[发明专利]制作高密度金属模和零件的方法

说明书

本发明涉及原型的快速制作方法。确切地说，本发明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。本发明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QuickCast^TM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。