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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Anspruch 8.
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Beim Rotationssintern wird Kunststoffgranulat auf eine formgebende Oberfläche einer ersten Form aufgebracht, wobei die Oberfläche der Form erhitzt ist. Beim Auftreffen des Granulats auf die erhitzte Oberfläche geliert das Kunststoffgranulat und verschmilzt auf der Oberfläche der Form im Wesentlichen zu einer Formhaut konstanter Dicke.
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Insbesondere im Bereich von Verwinkelungen bzw. Kanten kann die Dicke der Formhaut aufgrund von Temperaturgradienten von den erforderlichen Abmessungen abweichen. Von daher können die kritischen Bereiche lediglich dadurch verstärkt werden, indem ein Teil der Oberfläche stärker erhitzt wird und somit eine dickere Schicht an Granulat gelieren kann.
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Aus dem Stand der Technik sind Formen sowie Verfahren bekannt, mit denen ein lokales Erhitzen von Bereichen einer Form möglich ist. Beispielsweise ist es bekannt, die Form mittels eines heißen Öls zu beheizen und zwei verschiedene Kreisläufe für Öle verschiedener Temperatur vorzusehen. Dadurch können in einem ersten Teilbereich, welcher beispielsweise eine kritische Geometrie umfasst, eine höhere Temperatur angelegt werden, um so eine ausreichende Dicke der Formhaut im kritischen Bereich zu gewährleisten.
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Der Herstellungsaufwand derartiger Formen mit verschiedenen Heizkreisläufen ist jedoch vergleichsweise hoch. Ebenso ist der Wartungs- und Betriebsaufwand derartiger Formen erhöht.
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Ein alternativer Kühlmechanismus ist aus der
JP-09-039005 A bekannt. Ein mit Wasser zu füllender Behälter mit einem absorbierenden Material befindet sich auf der Rückseite einer Sinterform, wobei der Behälter und die Sinterform keine Öffnungen aufweisen, so dass Wasser nicht zur Vorderseite der Sinterform verdampfen kann. Durch das Erhitzen der Sinterform, verdampft das Wasser auf der Rückseite der Sinterform und kühlt mittels der Verdunstungskälte die Rückseite der Sinterform.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine einfache Vorrichtung zum Rotationssintern bzw. ein Verfahren zum Erhitzen einer Form zu ermöglichen, welche eine lokale, einfacher zu steuernde Variation der Schichtdicke einer Formhaut ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie aus den nachfolgend erwähnten Beispielen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorderseite einer Form, welche eine formgebende Oberfläche aufweist, zumindest einen ersten Abschnitt, welcher eine zur Oberfläche geöffnete poröse Struktur umfasst.
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Die poröse Struktur als Teil der Oberfläche der Vorderseite der Form kann mit einem Kühlmedium befüllt werden bevor die Form erhitzt wird. Wird anschließend die Form beispielsweise mittels Heißluft, heißem Öl oder einem sonstigen Heizmedium erwärmt, verdunstet das in der porösen Struktur vorgehaltene Kühlmedium, wie z. B. Wasser, und bewirkt im Vergleich zu den den ersten Abschnitt umgebenden Bereichen der Vorderseite eine lokale Verringerung der Oberflächentemperatur der Form im Bereich des ersten Abschnitts.
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Da die Form im Bereich des ersten Abschnitts eine nunmehr geringere Temperatur gegenüber den umgebenden Bereichen aufweist, können Pulverpartikel bzw. Granulat in geringerem Maße bzw. bei entsprechender Kühlung gar nicht an der Oberfläche im Bereich des ersten Abschnitts gelieren, so dass die Schichtdicke der so erzeugten Formhaut gegenüber den den ersten Abschnitt umgebenden Bereichen der Vorderseite verringert ist.
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Die poröse Struktur kann dabei integral mit der Vorderseite der Form verbunden sein, d. h. das Material der Form weist im Bereich des ersten Abschnitts eine poröse Struktur auf. Alternativ hierzu kann die poröse Struktur durch einen Einsatz gebildet werden, welcher in eine entsprechende Ausnehmung der Form eingebracht wird, wobei die Oberfläche des Einsatzes vorzugsweise bündig mit der Oberfläche der Vorderseite der Form abschließt.
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Damit die poröse Struktur eine ausreichende Menge an Kühlmedium speichern kann und dieses nicht unkontrolliert auf die Oberfläche der Form abgibt, ist es vorteilhaft, wenn die poröse Struktur beispielsweise schwammartig aufgebaut ist oder zwischen verschiedenen Schichten entsprechende Hohlraumnetzwerke ausbildet.
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Die poröse Struktur öffnet sich erfindungsgemäß zur Oberfläche der Vorderseite hin, so dass die Vorderseite entsprechend abgekühlt wird. Optional kann die poröse Struktur auch zur Rückseite der Form hin geöffnet sein, kann jedoch auch über einen zusätzlichen Kanal mit der Rückseite verbunden sein oder keinerlei geöffnete Struktur zur Rückseite der Form aufweisen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das Kühlmedium bevorzugt auf der Vorderseite verdampft und so eine Abkühlung der die Formhaut erzeugenden Vorderseite bewirkt.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der erste Abschnitt derart bemessen, dass dieser die formgebende Oberfläche nicht vollständig umfasst, d. h., der erste Abschnitt umfasst lediglich einen begrenzten Teilbereich der Oberfläche. Hierdurch wird gewährleistet, dass die verringerte Oberflächentemperatur der Vorderseite der Form lediglich in einem Teilbereich der Form existiert, so dass sich über die Oberfläche der Form hinweg unterschiedliche Dicken der Formhaut ergeben können.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorderseite neben dem ersten Abschnitt einen zweiten Abschnitt mit einer porösen Struktur, welche sich zur Oberfläche hin öffnet.
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Mit Hilfe des zweiten Abschnitts bzw. einer beliebigen Anzahl weiterer Abschnitte können die Dickenverhältnisse der zu erzeugenden Formhaut genau eingestellt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der erste und zweite Abschnitt im Bereich der Oberfläche nicht zusammenhängend sind, sondern durch einen Bereich ohne poröse Struktur der Oberfläche voneinander getrennt sind.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, unabhängig davon ob der erste und der zweite Abschnitt miteinander verbunden oder nicht miteinander verbunden, d. h. nicht zusammenhängend sind, durch eine unterschiedliche poröse Struktur, beispielsweise definiert durch die Größe der Poren, das Kühlmedium unterschiedlich schnell aus der porösen Struktur ausdampfen zu lassen bzw. sich verflüchtigen zu lassen, so dass auf diese Weise eine unterschiedliche Oberflächentemperatur im Bereich verschiedener Abschnitte erzeugt wird. Auf diese Weise können nicht lediglich Dickenunterschiede zwischen den Abschnitten und den diese Abschnitte umgebenden Bereiche der Oberfläche erzeugt werden, sondern auch unterschiedliche Dicken im Bereich der ersten, zweiten oder weiteren Abschnitte.
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In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Form um eine Galvanoschale, welche vorzugsweise aus Nickel hergestellt ist. Die poröse Struktur kann dabei entweder im Rahmen des Herstellungsprozesses der Galvanoschale oder als zusätzlicher Einsatz in eine Ausnehmung der Vorderseite eingebracht werden.
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In einer Ausführungsform der porösen Struktur umfasst diese ein poröses Metall, einen Metallschaum oder eine poröse Keramik. Unabhängig von der gewählten Variante der porösen Struktur, wird die Größe der Poren, insbesondere die Größe der Poren im Bereich der Oberfläche derart gewählt, dass der mittlere Durchmesser einer Pore der porösen Struktur kleiner ist als ein durchschnittlicher Durchmesser des Granulats bzw. der Pulverpartikel, welche zum Erzeugen der Formhaut verwendet werden. Von daher ist eine Benennung der absoluten Größe der Poren im Wesentlichen von dem zu verwendenden Material abhängig.
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Zudem ist der Grad der Abkühlung der Vorderseite im ersten, zweiten bzw. weiteren Abschnitt davon abhängig, wie viel Kühlmedium in der porösen Struktur gehalten werden kann und somit eine über den Zeitraum des Austretens wirkende Kühlung des Abschnitts bewirken kann. Dauert beispielsweise ein Heizvorgang der Form eine Minute, ist jedoch das Kühlmedium nach 10 Sekunden verdampft, entspricht dies einem Heizzeitraum von 50 Sekunden. Wird das Kühlmedium jedoch aufgrund kleinerer Poren bei gleichbleibendem Volumen des Abschnitts über einen längeren Zeitraum, wie beispielsweise 30 Sekunden hinweg abgegeben, so ergibt sich eine verringerte Heizzeit eines Bereichs mit kleineren, feineren Poren (jedoch einer höheren Anzahl an Poren aufgrund des gleichbleibenden Abschnittsvolumens)) gegenüber einem Abschnitt mit einer kleineren Anzahl bzw. größerer Poren.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die mittlere Porengröße kleiner als 0,7 mm, so dass Kunststoffformhäute in der Vorrichtung erzeugt werden können. Als geeignete Materialien für die Formhäute bieten sich hier Polyvinylchlorid, Polyethylen oder Polypropylen bzw. Kombinationen der vorgenannten Kunststoffe bzw. Kunststoffe, welche die vorgenannten Materialien umfassen, an.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die poröse Struktur ein dünnes Stahlblech, welches mittels eines feinmaschigen Drahtnetzes verstärkt ist. Die Größe der Poren hängt dabei von der Maschenweite des Drahtnetzes ab. Bezüglich der zu wählenden Maschenweite, wird auf die Ausführungen zu den Porengrößen verwiesen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erhitzen einer Form zum Rotationssintern, wird die poröse Struktur der Vorderseite der ersten Form zunächst mit einem Kühlmedium benetzt, vorteilhafterweise vor dem Erhitzen der Form bzw. vor dem Erhitzen der Form auf die Endtemperatur, welche die Form hält, wenn diese mit einem Pulverkasten oder einer weiteren Formverbunden wird. Hinsichtlich der porösen Struktur der Vorderseite wird auf die Ausführungen zur porösen Struktur in den vorhergehenden Abschnitten verwiesen. Nachdem das Kühlmedium in die poröse Struktur eingebracht wurde, beispielsweise in Form einer Flüssigkeit, besonders vorzugsweise Wasser, wird die Form auf eine Temperatur von mindestens vorzugsweise 150°, 200° oder auch 280° erhitzt, wobei die Temperatur in den Abschnitten mit der porösen Struktur aufgrund des Sich-Verflüchtigens des Kühlmediums bzw. des Ausdampfens einer Kühlflüssigkeit vorzugsweise um mindestens 10, 20, 30 oder 50 K von der Temperatur der Bereiche ohne poröse Struktur unterscheidet.
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Zum Erhitzen der Form bietet es sich an, diese von der Rückseite zu erhitzen, so dass sich das Kühlmedium durch die zur Vorderseite geöffnete poröse Struktur verflüchtigen kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Rückseite der ersten Form nach oben gerichtet ist und eine Heizvorrichtung diese von oben nach unten strahlend erhitzt. Zum Einfüllen des Kunststoffs kann die Form beispielsweise zunächst mit ihrer Außenseite nach unten gedreht werden, wobei anschließend ein Pulverkasten montiert wird, welcher ebenfalls von unten an der Form befestigt werden kann. Anschließend wird die Form vorzugsweise mit dem damit verbundenen Pulverkasten bzw. einer zweiten Form gedreht, so dass Granulat bzw. Pulverpartikel auf die erhitzte Oberfläche der Vorderseite der ersten Form auftreffen und ausgelieren.
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Weitere Ausführungsformen werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen erläutert. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass einzelne Merkmale des jeweiligen Ausführungsbeispiels mit den weiteren gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden können. Insbesondere können Merkmale, welche gegenüber anderen Merkmalen keinen Wirkzusammenhang aufweisen, einzeln für sich beansprucht werden.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Form gemäß einer Variante der Erfindung;
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2A und 2B Ansichten der Oberfläche der Vorderseite eines Einsatzes mit einer porösen Struktur in verschiedenen Varianten;
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3 eine schematische Darstellung einer Variante einer erfindungsgemäßen Form und einer damit hergestellten Formhaut.
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In der 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einer ersten Form 2 gezeigt, wobei die erste Form 2 eine Vorderseite 3 und eine Rückseite 4 umfasst. Die Oberfläche 5 der Vorderseite 3 bestimmt die formgebende Gestalt einer zu erzeugenden Formhaut. In die Oberfläche 5 sind Abschnitte 6, 7 und 8 eingelassen, welche sämtlich eine poröse Struktur umfassen, welche zur Oberfläche 5 hin geöffnet ist.
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Die Form 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Galvanoschale aus Nickel. Die Abschnitte 6, 7 und 8 werden jeweils durch zusätzliche Metall- oder Keramikeinsätze gegeben, welche in entsprechend geformte Ausnehmungen der Vorderseite 3 der Form 2 eingelassen werden. Dabei sind die Ausnehmungen bzw. die Einsätze derart geformt, dass die Oberfläche der Einsätze bündig mit den die Abschnitte umgebenden Bereichen der Oberfläche abschließt.
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Die dargestellten Einsätze 6, 8 bestehen aus einem Metall, wie beispielsweise einem porösen Metallschaum, Nickel der vorzugsweise rostfreiem Stahl.
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Während die Einsätze bzw. Abschnitte 7 und 8 nicht mit der Rückseite 4 der Form 2 in Verbindung stehen, d. h. ein Ausdampfen eines Kühlmediums in Richtung der Rückseite nicht möglich ist, ist die Rückseite 4 mit der Vorderseite 3 im Bereich des Einsatzes 6 über den Kanal 9 verbunden. Dabei kann der Kanal 9 sowohl zum Entlüften der Form im geschlossenen Zustand, d. h. während der Erzeugung einer Formhaut oder zum Befüllen der porösen Struktur mit dem Kühlmedium verwendet werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist neben der ersten Form 2 ein mit Pulver P gefüllter Pulverkasten dargestellt, welcher noch nicht auf die erste Form aufgesetzt wurde. Schematisch dargestellt ist eine Drehvorrichtung 10, mit welcher die Form 2 bzw. der Pulverkasten in Rotation zum Rotationssintern der Formhaut versetzt werden kann. Bevor der Pulverkasten aufgesetzt wird, werden die Abschnitte 6 und 7 und 8 mit einem Kühlmedium, in diesem Falle Wasser, befüllt. Die poröse Struktur nimmt das Wasser auf und halt es zunächst innerhalb der porösen Struktur eingeschlossen, so dass ohne Erwärmung der Form keine Flüssigkeit auf die Oberfläche 5 der Vorderseite 3 austreten kann. Im Falle des Abschnitts 6 ist es ebenso möglich, über den Kanal 9 eine rückseitige Befüllung der porösen Struktur mit Wasser vorzunehmen. Auf diese Weise kann auch während des Erhitzens Kühlmedium nachgefüllt werden bzw. während des eigentlichen Sinterns, d. h. bei aufgesetztem Pulverkasten, eine weitere Befüllung der porösen Struktur gewährleistet werden. Hierdurch wird der Befüllungsvorgang vereinfacht.
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Anschließend wird die Form auf die Betriebstemperatur mit Hilfe der Heizvorrichtung 11 erhitzt. Die Heizvorrichtung 11 ist im vorliegenden Fall ein Heißluftgebläse, welches die Form von einer niedrigeren Temperatur auf die Betriebstemperatur von 280° erhitzt. Während die Rückseite 4 der Form 2 mittels der Heizvorrichtung 11 erhitzt wird, verdampft im Bereich der Abschnitte 6, 7 und 8 die in der porösen Struktur gehaltene Flüssigkeit und führt so zu einer gegenüber den umliegenden Bereichen der Oberfläche 5 verringerte Oberflächentemperatur. In anderen Worten erhitzt sich der Bereich der Oberfläche der Abschnitte 6, 7 und 8 langsamer als die Bereiche ohne poröse Struktur.
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Anschließend wird die Form 2 mit dem Pulverkasten verbunden und das in dem Pulverkasten enthaltene Granulat bzw. Pulver P wird aufgrund der Rotation durch die Drehvorrichtung 10 auf die Vorderseite 3 der Form 2 aufgebracht und geliert an dieser an. Die Dicke der zu erzeugenden Formhaut hängt im Wesentlichen von der Temperatur der Oberfläche 5 der Form 2 ab. Von daher ist in den die Abschnitte 6, 7 und 8 umgebenden Bereichen eine erhöhte Dicke einer Formhaut zu erwarten. Je nachdem, welche poröse Struktur mit welcher Porengröße für die einzelnen Abschnitte gewählt wurde, kann das Granulat entweder gar nicht oder nur in geringem Maße gelieren, so dass die Schichtdicke in den Abschnitten 6, 7 und 8 gegenüber den umliegenden Bereichen reduziert ist.
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In den 2A und 2B sind schematische Darstellungen möglicher poröser Strukturen skizziert. In der 2A ist der Einsatz 7 dargestellt, welcher aus einer porösen Keramik besteht und an seiner in der. 2A sichtbaren Oberfläche geöffnete Poren 12 umfasst, die eine Größe von weniger als 100 μm aufweisen. Der Einsatz 7 kann derart hergestellt sein, dass die Porengröße über die gesamte Dicke (d. h. in die Bildebene hinein) eine homogene Porenstruktur aufweist, in dem Sinne, dass die Poren über die gesamte Dicke des Einsatzes hinweg die gleiche durchschnittliche Größe besitzen. Alternativ hierzu kann die Porengröße im Bereich der dargestellten Oberfläche von der Porengröße der übrigen Bereiche des Einsatzes 7 abweichen. So ist es beispielsweise möglich, dass die Porengröße der Poren 12 an der Oberfläche kleiner ist als die Porengröße der darunter liegenden Bereiche des Abschnitts 7.
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Alternativ zur Keramik kann z. B. ein metallischer Schaum verwendet werden. Der metallische Schaum hat im vorliegenden Fall des Einsatzes 6 eine schwammartige Struktur. Zudem wird er, wie in der 1 erkennbar, unabhängig vom Kanal 9 ausgebildet. Der Abschnitt 6 stellt somit einen selbständigen Einsatz dar, welcher in einer Ausnehmung der Form vorgehalten wird.
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Eine alternative Ausführungsform eines Abschnitts 8 ist in der 2B dargestellt. Der Abschnitt 8 umfasst ein dünnes Metallblech, welches mit Hilfe eines feinmaschigen Drahtnetzes 13 beispielsweise aus Silber-, Stahl-, Nickel- oder Platindraht oder einem porösen Metallschaum gefertigt ist, auf. Das Drahtnetz 13 umfasst vertikale Streben 14 und horizontale Streben 15, wobei zwischen je zwei benachbarten vertikalen und horizontalen Streben eine Masche ausgebildet wird. Die Maschenweite 16 beträgt weniger als 700 μm. Alternativ kann die Maschenweite entsprechend der Partikelgröße über eine im Bereich zwischen 20 μm und 1 mm eingestellt werden. Bei entsprechend größeren Partikeln ist auch eine größere Maschenweite denkbar. Dies gilt analog auch für die Porengröße, wie im Ausführungsbeispiel der 2A dargestellt.
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Anhand der 3 wird auf eine erfindungsgemäße Formhaut eingegangen. Die dargestellte Form 20 entspricht im Wesentlichen der Form 2 der 1 mit dem Unterschied, dass sämtliche Einsätze 26, 27 und 28 lediglich zur Vorderseite der Form hin geöffnet und zur Rückseite hin geschlossen sind. Die Porengröße bzw. Maschenweite der Abschnitte 26, 27 und 28 unterscheidet sich, so dass unterschiedliche Abkühlungsgrade in den einzelnen Abschnitten vorherrschen. Dies spiegelt sich in der hergestellten Formhaut 30 wider. Es ist deutlich zu erkennen, dass in den die Abschnitte 26, 27 und 28 umgebenden Bereichen die Formhaut 30 im Wesentlichen eine einheitliche Dicke aufweist. In den Bereichen 31, 32 und 33 ist die Dicke gegenüber den verbleibenden Bereichen deutlich reduziert. Dabei besitzt die Formhaut 30 im Bereich der Abschnitte 26 und 27 eine endliche Dicke, wohingegen die Formhaut 30 im Bereich des Abschnitts 28 eine lochartige Ausnehmung aufweist. Die lochartige Ausnehmung wird dadurch gebildet, dass auf den Abschnitt 28 auftreffendes Granulat nicht geliert und somit nicht am Abschnitt 28 haften kann. Lediglich in den dem Abschnitt 28 benachbarten Bereichen ist die Temperatur der Oberfläche derart groß, dass ein Ausgelieren des Granulats möglich ist. Die Abschnitte 26, 27 und 28 unterscheiden sich dahingehend, wie schnell in den porösen Strukturen gespeichertes Kühlmedium, beispielsweise in Form von Waser, ausdampfen kann, wobei bei gleichbleibendem Volumen des Abschnitts kleinere in das Volumen eingebrachte Poren eine größere Menge an Kühlmedium aufnehmen können und somit eine stärkere Abkühlung der Form bewirken. Eine geeignete Porengröße beträgt beispielsweise zwischen 0,05 mm und 0,8 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,7 mm.
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Gegenüber der Gesamtgröße der formgebenden Oberfläche der Form umfassen der erste, zweite und die weiteren Abschnitte eine Gesamtgröße zwischen 0,5% und 50%, vorzugsweise zwischen 0,5% und 10%.
