Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus mindestens zwei selbständigen, gegeneinander beweglich verbundenen Zahnrädern, die in einem Fixierteil zueinander positioniert sind.
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Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus mindestens zwei selbständigen, gegeneinander beweglich verbundenen Zahnrädern, die in einem Fixierteil zueinander positioniert sind, vorzuschlagen, das die oben genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist. Insbesondere soll dieses Verfahren die Herstellung eines Gegenstandes aus metallischen, glasartigen oder keramischen Komponenten mittels Spritz- oder Heißgießen in einem Arbeitsgang ermöglichen, um Handhabungs- und Justagetechnik nach dem Formen der Teile des Gegenstandes zu verringern oder zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, umfasst die Schritte a) bis e).
Zunächst wird gemäß Schritt a) ein Werkzeug bereitgestellt, das jeweils eine Kavität zur Aufnahme eines der zu formenden Zahnräder aufweist.
Zur Herstellung eines Gegenstandes aus mindestens zwei selbständigen Zahnrädern besitzt das Werkzeug weiterhin eine Trennebene, die das Werkzeug in zwei Werkzeughälften teilt. Entscheidend ist hier die Anordnung der Kavitäten bezüglich dieser Trennebene: Die Kavitäten werden, bezogen auf die Trennebene, nebeneinander jeweils abwechselnd oberhalb oder unterhalb der Trennebene so angeordnet, dass sie abwechselnd in eine der beiden Werkzeughälften liegen, wobei die Kavitäten voneinander getrennt bleiben.
Anschließend wird gemäß Schritt b) die mindestens eine Kavität mit einer aushärtbaren oder erstarrenden Formmasse, die einen Sinterwerkstoff umfasst, gefüllt. Nach dem Erstarrenlassen der Formmasse bilden sich in den Kavitäten jeweils die zu formenden Teile.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hierzu der Werkstoff zum Spritz- oder Heißgießen aus mindestens einer Spritzeinheit über mindestens einen Kanal gleichzeitig oder hintereinander in die Kavitäten eingebracht.
Hierfür besonders geeignet sind das Zwei- oder Mehr-Komponenten-Spritzgießen.
Danach wird gemäß Schritt c) jedes gebildete Zahnrad aus seiner Kavität entformt.
Im Anschluss an deren Entformung werden die Zahnräder gemäß Schritt d) in eine Kavität, durch deren Füllen das Fixierteil abformt wird, eingebracht.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden die entformten Zahnräder hierzu auf das Fixierteil montiert oder hieran gefügt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Gesamtzahl der entformten Zahnräder in mindestens eine weitere, im Werkzeug ebenfalls vorhandene Kavität übertragen, durch deren Füllen das Fixierteil abformt wird. Die Übertragung der Zahnräder aus den Kavitäten, in denen ihre Formung stattfand, in die weitere Kavität erfolgt vorzugsweise mittels Führungselementen, die nach dem Übertragen ganz oder teilweise in der mindestens einen weiteren Kavität verbleiben können. An denjenigen Stellen, an denen die Führungselemente entformt werden, entsteht eine Erweiterung der weiteren Kavität, durch deren Füllen eine zusätzliche Verbindung zwischen mindestens einem Teil und dem Fixierteil geschaffen wird. Gleichzeitig können die Führungselemente oder Teile davon im Sinne einer einfacheren Handhabungstechnik als Auswerfer dienen.
Schließlich wird in Schritt e) der noch unfertige Gegenstand, der als Grünling bezeichnet werden kann, einer Wärmebehandlung, insbesondere einer Entbinderung mit anschließender Sinterung unterzogen. Hierzu werden verschiedene Formmassen, die Feedstocks genannt werden und aus einem Binder und einem Pulver aus dem gewünschten Werkstoff bestehen, so in das Werkzeug eingespritzt, dass sie einander berühren können. Die Teile können auch aus dem gleichen Feedstock spritzgegossen werden. Zur Umwandlung der Formmassen in ein Teil aus Metall, Glas oder Keramik muss nach der Formgebung der Binder auf Basis von Wasser, Oligomeren, Polymeren oder Mischsystemen entfernt und das Pulver zu einem im Allgemeinen dichten Werkstoff gesintert werden, wobei ein Schrumpf stattfindet. Dieser Schrumpf führt zur Verkleinerung des Gegenstands gegenüber dem mindestens einen spritzgegossen Teil, das ebenfalls Grünling genannt wird.
Damit der Gegenstand, das aus verschiedenen Komponenten bestehen kann, gesintert werden kann, müssen die Werkstoffe ähnliche Sintertemperaturen aufweisen oder eine Komponente, die früher sintert, vom Design des Getriebes her auch früher schrumpfen dürfen als die jenige, die erst bei einer höheren Temperatur sintert. Durch die Unterschiede im Sinterschrumpf der eingesetzten Werkstoffe für die Zahnräder und die Fixierteile werden Abstand und Spiel zwischen den Teilen untereinander sowie zwischen den Teilen und dem Fixierteil eingestellt. In vielen Fällen ist es dabei vorteilhaft, wenn die Fixierteile stärker schrumpfen als die beweglichen Zahnräder. Der Sinterschrumpf bewegt sich bei Sinterwerkstoffen im Allgemeinen zwischen 10 % und 25 %, während die thermische Schwindung bei Kunststoffen höchstens 3 % beträgt.
Erfindungsgemäß werden die Zahnrädern aus Metall, einer Legierung, einer (Misch-)Keramik oder aus Glas hergestellt. Bevorzugt ist der Einsatz von Hartmetall, härtbarem Metall oder Stahl, einer harten oder zähen Keramik, von Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid. Besonders bevorzugt für die (Zahnräder) ist gehärteter Stahl (bevorzugt 17-4PH) oder eine zähen Keramik, insbesondere Zirkondioxid.
Als Materialien für das Fixierteil werden bevorzugt Hartmetalle (z.B. Wolframcarbid-Kobalt), gehärtete Metalle, harte Keramiken (insbesondere Aluminiumoxid), Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid eingesetzt. Das Fixierteil muss jedoch nicht notwendigerweise aus einem Sinterwerkstoff bestehen. In diesem Fall ist es allerdings von Vorteil, wenn das Fixierteil bereits direkt in das Werkzeug eingelegt wird.
Die vorliegende Erfindung weist als wesentlichen Vorteil auf, dass Zahnräder und Fixierteile aus verschleißbeständigen und/oder hochfesten Werkstoffen bestehen können. Weiterhin müssen die Zahnräder nach der Formgebung und dem Sintern nicht montiert werden.
Gerade in Mikrodimensionen ist die Handhabung und Justage von Teilen bedingt durch die geforderte Präzision sehr kostenintensiv. Das Montieren von Grünlingen wird dadurch zusätzlich erschwert, dass es sich bei den Feedstocks bedingt durch den Binder und den hohen Pulverfüllgrad um einen Werkstoff mit geringer Festigkeit handelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Einsatz in der Mikrosystemtechnik, dem Pulverspritzgießen, dem Zweikomponenten-Pulverspritzgießen, in der Getriebetechnik (für Planetengetriebe, Kugelgelenke, Lager, Linearführungen usw.) und in der Fertigungstechnik zum Getriebebau. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die beweglichen Zahnräder des Getriebes bereits während des Formgebungsverfahrens gegenseitig zu paaren und in ein Gehäuse zur Lagerung der beweglichen Zahnräder einzubauen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Bisher wurden Versuche zur Herstellung von Feedstocks und das Pulverspritzgießen dieser Feedstocks zu einkomponentigen Teilen aus ZrO2, Al2O3, Mischkeramik ZTA, Stähle 17-4PH und 316L durchgeführt und deren Schwundmaß durch Größe, Form und Gehalt der Partikel des Pulvers eingestellt. Es wurden gleiche und unterschiedliche Binder auf der Basis von Wasser, Oligomeren, Polymeren oder Mischsystemen eingesetzt.
Das erste Ausführungsbeispiel beschreibt die Herstellung eines Zahnradgetriebes gemäß
Hierzu wird das in
Mit dem Einspritzen des ersten Feedstocks mit Zirkonoxidpulver werden nahezu gleichzeitig alle drei Kavitäten für die Zahnräder 11, 11', 12 mit Feedstock gefüllt. Nach Erstarrung des Feedstocks werden das Werkzeug in der Trennebene zwischen der auswerferseitigen Werkzeughälfte 1 und der düsenseitigen Werkzeughälfte 2 geöffnet und die drei Zahnräder 11, 11', 12 so aus den Kavitäten entformt, dass die Zahngeometrie freigelegt wird, während alle drei Zahnräder 11, 11', 12 zunächst noch auf den Auswerfern 3, 5, 5' sitzen. Die Auswerfer 5, 5' berühren die Zahnräder 11, 11', 12 jeweils lediglich auf ihrem Innendurchmesser. Die Auswerfer können gestuft sein, d.h. mit einer Auswerferhülse 4, 4' versehen sein, so dass eine stirnseitige Kraftaufbringung der Auswerferhülse auf das Zahnrad das Entformen des Auswerfers unterstützt.
Wie in
Danach werden gemäß der schematischen Darstellung in
Die Werkzeugbacken 6, die alle drei Zahnräder 11, 11', 12 umschließen, werden oberhalb und unterhalb der dritten Ebene, in der jetzt die Zahnräder 11, 11', 12 liegen, jeweils auf der den Zahnrädern 11, 11',12 abgewandten Seite mit einem zweiten Feedstock, der Aluminiumoxidpulver enthält, umspritzt. Der Anspritzpunkt kann beliebig positioniert sein, vorteilhaft ist jedoch ein Anspritzpunkt in der Position 21. Dabei füllt der zweite Feedstock die Kavitäten in den Werkzeugbacken 6 und das Volumen der von den zurückgezogener Auswerfern 5, 5' freigelegten Kavitäten in den äußeren Zahnrädern 11, 11', wodurch deren Achsen gebildet werden. Im Bereich der Naben der Zahnräder aus dem ersten Feedstock berührt der zweite Feedstock den ersten Feedstock, ohne dass es zu einer Vermischung der beiden Feedstocks kommt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Werkzeugbacken 6 besteht darin, dass die Werkzeugbacken 6 doppelwandig ausgeführt sind. Dabei werden der Raum zwischen den beiden Wänden und die Achsen der beiden äußeren Zahnräder 11, 11' mit dem zweiten Feedstock gefüllt. In diesem Fall ist kein weiteres Werkzeug notwendig, um die äußere Form des zweiten Feedstocks zu begrenzen. Der zweite Feedstock bildet damit auch ein Fixierteil 14 für das Getriebe. Das Fixierteil 14 kann später als Gehäuse des Getriebes dienen.
Nach der Erstarrung des zweiten Feedstocks werden gemäß der schematischen Darstellung in
Kommt es zum Anhaften der Zirkondioxidteile an die Aluminiumoxidteile, so wandeln sich diese bei der ersten Bewegung des Getriebes zu einer löslichen Verbindung.
Das zweite Ausführungsbeispiel stellt eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels dar, wobei das Zahnrad gemäß
Hierbei erfolgt analog zum ersten Beispiel die Formgebung der Zahnräder 11,11', 12. Auch das gleichzeitig als Gehäuse dienende Fixierteil 14 wird in gleicher Weise geformt. Jedoch verbleiben während des Einspritzens des zweiten Feedstocks für das Gehäuse alle Auswerfer 3, 5, 5' in den Naben der Zahnräder 11, 11', 12. Erst danach werden die Auswerfer 5, 5' für die äußeren Zahnräder 11, 11' gezogen und der frei werdende Hohlraum mit einem dritten Feedstock gefüllt, der das Volumen der Achsen der beiden äußeren Zahnräder 11, 11' einnimmt. Der dritte Feedstock enthält ebenso wie der zweite Feedstock Aluminiumoxidpulver, jedoch mit einem Pulverfüllgrad und/oder einer Pulverpartikelgrößenverteilung, die einen größeren Schrumpf beim Sintern zulässt als im ersten oder zweiten Feedstock. Damit wird ein geringer Lagerspalt zwischen den Zahnrädern 11, 11' und den Achsen realisiert. Die Länge der Achsen ist durch die Form des Werkzeugs so dimensioniert, dass sie zum Sinterschrumpf passt. Der zweite Feedstock kann gegenüber dem ersten Feedstock denselben oder einen geringfügig geringeren Sinterschrumpf aufweisen. Mit dem Unterschied im Sinterschrumpf werden Abstand und Spiel zwischen den Zahnrädern und dem Fixierteil eingestellt.
Im Folgenden werden besondere Ausgestaltungen von Werkzeugen und Getrieben beschrieben.
Es ist vorteilhaft, das Werkzeug als Dreiplattenwerkzeug mit Drehteller auf der auswerferseitigen Werkzeughälfte 1 auszustatten. Nach der Formgebung der Zahnräder 11, 11', 12 und dem Öffnen des Werkzeugs erfolgt die Trennung des Anguss- und Verteilersystems oder des Heißkanals von den Zahnrädern 11, 11', 12. Danach dreht die auswerferseitige Werkzeughälfte 1 die Zahnräder 11, 11', 12 mit Hilfe des Drehtellers in Richtung der Werkzeugbacken 6, die auf der Düsenseite, auf der auswerferseitigen Werkzeughälfte 1, der düsenseitigen Werkzeughälfte 2 oder außerhalb des Werkzeugs befestigt sein können. Eine besondere Ausgestaltung des Werkzeugs erlaubt es, bereits während der Formgebung des Fixierteils 14 (Gehäuses) bzw. der Achsen in den Kavitäten der Zahngeometrie, die in vorteilhafter Weise auf der düsenseitigen Werkzeughälfte 2 angeordnet sind, die nächsten Zahnräder zu formen.
Soll ein größerer Spalt zwischen den Stirnflächen der Zahnräder und den Nabenbereichen des Gehäuses eingestellt werden, so stehen mindestens zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Zum einen definiert die Stärke der Werkzeugbacken 6 und der Sinterschrumpf sowie die Differenz des Sinterschrumpfs zwischen dem ersten und dem zweiten Feedstock den Spalt.
Zum anderen können an die Zahnräder bzw. die Gehäuse im Bereich der Naben oder der Stirnflächen der Zahnräder kleine pyramiden- oder kegelförmige Mikroerhebungen angeformt werden. Selbst wenn es im Bereich der Spitzen der Pyramiden oder Kegel zum Zusammensintern von Zahnrädern und Gehäuse kommt, wie z. B. beim Einsatz verschiedener Stähle, kann durch ein Aufbringen eines Drehmoments zwischen Zahnrädern und Gehäuse im Zustand des Grünlings oder vorzugsweise im gesinterten Zustand diese Verbindung durch ihre Kleinheit leicht gebrochen werden.
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