通過聚結制造多層物體的方法和制造的多層物體的制作方法

專利名稱：通過聚結制造多層物體的方法和制造的多層物體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過聚結來制造多層物體的方法以及由該方法制造的多層物體。
現有技術的描述在WO-A1-9700751中，描述了一種沖擊機床和使用該機床切割桿件的方法。該文獻也描述了一種使金屬物體變形的方法。該方法使用在該文獻中描述的機器，并且其特征在于，不論是固體形式的金屬材料，還是諸如顆粒、丸狀等類似形狀的粉末形式的金屬材料，最好固定在模具、夾具或類似裝置的末端，其特征還在于，該材料要經受由例如沖擊錘這樣的沖擊單元進行的絕熱聚結，由液體來產生沖擊錘的動作。在WO的那篇文獻中全面地描述了該機器。
在WO-A1-9700751中，描述了組成部分例如球形的成形。將金屬粉末供給分成兩部分的工具中，并且通過連接管道供應該粉末。該金屬粉末最好被氣體霧化。一穿過連接管道的棒材承受來自沖擊機床的沖擊，以便對裝入球形模具中的材料施加影響。然而，在任一實施例中，不能顯示根據該方法物體被制造得怎么樣的規定參數。
根據該文獻的壓實操作分為幾個步驟例如三個步驟進行。如下所述，這些步驟進行得非常快，并且進行三次沖擊。
沖擊1非常輕的沖擊，將粉末中的大部分空氣壓出，并且對粉末顆粒進行定向，以保證沒有大的不規則性。
沖擊2具有非常高的能量密度和高沖擊速度的沖擊，用于粉末顆粒的局部絕熱聚結，從而將它們彼此緊靠壓縮，以得到非常高的密度。每一顆粒的局部溫度升高取決于在沖擊期間的變形程度。
沖擊3具有中等能量和高接觸能量的沖擊，用于基本上壓實的材料物體的最后成形。然后可以將該壓實的物體進行燒結。
在SE9803956-3中描述了用于材料物體的變形方法和設備。其實質上是在WO-A1-9700751中描述的發明的進一步發展。在根據這個瑞典申請的方法中，使用這樣的速度將沖擊單元作用到該材料上，即該速度產生至少一次沖擊單元的回彈沖擊，其中回彈沖擊被削減，從而產生沖擊單元的至少另外一次沖擊。
根據在WO那篇文獻中的方法的沖擊，在該材料中供給局部非常高的溫度增加，從而能夠導致在加熱或者冷卻過程中材料內的相變。當使用回彈沖擊的反作用并且產生至少另外一次沖擊時，該沖擊有助于來回進行的波動并且由第一次沖擊的動能產生，在較長的時期內繼續下去。這導致該材料的進一步變形，并且具有低于沒有該反作用時必須的沖量的較低沖量。現在已表明，根據上述這些文獻的機器不能很好的工作。例如，它們提及的在沖擊之間的時間間隔不可能獲得。進一步地，這些文獻沒有包括表明能夠形成物體的任何實施形式。
發明目的本發明的目的是獲得以低成本制造多層產品的有效生產的方法。這些產品可以是醫療器件，例如在整形外科中醫療植入物或者骨頭接合劑，也可以是器械或者診斷設備，或者非醫療器件，例如工具、絕熱器應用、坩堝、噴嘴、導管、切割刀刃、連接環、球軸承和發動機部件。另一個目的是得到上述種類的多層產品。
在此使用的術語“多層”定義為由彼此一體連接的多個不同部分構成的產品。這些部分可以具有平坦的各層的形式，或者具有其他任一合適的形式，只要不同部分的形狀緊密配合在一起的形式。一個部分可以具有凸起的表面，其配合在另一部分的凹進的表面周圍。在圖2a-2f中畫出了不同的多層產品的例子。這些不同的部分可以由相同種類的材料制成，或者由不同種類的材料制成。也可能將陶瓷材料和一層聚合材料結合在一起。也可能存在具有多層或者多部分不同聚合體的多層產品。
也可能以比上述文獻中描述的方法低很多的速度實施新的方法。另外，該方法不應該限制為使用上述的機器。
發明概述已經令人驚喜地發現，根據在權利要求1中限定的新方法來壓縮不同的多層產品是可能的。將要被壓縮的材料具有例如粉末、丸狀、顆粒等的形式，這些材料被填入模具中，并且通過至少一次的沖擊預壓實和壓縮。用在該方法中的機器可以是在WO-A1-9700751和SE9803956-3中描述的機器。
根據本發明的方法使用沖擊機床中的液壓裝置，這可以是用在WO-A1-9700751和SE9803956-3中的機器。當使用機器中的純液壓裝置時，可以給定沖擊單元這樣的運動通過以能夠達到聚結所需的足夠速度撞擊將被壓縮的材料，它發出足夠的能量。這種聚結可以是絕熱的。快速進行沖擊，對于某些材料來講，在該材料中的波動在5和15毫秒之間衰減。相對于使用壓縮空氣，使用該液壓裝置也給出了一個較好的順序控制和較低的運行成本。彈簧驅動的沖壓機床用起來更加復雜，并且當和其他機器結合成一體時，引起較長的安裝時間和較差的適應性。因此，根據本發明的方法將比較經濟并且易于實現。最佳的機器具有用于預壓實和后壓實的較大擠壓和高速的小型沖擊單元。因此，可能更加愿意使用依這樣結構構造的機器。也可以使用不同的機器，一臺機器用于預壓實和后壓實，另一臺用于壓縮。
附圖的簡要說明關于附圖

圖1畫出了一種用于具有粉末、丸狀、顆粒等形式的材料的變形的裝置的剖面圖；圖2a-2f表示不同種類的多層產品的形成；圖3-4是表示在例子中描述的實施例所得到的結果的圖形。
發明的詳細描述本發明涉及通過聚結制造多層物體的方法，其中該方法包括步驟(a)用具有粉末、丸狀、顆粒等形式的初始材料填充預壓實模具，
(b)預壓實該材料至少一次，(c)通過至少一次沖擊壓縮在壓縮模具內的材料，當沖擊填入壓縮模具內的材料時，沖擊單元產生足以形成該多層物體的動能，引起該材料的聚結，(d)或者在步驟(a)中、或者在步驟(b)中的壓實之后或者在步驟(c)中的壓縮初始材料之后，將至少另外一種材料以粉末、丸狀、顆粒等的形式填入該模具內，(e)如果必要，在至少另外一種材料填入之后進行進一步預壓實和/或壓縮。
預壓實模具和壓縮模具可以是同一模具，這意味著該材料不必在步驟(b)和(c)之間被移動。也可能使用不同的模具并且在步驟(b)和(c)之間將材料從預壓實模具移動到壓縮模具。只有在該物體由在預壓實步驟中的材料形成的情況下才這樣作。
根據一個實施例，該第一種材料在第二種材料加入之前僅僅被預壓實。然后，進行第二步預壓實，通過至少一次沖擊來撞擊該多層材料，從而達到聚結并且形成一體的產品。也可能在該第一種或者初始的材料的預壓實之前將另外的一種或者多種具有粉末形式的材料加入。在這種情況下，所有的材料將在一起被壓實并接受沖擊。
根據另一實施例，該第一和第二種材料以粉末的形式在彼此并排加入或者一種在另一種之上分層地加入，此后進行預壓實和沖擊。
根據第三實施例，預壓實并且沖擊該第一種材料以形成聚結元件，然后將該元件放入第二模具中，置于第二種材料的粉末頂上或者被第二種材料所包圍。該第一元件和第二種材料一道被預壓實并使用聚結沖擊來進行撞擊。
在下面的描述中，所述的任一步驟可以指在多層產品的一層或一個元件之上或者在幾層或多個元件上一起進行的加工過程。
在圖1中的設備包括沖擊單元2。圖1中的材料具有粉末、丸狀、顆粒等類似的形式。該設備設有沖擊單元3，其通過有力的沖擊可以獲得該材料物體1即刻并且相對較大的變形。本發明也涉及物體的壓縮，這將在下面描述。在該例子中，例如固體的均勻的多層物體之類的固態物體1被放入模具中。
這樣布置沖擊單元2，即在作用在其上的重力的影響下，它加速撞擊材料1。該沖擊單元2的質量m最好基本上大于該材料1的質量。這樣，能夠略微降低沖擊單元2的高速沖擊的需要。允許沖擊單元2撞擊材料1，并且當撞擊壓縮模具中的材料時，該沖擊單元2產生足夠的動能，以壓縮并且形成物體。這引起局部的聚結，從而得到材料1隨之發生的變形。材料1的變形是塑性的，因此是永久的。在材料1中，產生沿著沖擊單元2的沖擊方向的方向的波動或者振動。這些波動或者振動具有高的動能，并且激發在材料中的滑動面，而且也引起該粉末的顆粒的相對位移。該聚結可能是絕熱聚結。溫度的局部升高發展為在材料中點焊(顆粒間的熔合)，這增加了密度。
預壓實是非常重要的步驟。為了排出空氣并且將在該材料中的顆粒定向，所以實施預壓實。預壓實步驟比壓縮步驟慢很多，因此更加容易將空氣排出。壓縮步驟可以進行得很快，其沒有同樣的可能去排出空氣。在這種情況下，可能將空氣封閉在制成的物體內，這是不利的。以足以獲得顆粒的最大壓實程度從而形成在顆粒之間的最大接觸面的最小壓力進行預壓實。這要視材料而定，取決于該材料的柔軟度和熔點。
通過大約117680N的軸向載荷的壓實可以實施在例子中的預壓實步驟。在預壓實模具或者最終模具中可以實施該步驟。根據本說明書中的例子，已在圓柱形模具中實施該步驟，該模具作為工具的一部分，并且具有直徑30mm的圓形截面，該截面的截面積是大約7cm2。這意味著已經使用大約1.7×108N/m2的壓力。對于羥磷灰石，可以用至少約0.25×108N/m2的壓力預壓實這種材料，并且最好使用至少約0.6×108N/m2的壓力。使用的必要的或者使用的優選的預壓實壓力依賴于材料，并且對于更加柔軟的多層來說，其在大約0.2×108N/m2的壓力下壓實就足夠了。其他可能的值為1.0×108N/m2、1.5×108N/m2。在這一應用中進行的研究是在空氣中和室溫下進行的。因此，在研究中得到的所有值都是在空氣中和室溫下獲得的。如果使用真空或者加熱的材料，那么也可能使用較低的壓力。圓柱形的高度為60mm。在權利要求中提到撞擊面積，并且該面積是沖擊單元圓形橫截面的面積，該沖擊單元作用在模具中的材料上。在這種情況下的撞擊面積是橫截面面積。
在權利要求中，還提到用在例子中的圓柱形模具。在該模具中，撞擊區域的面積和該圓柱形模具的截面面積是相同的。然而，能夠使用模具的其他結構，例如球形的模具。在這樣的模具中，該撞擊區域會小于球形模具的截面。
本發明進一步包括一種通過聚結來制造多層物體的方法，其中，該方法包括通過至少一次沖擊，將壓縮模具內的第一種或初始的材料(即具有已經得到的用于特殊用途的目標密度的物體)的固態物體與具有粉末形式或具有固態物體形式的至少一種其他材料一起壓縮，在此，沖擊單元產生足夠的能量，從而引起在物體內材料的聚結。在該材料中過大的局部溫度升高期間，能夠激發滑動面，因此得到變形。該方法也包括使該物體變形。
根據本發明的方法能夠用下面的方式來描述。
(1)將粉末壓榨為坯料物體，通過沖擊將該物體壓縮為(半)固態物體，然后通過后壓實可以在該物體中獲得能量保留。這一過程，也能描述為動態鍛打沖擊能量保留(DFIER)，其包括三個主要步驟。
(a)壓制其非常類似于冷壓制或者熱壓制。其意圖是由粉末獲得坯料物體。已經證明進行兩次壓實粉末是最有利的。僅一次壓實提供低于粉末的兩次連續壓實取得的密度3％的密度。該步驟是粉末的準備工作，通過空氣的排放和粉末顆粒的定向以有利的方式來進行。坯料物體的密度值大于或者小于正常的冷壓制和熱壓制的密度值。
(b)沖擊該沖擊步驟是實際的高速步驟，在此，沖擊單元用限定區域撞擊粉末。在粉末中的材料波動開始，并且在粉末顆粒之間發生顆粒間的熔合。該沖擊單元的速度看起來好象只有在最初非常短的時間內發揮重要的作用。該粉末的質量和該材料的性能決定發生的顆粒間熔合的程度。
(c)能量保留(d)能量保留步驟的目的在于將釋放出的能量保留在制成的固態物體內。實際上這是使用與粉末的預壓實至少相同的壓力進行的壓實。其結果是制成的物體的密度增加大約1-2％。通過在使用至少與預壓實相同的壓力沖擊和壓制之后，使沖擊單元停留在固態物體之上的位置，或者在沖擊步驟之后卸壓來實施該步驟。這一想法就是粉末的更多轉化將發生在制成的物體中。
根據該方法，在空氣中和室溫下，壓縮沖擊產生對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內至少100Nm的總能量。其他總能量值可以是至少300、600、1000、1500、2000、2500、3000和3500Nm。也可以使用至少10000、20000Nm的能量值。有一種新機器，其具有一次沖擊產生60000Nm能量的能力。當然，也可以用這樣高的能量值。如果使用幾次這樣的沖擊，那么總能量可以達到好幾個100000Nm。該能量值取決于使用的材料以及制成的物體應用的場合。一種材料不同的能量值將給出這種材料物體不同的相對密度。越高的能量值將獲得越密實的材料。不同的材料需要不同的能量值，以得到相同的密度。這取決于例如材料的硬度和材料的熔點等。
根據該方法，在空氣中和室溫下，壓縮沖擊產生對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內至少5Nm/g的每單位質量的能量。其他的每單位質量的能量值可以是至少20Nm/g、50Nm/g、100Nm/g、150Nm/g、200Nm/g、250Nm/g、350Nm/g和450Nm/g。
樣品的質量和獲得某一相對密度需要的能量之間可以具有線性的關系。然而，對于某些材料來說，相對密度可以是總沖擊能量的函數。
這些值可以根據使用材料不同而有所不同。本領域技術人員能夠測試在那些值質量依賴性將是有效的，以及什么時候可以有質量獨立性。
這些能量水平需要修正并適合模具的形式和結構。例如，如果模具是球形的，那么將需要另一能量值。借助于上面給出的數值的幫助和指導，本領域技術人員將能夠測試對于特定的形式所需的能量水平。該能量水平取決于該物體將被用作什么，即需要相對密度，模具的幾何形狀和材料的性能。當撞擊加入壓縮模具內的材料時，該沖擊單元必需產生足夠的動能以形成物體。借助較高的沖擊速度，將獲得更多的振動、顆粒間增加的摩擦、升高的局部熱量以及增加的材料的顆粒間的熔合。撞擊面積越大，獲得的振動越多。有一個限制，即在此釋放給工具的能量多于釋放給材料的能量。因此，對于材料的高度也有一最佳值。
當將多層產品的粉末加入模具中并且使用沖擊單元撞擊該材料時，在粉末材料中獲得一種聚結，并且該材料將浮動。一種可能的解釋是在該材料中的聚結由波動引起，該波動在該沖擊單元從模具中的材料物體或材料彈回時反復產生。這些波動產生在材料物體中的動能。由于溫度局部升高產生的傳導能量，使顆粒變軟、變形，使顆粒的表面熔化。顆粒間的熔合使顆粒重新在一起固化，并且能夠獲得密實的材料。這也影響物體表面的光滑度。使用聚結方法壓縮的材料越多，得到的表面越光滑。材料和該表面的孔隙率也受該方法的影響。如果需要多孔疏松的表面或者物體，那么該材料不應壓縮得和需要較小疏松度即孔隙較少的表面或物體一樣大。
單個的沖擊影響材料的取向、空氣的排放、預先模制、聚結、工具的填充和最終的校準。已經注意到，來回運動的波動基本上沿著沖擊單元的沖擊方向傳播，也就是說，從材料物體被沖擊單元撞擊的表面到靠著模具底部放置的表面，然后再返回。
上面已經描述的有關能量轉化和波動產生的內容也涉及固態物體。在本發明中，固態物體是指已經獲得用于特定用途的目標密度的物體。
在沖擊期間，沖擊單元最好具有至少0.1m/s或者至少1.5m/s的速度，以便給沖擊以需要的能量值。可以使用比現有技術的方法低得多的速度。該速度取決于沖擊單元的重量以及需要什么樣的能量。在壓縮步驟中的總能量值是至少大約100到4000Nm。但是可以使用更高的能量值。所謂的總能量是指所有沖擊加在一起的能量值。沖擊單元施加至少一次沖擊或者數次連續的沖擊。根據例子，在兩次沖擊之間的間隔是0.4秒和0.8秒。例如，可以使用至少兩次沖擊。根據例子，一次沖擊已經顯示出有希望的結果。在空氣中和室溫下實施這些例子。如果說使用真空和加熱或者某些其他改進的處理，也許可以使用更低的能量來獲得良好的相對密度。
該多層產品可以被壓縮到60％的相對密度，優選65％。更優的相對密度是70％和75％。另外的優選密度為80％和85％。特別優選至少為90％的密度，直到100％。然而，其他的相對密度也是可能的。如果坯料物體是待制造的，那么具有大約40-60％的相對密度就足夠了。負載支撐埋入物需要90-100％的相對密度，在一些生物材料中，具有一些孔隙是好的。如果獲得至多5％的孔隙率并且這足以夠用，那么就無需進一步的后處理。這對于某些應用場合是機會。如果獲得小于95％的相對密度，并且這還不夠，那么該過程需要繼續進一步的處理，例如燒結。在這種情況下，相對于傳統的制造方法，已經將幾個加工步驟削減。
該方法也包括預壓實材料至少兩次。已經表明，相對于使用相同的總能量且只有一次預壓實的沖擊來講，這樣做有利于獲得高的相對密度。兩次壓實可以給定比一次壓實高大約1-5％的密度，這取決于使用的材料。對于某些材料來說，這種提高甚至更高。當預壓實兩次時，在兩步之間使用小的間隔實施壓實步驟，例如大約5秒的間隔。相同的壓力可以用在第二預壓實步驟中。
進一步地，該方法可以包括在壓縮步驟之后至少壓實材料一次的步驟。也已經顯示這帶來非常好的結果。后壓實應該在至少與預壓實壓力相同的壓力下進行，即0.25×108N/m2。其他的可能值為1.0×108N/m2。較高的后壓實壓力也是理想的，例如該壓力是預壓實壓力的兩倍。對于羥磷灰石，該預壓實壓力應該是至少大約0.25×108N/m2，并且對于羥磷灰石來說這是最低可能的后壓實壓力。對于每一種材料都必須測出預壓實值。后壓實與預壓實對樣品產生的預先影響有一些不同。來自沖擊以增加粉末顆粒之間局部溫度的傳遞能量保存較長的時間并且能夠影響樣品，從而在沖擊之后鞏固較長的時間。該能量保留在制成的固態物體內。也許在樣品中材料波動的“持續時間”增加，并且它可能作用在樣品上較長的時間，所以更多的顆粒能夠熔化在一起。在使用至少與預壓實壓力相同的壓力即至少大約0.25×108N/m2的壓力沖擊并壓制羥磷灰石之后，通過使該沖擊單元停留在固態物體上的位置來進行之后的壓實或者后壓實。粉末的更多轉化將發生在制成的物體內。結果是制成的物體的密度增加大約1-4％。這種可能的增加也依賴于材料。
當使用預壓實和/或后壓實時，使用更輕的沖擊和更高壓力的預壓實和/或后壓實是可能的，因為能夠使用較低的能量水平，這帶來了工具的節省。這取決于預期的用途和使用的是什么材料。這也可以是獲得較高相對密度的一種途徑。
為了獲得提高的相對密度，也可能在該過程之前預先處理該材料。該粉末可以被預先加熱到比如200-300℃或者更高，這取決于預加熱的材料為什么類型。可以將該粉末預先加熱到接近材料的熔化溫度的一個溫度。可以使用合適的預加熱方法，例如在爐中正常加熱粉末的方法。為了在預壓實步驟期間得到更加密實的材料，能夠使用真空或者惰性氣體。這會有這樣的效果在加工期間，空氣在材料中不用被封閉到相同的程度。
根據本發明的另一實施例，在壓縮或者后壓實之后，該物體可以被加熱和/或燒結任意的時間。使用后加熱來放松在材料中的結合(通過增加的結合應變獲得)。由于該壓實物體比由其他形式的粉末壓縮得到的壓實具有更高的密度這樣的事實，所以可以使用較低的燒結溫度。因為較高的溫度可以引起構成材料的分解或轉化，所以這是有利的。制成的物體也可以用某些其他的方法進行后處理，例如使用熱等靜壓(HIP(Hot Isostatic Pressing))。
另外，該制成的物體可以是坯料物體，并且該方法也可以包括燒結坯料物體的另外的步驟。本發明的坯料物體給出一個粘在一起的一體的物體，甚至沒有使用任何添加劑。這樣，該坯料物體可以被儲存和處置，也可以被加工，例如被拋光或者切割。也可能將該坯料物體用作最終的產品，而沒有任何植入的燒結。這是這樣的情況當該物體是骨架植入物或者替代物時，在此，該植入物將被再吸收到該骨架中。
在處理之前用于多層產品的材料能夠和添加劑均勻地混合。也可以使用粒狀的預干燥，以減少原材料中的水分含量。某些多層產品不吸收濕氣，而其他的多層產品易于吸收能夠擾亂材料加工的濕氣，并且降低被加工材料的均勻性，因為高的潮濕度能夠增加材料中的水蒸氣泡沫。
該多層材料可以從這樣的組中進行選擇，該組包括金屬的、聚合的或者陶瓷的材料，例如不銹鋼、鋁合金、鈦、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、PEEK、橡膠、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、羥磷灰石或者氮化硅。該多層產品可以包括包含加強纖維或者來自下面這組中的粉末的復合材料，這組材料為碳、金屬、玻璃或者陶瓷，例如氧化鋁、硅石、硅、氮化硅、氧化鋯、碳化硅。
壓縮沖擊需要在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內發出對應于至少100Nm的總能量，以用于多層產品或者分層產品。壓縮沖擊需要發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少5Nm/g的每單位質量的能量，以用于多層產品。
已經容易地表明，使用具有不規則顆粒形態的顆粒，可以獲得較好的結果。顆粒尺寸的分布可能應該寬廣。小的顆粒能夠填滿大顆粒間的空間。
第一和第二種材料可以包括潤滑劑和/或燒結輔助劑。潤滑劑可以有助于和材料的混合。有時，該材料需要在模具中的潤滑劑，以便于容易地取出該物體。在某些情況下，如果潤滑劑用在該材料中，這可能是個選擇，因為這也使該物體更加容易地從模具中取出。
潤滑劑冷卻顆粒材料、占據空間并且潤滑顆粒材料。同時具有消極作用和積極作用。
內部潤滑是好的，因為該顆粒隨后將更加容易地滑動到位，并且因此將該物體壓實到更高的程度。對于純粹的壓制是好的。內部潤滑減小了顆粒件的摩擦，因而發出較小的能量，結果造成較少的顆粒之間的熔合。對于壓縮從而獲得高的密度來說是不利的，并且例如用于燒結時，該潤滑劑必須被去除。
外部的潤滑增加了釋放到材料中的能量的數量，并且因此間接地減小了作用在工具上的載荷。結果造成了在材料中更多的振動、增加的能量和顆粒間更大程度的熔合。較少的材料粘到模具上，并且該物體更易于擠壓成形。這對于壓實和壓縮都好。
潤滑劑的一個例子是合成脂肪酸酯(Acrawax)C，但是也可以使用其他傳統的潤滑劑。如果將該材料用在醫療物體內，那么該潤滑劑必須在醫療上被接受，或者它應該在加工期間用某些方法去除。
如果工具被潤滑并且將粉末預熱，那么就可以避免工具的拋光和清洗。
燒結輔助劑也可以包含在該材料中。該燒結輔助劑在后面的處理步驟中可以是有用的，例如在燒結步驟中。然而，在不包括燒結步驟的方法實施例中，該燒結輔助劑在某些情況下不是這樣有用。該燒結輔助劑可以是氧化釔、氧化鋁或者氧化鎂或者某些其他的傳統燒結輔助劑。燒結潤滑劑如果用在醫療物體上，像潤滑劑一樣，它也應該是在醫療上被接受或者可以被去除。
在某些情況下，同時使用潤滑劑和燒結輔助劑可以是有用的。這取決于使用的過程、使用的材料和制造的該物體的預期用途。
在某些情況下，為了容易地取出物體，在模具中使用潤滑劑可以是必要的。也可能在模具中使用一層涂層。該涂層可以由例如TiNAL或者Balinit Hardlube的材料制成。如果該工具具有最佳的涂層，那么將沒有材料粘結到工具部件上并且消耗部分的釋放能量，這增加了釋放到該粉末中的能量。在取出形成的物體困難的情況下，會消耗時間的潤滑將是不必要的。
當通過聚結制造多層材料時，將得到非常密實且取決于材料本身的、堅硬的材料。該材料的表面將非常光滑，這在個別的應用場合非常重要。
如果使用幾次沖擊，那么它們可以連續地實施，或者可以將變化的間隔插入沖擊之間，從而提供有關該沖擊廣泛的變化。
例如，可以使用一次到大約六次沖擊。對于所有的沖擊，能量水平可以是相同的，該能量也可以增加或者減小。沖擊系列可以以相同水平的至少兩次沖擊開始，并且最后的沖擊具有雙倍的能量。也可以相反。
通過一次沖擊釋放總能量經常能夠獲得最高的密度。如果總能量由幾次沖擊來釋放，那么可以獲得較低的相對密度，但是節省了工具。因此對于不需要最大的相對密度的應用場合，則可以使用多次沖擊。
通過一系列快速的沖擊，能夠連續地將動能供給材料物體，該動能有助于保持來回運動的波動的存在。因為新的沖擊產生材料進一步的塑性的、永久變形的同時，所以這同時支持該材料產生進一步的變形。
根據本發明的另一實施例，用于一系列沖擊中的每次沖擊，沖擊單元用其撞擊該材料物體的沖量在減小。最好在第一和第二次沖擊之間的沖量差別是巨大的。在這樣短的時間段內(優選大約1ms)獲得具有小于第一沖量的沖量的第二沖擊也是容易的，例如通過回彈沖擊的有效減小就可以獲得。然而如果需要，可能施加大于第一或者預先沖擊的沖量。
根據本發明，可能使用沖擊的許多變量。為了在隨后的沖擊中使用較小的沖量，不必使用該沖擊單元的反作用。可以使用其他的變化，例如在隨后的沖擊中增大沖量，或者只有一次伴隨或高或低的沖擊的撞擊。可以使用幾個不同系列的沖擊，在沖擊之間的間隔時間不同。
由本發明的方法制造的多層物體可以用在醫療設備上，比如醫療植入物或者在整形外科中的骨頭接合劑，或者用在器械或診斷設備上。這樣的植入物可以是例如骨骼的修補物或者牙齒的修補物。
根據本發明的實施例，該材料在醫療上是可被接受的。例如，這樣的材料是包含羥磷灰石或者氧化鋯的一種元素或一層的合適的多層產品。
用于植入物中的材料需要在生物體上合適并且在血液上合適，同時有機械耐用性，例如羥磷灰石和氧化鋯或者其他合適的多層材料。
由本發明的方法制造的物體也可以是非醫療產品，例如切割工具、絕熱用途、坩堝、噴嘴、導管、切割刀刃、連接環、球軸承和發動機部件。
這里給出了某些材料的幾個用途，這些材料可以用在目前的多層產品中。氮化硅的用途是坩堝、噴嘴、管道、切割刀刃、連接環、球軸承和發動機部件。鋁是一種良好的電絕緣體，并且同時鋁具有可接受的導熱性，因此鋁可以用來制造電子元件安裝用的基底、火花塞的絕緣體和高壓區域的絕緣體。鋁也是在整形植入物中通用的材料種類，例如在髖骨修補中的股骨頭。羥磷灰石是廣泛用在整形外科中最重要的生物材料。氧化鋯的通常用途是切割工具、絕熱發動機的元件，在整形植入物中它也是一種通用的材料種類，例如在髖骨修補中的股骨頭。這樣，本發明就有一個大的應用范圍，以便制造根據本發明的產品。
當加入模具中的材料接受聚結作用時，在形成的物體上就獲得了一層堅硬、光滑和致密的表面。這是該物體的一個重要特征。堅硬的表面提供了物體優越的機械性能，例如高的耐磨損性和耐刮擦性。光滑致密的表面使得該材料能夠抵抗例如腐蝕。在該產品中得到了較少的孔、較大的強度。這里是指敞開的孔道和孔的總數。在傳統的方法中，一個目標是減小開孔的數量，因為開孔是不可能經過燒結而減少的。
重要的是混合粉末混合物，直到將它們盡可能地混合均勻，以便獲得具有最佳性能的物體。
涂層也可以根據本發明的方法來制造。例如，涂層可以形成在一元件或者一多層產品的表面上。當制造涂覆的元件時，將該元件放在模具中，并且可以用傳統的方法將其固定在里面。將涂覆材料環繞將要被涂覆的元件周圍加入模具中，例如采用氣體噴霧，然后通過聚結形成涂層。將要被涂覆的元件可以是根據這一應用形成的任意材料，或者它可以是任意傳統方式形成的元件。這樣的涂覆可以是非常有利的，因為該涂覆能夠給該元件提供特殊的性能。
也可以采用傳統方法將涂層施加在根據本發明制造的物體上，例如通過浸泡涂覆和噴射涂覆。
也可能通過至少一次沖擊首先壓縮在第一模具中的材料。之后可以將該材料移動到另一較大的模具中，并且將另外的材料加入該模具中，隨后通過至少一次沖擊將材料壓縮到第一次壓縮過的材料的頂上或者側面。在沖擊能量的選擇和材料的選擇方面，許多不同的結合是可能的。
本發明也涉及用上述方法獲得的產品。
和壓制相比較，根據本發明的方法具有幾個優點。壓制方法包括由包含燒結輔助劑的粉末形成坯料物體的第一步。該坯料物體將在第二步被燒結，在此，燒結輔助劑被燒盡，或者可以在另外的步驟中被燒盡。該壓制方法也需要制成的物體的最后加工，因為該表面需要機械加工。根據本發明的方法，可能在一步或者兩步內制造該物體，不需要該物體的表面的機械加工。
使用該方法，能制造一件式的大的物體。在目前使用的方法中，經常必須制造在使用之前預先連接在一起的幾件式的物體。例如，可以使用螺栓或者粘合劑或者它們的結合將這些件連接在一起。
另外的優點是本發明的方法可以用在攜帶排斥顆粒的電荷的粉末上，從而不用處理粉末來中和電荷。該方法可以不受粉末顆粒的電荷或者表面張力的影響來實施。然而，不能排除使用攜帶相反電荷的其他粉末或者添加劑的可能。使用該方法，能夠控制制成的物體的表面張力。在某些情況下，需要低的表面張力，例如，磨損表面需要一層液體薄膜，在其他情況下，需要高的表面張力。
這里給出一些例子，用來解釋本發明。
例子下面的材料被測試氮化硅、羥磷灰石、氧化鋁、鈦、C0-28Cr-6Mo、聚甲基丙烯酸甲酯和超高分子量聚乙烯。
氮化硅是一種完全凝固的顆粒狀粉末。羥磷灰石和氧化鋁根本不用預處理。該金屬和聚合粉末最初被干燥混合10分鐘，以便在粉末中獲得均勻的顆粒尺寸分布。
多層產品具有許多應用范圍，比如植入物。
采用不同的材料組合來試驗六種不同的多層產品。
2兩水平層3三水平層1.一水平層和兩垂直層2.兩垂直層3.兩水平層和兩垂直層4.四垂直層主要的目的是評價通過化學結合達到彼此結合的固體層的性能。
在多層產品的每一構成物的測試說明中，指定的重量被多層產品中的層數分開。這意味著獲得用于測試說明中指定的重量的可見性指標的沖擊能量也必須被層數分開。如果一層水平層由兩個垂直層構成，那么當選擇沖擊能量時，就必須考慮具有最低硬度的材料。像作為單一水平層的材料1一樣，聚合體從來不用處理。
下面的測試方案通用于所有不同的層1用于層1的預壓實程序1.1用手預壓實1.2用沖擊單元以12000kp的軸向載荷預壓實2在增加材料2之前用于層1的沖擊能量水平2.1用對應于可見性指標1的能量沖擊2.2用對應于可見性指標2的能量沖擊2.3用對應于可見性指標3的能量沖擊
3使用機器預壓實和用于材料2和3的最大允許沖擊能量分別進行多層沖擊。這取決于該多層產品是具有兩層還是三層水平層。
用每種材料的質量除以材料的理論比密度之和，再被三層的總質量除可以計算出用于不同的多層產品的近似的理論密度，ρ多層＝m總/(ma/ρa+mb/ρb+mc/rd+mc/ρd+mc/ρd)在每一層的上模被移走后，傾倒并處理下面的粉末。當完成多層產品之后，將工具部件拆下，拿出樣品。用電子測微計測量該直徑和厚度，給出物體的體積。然后電子地確定重量。由這些結果，通過該重量除以體積可以獲得密度1。
為了能夠繼續進行下一個樣品，必須清洗工具，或者只用丙酮，或者用砂布拋光工具表面，以去除殘留在工具上的材料。
表1列出了用于該研究的不同粉末。
表1
兩水平層圖2a示出了兩層水平層的外觀。使用的不同材料結合在表2中詳細列出。
在將羥磷灰石和超高分子量聚乙烯壓縮在一起后沒有獲得固體的樣品。在加入聚合體之前該羥磷灰石能夠是固體，但是隨后當加入聚合體并撞擊時其破裂。壓縮羥磷灰石和鈦給出和羥磷灰石相似的結果。在用機器預壓實之后鈦變成 固態物體，但是當鈦作為材料2被撞擊時，它撞裂羥磷灰石。通過手工壓實羥磷灰石然后加入鈦粉可獲得最好的結果。氧化鋁和氮化硅不能成功地壓縮為單一的材料，并且按照多層壓縮順序可以獲得相同的結果。陶瓷材料分離，并且不能粘結到加入的材料2上。當首先將鈦撞擊成固態物體然后撞擊聚合體時，和超高分子量聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯一起壓縮鈦以提供固體樣品。該聚合體必須熔化變成塑膠，以粘結到鈦上面。如果鈦僅僅用手工壓實，那么該聚合體似乎仍然是粉末。
Co-28Cr-6Mo也已經復合化，以固化為單一的材料。它和聚甲基丙烯酸甲酯與超高分子量聚乙烯一起被壓縮。當將Co-28Cr-6Mo首先撞擊為固體材料物體時，使用超高分子量聚乙烯可以獲得某些固體樣品。沒有獲得Co-28Cr-6Mo/聚甲基丙烯酸甲酯兩層的好樣品。
表2
三水平層圖2b表示三層水平層的外觀。使用的不同材料組合在表3中詳細列出。
當三層壓縮在一起時，獲得固體樣品是困難的。經常是單一一層固體，但是在層與層之間沒有獲得機械或者化學的結合。當僅僅用手壓實或者用機器預壓實第一和第二種材料然后使用高的沖擊能量沖擊時，可以獲得最好的結果。似乎在層與層之間是化學結合，并且該材料物體是堅固的。
表3示出了在三層水平層內測試的不同材料的組合。
表3
一水平層和兩垂直層圖2c表示具有一水平層和兩垂直層的多層的外觀。使用的不同材料結合在表4中詳細列出。
通過預壓實和隨后撞擊這兩種材料可獲得最好的結果。得到能夠粘接金屬或者羥磷灰石的塑膠聚合體是困難的。這些樣品常常易碎，并且用手就能容易地破壞它。
表4
兩垂直層圖4是兩水平層的外觀。使用的不同材料組合在表5中詳細列出。
用機器將這兩種材料預壓實在一起且隨后用最高允許沖擊能量撞擊能夠供給最好的結果。得到的樣品結實且不會分離。
表5
兩水平層和兩垂直層圖2e表示兩水平層的外觀。在表6中詳細列出了使用的不同材料結合。
該樣品分離。使用這些沖擊能量水平使聚甲基丙烯酸甲酯和超高分子量聚乙烯熔合在一起是困難的。該鈦層是結實的，但是不能粘接到其他材料上。
表6
四垂直層圖2f表示兩水平層的外觀。在表7中詳細列出使用的不同材料結合。
包含兩垂直層的第二層扭轉180度，從而獲得在多層制品的中央得到一個十字。
鈦得到固化但是聚合體完全沒有相變，并且不同的材料不能成功地彼此結合。當首先僅僅用手壓實或者用機器預壓實第一層的兩個垂直層然后撞擊其他兩垂直層而將羥磷灰石和鈦壓實在一起時，羥磷灰石得到最好的樣品。將和超高分子量聚乙烯壓縮在一起的羥磷灰石壓縮不能獲得結實的樣品。該羥磷灰石分離并且聚合體沒有相變。
表8
這是正在壓縮的多層產品的篩選試驗。用天平和測微器能夠測量的密度被認為非常接近，因此沒有表示關于密度的圖形。
由于機器和工具的限制，不能進行所有計劃的測試。當將第二種或者第三種材料加入之前撞擊該材料時，工具部件變得膨脹，并且有時不可能從該工具中移走，這意味著不能完成這些測試。
為了在固體層之間獲得結合，斷定第一層只能用手或者用機器預壓實。原因可能是預壓實的材料仍然具有高的孔隙率，在此來自這兩層或者三層的粉末顆粒能夠彼此結合。
如果該材料接近完全固化，具有大約90-95％的相對密度，那么將材料結合在一起是可能的。該固化的材料已經吸收了可能的能量，并且不能和另一種材料結合。
理想的是撞擊一種材料，然后增加一薄層僅僅被預壓實的粉末，之后增加完全被固化的第三層。然后，在中央的材料能夠將這兩層固體層結合在一起。
包含聚合材料、超高分子量聚乙烯或者聚甲基丙烯酸甲酯的所有多層產品以低的能量水平獲得結合是困難的。在其能夠粘結到另一種材料上之前，該聚合體已經熔化并且變成塑膠。
用于多層產品的后處理被復雜化，因為在構成成分之間有不同的材料特性。例如，聚合體不能被燒結，并且在不同金屬之間或者在金屬和陶瓷材料之間的燒結參數有很大不同。一個解決方法是壓縮一層，然后移動該材料并且燒結樣品。燒結的是放在工具中的材料，在這之后，加入并且壓縮下一個樣品或者粉末。該壓縮過程也可以壓縮或者使固體樣品變形，這意味著在多層產品中的所有各層能夠被壓縮并燒結，然后壓縮成為一個堅固的材料物體。
這些樣品僅僅是進行了直觀上的研究，因此判斷在固體樣品中的各層之間由沒有機械的或者化學的結合是困難的。
為了在各層之間獲得真正的化學結合以及完成的多層產品接近100％的相對密度，應該盡可能地在真空中實施該方法。如果包括的構成成分是陶瓷材料，那么該粉末在壓縮之前應該被預先加熱。
例子2-兩層-不銹鋼層和316L-橡膠這些兩層的樣品由一層不銹鋼316L和另一層在不銹鋼316L之上的橡膠構成。關于分開的每種材料的測試已經表明使用高的相對密度已經得到堅固的樣品。在該研究中，主要的目的是探查在兩層之間是否發生了化學結合，以及怎樣進行沖擊順序以獲得在各種材料類型之間最好的結合。今天這些用途還沒有很好地發展，但是在例如汽車工業的領域應用了這一新的制造方法，在該領域存在金屬和橡膠，所以能夠是一個可能的應用領域。
如果在該制造過程之后會直接得到需要的材料特性，那么就可以避免隨后的后處理程序。這樣會部分地削減總的加工成本，并且部分地免除不用添加到橡膠中的環境添加劑。如果必須進一步的后處理，那么相對于傳統的制造方法，加工步驟能夠被削減。
通過干燥混合10分鐘來準備不銹鋼(ss)316L粉末，以獲得均勻的顆粒尺寸分布。橡膠粉末不用做準備，部分地因為這些顆粒會粘合在一起，部分地因為這些顆粒尺寸是均勻的。
總共制造了五個樣品。對于所有的樣品來講，不銹鋼316L被首先傾倒進入模壓模具中。在橡膠粉末傾倒到模壓模具中位于不銹鋼316L上面之前，跟著進行不同形式的壓實。沖擊撞擊之后，總是伴隨一定的沖擊能量。通過初期的測試可以確定該沖擊能量。在使用純橡膠的測試中，用相應于最大沖擊能量的沖擊能進行撞擊。因為存在這兩種材料，每一種材料的重量是正常重量的一半，這意味著用橡膠的最大沖擊能的一半進行沖擊。這取決于將要被壓實制造的樣品是什么樣的樣品，其在兩層之間是不同的。就第一樣品而言，在將橡膠傾倒進入模壓縮模具具之前，用手使用棒材進行壓實不銹鋼316L。第二樣品被預壓實，并且用具有最小可能沖擊能(150Nm)的沖擊撞擊第三樣品。使用早期關于純不銹鋼316L測試時的最大沖擊能的一半撞擊最后的(第五)樣品。使用在第三和第五樣品的沖擊能之間的沖擊能量撞擊第四樣品。
在制造出每一樣品之后，將所有的工具部件拆下，并且將該樣品釋放。用電子測微計測量該直徑和厚度，給出物體的體積。然后用數字天平確定重量。來自測微計和天平的所有輸入數值被自動地記錄并且存儲在分開的文檔內。由這些結果，通過用該重量除以體積可以達到密度1。
為了能夠繼續進行下一個樣品，必須用丙酮清洗工具，以去除殘留在工具上的材料。
為了較容易地確定制造的樣品的狀況，使用三個可見性指標。可見性指標1對應于粉末樣品，可見性指標2對應于易碎的樣品，可見性指標3對應于固態的樣品。
由制造商測出理論密度。由此可以計算出相應于在50％橡膠和50％不銹鋼316L之間確定混合的理論密度。通過使獲得的每一樣品的密度除以該理論密度可以得到相對密度。
由于在某些情況下(沒有這種材料的組合)存在部分失去的樣品，所以在多層樣品上不能測出密度2。在這些情況下，很難確定該理論密度。
在這些測試中制造的樣品的形狀尺寸是具有30.0mm的直徑和5-10mm之間的高度的圓盤。該高度取決于得到的相對密度。如果應該得到100％的相對密度，那么對于不銹鋼316L橡膠來說厚度應是5.00mm。這是由于每種材料的一半重量的原因。
在表9中給出了粉末的特性，表10中給出了測試結果。
表9
表10
圖3和4表示作為每單位質量的沖擊能量和總沖擊能量的函數的相對密度。可以看出所有曲線的下述現象。
所有樣品具有可見性指標3。
我們能夠看見的是兩個初始的樣品，在此，第一種材料被手工壓實或者用機器壓實，給予高于第三樣品的較高的相對密度，用最低的沖擊能量撞擊該第一種材料。當第一沖擊的沖擊能量增加時，相對密度增加，并且在比該兩個初始樣品高的相對密度上結束。當用最高的沖擊能量進行第一沖擊時，可以獲得98.4％的最大相對密度。
這些樣品都是完好的，但是因為樣品的橡膠部分是彈性的，所以確定其體積是困難的。但是相對于純橡膠，不銹鋼316L部分可以確定體積，并且密度1很好地表示得到的相對密度的指標。
討論1.不銹鋼316L不銹鋼316L具有1427℃的熔化溫度。即使該溫度很高，這些樣品的不銹鋼316L部分也會變得致密。在顆粒中間局部的溫度升高，由于傳遞的能量，使得顆粒變軟、變形，使顆粒的表面熔化。這種顆粒之間的熔化使得顆粒重新固化在一起，并且得到致密的材料。
此外，不銹鋼316L粉末比例如CoCrMo要軟。不銹鋼316L的硬度是160-190HV，CoCrMo的硬度是460-830HV。材料越軟，則顆粒越容易變軟并且變形。這能夠在顆粒之間發生熔合之前使顆粒很好地變軟、變形并且被壓縮。
為了增加不銹鋼316L的相對密度的預處理過程可以是只對粉末預加熱，或者對粉末和工具都進行預加熱。該材料可能在空氣中被加熱到250℃，而不會發生任何的粉末反應。
其他能夠影響壓縮結果的重要參數，除了已經提及的熔化溫度和硬度之外，可以還有顆粒尺寸、顆粒尺寸分布和顆粒形態。根據早期的測試，在相位1進行測試，用不規則的顆粒形態比球形的形態能夠得到更好的結果。當測試不規則的顆粒時，發生顆粒間的熔合，但是測試球形顆粒時，較少發生顆粒間的熔合。當不規則的顆粒彼此相互接觸時，由于它們被擠壓在一起，所以和球形顆粒相比較其接觸面積要大得多。大的接觸面積可能能使顆粒在加工期間更易熔合，根據這一理論，需要較小的沖擊能量傳遞給粉末。
對于大顆粒來講，在顆粒之間存在比小顆粒多的空間。這使它更硬，從而能夠得到致密和好壓縮的樣品。相對于小顆粒，大顆粒具有的好處是較大顆粒的總的表面小于較小顆粒總的表面。大的總表面使表面能量高，相應地需要較高的沖擊能量以得到需要的結果。另一方面，小顆粒可能得到較高的壓縮率，因為在顆粒之間的空間小于大顆粒之間的空間。最佳的顆粒尺寸依然是需要回答的一個問題。
顆粒尺寸分布可能應該是廣泛的。小顆粒能夠填充大顆粒之間空出的空間。
重要的是，獲得具有小于5％微孔的樣品，因為這些微孔是和材料中封閉的微孔在一起的。如果在材料中具有大于5％的孔道，那么濕氣就會進入該材料的孔道。結果會腐蝕材料，并且導致制造的樣品的性能降低。如果具有大于5％的微孔，那么必須燒結樣品，以減少該材料的微孔和孔道。
為了獲得全部致密的樣品，即99％-100％，那么大氣必須與在該測試中使用的目前的大氣不同。如果空氣包含在該材料中，那么密度會下降。為了獲得致密的材料，真空可以是一個選擇的方案。
一個替換實施方式可以是首先燒結不銹鋼316L部分。然后將不銹鋼316L部分再放入模壓成型模具內，并且將橡膠添加到不銹鋼316L上。在測試中，橡膠好象和不銹鋼316L結合，因此，橡膠也會和燒結過的不銹鋼316L結合是可能的。在這種情況下，該樣品，至少金屬部分可能獲得需要的性能，盡管金屬部分已經被燒結。
橡膠材料的硬度影響結果。和例如聚甲基丙烯酸甲酯相比較，橡膠的硬度較低。聚甲基丙烯酸甲酯和橡膠相比，需要較高的轉換的沖擊能量，以便獲得具有可見性指標2的樣品。材料越軟，那么顆粒越容易變軟和變形，對于橡膠顆粒越容易發生這種情況。這使得在發生顆粒間的熔合之前顆粒變軟、變形和被壓縮。
在該樣品中仍然能夠確定顆粒。因此，可能應該接著有后處理。橡膠通常處理成隨后硫化的熱塑性聚合體。硫化提供了高彈性的材料、彈性體，因為該材料變成交叉結合。
至今，仍然沒有聚合體相應的粉末冶金，因此發現哪些參數應該改變以及怎樣改變是困難的。但是也可能所述的某些參數對聚合體有用。其他能夠影響壓縮結果的重要參數，除了已經提及的熔化溫度之外，可以還有顆粒尺寸、顆粒尺寸分布和顆粒形態。當不規則的顆粒彼此相互接觸時，由于它們被擠壓在一起，所以和球形顆粒相比較其接觸面積要大得多。大的接觸面積可能能使顆粒在加工期間更易熔合，根據這一理論，需要較小的沖擊能量傳遞給該粉末。
如果使用大顆粒，在顆粒之間存在比小顆粒多的空間。這使它更硬，從而能夠得到致密和好壓縮的樣品。相對于小顆粒，大顆粒具有的好處是較大顆粒的總表面小于較小顆粒的總表面。大的總表面使表面能量高，相應地需要較高的沖擊能量以得到需要的結果。另一方面，小顆粒可能得到較高的壓縮率，因為在顆粒之間的空間小于大顆粒之間的空間。最佳的顆粒尺寸依然是需要回答的一個問題。
顆粒尺寸分布可能應該是廣泛的。當使用不同的顆粒尺寸時，小顆粒能夠填充大顆粒之間空出的空間。這樣，在該樣品中有到處和其他顆粒接觸的顆粒表面。這增加了在顆粒之間熔合成功的可能性(例如，小顆粒表面抵靠著大顆粒表面)。
橡膠是非晶的聚合體。在這一快速制造過程中，當樣品從模具中移走時，它已經被在室內回火。這意味著冷卻過程比其他制造過程要快得多。由于這一快速的冷卻過程，與晶體狀聚合物制造相比較，這種制造方法可能更加適合非晶態聚合物制造。晶體狀聚合物的結構具有薄層的形式，非晶態聚合物的結構不具有被很好組織起來的構造。為了獲得晶體狀聚合物的這種有組織的結構，對于非晶態聚合物來講，冷卻時間可能必須更長。該冷卻過程可能影響橡膠的結構和材料特性。因此，研究的一個重點是微觀結構和材料特性。
層在兩種材料之間由一些結合方式。這些材料是怎樣嚴密地結合在一起將在微觀結構測試中顯示。怎樣同時獲得兩種材料的最高相對密度，并且同時得到在不同類材料之間的化學結合？如圖形中看到的那樣，當第一種材料被壓實而沒有用低沖擊能量撞擊時，其相對密度較高。相對于將低沖擊能量轉移給粉末的樣品來講，如果表面有一些粗糙，那么不銹鋼316L會和橡膠顆粒可能能夠彼此相互接觸。當在沖擊過程之前顆粒能夠接觸時，那么它們能夠被壓得更緊，并且更加成為一體。
但是如果第一次沖擊的沖擊能量增加，那么相對密度也會增加。這就是橡膠能夠連接到“拋光”的表面上，在該表面上，由于橡膠的柔軟已經施加過沖擊。橡膠可能作為在不銹鋼316L表面上的膠。
本發明涉及一種新方法，該方法包括預壓實和在某些情況下的后壓實，并且在兩者之間至少有一次沖擊作用在該材料上。已經證實該新方法會帶來非常好的結果，并且該方法是在現有技術上的改進的方法。
本發明不限于上述的實施形式和例子。該方法不需要使用添加劑，這是一個優點。然而，在某些實施形式中，添加劑的使用可能證實是有利的。相似地，通常不必使用真空或者惰性氣體來防止被壓縮的材料物體的氧化。然而，有些材料可以需要真空或者惰性氣體來制造極端純凈或者高密度的物體。因此，盡管根據本發明，不需要使用添加劑、真空和惰性氣體，但是也不排除使用它們。本發明的方法和產品的其他改變也是可能的，其包括在所附的權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種通過聚結制造多層物體的方法，其特征在于該方法包括步驟(a)用具有粉末、丸狀、顆粒等類似形式的初始材料填充預壓實模具，(b)預壓實該材料至少一次，(c)通過至少一次沖擊壓縮在壓縮模具內的材料，在此，當撞擊填充入壓縮模具內的材料時，沖擊單元產生足以形成該物體的動能，引起該材料的聚結，(d)或者在步驟(a)中，或者在步驟(b)中的壓實之后或者在步驟(c)中的壓縮初始材料之后，將至少另外一種材料以粉末、丸狀、顆粒等的形式填入該模具內，(e)如果必要，在至少另外一種材料填入之后進行進一步預壓實和/或壓縮。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，預壓實模具和壓縮模具是同一個模具。
3.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，在空氣中和室溫下，用至少約0.25×108N/m2的壓力預壓實該材料。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，用至少約0.6×108N/m2的壓力預壓實該材料。
5.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，該方法包括預壓實該材料至少兩次。
6.一種通過聚結來制造多層物體的方法，其特征在于，該方法包括通過至少一次沖擊，壓縮壓縮模具內的初始材料的固態物體，在此，沖擊單元發出足夠的能量，從而引起在物體內材料的聚結，將至少一種其他材料加入該模具中，其具有粉末、丸狀、顆粒等類似形式或具有固態物體形式，在第一次沖擊中或者在后面的沖擊中也由沖擊單元撞擊該至少一種其他材料，以便該至少兩種材料形成一體的物體。
7.根據權利要求1-5中任一或者6所述的方法，其特征在于，在空氣中和室溫下，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少100Nm的總能量。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少300Nm的總能量。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少600Nm的總能量。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少1000Nm的總能量。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少2000Nm的總能量。
12.根據權利要求1-5中任一或者6所述的方法，其特征在于，在空氣中和室溫下，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少5Nm/g的每單位質量能量。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少20Nm/g的每單位質量能量。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少100Nm/g的每單位質量能量。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少250Nm/g的每單位質量能量。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，壓縮沖擊發出對應于在具有7cm2撞擊面積的圓柱形工具內的至少350Nm/g的每單位質量能量。
17.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，該多層物體被壓縮到至少60％的相對密度，最好為65％。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，該多層物體被壓縮到至少70％的相對密度，最好為75％。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，該多層物體被壓縮到至少80％的相對密度，最好為至少85％，特別是至少90％直到100％的相對密度。
20.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，該方法包括在壓縮步驟之后后壓實該物體至少一次的步驟。
21.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，在該多層物體中的材料選自包括金屬、陶瓷和聚合材料的一組材料。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，在該多層物體中的材料之一包括加強相，該加強相選自包括碳、玻璃、金屬、聚合材料和陶瓷材料的一組材料。
23.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，該多層材料選自包括超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丁腈橡膠、鋁合金和鈦的一組材料。
24.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，制造的該物體為醫療的植入物，例如骨骼修補物或者牙齒修補物。
25.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，該方法包括在壓縮或者后壓實之后的任一時間后加熱和/或燒結該物體的步驟。
26.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，制造的物體是坯料物體。
27.根據權利要求27所述的方法，其特征在于，該方法也包括燒結該坯料物體的另外的步驟。
28.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，該材料是在醫療上可以接受的材料。
29.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，至少一種材料包括潤滑劑和/或燒結輔助劑。
30.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，該方法也包括使該物體變形。
31.由權利要求1-30中任一所述的方法得到的產品。
32.根據權利要求31所述的產品，其特征在于，該產品作為醫療器件或者器械。
33.根據權利要求31所述的產品，其特征在于，該產品作為非醫療器件。
全文摘要
一種通過聚結制造多層物體的方法，其特征在于該方法包括步驟(a)用具有粉末、丸狀、顆粒等類似形式的初始材料填充預壓實模具，(b)預壓實該初始材料至少一次，(c)通過至少一次沖擊壓縮在壓縮模具內的材料，在此，當撞擊填入壓縮模具內的材料時，沖擊單元產生足以形成該物體的動能，引起該材料的聚結，(d)或者在步驟(a)中、或者在步驟(b)的壓實之后或者在步驟(c)中的壓縮初始材料之后，將至少另外一種材料以粉末、丸狀、顆粒等的形式填入該模具內，(e)如果必要，在至少另外一種材料填入之后進行進一步預壓實和/或壓縮。
文檔編號B28B3/02GK1462215SQ01815609
公開日2003年12月17日 申請日期2001年7月25日 優先權日2000年7月25日
發明者肯特·奧爾森, 李建國 申請人:Ck管理股份公司