模具設計與粉末模鑄方法

2023-06-01 07:05:36 1

專利名稱：模具設計與粉末模鑄方法
技術領域：
本發明涉及(例如)用於製備多孔金屬結構的方法和裝置等等。
技術背景
冷等靜壓成型是製備近淨形粉餅的有效方式。該方法涉及用粉末填充模具以及 將充滿粉末的模具放入用來將粉末壓縮成緻密塊體(坯體)的壓力容器。冷等靜壓成型 常用來壓縮金屬和空間填料的粉末混合物，其中空間填料在壓實之後被移除，以得到多 孔金屬結構。多孔金屬結構被廣泛用作整形外科植入物、催化劑載體、骨骼生長基底和 過濾器等等。
傳統的粉餅製備方法涉及填充組裝的模具，模具的內部空間與通過壓制填充模 具所用的粉末而形成的坯體的形狀基本上對應。通過組裝的模具的小口注入金屬粉末或 粉末混合物以填充模具，然後在開始壓實前堵上開口。例如，設計用於製備髖白杯形式 的金屬結構的模具通常具有特徵性的端蓋和穹頂，其中穹頂的峰具有孔，通過此孔可以 注入粉末以填充模具。填充之後，在開始壓制之前用塞子密封模具。
然而，此類常規模具會在許多方面產生不滿意的結果。例如，在對填充後的模 具施壓而形成的坯體中，常常存在尺寸變化；例如就杯狀模具而言，杯子的內外半徑會 隨坯體而異。
另一個問題是，通過小孔填充模具並使用塞子密封模具的作法會導致所得的坯 體在塞子處存在缺陷。
此外，填充此類模具的方法困難而耗時。通常，在通過開口用儘量多的粉末填 充模具之後，將模具封閉並在硬表面上敲打模具，以使粉末儘可能地緻密。然後繼續填 充孔，以加入更多的粉末；重複這一過程，直到模具被儘可能地充滿。除了繁瑣和耗 時外，填充方法還會導致粉末溢出，這會造成浪費並存在工作人員接觸溢出的粉末的風 險。此外，儘管如此費力，但該方法通常仍會產生填充不完美的模具。
在模具中填入過多粉末會導致模具部件之間形成間隙。要壓實填充後的模具可 能需要使用水作為壓縮介質，這樣會導致漏水，尤其是在模具已被過度填充的情況下。 漏水會導致無法形成壓實的坯體。
常規模具的另一個問題是，反覆使用常會導致端蓋的軸柄部分比模具的其他部 分磨損更為嚴重。如果軸柄形狀因磨損而變化，那麼在磨損的模具內製成的坯體會與理 想的形狀有所偏差。軸柄過度磨損還會導致該部分模具產生裂紋和裂縫。
仍然需要經設計為可克服上述一些或全部問題的模具，並且這種模具能夠使壓 實過程獲得一致性和可重複性。發明內容
在一個方面，本發明提供了模具，其包括基本上凹面的部分和被構造為可移除 地連接到基本上凹面的部分的蓋部分，其中蓋部分和基本上凹面的部分在連接到一起時限定具有三維形狀的內部空間，並且其中蓋部分包括軸柄，軸柄由基本上剛性的材料形 成，並且設置在限定內部空間的蓋部分的表面上。
在另一方面，本發明公開了方法，其包括提供具有基本上凹面的部分和被構造 為可移除地連接到基本上凹面的部分的蓋部分的模具，將金屬粉末放入基本上凹面的部 分，以及在放入金屬粉末之後將蓋部分連接到基本上凹面的部分。
本發明還提供了方法，其包括將金屬粉末放入模具的基本上凹面的部分以及壓 緊模具以形成包含金屬粉末的坯體，其中模具還包括蓋部分，其被構造為可移除地連接 到基本上凹面的部分並包括由基本上剛性的材料形成的軸柄。


圖1示出了根據現有技術的模具組件；
圖2提供了根據本發明的端蓋的透視圖和剖視圖3A示出了充滿粉末並與端蓋分離的示例性基本上凹面的部分；圖3B示出了 在將粉末放入基本上凹面的部分之後圖3A的端蓋與基本上凹面的部分的連接方式；
圖4提供了分別使用常規模具和根據本發明的模具製備的坯體的照片。
圖5提供了分別使用常規模具和本發明的模具製備的毛坯狀態部件的尺寸測量值。
圖6包括分別使用常規模具和根據本發明的模具製備的坯體的照片。
具體實施方式
結合對構成本公開一部分的附圖和實例的下列詳細說明，可以更容易地理解本 發明。應當理解，本發明不限於本文所描述和/或示出的具體產品、方法、條件或參 數，並且本文所用術語僅用於以舉例方式描述具體實施例，並不旨在限制受權利要求書 保護的本發明。
在本公開中，除非上下文相反地明確指出，否則單數「一個」、「一種」和 「該」包括複數含義，對具體數值的引用至少包括該具體數值。因此，例如當提及「一種粉末」時，是指一種或多種這類粉末，以及本領域的技術人員已知的該粉末的等價 物，等等。當前面用「約」將數值表示為近似值時，應當理解，該具體值構成了另一個 實施例。如本文所用，「約X」(其中X為數值)優選地指所引用值士 10%，包括端點 值。例如，術語「約8」優選地指7.2至8.8之間的值，包括端點值；又如，術語「約 8%"優選地指7.2%至8.8%之間的值，包括端點值(需要考慮整數時，取整到最近的整 數)。存在時，所有範圍均包括端點值以及其中的組合。例如，當引用「1至5」的範 圍時，所引用的範圍應當理解為包括「1至4」、「1至3」、「1至2」、「1至2和4 至5」、「1至3和5」、「2至5」等範圍。此外，當以肯定方式提供了一列備選項時， 該列備選項可以理解為表示可以排除備選項中的任何一個，例如通過在權利要求中加上 否定的限制實現。例如，當引用「1至5」的範圍時，所引用範圍應當理解為包括以否 定方式排除1、2、3、4或5中任何一項的情形；因此，對「1至5」的引用可以理解為 「1和3-5，但不包括2」，或者僅僅是「其中不包括2」。
本文所引用或描述的每項專利、專利申請和專利公開中的公開內容均以引用方式全文併入本文。
除非另外指明，否則結合本發明的一個實施例描述的元件或步驟的特性適用於 本發明的其他實施例的元件或步驟。
本發明提供了用於製備具有緻密顆粒的結構的裝置和方法等等，例如由粉末 (包括金屬粉末)製備的坯體。本發明所公開的方法和裝置通常可提供比常規模具更均 勻和可重複的壓制，並且可用來製備(例如)具有尺寸更精確的可重複表面特徵的緻密結 構，從而產生更好的、更優化的近淨形部件。此外，本發明提供了一些方法和裝置，這 些方法和裝置在某些實施例中與用粉末快速一致地填充模具兼容。通過以下具體實施方 式將更容易地發現這些優點和其他優點。
在一個方面，本發明提供了模具，該模具包括基本上凹面的部分以及被構造為 可移除地連接到基本上凹面的部分的蓋部分，其中蓋部分和基本上凹面的部分在連接到 一起時限定具有三維形狀的內部空間，並且其中蓋部分包括軸柄，軸柄由基本上剛性的 材料形成，並設置在限定內部空間的蓋部分的表面上。
冷等靜壓成型常用來在常規模具中壓實粉末或粉末混合物(包括金屬粉末)。圖 1示出了常規模具2的分解圖。該模具通常由橡膠製成，並且可以包括具有軸柄6的端蓋 4和包括開口 10的主體8，當主體8和端蓋4組裝成模具2時，通過開口 10可以倒入粉末 或粉末混合物，以填充模具。為了組裝模具，將主體8固定到端蓋4上，並使軸柄6設 置在模具2的內部空間中。端蓋4外邊緣上的肋14與主體8的末端16的內表面形成密 封。在將組裝好的模具充滿之後，使用塞子12密封開口 10，然後再壓實充滿的模具2。
由常規模具製成的壓實部件之間常常存在一定的尺寸偏差，這部分地由於製備 模具的材料的柔韌性而引起。然而，目前已經發現，將由基本上剛性的材料製成的軸柄 結合到模具蓋內會顯著改善壓縮過程的可重複性，從而允許使用本發明的模具製備精準 成形的壓實部件。這種可重複性也為精確加工壓實部件(坯體)奠定了基礎；如果不具 備可重複性，則很難為精確加工定位坯體，從而製備精確成形的末端部件。此外，使用 本發明的模具製備的坯體越可靠地逼近組裝模具的部件所限定的內部空間的形狀，所需 加工就越少，這樣可以節省時間和能量，並且還能減少粉末浪費。
通過結合由基本上剛性的材料製成的軸柄，還有助於提高模具的耐磨性。常規 模具在反覆使用後會劣化，並且本發明的發明人發現，在本發明的模具的軸柄遠未出現 明顯磨損之前，柔性軸柄就已經出現裂紋和裂縫。因此，使用由基本上剛性的材料製成 的軸柄可以延長模具壽命，由於磨損的模具在冷等靜壓成型過程中會進水，因此延長模 具壽命非常重要。模具滲水後會損壞部件，並會導致粉末進入壓力室。因此，本發明的 模具在許多情況下可延長模具壽命，減少部件磨損，並提高由粉末材料製備坯體的安全 性。
此外還發現，本發明的模具通常可由粉末混合物得到在不同類型的顆粒之間分 離減少的坯體。這些結果在下文的實例2中有所描述。顆粒分散均勻可在最終構造中形 成更均勻的孔隙度，並在其他結構屬性方面提高一致性。
組裝好的模具的內部空間可以限定任何三維形狀，並且優選地限定與要由坯體 製備的醫學植入物、催化劑或其他結構的形狀基本上對應的三維形狀。例如，由組裝模 具限定的內部空間的三維形狀可以具有基本上中空的半球形狀。具有基本上中空的半球狀內部空間的模具可用來形成坯體，繼而再將坯體製成髖白杯整形外科植入物。
可根據常規技術填充本發明的模具，即通過將填料(如金屬粉末或粉末混合物) 注入組裝模具中的開口。例如，基本上凹面的部分可以包括開口，該開口被構造為接納 用於填充模具的金屬粉末。一旦充滿模具，就可以堵上開口，然後再進行壓實。在其他 實施例中，基本上凹面的部分不包括開口，並且不在組裝狀態下填充模具。此類實施例 在下文將有更詳細的描述。
蓋部分包括由基本上剛性的材料製成的軸柄。基本上剛性的材料可以為讓軸柄 比常規柔性軸柄(例如橡膠軸柄)更具剛性的任何物質或物質的混合物。優選地，軸柄 可以包括在有限變形下能承受約20至約60ksi壓力的任何材料。如本文所用，「有限變 形」優選地是指小於約0.5%、小於約0.3%、小於約0.2%或小於約0.1%的變形。基本上 剛性的材料可以為例如金屬、金屬合金、陶瓷或合成聚合物。合適的聚合物的非限制性 例子包括聚丙烯、聚醚醚酮、聚苯碸、聚醚亞胺以及它們的碳纖維增強或玻璃纖維增強 的對應材料。合適的金屬的非限制性例子包括不鏽鋼、碳鋼、合金鋼、鈦、鈦合金(如 Ti-6A1_4V)、鈷鉻合金、鋁或鋁合金、鉬、鉭、鈮、鋯、鎢、或它們的任意組合。合適 的陶瓷的非限制性例子包括氧化鋁、氧化鋯、碳化物、氮化物、硼化物和矽化物。軸柄 可以具有任何三維幾何形狀或不規則形狀。例如，軸柄可以為基本上半球形、基本上立 方體形、基本上圓錐形、基本上稜錐形、基本上圓柱形、或類似於另一種規則或不規則 三維幾何物體的形狀。
端蓋可以包括基本上凹面的一個或多個方面。然而，在許多實施例中，本發 明所公開的模具的基本上凹面的部分具有合適的構造，使得當對各部件的容積進行比較 時，該構造將容納更大體積的填充材料。基本上凹面的部分可以為半球形。例如，基本 上凹面的部分可以實際上為半球形，或者可以為球體或其他類球體(如卵形體)的更小或 更大的部分。在其他實施例中，基本上凹面的部分可以為三維物體，例如多面體。因 此，基本上凹面的部分可以為基本上立方體形、基本上四稜柱形、基本上圓柱形、基本 上圓錐形、基本上角錐形、或類似於另一種規則或不規則三維幾何物體的形狀。
基本上凹面的部分可以由柔性材料形成。在這些及其他實施例中，蓋部分可以 包括固定地連接到軸柄上的柔性材料。當蓋部分包括固定地連接到軸柄上的柔性材料 時，柔性材料可以包括固定地連接到軸柄外邊緣的環。由於軸柄的外邊緣可以為任何形 狀(取決於軸柄本身的形狀)，因此「環」可以指任何形狀，該形狀具有基本上適形於軸 柄外邊緣形狀的內邊緣，並具有基本上適形於基本上凹面的部分的內邊緣或外邊緣形狀 的外邊緣。如本文所用，「柔性材料」是指相對於基本上剛性材料(例如鋼)而言為柔 性的材料。常規模具部件常常為橡膠，並且基本上凹面的部分和/或固定連接到軸柄的 蓋部分的部件可以為常規橡膠(天然或合成)或具有類似性質的另一種材料。其他可能 的材料包括(特別是)聚異戊二烯、氯丁橡膠、氯丁二烯、矽樹脂、聚氯乙烯(PVC)、 腈、醋酸乙烯酯、乙烯-丙烯-二烯M類橡膠(EPDM)、氟化烴或Viton 氟彈性體 (DuPont Performance Elastomers (Wilmington, DE))、交聯聚乙烯(XLPE)、丁基橡膠、 氟矽橡膠、聚氨酯等。基本上凹面的部分和蓋部分的柔性材料的外形尺寸均可以根據使 用者的具體要求變化。例如，基本上凹面的部分和蓋部分的柔性材料的厚度可以獨立地 在約0.03和約0.50英寸之間。在其他實施例中，這兩個部件的柔性材料的厚度可以在約0.05和約0.30英寸之間、在約0.10和約0.20英寸之間或為約0.125英寸。
本發明的模具的蓋部分被構造為可移除地連接到基本上凹面的部分，並且包括 由基本上剛性的材料形成的軸柄。可拆卸地連接到基本上凹面的部分的蓋部分的構造可 以是本領域的普通技術人員熟知的常規設計。圖1示出了包括肋14的常規端蓋4，其中 當模具2處於組裝狀態時肋14與主體8的末端16的內表面形成密封。在其他實施例中， 蓋部分的周邊可以包括唇緣，該唇緣與基本上凹面的部分的外邊緣形成密封。圖2A示出 了根據本發明的示例性端蓋18。端蓋18包括包含基本上剛性材料的軸柄20和固定地連 接到軸柄20外邊緣的柔性材料環22。圖2B提供了圖2A所示的端蓋18的剖視圖，其中 端蓋18可拆卸地連接到根據本發明的示例性基本上凹面的部分沈。在最外邊緣處，柔 性材料環22端接在唇緣M內，唇緣M被構造為可移除地連接到基本上凹面的部分沈一 端的外邊緣。這樣，端蓋18與基本上凹面的部分沈互鎖，從而在模具部件之間形成牢 固密封。端蓋18通過唇緣M或根據其他實施例的其他裝置得到可移除式固定，這種固 定可形成密封，密封(例如)能防止壓實過程中模具進水，以及防止粉末從模具內部空間 溢出到壓力室。端蓋與基本上凹面的部分之間的可移除式固定可通過任何適當的方式實 現，例如通過在二者之間提供任何合適的重疊或互鎖來實現。
在另一方面，本發明提供了方法，該方法包括提供具有基本上凹面的部分和被 構造為可移除地連接到基本上凹面的部分的蓋部分的模具，將金屬粉末放入基本上凹面 的部分；以及在放入金屬粉末之後將蓋部分連接到基本上凹面的部分。該方法採用上述 本發明模具的具體實施例，其中基本上凹面的部分不包括開口，並且模具不在組裝狀態 下填充。相反，在連接到端部之前將金屬粉末放入基本上凹面的部分中以填充模具。根 據該方法，以重量確定金屬粉末的所需量(具體地講，為已知可精確填充模具的量)，即 通過在合適的儀器(如實驗室用)上稱取粉末。獲得所需量的粉末後，將粉末放入基本 上凹面的部分。圖3A示出了充滿粉末30並與端蓋32分離的示例性基本上凹面的部分 28。如圖3B所示，在將粉末30放入基本上凹面的部分觀後，將端蓋32連接到基本上 凹面的部分觀，從而使粉末30容納在模具內。利用適用於基本上凹面的部分內的精確量 的粉末避免了基本上凹面的部分內放入過多粉末(即模具過度填充，這會使得難以正確 地組裝模具和/或使得模具部件在壓實過程中分離)或過少粉末(即模具填充不滿，這會 使所得的坯體不具有正確的形狀)的情形。本發明的方法還可以包括壓緊模具以形成包 含金屬粉末的坯體。在組裝模具前向基本上凹面的部分內放入所需量的粉末的能力確保 了通過壓緊組裝模具而形成的坯體之間具有高度的一致性，並可形成更近淨形部件以及 改善加工工藝。
本發明還公開了方法，該方法包括將金屬粉末放入模具的基本上凹面的部分以 及壓緊所述模具以形成包含金屬粉末的坯體，其中模具還包括蓋部分，其被構造為可移 除地連接到基本上凹面的部分並包括由基本上剛性的材料形成的軸柄。根據該方法，可 在將蓋部分連接到基本上凹面的部分之前將金屬粉末放入基本上凹面的部分中。在此 類實施例中，本發明的方法還可以包括在壓緊模具之前將蓋部分連接到基本上凹面的部 分。在其他實施例中，在將蓋部分連接到基本上凹面的部分的同時將金屬粉放入基本上 凹面的部分中。例如，可以通過基本上凹面的部分中的開口將金屬粉末放入模具的基本 上凹面的部分中。在將金屬粉末放入模具之後，可以封閉基本上凹面的部分中的開口(例如使用塞子)，並在壓緊充滿的模具的過程中保持封閉狀態，以形成坯體。
就本文所公開的任何方法而言，金屬粉末可以包含一種或多種金屬，這些金屬 任選地與可提取物質結合在一起。可以將可提取物質包括在內，以按照「造孔劑」法 形成多孔結構。造孔劑法是用於製備金屬泡沫結構的熟知方法，該方法使用可溶解或可 以其他方式移除的造孔材料，而造孔材料與金屬粉末組合在一起，然後再通過多種方法 (包括加熱法或液體溶解法)從組合物中移除造孔材料，從而產生由金屬粉末形成的多孔 基體。然後將多孔基體材料燒結，以進一步加強基體結構。有關造孔劑概念的多種變 型是本領域已知的。參見(例如)美國專利No.3,852,045和6,849,230以及美國專利公布 No.2005/0249625 和 2006/0002810。
金屬粉末以及由之形成的坯體及多孔結構可以包含任何生物相容性金屬，該金 屬的非限制性例子包括鈦、鈦合金(如Ti-6A1_4V)、鈷鉻合金、鋁、鉬、鉭、鎂、鈮、 鋯、不鏽鋼、鎳、鎢或它們的任何組合。根據使用金屬粉末形成坯體和多孔結構的已 知方法，容易理解的是，金屬粉末顆粒可以為大致均勻的，或者可以構成多種形狀和尺 寸，例如可以變化其三維構型和/或可以變化其各自的主尺寸。按照給定顆粒的主尺寸 進行測量，粒度可以從約20 μ m至約100 μ m、從約25 μ m至約50 μ m或從約50 μ m至約 80 μ m。金屬粉末顆粒可以為類球體、大致圓柱體、柏拉圖體、多面體、板狀或瓦狀、 不規則形狀或它們的任何組合。在優選的實施例中，金屬粉末包括形狀基本相似、粒度 基本相同的顆粒。
可提取物質可以為可溶於含水流體、有機溶劑、這些溶劑的組合、或任何其他 合適溶劑的物質。可提取物質可以包括鹽、糖、固體烴、尿素衍生物、聚合物、或它們 的任何組合。非限制性例子包括碳酸氫銨、尿素、縮二脲、三聚氰胺、碳酸銨、萘、碳 酸氫鈉、氯化鈉、氯化銨、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋁、氯化鉀、氯化鎳、氯化鋅、碳酸 氫銨、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、亞磷酸氫鉀、磷酸鉀、硫 酸鎂、硫酸鉀、鹼土金屬滷化物、結晶碳水化合物(包括蔗糖和乳糖或分為單糖、二糖 或三糖的其他物質)、聚乙烯醇、聚環氧乙烷、聚丙烯蠟(例如以商標PR0PYLTEX 得 自Micro Powders，Inc. (Tarrytown, NY)的那些)、羧甲基纖維素鈉6CMC)、或它們的 任何組合。作為另外一種選擇或除此之外，可提取物質可以在加熱和/或加壓條件下移 除；例如，可提取物質可以受熱揮發、熔融或以其他方式消散。此類可提取物質的例子 包括碳酸氫銨、尿素、縮二脲、三聚氰胺、碳酸銨、萘、碳酸氫鈉、以及它們的任何組合。
當可提取物質包含顆粒時，這些顆粒可以相對於彼此大致均勻，或者可以形成 多種形狀和尺寸，例如可以變化其三維構型和/或可以變化其各自的主尺寸。可提取 物質可以具有適合產生所需的孔徑和孔徑分布的多種粒度和粒度分布。某些優選的粒 度範圍為從約200 μ m至約600 μ m、從約200 μ m至約300 μ m以及從約425 μ m至約 600μιη。可提取物質顆粒可以為類球體、大致圓柱體、柏拉圖體、多面體、板狀或瓦 狀、不規則形狀或它們的任何組合。在優選的實施例中，空間填料包括形狀基本相似、 大小基本相同的顆粒。由於由金屬粉末和可提取物質的混合物最終形成的多孔結構的孔 的尺寸和形狀與可提取物質的顆粒的尺寸和形狀大致對應，因此本領域的技術人員將容 易地理解，可以根據所得多孔產品的孔的所需構型選擇可提取物質的顆粒的特性。根據本發明，當可提取物質包含形狀基本相似、大小基本相同的顆粒時，使用此類可提取物 質最終形成的多孔結構的孔隙度將大致均勻。
粉末混合物可以包含體積百分比為約5%至約45%、優選約15%至約40%的金 屬粉末，粉末混合物的剩餘部分包含可提取物質。在本發明方法的後續階段從由金屬粉 末和可提取物質的混合物形成的坯體中移除可提取物質之後，所得的坯體孔隙度可以為 約55%至約95%、優選約60%至約85%。製成坯體的粉末混合物可以包含約18重量％ 至約67重量％的金屬粉末，粉末混合物的剩餘部分包含可提取物質。
本領域的技術人員將容易地認識到用於混合金屬粉末與可提取物質的合適技 術。參見(例如)美國專利No.3,852,045和6,849,230以及美國專利公布No.2005/0M9625 和2006/00(^810。理想的是，混合導致包含粉末混合物次要組分的顆粒在包含粉末混合 物主要部分的顆粒中具有大致均勻的分散性。金屬粉末可以佔粉末混合物的約18至約 67重量％，粉末混合物的剩餘部分包含可提取物質。在本發明方法的後續階段從坯體中 移除可提取物質之後，所得的坯體孔隙度可以為約50%至約90%，優選地為約60%至約 85%。對可提取物質的移除在提交於2009年5月22日的PCT/US2009/044970和提交於 2009年5月21日的美國序列號No.12/470,397中有更全面的描述，兩者全文以引用方式 併入本文。
在一些實施例中，模具不需要設計成可製備模製形狀與所需最終燒結部件相似 的近淨形部件；模具可以製備普通形狀，例如條、杆、板或塊，然後將毛坯狀態的普通 形狀加工成部件，該部件在燒結引發的收縮之後非常逼近最終產品的所需形狀，任選地 也可以加工燒結後的部件。用於此類目的的模具和模具組件是本領域的技術人員熟知 的，並可用於製備具有(例如)下列形狀的主體球形、類球形、卵形、半球形、立方 形、圓柱體、超環面形、圓錐形、凹面半球形(即杯形)、不規則形，或具有任何其他所 需三維構型的主體。在根據上述方法由粉末或粉末混合物形成之後，可以將所得的成型 物體壓實成坯體。將成型物體在容納於模具組件內的情況下進行壓實。壓實可以為單 軸、多軸或等靜壓的。在優選的實施例中，通過冷等靜壓成型將粉末壓實成坯體。在壓 實工序之後，可將所得的坯體從模具中取出並進行加工。加工可以包括機加工，或者以 其他方式精修坯體的形狀。
實例1-髖臼杯
採用常規模具和根據本發明的模具製備用於形成髖白杯整形外科裝置的坯體。 常規模具包括如圖1所示的端蓋4和基本上凹面的部分8。本發明的模具包括圖2A所示 的端蓋18，其包括含有基本上剛性的材料的軸柄20，以及固定地連接到軸柄20外邊緣的 柔性材料環22。本發明的模具還包括如圖3A所示的基本上凹面的部分觀。
常規模具的填充方法是將端蓋4連接到基本上凹面的部分8，並將包含鈦或 鈦合金的金屬粉末與可提取物質的混合物注入基本上凹面的部分8的開口 10。由於開口 10狹小，利用漏鬥將粉末注入模具。即使使用漏鬥，在填充過程中模具內仍然會留有 空氣。為了使粉末混合物儘可能完全充滿模具，需要進行多個步驟，在此過程中，需要 在將粉末分多次勺式加料到模具的間隔中反覆搖晃或振動模具。然後使用塞子12密封 開口 10，並將模具置於壓力容器(冷等靜壓機(Coldlsostatic Press)，CIP42260, Avure Autoclave Systems, Inc. (Kent, WA))的壓力室內，壓力容器內充滿作為壓力介質的水。按照標準程序封閉壓力容器，並將壓力容器內的內容物(包括模具)置於45ksi的壓力下 約15秒，以進行冷等靜壓成型。然後打開壓力容器並取出模具。接下來拆卸模具並取 出壓實的金屬部件。
通過下列步驟填充本發明的模具在電子秤(XS16001L精密天平(XS16001L Precision Balance), Mettler-Toledo, Inc. (Columbus, OH))上稱取(例如)131.9g 包含鈦的金屬粉末與氯化鈉的混合物，然後將稱好的金屬粉末的等分試樣注入基本上凹面的部 分觀。將端蓋18連接到基本上凹面的部分觀以封閉模具。將本發明的模具置於壓力容 器(冷等靜壓機(Cold Isostatic Press)，CIP42260, Avure Autoclave Systems，Inc. (Kent, WA))的壓力室內，壓力容器內充滿作為壓力介質的水。按照標準程序封閉壓力容器， 並將壓力容器內的內容物(包括本發明的模具)置於45ksi的壓力下約15秒，以進行冷等 靜壓成型。然後打開壓力容器並取出本發明的模具。接下來拆卸模具並取出壓實的金屬 部件。
圖4A示出了從常規模具中取出的坯體34的照片，而圖4B提供了從本發明的 模具中取出的坯體38的照片。對壓實的部件的目視分析發現，坯體34不是純粹的半球 形，並且其中顆粒的分散不均勻。由於常規模具具有狹小的開口，需要少量地逐勺填充 模具，當模具即將充滿時，填充過程會變得愈加困難填充過程中必須搖晃、振動或在 檯面上敲打模具，這會導致金屬顆粒和造孔材料所形成的粉末混合物乾燥並分離。在圖 4A中，坯體34上顏色較深的條帶表示金屬粉末含量高於造孔材料的部分，顏色較淺的條 帶則表示造孔材料含量高於金屬粉末的部分。此外，坯體34具有瑕疵36，瑕疵對應於模 具填充過程中用來接納金屬粉末的基本上凹面的部分的開口的位置。相比之下，坯體38 更逼近於純半球體，並且顆粒分散均勻，具有基本上光滑的表面輪廓。分別使用常規模 具和本發明的模具形成的毛坯狀態部件的髖白杯尺寸測量結果如圖5所示。使用常規模 具製備的坯體的標準偏差值大於使用本發明的模具製備的坯體的標準偏差值。此外，對 於使用本發明的模具製備的髖臼杯，「R」和「H」半徑值之間的偏差(用「R-H」表 示)明顯小於使用常規模具製備的髖白杯所測得的相應偏差。這表明，相比使用常規模 具製備的坯體，使用本發明的模具可以製備能夠更逼近模具形狀的坯體。
實例2-可重複性
對本發明的模具進行測試，以檢測其一致地製備具有可預見的形狀和顆粒分散 性的坯體的能力。將用於髖臼杯的單個本發明的模具充滿，並按照上述實例1所述的條 件進行壓實，將該過程重複三次，以得到三個單獨的坯體。通過目視檢查和物理測量比 較坯體。結果發現，使用本發明的模具製備的坯體具有大致均勻的形狀，並且沒有用常 規模具製備的坯體中會出現的瑕疵或其他物理差異。下表1給出的數據表明，對使用本 發明的模具製備的坯體測得的R、H和R-H值的標準偏差(分別為0.020、0.23和0J6) 小於對使用常規模具製備的坯體測得的R、H和R-H值的標準偏差(分別為0.31、0.94和 0.90)。
表 權利要求
1.一種模具，包括基本上凹面的部分；以及，蓋部分，所述蓋部分被構造為可移 除地連接到所述基本上凹面的部分，其中所述蓋部分和所述基本上凹面的部分在連接到 一起時限定具有三維形狀的內部空間，並且其中所述蓋部分包括軸柄，所述軸柄由基本 上剛性的材料形成並設置在限定所述內部空間的所述蓋部分的表面上。
2.根據權利要求1所述的模具，其中所述基本上凹面的部分包括被構造為用於接納金 屬粉末的開口。
3.根據權利要求1所述的模具，其中所述基本上凹面的部分為半球形。
4.根據權利要求3所述的模具，其中所述蓋部分和所述基本上凹面的部分在連接到一 起時限定具有基本上中空的半球形形狀的內部空間。
5.根據權利要求1所述的模具，其中所述基本上凹面的部分由柔性材料形成。
6.根據權利要求1所述的模具，其中所述基本上剛性的材料包括金屬。
7.根據權利要求1所述的模具，其中所述蓋部分包含固定地連接到所述軸柄的柔性材料。
8.根據權利要求7所述的模具，其中所述蓋部分的所述柔性材料構成固定地連接到所 述軸柄的外周邊的環。
9.一種方法，包括提供模具，所述模具包括基本上凹面的部分和被構造為可移除 地連接到所述基本上凹面的部分的蓋部分；將金屬粉末放入所述基本上凹面的部分；以 及在將所述金屬粉末放入所述基本上凹面的部分後，將所述蓋部分連接到所述基本上凹 面的部分。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述蓋部分和所述基本上凹面的部分在連接到 一起時限定具有三維形狀的內部空間。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述蓋部分和所述基本上凹面的部分在連接到 一起時限定具有基本上中空的半球形形狀的內部空間。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述蓋部分包括由基本上剛性的材料形成的軸柄。
13.根據權利要求9所述的方法，還包括壓緊所述模具以形成包含所述金屬粉末的坯體。
全文摘要
本發明提供了模具，所述模具包括基本上凹面的部分和蓋部分，所述蓋部分被構造為可移除地連接到所述基本上凹面的部分，並且包括由基本上剛性的材料形成的軸柄，其中所述蓋部分和所述基本上凹面的部分在連接到一起時限定具有三維形狀的內部空間。除了別的有益效果外，本發明所公開的裝置和使用所述裝置的方法提供了比常規模具更均勻和可重複的壓實，並且可用來製備壓實的結構，所述壓實的結構具有更準確的尺寸和可重複的表面特徵，從而形成更好、更優化的近淨形部件。
文檔編號B30B11/30GK102019423SQ20101027949
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月9日 優先權日2009年9月9日
發明者A·J·馬丁, H·D·劉, J·A·裡博爾特, J·林 申請人:德普伊產品公司