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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Gießkolbenstange für
eine Gießmaschine, insbesondere für eine Druckgießmaschine.
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Für
den Druckgießprozess werden bekanntermaßen sogenannte
Warmkammer-Druckgießmaschinen insbesondere zum Gießen
von Zink- und Magnesiumlegierungen sowie Kaltkammer-Druckgießmaschinen
insbesondere zum Gießen von Aluminium- und Magnesiumlegierungen
eingesetzt. Beim Druckgießprozess mit heutigen modernen Druckgießmaschinen
werden die Schmelzen aus Al, Zn, Mg und anderen Legierungen bzw.
Gießmaterialien mit einer einstellbaren Strömungsgeschwindigkeit
in einem Bereich von z. B. zwischen etwa 20 m/s und etwa 100 m/s
oder mehr in einer Formfüllphase innerhalb einer relativ
kurzen Formfüllzeit meist zwischen etwa 5 ms und etwa 300
ms in metallische Dauerformen gegossen. Der Druckgießprozess
läuft typischerweise in drei Phasen ab, und zwar einer Vorfüllphase,
bei der die Schmelze bevorzugt bis zum sogenannten Anschnitt gefördert
wird, der kurzen Formfüllphase und einer Nachdruckphase,
in der die Schmelze unter einem einstellbaren hohen Nachdruck von
z. B. zwischen etwa 100 bar bis etwa 1.500 bar erstarrt.
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Die
Bewegungsenergie der Schmelze zum Füllen eines in der Regel
von einer festen und einer beweglichen Formhälfte gebildeten
Formhohlraumes wird meist über hydraulische Gießeinheiten
der Druckgießmaschine aufgebracht, wobei ein entsprechendes
Gesamtsystem aus Hydraulikflüssigkeit, Hydraulikkolben,
Gießkolbenstange, Gießkolben und Schmelze mit
einstellbarer Geschwindigkeit sowohl in der Vorfüllphase
als auch in der Formfüllphase bewegt wird. In der Formfüllphase
können Systemgeschwindigkeiten von je nach Maschinentyp
mehr als 10 m/s eingestellt werden. Da die Schmelzen praktisch inkompressibel
sind, fährt der Gießkolben am Ende der Formfüllphase
unter Energie- und Impulsgesichtspunkten praktisch auf eine „feststehende Wand",
d. h. die kinetische Energie des bewegten Gesamtsystems, die proportional
zu dessen Masse multipliziert mit dem Geschwindigkeitsquadrat ist, wird
schlagartig in einen Druckimpuls und anschließend in Wärme
umgewandelt. Bei herkömmlichen Druckgießmaschinen
besteht die Gießkolbenstange üblicherweise aus
einem Stahlmaterial und hat einen erheblichen Anteil an der Gesamtmasse
des bewegten Systems.
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Die
Patentschrift
DE 199
01 868 B4 offenbart zur Verwendung in einer Druckgießmaschine
eine Gießkolbenstange, die eine mittige axiale Sackbohrung
zwecks Gewichtsreduktion sowie seitlich von dieser einen axialen
Kühlmittelzuführkanal und einen axialen Kühlmittelabführkanal
aufweist. Auf Seiten eines anzukoppelnden Gießkolbens ist
die Sackbohrung von einem Einsatzstück abgeschlossen, an
dem ein zum Gießkolben führendes axiales Kühlrohr
festgelegt ist. Das Kühlrohr steht über einen
ersten Verbindungskanal im Einsatzstück mit dem Kühlmittelzuführkanal
in Verbindung, und ein Ringspalt zwischen Kühlrohr und
umgebender Zylinderwand des zylindrischen Einsatzstücks
steht über einen zweiten Verbindungskanal im Einsatzstück
mit dem Kühlmittelabführkanal in Verbindung. Das
aufgrund der axialen Sackbohrung reduzierte Gewicht der Kolbenstange soll
gewichtsbedingten Reibungsver schleiß zwischen dem in der
Regel horizontal angeordneten Gießkolben und einer zugeordneten
Füllkammer mindern.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer
Gießkolbenstange zugrunde, die sich relativ einfach fertigen
lässt und z. B. bei Einsatz in einer Druckgießmaschine
hinsichtlich ihres Beitrags zur am Ende der Formfüllphase
umzuwandelnden kinetischen Energie des sie enthaltenden bewegten
Gießsystems optimiert ist.
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Die
Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung
einer Gießkolbenstange mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Die erfindungsgemäße Gießkolbenstange
besteht ganz oder überwiegend aus einem Leichtmetallmaterial.
Dies bedeutet im Vergleich zu herkömmlichen Gießkolbenstangen
aus Stahlmaterial eine signifikante Gewichtsreduktion der Gießkolbenstange
und damit der Gesamtmasse des bewegten Systems, was wiederum die
am Ende der Formfüllphase umzuwandelnde kinetische Energie bei
Einsatz in einer Druckgießmaschine deutlich herabsetzt.
Außerdem wird die Druckimpulsamplitude aufgrund des für
ein Leichtmetallmaterial im Vergleich zu Stahl- und anderen Schwermetallmaterialien
typischerweise deutlich geringeren Elastizitätsmoduls reduziert.
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Vorteilhafte
Leichtmetallmaterialien für die Gießkolbenstange
sind in Ausgestaltung der Erfindung Metalllegierungen mit Aluminium
oder Magnesium als Hauptbestandteil.
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In
Weiterbildung der Erfindung beinhaltet die Gießkolbenstange
einen ganz oder überwiegend aus dem Leichtmetallmaterial
bestehenden Grundkörper, an dem eine Kupplung zur Ankopplung
eines Gießkolbens und/oder eine Kupplung zur Ankopplung
eines Antriebskolbens angeordnet sind. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung ist der Grundkörper zylindrisch, wobei an
einer Zylinderstirnseite die Gießkolben-Kupplung und an
der anderen Zylinderstirnseite die Antriebskolben-Kupplung angeordnet
sind. Dabei kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Gießkolben-Kupplung
und/oder die Antriebskolben-Kupplung aus dem gleichen Material wie
der Grundkörper bestehen und einteilig am Grundkörper ausgebildet
sein, was z. B. die gemeinsame Fertigung aus einem Rohling ermöglicht.
Die Gießkolben-Kupplung und/oder die Antriebskolben-Kupplung
kann alternativ auch aus einem anderen Material wie der Grundkörper
bestehen und als separates Bauteil am Grundkörper angebracht
sein. Dies ermöglicht eine materialtechnische Entkopplung
der jeweiligen Kupplung vom Grundkörper, so dass die Kupplung
bei Bedarf in ihrem Material an spezifische Anforderungen angepasst
werden kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Grundkörper mit einer
axialen Kühlkanalbohrung versehen. Dies bietet die Möglichkeit,
ein Kühlmittel durch die Gießkolbenstange hindurchzuleiten,
um selbige und bei Bedarf daran angekoppelte Komponenten zu kühlen.
In einer Weiterbildung dieser Maßnahme weist der Grundkörper
eine Kühlkanal-Zulaufbohrung und eine Kühlkanal-Auslaufbohrung
auf, die am Grundkörperumfang ausmünden und mit
der Kühlkanalbohrung in Verbindung stehen, so dass entsprechend
Kühlmittel über die Zulaufbohrung in den Grundkörper
eingeleitet und aus diesem über die Auslaufbohrung wieder
ausgeleitet werden kann. In weiterer Ausgestaltung sind in die Kühlkanalbohrung ein
Kühlrohr unter Bildung eines Ringspalts sowie ein Einsatzstück
eingesetzt, wobei das Einsatzstück das Kühlrohrinnere
an die Zulaufbohrung anschließt, während der Ringspalt über
die Auslaufbohrung ausmündet. Dabei können die
Zulauf- und die Auslaufbohrung auf einer gleichen axialen Halbseite
des Grundkörpers vorgesehen sein, z. B. auf seiner der Antriebskolben-Kupplung
zugewandten Hälfte.
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Vorteilhafte
Ausbildungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer Gießkolbenstange aus Leichtmetall mit
beidseitig einteilig angeformten Kupplungen,
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2 eine
Querschnittansicht längs einer Linie II-II von 1,
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3 eine
Querschnittansicht längs einer Linie III-III von 1,
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4 eine
Schnittansicht entsprechend 2 mit eingesetztem
Kühlrohr,
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5 eine
Schnittansicht entsprechend 4 für
eine Variante mit einer als separates Bauteil realisierten Antriebskolben-Kupplung
und
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6 eine
Schnittansicht entsprechend 4 für
eine Variante mit als separate Bauteile realisierten Antriebskolben-
und Gießkolben-Kupplungen.
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Die
in den 1 bis 3 veranschaulichte Gießkolbenstange
eignet sich für Druckgießmaschinen vom Warmkammer-
und Kaltkammertyp und weist einen zylindrischen Grundkörper 1 auf,
der einheitlich, d. h. durchgehend, aus einem Leichtmetallmaterial
gefertigt ist. Das Leichtmetallmaterial kann insbesondere eine Metalllegierung
mit Aluminium oder Magesium als Hauptbestandteil sein, alternativ ein
anderes Leichtmetallmaterial, soweit es den für Gießkolbenstangen
von Gießmaschinen bestehenden Anforderungen insbesondere
hinsichtlich Temperatur- und Druckbelastungen gewachsen ist. Speziell
kann das Leichtmetallmaterial zum Beispiel eine Aluminiumlegierung
oder eine Magnesiumlegierung sein. Auch der Einsatz von Titan kommt
hier als Leichtmetall in Betracht, sei es als Hauptkomponente oder
als eine Minoritätskomponente einer entsprechenden Legierung.
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Am
zylindrischen Grundkörper 1 sind auf einer Stirnseite
eine Gießkolben-Kupplung 2 und auf der anderen
Stirnseite eine Antriebskolben-Kupplung 3 einteilig angeformt.
Die Gießkolben-Kupplung 2 weist eine zum Ankoppeln
eines herkömmlichen Gießkolbens übliche
Form auf. Ebenso weist die Antriebskolben-Kupplung 3 eine
zur Ankopplung eines herkömmlichen Hydraulikkolbens oder
anderen Antriebskolbens übliche Form auf, wie eine Zylinderscheibenform.
Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 lassen
sich somit der Grundkörper 1 und die beiden Kupplungen 2, 3 einteilig
aus einem Leichtmetall-Rohling fertigen.
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Der
zylindrische Grundkörper 1 ist außerdem mit
einer durchgehenden zentrischen axialen Bohrung versehen, die zweiteilig
abgestuft ist, wobei sie einen ersten, kürzeren Bohrungsabschnitt 4 größeren
Durchmessers auf Seiten der Antriebskolben-Kupplung 3 und
einen restlichen zweiten Bohrungsabschnitt 5 größerer
Länge und kleineren Durchmessers umfasst. Die Bohrung dient
als Kühlkanalbohrung, wobei in die Zylindermantelflache
des zylindrischen Grundkörpers 1 eine radiale
Kühlkanal-Zulaufbohrung 6 und eine radiale Kühlkanal-Auslaufbohrung 7 eingebracht
sind. Dabei führt die Zulaufbohrung 6 von außen
zum ersten radialen Bohrungsabschnitt 4, während
die Auslaufbohrung vom zweiten axialen Bohrungsabschnitt 5 nach
außen führt.
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Wie
aus 1 zu erkennen, befinden sich die Zulaufbohrung 6 und
die Auslaufbohrung 7 beide auf einer gleichen axialen Halbseite
des zylindrischen Grundkörpers 1, und zwar auf
der dem anzukoppelnden Hydraulikdruckkolben zugewandten Seite. Dies
kann Vorteile hinsichtlich Zugänglichkeit der Zulauf- und
Ablaufbohrung 6, 7 im Einbauzustand der Gießkolbenstange
haben.
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4 zeigt
die Gießkolbenstange der 1 bis 3 nach
Einsetzen eines Kühlrohrs 8 und eines Einsatzstücks 10 in
die axiale Bohrung 4, 5. Speziell erstreckt sich
das Kühlrohr 8 im zweiten Bohrungsabschnitt 5 der axialen
Kühlkanalbohrung und auf Seiten der Gießkolben-Kupplung 2 über
den Grundkörper 1 hinaus, um in herkömmlicher,
hier nicht näher zu erläuternder Weise einem angekoppelten
Gießkolben Kühlmittel zuzuleiten, mit dem der Gießkolben
und die Gießkolbenstange temperiert werden können.
Das Kühlrohr 8 weist einen gegenüber
dem Innendurchmesser des zweiten Bohrungsabschnitts 5 kleineren
Außendurchmesser auf, so dass zwischen Kühlrohr 8 und
umgebendem Grundkörper 1 ein Ringspalt 9 gebildet
ist.
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Das
Einsatzstück 10 ist in den ersten Bohrungsabschnitt 4 fluiddicht
eingesetzt, wobei es mit einer vorderen Stirnseite 10a den
Ringspalt 9 stirnseitig abschließt. Es kann aus
dem gleichen Leichtmetallmaterial wie der zylindrische Grundkörper 1 bestehen,
alternativ aber auch aus einem anderen Leichtmetallmaterial oder
einem Nicht-Leichtmetallmaterial. Das Einsatzstück 10 weist
einen Verbindungskanal 11 auf, der wie gezeigt einen radialen und
einen axialen Abschnitt derart umfasst, dass er eine Fluidverbindung
zwischen der radialen Zulaufbohrung 6 und dem Inneren des
Kühlrohrs 8 an dessen entsprechendem Stirnende
bereitstellt.
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Auf
diese Weise kann ein flüssiges oder gasförmiges
Kühlmittel von außen über die Zulaufbohrung 6 und
den Verbindungskanal 11 in das Innere des Kühlrohrs 8 eingeleitet
und von diesem zum Gießkolben geführt werden.
Vom Gießkolben gelangt das Kühlmittel in den Ringkanal 9 zwischen
Kühlrohr 8 und Grundkörper 1 und
wird in diesem durch den Grundkörper 1 hindurch
bis zur Auslaufbohrung 7 geführt, über
die es dann wieder aus der Gießkolbenstange heraus gelangt.
Es versteht sich, dass je nach Bedarf auch die umgekehrte Führung
der Kühlmittelströmung vorgesehen sein kann, d.
h. in diesem Alternativfall dient die Auslaufbohrung 7 als
Zulauf und die Zulaufbohrung 6 als Auslauf des Kühlmittels
in bzw. aus der Gießkolbenstange. Durch das Kühlmittel
können die Gießkolbenstange und der angekoppelte
Gießkolben in ge wünschter Weise temperiert werden, üblicherweise
gekühlt, wobei natürlich in gleicher Weise bei
Bedarf auch eine Beheizung durch Verwenden eines heißen
Kühlmittels möglich ist.
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Vorteilhaft
ist somit bei der Gießkolbenstange der 1 bis 4 ein
ganz aus Leichtmetall bestehender zylindrischer Grundkörper
vorgesehen, an dem Kupplungen zum Ankuppeln eines Gießkolbens einerseits
und eines Antriebskolbens, wie eines üblichen Hydraulikkolbens,
andererseits in fertigungstechnisch einfacher Weise einteilig angeformt
sind. Die axiale Kühlkanalbohrung mit eingesetztem Einsatzstück
und Kühlrohr ermöglicht eine effektive Temperierung
von Gießkolbenstange und Gießkolben. Unabhängig
vom Material des Einsatzstücks und des Kühlrohrs,
die nur einen geringeren Teil des gesamten Gießkolbenstangensystems
ausmachen, besteht damit die Gießkolbenstange in ihrem
Volumen jedenfalls überwiegend aus Leichtmetall. Dies bedeutet
eine signifikante Gewichtsreduzierung der Gießkolbenstange
im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung von Stahlmaterial
und damit eine entsprechende Gewichtsreduzierung des gesamten bewegten
Gießsystems aus Hydraulikflüssigkeit, Hydraulikkolben,
Gießkolbenstange, Gießkolben und Schmelze. Dementsprechend
reduziert sich die am Ende der Formfüllphase umzuwandelnde
kinetische Energie des bewegten Gesamtsystems und die dadurch anfallende
Wärmemenge. Da das Leichtmetallmaterial zudem im Vergleich
zu den für Gießkolbenstangen üblichen
Nicht-Leichtmetallmaterialien, wie Stahl, einen deutlich geringeren
Elastizitätsmodul aufweist, speziell z. B. Aluminium- und
Magnesiumlegierungen, reduziert sich auch die Amplitude des am Ende
der Formfüllphase schlagartig auftretenden Druckimpulses.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gießkolbenstange
lassen sich folglich die bei Verwendung herkömmlicher Gießkolbenstangen
aus Stahl oder einem anderen Nicht-Leichtmetallmaterial auftretenden
Probleme hinsichtlich hoher umzusetzender kinetischer Energie und
hohem Druckimpuls drastisch verringern.
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5 zeigt
eine Variante der Gießkolbenstange der 1 bis 4,
wobei für identische oder funktionell äquivalente
Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet sind und insoweit auf die
obigen Erläuterungen zu den 1 bis 4 verwiesen
werden kann, was die Funktionen und Vorteile der betreffenden Elemente
angeht. Die Gießkolbenstange von 5 unterscheidet
sich von derjenigen der 1 bis 4 darin,
dass eine Antriebskolben-Kupplung als separates Bauteil 3' vorgesehen
ist. Dieses separate Antriebskolben-Kupplungsstück 3' ist
im gezeigten Beispiel nach Art einer becherförmigen Abschlusskappe
mit Innengewinde gefertigt und auf das zugehörige Stirnende
des insoweit gegenüber dem Beispiel der 1 bis 4 modifizierten
Grundkörpers 1 aufgeschraubt, der zu diesem Zweck
im betreffenden Stirnendbereich mit einem passenden Außengewinde
anstelle der im Beispiel der 1 bis 4 angeformten
Antriebskolben-Kupplung 3 versehen ist.
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Durch
Verwendung des separaten Antriebskolben-Kupplungsstück 3' kann
die Antriebskolben-Kupplung materialmäßig vom
Grundkörper 1 entkoppelt werden, d. h. für
das Kupplungsstück 3' kann bei Bedarf ein anderes
Material als das Leichtmetallmaterial des Grundkörpers 1 gewählt
werden. In Betracht kommt z. B. die Fertigung des separaten Antriebskolben-Kupplungsstücks 3' aus
einem Stahlmaterial. Damit kann in entsprechenden Anwendungsfällen
eine optimierte Anpassung der immer noch weit überwiegend
aus Leichtmetallmaterial bestehenden Gießkolbenstange an
das Ankopplen eines üblichen Hydraulikkolbens einer Druckgießmaschine
erreicht werden, ohne die mit der überwiegenden Verwendung
von Leichtmetallmaterial für die Gießkolbenstange
einhergehenden, oben erläuterten Vorteile zu beeinträchtigen.
Außerdem kann auf diese Weise bei Bedarf die Antriebskolben-Kupplung 3' als
separates Bauteil ohne den Grundkörper 1 z. B. im
Wartungsfall ausgetauscht werden. Es versteht sich, dass statt der
gezeigten Schraubbefestigung auch eine beliebige andere herkömmliche
lösbare oder nicht lösbare Befestigungsart zum
Anbringen der separaten Antriebskolben-Kupplung 3' am Grundkörper 1 vorgesehen
sein kann, z. B. Aufschrumpfen. In bestimmten Fällen kann
auch die Fertigung durch die zweiteilige Realisierung von zylindrischem
Grundkörper und Antriebskolben-Kupplung erleichtert sein.
Im übrigen gelten für die Gießkolbenstange
von 5 die oben zu derjenigen der 1 bis 4 erläuterten
Vorteile in gleicher Weise.
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Bei
einer als weitere Variante in 6 gezeigten
Gießkolbenstange ist als einziger Unterschied zu derjenigen
von 5 die Gießkolben-Kupplung als separates
Bauteil 2' realisiert. Das separate Gießkolben-Kupplungsstück 2' ist
an der zugewandten Stirnseite des insoweit modifizierten Grundkörpers 1 angebracht,
wobei beispielhaft ein Aufschrumpfen eines ringförmigen
Stirnendes des Kupplungsstücks 2' auf einen stirnseitigen
Stumpf des Grundkörper 1 derart vorgesehen ist,
dass sich ein glatter, fluchtender Übergang der Außenseite
von Grundkörper 1 und Kupplungsstück 2' ergibt.
Es versteht sich, dass alternativ auch hier eine beliebige andere
herkömmliche Befestigungsart vorgesehen sein kann, um das
Kupplungsstück 2' am betreffenden Stirnende des
Grundkörpers 1 festzulegen, z. B. durch Aufschrauben.
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Für
das separate Gießkolben-Kupplungsstück 2' gelten
die gleichen Vorteile wie für das separate Antriebskolben-Kupplungsstück 3',
insbesondere hinsichtlich materialmäßiger Entkopplung
vom Leichtmetallmaterial des Grundkörpers 1 und
den sich daraus ergebenden Möglichkeiten einer optimalen
Abstimmung auf die Bedürfnisse des anzukopplenden Bauteils,
hier des Gießkolbens. Beispielsweise kann auch in diesem
Fall eine Fertigung des Gießkolben-Kupplungsstücks 2' aus
einem Stahlmaterial vorgesehen sein, was zu einem erhöhten
Schutz des Leichtmetall-Grundkörpers 1 z. B. vor Temperatureinflüssen
und einem Angriff durch die Schmelze beitragen kann. Dennoch besteht
auch im Beispiel von 6 die Gießkolbenstange
durch den Leichtmetall-Grundkörper 1 weit überwiegend
aus Leichtmetallmaterial, so dass die oben zum Ausführungsbeispiel
der 1 bis 4 erläuterten Vorteile gegenüber
herkömmlichen, überwiegend aus Nicht-Leichtmetallmaterial
bestehenden Gießkolbenstangen in gleicher Weise auch auf
die Gießkolbenstange von 6 zutreffen.
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Es
versteht sich, dass in weiteren, nicht gezeigten Ausführungsformen
der Erfindung die Gießkolbenstange auch gemischt aus Leichtmetallmaterial
und Nicht-Leichtmetallmaterial aufgebaut sein kann, solange die
Gießkolbenstange dadurch bezogen auf Volumen oder Gewicht
immer noch überwiegend aus Leichtmetallmaterial besteht.
Auch in solchen alternativen Ausführungsbeispielen ergeben sich
durch die jedenfalls überwiegende Verwendung von Leichtmetallmaterial
die oben erläuterten Vorteile hinsichtlich Reduzierung
der umzuwandelnden kinetischen Energie und der Druckimpulsamplitude
am Ende der Formfüllphase.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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