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Die Erfindung betrifft eine Gießform zur Herstellung einer Formhaut, wie sie beispielsweise als Dekorschicht von Fahrzeuginnenverkleidungsteilen benötigt wird.
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Aus dem Stand der Technik sind viele Gießformen bekannt, die beispielsweise als dünne Metallschalen ausgebildet sind. Die Gießformen werden zumeist in einem Rotationssinterverfahren verwendet. Bei diesem wird, nach einem Vorheizen der Gießform, ein Pulverkasten mit einem pulverförmigen Kunststoffgranulat auf die Gießform aufgesetzt, und die Gießform wird samt dem aufgesetzten Pulverkasten rotiert, um das Kunststoffpulver in der Gießform zu verteilen. Das Kunststoffpulver schmilzt hierbei an einer zu einem Formhohlraum der Gießform weisenden Vorderseite der Gießform an und bildet eine Formhaut aus.
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Häufig ist es erforderlich, Formhäute auszubilden, die stark gekrümmte Bereiche oder Hinterschnitte aufweisen. Hierbei besteht seit langem das Problem, dass stark gekrümmte Bereiche zu einer Erhöhung des Risikos der Bildung von fehlerhaften Formhäuten führen. Beispielsweise führt ein Rotieren allein nicht immer zuverlässig zu einer hinreichenden Verteilung des Kunststoffpulvers in den stark gekrümmten oder hinterschnittenen Bereichen, wodurch in diesen Bereichen ungewollte Poren oder Mikrolöcher entstehen können.
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Dieses Problem wurde in den vergangenen Jahren größer, da einerseits die Forderungen an die Designfreiheit der Fahrzeuginnenverkleidungsteile, für die derartige Formhäute häufig verwendet werden, angestiegen sind, während zum anderen zunehmend weniger PVC für Formhäute verwendet wird. PVC weist eine gute Fließfähigkeit auf, so dass bei diesem Material die vorstehend aufgelisteten Probleme nur in einem verringerten Maße bestehen. Aus ökologischen und gesundheitlichen Gründen (PVC ist aufgrund des Weichmachergehalts aus ökologischen Gründen unerwünscht) wird aber statt PVC zunehmend TPE oder TPU verwendet.
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TPE- und TPU-Pulver wird üblicherweise durch Mahlen eines Feststoffs erzeugt. Das so gebildete Kunststoffpulver ist meistens nicht im gleichen Maße rund wie PVC-Pulver. Dies verringert im Vergleich zu PVC die Fließfähigkeit von TPE- und TPU-Pulvern. Entsprechend treten die vorstehend diskutierten Probleme mit Mikrolöchern und Poren in stark gekrümmten Bereichen vermehrt auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Bildung von Mikrolöchern und Poren möglichst weitgehend zu verhindern. Diese Aufgabe wird durch eine Gießform nach Anspruch 1, ein Gießformsystem nach Anspruch 7 sowie ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße Gießform weist, wie auch Gießformen des Standes der Technik, eine Formschale mit einer zu einem Formhohlraum weisenden Vorderseite sowie einer vom Formhohlraum abgewandten Rückseite auf.
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Anders als Gießformen aus dem Stand der Technik weist die Gießform ein Vibrationselement auf, das auf einer Rückseite der Formschale angeordnet ist. Das Vibrationselement ist mittels einer lösbaren oder unlösbaren Verbindung mit der Rückseite verbunden. Das Vibrationselement kann auch lediglich an der Rückseite der Form anliegen. Das Vibrationselement (selbstverständlich können auch mehrere Vibrationselemente vorgesehen sein) kann beispielsweise mit der Formschale verschraubt oder in dieser eingerastet sein. Ebenso kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Formschale und dem Vibrationselement vorliegen. Beispielsweise kann das Vibrationselement teilweise in das Material der Formschale eingebettet sein. Die Formschale kann beispielsweise als galvanisch geformte Formschale ausgebildet sein, wobei das Vibrationselement bereits beim Galvanisieren mit in die Formschale eingebettet werden kann. Hierzu kann ein einzubettender Teil des Vibrationselements während des Galvanisierungsvorgangs in der Nähe einer zum Herstellen der Formschale verwendeten Mutterform angeordnet werden, sodass die auf der Mutterform abgelagerte, die Formschale bildende Galvanikschicht den Teil des Vibrationselements teilweise umschließt. Das Vibrationselement kann auch an die Formschale angeschweißt sein.
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Durch das Vibrationselement können Schwingungen in die Formschale eingebracht werden, während die Gießform mit dem Pulverkasten rotiert wird. Durch die Schwingungen wird die Fließfähigkeit des Kunststoffpulvers erhöht. Eine Verbindung des Vibrationselements mit einer lösbaren oder unlösbaren Verbindung weist als Vorteil gegenüber einem reinen Anliegen des Vibrationselements einen verlustärmeren Übergang der Schwingungen vom Vibrationselement auf die Formschale auf. Außerdem kann ein lösbar oder unlösbar verbundenes Vibrationselement präziser positioniert werden als ein lediglich anliegendes Vibrationselement. Durch die präzisere Positionierung bei lösbare oder unlösbare Verbindung wird sichergestellt, dass die Vibrationen in stets gleicher Weise in die Gießform eingebracht werden können, d. h., eine Reproduzierbarkeit der Herstellung der Formhäute wird verbessert. Hinsichtlich des Schallübergangs ist eine unlösbare Verbindung zwischen Formschale und Vibrationselement bevorzugt. Eine unlösbare Verbindung zwischen Formschale und Vibrationselement erlaubt es jedoch nicht die Formschale und das Vibrationselement separat voneinander zu warten und gegebenenfalls einzeln auszutauschen. Als Vorteil eines reinen Anliegens ist zu nennen, dass dieses besonders einfach realisiert werden kann. Die Positionierung des Vibrationselements ist bei einem reinen Anliegen des Vibrationselements an der Formschale jedoch nicht so präzise und der Schallübergang zur Formschale ist mit höheren Verlusten verbunden. Unter den Begriff ”lösbare Verbindung” fallen hier ausschließlich Verbindungen, bei denen zum Entfernen des Vibrationselements von der Formschale zunächst eine Haltekraft überwunden werden muss. Ein reines Anliegen des Vibrationselements an der Formschale wird im Rahmen dieser Anmeldung somit nicht als eine lösbare Verbindung zwischen der Formschale und dem Vibrationselement angesehen.
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Das Vibrationselement kann vorzugsweise als ein passives Vibrationselement ausgebildet sein. Als passives Vibrationselement wird hierbei ein Element verstanden, das erst durch äußeres Anregen mittels einer mechanischen Schwingung (zum Beispiel Schall) oder einer mechanischen Kraft zum Schwingen angeregt werden kann. Ein Element, das durch Stromzufuhr zum Schwingen angeregt wird (beispielsweise ein Motor oder Piezo), wird als aktives Vibrationselement, d. h. nicht als passives Vibrationselement, angesehen.
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Das passive Vibrationselement ist vorzugsweise dazu ausgelegt, mit einer Halbwertszeit von mindestens einer Sekunde, vorzugsweise mindestens fünf Sekunden und besonders vorzugsweise mindestens fünfzehn Sekunden, nachzuschwingen. Hiermit ist gemeint, dass das Vibrationselement, wenn es mit der Frequenz angeregt wird, bei der es die höchste Halbwertszeit der Schwingung hat, zumindest den vorangehend genannten Wert der Halbwertszeit aufweist. Die Halbwertszeit der Schwingung bezieht sich hierbei auf die Gießform im ungefüllten Zustand und bei Raumtemperatur. Um eine hinreichend große Einkopplung der im Vibrationselement gespeicherten Schwingungsenergie in die Formschale beim Rotieren derselben zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn die Halbwertszeit der Schwingung kleiner als 1000 Sekunden, vorzugsweise kleiner als 500 Sekunden und besonders vorzugsweise kleiner als 100 Sekunden ist.
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Das Vibrationselement kann eine Resonanzfrequenz von mindestens 10 Hz, vorzugsweise von mindestens 50 Hz und besonders vorzugsweise von mindestens 100 Hz aufweisen. Eine relativ hohe Vibrationsfrequenz hat sich als im besonderen Maße geeignet zur Verbesserung der Fließfähigkeit des Kunststoffpulvers erwiesen. Oberhalb einer Frequenz von 50 kHz hat sich herausgestellt, dass eine weitere Steigerung der Schwingungsfrequenz die Fließfähigkeit des Kunststoffpulvers nicht weiter erhöht. Daher ist es von Vorteil, wenn die Resonanzfrequenz des Vibrationselements kleiner als 1 MHz ist, vorzugsweise kleiner als 500 kHz, kleiner als 100 kHz und/oder kleiner als 50 kHz.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das passive Vibrationselement gabelförmig ausgebildet sein. Gabeln mit freischwingenden Zinken, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung ”Stimmgabeln” bekannt sind, sind besonders gut dazu geeignet, mechanische Schwingungen besonders lange zu speichern. Bei einer Stimmgabel kann die Schwingungsenergie über einen längeren Zeitraum über den Fuß der Gabel ausgekoppelt werden. Der Fuß der Gabel ist vorzugsweise mit der Rückseite der Formschale verbunden. Beispielsweise kann der Fuß der Gabel in der Formschale eingebettet sein.
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Unabhängig davon, ob ein passives oder aktives Vibrationselement vorhanden ist, ist es von Vorteil, wenn das Vibrationselement wärmebeständig bis zu einer Temperatur von mindestens 150°C, vorzugsweise mindestens 200°C und besonders vorzugsweise mindestens 300°C ist. In einigen Ausführungsformen kann sogar vorgesehen sein, dass das Vibrationselement bis zu einer Temperatur von mindestens 500°C wärmebeständig ist. Eine hohe Wärmebeständigkeit ist von Vorteil, da hierdurch das Vibrationselement zusammen mit der Gießform in einen Ofen zum Vorheizen der Gießform eingebracht werden kann. Bei Ausführungsformen einer Gießform, in denen das Vibrationselement unlösbar mit der Gießform verbunden ist, wäre ein Vorheizen der Gießform mittels eines Ofens ohne eine hinreichende Temperaturresistenz des Vibrationselements nicht möglich, und es müsste auf andere, aufwendigere Möglichkeiten zum Vorheizen der Gießform zurückgegriffen werden. Da dies nicht wünschenswert ist, ist die hinreichend hohe Temperaturresistenz bei unlösbar angebrachten Vibrationselementen von Vorteil. Auch bei lösbar angebrachten Vibrationselementen ist die hohe Temperaturresistenz vorteilhaft, da so das Vibrationselement im Normalbetrieb, d. h. im Betrieb zum Ausbilden von Formhäuten, nicht entfernt werden muss. Insbesondere ist es aufgrund der hohen Temperaturresistenz nicht erforderlich, das Vibrationselement nach dem Beheizen der Formschale im Ofen zu montieren. Dies wäre aufwendig, da ein die Montage durchführender Arbeiter die Montage besonders vorsichtig durchführen müsste, um Verbrennungen an der heißen Formschale zu vermeiden.
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Das Vibrationselement kann beispielsweise Nickel und/oder Edelstahl aufweisen oder vollständig aus Nickel oder Edelstahl bestehen. Diese Materialien haben sich insbesondere auf Grund ihrer Temperaturresistenz sowie ihrer Schwingungseigenschaften als besonders geeignet erwiesen.
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Das Vibrationselement ist, wie bereits erwähnt, auf der Rückseite der Formschale angeordnet. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Ort, an dem das Vibrationselement auf der Rückseite der Formschale montiert ist, und dem nächstliegenden Punkt auf der Vorderseite der Formschale ausschließlich das vorzugsweise kompakte hohlraumfreie Material der Formschale liegt. Hierdurch kann die Schwingungsenergie des Vibrationselements besonders effizient zur Vorderseite der Formschale geleitet und somit zur Verbesserung der Fließfähigkeit des Kunststoffpulvers verwendet werden.
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Das Vibrationselement kann insbesondere in einem Bereich der Formschale angeordnet sein, in dem ein Krümmungsradius der Formschale höchstens 15 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm beträgt. Ebenso kann das Vibrationselement in einem Bereich der Formschale angeordnet sein, in dem diese einen Nullradius aufweist. Mit einem ”Nullradius” ist eine scharfe Kante gemeint, die beispielsweise einen Krümmungsradius von unter 300 μm, unter 100 μm oder sogar unter 50 μm aufweisen kann. Mit der Formulierung ”in einem Bereich der Formschale angeordnet” ist gemeint, dass sich das Vibrationselement in einem Abstand von maximal 10 cm, vorzugsweise maximal 5°cm, besonders vorzugsweise maximal 3°cm von zumindest einem Punkt der Vorderseite der Formschale, in dem eine entsprechende Krümmung vorliegt, entfernt befindet. Das Vibrationselement kann auch in einem Bereich angeordnet sein, in dem die Formschale hinterschnitten ausgebildet ist. Sowohl stark gekrümmte Bereiche als auch hinterschnittene Bereiche führen zu besonders starken Problemen hinsichtlich der gleichmäßigen Verteilung des Kunststoffpulvers, weshalb die Einbringung von Vibrationsenergie in den entsprechenden Bereichen besonders hilfreich ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Vibrationselement derart angeordnet und die Formschale derart ausgebildet ist, dass bei schwingendem Vibrationselement die Schallfeldamplitude an einem Ort der Vorderseite der Formschale, an dem die Schallfeldamplitude maximal ist, mindestens das Doppelte, vorzugsweise mindestens das Fünffache und besonders vorzugsweise mindestens das Zehnfache der Schallfeldamplitude beträgt, die an einem Ort der Vorderseite der Formschale, an dem die Schallfeldamplitude minimal ist vorliegt. Ebenso kann die Schallfeldamplitude an einem Punkt der Vorderseite der Formschale, der im Bereich eines Hinterschnitts liegt und/oder in dem eine wie vorangehend angegeben hohe Krümmung vorliegt, mindestens das Doppelte, vorzugsweise mindestens das Fünffache und besonders vorzugsweise mindestens das Zehnfache einer Schallfeldamplitude an einem Ort der Vorderseite der Formschale betragen, an dem die Schallfeldamplitude minimal ist.
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Zusätzlich zu einer Gießform betrifft die Erfindung auch ein Gießformsystem. Dieses umfasst eine Gießform, die wie vorangehend beschrieben ausgebildet sein kann und die ein passives Vibrationselement aufweist. Zusätzlich zur Gießform umfasst das Gießformsystem einen Initiator, der dazu ausgebildet ist, das passive Vibrationselement zum Schwingen anzuregen. Der Initiator kann beispielsweise als ein Schallfelderzeugungssystem, beispielsweise ein Lautsprecher, ausgebildet sein. Über das Schallfelderzeugungssystem kann am Ort des Vibrationselements vor dem Einbringen des Kunststoffpulvers in die Gießform ein Schallfeld erzeugt werden, wobei dieses Schwingungsenergie in das Vibrationselement einbringt, die vom Vibrationselement gespeichert wird. Die gespeicherte Schwingung wird beim Rotieren der Gießform mit dem Pulverkasten vom Vibrationselement an die Formschale abgegeben. Ebenso kann der Initiator als ein motorisierter Schlägel ausgebildet sein, über den das Vibrationselement zur Initiierung der Vibration vor dem Rotieren angeschlagen werden kann.
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Zusätzlich zu einer Gießform und einem Gießformsystem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Formhaut mittels einer vorangehend beschrieben ausgebildeten Gießform oder eines wie vorangehend beschrieben ausgebildeten Gießformsystems. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Gießform vorgeheizt. Anschließend wird ein Kunststoffpulver in die Gießform eingebracht, und die Gießform wird zum Verteilen des Kunststoffpulvers rotiert, so dass eine Formhaut gebildet wird. Das Einbringen des Kunststoffpulvers kann beispielsweise durch Aufsetzen eines Pulverkastens erfolgen. Der Pulverkasten bleibt beim Rotieren der Gießform vorzugsweise mit der Gießform verbunden. Zumindest beim Rotieren der Gießform werden beim Rotieren durch das Vibrationselement Vibrationen in die Formschale der Gießform eingebracht.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass unter einem Kunststoffpulver ein partikelförmiges Kunststoffmaterial verstanden wird. Der Begriff ”Pulver” soll in diesem Zusammenhang nicht einschränkend hinsichtlich der Partikelgröße verstanden werden. Bei dem Kunststoffpulver kann es sich also um ein Material handeln, das üblicherweise als Granulat bezeichnet würde. Das Kunststoffpulver kann jedoch auch eine für Pulver übliche Körnungsgröße von < 200 μm, vorzugsweise < 100 μm, aufweisen.
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Das Vibrationselement kann beim Vorheizen der Gießform bereits an der Rückseite der Formschale befestigt sein. Dies verhindert, dass ein Montieren des Vibrationselements an einer bereits heißen Schale erforderlich wird.
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Als Kunststoffmaterial kann ein gemahlenes Kunststoffpulver eingebracht werden. Das Kunststoffmaterial kann beispielsweise TPU oder TPE aufweisen. Insbesondere kann das Kunststoffmaterial aus gemahlenem TPU bzw. TPE bestehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gießform und
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2a–2c die Gießform der 1 zu verschiedenen Zeitpunkten eines Verfahrens zur Herstellung einer Formhaut.
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In 1 ist eine Gießform 1 dargestellt, die eine Formschale 2 mit einer zu einem Formhohlraum 3 weisenden Vorderseite 4 und einer vom Formhohlraum 3 abgewandten Rückseite 5 aufweist. Die Gießform umfasst außerdem Vibrationselemente 6, 7, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel beide als Stimmgabeln ausgebildet sind. Die Stimmgabeln sind jeweils mit der Rückseite 5 der Formschale 2 verbunden, indem ein Fuß 8 der Vibrationselemente 6, 7 mit der Rückseite 5 verschweißt ist.
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Die Formschale 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel sowohl einen stark gekrümmten Bereich 9 als auch einen Vorsprung 10, welcher einen Hinterschnitt 11 aufweist, auf. Das erste Vibrationselement 6 ist im Bereich des stark gekrümmten Bereichs 9 und das zweite Vibrationselement 7 im Bereich des Vorsprungs 10 angeordnet.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die vorangehend beschriebene Gießform in einen Ofen 12 eingebracht. Im Ofen 12 liegt eine Temperatur von 400°C vor. In dem Ofen wird die Gießform 1, also sowohl die Formschale 2 als auch die Vibrationselemente 6, 7, auf eine Temperatur von 250°C erhitzt. Anschließend wird die Gießform aus dem Ofen 12 entnommen. Die Vibrationselemente 6, 7 werden anschließend mittels Initiatoren 13, 14 zum Schwingen angeregt. In dem Beispiel ist der Initiator 13 als ein Schlägel 15, der auf einer Achse 16 eines Motors 17 befestigt ist, ausgebildet. Mittels des Schlägels 15 kann das Vibrationselement angeschlagen und somit zum Schwingen angeregt werden.
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Der andere Initiator 14 ist im vorliegenden Beispiel als ein Lautsprecher ausgebildet. Mittels des Lautsprechers kann ein Schallfeld in das Vibrationselement 7 eingestrahlt werden, wodurch dieses zur Schwingung angeregt wird.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass selbstverständlich auch nur ein Vibrationselement oder mehr als zwei Vibrationselemente vorhanden sein können. Ebenso können selbstverständlich, sollten mehrere Vibrationselemente vorgesehen sein, diese mittels desselben Initiators oder mittels gleichartiger Initiatoren angeregt werden, anstatt mittels zweier verschiedener Initiatoren, wie dargestellt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Vibrationselemente 6, 7 eine Resonanzfrequenz von 440 Hz auf. Durch die Anregung durch die Initiatoren 13, 14 beginnen die Vibrationselemente 6, 7 mit dieser Resonanzfrequenz zu schwingen. Im unbefüllten Zustand der Gießform 1 beträgt eine Halbwertszeit, d. h. eine Zeit, bis zu der die in den Vibrationselementen 6, 7 gespeicherte Schwingungsenergie auf die Hälfte abgefallen ist, 20 Sekunden.
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Nach dem Initiieren der Schwingung der Vibrationselemente 6, 7 wird ein Pulverkasten 18, der ein pulverförmiges Kunststoffmaterial 19 beinhaltet, auf die Gießform 1 aufgesetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als pulverförmiges Kunststoffmaterial ein TPE-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 80 μm verwendet. Nach dem Aufsetzen des Pulverkastens 18 fällt das darin enthaltene Kunststoffpulver 19 auf die Vorderseite 4 der Formschale 2. Um das Kunststoffpulver 19 gleichmäßig auf der Vorderseite 4 der Formschale 2 zu verteilen, wird die Gießform 1 zusammen mit dem Pulverkasten 18 rotiert. Während der Rotation wird durch die Vibrationselemente 6, 7 die Oberfläche der Formschale 2 im Bereich des gekrümmten Bereichs 9 und der Erhöhung 10 in Schwingung versetzt. Hierdurch wird eine Fließfähigkeit des Kunststoffpulvers 19 erhöht, wodurch auch im gekrümmten Bereichs 9 und im Bereich der Erhöhung 10 eine Formhaut mit gleichmäßiger Schichtdicke ausgebildet wird.
