Детали с различным качеством поверхности и способ их получения

Группа изобретений относится к изготовлению высокоточных спеченных деталей медицинского протеза. Способ состоит из следующих этапов: получение файла, содержащего геометрическое описание заданной формы изготавливаемой спеченной детали, выполнение по полученному файлу наращивания порошковым материалом определенных участков детали из сплава хрома и кобальта, спекание нарощенной детали для получения спеченной детали, промежуточная тепловая обработка спеченной детали, включающая нагревание спеченной детали до температуры 1000°С, последующее охлаждение нагретой спеченной детали при комнатной температуре и фрезерование выбранных участков спеченной детали после промежуточной тепловой обработки. Высокоточная деталь имеет две различные по качеству поверхности. Один участок поверхности имеет шероховатость, полученную в результате спекания и являющуюся результатом размера частиц порошкового материала, а другой участок имеет гладкую или полированную поверхность, полученную в результате трехмерной механической обработки в виде фрезерования. Обеспечивается высокая степень точности на механически обработанных участках с допуском 9 класса. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей данного изобретения являются детали с различным качеством поверхности, а также способ их получения. Как указано в названии изобретения, детали имеют различное качество поверхности на участках, которые легко различаются, благодаря чему каждый участок имеет ряд положительных особенностей для последующего использования.

Данное изобретение отличается тем, что детали изготавливаются способом соединения, как правило, сначала с помощью процесса спекания, а после этого некоторые участки детали подвергаются механической обработке, придающей им различное качество поверхности.

С точки зрения способа изготовления данное изобретение отличается тем, что детали изготавливаются сначала с помощью процесса спекания, а после этого обрабатываются с помощью трехмерной механической обработки, благодаря чему детали, изготавливаемые с помощью процесса спекания, создаются с высокой степенью точности и высоким допуском.

Способ, являющийся задачей данного изобретения, отличается также характером и порядком этапов, благодаря чему с помощью процесса спекания могут создаваться детали с высокой степенью точности и оптимальным полем допусков.

В данном способе надлежащим образом сочетаются преимущества, получаемые при изготовлении с помощью процесса спекания и изготовлении с помощью трехмерной механической обработки, благодаря чему создаются детали с очень высокой степенью точности на некоторых участках со сложной геометрией, в результате улучшаются конструкция и время изготовления и, как следствие этого, расходы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Процесс спекания состоит в термической обработке порошка или прессованного металла, керамики или пластмассы при температуре ниже температуры плавления смеси, что повышает прочность и устойчивость детали из-за сильных связей, образуемых между частицами.

С другой стороны, механическая обработка, в частности трехмерная механическая обработка, главным образом, состоит в резании подвергающегося механической обработке материала с помощью вращающегося инструмента, оснащенного несколькими резцами, называемыми зубьями, режущими кромками или небольшими пластинами, изготовленными из твердого металла. Они совершают поступательные движения почти в любом направлении, в котором может перемещаться рабочее место и которое запрограммированно рабочим местом, на котором закрепляется подвергающаяся механической обработке деталь.

В процессах изготовления деталей, требующих высокой степени точности и дорогих материалов, процесс спекания дает существенное сокращение расходов, и, несмотря на то, что получаемые допуск и точность являются приемлемыми, их можно улучшить, поскольку они обусловлены размером порошковых частиц, используемых в процессе спекания. С другой стороны, объем отбракованного материала в процессах механической обработки, такой как фрезерование, является относительно большим, так же, как и затрачиваемое на эти процессы время, что значительно увеличивает стоимость процесса изготовления. Тем не менее, получаемая точность является вполне достаточной.

Хотя при изготовлении деталей с помощью процесса спекания сложные детали получаются легко, недорого и эффективно, геометрия этих деталей может потребовать высокой степени точности, особенно на участках, которым необходима тщательная механическая подгонка к другим деталям. Кроме того, изготовленные к этому моменту детали могут потребовать, чтобы поверхность этих деталей имела различный класс чистоты с целью достижения последующих преимуществ, получаемых при различном качестве поверхности.

Следовательно, целью данного изобретения является разработка деталей, которые могут изготавливаться с помощью процесса спекания, и получение различных степеней точности на различных участках, а также достижение преимуществ, получаемых при обработке их поверхности. Пример этого показан в заявке США №2008/241798.

Кроме того, с другой стороны, целью данного изобретения является разработка способа изготовления высокоточных деталей, сочетающего в себе преимущества процесса спекания и трехмерной механической обработки, при использовании которого денежные расходы являются максимально низкими, а получаемые точность и допуск являются наилучшими.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для достижения цели создания деталей, изготавливаемых с помощью процесса спекания, благодаря которому достигаются различные степени точности на различных участках, а также последующие преимущества, получаемые при различном качестве поверхности, детали, которые являются задачей данного изобретения, изготавливаются с помощью процесса спекания и имеют различное качество поверхности на участках, которые легко различить; на одном участке - качество, получаемое с помощью процесса спекания, с шероховатостью, являющейся результатом размера частиц порошка, используемого в процессе спекания, а на других участках - гладкую поверхность, которая получается в результате подвергания упомянутой детали процессу трехмерной механической обработки, формируя единую деталь с двумя совершенно различными качествами поверхности.

Поскольку детали имеют различное качество поверхности на участках, которые легко различаются, достигаются три цели:

- с одной стороны, детали, которые имеют высокую степень точности на участках, требующих тщательной механической подгонки к другим деталям. Это участки, которые подвергались процессу трехмерной механической обработки после изготовления с помощью процесса спекания;

- с другой стороны, шероховатость поверхности различна на разных участках детали, поскольку некоторые участки ввиду того, что они обработаны с помощью процесса спекания, имеют определенную шероховатость, обуславливаемую размером частиц порошка, используемого при их изготовлении. Упомянутая шероховатость служит для улучшения соединения с другими деталями или материалами посредством цемента или подобных материалов;

- поскольку деталь изготовлена с помощью процесса спекания, могут быть получены детали со сложной геометрией (любой геометрией, которая может быть определена в пространстве)/ с геометрией, которую невозможно получить с помощью других методов изготовления.

Для достижения предлагаемой цели процесса изготовления деталей при низкой стоимости и с высокими точностью и допуском разработан способ изготовления, при котором изготовление детали начинается с процесса спекания и проходит ряд последующих этапов, улучшающих его точность и допуск.

Как правило, все указанные процессы изготовления начинаются с файла STL, хотя это может быть применимо к любому иному формату, подходящему для описания детали, подлежащей изготовлению. Формат STL является стандартным стереолитографическим форматом, содержащим геометрическое описание проектируемого объекта с использованием аппроксимации треугольниками.

После получения файла в формате STL чувствительные участки детали, которые требуют большей точности ввиду их положения или назначения, наращиваются локально или полностью. Такое наращивание не следует понимать буквально, поскольку оно может выполняться с заданными формами или с какой-либо иной конфигурацией, позволяющей осуществлять последующую трехмерную механическую обработку на участке наращивания либо там, где имеется определенная форма.

После получения и подготовки файла она затем подвергается обработке с помощью процесса спекания.

Далее изготовленная деталь может дополнительно подвергаться процессу промежуточной тепловой обработки с целью смягчения металлов.

После этого исходные и предположительно окончательные геометрии подвергаются механической обработке на участках, считающихся чувствительными, геометрия которых была сохранена, получена или сформирована путем генерирования программ, которые выполняют автоматическое, полуавтоматическое или направленное фрезерование (4). Очень высокая степень точности получается на чувствительных участках детали посредством автоматического фрезерования.

Такая трехмерная механическая обработка выполняется на станке, который должен быть в состоянии дотянуться до любой точки в пространстве и отобразить ее. На данном этапе крайне важна и необходима процедура центрирования и базирования. Станки, лучше всего оснащенные для такой работы, представляют собой фрезерные станки с пятью (5) управляемыми координатами (3 для позиционирования и 2 для задания направления в пространстве) или станки, известные на рынке как имеющие четыре плюс одну ось.

Наконец, деталь разрезается и готовится к подаче.

То обстоятельство, что точность и допуск, получаемые в процессе изготовления спеканием, меньше, чем получаемые в процессе механической обработки, проистекает из характера материалов, используемых в выполняемом процессе. Так, например, при использовании в процессе спекания хромовых и кобальтовых порошков используются зерна толщиной от 36 до 54 микрометров или даже выше, что влечет за собой физическое ограничение на прессование. Кроме того, напряжение, скручивание и изгибание могут быть вызваны самим процессом спекания, при котором тепло подается в течение очень короткого интервала времени величиной в наносекунды.

Полученная спеканием деталь может рихтоваться непосредственно после этого без наращивания. Однако при определенных обстоятельствах фреза может не входить в контакт с материалом ввиду различия в стенке, возникающего в результате процесса спекания. Следовательно, непосредственная механическая обработка детали, полученной посредством спекания, не даст необходимых результатов.

Поскольку деталь подвергается процессу локального или общего наращивания, можно подвергать деталь процессу механической обработки, обеспечивающему точное протачивание канавок. Этим обеспечивается деталь с более высокими точностью и допуском (9 класса), чем деталь, получаемая только спеканием. Кроме того, качество, структура и окончательный вид обработки в этом случае лучше, чем, если бы она была получена непосредственно с помощью процесса спекания.

Детали, являющиеся целью данного изобретения, могут применяться в любой отрасли промышленности или в сфере, требующей деталей сложной геометрии, которые могут изготавливаться быстро и легко и которые имеют высокую степень точности на некоторых участках. В частности, они могут применяться, например, в медицинской сфере, сфере стоматологического точного машиностроения, автомобильной, авиационной и военно-морской сферах.

Способ, который также является целью данного изобретения, может также применяться в любой отрасли промышленности или в сфере, требующей деталей сложной геометрии, которые могут изготавливаться быстро и легко и которые имеют высокую степень точности на некоторых участках. В частности, они могут применяться, например, в медицинской сфере, сфере стоматологического точного машиностроения, автомобильной, авиационной и военно-морской сферах.

ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

Для завершения описания и с целью обеспечения более полного понимания характеристик изобретения к данному описанию прилагается комплект чертежей или иллюстраций. Они представлены лишь в качестве указания с учетом неограниченных возможностей как функциональных, так и эстетических. Эти иллюстрации дадут лучшее понимание новизны и преимуществ устройства, которое является целью данного изобретения.

На Фиг. 1 показаны этапы процесса изготовления, который является задачей данного изобретения.

На Фиг. 2 показан перспективный вид зубного компонента с контуром, определенным для наращивания.

На Фиг. 3 показан укрупненный вид получения чувствительных характеристик в местах размещения деталей после спекания.

На Фиг. 4 показан особый укрупненный вид механической обработки чувствительной части зубного компонента.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже на основе иллюстраций описывается предпочтительный вариант осуществления предлагаемого изобретения.

На Фиг. 1 показаны этапы, составляющие процесс изготовления.

Итак, после получения файла с описанием изготавливаемой детали выполняется частичное или общее наращивание (1) некоторых участков. Наращивание состоит в определении контура (6) наращивания, как показано на Фиг. 2, а затем в продлении упомянутого наращивания вдоль выбранного участка компонента; иными словами, как если бы коронка зуба размещалась вдоль зубного компонента.

Цель такого наращивания состоит в получении участков с более высокими точностью и допуском после трехмерной механической обработки. В случае зубных компонентов, например, необходимо обеспечить точное размещение элементов на имплантат или размещение цементируемых зубных компонентов.

В одном возможном варианте осуществления изобретения форматом файла может быть формат STL.

Если файл выполнен в формате STL, в котором ранее наращивался компонент, осуществляется изготовление (2) посредством спекания.

Дополнительно, но не обязательно, деталь, полученная спеканием, подвергается процессу промежуточной тепловой обработки (3) с целью смягчения металлов после процесса изготовления. Процесс промежуточной тепловой обработки состоит в подвергании детали температуре 1000°С, получаемой быстрым повышением температуры, и последующем охлаждении при комнатной температуре.

Затем либо после спекания (2), либо после процесса промежуточной тепловой обработки (3) деталь подвергается последующей обработке, состоящей в трехмерной механической обработке (4) с помощью станка, по меньшей мере, с 5 осями, включая станки, известные на рынке как имеющие четыре плюс одну ось.

Фрезерование (4) выполняется только на заданных участках, которые, как правило, совпадают с наращиваемыми участками, либо на участках, имеющих необходимые формы для последующего наращивания.

Наконец, детали отрезаются или отделяются друг от друга для последующей подачи.

На Фиг. 3 показан набор деталей, которые в данном случае являются зубными компонентами, но могут представлять собой и детали любого иного вида. В этом случае чувствительные детали наращивались для получения точного механически обработанного места расположения (7) для элементов на имплантаты или места расположения цементируемых деталей.

На Фиг. 4 показан укрупненный вид процесса механической обработки для точного механически обработанного места расположения с использованием фрезерования после спекания.

Описанный выше способ обеспечивает получаемые спеканием детали с высокой степенью точности, допуска, качества и чистоты и имеет значительно более низкую стоимость, чем, если бы деталь была получена с помощью фрезерования.

Описанный выше процесс изготовления может быть применен ко всем видам деталей, таких как зубные компоненты (коронки, мосты, части скелета), протезы всех видов, механические прецизионные детали, в медицинской и стоматологического сфере, сфере точного машиностроения, автомобильной, авиационной и военно-морской сферах и т.д.

Используемым для спекания оборудованием может быть 2-, 3-, 4- или 5-координатная лазерная установка, двухрядные лазерные установки, углекислотные или тепловые установки.

Детали, получаемые с использованием описанного выше способа, отличаются тем, что они изготавливаются с помощью процесса спекания, и тем, что в них определенные участки или вся наружная поверхность обрабатываются с помощью процесса фрезерования, что в результате дает более высокое качество, структуру и чистоту на чувствительных участках детали и обеспечивает более высокую точность и допуск 9-го класса. Поэтому на этих деталях имеются участки, качество поверхности которых легко различается: некоторые участки с определенной шероховатостью получаются непосредственно спеканием, а другие участки полируются и выравниваются в результате применения последующей трехмерной механической обработки.

Сущность данного изобретения не изменяется при изменениях материалов, форм, размеров или расположения составляющих элементов и не ограничивается описанием, которого достаточно для воспроизведения специалистом.

1. Способ изготовления высокоточных спеченных деталей медицинского протеза, состоящий из следующих этапов:

- получение файла, содержащего геометрическое описание заданной формы изготавливаемой спеченной детали;

- выполнение по полученному файлу наращивания порошковым материалом определенных участков детали из сплава хрома и кобальта;

- спекание нарощенной детали для получения спеченной детали;

- промежуточная тепловая обработка спеченной детали, включающая нагревание спеченной детали до температуры 1000°С и последующее охлаждение нагретой спеченной детали при комнатной температуре; и

фрезерование выбранных участков спеченной детали после промежуточной тепловой обработки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс наращивания включает задание контура для наращивания с обеспечением продления упомянутого наращивания вдоль выбранного участка детали.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что файл является стереолитографическим (STL) файлом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фрезерование осуществляют автоматически или полуавтоматически.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что деталь представляет собой нарощенный зубной компонент, который восстановлен в соответствии с исходной геометрией и маркировкой на чувствительных участках, которые соответствуют упомянутым определенным участкам, и фрезерование осуществляется на нарощенном зубном компоненте либо автоматически, либо полуавтоматически станком, имеющим, по меньшей мере, четыре оси и дополнительную ось.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фрезерование ведут посредством станка, имеющего по меньшей мере пять осей.

7. Высокоточная спеченная деталь медицинского протеза, изготовленная способом по любому из пп. 1-6, имеющая две различные по качеству поверхности, при этом один участок поверхности имеет шероховатость, полученную путем спекания и являющуюся результатом размера частиц порошкового материала, а другой участок имеет гладкую или полированную поверхность, полученную путем трехмерной механической обработки в виде фрезерования.