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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Umformwerkzeuganordnung, die Formwerkzeuge enthält, die zum Herstellen von Mikrobauteilen, wie z. B. Mikrozahnrädern, verwendet werden können. In den Formwerkzeugen wird ein Rohmaterial mit einem Metallpulver und einem Bindemittel, das Plastizität aufweist, zu einem Grünkörper mit einer Form ähnlich derjenigen des Mikrowerkstücks verdichtet.
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Hintergrundtechnik
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Seit kurzem gibt es bei der Herstelllung von digitalen Haushaltsgeräten, fortschrittlicher medizinischer Ausrüstung und IT-Geräten Tendenzen in Richtung einer Verringerung der Abmessungen und einer Erhöhung der Leistungsfähigkeiten der Geräte. Die Anforderungen zur Verringerungen von Abmessungen und Wanddicken sind daher für Bauteile solcher Vorrichtungen gestiegen. Obwohl Mikrobauteile grundsätzliche kleine Abmessungen und dünne Wände aufweisen, müssen diesbezüglich die Mikrobauteile noch kleiner sein und dünnere Wände aufweisen. Ein Herstellungsverfahren für solche Mikrobauteile ist in der
japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2006-344581 offenbart. In diesem Verfahren wird ein Rohmaterial mit einem Metallpulver und einem Bindemittel, das Plastizität aufweist, in ein Formwerkzeug gefüllt und mittels eines Stempels komprimiert, wodurch ein Grünkörper mit einer Form ähnlich derjenigen der Zielform gebildet wird. Der Grünkörper wird anschließend gesintert.
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Gemäß dem Herstellungsverfahren für Grünkörper, das in der
japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2006-344581 offenbart ist, wird das Rohmaterial in ausreichender Weise in einen Teil des Formwerkzeugs gefüllt, der einem dünnwandigen Teil der Zielform entspricht. Daher wird ein Grünkörper mit hoher Genauigkeit erhalten. Da in diesem Fall das Rohmaterial verschieden ist von einem Rohpulver, das in einem gewöhnlichen Pulvermetallurgieprozess verwendet, und Plastizität aufweist, ist das Rohmaterial schwierig zu verwenden. Das heißt, eine vorgegebene Menge des Rohmaterials muss direkt in das Formwerkzeug gefüllt werden, wobei dies die Schrittzahl im Prozess erhöht. Das Rohmaterial wird bei jedem Verdichten in das Formwerkzeug gefüllt, wie im Fall eines gewöhnlichen Umformens zum Verdichten eines Pulvers. Da jedoch im Fall des Formens eines Mikrobauteils die Menge an Rohpulver, die für eine Verdichtung benötigt wird, sehr klein ist, ist dieses Herstellungsverfahren nicht effizient.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände gemacht, wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Umformwerkzeuganordnung für Mikrobauteile zu schaffen. Gemäß der Umformwerkzeuganordnung wird ein Rohmaterial mit einem Metallpulver und einem Bindemittel, das Plastizität aufweist (im Folgenden als „Rohmaterial” bezeichnet), einfach den Formwerkzeugen zugeführt und somit effizient verdichtet, wobei ein Grünkörper erhalten wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Umformwerkzeuganordnung für Mikrobauteile, wobei die Umformwerkzeuganordnung ein Umformwerkzeug, einen Kolben und einen Stempel enthält. Das Umformwerkzeug ist mit einem Hohlraum, einem Speicherabschnitt zum Speichern eines Rohmaterials mit Plastizität und einem Stempelloch versehen, das den Hohlraum und den Speicherabschnitt verbindet, um dazwischen einen Durchgang auszubilden. Der Kolben ist so ausgebildet, dass er gleitend in den Speicherabschnitt eingesetzt ist und das im Speicherabschnitt gespeicherte Rohmaterial durch das Stempelloch in den Hohlraum füllt. Der Stempel ist in Gleitrichtung des Kolbens gleitend in den Kolben eingesetzt und öffnet und schließt den Durchgang durch hin und her gehendes Gleiten. Der Stempel verschließt den Durchgang und komprimiert das Rohmaterial in dem Hohlraum zu einem Grünkörper durch Gleiten in Richtung des Hohlraums.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das im Speicherabschnitt des Umformwerkzeugs gespeicherte Rohmaterial mittels des Kolbens in den Hohlraum gefüllt, wobei das Rohmaterial im Hohlraum mittels des Stempels zu einem Grünkörper verdichtet wird. Anschließend wird die Umformwerkzeuganordnung geöffnet, wodurch der Grünkörper erhalten wird. Durch Wiederholen der obigen Operation werden kontinuierlich Grünkörper erhalten. Das Rohmaterial wird in einer kleinen Menge dem Hohlraum mittels des Kolbens leicht zugeführt, wobei der Stempel nicht herausgezogen werden muss, wodurch der Grünkörper effizient hergestellt wird.
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In der vorliegenden Erfindung kann das Umformwerkzeug mit einem oberen Formwerkzeug und einem unteren Formwerkzeug versehen sein, wobei das oberer Formwerkzeug und das untere Formwerkzeug so angeordnet sein können, dass sie relativ vertikal miteinander in Kontakt gebracht und voneinander getrennt werden können. In diesem Fall kann der Speicherabschnitt an einem der oberen und unteren Formwerkzeuge ausgebildet sein. Der Hohlraum kann an wenigstens einer Seite des oberen Formwerkzeugs und des unteren Formwerkzeugs ausgebildet sein, wenn das obere Formwerkzeug und das untere Formwerkzeug miteinander in Kontakt gebracht sind.
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In der vorliegenden Erfindung kann der Grünkörper einen Flanschabschnitt und einen Schaftabschnitt aufweisen, wobei der Schaftabschnitt vom Flanschabschnitt hervorstehen kann.
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Außerdem ist in der vorliegenden Erfindung das Umformwerkzeug vorzugsweise mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen des Rohmaterials im Speicherabschnitt versehen, um die Fließfähigkeit des Rohmaterials zu verbessern und das Rohmaterial leicht in den Hohlraum zu füllen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Umformwerkzeuganordnung für Mikrobauteile geschaffen, bei der das Rohmaterial dem Umformwerkzeug leicht zugeführt wird und somit ein Grünkörper effizient erhalten wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Mikrozahnrad zeigt, das aus einem Grünkörper erhalten wird, der mittels einer Umformwerkzeuganordnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird.
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2A bis 2D sind Querschnittsansichten, die einen frühen Teil eines Umformschritts eines Grünkörpers unter Verwendung einer Umformwerkzeuganordnung einer Ausführungsform zeigen.
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3A bis 3D sind Querschnittsansichten, die den Rest des Umformschritts zeigen.
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4 ist eine Teilquerschnittsansicht eines unteren Formwerkzeugs, das für die Umformwerkzeuganordnung einer Ausführungsform vorgesehen ist.
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5A bis 5D sind Querschnittsansichten, die ein weiteres Beispiel eines frühen Teils eines Umformschritts einer Ausführungsform zeigen.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
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(1) Mikrozahnrad
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1 zeigt ein Mikrozahnrad (im folgenden als ”Zahnrad” bezeichnet) eines Mikrobauteils. Das Zahnrad 1 wird erhalten durch Sintern eines Grünkörpers, der mittels einer Umformwerkzeuganordnung einer Ausführungsform gebildet wird. Das Zahnrad 1 weist einen Stirnradabschnitt 3 und säulenartige Schaftabschnitte 4 und 5, die die gleiche Länge aufweisen, auf. Der Stirnradabschnitt 3 ist mit mehreren Zähnen 2 an dessen Außenumfangsoberfläche versehen. Jeder der Schaftabschnitte 4 und 5 erstreckt sich senkrecht auf der jeweiligen Seite von der Mitte des Stirnradabschnitts 3. Das Zahnrad 1 kann die folgenden Abmessungen aufweisen. Zum Beispiel weist der Stirnradabschnitt 3 einen Außendurchmesser D1 von mehreren hundert Mikrometern bis mehreren Millimetern auf, während die Schaftabschnitte 4 und 5 einen Durchmesser D2 von mehreren Dutzend bis mehreren hundert Mikrometern aufweisen.
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(2) Umformwerkzeuganordnung
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(2-1) Struktur
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Die 2A bis 2D und die 3A bis 3D zeigen Schritte zum Formen eines Grünkörpers des Zahnrades 1 mittels einer Umformwerkzeuganordnung einer Ausführungsform. Zuerst wird die Struktur der Umformwerkzeuganordnung mit Bezug auf die 2A bis 2D beschrieben. Wie in den 2A bis 2D gezeigt ist, bezeichnet ein Bezugszeichen 10 ein Umformwerkzeug, wobei das Umformwerkzeug 10 von einem oberen Formwerkzeug 20 und einem unteren Formwerkzeug 30 gebildet wird. Das obere Formwerkzeug 20 und das untere Formwerkzeug 30 sind vertikal beweglich vorgesehen und so angeordnet, dass die relativ vertikal miteinander in Kontakt kommen und voneinander trennen können.
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Das obere Formwerkzeug 20 weist eine Innenseite auf, die mit einem Speicherabschnitt 21 zum Speichern eines Rohmaterials versehen ist, wobei sich der Speicherabschnitt 21 in vertikaler Richtung erstreckt und eine Öffnung an der Oberseite aufweist. Der Speicherabschnitt 21 weist eine zylindrische Innenumfangsoberfläche auf, und besitzt einen verjüngten Abschnitt 21a am unteren Endabschnitt, wobei der verjüngte Abschnitt 21a eine konische Form aufweist, die nach unten verjüngt ist. Das obere Formwerkzeug 20 ist ebenfalls an der Innenseite mit einem oberen Stempelloch 22 versehen und weist eine horizontale untere Oberfläche 20a auf. Das obere Stempelloch 22 erstreckt sich vom unteren Ende des verjüngten Abschnitts 21a nach unten und weist eine Öffnung an der Seite der unteren Oberfläche 20a auf. Das obere Stempelloch 22 ist mit dem Speicherabschnitt 21 konzentrisch, wobei das obere Stempelloch 22 und der Speicherabschnitt 21 zwischen sich einen Durchgang 23 aufweisen. Das obere Stempelloch 22 weist einen Innendurchmesser auf, der so festgelegt ist, dass er den Durchmessern der Schaftabschnitte 4 und 5 des Zahnrades 1 entspricht.
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Der Speicherabschnitt 21 ist so geformt, dass er mit einem Rohmaterial P, das Plastizität aufweist, von der Öffnung an der Oberseite her gefüllt wird, wobei das Rohmaterial P gespeichert wird. Das Rohmaterial P kann ein Metallpulver sein, das gebildet wird durch Mischen von 40 bis 60 Vol.-% eines Bindemittels mit einem Metallpulver und durch Kneten derselben. Das Metallpulver kann ein Eisenpulver sein, während das Bindemittel aus einem thermoplastischen Kunstharz und Wachs gebildet sein kann.
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Der Speicherabschnitt 21 ist so geformt, dass ein Kolben 40 darin gleitend von der Öffnung an der Oberseite her eingesetzt wird. Der Kolben 40 weist eine Schaftmitte auf, durch die ein oberer Stempel 50 gleitend in einer vertikalen Richtung, die eine Gleitrichtung des Kolbens 40 ist, dringt. Der obere Stempel 50 weist einen unteren Endabschnitt auf, wobei der untere Endabschnitt gleitend in das obere Stempelloch 22 eingesetzt ist, wenn der obere Stempel 50 abgesenkt ist. In diesem Fall ist der Durchgang 23 durch den oberen Stempel 50 verschlossen. Durch Anheben des oberen Stempels 50 in einen Zustand, in dem der Durchgang 23 verschlossen ist, wird der obere Stempel 50 aus dem oberen Stempelloch 22 herausgezogen und der Durchgang 23 geöffnet, wie in 2B gezeigt ist.
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Das untere Formwerkzeug 30 weist eine horizontale obere Oberfläche 30a auf, die mit der unteren Oberfläche 20a des oberen Formwerkzeugs 20 in Kontakt gebracht werden kann. Das untere Formwerkzeug 30 ist mit einem zylindrischen Loch 31 versehen, das Öffnungen an beiden Enden aufweist. Das zylindrische Loch 31 ist so geformt, dass ein inneres Formwerkzeug 32 darin vertikal gleitend eingesetzt ist. Wie in 4 gezeigt ist, weist das zylindrische Loch 31 eine Innenumfangsoberfläche am oberen Endabschnitt auf, wobei die Innenumfangsoberfläche mit Innenzähnen 31a zum Formen von Zähnen 2 des Stirnradabschnitts 3 des Zahnrades 1 versehen ist. Das innere Formwerkzeug 32 weist ein Zentrum auf, das mit einem unteren Stempelloch 33 versehen ist, dass einen Innendurchmesser äquivalent zu den Durchmessern der Schaftabschnitte 4 und 5 des Zahnrades 1 aufweist. Das untere Stempelloch 33 ist so geformt, dass darin ein unterer Stempel 60 gleitend eingesetzt ist. Das innere Formwerkzeug 32 und der untere Stempel 60 sind koaxial mit dem Kolben 40 und dem oberen Stempel 50 an der Innenseite des oberen Formwerkezugs 20 angeordnet.
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(2-2) Umformschritt
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Als nächstes wird ein Umformschritt für einen Grünkörper des Zahnrades 1 unter Verwendung der Umformwerkzeuganordnung mit Bezug auf die 2A bis 2D und die 3A bis 3D beschrieben. Zuerst werden die untere Oberfläche 20a des oberen Formwerkzeugs 20 und die obere Oberfläche 30a des unteren Formwerkzeugs 30 in Kontakt gebracht und festgeklemmt. Anschließend wird der obere Stempel 50 in das obere Formwerkzeug 20 eingefügt, so dass sich das untere Ende des oberen Stempels 50 auf dem gleichen Niveau befindet wie die untere Oberfläche 20a, wodurch der Durchgang 23 verschlossen wird. Als nächstes wird das Rohmaterial P dem Speicherabschnitt 21 zugeführt, bis der Speicherabschnitt 21 nahezu gefüllt ist, wobei das vordere Ende des Kolbens 40 in den Speicherabschnitt 21 eingeführt wird. Andererseits wird das innere Formwerkzeug 32 niedriger positioniert als das untere Formwerkzeug 30, so dass die Innenzähne 31a am oberen Endabschnitt des zylindrischen Lochs 31 freiliegen. Außerdem wird der untere Stempel 60 stärker abgesenkt als das innere Formwerkzeug 32, um somit einen Hohlraum 11 zu bilden, der dem Stirnradabschnitt 3 und dem Schaftabschnitt 5 an der unteren Seite des Zahnrades 1 entspricht (2A).
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Als nächstes wird der obere Stempel 50 angehoben und aus dem oberen Stempelloch 22 herausgezogen, wodurch der Durchgang 23 geöffnet wird. Somit sind der Hohlraum 11 und der Speicherabschnitt 21 über das obere Stempelloch 22 verbunden. Das obere Stempelloch 22 dient als Teil des Hohlraums 11. In diesem Zustand wird der Kolben 40 niedergedrückt, wodurch eine benötigte Menge an Rohmaterial P aus dem Durchgang 23 in den Hohlraum 11 mit einem kreuzförmigen Querschnitt, der das obere Stempelloch 22 enthält, gefüllt wird (2B).
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Anschließend wird der obere Stempel 50 niedergedrückt, um den Durchgang 23 zu verschließen, wobei der oberer Stempel 50 werter niedergedrückt wird, um das Rohmaterial P im Hohlraum 11 zu verdichten (2C und 2D). Somit werden der Stirnradabschnitt 3 und der Schaftabschnitt 5 an der Unterseite des Zahnrades 1 an der Seite des unteren Formwerkzeugs 30 des Hohlraums 11 ausgebildet, während der Schaftabschnitt 4 an der Oberseite des Zahnrades 1 an der Seite des oberen Formwerkzeugs 20 des Hohlraums 11 (an einem Teil des oberen Stempellochs 22) ausgebildet wird. Dementsprechend wird ein Grünkörper 1A eines Zahnrads 1 gebildet.
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Nachdem der Grünkörper 1A im Umformwerkzeug 10 wie oben beschrieben gebildet worden ist, wird das Umformwerkzeug 10 geöffnet, um den Grünkörper 1A herauszuziehen. In diesem Fall wird das obere Formwerkzeug 20 angehoben, so dass sich die untere Oberfläche 20a auf dem selben Niveau befindet wie die unterer Stirnfläche des oberen Stempels 50, wodurch der Schaftabschnitt 4 an der Oberseite des Zahnrades 1 freigelegt wird (3A). Anschließend wird die Gesamtheit der Strukturkomponenten an der Seite des oberen Formwerkzeugs 20 angehoben (3B). Als nächstes wird das untere Formwerkzeug 30 abgesenkt, um den Stirnradabschnitt 3 freizulegen (3C). Außerdem werden nun das untere Formwerkzeug 30 und das innere Formwerkzeug 32 weiter abgesenkt, wobei der untere Stempel 60 angehoben wird, wodurch der Schaftabschnitt 5 an der Unterseite des Zahnrades 1 nach oben aus dem unteren Stempelloch 33 herausgezogen wird (3D). Somit wird der Grünkörper 1A für die nachfolgenden Schritte aus der Umformwerkzeuganordnung entfernt.
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Die Seite des oberen Formwerkzeugs 20 wird unverändert. abgesenkt. Auf der Seite des unteren Formwerkzeugs 30 wird das untere Formwerkzeug 30 angehoben, so dass es mit dem oberen Formwerkzeug 20 in Kontakt gebracht wird, wobei das innere Formwerkezug 32 und der untere Stempel 60 abgesenkt werden, um den Hohlraum 11 zu bilden. Dementsprechend wird wieder der in 2A gezeigte Zustand erhalten. Durch Wiederholen der obigen Operation wird ein Grünkörper 1A gebildet. Eine solche Umformoperation des Grünkörpers 1A wird wiederholt, bis das Rohmaterial P im Speicherabschnitt 21 aufgebraucht ist.
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(2-3) Wirkungen
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Gemäß der Umformwerkzeuganordnung der obigen Ausführungsform wird der obere Stempel 50 angehoben, um somit den Durchgang 23 zu öffnen, wobei das Rohmaterial P, das im Speicherabschnitt 21 im Umformwerkzeug 10 gespeichert ist, mittels des Kolbens 40 in den Hohlraum 11 gefüllt wird. Als Nächstes wird der obere Stempel 50 niedergedrückt, um somit den Durchgang 23 zu verschließen, wobei das Rohmaterial P im Hohlraum 11 anschließend mittels des oberen Stempels 50 verdichtet wird. Anschließend wird die Umformwerkzeuganordnung geöffnet, wodurch ein Grünkörper 1A erhalten wird. Durch Wiederholen dieser Operation werden nacheinander Grünkörper 1A erhalten. Eine kleine Menge des Rohmaterials P wird leicht in den Hohlraum 11 gefüllt, indem der Kolben 40 niedergedrückt wird, ohne den oberen Stempel 50 herauszuziehen. Selbst wenn dementsprechend die Menge des Rohmaterials P bei einer Umformung klein ist, wird der Grünkörper 1A effizient hergestellt.
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(3) Weiteres Beispiel des Umformschritts
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Die 5A bis 5D zeigen ein weiteres Beispiel des frühen Teils des Umformschritts der in den 2A bis 2D in der obigen Ausführungsform gezeigt ist. In diesem Fall, wie in 5B gezeigt ist, wird der Hohlraum 11 an der Seite des unteren Formwerkzeugs 30 durch stärkeres Absenken des inneren Formwerkzeugs 32 als in dem in 2B gezeigten Fall gebildet. Daher weist ein Abschnitt zum Ausbilden des Stirnradabschnitts 3 eine größere Dicke auf. Der Abschnitt zum Ausbilden des Stirnradabschnitts 3 wird durch Anheben des inneren Formwerkzeugs 32 beim Verdichten axial direkt verdichtet, wie in 5D gezeigt ist. Anschließend wird eine Operation ähnlich derjenigen, die in den 3A bis 3D gezeigt ist, durchgeführt, wobei ein Grünkörper 1A erhalten wird. Außerdem kann das innere Formwerkzeug 32 in einen inneren Abschnitt und einen äußeren Abschnitt unterteilt sein. In diesem Fall wird ein Zahnrad mit kleinerem Durchmesser unter dem Stirnradabschnitt 3 ausgebildet, wodurch ein zweistufiges Zahnrad gebildet wird.
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(4) Variationen der vorliegenden Erfindung
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In den obigen Ausführungsformen wird das Zahnrad 1 als ein Mikrobauteil gebildet, das die Schaftabschnitte 4 und 5 an beiden Seiten des Stirnradabschnitts 3 aufweist. Zusätzlich zu dem Mikrobauteil mit den Schaftabschnitten an beiden Seiten des Stirnradabschnitts 3 kann ein Mikrobauteil gebildet werden, dass den Schaftabschnitt an einer Seite des Stirnradabschnitts 3 aufweist. Alternativ kann ein Mikrobauteil gebildet werden, das nur den Stirnradabschnitt 3 aufweist. Andererseits kann ein Mikrobauteil so gebildet werden, dass es Schaftabschnitte an beiden Seiten eines einfachen scheibenförmigen Flanschabschnitts anstelle des Stirnradabschnitts 3 aufweist. In diesem Fall kann ein Mikrobauteil so gebildet werden, dass es einen Schaftabschnitt an einer Seite des Flanschabschnitts aufweist. Außerdem kann ein Mikrobauteil in einer einfachen Scheibenform gebildet werden.
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Ferner ist das obere Formwerkzeug 20 mit dem Speicherabschnitt 21 vorzugsweise mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen des Rohmaterials P im Speicherabschnitt 21 versehen. Durch Erwärmen des Rohmaterials P mit dieser Heizeinrichtung wird die Fließfähigkeit des Rohmaterials P erhöht, wobei das Füllen des Rohmaterials P in den Hohlraum gleichmäßig und in ausreichender Weise durchgeführt wird. In diesem Fall ist die Heiztemperatur so eingestellt, dass sie nahe dem Erweichungspunkt des thermoplastischen Harzes liegt, das dem Bindemittel des Rohmaterials zugesetzt ist. Es ist zu beachten, dass die Heizeinrichtung sowohl am oberen Formwerkzeug 20 als auch am unteren Formwerkzeug 30 vorgesehen sein kann, um den Hohlraum zu heizen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2006-344581 [0002, 0003]
