JPH10202340A - 模様付き金属鋳物および模様付き整形外科インプラントを製造する方法 - Google Patents

模様付き金属鋳物および模様付き整形外科インプラントを製造する方法

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JPH10202340A
JPH10202340A JP9281152A JP28115297A JPH10202340A JP H10202340 A JPH10202340 A JP H10202340A JP 9281152 A JP9281152 A JP 9281152A JP 28115297 A JP28115297 A JP 28115297A JP H10202340 A JPH10202340 A JP H10202340A
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Douglas A Fifolt
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製品の鋳造時に形成される少なくとも部分的
に模様付き表面を有する整形外科インプラントあるいは
その部分のようなインベストメントキャスト製品の製造
方法を提供する。 【解決手段】 １つの具体的な方法では、模様付き金属
鋳物は、熱破壊できるパターンを作り、そのパターンを
模様付け材料でスプレーして模様付け材料によりパター
ンの少なくとも一部分に模様付き表面を形成することに
よって製造される。別の実施態様では、模様付きテンプ
レートが熱軟化パターンに押し付けられて模様付きパタ
ーンを形成する。これらの方法の各々では、シェルが模
様付きパターン周囲に作られて金型を形成し、そのパタ
ーンはシェルから外される。溶融金属は金型に注入され
硬化して、その後、金型が取り外される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、インベストメント
鋳造に関し、特に、整形外科インプラントなどの模様付
き表面を備えたインベストメントキャスト製品の製造方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】インベストメント（あるいは「ロストワ
ックス」）鋳造のような様々な金属鋳造法が金属物体の
製造によく知られている。このような金属鋳造法は、幾
つかのステップを必要とし、そのステップの最初は複製
すべきパターンあるいは形を作るか用意することであ
る。ワックス（ロウ）から多くが作られるそのパターン
は、次にキャスト金属製品を形成するのに使用する金型
を作るために使用される。
【０００３】幾つかのロウパターンは通常ロウ「ツリ
ー」に接合され幾つかの部品を同時に製造することがで
きる。そのツリーは側壁を有する固体ロウチューブであ
り、その固体ロウチューブに各ロウパターンのステムを
つないでクラスターを形成する。ロウツリーは、溶融金
属が金型から各クラスターと部品パターンに移動する通
路に通じるゲートに何がなるか定める。一旦、ロウパタ
ーンの全てがロウツリーに接続されたら、セラミックス
ラリーにロウパターンツリーアセンブリを浸けることに
よって、クラスターに１枚以上の耐火物コートを被せ
る。スラリーが乾燥した後、スラリー皮膜ロウを加熱す
ることによってシェルあるいは金型の製造を完了してそ
のセラミックを硬化し、そして固体ロウパターンとロウ
ツリーを溶かし出す。次に溶融金属がロウパターンとロ
ウツリーで先に一杯になったキャビティの各々を満たす
ようにシェル内に注入される。その金属が冷えて硬くな
った後、シェルが破砕され取り除かれ、そしてキャスト
金属部品は、要求されるまま金属ツリーから切断され
る。次に、このキャスト部品を、必要に応じてポスト機
械加工、ゲートの削ぎ落とし、ビーズ噴射（吹き付け）
および研磨（ポリッシング）にかける。
【０００４】関節プロテーゼコンポーネンントのような
医療インプラントについては、キャストメタルインプラ
ントの表面に模様を付けたり粗くすることによって骨の
接合剤（セメント）の有無に関係なくインプラントと骨
の間の界面と固定を改良することができることがわかっ
ている。インプラントの表面を粗くすることは、インプ
ラトをインベストメントキャスト（鋳造）あるいは鍛造
したにせよ関節プロテーゼコンポーネントの製造プロセ
スで最終ステップの一つである。表面を粗くすることで
知られた方法としてはグリットブラスティング（吹き付
け）、研削、直接機械加工、レーザーエッチングおよび
インプラントの表面にビーズを焼成する方法が挙げられ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、表面に
模様を付ける知られた技術は、構造的制約と欠点と同様
に、製造速度、効率およびコストに対して重要な欠点が
ある。例えば、インプラントの表面を不適切に粗くした
場合、精密に仕上げたそのインプラントを廃棄しなけれ
ばならない。インプラントの製造に使用した合金とその
インプラントのサイズによっては許容できない模様がで
きて著しく製造コストを増大させることがある。表面に
模様を付けるには熟練工が必要である。従って、簡単で
一様な模様以外の場合には、特定の形の正確な複製は限
定された生産量でも達成することは困難である。さら
に、表面に模様を付ける知られた技術は、骨の内部への
成長やより確実な固定を起こすアンダーカットのような
複雑な形状とパターンを作ることが不可能である。前に
キャストしたインプラントに模様を付けることで知られ
た技術の他の不具合としては、プラズマスプレープロセ
スを用いた場合のような模様付け材料の使用によりスプ
レー材料とインプラントとの間が不完全に接合すること
になり研磨剤を剥離したり基板皮膜界面が弱くなったり
することがあるということである。同様に表面のビーズ
を焼成するこによりかなりの機械的特性の低下を招く。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は知られた表面模
様付け技術の不具合を、模様付き表面を有する熱破壊で
きるパターンを提供することによって解消する。模様付
きパターンはインベストメント鋳造金型を作るため使用
され、また鋳物製品を作るために使用される。この技術
により非常に特定のおよび／又は複雑なパターンがキャ
ストしたままのインプラントと一体で形成される。
【０００７】本発明の方法の実施形態では、模様つきパ
ターンを形成するために、模様付きテンプレートが熱軟
化パターンに対して押し付けられる。模様付きテンプレ
ートは、三次元模様付きテンプレートを定義するデータ
ファイルを作り、そのデータファイルを迅速原型作成機
に作り、三次元模様付きテンプレートの模型見本をその
迅速原型作成機で形成することによって形成することが
できる。第１の模様付きテンプレートと異なる模様を有
する第２の模様付きテンプレートを提供することができ
る。
【０００８】この実施形態に従うものとして、本発明は
以下の通りである。模様付き金属鋳物を製造する方法で
あって、熱軟化パターンを作る工程と、模様付きテンプ
レートを作る工程と、前記模様付きテンプレートを前記
パターンの少なくとも一部分に押し付けて模様付きパタ
ーンを作る工程と、前記模様付きパターン周囲にシェル
を作る工程と、前記シェルから前記模様付きパターンを
取り除く工程と、溶融金属を前記シェル内に注入する工
程と、前記溶融金属を硬化させる工程と、前記硬化した
金属から前記シェルを取り除く工程を含む模様付き金属
鋳物を製造する方法である。
【０００９】また、模様付き金属鋳物を製造する方法で
あって、整形外科インプラントの少なくとも一部分の熱
軟化パターン見本を作る工程と、三次元模様付きテンプ
レートを定義するデータファイルを作る工程と、前記デ
ータファイルを、耐火物材料からなる模型を作ることが
できる迅速原型作成機に備える工程と、前記三次元模様
付きテンプレートのセラミック模型見本を前記迅速原型
作成機で形成する工程と、前記セラミック模型を前記パ
ターンの少なくとも一部分に押し付けて模様付きパター
ンを作る工程と、前記模様付きパターン周囲にシェルを
作る工程と、前記シェルから前記模様付きパターンを取
り除く工程と、溶融金属を前記シェル内に注入する工程
と、前記溶融金属を硬化させる工程と、前記硬化した金
属から前記シェルを取り除く工程を含む模様付き金属鋳
物を製造する方法である。
【００１０】また、模様付き金属鋳物を製造する方法で
あって、整形外科インプラントの少なくとも一部分の見
本である熱軟化パターンを作る工程と、三次元模様付き
テンプレートを定義するデータファイルを作り、前記模
様付きテンプレートが骨の内部成長を促進させる形態の
模様パターンを有する工程と、前記データファイルを、
熱破壊できる模型を作ることができる迅速原型作成機に
備える工程と、前記三次元模様付きテンプレートの熱破
壊できる模型見本を前記迅速原型作成機で形成する工程
と、前記熱破壊できる模型周囲に耐熱シェルを作る工程
と、前記耐熱シェルに熱をかけて前記耐熱シェルから前
記熱破壊できる模型を取り除く工程と、溶融金属を前記
シェル内に注入する工程と、前記溶融金属を硬化させる
工程と、前記硬化した金属から前記シェルを取り除く工
程、によって模様付きテンプレートを作る工程と、前記
模様付きテンプレートを前記パターンの少なくとも一部
分に押し付けて模様付きパターンを作る工程と、前記模
様付きパターン周囲にシェルを作る工程と、前記シェル
から前記模様付きパターンを取り除く工程と、溶融金属
を前記シェル内に注入する工程と、前記溶融金属を硬化
させる工程と、前記硬化した金属から前記シェルを取り
除く工程を含む模様付き金属鋳物を製造する方法であ
る。
【００１１】本発明をさらに完全に理解し、本発明に伴
う利点と特徴は、添付図面に基づいて考慮した以下の詳
細な説明によってさらに容易に理解されよう。
【００１２】
【発明の実施の形態】模様を付けたインベストメント鋳
物（キャスティング）を製造する方法の実施形態は熱破
壊できる注文パターンを作るか、供給素材から実在する
パターンを選択するステップから開始する。様々なパタ
ーンは通常インベストメント注型ロウから作られるが、
多くのプラスチックもロウ／プラスチックのハイブリッ
ドパターンのようにその条件に合っている。本明細書で
使用するように、「パターン」は機械か手で作られる全
ての物品の現寸具象物か模型である。具体的なパターン
として整形外科インプラントのコンポーネントとそれら
の部分が含まれる。
【００１３】パターンを選択した後、熱破壊できる模様
付け材料をそのパターンに対するスプレー用に選択す
る。具体的な模様付け材料には、ロウ液滴あるいは溶融
した軟質か硬質のロウビーズおよびプラスチック粒子か
ビーズが挙げられる。しかしながら、パターンに適用で
き、続いて金型からきれいに燃えつきる材料であれば何
でも使用することができる。本明細書で使用した「粒
子」あるいは「液滴」は所定の模様付け材料で得られる
どんなサイズ、形状、形態も含むように意図したもので
あり、選択された粒子あるいは液滴の特定のサイズと形
状あるいは形態を選択して所定の模様付けを行なう。
【００１４】模様付け材料を選択した後、スプレーを模
様付け材料で作り、そのスプレーをパターンに吹き付け
るか、スプレーの通路にパターンを置く。本明細書で使
用するように、「スプレー」は濃縮された細流から拡散
ミスト（霧）までの全てを含むものとし、模様付け材料
あるいはその一部分を流れの中に置くこと意味するよう
に「スプレー」を広く解釈する必要がある。スプレーの
特定の分散、濃度、温度および圧力を模様付け材料とパ
ターンの所定の模様付けで判定する。図１に示したよう
に、加圧下のロウあるいはプラスチックビーズのような
溶けたロウあるいは固体粒子１０をノズル１２から排出
してスプレーを作ることができた。パターン１４をスプ
レーの通路内に示す。
【００１５】図２は溶融ロウの液滴でスプレー吹き付け
したパターン１４を示し、その溶融ロウの温度とスプレ
ー速度は、少なくとも数滴の溶融ロウの液滴がパターン
１４の表面１６の少なくとも一部分に付着して表面模様
付け、ざらつき、あるいはバスレリーフ（bas relief）
を形成するようにした。図２では数滴のの液滴を付着し
て正の表面レリーフの形態として定義されるバンプをパ
ターン表面１６の一部分に形成してある。
【００１６】図３は溶融ロウの液滴でスプレー吹き付け
したパターン１４を示し、その溶融ロウの温度とスプレ
ー速度は、少なくとも数滴の溶融ロウの液滴がパターン
１４の表面１６の少なくとも一部分を溶かし表面模様付
け、ざらつき、あるいはバスレリーフを形成するように
した。図３では負の表面レリーフの形態として定義され
るくぼみ、ボイド、あるいは押し込み２０をパターン表
面１６の一部分に形成してある。
【００１７】溶融ロウのスプレー温度を制御して同じ表
面積での正負の表面形態を形成することができる。ま
た、模様付け材料のスプレーをパターン表面１６あるい
はその一部分に向けてスプレーを均一あるいは不均一に
吹き付け、それぞれ実質的に一様なあるいは不規則なパ
ターンを作ることができる。さらに、バンプ１８と押し
込み（へこみ）２０は図では丸くなっているが、それら
の形は円形から直線までの範囲をとることができ、押し
込み２０は境界が傾斜か回旋している。
【００１８】図４は固体粒子２４でスプレーしたパター
ン２２を示し、粒子温度、スプレー速度、および粒子形
態は、少なくとも数個の粒子がパターン２２の表面２６
の少なくとも一部分に付着して表面模様付け、ざらつ
き、あるいはバスレリーフを形成するようにした。粒子
２４は、正の表面レリーフの形態として定義されるバン
プ２８をパターン表面２６の一部分に形成する。粒子は
パターン表面２６で軽く当たるものから強く当たるもの
まである。バンプはまた粒子の当たり方に応じて、パタ
ーン材料の置換によっても作られる。
【００１９】図４はまた、負の表面レリーフ形態として
定義できるへこみ、ボイドあるいは押し込み３０の形態
の他の表面模様付け、ざらつき、あるいはバスレリーフ
を示す。これらのへこみは粒子２４が表面２６に当た
り、はずんでその表面に付着しないためにできる。溶融
ロウスプレー技術に関する場合のように、粒状スプレー
の温度を制御して同じ表面積の正負の表面形態を作るこ
とができる。同様に、模様付け材料の粒状スプレーをパ
ターン２２かその一部分に向けたりしてスプレーを均一
あるいは不均一に吹き付け、それぞれ実質的に一様なあ
るいは不規則なパターンを作ることができる。さらに、
バンプ２８と押し込み（へこみ）３０は図では丸くなっ
ているが、それらの形は円形から直線までをとり、また
境界が傾斜か回旋している。粒子がある角度で表面に当
たると、アンダーカット表面３２ができる。
【００２０】模様付きパターンを作るさらに他の技術に
は、図５に示すように熱軟化性パターン３６の少なくと
も一部分に模様付きテンプレート（型板）３４を押し付
けて模様付きパターンを得る方法がある。模様付きテン
プレート３４かパターン３６のどちらか、あるいはその
双方を加熱してパターン形成を容易にすることができ
る。また、別にテンプレートは、そのパターンを変形さ
せるだけの十分な力でパターンにテンプレートを押し付
けることにより模様付けを行なうことができる。この技
術は正確なおよび／又は複雑なパターン形状を必要とす
る様々な応用によく合っており、骨の内部への成長を促
進させる模様付けを行なうのにこの技術は特に適切であ
る。
【００２１】具体的な実施態様ではテンプレート３４は
金属物品を作る知られた技術を使用して製造された金属
物品である。また、テンプレート３４は、ロウパターン
より高い融点／歪み点を有するプラスチックから作られ
る。迅速原型作成機で作った金属物品は、それ自信を模
様付きテンプレートとして使用することができ、あるい
はインベストメント鋳造金型を作る模型として使用する
ことができる。
【００２２】例えば、模様付きテンプレートは、三次元
模様付きテンプレートを定義するデータファイルを作る
ことによって用意することができる。この場合、その模
様付きテンプレートは骨の内部への成長を促進する形態
の模様パターンを含む。そのデータファイルは熱破壊で
きる模型を作ることができる迅速原型作成機に備えられ
る。次に、三次元模様付きのテンプレートで熱破壊でき
る模型の見本を迅速原型作成機で作る。耐熱シェルを熱
破壊できる模型の周囲に形成する。溶融金属をシェル内
に注入し、次に、溶融金属を硬化し、それからシェルを
取り除く。このように形成したテンプレートをパターン
の少なくとも一部分に熱圧して模様付きパターンを得
る。第１の模様付きテンプレートと異なる模様の付いた
第２の模様付きテンプレートを用意してそのパターンの
少なくとも一部分に押し付けてパターンの別の領域に別
の模様の付いたパターンを得る。
【００２３】表面に模様を付けたら方法がどうであれ作
られたパターンは金型を作るのに使用される。具体的な
方法では、スプレーか浸漬で耐火物材料の粒子をパター
ンにコートしてパターン周囲にシェルを作る。模様付き
パターンを、加熱することによってシェルから取り除
き、それによりパターンとその表面に当てられた全ての
ブラスト材を溶かし、焼き、あるいは気化してシェルの
開口から排出させる。このステップ（工程）か次のステ
ップで加熱することにより耐火物材料を硬化して金型製
造プロセスを終える。
【００２４】後続の注型（キャスティング）ステップ
は、金属鋳造の当業者によく知られているので詳細には
説明しない。これらのステップにはＣｒ−Ｃｏ−Ｍｏ合
金（ＡＳＴＭ Ｆ７５）のような溶融金属を金型の１個
以上のゲートから挿入する工程を有する。金型と金属を
冷却させ、その金型を硬化した金属から外す。次に、必
要に応じて模様付きインプラントをポスト機械加工、ゲ
ート削り落とし、ビーズブラスト（吹き付け）および研
磨にかけることができる。
【００２５】上記技術の各々によって様々な製造利点が
得られる。しかしながら、模様付けステップでは問題を
生じることもあるが、略仕上げ製品でなく安いロウだけ
が犠牲になるのでスクラップに関するコストが大きく減
少する。偶然粗くなった表面がロウを加熱することによ
って簡単にスムーズになる。
【００２６】本発明はその具体的な例を図示し説明した
が、この発明の趣旨と範囲から逸脱しないで発明の形態
と詳細をいろいろと変えたり省略したり追加することが
できる。
【００２７】本発明の具体的な実施の態様は以下の通り
である。 （１）前記パターンは前記整形外科インプラントの少な
くとも一部分の見本を含む請求項１に記載の方法。 （２）前記模様付きパターンは骨の内部成長を促進させ
る形態になっている実施態様（１）に記載の方法。 （３）前記熱軟化材料はロウを含む実施態様（１）に記
載の方法。 （４）前記熱軟化材料はプラスチックを含む実施態様
（１）に記載の方法。 （５）前記パターンを少なくとも軟化させる温度まで前
記テンプレートを加熱する工程をさらに含む請求項１に
記載の方法。
【００２８】（６）前記パターンの少なくとも表面部分
を軟化させる温度まで前記パターンを加熱する工程をさ
らに含む請求項１に記載の方法。 （７）前記テンプレートは金属を含む請求項１に記載の
方法。 （８）前記テンプレートは耐火物材料を含む請求項１に
記載の方法。 （９）前記テンプレートはプラスチック材料を含む請求
項１に記載の方法。 （１０）模様付きテンプレートを作る前記工程は、三次
元模様付きテンプレートを定義するデータファイルを作
る工程と、前記データファイルを迅速原型作成機に備え
る工程と、前記三次元模様付きテンプレートの模型見本
を前記迅速原型作成機で形成する工程を含み、前記模型
を前記パターンに押し付けて、模様付きパターンを作る
請求項１に記載の方法。
【００２９】（１１）前記迅速原型作成機は耐火物材料
からなる模型を作ることができる実施態様（９）に記載
の方法。 （１２）前記模型の周囲にシェルを作る工程と、前記シ
ェルの模型を取り除く工程と、前記シェル内に溶融金属
を注入する工程と、前記溶融金属を硬化させる工程をさ
らに含み、前記硬化した金属を前記パターンに押し付け
て模様付きパターンを作る実施態様（９）に記載の方
法。
【００３０】（１３）第２の模様付きテンプレートを作
り、前記第２テンプレートは前記第１の模様付きテンプ
レートと異なる模様を有し、前記第２の模様付きテンプ
レートを前記パターンの少なくとも一部分に押し付ける
工程をさらに含む請求項１に記載の方法。 （１４）第２の模様付きテンプレートを作り、前記第２
テンプレートは前記第１の模様付きテンプレートと異な
る模様を有し、前記第２の模様付きテンプレートを前記
パターンの少なくとも一部分に押し付ける工程をさらに
含む請求項３に記載の方法。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る模様付
き金属鋳物の製造方法によれば、良好にしかも確実に模
様の付いた整形外科インプラントあるいはその部分のよ
うなインベストメントキャスト製品を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】模様付け材料でスプレーされているパターンの
概略図である。
【図２】正のレリーフ形態を作るためにロウスプレー模
様付け部を有するパターンの一部分の断面図である。
【図３】負のレリーフ形態を作るためにロウスプレー模
様付け部を有するパターンの一部分の断面図である。
【図４】固体粒子模様付け部を有する有するパターンの
一部分の断面図である。
【図５】テンプレートで模様付けされているパターンの
概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダグラス・エイ・フィフォルト アメリカ合衆国、02375 マサチューセッ ツ州、サウス・イーストン、インディア ン・コウブ・ウェイ 40

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 模様付き金属鋳物を製造する方法であっ
    て、 熱軟化パターンを作る工程と、 模様付きテンプレートを作る工程と、 前記模様付きテンプレートを前記パターンの少なくとも
    一部分に押し付けて模様付きパターンを作る工程と、 前記模様付きパターン周囲にシェルを作る工程と、 前記シェルから前記模様付きパターンを取り除く工程
    と、 溶融金属を前記シェル内に注入する工程と、 前記溶融金属を硬化させる工程と、 前記硬化した金属から前記シェルを取り除く工程を含む
    模様付き金属鋳物を製造する方法。
  2. 【請求項２】 模様付き金属鋳物を製造する方法であっ
    て、 整形外科インプラントの少なくとも一部分の熱軟化パタ
    ーン見本を作る工程と、 三次元模様付きテンプレートを定義するデータファイル
    を作る工程と、 前記データファイルを、耐火物材料からなる模型を作る
    ことができる迅速原型作成機に備える工程と、 前記三次元模様付きテンプレートのセラミック模型見本
    を前記迅速原型作成機で形成する工程と、 前記セラミック模型を前記パターンの少なくとも一部分
    に押し付けて模様付きパターンを作る工程と、 前記模様付きパターン周囲にシェルを作る工程と、 前記シェルから前記模様付きパターンを取り除く工程
    と、 溶融金属を前記シェル内に注入する工程と、 前記溶融金属を硬化させる工程と、 前記硬化した金属から前記シェルを取り除く工程を含む
    模様付き金属鋳物を製造する方法。
  3. 【請求項３】 模様付き金属鋳物を製造する方法であっ
    て、 整形外科インプラントの少なくとも一部分の見本である
    熱軟化パターンを作る工程と、 三次元模様付きテンプレートを定義するデータファイル
    を作り、前記模様付きテンプレートが骨の内部成長を促
    進させる形態の模様パターンを有する工程と、 前記データファイルを、熱破壊できる模型を作ることが
    できる迅速原型作成機に備える工程と、 前記三次元模様付きテンプレートの熱破壊できる模型見
    本を前記迅速原型作成機で形成する工程と、 前記熱破壊できる模型周囲に耐熱シェルを作る工程と、 前記耐熱シェルに熱をかけて前記耐熱シェルから前記熱
    破壊できる模型を取り除く工程と、 溶融金属を前記シェル内に注入する工程と、 前記溶融金属を硬化させる工程と、 前記硬化した金属から前記シェルを取り除く工程、によ
    って模様付きテンプレートを作る工程と、 前記模様付きテンプレートを前記パターンの少なくとも
    一部分に押し付けて模様付きパターンを作る工程と、 前記模様付きパターン周囲にシェルを作る工程と、 前記シェルから前記模様付きパターンを取り除く工程
    と、 溶融金属を前記シェル内に注入する工程と、 前記溶融金属を硬化させる工程と、 前記硬化した金属から前記シェルを取り除く工程を含む
    模様付き金属鋳物を製造する方法。
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