制作高密度金属模和零件的方法技术

一种制作高密度金属零件或与另一个半模配合以便形成一个用于铸造多个零件的铸模的金属半模的方法。它包括将一个具有临界模型面的模型放在一个具有一开口端的砂箱中的步骤。所述临界模型面面向上。其它步骤涉及用一种加入砂箱中的浓缩的可逆热凝胶溶液覆盖临界模型面，并冷却该凝胶溶液以便形成一个弹性的固体胶模。其它步骤包括从弹性胶模上取下砂箱和模型并环绕固体胶模地铸出一个陶瓷模。在其它步骤中，胶模被液化以使其脱离陶瓷模，并倒转陶瓷模，从而其临界陶瓷面面向上。其它步骤涉及用一种粉末覆盖临界陶瓷面并将大量浸渗剂放在粉末上，将陶瓷模、粉末和浸渗剂放在一个炉子中并且不使粉末熔化和烧结地使其处于一个足以熔化浸渗剂的温度下。浸渗剂的数量足以充满微粒之间的间隙，由此形成了一个高密度半模。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及原型的快速制作方法。确切地说，本专利技术涉及制作尺寸精确的金属件和可由其模制出许多个原型件的金属铸模的方法。本专利技术还涉及一种通过采用可逆热材料制造模型的中间模型而制备尺寸精确的金属铸模的方法。比竞争对手更早地使新产品问市被公认为是占有广大市场的关键。因而，它激励着人们加速新产品开发的每一个步骤。一个对整个市场周期有重大影响的产品开发领域就是产品的制造和用于市场检验的装配样品。这样的检验通常需要许多个外观、感觉相似且功能相近的样品以供消费者使用或检验。在要求产品数量的情况下，模铸是生产零件的常用方式。模铸生产一般牵涉到在很昂贵的多型腔钢模中塑造的塑料件。例如，大多数瓶子是吹塑而成的，而大多数瓶盖是注塑而成的。人们一般采用大的产量来评价模铸生产的成本。另一方面，市场检验可能只需要数百个零件就够了。但是，通常需要使其具有与产品相同的性能地模铸出样品。因此，如何快速地获得模铸样品就成为复杂的课题。早有一些解决方案被用于快速地制造可由其铸出少量零件的样品件铸模。例如，可以在热态下在一个柔软的橡胶模中混合耐热材料粉末和热塑性粘结剂。此方法形成了未经热处理的构件，接着进一步加热此未经热处理的构件以便烧除粘结剂。用低熔点金属液浸润所形成的多孔件，由此形成了一个没有机加工表面的高密度铸型。此方法的缺点是，要对粉末进行烧结以便在去除粘结剂之后使铸型固定成型。烧结造成颗粒占据了比它们未经烧结时少的空间。因此，烧结收缩影响了铸模的精度和由其制出的零件的尺寸精度。如带有用于冷却流体的通道的烧结金属件可以是通过将铜丝与烧结粉末混合而形成的。当加热到烧结温度时，铜丝熔化并被吸收到烧结颗粒的孔中，从而形成了通道。现有技术中的其它方法涉及经烧结而形成基体的金属颗粒，而渗入所述基体中的金属可以在基体中凝固。烧结方法造成颗粒多多少少地改变了它们的间隙，这导致渗金属零件的尺寸不够精确。另一个快速制作样品件的方法是熔模铸造法，它使用了通过快速制作原型装置制成的模型而不是传统的注塑蜡模。这样的模型的一个例子是QuickCastTM模型，它是加利福尼亚州瓦伦西亚市的3D系统公司的产品。通过蘸涂方法给一个空心的塑料模型涂上薄薄的陶瓷外壳。从陶瓷壳中烧除塑料，从而在烧除后留下了最少的残灰。接着，将金属液注入陶瓷壳中，从而铸造出一个金属件或一个塑料件的金属铸模。由于外壳只具有一个用于导入金属液的小孔，所以难于观察残灰的临界面。任何残留在临界面上的残灰将潜在地破坏金属铸造。金属液冷却并收缩，从而不能精确地重现临界面。零件越大，则尺寸不精确的情况越严重。熔模铸造方法的改进方案采用了一个环绕一个模型通过浇注陶瓷料浆和粘结剂而形成的陶瓷外壳，其中可以通过化学方法控制粘结剂以保证陶瓷外壳精确地固化。这对熔模铸造法来说是一种改进，因为使外壳的制造更加快速了。但是，熔模铸造法仍然局限于金属液收缩不加重尺寸不精确度的小型铸模。一种制作高密度铸模的改进方法在1996年4月授予托宾的US5,507,336中披露了。此方法包括将一个模型安放在一根其熔点高于将用于金属模制造中的浸渗材料的熔点的管中。在模型面和管开口端之间铸造出一个陶瓷件，以便将临界模型面转移给陶瓷件。陶瓷面的形状与临界模型面的形状正好相反。烧掉模型而陶瓷面仍留在管中。接着，从管的另一端给陶瓷涂覆金属粉末和浸渗材料，然后将管子放入炉中，从而在整个陶瓷面上形成了金属件。金属件的表面形状与陶瓷面正相反。当除去陶瓷件时，就形成了金属模。金属模的形状与模型形状相同，而且它被有效地用于模塑制作形状相反的塑料件。这对于具有外临界面的零件来说是一个理想的制作方法。托宾的方法破坏了由其制出陶瓷模的模型。人们需要一种不破坏模型但尺寸精确地快速制作陶瓷模模型的方法。另外，通常需要为塑料件模塑提供一种匹配的金属模。为此，金属模可能需要一种与模型形状相反的形状。因此，陶瓷模需要具有与模型相同的形状且因此需要一个在陶瓷模和模型之间形成的中间模。如在托宾的已有方法中那样，任何陶瓷模的表面都应该不被污染，从而所形成的金属模才能尺寸精确。为了避免破坏模型，使用一个由按照需要可被舍弃或重新使用的材料制成的中间模以将临界模型面转移到陶瓷模上，这是理想的。蜡或硅酮橡胶已被用于此目的。蜡(是可逆热的)的缺点是它是脆性的，而且当从模型中被除去时，尤其是在包括底切口和薄壁特性的情况下，它可造成小构件被破坏。它还可在受热时膨胀并使陶瓷胀裂。硅酮橡胶需要固化，当陶瓷固化放热时，硅酮橡胶可能变形并造成在陶瓷模型中产生尺寸不精确的情况。另外，必须通过喷气或其它迫使硅酮离开陶瓷的方式从模型中除去硅酮橡胶。尤其是在包括底切口和薄壁特征的情况下，这可能造成陶瓷模破裂。人们一直希望有这样一种方法，它无论零件大小都能避免烧结，从而快速地制作出尺寸精确的且主要用于注塑的金属模，而且能够通过所述金属模模塑出比较多的塑料件。因此，本专利技术的一个目的是提供一种制作其形状与模型相反的金属模的方法，它可以在公差为±0.005英寸的情况下生产出具有任何尺寸的模型的尺寸精确的复制品。本专利技术的另一个目的是提供一种使用弹性的可逆热材料来制作形状相反的模型的中间模的方法，而且所述中间模在由其制作陶瓷模时不变形，但可以在不破坏陶瓷模的精巧结构的前提下轻松地从陶瓷模中除去中间模。从以下描述中将明显看出这些和其它目的。在本专利技术的一个方面中，一种根据一个模型制作高密度半模的方法具有以下步骤将一个具有临界模型面的模型放在一个具有一开口端的砂箱中，临界模型面朝上地面向该开口端；用一种加入砂箱中的浓缩的可逆热凝胶溶液覆盖临界模型面；冷却该凝胶溶液以便形成一个弹性的固体胶模，该胶模具有由临界模型面传递过来的且与该临界模型面形状相反的临界凝胶型面；从该弹性胶模上取下砂箱和模型；环绕所述固体胶模地铸造出一个陶瓷模，该陶瓷模具有由临界凝胶型面传递过来的且与该临界凝胶型面形状相反的临界陶瓷面，该临界陶瓷面由此精确地复制出临界模型面；使所述胶模液化以使其脱离陶瓷模；翻转该陶瓷模，从而临界陶瓷面朝上；用一种粉末覆盖临界陶瓷面，该粉末包含其熔化温度高于一种浸渗剂的熔化温度的微粒，并且在所述微粒之间有空隙；将大量的浸渗剂覆盖在所述粉末上，然后将陶瓷模、粉末和浸渗剂放入一个炉子中并且不使该粉末熔化和烧结地使陶瓷模、粉末和浸渗剂处于一个足以熔化所述浸渗剂的温度下，该浸渗剂的数量足以充满所述微粒之间的空隙，由此产生了一个高密度半模，当浸渗剂凝固时，该高密度半模具有由临界陶瓷面传递过来的临界高密度型面，该临界高密度型面的形状与临界陶瓷面相反；以及使陶瓷模脱离高密度半模以便露出所述的用于模铸的临界高密度型面。此方法可能还包括以下步骤对高密度半模进行机加工，从而一个配合半模可以对准该高密度半模以便进行零件铸造；机加工出一个穿透该高密度半模的直浇口以便将可铸塑材料引向临界高密度型面，由此铸造出零件。此方法可能还包括在凝胶溶液受到冷却以便形成一个弹性的固体胶模时对凝胶溶液进行除气处理的步骤。可逆热的凝胶溶液优选地含有约35％～50％的胶凝材料、约45％～65％的水和约0％～10％的脱泡剂。胶凝材料最好是明胶。凝胶溶液可能还含有纤维或其它增稠剂。脱泡剂优选为硅酮。粉末是钨粉。浸渗剂从包括铜、铜合金和铜铍合金的组中选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种根据一个模型制作高密度半模的方法，其特征在于，它具有以下步骤：ａ）将一个具有临界模型面的模型放在一个具有一开口端的砂箱中，该临界模型面向上地面向所述开口端；ｂ）用一种倒入所述砂箱中的浓缩的可逆热的凝胶溶液覆盖所述临界模型面； ｃ）冷却所述凝胶溶液以便形成一个弹性的固体胶模，该胶模具有由所述临界模型面传递过来的且与所述临界模型面的形状相反的临界凝胶型面；ｄ）从所述弹性胶模上取下所述砂箱和所述模型；ｅ）环绕所述固体胶模地浇注出一个陶瓷模，该陶瓷模具有由所述临 界凝胶型面传递过来的且与所述临界凝胶型面形状相反的临界陶瓷面，该临界陶瓷面由此精确地复制了所述临界模型面；ｆ）使所述胶模液化以使其脱离所述陶瓷模；ｇ）翻转所述陶瓷模，从而所述临界陶瓷面朝上；ｈ）用一种粉末覆盖所述临界陶瓷面，该粉 末包含其熔化温度高于一种浸渗剂的熔化温度的微粒，在所述微粒之间有空隙；ｉ）将一定数量的浸渗剂覆盖在所述粉末上，将所述陶瓷模、粉末和浸渗剂放入一个炉子中并且不使所述粉末熔化和烧结地使陶瓷模、粉末和浸渗剂处于一个足以熔化所述浸渗剂的温度下， 所述浸渗剂的数量足以充满所述微粒之间的空隙，由此产生了一个高密度半模，当所述浸渗剂凝固时，所述高密度半模具有由所述临界陶瓷面传递过来的临界高密度型面，该临界高密度型面的形状与所述临界陶瓷面相反；以及ｊ）使所述陶瓷模脱离所述高密度半模以便 露出所述的模铸用的临界高密度型面。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯R托宾，
申请(专利权)人：米沃基工程公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]