专利名称：模具设计与粉末模铸方法
技术领域：
本发明涉及(例如)用于制备多孔金属结构的方法和装置等等。
技术背景
冷等静压成型是制备近净形粉饼的有效方式。该方法涉及用粉末填充模具以及 将充满粉末的模具放入用来将粉末压缩成致密块体(坯体)的压力容器。冷等静压成型 常用来压缩金属和空间填料的粉末混合物，其中空间填料在压实之后被移除，以得到多 孔金属结构。多孔金属结构被广泛用作整形外科植入物、催化剂载体、骨骼生长基底和 过滤器等等。
传统的粉饼制备方法涉及填充组装的模具，模具的内部空间与通过压制填充模 具所用的粉末而形成的坯体的形状基本上对应。通过组装的模具的小口注入金属粉末或 粉末混合物以填充模具，然后在开始压实前堵上开口。例如，设计用于制备髋白杯形式 的金属结构的模具通常具有特征性的端盖和穹顶，其中穹顶的峰具有孔，通过此孔可以 注入粉末以填充模具。填充之后，在开始压制之前用塞子密封模具。
然而，此类常规模具会在许多方面产生不满意的结果。例如，在对填充后的模 具施压而形成的坯体中，常常存在尺寸变化；例如就杯状模具而言，杯子的内外半径会 随坯体而异。
另一个问题是，通过小孔填充模具并使用塞子密封模具的作法会导致所得的坯 体在塞子处存在缺陷。
此外，填充此类模具的方法困难而耗时。通常，在通过开口用尽量多的粉末填 充模具之后，将模具封闭并在硬表面上敲打模具，以使粉末尽可能地致密。然后继续填 充孔，以加入更多的粉末；重复这一过程，直到模具被尽可能地充满。除了繁琐和耗 时外，填充方法还会导致粉末溢出，这会造成浪费并存在工作人员接触溢出的粉末的风 险。此外，尽管如此费力，但该方法通常仍会产生填充不完美的模具。
在模具中填入过多粉末会导致模具部件之间形成间隙。要压实填充后的模具可 能需要使用水作为压缩介质，这样会导致漏水，尤其是在模具已被过度填充的情况下。 漏水会导致无法形成压实的坯体。
常规模具的另一个问题是，反复使用常会导致端盖的轴柄部分比模具的其他部 分磨损更为严重。如果轴柄形状因磨损而变化，那么在磨损的模具内制成的坯体会与理 想的形状有所偏差。轴柄过度磨损还会导致该部分模具产生裂纹和裂缝。
仍然需要经设计为可克服上述一些或全部问题的模具，并且这种模具能够使压 实过程获得一致性和可重复性。发明内容
在一个方面，本发明提供了模具，其包括基本上凹面的部分和被构造为可移除 地连接到基本上凹面的部分的盖部分，其中盖部分和基本上凹面的部分在连接到一起时限定具有三维形状的内部空间，并且其中盖部分包括轴柄，轴柄由基本上刚性的材料形 成，并且设置在限定内部空间的盖部分的表面上。
在另一方面，本发明公开了方法，其包括提供具有基本上凹面的部分和被构造 为可移除地连接到基本上凹面的部分的盖部分的模具，将金属粉末放入基本上凹面的部 分，以及在放入金属粉末之后将盖部分连接到基本上凹面的部分。
本发明还提供了方法，其包括将金属粉末放入模具的基本上凹面的部分以及压 紧模具以形成包含金属粉末的坯体，其中模具还包括盖部分，其被构造为可移除地连接 到基本上凹面的部分并包括由基本上刚性的材料形成的轴柄。
图1示出了根据现有技术的模具组件；
图2提供了根据本发明的端盖的透视图和剖视图3A示出了充满粉末并与端盖分离的示例性基本上凹面的部分；图3B示出了 在将粉末放入基本上凹面的部分之后图3A的端盖与基本上凹面的部分的连接方式；
图4提供了分别使用常规模具和根据本发明的模具制备的坯体的照片。
图5提供了分别使用常规模具和本发明的模具制备的毛坯状态部件的尺寸测量值。
图6包括分别使用常规模具和根据本发明的模具制备的坯体的照片。
具体实施方式
结合对构成本公开一部分的附图和实例的下列详细说明，可以更容易地理解本 发明。应当理解，本发明不限于本文所描述和/或示出的具体产品、方法、条件或参 数，并且本文所用术语仅用于以举例方式描述具体实施例，并不旨在限制受权利要求书 保护的本发明。
在本公开中，除非上下文相反地明确指出，否则单数“一个”、“一种”和 “该”包括复数含义，对具体数值的引用至少包括该具体数值。因此，例如当提及“一种粉末”时，是指一种或多种这类粉末，以及本领域的技术人员已知的该粉末的等价 物，等等。当前面用“约”将数值表示为近似值时，应当理解，该具体值构成了另一个 实施例。如本文所用，“约X”(其中X为数值)优选地指所引用值士 10%，包括端点 值。例如，术语“约8”优选地指7.2至8.8之间的值，包括端点值；又如，术语“约 8%"优选地指7.2%至8.8%之间的值，包括端点值(需要考虑整数时，取整到最近的整 数)。存在时，所有范围均包括端点值以及其中的组合。例如，当引用“1至5”的范 围时，所引用的范围应当理解为包括“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4 至5”、“1至3和5”、“2至5”等范围。此外，当以肯定方式提供了一列备选项时， 该列备选项可以理解为表示可以排除备选项中的任何一个，例如通过在权利要求中加上 否定的限制实现。例如，当引用“1至5”的范围时，所引用范围应当理解为包括以否 定方式排除1、2、3、4或5中任何一项的情形；因此，对“1至5”的引用可以理解为 “1和3-5，但不包括2”，或者仅仅是“其中不包括2”。
本文所引用或描述的每项专利、专利申请和专利公开中的公开内容均以引用方式全文并入本文。
除非另外指明，否则结合本发明的一个实施例描述的元件或步骤的特性适用于 本发明的其他实施例的元件或步骤。
本发明提供了用于制备具有致密颗粒的结构的装置和方法等等，例如由粉末 (包括金属粉末)制备的坯体。本发明所公开的方法和装置通常可提供比常规模具更均 勻和可重复的压制，并且可用来制备(例如)具有尺寸更精确的可重复表面特征的致密结 构，从而产生更好的、更优化的近净形部件。此外，本发明提供了一些方法和装置，这 些方法和装置在某些实施例中与用粉末快速一致地填充模具兼容。通过以下具体实施方 式将更容易地发现这些优点和其他优点。
在一个方面，本发明提供了模具，该模具包括基本上凹面的部分以及被构造为 可移除地连接到基本上凹面的部分的盖部分，其中盖部分和基本上凹面的部分在连接到 一起时限定具有三维形状的内部空间，并且其中盖部分包括轴柄，轴柄由基本上刚性的 材料形成，并设置在限定内部空间的盖部分的表面上。
冷等静压成型常用来在常规模具中压实粉末或粉末混合物(包括金属粉末)。图 1示出了常规模具2的分解图。该模具通常由橡胶制成，并且可以包括具有轴柄6的端盖 4和包括开口 10的主体8，当主体8和端盖4组装成模具2时，通过开口 10可以倒入粉末 或粉末混合物，以填充模具。为了组装模具，将主体8固定到端盖4上，并使轴柄6设 置在模具2的内部空间中。端盖4外边缘上的肋14与主体8的末端16的内表面形成密 封。在将组装好的模具充满之后，使用塞子12密封开口 10，然后再压实充满的模具2。
由常规模具制成的压实部件之间常常存在一定的尺寸偏差，这部分地由于制备 模具的材料的柔韧性而引起。然而，目前已经发现，将由基本上刚性的材料制成的轴柄 结合到模具盖内会显著改善压缩过程的可重复性，从而允许使用本发明的模具制备精准 成形的压实部件。这种可重复性也为精确加工压实部件(坯体)奠定了基础；如果不具 备可重复性，则很难为精确加工定位坯体，从而制备精确成形的末端部件。此外，使用 本发明的模具制备的坯体越可靠地逼近组装模具的部件所限定的内部空间的形状，所需 加工就越少，这样可以节省时间和能量，并且还能减少粉末浪费。
通过结合由基本上刚性的材料制成的轴柄，还有助于提高模具的耐磨性。常规 模具在反复使用后会劣化，并且本发明的发明人发现，在本发明的模具的轴柄远未出现 明显磨损之前，柔性轴柄就已经出现裂纹和裂缝。因此，使用由基本上刚性的材料制成 的轴柄可以延长模具寿命，由于磨损的模具在冷等静压成型过程中会进水，因此延长模 具寿命非常重要。模具渗水后会损坏部件，并会导致粉末进入压力室。因此，本发明的 模具在许多情况下可延长模具寿命，减少部件磨损，并提高由粉末材料制备坯体的安全 性。
此外还发现，本发明的模具通常可由粉末混合物得到在不同类型的颗粒之间分 离减少的坯体。这些结果在下文的实例2中有所描述。颗粒分散均勻可在最终构造中形 成更均勻的孔隙度，并在其他结构属性方面提高一致性。
组装好的模具的内部空间可以限定任何三维形状，并且优选地限定与要由坯体 制备的医学植入物、催化剂或其他结构的形状基本上对应的三维形状。例如，由组装模 具限定的内部空间的三维形状可以具有基本上中空的半球形状。具有基本上中空的半球状内部空间的模具可用来形成坯体，继而再将坯体制成髋白杯整形外科植入物。
可根据常规技术填充本发明的模具，即通过将填料(如金属粉末或粉末混合物) 注入组装模具中的开口。例如，基本上凹面的部分可以包括开口，该开口被构造为接纳 用于填充模具的金属粉末。一旦充满模具，就可以堵上开口，然后再进行压实。在其他 实施例中，基本上凹面的部分不包括开口，并且不在组装状态下填充模具。此类实施例 在下文将有更详细的描述。
盖部分包括由基本上刚性的材料制成的轴柄。基本上刚性的材料可以为让轴柄 比常规柔性轴柄(例如橡胶轴柄)更具刚性的任何物质或物质的混合物。优选地，轴柄 可以包括在有限变形下能承受约20至约60ksi压力的任何材料。如本文所用，“有限变 形”优选地是指小于约0.5%、小于约0.3%、小于约0.2%或小于约0.1%的变形。基本上 刚性的材料可以为例如金属、金属合金、陶瓷或合成聚合物。合适的聚合物的非限制性 例子包括聚丙烯、聚醚醚酮、聚苯砜、聚醚亚胺以及它们的碳纤维增强或玻璃纤维增强 的对应材料。合适的金属的非限制性例子包括不锈钢、碳钢、合金钢、钛、钛合金(如 Ti-6A1_4V)、钴铬合金、铝或铝合金、钼、钽、铌、锆、钨、或它们的任意组合。合适 的陶瓷的非限制性例子包括氧化铝、氧化锆、碳化物、氮化物、硼化物和硅化物。轴柄 可以具有任何三维几何形状或不规则形状。例如，轴柄可以为基本上半球形、基本上立 方体形、基本上圆锥形、基本上棱锥形、基本上圆柱形、或类似于另一种规则或不规则 三维几何物体的形状。
端盖可以包括基本上凹面的一个或多个方面。然而，在许多实施例中，本发 明所公开的模具的基本上凹面的部分具有合适的构造，使得当对各部件的容积进行比较 时，该构造将容纳更大体积的填充材料。基本上凹面的部分可以为半球形。例如，基本 上凹面的部分可以实际上为半球形，或者可以为球体或其他类球体(如卵形体)的更小或 更大的部分。在其他实施例中，基本上凹面的部分可以为三维物体，例如多面体。因 此，基本上凹面的部分可以为基本上立方体形、基本上四棱柱形、基本上圆柱形、基本 上圆锥形、基本上角锥形、或类似于另一种规则或不规则三维几何物体的形状。
基本上凹面的部分可以由柔性材料形成。在这些及其他实施例中，盖部分可以 包括固定地连接到轴柄上的柔性材料。当盖部分包括固定地连接到轴柄上的柔性材料 时，柔性材料可以包括固定地连接到轴柄外边缘的环。由于轴柄的外边缘可以为任何形 状(取决于轴柄本身的形状)，因此“环”可以指任何形状，该形状具有基本上适形于轴 柄外边缘形状的内边缘，并具有基本上适形于基本上凹面的部分的内边缘或外边缘形状 的外边缘。如本文所用，“柔性材料”是指相对于基本上刚性材料(例如钢)而言为柔 性的材料。常规模具部件常常为橡胶，并且基本上凹面的部分和/或固定连接到轴柄的 盖部分的部件可以为常规橡胶(天然或合成)或具有类似性质的另一种材料。其他可能 的材料包括(特别是)聚异戊二烯、氯丁橡胶、氯丁二烯、硅树脂、聚氯乙烯(PVC)、 腈、醋酸乙烯酯、乙烯-丙烯-二烯M类橡胶(EPDM)、氟化烃或Viton 氟弹性体 (DuPont Performance Elastomers (Wilmington, DE))、交联聚乙烯(XLPE)、丁基橡胶、 氟硅橡胶、聚氨酯等。基本上凹面的部分和盖部分的柔性材料的外形尺寸均可以根据使 用者的具体要求变化。例如，基本上凹面的部分和盖部分的柔性材料的厚度可以独立地 在约0.03和约0.50英寸之间。在其他实施例中，这两个部件的柔性材料的厚度可以在约0.05和约0.30英寸之间、在约0.10和约0.20英寸之间或为约0.125英寸。
本发明的模具的盖部分被构造为可移除地连接到基本上凹面的部分，并且包括 由基本上刚性的材料形成的轴柄。可拆卸地连接到基本上凹面的部分的盖部分的构造可 以是本领域的普通技术人员熟知的常规设计。图1示出了包括肋14的常规端盖4，其中 当模具2处于组装状态时肋14与主体8的末端16的内表面形成密封。在其他实施例中， 盖部分的周边可以包括唇缘，该唇缘与基本上凹面的部分的外边缘形成密封。图2A示出 了根据本发明的示例性端盖18。端盖18包括包含基本上刚性材料的轴柄20和固定地连 接到轴柄20外边缘的柔性材料环22。图2B提供了图2A所示的端盖18的剖视图，其中 端盖18可拆卸地连接到根据本发明的示例性基本上凹面的部分沈。在最外边缘处，柔 性材料环22端接在唇缘M内，唇缘M被构造为可移除地连接到基本上凹面的部分沈一 端的外边缘。这样，端盖18与基本上凹面的部分沈互锁，从而在模具部件之间形成牢 固密封。端盖18通过唇缘M或根据其他实施例的其他装置得到可移除式固定，这种固 定可形成密封，密封(例如)能防止压实过程中模具进水，以及防止粉末从模具内部空间 溢出到压力室。端盖与基本上凹面的部分之间的可移除式固定可通过任何适当的方式实 现，例如通过在二者之间提供任何合适的重叠或互锁来实现。
在另一方面，本发明提供了方法，该方法包括提供具有基本上凹面的部分和被 构造为可移除地连接到基本上凹面的部分的盖部分的模具，将金属粉末放入基本上凹面 的部分；以及在放入金属粉末之后将盖部分连接到基本上凹面的部分。该方法采用上述 本发明模具的具体实施例，其中基本上凹面的部分不包括开口，并且模具不在组装状态 下填充。相反，在连接到端部之前将金属粉末放入基本上凹面的部分中以填充模具。根 据该方法，以重量确定金属粉末的所需量(具体地讲，为已知可精确填充模具的量)，即 通过在合适的仪器(如实验室用)上称取粉末。获得所需量的粉末后，将粉末放入基本 上凹面的部分。图3A示出了充满粉末30并与端盖32分离的示例性基本上凹面的部分 28。如图3B所示，在将粉末30放入基本上凹面的部分观后，将端盖32连接到基本上 凹面的部分观，从而使粉末30容纳在模具内。利用适用于基本上凹面的部分内的精确量 的粉末避免了基本上凹面的部分内放入过多粉末(即模具过度填充，这会使得难以正确 地组装模具和/或使得模具部件在压实过程中分离)或过少粉末(即模具填充不满，这会 使所得的坯体不具有正确的形状)的情形。本发明的方法还可以包括压紧模具以形成包 含金属粉末的坯体。在组装模具前向基本上凹面的部分内放入所需量的粉末的能力确保 了通过压紧组装模具而形成的坯体之间具有高度的一致性，并可形成更近净形部件以及 改善加工工艺。
本发明还公开了方法，该方法包括将金属粉末放入模具的基本上凹面的部分以 及压紧所述模具以形成包含金属粉末的坯体，其中模具还包括盖部分，其被构造为可移 除地连接到基本上凹面的部分并包括由基本上刚性的材料形成的轴柄。根据该方法，可 在将盖部分连接到基本上凹面的部分之前将金属粉末放入基本上凹面的部分中。在此 类实施例中，本发明的方法还可以包括在压紧模具之前将盖部分连接到基本上凹面的部 分。在其他实施例中，在将盖部分连接到基本上凹面的部分的同时将金属粉放入基本上 凹面的部分中。例如，可以通过基本上凹面的部分中的开口将金属粉末放入模具的基本 上凹面的部分中。在将金属粉末放入模具之后，可以封闭基本上凹面的部分中的开口(例如使用塞子)，并在压紧充满的模具的过程中保持封闭状态，以形成坯体。
就本文所公开的任何方法而言，金属粉末可以包含一种或多种金属，这些金属 任选地与可提取物质结合在一起。可以将可提取物质包括在内，以按照“造孔剂”法 形成多孔结构。造孔剂法是用于制备金属泡沫结构的熟知方法，该方法使用可溶解或可 以其他方式移除的造孔材料，而造孔材料与金属粉末组合在一起，然后再通过多种方法 (包括加热法或液体溶解法)从组合物中移除造孔材料，从而产生由金属粉末形成的多孔 基体。然后将多孔基体材料烧结，以进一步加强基体结构。有关造孔剂概念的多种变 型是本领域已知的。参见(例如)美国专利No.3,852,045和6,849,230以及美国专利公布 No.2005/0249625 和 2006/0002810。
金属粉末以及由之形成的坯体及多孔结构可以包含任何生物相容性金属，该金 属的非限制性例子包括钛、钛合金(如Ti-6A1_4V)、钴铬合金、铝、钼、钽、镁、铌、 锆、不锈钢、镍、钨或它们的任何组合。根据使用金属粉末形成坯体和多孔结构的已 知方法，容易理解的是，金属粉末颗粒可以为大致均勻的，或者可以构成多种形状和尺 寸，例如可以变化其三维构型和/或可以变化其各自的主尺寸。按照给定颗粒的主尺寸 进行测量，粒度可以从约20 μ m至约100 μ m、从约25 μ m至约50 μ m或从约50 μ m至约 80 μ m。金属粉末颗粒可以为类球体、大致圆柱体、柏拉图体、多面体、板状或瓦状、 不规则形状或它们的任何组合。在优选的实施例中，金属粉末包括形状基本相似、粒度 基本相同的颗粒。
可提取物质可以为可溶于含水流体、有机溶剂、这些溶剂的组合、或任何其他 合适溶剂的物质。可提取物质可以包括盐、糖、固体烃、尿素衍生物、聚合物、或它们 的任何组合。非限制性例子包括碳酸氢铵、尿素、缩二脲、三聚氰胺、碳酸铵、萘、碳 酸氢钠、氯化钠、氯化铵、氯化钙、氯化镁、氯化铝、氯化钾、氯化镍、氯化锌、碳酸 氢铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、亚磷酸氢钾、磷酸钾、硫 酸镁、硫酸钾、碱土金属卤化物、结晶碳水化合物(包括蔗糖和乳糖或分为单糖、二糖 或三糖的其他物质)、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚丙烯蜡(例如以商标PR0PYLTEX 得 自Micro Powders，Inc. (Tarrytown, NY)的那些)、羧甲基纤维素钠6CMC)、或它们的 任何组合。作为另外一种选择或除此之外，可提取物质可以在加热和/或加压条件下移 除；例如，可提取物质可以受热挥发、熔融或以其他方式消散。此类可提取物质的例子 包括碳酸氢铵、尿素、缩二脲、三聚氰胺、碳酸铵、萘、碳酸氢钠、以及它们的任何组合。
当可提取物质包含颗粒时，这些颗粒可以相对于彼此大致均勻，或者可以形成 多种形状和尺寸，例如可以变化其三维构型和/或可以变化其各自的主尺寸。可提取 物质可以具有适合产生所需的孔径和孔径分布的多种粒度和粒度分布。某些优选的粒 度范围为从约200 μ m至约600 μ m、从约200 μ m至约300 μ m以及从约425 μ m至约 600μιη。可提取物质颗粒可以为类球体、大致圆柱体、柏拉图体、多面体、板状或瓦 状、不规则形状或它们的任何组合。在优选的实施例中，空间填料包括形状基本相似、 大小基本相同的颗粒。由于由金属粉末和可提取物质的混合物最终形成的多孔结构的孔 的尺寸和形状与可提取物质的颗粒的尺寸和形状大致对应，因此本领域的技术人员将容 易地理解，可以根据所得多孔产品的孔的所需构型选择可提取物质的颗粒的特性。根据本发明，当可提取物质包含形状基本相似、大小基本相同的颗粒时，使用此类可提取物 质最终形成的多孔结构的孔隙度将大致均勻。
粉末混合物可以包含体积百分比为约5%至约45%、优选约15%至约40%的金 属粉末，粉末混合物的剩余部分包含可提取物质。在本发明方法的后续阶段从由金属粉 末和可提取物质的混合物形成的坯体中移除可提取物质之后，所得的坯体孔隙度可以为 约55%至约95%、优选约60%至约85%。制成坯体的粉末混合物可以包含约18重量％ 至约67重量％的金属粉末，粉末混合物的剩余部分包含可提取物质。
本领域的技术人员将容易地认识到用于混合金属粉末与可提取物质的合适技 术。参见(例如)美国专利No.3,852,045和6,849,230以及美国专利公布No.2005/0M9625 和2006/00(^810。理想的是，混合导致包含粉末混合物次要组分的颗粒在包含粉末混合 物主要部分的颗粒中具有大致均勻的分散性。金属粉末可以占粉末混合物的约18至约 67重量％，粉末混合物的剩余部分包含可提取物质。在本发明方法的后续阶段从坯体中 移除可提取物质之后，所得的坯体孔隙度可以为约50%至约90%，优选地为约60%至约 85%。对可提取物质的移除在提交于2009年5月22日的PCT/US2009/044970和提交于 2009年5月21日的美国序列号No.12/470,397中有更全面的描述，两者全文以引用方式 并入本文。
在一些实施例中，模具不需要设计成可制备模制形状与所需最终烧结部件相似 的近净形部件；模具可以制备普通形状，例如条、杆、板或块，然后将毛坯状态的普通 形状加工成部件，该部件在烧结引发的收缩之后非常逼近最终产品的所需形状，任选地 也可以加工烧结后的部件。用于此类目的的模具和模具组件是本领域的技术人员熟知 的，并可用于制备具有(例如)下列形状的主体球形、类球形、卵形、半球形、立方 形、圆柱体、超环面形、圆锥形、凹面半球形(即杯形)、不规则形，或具有任何其他所 需三维构型的主体。在根据上述方法由粉末或粉末混合物形成之后，可以将所得的成型 物体压实成坯体。将成型物体在容纳于模具组件内的情况下进行压实。压实可以为单 轴、多轴或等静压的。在优选的实施例中，通过冷等静压成型将粉末压实成坯体。在压 实工序之后，可将所得的坯体从模具中取出并进行加工。加工可以包括机加工，或者以 其他方式精修坯体的形状。
实例1-髋臼杯
采用常规模具和根据本发明的模具制备用于形成髋白杯整形外科装置的坯体。 常规模具包括如图1所示的端盖4和基本上凹面的部分8。本发明的模具包括图2A所示 的端盖18，其包括含有基本上刚性的材料的轴柄20，以及固定地连接到轴柄20外边缘的 柔性材料环22。本发明的模具还包括如图3A所示的基本上凹面的部分观。
常规模具的填充方法是将端盖4连接到基本上凹面的部分8，并将包含钛或 钛合金的金属粉末与可提取物质的混合物注入基本上凹面的部分8的开口 10。由于开口 10狭小，利用漏斗将粉末注入模具。即使使用漏斗，在填充过程中模具内仍然会留有 空气。为了使粉末混合物尽可能完全充满模具，需要进行多个步骤，在此过程中，需要 在将粉末分多次勺式加料到模具的间隔中反复摇晃或振动模具。然后使用塞子12密封 开口 10，并将模具置于压力容器(冷等静压机(Coldlsostatic Press)，CIP42260, Avure Autoclave Systems, Inc. (Kent, WA))的压力室内，压力容器内充满作为压力介质的水。按照标准程序封闭压力容器，并将压力容器内的内容物(包括模具)置于45ksi的压力下 约15秒，以进行冷等静压成型。然后打开压力容器并取出模具。接下来拆卸模具并取 出压实的金属部件。
通过下列步骤填充本发明的模具在电子秤(XS16001L精密天平(XS16001L Precision Balance), Mettler-Toledo, Inc. (Columbus, OH))上称取(例如)131.9g 包含钛的金属粉末与氯化钠的混合物，然后将称好的金属粉末的等分试样注入基本上凹面的部 分观。将端盖18连接到基本上凹面的部分观以封闭模具。将本发明的模具置于压力容 器(冷等静压机(Cold Isostatic Press)，CIP42260, Avure Autoclave Systems，Inc. (Kent, WA))的压力室内，压力容器内充满作为压力介质的水。按照标准程序封闭压力容器， 并将压力容器内的内容物(包括本发明的模具)置于45ksi的压力下约15秒，以进行冷等 静压成型。然后打开压力容器并取出本发明的模具。接下来拆卸模具并取出压实的金属 部件。
图4A示出了从常规模具中取出的坯体34的照片，而图4B提供了从本发明的 模具中取出的坯体38的照片。对压实的部件的目视分析发现，坯体34不是纯粹的半球 形，并且其中颗粒的分散不均勻。由于常规模具具有狭小的开口，需要少量地逐勺填充 模具，当模具即将充满时，填充过程会变得愈加困难填充过程中必须摇晃、振动或在 台面上敲打模具，这会导致金属颗粒和造孔材料所形成的粉末混合物干燥并分离。在图 4A中，坯体34上颜色较深的条带表示金属粉末含量高于造孔材料的部分，颜色较浅的条 带则表示造孔材料含量高于金属粉末的部分。此外，坯体34具有瑕疵36，瑕疵对应于模 具填充过程中用来接纳金属粉末的基本上凹面的部分的开口的位置。相比之下，坯体38 更逼近于纯半球体，并且颗粒分散均勻，具有基本上光滑的表面轮廓。分别使用常规模 具和本发明的模具形成的毛坯状态部件的髋白杯尺寸测量结果如图5所示。使用常规模 具制备的坯体的标准偏差值大于使用本发明的模具制备的坯体的标准偏差值。此外，对 于使用本发明的模具制备的髋臼杯，“R”和“H”半径值之间的偏差(用“R-H”表 示)明显小于使用常规模具制备的髋白杯所测得的相应偏差。这表明，相比使用常规模 具制备的坯体，使用本发明的模具可以制备能够更逼近模具形状的坯体。
实例2-可重复性
对本发明的模具进行测试，以检测其一致地制备具有可预见的形状和颗粒分散 性的坯体的能力。将用于髋臼杯的单个本发明的模具充满，并按照上述实例1所述的条 件进行压实，将该过程重复三次，以得到三个单独的坯体。通过目视检查和物理测量比 较坯体。结果发现，使用本发明的模具制备的坯体具有大致均勻的形状，并且没有用常 规模具制备的坯体中会出现的瑕疵或其他物理差异。下表1给出的数据表明，对使用本 发明的模具制备的坯体测得的R、H和R-H值的标准偏差(分别为0.020、0.23和0J6) 小于对使用常规模具制备的坯体测得的R、H和R-H值的标准偏差(分别为0.31、0.94和 0.90)。
表 权利要求
1.一种模具，包括基本上凹面的部分；以及，盖部分，所述盖部分被构造为可移 除地连接到所述基本上凹面的部分，其中所述盖部分和所述基本上凹面的部分在连接到 一起时限定具有三维形状的内部空间，并且其中所述盖部分包括轴柄，所述轴柄由基本 上刚性的材料形成并设置在限定所述内部空间的所述盖部分的表面上。
2.根据权利要求1所述的模具，其中所述基本上凹面的部分包括被构造为用于接纳金 属粉末的开口。
3.根据权利要求1所述的模具，其中所述基本上凹面的部分为半球形。
4.根据权利要求3所述的模具，其中所述盖部分和所述基本上凹面的部分在连接到一 起时限定具有基本上中空的半球形形状的内部空间。
5.根据权利要求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.根据权利要求1所述的模具，其中所述基本上刚性的材料包括金属。
7.根据权利要求1所述的模具，其中所述盖部分包含固定地连接到所述轴柄的柔性材料。
8.根据权利要求7所述的模具，其中所述盖部分的所述柔性材料构成固定地连接到所 述轴柄的外周边的环。
9.一种方法，包括提供模具，所述模具包括基本上凹面的部分和被构造为可移除 地连接到所述基本上凹面的部分的盖部分；将金属粉末放入所述基本上凹面的部分；以 及在将所述金属粉末放入所述基本上凹面的部分后，将所述盖部分连接到所述基本上凹 面的部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述盖部分和所述基本上凹面的部分在连接到 一起时限定具有三维形状的内部空间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述盖部分和所述基本上凹面的部分在连接到 一起时限定具有基本上中空的半球形形状的内部空间。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述盖部分包括由基本上刚性的材料形成的轴柄。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括压紧所述模具以形成包含所述金属粉末的坯体。
全文摘要
本发明提供了模具，所述模具包括基本上凹面的部分和盖部分，所述盖部分被构造为可移除地连接到所述基本上凹面的部分，并且包括由基本上刚性的材料形成的轴柄，其中所述盖部分和所述基本上凹面的部分在连接到一起时限定具有三维形状的内部空间。除了别的有益效果外，本发明所公开的装置和使用所述装置的方法提供了比常规模具更均匀和可重复的压实，并且可用来制备压实的结构，所述压实的结构具有更准确的尺寸和可重复的表面特征，从而形成更好、更优化的近净形部件。
文档编号B30B11/30GK102019423SQ20101027949
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月9日 优先权日2009年9月9日
发明者A·J·马丁, H·D·刘, J·A·里博尔特, J·林 申请人:德普伊产品公司