JP2009507685A

JP2009507685A - 少なくとも１つの独立した可動な部分と固定部分とから成る物体を製造するための方法

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Publication number: JP2009507685A
Application number: JP2008530361A
Authority: JP
Inventors: フィナーギド; ハウセルトユルゲン; プレーヴァクラウス; ピオッターフォルカー; ラートシュテフェン; ループレヒトローベルト
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2009-02-26
Also published as: ATE538889T1; US20090039547A1; WO2007031183A1; EP1934007B1; DE102005043772A1; EP1934007A1

Abstract

本発明は、固定部分に対して可動に位置決めされた、少なくとも１つの独立した部分より成る物体を製造するための方法に関する。このために、まず、成形しようとする各部分のためにそれぞれ１つのキャビティを有する工具を準備し、これらのキャビティがそれぞれ、粉末状の焼結材料と結合剤とを含有する硬化可能な又は凝固する成形材料で満たす。この成形材料を凝固させた後で、各キャビティ内にそれぞれ成形しようとする部分（この部分は次いでこのキャビティから離型される）を形成する。次いで離型された部分を固定部分内にもたらし、それによって物体を形成し、この物体を熱処理することによって、少なくとも１つの部分が固定部分に対して可動となる。物体を、互いに可動に結合された少なくとも２つの独立した部分（これらの部分が１つの固定部分内に互いに位置決めされている）より製造するために、工具を２つの工具半部に分離する分離面を有する工具を準備し、この工具内に、前記部分を互いに分離するためのキャビティが、２つの工具半部のうちのそれぞれ一方内にそれぞれ交互に分離して配置されている。

Description

本発明は、少なくとも１つの独立した部分と固定部分とから成る物体を製造するための方法で、この場合、独立した部分が固定部分に対して可動に位置決めされている方法に関する。少なくとも２つの独立した部分が設けられている場合、これら２つの部分は、互いに可動に結合されて、固定部分内で互いに位置決めされている。

ドイツ連邦共和国特許公開第３３４０１２２号明細書によれば、少なくとも１つの固定部分内に互いに定置に位置決めされた、互いに可動な独立した少なくとも２つの部分より成る物体を、射出成形で製造するための方法が公知である。この公知の方法においては、互いに結合された可動な部分を製造するために、種々異なるプラスチックが使用されている。このために、まずキャビティ内で射出成形品が形成される。この射出成形品は、キャビティから取り出され、同じ工具内のより大きいキャビティ内に挿入されるか、又はキャビティが工具運動によって拡張される。相容性の（kompatibler）プラスチックを選択することによって、２つの成分は材料結合することはなく、構成部分は互いに可動な状態に維持される。選択的に、第２の成分を処理温度の下限で処理することによって、同じプラスチックを使用することによって可動性が得られる。このために、低い処理温度で２つの成分を使用するか、又は最初に射出しようとする部分のための成分を高い処理温度に短時間さらすようにすれば、有利である。ルーズな（緩い）結合は、プラスチックのために一般的な熱収縮発生時に生じる。このような方法は、セラミックの成形材料又は金属より成るルーズな（緩い）複合体を製造するためには適していない。何故ならば、プラスチックの不相容性は、このような方法（熱処理を有していない）のための前提だからである。

ドイツ連邦共和国特許第１９６５２２２３号明細書によれば、１つの材料複合体にまとめられている、少なくとも２つの異なる材料より成る微細加工された成形体が開示されている。また、この公知の明細書には、適当な素材的な組成若しくは材料の部分容積内における種々異なる粒子含有量によって、歪みのない接合ゾーンを調節する点について開示されている。例えば中空体を生ぜしめるために、純粋な結合剤が使用される。可動な構成部材の製造は開示されていない。

Im Artikel "Spritzgiessen ersetzt die Montage",VDI-Nachrichten vom 22.10.2004, Seite 30,（論文「射出成形が組み立てを代用する」、ＶＤＩ通信、２００４年１０月２２日、第３０頁）によれば、マイクロ伝動装置（遊星歯車伝動装置）を製造するための方法について記載されている。２成分射出成形によって、大陽歯車及び遊星歯車が、接着性のないプラスチックより射出成形され、次いでカバープレート及び軸と共に射出成形で埋め込まれる。プラスチック（このプラスチックからカバープレート及び軸も製造される）の収縮特性、非相容性及び成形部分ジオメトリによって、歯車は軸上で可動に保たれる。しかも、伝動装置を２つの歯車と１つの固定部分とから製造するために３回の射出過程が必要となる。

そこで本発明の課題は、少なくとも１つの独立した部分と固定部分とから成る物体（この場合、少なくとも１つの独立した部分が固定部分に対して可動に位置決めされている）を製造するための方法を改良して、前記のような欠点及び限定を有していないような方法を提案することである。特にこの方法は、物体の部分の成形後の操作技術及び調整技術を軽減するか又は不要にするために、射出成形又は熱間成形を用いて１回の作業段階で、物体を、金属、ガラス又はセラミックの成分より製造することができなければならない。

この課題は、請求項１又は請求項に記載した方法段階によって解決された。従属請求項には、本発明の有利な実施態様が記載されている。

物体を製造するための本発明の方法は、次のような方法段階ａ）乃至ｅ）を有している。

まず段階ａ）で、成形しようとする各部分のためにそれぞれ１つのキャビティを有する工具を準備する。

少なくとも２つの独立した部分より成る物体を製造するために、工具はさらに、この工具を２つの工具半部に分割する分離面を有している。重要なことは、この分離面に関連したキャビティの配置である。キャビティは、前記分離面を基準にして上側又は下側にそれぞれ交互に相並んで次のように、つまりキャビティが２つの工具半部のうちのそれぞれ一方内に交互に位置して、この場合キャビティが互いに分離されるように、配置されている。

次いで段階ｂ）で、少なくとも１つのキャビティを、粉末状の焼結材料を含有する硬化可能な又は凝固する成形材料で満たす。この成形材料の凝固後に、少なくとも１つのキャビティ内にそれぞれ成形しようとする部分を形成する。

本発明による方法の有利な実施態様によれば、このために、射出成形又は熱間成形するための材料を少なくとも１つの射出ユニットから、少なくとも１つの通路を介して同時に又は相前後してキャビティ内に供給するようになっている。このために、特に２成分又はそれ以上の成分の射出成形が適している。

次いで段階ｃ）で、それぞれ形成された部分を少なくとも１つの前記キャビティから離型する。

特に有利な実施態様によれば、工具は、成形しようとする部分を収容するために固定部分を有している。それによって、物体は既に段階ｂ）又はｃ）で成形され、次の段階ｄ）を省くことができる。

工具が予め、成形しようとする部分を受容するための固定部分を有していなければ、離型に続いて、段階ｄ）で、部分を固定部分内に又は有利にはキャビティ（この固定部分又はキャビティを満たすことによって離型される）内にもたらす。

有利な実施態様によれば、このために、離型された部分は、固定部分上に組み付けられるか又は固定部分に接合される。

有利な実施態様によれば、すべての離型された部分は、工具内に同様に存在する、少なくとも１つの別のキャビティ内に移送され、この別のキャビティを充填することによって離型される。部分の形状付与が行われるキャビティから別のキャビティに部分を移送する作業は、有利な形式でガイドエレメントによって行われ、このガイドエレメントは、移送後に全体が又は一部が少なくとも１つの別のキャビティ内に残っていてよい。ガイドエレメントが離型される箇所において、別のキャビティの拡大が行われ、この拡大された別のキャビティを充填することによって、少なくとも１つの部分と固定部分との間の付加的な結合が行われる。それと同時に、ガイドエレメント又は部分は、より簡単な操作技術を得るために、エジェクタとして用いられる。

次いで、段階ｅ）で、まだ完成されていない物体（圧粉体と称呼される）は、熱処理にさらされ、特に結合解除（Entbinderung）され、次いで焼結される。このために、種々異なる成形材料（原料；Feedstockと称呼され、結合剤と所望の材料より成る粉末とから成っている）が工具内に射出されて、互いに接触されるようになっている。これらの部分は、同じ原料より射出成形されてもよい。成形材料を、金属、ガラス又はセラミックより成る部分に変換するために、形状付与後に、水、オリゴマー、ポリマー又は混合システムをベースとした結合剤を取り除き、粉末を、一般的に堅固な（密な）材料に焼結させ、この際に、収縮を行う必要がある。この収縮によって、物体は、少なくとも１つの射出成形された部分（同様に圧粉体と称呼される）に対して縮小される。

種々異なる成分より成る物体を焼結できるようにするために、材料は焼結温度と同じ温度を有しているか、又は早期に焼結する成分（伝動装置の設計に基づいて、より高い温度で焼結する成分よりも早期に収縮することができる）を有していなければならない。可動な部分及び固定部分のために用いられた材料の焼結収縮における差によって、部分間相互の、並びに可動な部分と固定部分との間の遊び及び間隔が調節される。多くの場合、固定部分が可動な部分よりも大きく収縮するようになっていれば、有利である。焼結収縮は、焼結材料において一般的に１０％〜２５％であり、これに対してプラスチックにおける熱収縮は最大で３％である。

本発明によれば、可動な部分は、金属、合金、（混合（セラミック又はガラス）より製造される。有利な形式で、硬質金属、硬化可能な金属又は鋼、硬質又は粘性のセラミック、窒化珪素又は炭化珪素が使用される。特に、伝動装置（歯車）又はジョイント内の可動な部分のために、硬化された鋼（有利には１７−４ＰＨ）又は粘性のセラミック、特にジルコン二酸化物が適している。

固定部分のための材料としては、有利には硬質金属（例えば炭化タングステン・コバルト）、硬化された金属、硬質セラミック（特に酸化アルミニウム）、窒化珪素又は炭化珪素が使用される。しかしながら固定部分は、必ずしも焼結材料より成っていなくてもよい。この場合、勿論、固定部分が予め工具に直接挿入されていれば、有利である。

本発明の主要な利点は、可動な部分と固定部分とが耐摩耗性の及び／又は硬質の材料より成っていてよい、という点である。また、これらの部分は形状付与及び焼結後に組み付ける必要がない。マイクロ（極小）寸法においても、これらの部分の操作及び調整は、要求された精度のために非常に安価に実施することができる。圧粉体の組み立ては、原料が結合剤及び高い粉体充填率に基づいて、強度の低い材料を扱っていることによって、付加的に困難となる。

本発明による方法は、マイクロシステム技術、粉体射出成形、２成分粉体射出成形、（遊星歯車伝動装置、ボールジョイント、軸受、リニアガイドその他のための）伝動装置技術、伝動装置構造を形成する製造技術において使用するのに適している。本発明による方法は、伝動装置の可動な部分を、形状付与法を実施している間に既に互いに１対にして、可動な部分を支承するためのハウジング内に組み込むことができる。

以下に図示の実施例を用いて本発明を具体的に説明する。

図１は、歯車伝動装置（遊星歯車伝動装置）の圧粉体を製造するための工具の概略図であって、
図１ａは横断面図、
図１ｂはキャビティ上の種々異なる面を示す平面図、
図２は、歯車の離型、及び互いに向き合った位置決めを示し、
図３は、別のキャビティ内における歯車の固定を示し、
図４は、２つの外側の歯車からのエジェクタの取り除きを示し、
図５は、別のキャビティを充填することによる固定部分の成型を示し、
図６は、対象物の圧粉体を示す。

従来では、原料を製造するための試み、及びこの原料を、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、混合セラミックＺＴＡ，鋼１７−４ＰＨ及び３１６Ｌより成る１成分部分に粉末射出成形する試みがなされており、その収縮量が、粉末の粒子の大きさ、形状及び濃度によって調節される。水、オリゴマー、ポリマー又は混合システムをベースとした同じ及び異なる結合剤が使用されている。

第１実施例は、図６に示したように、２成分射出成形による歯車伝動装置の製造について記載されている。

このために、図１ａに概略的に示された工具が使用されており、この工具は、製造しようとする３つの歯車１１，１１′，１２のための３つのキャビティを有しており、これらのキャビティは、図１ｂに示したように、別個に相並んで、しかも軸方向にずらして配置されている。工具はさらに、１つの分離面を有しており、この分離面は、工具を２つの工具半部１，２に、つまりエジェクタ側の工具半部１とノズル側の工具半部２とに分割している。この場合、歯車１１，１１′のための外側の２つのキャビティはエジェクタ側の工具半部１内の第１平面上に配置されていて、歯車１２のための中央のキャビティは、前記第１平面の上側に位置する、ノズル側の工具半部２内の第２平面に配置されている。

第１の原料を酸化ジルコニウム粉末と共に射出することによって、歯車１１，１１′、１２のための３つのキャビティがほぼ同時に原料で満たされる。原料の硬化後に、工具は、エジェクタ側の工具半部１とノズル側の工具半部２との間の分離面で工具が開放され、それによって全３つの歯車１１，１１′，１２がキャビティから離型され、歯車ジオメトリ（歯車の幾何学形状）が露出され、これに対して３つの歯車１１，１１′，１２はまだエジェクタ３，５，５，′上に載っている。エジェクタ５，５′は、歯車１１，１１′、１２の、それぞれ内径に接触している。エジェクタは段付けされている。つまりエジェクタはエジェクタスリーブ４，４′を備えているので、エジェクタスリーブの端面側の力が歯車に働くと、エジェクタの離型が促進される。

図２に概略的に示されているように、離型の際に、エジェクタ２，５，５′は３つの歯車１１，１１′，１２のすべてを、エジェクタ側の工具半部１とノズル側の工具半部２との間の分離面を越えて突き出し、それによって、全３つの歯車１１，１１′，１２は、第３平面に位置し、それによって噛み合い状態にある。

次いで、図３の概略図によれば、歯車１１，１１′，１２は、歯車を固定するためのキャビティを有する工具ジョー６によって包囲されていて、エジェクタ５，５′は外側の歯車１１，１１′から引き抜かれ、これに対して内側のエジェクタ３は図４に概略的に示されているように、中央の歯車１２内に残っている。工具ジョー６は、外側の歯車１１，１１′のハブの領域内で固定部分のためのキャビティ１３を有している。有利な形式で、中央のエジェクタ３の構成は、歯車１２のハブ内に差し込まれる領域内が円形ではなく、楕円形又は角張った形状に成形されているので、熱処理後に駆動軸は、中央の歯車１２内に形状結合（形状による束縛）的に差し込まれる。

３つの歯車１１，１１′，１２のすべてを包囲する工具ジョー６は、この状態で歯車１１，１１′，１２が位置する第３平面の上側及び下側で、それぞれ歯車１１，１１′，１２とは反対側において第２の原料（アルミニウム粉末を含有する）が射出される。射出ポイントは任意に位置決めされるが、有利には射出ポイントは位置２１に位置決めされている。この場合、第２の原料は、工具ジョー６内のキャビティ及び、引き出されたエジェクタ５，５′によって露出した、外側の歯車１１，１１′内のキャビティの容積を満たし、それによって歯車の軸が形成される。第１の原料より成る歯車のハブの領域内で、第２の原料が第１の原料に接触し、この場合、２つの原料が混合されることはない。

工具ジョー６の有利な構成によれば、工具ジョー６は２重壁状に構成されている。この場合、２つの壁間の室及び、２つの外側の歯車１１，１１′の軸が、第２の原料で満たされる。この場合、第２の原料の外側の型を制限するための別の工具は必要ない。これによって第２の原料は、伝動装置の固定部分１４も形成する。固定部分１４は後で、伝動装置のハウジングとして用いられる。

第２の原料の硬化後に、図５で概略的に示されているように、２つの原料より成る圧粉体から工具ジョー６が抜き出される。原料内に同じ又は類似の結合剤を使用することによって、解放特性が規定される。適当な粉体粒子分布、粉体粒子充填率及び粉体粒子形状によって２つの原料は、部分（歯車）１１，１１′，１２及び固定部分１４のために同じ大きさであるか又は固定部分１４のためにほぼ同じ値である焼結収縮を有する、同じ焼結温度で焼結される。

酸化ジルコニウム部分が酸化アルミニウム部分に付着すると、酸化ジルコニウムは、伝動装置の最初の運動時に可溶性の結合部に変化する。

第２実施例は、第１実施例の変化例を示しており、この場合、図６に示した歯車は３成分・射出成形により製造される。

この場合、歯車１１，１１′，１２の形状付与は第１実施例と同様に行われる。同時にハウジングとして用いられる固定部分１４は同じ形式で成形される。しかしながらハウジングのための第２の原料の射出中に、すべてのエジェクタ３，５，５′は歯車１１，１１′，１２のハブ内に残る。次いで外側の歯車１１，１１′のためのエジェクタ５，５′が引き出され、自由になった中空室が第３の原料で満たされる。この第３の原料は、２つの外側の歯車１１，１１′の軸の容積を占める。第３の原料は、第２の原料と同様にアルミニウム粉末を有しているが、このアルミニウム粉末の粉末充填率及び／又は粉末粒子分布は、焼結時に第１の原料又は第２の原料よりも大きい収縮を可能にする。それによって、歯車１１，１１′と軸との間の小さいエアギャップが実現される。軸の長さは、工具の形状によって、焼結収縮に適合するように寸法設計されている。第２の原料は、第１の原料に対して同じか又はやや小さい焼結収縮を有している。焼結収縮の差によって、歯車と固定部分との間の遊び及び間隔が調節される。

以下に、工具及び伝動装置の特別な実施態様が記載されている。

工具を、エジェクタ側の工具半部１上にターンテーブルを有する３プレート型工具として構成すれば有利である。歯車１１，１１′，１２の形状付与後及び工具の開放後に、歯車１１，１１′，１２からノズルシステム及び分配システムの分離が行われる。次いでエジェクタ側の工具半部１が、ターンテーブルによって歯車１１，１１′，１２を工具ジョー６の方向に回転させる。工具ジョー６は、ノズル側、エジェクタ側の工具半部１，ノズル側の工具半部２又は工具の外側に固定される。工具の特別な構成によって、固定部分１４（ハウジング）の形状付与中に、若しくは有利な形式でノズル側の工具半部２上に配置された、歯車ジオメトリのキャビティ内の軸の形状付与中に既に、次の歯車の成形を行うことができるようになっている。

歯車の端面とハウジングのハブ領域との間に大きいギャップを調節したい場合には、少なくとも２つの可能性が提供される。第１の可能性は、工具ジョー６の力及び焼結収縮の力、並びに第１の原料と第２の原料との間の焼結収縮の差によって、ギャプが規定される。

他方では、歯車に、若しくは歯車の端面又はハブの領域内のハウジングに、小さい角錐形（ピラミッド形）又は円錐形のマイクロ隆起部を一体成形することができる。例えば種々異なる鋼を使用した場合におけるように、角錐形又は円錐形の先端の領域において歯車とハウジングとが共に焼結されても、圧粉体の状態で又は焼結された状態で、歯車とハウジングとの間にトルクを加えることによって、小さい角錐形又は円錐形に基づいて結合が容易に破壊される。

歯車伝動装置（遊星歯車伝動装置）の圧粉体を製造するための工具の概略図であって、ａは横断面図、ｂはキャビティ上の種々異なる面を示す平面図である。歯車の離型、及び互いに向き合った位置決めを示す断面図である。別のキャビティ内における歯車の固定を示す断面図である。２つの外側の歯車からのエジェクタの取り除きを示す断面図である。別のキャビティを充填することによる固定部分の成形を示す断面図である。対象物の圧粉体を示す断面図である。

符号の説明

１エジェクタ側の工具半部、２ノズル側の工具半部、３中央部分のためのエジェクタ、４，４′ 外側部分のためのエジェクタスリーブ、５，５′ 外側部分のためのエジェクタ、６固定部分のためのキャビティを備えた工具ジョー、１１，１１′ 外側部分（歯車）、１２中央部分（歯車）、１３固定部分のためのキャビティ、１４固定部分、２１射出ポイント

Claims

固定部分に対して可動に位置決めされた、少なくとも１つの独立した部分より成る物体を製造するための方法において、
ａ）成形しようとするそれぞれの部分のためのそれぞれ１つのキャビティを有する工具を準備し、
ｂ）少なくとも１つのキャビティを、粉末状の焼結材料と結合剤とを含有する硬化可能な又は凝固する成形材料で満たし、この成形材料を凝固させ、それによって少なくとも１つのキャビティ内にそれぞれ成形しようとする部分を形成し、
ｃ）それぞれ形成された部分を少なくとも１つの前記キャビティから離型し、
ｄ）離型した少なくとも１つの部分を前記固定部分内にもたらし、それによって物体を形成し、
ｅ）前記物体を熱処理して、少なくとも１つの部分を前記固定部分に対して可動にする、
とうい段階を有することを特徴とする、少なくとも１つの独立した可動な部分と固定部分とから成る物体を製造するための方法。
固定部分に対して可動に位置決めされた、すくなくとも１つの独立した部分より成る物体を製造するための方法において、
ａ）固定部分と、成形しようとするそれぞれの部分のためのそれぞれ１つのキャビティとを有する工具を準備し、
ｂ）少なくとも１つのキャビティを、粉末状の焼結材料と結合剤とを含有する硬化可能な又は凝固する成形材料で満たし、この成形材料を凝固させ、それによって少なくとも１つのキャビティ内にそれぞれ成形しようとする部分を形成し、
ｃ）それぞれ形成された部分を少なくとも１つの前記キャビティから離型し、
ｅ）物体を熱処理して、少なくとも１つの部分を前記固定部分に対して可動にする、
という段階を有することを特徴とする、少なくとも１つの独立した可動部と固定部分とから成る物体を製造するための方法。
固定部分内に互いに位置決めされた、互いに可動に結合された独立した少なくとも２つの部分より成る物体を製造し、該物体を製造するために、工具を２つの工具半部に分離する１つの分離面を有する工具を準備し、キャビティを互いに分離してそれぞれ交互に、２つの工具半部の一方内に配置する、請求項１又は２記載の方法。
互いに可動に結合された独立した少なくとも２つの部分を、キャビティの充填後に１つの面に配置し、この際に前記２つの部分が、互いに接触することなしに噛み合うようにする、請求項３記載の方法。
材料を射出成形又は熱間成形するために、少なくとも１つの射出ユニットから少なくとも１つの通路を介して少なくとも１つのキャビティに供給する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
離型した部分を、別の工具内に存在する少なくとも１つの別のキャビティ内に移送し、該別のキャビティを別の材料で充填することによって固定部分を離型する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
少なくとも２つの材料を、２成分又はそれ以上の成分を射出成形することによって供給する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
少なくとも１つの部分と固定部分との間にまず堅固な結合部を形成し、この結合部を、物体の熱処理によって、少なくとも１つの部分と固定部分との間の間隔内に移行させ、それによって前記少なくとも１つの部分を前記固定部分に対して可動にする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
離型した部分をガイドエレメントによって移行させる、請求項７又は８記載の方法。
移行後に、全部又は一部を少なくとも１つの別のキャビティ内に残す、請求項９記載の方法。
物体を前記段階ｅ）で結合解除し、焼結する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。