專利名稱：用失金屬模型形成陶瓷模的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備精確的陶瓷模的方法，該方法通過使用熱可逆的金屬(heat reversible metal)來制備模型(pattern)的過渡模，然后用該過渡模澆注出陶瓷模。該陶瓷模以后可用來制造耐久性更強(qiáng)的金屬模，用于澆注許多個(gè)與初始模型相同的塑料部件。
背景技術(shù)：
以快于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的速度將新產(chǎn)品打入市場(chǎng)被認(rèn)為是獲得巨大市場(chǎng)份額的關(guān)鍵。對(duì)整個(gè)市場(chǎng)時(shí)機(jī)有顯著影響的產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)領(lǐng)域是制備用于市場(chǎng)測(cè)試的產(chǎn)品和包裝的原型(package prototype)。這些測(cè)試通常需要許多個(gè)外觀相似、感覺相似和功能相似的原型供消費(fèi)者檢查或使用。
包裝元件通常包括用非常昂貴的含有多個(gè)模腔的鋼模制得的塑料部件。例如，大多數(shù)瓶子是吹塑制得的，大多數(shù)瓶蓋是注射模塑制得的。通常當(dāng)大量生產(chǎn)時(shí)，具有許多模腔的生產(chǎn)模具的成本才能被證明是合算的。市場(chǎng)較小時(shí)，或者僅制造數(shù)百件試樣時(shí)，就為此制造單個(gè)模腔的模子或原型模子。原型模子提供了是否能一致地制得該部件的重要知識(shí)，并提供了可用來制備試驗(yàn)部件的工具。在由生產(chǎn)級(jí)金屬(如P20或H13鋼)制備模具的情況下，通常使用放電加工(EDM)。EDM電極的形狀被制成能在它所施加的金屬中產(chǎn)生反模。所述電極通常由銅或石墨加工制得。這些電極材料在EDM過程中會(huì)破壞并磨損，必須加工并替換取代電極以完成EDM過程。目前可獲得用于EDM電極的耐磨損性很好的材料，但是這些材料不易加工。需要的是一種制備耐磨損性高的電極而無需對(duì)其加工的方法。
快速按原型制造容器或部件的一種方法是用由快速造型體系產(chǎn)生的模型代替常規(guī)注射模塑得到的蠟?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行的熔模鑄造法。所述模型的一個(gè)例子是QUICKCASTTM模型，3D Systems，Inc.of Valencia，CA的商標(biāo)。通常用浸漬方法將中空的塑料模型涂上一薄層陶瓷殼體。將塑料模型從將陶瓷殼體上燒掉，此時(shí)會(huì)留下少量灰渣。然后將金屬熔體注入該陶瓷殼體中，澆鑄出金屬部件或用于制備塑料部件的金屬模。因?yàn)樵撎沾蓺んw只有一個(gè)小孔用于接收金屬熔體，所以難以檢查關(guān)鍵表面上的灰渣情況。如果關(guān)鍵表面上有灰渣，就會(huì)破壞金屬鑄件。金屬熔體冷卻并收縮，結(jié)果是關(guān)鍵表面未能被精確地復(fù)制。部件越大，不精確性就越大。
授予Tobin的1996年4月的U.S.5，507，336中揭示了制造全致密模具的一種改進(jìn)方法。該方法包括將一個(gè)模型放入一根管子中，所述管子的熔點(diǎn)高于將被用于制造金屬模的滲透材料的熔點(diǎn)。在模型表面和管子的開口端之間澆注一陶瓷元件，使關(guān)鍵模型表面轉(zhuǎn)移到陶瓷元件上。所述陶瓷表面與模型表面是反象的。燒毀掉該模型，陶瓷表面就留在管子內(nèi)。然后，用金屬粉末和滲透材料從管子的另一端覆蓋該陶瓷體，將該管子置于爐中，以便在陶瓷表面上形成金屬部件。該金屬部件的表面與陶瓷表面是反象的。當(dāng)除去陶瓷元件時(shí)就得到了金屬模。金屬模與原型形狀相同，可用于模制具有反象形狀的塑料部件。對(duì)于具有外部關(guān)鍵表面的部件而言，這是一個(gè)理想的方法。
Tobin的方法是毀去賴以制得陶瓷模的模型。需要一種方法，它能快速地形成陶瓷模所用的模型而不毀壞該模型，且又有精確性。此外，通常需要提供用于模制塑料部件的配合金屬模。為此目的，金屬?？赡苄枰c模型反象的形狀。這樣，陶瓷模需要具有與模型相同的形狀，因此需要在陶瓷模和模型之間制備一個(gè)過渡模。象用Tobin的早先方法一樣，任何陶瓷模都不應(yīng)在其表面上被污染，這樣得到的金屬模才是精確的。
為了避免毀壞模型，需要使用一種由能按需要除去或再使用的材料制得的過渡模，以便將關(guān)鍵模型表面轉(zhuǎn)移至陶瓷模。蠟和硅橡膠已經(jīng)被用于這些用途。蠟(它是熱可逆的)的缺點(diǎn)是脆性，當(dāng)它與模型分離時(shí)會(huì)有小蠟片裂開下來，尤其是涉及有側(cè)凹部位和薄壁時(shí)。蠟在加熱時(shí)會(huì)膨脹使陶瓷開裂。硅橡膠需要被固化，而陶瓷在“凝固”時(shí)釋放熱量，會(huì)使硅橡膠變形，結(jié)果在陶瓷模中產(chǎn)生不精確性。此外，硅橡膠必須通過空氣噴射或其它脫離陶瓷的方式才能從模型中取出。這些方式會(huì)使陶瓷模破裂，尤其是在薄壁部位。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種制備具有與模型相同形狀的陶瓷模的方法，該方法能制得任何尺寸的模型的精確的復(fù)制品，容差在±0.005英寸的范圍內(nèi)，該方法不會(huì)在陶瓷模上留下灰渣和其它殘?jiān)?br> 本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供這樣一種方法，它使用熱可逆的金屬制備模型的反象過渡模，該過渡模在由其形成陶瓷模的過程中不會(huì)變形，但是該過渡模可以容易地與陶瓷模分離，而不會(huì)破壞陶瓷模的精密特征。
從下文的說明可以看出這些目的和其它目的。
發(fā)明的概述本發(fā)明的一個(gè)方面是一種形成陶瓷模的方法，該方法包括將一個(gè)具有關(guān)鍵模型表面(critical pattern surface)的模型放入具有開口端的型箱(flask)中的步驟。該關(guān)鍵模型表面朝上，對(duì)著開口端。依次的步驟包括將液態(tài)金屬加入型箱中覆蓋關(guān)鍵模型表面，冷卻該液態(tài)金屬，形成固態(tài)金屬模。該金屬模具有與所述關(guān)鍵模型表面反象的關(guān)鍵金屬模表面。進(jìn)一步的步驟包括從金屬模中取出模型，在金屬模周圍澆注出陶瓷模，通過加熱使金屬模液化，以從陶瓷模中除去。該陶瓷模具有與關(guān)鍵金屬模表面反象的關(guān)鍵陶瓷表面，從而精確地復(fù)制了關(guān)鍵模型表面。該方法還包括在冷卻液態(tài)金屬形成固態(tài)金屬模時(shí)對(duì)其脫氣的步驟。
附圖的簡(jiǎn)要說明雖然本說明書后面是權(quán)利要求書，它具體指出本發(fā)明并清楚地要求保護(hù)，但是可以認(rèn)為，由下文結(jié)合附圖對(duì)較佳實(shí)施方案的說明可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中相同的編號(hào)表示相同的元件，其中

圖1是放置于第一型箱3內(nèi)具有關(guān)鍵模型表面13的模型1的正視剖面圖。
圖2是位于第一型箱3內(nèi)的模型1的正視剖面圖，該型箱內(nèi)已經(jīng)注入了液態(tài)金屬5。
圖3是位于第二型箱8內(nèi)的固化的金屬模7的正視剖面圖，所述金屬模具有從關(guān)鍵模型表面13轉(zhuǎn)移得來的關(guān)鍵金屬模表面10，在第二型箱8和固化的金屬模7之間存在環(huán)形空間12。
圖4是第二型箱8的正視剖面圖，石膏(plaster)或陶瓷溶液9澆在固化的金屬模7上和環(huán)形空間12內(nèi)，并覆蓋著關(guān)鍵金屬模表面10。
圖5是取走了第二型箱8和金屬模7的固化石膏模11的正視剖面圖，其關(guān)鍵陶瓷表面14露在外面，它是由關(guān)鍵金屬模表面10轉(zhuǎn)移得來的，精確地復(fù)制了關(guān)鍵模型表面13。
發(fā)明的詳細(xì)說明本文中所用術(shù)語“金屬”是指在低于會(huì)發(fā)生模型損壞或者導(dǎo)致模型顯著熱膨脹的溫度以下會(huì)熔化的任何金屬、金屬合金或金屬合金復(fù)合物。該金屬、金屬合金或金屬合金復(fù)合物在固化時(shí)不會(huì)明顯地膨脹和收縮。它還在高于會(huì)導(dǎo)致模型顯著熱收縮的溫度發(fā)生凝固。較好的是在室溫以上約3℃固化。該金屬液體形成的固體，其在處于注入陶瓷溶液并固化成固體形狀涉及的溫度范圍時(shí)，膨脹或收縮很小。
本文中所用的術(shù)語“熱可逆(的)”是指在約35℃以下固化并在約45℃以上熔化即液化的金屬。盡管也可以獲得非金屬的熱可逆材料(如明膠)，然而低熔點(diǎn)金屬被認(rèn)為是熔化最快的，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱性高。此外，低熔點(diǎn)金屬的粘度低于明膠的粘度，因此當(dāng)從陶瓷模中除去時(shí)沒有明膠那樣強(qiáng)的沖走陶瓷表面顆粒的趨勢(shì)。這些陶瓷細(xì)粒對(duì)于保持由此澆注得到的陶瓷模良好的表面光潔度是關(guān)鍵性的。
圖1示出了與型箱內(nèi)表面緊密配合的模型1。模型1代表一種瓶蓋的外部。模型1具有關(guān)鍵模型表面13，它表示瓶蓋外部的細(xì)節(jié)。模型較好是用原型制造領(lǐng)域中人們熟知的立體石印術(shù)(stereolithography)方法制成，該方法一般是通過激光固化聚合物迅速制造出電子文件描繪的模型。將模型放入型箱中，關(guān)鍵模型表面朝上，對(duì)著型箱的開口端。
將液態(tài)金屬澆在模型上。制成的金屬模是要用作將關(guān)鍵模型表面轉(zhuǎn)移至陶瓷模的過渡模。類似地，將陶瓷溶液澆在置于敞開型箱內(nèi)的金屬模上，讓其硬化。然而，陶瓷材料通常在其放熱粘結(jié)反應(yīng)中產(chǎn)生熱量。金屬模最終必須通過熔化金屬從陶瓷模中除去。在那些薄的部位，將金屬熔化除去能避免破壞脆性的陶瓷模。將重新液化的金屬傾倒出去就能夠容易地從陶瓷模中將其除去。陶瓷的放熱反應(yīng)通常有使其鄰近的金屬熔化的作用，因此當(dāng)陶瓷硬化時(shí)不會(huì)發(fā)生表面變形。得到的陶瓷?？梢杂萌廴诘拟F焊劑洗滌，除去任何殘?jiān)?，然后燒制陶瓷模以使其最終硬化。
使用較佳金屬是CERROLOW117，它是Cerro Corporation的商標(biāo)，可購自Cerro Metal Products of Bellefonte，PA。纖維或其它結(jié)構(gòu)材料可分散于金屬中。這些材料能增加強(qiáng)度，并能夠容易地與熔融的金屬一起從陶瓷模中除去。
如圖2所示，將金屬澆在位于具有開口端的型箱內(nèi)的模型上。所述金屬澆鑄可以多次完成，取決于部件的尺寸如何。采取多次澆鑄時(shí)，第一次澆鑄應(yīng)待其形成一皮層后，再進(jìn)行下一次澆鑄，這樣氣泡就不致穿入第一次澆鑄層。
對(duì)型箱致冷或于室溫中冷卻，直至金屬固化。金屬的固化約需要2-8小時(shí)，取決于模型的尺寸和金屬層的深度。
注入金屬的深度取決于采用的模型，還取決于陶瓷模所需的尺寸。本領(lǐng)域技術(shù)人員無需過多試驗(yàn)就能容易地確定該深度。一般來說，最小的金屬厚度較好是在每個(gè)關(guān)鍵模型表面上方約2.5厘米。
然后，將固化的過渡金屬模從模型上拉出。在一個(gè)較佳實(shí)施方案中，型箱由能容易拆除的幾個(gè)面構(gòu)成，先使這幾個(gè)面與金屬模脫離，然后再使金屬模與模型脫離。金屬模保持著對(duì)模型的關(guān)鍵表面的反象復(fù)制而沒有變形，即使是涉及一些薄的部位。重要的是模型具有光滑表面而沒有側(cè)凹部。有側(cè)凹部位和粗糙表面會(huì)妨礙固化的金屬從模型中取出。
圖3揭示了放置于第二型箱中的金屬模，石膏或陶瓷溶液將加入該型箱中。金屬模放置時(shí)應(yīng)使關(guān)鍵金屬模表面朝上，對(duì)著第二型箱的開口端。較好是第二型箱壁和金屬模之間應(yīng)有足夠的空間，使得在該空間內(nèi)可以圍繞金屬模形成陶瓷。由此制得的陶瓷模會(huì)具有圍繞著關(guān)鍵陶瓷表面的連續(xù)環(huán)形陶瓷邊沿，所以該陶瓷模能容易地用于澆鑄目的，無需使用另外的型箱。
將石膏或其它陶瓷材料澆入第二型箱內(nèi)至金屬模上方一定深度。該深度較好是金屬模上方約1-5厘米。被澆注的陶瓷材料較好是在真空下脫氣，除去可能影響形成最終陶瓷模質(zhì)量的空氣。石膏或陶瓷材料先“凝固”即變成固態(tài)形狀，然后完全固化。在此粘結(jié)過程中，石膏中發(fā)生放熱反應(yīng)，它使周圍的金屬發(fā)生熔化。型箱最好是涂有脫模劑，使得型箱能夠容易地與陶瓷模脫離。
較佳的放熱性陶瓷材料是C1-Core Mix，得自Ranson ＆ Randolph of Maumee，Ohio。它是熔凝二氧化硅、硅酸鋯、磷酸銨、二氧化硅(方英石)和氧化鎂的混合物?？墒褂眯托挠不瘎?000，也是得自Ranson & Randolph。它含有非晶態(tài)二氧化硅和6-羥基-3-氧代-9-呫噸-O-苯甲酸二鉀。
當(dāng)陶瓷凝固之后，可將陶瓷模和剩余的金屬在烘箱中加熱，或者用空氣加熱槍加熱，以使金屬完全熔融而容易除去。烘箱的溫度應(yīng)為約200-500℃，以確保金屬熔化。
陶瓷模的開口端對(duì)應(yīng)于第二型箱的底端，使其能容易地將熔化即液態(tài)的金屬從陶瓷模中倒出。此外，能容易地從開口端對(duì)關(guān)鍵陶瓷表面進(jìn)行檢查，以確保所有的金屬和其它殘?jiān)急怀ァ?br> 再將陶瓷模放入爐中，將其加熱至至少1100°F(990℃)至少3小時(shí)，使石膏完全固化，用于進(jìn)一步工藝中?？墒褂脷錃鈿夥?，因?yàn)樵谔沾缮暇筒粫?huì)留下需要燒掉的殘?jiān)Ｅc使用環(huán)氧化物和蠟的陶瓷模制造方法相比，不留有殘?jiān)侵匾膮^(qū)別。
在上面雖然例舉并說明了本發(fā)明的具體實(shí)施方案，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下作出許多變化和改動(dòng)，所有在本發(fā)明范圍內(nèi)的這些改動(dòng)都應(yīng)被理解為包含在所附權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1．一種形成陶瓷模的方法，其特征在于它包括以下步驟a)將一個(gè)具有關(guān)鍵模型表面的模型放入具有開口端的型箱中，所述關(guān)鍵模型表面朝上，對(duì)著所述開口端；b)用加入所述型箱中的熱可逆液態(tài)金屬覆蓋所述關(guān)鍵模型表面；c)冷卻所述金屬溶液，形成固態(tài)金屬模，所述金屬模具有從所述關(guān)鍵模型表面轉(zhuǎn)移得來的與所述關(guān)鍵模型表面反象的關(guān)鍵金屬模表面；d)將所述型箱和所述模型與所述金屬模脫離；e)在所述固態(tài)金屬模周圍澆注出陶瓷模，所述陶瓷模具有從所述關(guān)鍵金屬模表面轉(zhuǎn)移得來的與所述關(guān)鍵金屬模表面反象的關(guān)鍵陶瓷表面，從而所述關(guān)鍵陶瓷表面精確地復(fù)制了所述關(guān)鍵模型表面；f)液化所述金屬模，再將其從所述陶瓷模中除去。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于所述金屬是CERROLOW117。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于在冷卻所述液態(tài)金屬形成固態(tài)金屬模時(shí)對(duì)其脫氣的步驟。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于所述液態(tài)金屬還包含纖維或其它增稠劑。
5．一種形成陶瓷模的方法，其特征在于它包括以下步驟a)將一個(gè)具有關(guān)鍵模型表面的模型放入具有開口端的第一型箱中，所述關(guān)鍵模型表面朝上，對(duì)著所述開口端；b)用加入所述第一型箱中的熱可逆液態(tài)金屬覆蓋所述關(guān)鍵模型表面；c)邊使所述液態(tài)金屬脫氣邊冷卻所述液態(tài)金屬，形成固態(tài)金屬模，所述金屬模具有從所述關(guān)鍵模型表面轉(zhuǎn)移得來的與所述關(guān)鍵模型表面反象的關(guān)鍵金屬模表面；d)將所述模型和所述第一型箱與所述金屬模脫離，將所述金屬模置于第二型箱中，所述關(guān)鍵金屬模表面朝上，對(duì)著所述第二型箱的開口端；e)將陶瓷溶液加入所述第二型箱中，使其覆蓋所述關(guān)鍵金屬模表面，同時(shí)對(duì)所述陶瓷溶液脫氣，所述陶瓷溶液固化，然后放熱地粘結(jié)，形成環(huán)繞所述金屬模周圍的陶瓷模，所述陶瓷模具有從所述關(guān)鍵金屬模表面轉(zhuǎn)移得來的與所述關(guān)鍵金屬模表面反象的關(guān)鍵陶瓷表面，從而所述陶瓷關(guān)鍵表面精確地復(fù)制了所述關(guān)鍵模型表面；f)通過加熱液化所述金屬模從所述陶瓷模中除去所述金屬，并將所述第二型箱與所述陶瓷模脫離。
6．如權(quán)利要求6述的方法，其特征還在于所述液態(tài)金屬還包含纖維或其它增稠劑。
7．一種形成陶瓷模的方法，其特征在于它包括以下步驟a)將一個(gè)具有關(guān)鍵模型表面的模型放入具有開口端的第一型箱中，所述關(guān)鍵模型表面朝上，對(duì)著所述開口端；b)用加入所述第一型箱中的金屬溶液覆蓋所述關(guān)鍵模型表面；c)邊使所述金屬溶液脫氣邊冷卻所述金屬溶液，形成彈性固態(tài)金屬模，所述金屬模具有從所述關(guān)鍵模型表面轉(zhuǎn)移得來的與所述關(guān)鍵模型表面反象的關(guān)鍵金屬模表面；d)將所述模型和所述第一型箱與所述金屬模脫離，將所述金屬模置于第二型箱中，所述關(guān)鍵金屬模表面朝上，對(duì)著所述第二型箱的開口端，所述第二型箱的尺寸能提供環(huán)繞所述金屬模的環(huán)形空間；e)將第一陶瓷溶液加入所述第二型箱中，使其注滿所述環(huán)形空間，同時(shí)對(duì)所述第一陶瓷溶液脫氣，所述第一陶瓷溶液固化時(shí)不產(chǎn)生熱量，形成第一陶瓷模，用來將所述金屬模錨定在位，形成圍繞著所述關(guān)鍵金屬模表面的連續(xù)環(huán)形邊沿；f)用加入所述第二型箱的第二陶瓷溶液覆蓋所述第一陶瓷模和所述金屬模，所述第二陶瓷溶液放熱地粘結(jié)，形成與所述第一陶瓷模粘結(jié)的第二陶瓷模，所述第二陶瓷模具有從所述關(guān)鍵金屬模表面轉(zhuǎn)移得來的與所述關(guān)鍵金屬模表面反象的關(guān)鍵陶瓷表面，從而所述關(guān)鍵陶瓷表面精確地復(fù)制了所述關(guān)鍵模型表面；g)通過加熱液化所述金屬模從所述第一和第二陶瓷模中除去所述金屬，并將所述第二型箱與所述第一和第二陶瓷模脫離。
全文摘要
公開了一種形成陶瓷模的方法,該方法包括將一個(gè)具有關(guān)鍵模型表面(13)的模型(1)放入具有開口端的型箱(3)中的步驟。該關(guān)鍵模型表面朝上,對(duì)著開口端。依次的步驟包括將熱可逆的液態(tài)金屬(5)加入型箱(3)中覆蓋關(guān)鍵模型表面,冷卻該液態(tài)金屬,形成固態(tài)金屬模。該金屬模(7)具有與所述關(guān)鍵模型表面(10)反象的關(guān)鍵金屬模(7)表面。進(jìn)一步的步驟包括將模型與金屬模(7)脫離,在金屬模周圍澆注陶瓷模(11),使金屬模液化以從陶瓷模(11)中將其除去。該陶瓷模(11)具有與關(guān)鍵金屬模表面反象的關(guān)鍵陶瓷表面(10),從而精確地復(fù)制了關(guān)鍵模型表面。
文檔編號(hào)B22C9/04GK1281398SQ98811875
公開日2001年1月24日 申請(qǐng)日期1998年11月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月8日
發(fā)明者J·R·托賓 申請(qǐng)人:密爾沃基工程學(xué)院