of the casting.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Formstoff für die Herstellung von Formteilen für Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung aus einem derartigen Formgrundstoff erzeugte Formteile. Schließlich stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sich aus erfindungsgemäßen Formstoffen Formteile herstellen lassen.
  • Als Grundstoff von Formstoffen, aus denen Formteile, wie Gießkerne, für Gießformen hergestellt werden, wird üblicherweise Quarzsand verwendet. Dieser Sand wird im Vorfeld in einen Mischer gegeben und darin mit einem Binder vermischt. Der durch diese Mischung erhaltene Formstoff wird dann in den die Form des zu erzeugenden Formteils bestimmenden Hohlraum eines Formwerkzeugs eingeschossen. Anschließend erfolgt die Verfestigung des Formteils in dem Formwerkzeug. Wird ein organischer, beispielsweise kunstharzbasierter Binder eingesetzt, wird dazu eine chemische Reaktion in dem in das Formwerkzeug eingeschossenen Formstoff hervorgerufen. Wird dagegen ein anorganischer, beispielsweise wasserglasbasierter Binder verwendet, so wird im Regelfall dem im Formwerkzeug enthaltenen Formstoff Wärme zugeführt, um durch Verdampfung des im Formstoff enthaltenen Wassers die Verfestigung des zu erzeugenden Formteils herbeizuführen. Es ist jedoch auch möglich, den Wasserglas enthaltenden Formstoff durch eine Begasung mit CO2-Gas chemisch zu härten.
  • Die Verwendung von Quarzsand als Grundstoff für die Herstellung von Gießformteilen hat sich insbesondere im Bereich des Vergießens von Leichtmetallwerkstoffen in mehrfacher Hinsicht bewährt. So lässt sich derartiger Quarzsand kostengünstig beschaffen und zeichnet sich durch eine einfache Verarbeitbarkeit und eine gute Qualität bei der Abbildung der Formelemente des jeweils zu erzeugenden Gießformteils aus.
  • Bei Verwendung eines Formstoffs mit Quarzsand als Grundstoff, der einen auf Wasserglas basierenden Binder enthält, steht diesen Vorteilen allerdings der Nachteil gegenüber, dass an den von den Formteilen abgebildeten Gussteiloberflächen Sandanhaftungen verbleiben. Diese Anhaftungen können nur entfernt werden, indem die Gussteile in einem separaten Bearbeitungsprozess beispielsweise mit einem Strahlgut gestrahlt oder mit Druckwasser gereinigt werden.
  • Der Bearbeitungsaufwand und damit einhergehend die Kosten der Herstellung von Gussteilen steigt durch die Notwendigkeit der Nachbearbeitung an. Dabei ist der mit der Nachbearbeitung verbundene Aufwand insbesondere dann hoch, wenn die Formteile als Gießkerne eingesetzt werden, die Innenräume des Güssteils abbilden.
  • Es ist versucht worden, den mit der Reinigung von Gussteilen verbundenen Aufwand durch den Einsatz von Formstoffen zu vermindern, deren Formgrundstoff hohe Anteile von synthetischem Mullit enthalten. Formstoffe dieser Art besitzen die Eigenschaft, im Zuge der Erstarrung im Gussteil selbsttätig zu zerfallen, so dass sie nach abgeschlossener Gussteilerstarrung einfach entfernt werden können. Allerdings führen die dazu erforderlichen Mengen an Mullit zu hohen Kosten des Formgrundstoffs. JP-A-06 063683 offenbart die Verwendung von Chromitsend, also einen quartzfreien Sand, als Basis form stoFP für Formteile von Gieβformen.
  • Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, einen Formstoff zu nennen, der die kostengünstige Herstellung von Gießformteilen, insbesondere Gießkernen, ermöglicht. Darüber hinaus sollten kostengünstig herstellbare Formteile und ein Verfahren angegeben werden, das es ermöglicht, derartige Formteile zu erzeugen.
  • In Bezug auf den Formstoff für Formteile von Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein solcher Formstoff aus einem auf Basis von Olivin-Sand erzeugten Formgrundstoff und einem mit dem Formgrundstoff vermischten, auf Basis von Wasserglas erzeugten anorganischen Binder hergestellt ist.
  • Olivin-Sand ist ein weitverbreitetes Mineral das in großen Mengen kostengünstig erhältlich ist.
  • Überraschend hat es sich gezeigt, dass Formstoffe, die erfindungsgemäß auf Grundlage eines ganz oder zumindest zum weitaus überwiegenden Teil aus quarzfreien Olivin Sanden bestehenden Basisstoffes hergestellt werden, sich vom fertigen Gussteil auch dann einwandfrei ablösen, wenn sie mit einem Wasserglasbinder gebunden sind. Dabei sind die am Gussteil verbleibenden Sandhaftungen auf ein Minimum reduziert. Auf diese Weise kann auch bei Verwendung von Formteilen, die aus erfindungsgemäßen, einen Wasserglasbinder enthaltenden Formstoffen hergestellt sind, garantiert werden, dass sandanhaftungsfreie Gussteile erhalten werden.
  • Der erfindungsgemäße, auf Grundlage von quarzfreiem Olivin Sand, erzeugte Formstoff schafft die Vorraussetzung für eine kostengünstige Herstellung von Gussteilen. So ist bei Verwendung erfindungsgemäßer Formstoffe der Aufwand für die Sandentfernung gegenüber demjenigen Aufwand verringert, der bei der Reinigung von Gussteilen anfällt, die unter Verwendung von aus herkömmlichen, quarzhaltigen Formstoffen erzeugten Formteilen gegossen worden sind.
  • Grundsätzlich kann der erfindungsgemäß verwendete Formgrundstoff vollständig aus quarzfreiem Olivin Sand bestehen. Um jedoch neben der Anhaftungsfreiheit auch eine besonders einfache Entfernung der Formteile vom fertig erstarrten Gussteil zu gewährleisten, ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung möglich, dem Formgrundstoff einen Anteil an synthetischem Mullit zuzugeben. Dieser mit dem Hauptbestandteil quarzfreier Olivin-Sand vermischte Mullitanteil unterstützt den selbsttätigen, im Zuge der Erstarrung des Gießbauteils einsetzenden Zerfall der auf Basis des erfindungsgemäßen Formgrundstoffs erzeugten Formteile. Dies erweist sich als besonders günstig, wenn es sich bei den Formteilen um Gießkerne handelt, die im fertigen Gusstück Hohlräume abbilden.
  • Die durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Formstoffen erreichten positiven Wirkungen stellen sich bei allen gängigen Wassergläsern ein. Dies gilt insbesondere für solche Wassergläser, die ein Modul von 3,3 - 2 aufweisen.
  • Eine die Anforderungen der Praxis besonders gut erfüllende Formstoffzusammensetzung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass sie jeweils 1,5 - 3,0 Gew.-% Wasserglas enthält.
  • Zur Verbesserung der Sandlebenszeit kann der erfindungsgemäße Formstoff 0,3 - 0,5 Gew.-% Natronlauge enthalten.
  • In Bezug auf das Formteil wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Formteil für Gießformen, bei dem es sich insbesondere um einen Gießkern handelt, aus einem erfindungsgemäßen Formstoff hergestellt ist.
  • Grundsätzlich stellen sich die durch Verwendung eines auf der Mischung von quarzfreien Sanden und einem anorganischen Wasserglasbinder basierenden Formstoffsystem beim Abguss von Leichtmetallschmelzen erreichten vorteilhaften Effekte unabhängig davon ein, nach welchem Verfahren die jeweiligen Formteile, insbesondere Gießkerne, hergestellt worden sind.
  • Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich das so genannte "Anorganische Warmbox Verfahren" für diesen Zweck besonders eignet. Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe in Bezug auf das Verfahren zum Herstellen eines Formteils für Gießformen, insbesondere zur Herstellung von Gießkernen, dementsprechend dadurch gelöst, dass folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden:
    • Herstellen eines erfindungsgemäßen Formstoffs,
    • Einfüllen des Formstoffs in einen das Formteil abbildenden Hohlraum eines temperierten Formkasten,
    • Verfestigen des Formstoffs in zwei Phasen,
    • wobei in der ersten Verfestigungsphase der Formstoff in dem temperierten Formkasten gehalten wird, bis eine abriebfeste Randschale des Formteils entstanden ist, und
    • wobei das Formteil anschließend aus dem Formkasten entnommen und unter Einwirkung einer Mikrowellenheizung fertig ausgehärtet wird.
  • Mit dieser Vorgehensweise lassen sich aus Formstoffen, die durch Mischen von erfindungsgemäß quarzfreien Sanden, insbesondere Olivinsand-Grundstoffen, mit einem anorganischen Binder hergestellt sind, zuverlässig Formteile fertigen, die nicht nur eine besonders hohe Festigkeit und Abbildungstreue besitzen, sondern darüber hinaus die Eigenschaft haben, bei der Herstellung der Gussteile anhaftungsfrei zu zerfallen. Zerfallsfördernde Zusätze im Bindersystem sind nicht mehr erforderlich. Daher werden bei der Anwendung der Erfindung Belastungen der Umwelt und Gefährdungen der Bedienpersonen durch entweichende Gase vermieden, deren Entstehung und ungewollte Verbreitung bei konventioneller Fertigungsweise nur mit großem technischen Aufwand minimiert werden können.
  • Die Ausbildung der festen, den Weitertransport in den Mikrowellenofen ermöglichenden Außenschale kann dadurch unterstützt werden, dass der Formstoff während der ersten Phase der Verfestigung unter Unterdruck gehalten wird. In dieser ersten Phase der Verfestigung härtet der Formstoff soweit aus, dass in seinem an die Formwandungen angrenzenden Randbereich eine feste Schicht entsteht, die eine ausreichende Formstabilität des Formstoffs beim nächsten Fertigungsschritt gewährleistet.
  • Abhängig von der Komplexität der Formgebung des jeweils herzustellenden Formteils sollte die Temperatur des Formkastens in der ersten Phase der Verfestigung 150 °C bis 200 °C betragen. Bei Einhaltung dieses Temperaturbereichs während der Bildung des festen Randbereichs der Formteile lassen sich auch solche Gießkerne sicher herstellen, die stark variierende Durchmesserverläufe oder stark ungleichförmige Massenverteilungen aufweisen.
  • Es hat sich gezeigt, dass sich bei geeigneter Temperaturwahl eine für die Weiterverarbeitung ausreichend beständige Außenschale des Formteils schon dann einstellt, wenn die erste Phase der Verfestigung 10 s bis 50 s dauert.
  • Die vollständige Aushärtung des Formteils stellt sich anschließend sicher ein, wenn die Einwirkzeit der Mikrowellenheizung in der zweiten Phase der Verfestigung 2 - 5 Minuten beträgt. Innerhalb dieser Zeitspanne kann die jeweilige Einwirkdauer unter Berücksichtigung der Komplexität der Formgebung so eingestellt werden, dass am Ende der Mikrowellenbehandlung eine für den Abgussprozess ausreichende Endfestigkeit und Trockenheit des Formteils gewährleistet ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Zur Herstellung eines für den Guss eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgusslegierung bestimmten Gießkerns ist zunächst ein Formgrundstoff erzeugt worden, der vollständig aus Olivin-Sanden bestand.
  • Aus diesem Formgrundstoff ist anschließend ein Formstoff erzeugt worden, indem der Formgrundstoff mit einem Wasserglasbinder vermengt worden ist. Zusätzlich ist dem Formgrundstoff ein Anteil Natronlauge zur Verbesserung seiner Haltbarkeit zugegeben worden. Der so zusammengestellte Formgrundstoff enthielt 2,5 Gew.-% Wasserglasbinder, 0,3 Gew.-% Natronlauge und als Rest Formgrundstoff mit der voranstehend erläuterten Zusammensetzung.
  • Dieser Formstoff ist in den den fertigen Gießkern abbildenden Hohlraum eines vorgewärmten Formkastens gegeben worden. Aufgrund der ausgezeichneten Fließfähigkeit des Formstoffs sind dabei auch schwierig geformte, kleinteilige Formelemente des Hohlraums sicher gefüllt worden. Diese sichere Formfüllung ist zudem dadurch unterstützt worden, dass der Formkasten schon während des Füllvorgangs mit Unterdruck beaufschlagt wurde. Der Unterdruck betrug 0,3 bar.
  • Die Temperatur des Formkastens betrug beim Einfüllen des Formstoffs 180 °C. Bei dieser Temperatur ist der Formstoff nach Beendigung des Füllvorgangs in dem Formkasten für 30 Sekunden bei nach wie vor wirksamer Unterdruckbeaufschlagung gehalten worden. In dieser Zeit bildete sich im Bereich der an die Innenwandungen des Formkastens angrenzenden Bereiche des Formstoffs eine feste Außenschale. Auf diese Weise war am Ende der im Formkasten absolvierten ersten Phase der Verfestigung ein Formteil vorhanden, dessen Festigkeit ausreichte, um es sicher in einen Mikrowellenofen transportieren zu können.
  • In dem Mikrowellenofen ist das Formteil für 3 Minuten durch Mikrowellen beheizt worden, bis es eine für den Gießeinsatz ausreichende Endfestigkeit erreicht hat.
  • Der derart erzeugte Gießkern ist dann in eine Gießform gesetzt worden, in der anschließend die aus der Aluminiumgusslegierung erzeugte Schmelze zu dem herzustellenden Zylinderkopf vergossen worden ist. Im Zuge der Erstarrung ist der Gießkern aufgrund des Temperatureinflusses der Gießwärme und seiner infolge der Erstarrung des Gussstücks eintretenden mechanischen Belastung selbsttätig in viele kleine Bruchstücke zerfallen, die nach der vollständigen Erstarrung des Gussstücks leicht entfernt werden konnten.
  • Nach dem Entfernen der Bruchstücke des Gießkerns zeigte sich, dass an den Wänden des Gussstücks, die in unmittelbaren Kontakt mit dem Gießkern gekommen waren, kein Sand mehr anhaftet. Eine nachträgliche Säuberung der durch den Gießkern abgebildeten Kanäle und Hohlräume des Zylinderkopfes war nicht mehr erforderlich.

Claims (11)

  1. Formstoff für Formteile von Gießformen zum Vergießen von Metallschmelzen, insbesondere Leichtmetallschmelzen, wie Aluminiumgussschmelzen, hergestellt aus einem auf Basis von quarzfreiem Sand erzeugten Formgrundstoff und einem mit dem Formgrundstoff vermischten, auf Basis von Wasserglas erzeugten anorganischen Binder, dadurch gekennzeichnet, dass der quarzfreie Sand Olivin ist.
  2. Formstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgrundstoff einen Anteil an synthetischem Mullit enthält.
  3. Formstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserglas ein Modul von 3,3 - 2 aufweist.
  4. Formstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 1,5 - 3,0 Gew.-% Wasserglas enthält.
  5. Formstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,3 - 0,5 Gew.-% Natronlauge enthält.
  6. Formteil für Gießformen, insbesondere Gießkerne, hergestellt aus einem gemäß einem der voranstehenden Ansprüche zusammengesetzten Formstoff.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Formteils für Gießformen, insbesondere zur Herstellung von Gießkernen, umfassend folgende Arbeitsschritte:
    - Herstellen eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 beschaffenen Formstoffs,
    - Einfüllen des Formstoffs in einen das Formteil abbildenden Hohlraum eines temperierten Formkastens,
    - Verfestigen des Formstoffs in zwei Phasen,
    - wobei in der ersten Verfestigungsphase der Formstoff in dem temperierten Formkasten gehalten wird, bis eine abriebfeste Randschale des Formteils entstanden ist, und
    - wobei das Formteil anschließend aus dem Formkasten entnommen und unter Einwirkung einer Mikrowellenheizung fertig ausgehärtet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoff während der ersten Phase der Verfestigung unter Unterdruck gehalten wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Formkastens in der ersten Phase der Verfestigung 150 - 200 °C beträgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase der Verfestigung 10 - 50 Sekunden dauert.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkungszeit der Mikrowellenheizung in der zweiten Phase der Verfestigung 2 - 5 Minuten beträgt.
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