KR20030023715A - 응집에 의한 다층체의 제조 방법 및 제조된 다층체 - Google Patents

응집에 의한 다층체의 제조 방법 및 제조된 다층체 Download PDF

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KR20030023715A
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KR10-2003-7001161A
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올슨켄트
리 지앙구
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씨케이 매니지먼트 에이비 유비
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Abstract

a) 예비-압축 몰드를 분말, 펠릿, 그레인 등의 형태의 시작 재료로 충전하는 단계,
b) 재료를 적어도 1회 예비-압축하는 단계, 및
c) 적어도 1회의 타격에 의해 압착 몰드에 재료를 압착하는 단계를 포함하며, 여기에서 타격 유닛은 압착 몰드에 삽입된 재료를 타격할 때, 물체를 형성할 만큼 충분한 운동 에너지를 방출하여 재료의 응집을 일으킨다.
d) 단계 a), 단계 b)에서 압축후 단계 또는 단계 c)에서의 시작 재료를 압착후 단계 중의 하나에서, 분말, 펠릿, 그레인 등과 같은 형태로 적어도 하나의 몰드에 삽입되는 단계,
e) 필요하다면, 적어도 하나의 다른 재료의 삽입후에 이행되는 예비 압축 및/또는 압착단계를 포함한는 것을 특징으로 하는, 응집에 의하여 다층체를 제조하는 방법.

Description

응집에 의한 다층체의 제조 방법 및 제조된 다층체{A METHOD OF PRODUCING A MULTILAYER BODY BY COALESCENCE AND THE MULTILAYER BODY PRODUCED}
WO-A1-9700751에 충격 기계 및 이 기계로 봉(rod)을 컷팅하는 방법이 설명된다. 또한, 이 문헌은 다층체를 변형하는 방법을 설명한다. 이 방법은 이 문헌에 설명된 기계를 이용하며, 솔리드 형태 또는 그레인, 펠릿 등과 같은 분말 형태의 금속 재료가 바람직하게는 몰드, 홀더 등의 단부에 고정되고, 이 재료에 충격 램과 같은 타격 유닛에 의한 단열 응집이 행해지며, 램의 동작이 액체에 의해 행해진다는 점에서 특징적이다. 이 기계는 WO 문헌에 완전하게 설명된다.
WO-A1-9700751에 성분들을 구와 같은 모양으로 만드는 것이 설명된다. 금속 분말이 2개 부분으로 나누어진 공구에 공급되며, 분말은 연결 튜브를 통해 공급된다. 금속 분말은 바람직하게 기체-분산된다. 연결 튜브를 통해 지나가는 봉에 충격 기계로부터 충격이 가해져서, 구형 몰드에 넣어진 재료에 영향을 미친다. 그러나, 어떤 구체예에서도 이 방법에 따라서 물체를 어떻게 제조하는지에 대한 파라미터를 명시하고 있지 않다.
이 문헌에 따르는 압축은 몇 단계로 수행되는데, 예를 들면 3 단계이다. 이들 단계는 매우 빠르게 수행되며, 3번의 타격이 아래 설명된 대로 수행된다.
타격 1: 분말로부터 공기 대부분을 강제로 내보내며, 분말 입자를 배향시켜 큰 불규칙성이 없도록 확실히 하는, 극도로 가벼운 타격.
타격 2: 분말 입자를 국부적 단열 응집하여, 그것들을 서로에 대해 극도로 높은 밀도로 압착시키기 위한, 매우 높은 에너지 밀도 및 높은 충격 속도를 갖는 타격. 각 입자의 국부적 온도 증가는 타격 동안의 변형도에 의존한다.
타격 3: 실질적인 압분 물체의 최종 성형을 위한, 중간 내지 높은 에너지 및 높은 접촉 에너지를 갖는 타격. 그 후, 압분체는 소결될 수 있다.
SE 9803956-3에 물체의 변형을 위한 방법 및 장치가 설명된다. 이것은 실질적으로 WO-A1-9700751에 설명된 본 발명의 발전이다. 이 스웨덴 출원에 따르는 방법에서, 타격 유닛은 타격 유닛의 적어도 1번의 반동 가격이 생성되는 그러한 속도에 의해 재료로 가져와지며, 여기에서 반동 가격은 반작용되어, 타격 유닛의 적어도 1번의 추가 타격이 생성된다.
WO 문헌의 방법에 따르는 타격은 재료에 국부적으로 매우 높은 온도 증가를 제공하며, 이것은 가열 또는 냉각 동안 재료의 상변화를 가져올 수 있다. 반동 가격의 반작용을 사용할 때, 그리고 적어도 1번의 추가 타격이 생성될 때, 이 타격은 앞뒤로 왔다 갔다 하는, 제 1 타격의 운동 에너지에 의해 생성된 흔들림에 기여하며, 이것은 장기간 동안 계속된다. 이것은 더 이상의 재료 변형을 가져오며, 반작용이 없을 때 필요한 것보다 더 적은 충격을 사용한다. 이들 언급된 문헌에 따르는 기계가 그다지 잘 작동하지 않는다는 것이 현재 알려져 있다. 예를 들어, 그것들이 언급하고 있는 타격간 시간 간격을 얻는 것은 불가능하다. 더 나아가서, 물체가 형성될 수 있다는 것을 나타내는 구체예를 이 문헌은 포함하지 않았다.
본 발명은 응집에 의한 다층체의 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 다층체에 관한 것이다.
도 1은 분말, 펠릿, 그레인 등의 형태로 재료를 변형시키는 장치의 단면도,
도 2a-2f는 다층 제품의 상이한 형태의 형성을 도시하는 도면,
도 3-4는 실시예에서 설명된 구체예에서 얻어진 결과의 다이어그램.
발명의 목적
본 발명의 목적은 저렴한 비용으로 금속으로부터 제품을 효과적으로 생산하는 방법을 달성하는 것이다. 이들 제품은 의료용 임플란트 또는 정형 외과용 접골제, 의료기 또는 진단 장치와 같은 의료 장치, 또는 공구, 절연 장치, 도가니, 스프레이 노즐, 튜브, 컷팅 에지, 조인팅 링, 볼베어링 및 엔진 부품과 같은 비의료 장치일 수 있다. 다른 목적은 설명된 종류의 다층 제품을 달성하는 것이다.
다층이라는 용어는 여기서 서로 결합되어 결합되는 상이한 부품으로 이루어지는 제품을 형성하도록 사용된다. 이들 부품은 상이한 부품의 형태가 서로 근접하여 끼워맞춰져 제공되는 임의의 다른 적당한 형태를 취하거나 또는 평평한 층의 형태일 수 있다. 하나의 부품은 다른 부품의 오목면 주위에 끼워맞춰지는 볼록면일 수 있다. 상이한 다층 제품의 예는 도 2a-2f에서 도시되었다. 상이한 부품은 동일 타입의 재료 또는 상이한 타입의 재료로 만들어 질 수 있다. 폴리메트릭 재료의 층과 세라믹 재료로 결합될 수 있다. 또한 상이한 폴리머의 부품 또는 레이어를 갖춘 다층 제품을 갖출 수 있다.
또한, 상기 문헌에 설명된 방법들보다 훨씬 적은 속도에서 신규한 방법을 수행하는 것이 가능해야 한다. 더욱이, 본 방법은 상기 설명된 기계를 사용하는데제한되어서는 안된다.
본 발명의 간단한 설명
놀랍게도 청구항 1항에 규정된 신규한 방법에 따라서 상이한 다층 제품을 압착할 수 있다는 것이 발견되었다. 압착될 재료는 예를 들어 분말, 펠릿, 그레인 등의 형태이며, 몰드에 충전되고, 예비-압축되고, 적어도 1번의 타격에 의해 압착된다. 본 방법에 사용되는 기계는 WO-A1-9700751 및 SE 9803956-3에 설명된 것일 수 있다.
본 발명에 따르는 방법은 충격 기계에서의 수압학을 이용하는데, 이것은 WO-A1-9700751 및 SE 9803956-3에서 이용된 기계이다. 이 기계에 있는 순수한 수압 수단을 사용할 때, 타격 유닛은, 압착될 재료와의 충돌시, 타격 유닛이 응집이 달성되기에 충분한 속도로 충분한 에너지를 방출하는 그러한 움직임으로 제공될 수 있다. 이 응집은 단열일 수 있다. 타격은 빠르게 행해지며, 어떤 재료에 대해서는 재료의 파동이 5 내지 15밀리세컨드로 저하된다. 또한, 수압 사용은 압축 공기의 사용에 비해, 더 나은 시퀀스 제어 및 더 적은 가동 비용을 제공한다. 스프링-작동 충격 기계는 사용하기 더 복잡하며, 그것을 다른 기계와 통합할 때 긴 세팅 시간 및 불량한 유연성이 생길 것이다. 따라서, 본 발명에 따르는 방법은 비용이 적게 들고 실행하기 더 쉬울 것이다. 최적의 기계는 예비-압축 및 후-압축을 위한 커다란 프레스, 그리고 고속의 작은 타격 유닛을 가진다. 그러므로, 그러한 구성에 따르는 기계는 아마도 사용하기에 더욱 흥미로울 것이다. 또한, 상이한 기계들, 즉 예비-압축 및 후-압축을 위한 것, 그리고 압착을 위한 것이 사용될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명
본 발명은 응집에 의해 다층체를 제조하는 방법에 관한 것이며, 여기에서 방법은
a) 예비-압축 몰드를 분말, 펠릿, 그레인 등의 형태의 시작 재료로 충전하는 단계,
b) 재료를 적어도 1회 예비-압축하는 단계, 및
c) 적어도 1회의 타격에 의해 압착 몰드에 재료를 압착하는 단계를 포함하며, 여기에서 타격 유닛은 압착 몰드에 삽입된 재료를 타격할 때, 물체를 형성할 만큼 충분한 운동 에너지를 방출하여 재료의 응집을 일으킨다.
d) 단계 a), 단계 b)에서 압축후 단계 또는 단계 c)에서의 시작 재료를 압착후 단계 중의 하나에서, 분말, 펠릿, 그레인 등과 같은 형태로 적어도 하나의 몰드에 삽입되는 단계,
e) 필요하다면, 적어도 하나의 다른 재료의 삽입후에 이행되는 예비 압축 및/또는 압착단계를 포함한다.
예비-압축 몰드는 압착 몰드와 동일할 수 있으며, 이것은 재료가 단계 b)와 c) 사이에 이동될 필요가 없다는 것을 의미한다. 또한, 상이한 몰드를 사용하여, 단계 b)와 c) 사이에 예비-압축 몰드에서 압착 몰드로 재료를 이동시키는 것이 가능하다. 이것은 물체가 예비-압축 단계에 있는 재료로 형성되는 경우에만 행해질 수 있다.
일 실시예에 따라 제 1 재료는 제 2 재료의 삽입전에 예비 압축만 된다. 그 후, 제 2 예비 압축이 이행되고 다층 재료는 완제품을 형성하고 응축하기 위하여 적어도 한번 충격을 가하여 타격된다. 또한 예비 압착 또는 제 1 또는 시작 재료전에 또다른 재료 또는 분말 형태의 재료를 삽입할 수 있다. 모든 재료는 이러한 경우에서 함께 타격을 받아 압축될 것이다.
다른 실시예에 따라서 제 1 및 제 2 재료는 서로 또는 상기 층과 같은 것을 제외하고는 분말 형태에 삽입되어, 예비 압축 및 타격이 실시된다.
제 3 실시예에 따라서 제 1 재료는 예비 압축되고 응축 요소를 만들도록 타격되어, 이러한 요소는 제 2 재료의 분말의 상부위 제 2 몰드에 놓여지거나 또는 제 2 재료에 의하여 둘러쌓인다. 제 2 요소와 함게 제 1 요소는응축 충격으로 예비 압축되고 타격이 가해진다.
설명한 바와 같이 아래서 설명한 임의의 단계는 하나의 층 또는 다층 제품의 요소에서 또는 수개의 층 또는 요소와 함께 실행된 프로세스를 참조할 수 있다.
도 1의 장치는 타격 유닛(2)을 포함한다. 도 1의 재료는 분말, 펠릿, 그레인 등의 형태이다. 장치는 타격 유닛(3)과 함께 정렬되며, 이것은 강한 충격을 사용하여 물체(1)의 비교적 큰 변형을 즉시 달성할 수 있다. 또한, 본 발명은 물체의 압착으로 언급되며, 이것은 하기에 설명될 것이다. 그러한 경우에, 솔리드 균질 다층체와 같은 솔리드체(1)가 몰드에 두어질 것이다.
타격 유닛(2)은 그것에 작용하는 중력의 영향하에서, 그것이 재료(1)에 대해 가속되도록 정렬된다. 타격 유닛(2)의 질량 m은 바람직하게 재료(1)의 질량보다필수적으로 더 크다. 그것에 의해, 타격 유닛(2)의 높은 충격 속도의 필요성이 다소 줄어들 수 있다. 타격 유닛(2)은 재료(1)를 치도록 허용되고, 타격 유닛(2)은 압착 몰드에 있는 재료를 타격할 때, 압착하여 물체를 형성할 만큼 충분한 운동 에너지를 방출한다. 이것은 국부적인 응집을 일으키며, 이로써 재료(1)의 결과적인 변형이 달성된다. 재료(1)의 변형은 소성이며, 결과적으로는 영구적이다. 파동 또는 진동이 타격 유닛(2)의 충격 방향으로 재료(1)에서 발생된다. 이들 파동 또는 진동은 높은 운동 에너지를 가지며, 재료의 슬립면(slip plane)을 활성화시키고, 또한 분말의 그레인들의 상대적인 변위를 일으킬 것이다. 응집은 단열 응집일 가능성이 있다. 온도의 국부적 증가는, 밀도가 증가하는 재료에서 스팟 용접(입자간 용융)을 발생시킨다.
예비-압축은 매우 중요한 단계이다. 이것은 공기를 밖으로 몰아내고 재료에 있는 입자들을 배향시키기 위해 행해진다. 예비-압축 단계는 압착 단계보다 훨씬 더 느리며, 따라서 공기를 밖으로 몰아내는 것이 더 쉽다. 매우 빠르게 행해지는 압착 단계는 공기를 밖으로 몰아낼 수 있는 동일한 가능성을 가지지 않을 수 있다. 그러한 경우에는, 공기가 생산된 물체에 들어 있을 수 있으며, 이것은 유리하지 못하다. 예비-압축은 최대 등급의 패킹 또는 입자간 최대 접촉 표면을 가져오는 입자들을 얻기에 충분한 최소 압력에서 수행된다. 이것은 재료 의존성이며, 재료의 연성 및 녹는점에 의존한다.
실시예에서 예비-압축 단계는 약 117680N의 축방향 하중으로 압축함으로써 수행되었다. 이것은 예비-압축 몰드 또는 최종 몰드에서 행해진다. 본 명세서의실시예에 따르면 이것은 원통형 몰드에서 행해졌는데, 이 몰드는 공구의 일부이며, 300mm 직경의 원형 단면을 가지고, 단면적은 약 7cm2이다. 이것은 약 1.7x108N/m2의 압력이 사용되었음을 의미한다. 수산기 인회석에 대해서, 이 재료는 적어도 약 0.25x 108N/m2의 압력으로, 더 바람직하게는 적어도 약 0.6x108N/m2의 압력으로 예비-압축된다. 바람직하거나 또는 필요에 의해 사용될 예비 압축은 재료 의존성이며, 더 무른 금속에 대해서는 약 2000N/m2의 압력에서 압축하는 것이 충분할 수 있다. 다른 가능한 값은 1.0x108N/m2, 1.5x108N/m2이다. 본 출원에서 행해진 연구는 실온의 공기 중에서 행해진다. 따라서, 연구에서 얻어진 모든 값은 실온의 공기 중에서 달성된다. 진공 또는 가열된 재료가 사용된다면 더 적은 압력을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 원통의 높이는 60mm이다. 청구항에서 타격 면적이 언급되는데, 이 면적은 몰드에 있는 재료에 작용하는 타격 유닛의 원형 단면적이다. 이 경우의 타격 면적은 단면의 면적이다.
청구항에서는 또한, 실시예에서 사용된 원통형 몰드가 언급된다. 이 몰드에서는 타격 면적의 면적과 원통형 몰드의 단면적이 동일하다. 그러나, 구형 몰드와 같은 다른 구성의 몰드가 사용될 수 있다. 그러한 몰드에서 타격 면적은 구형 몰드의 단면보다 적을 것이다.
더 나아가서 본 발명은 응집에 의해 다층체 제조하는 방법을 포함하는데, 여기에서 이 방법은 적어도 1번의 타격에 의해 압착 몰드에서 솔리드 다층체의 형태또는 분말의 형태로 적어도 하나의 다른 재료와 함께 제 1 또는 시작 재료의 솔리드 몸체(즉, 특정 경우에 타겟 밀도를 이루는 몸체)를 압착하는 단계를 포함하며, 여기에서 타격 유닛은 다층체내에서 재료의 응집을 일으킬만큼 충분한 에너지를 방출한다. 슬립면이 재료에서의 큰 국부적 온도 증가 동안 활성화되며, 이로써 변형이 달성된다. 또한, 본 방법은 다층체를 변형시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 다음 방식으로 설명될 수 있다.
1) 분말을 프레스하여 미가공체를 만들고, 미가공체를 충격에 의해 (반) 솔리드체로 압착한 후, 에너지 보유가 후-압착에 의해 다층체에서 달성될 수 있다. Dynamic Forging Impact Energy Retention(DFIER)로서 설명될 수 있는 과정은 3개의 주 단계를 포함한다.
a) 가압
가압 단계는 냉각식 및 가열식 프레싱 가압과 매우 유사하다. 목적은 분말로부터 미가공체를 얻는 것이다. 이것은 분말의 2회 압축을 수행하는데 가장 유리하다고 드러났다. 1회 압축은 분말의 2회 연속 압축보다 약 2 내지 3% 더 낮은 밀도를 제공한다. 이 단계는 공기의 배출에 의한 분말의 제조이며, 유리한 방식으로 분말 입자를 배향시킨다. 미가공체의 밀도 값은 보통의 냉각식 및 가열식 가압에 대한 것과 어느 정도 동일하다.
b) 충격
충격 단계는 실제로 고속 단계이며, 여기에서 타격 유닛은 한정된 면적으로 분말을 타격한다. 분말에서 물질파가 시작되고, 입자간 용융이 분말 입자들 사이에서 발생한다. 타격 유닛의 속도는 초기의 매우 짧은 시간 동안에만 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 분말의 질량 및 재료의 특성은 발생하는 입자간 용융의 정도를 결정한다.
c) 에너지 보유
d)
에너지 보유 단계는 생산된 솔리드체 내부에 전달된 에너지를 계속 유지하는 것이 목적이다. 그것은 분말의 예비-압축과 적어도 동일한 압력을 갖는 물리적 압축이다. 결과적으로 제조된 다층체 밀도가 약 1 내지 2% 까지 증가한다. 그것은 충격 후, 타격 유닛을 솔리드체 상의 적소에 머물게 하고, 예비-압축에서와 적어도 동일한 압력으로 프레스함에 따라, 또는 축격 단계 후 타격 유닛을 떼어 놓음에 의해 수행된다. 이 아이디어로 분말의 더 많은 변형이 제조된 다층체에서 발생할 것이다.
본 방법에 따라서, 압착 타격은 실온의 공기중에서 7cm2의 타격 면적을 갖는 원통형 공구에서 적어도 100Nm에 상응하는 총 에너지를 방출한다. 다른 총 에너지 레벨은 적어도 300, 600, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 및 3500Nm일 수 있다. 또한 적어도 10000, 20000Nm의 에너지 레벨이 사용될 수 있다. 1번의 타격에서 60000Nm로 타격하는 용량을 가진 새로운 기계가 있다. 물론, 그러한 높은 값 또한 사용될 수 있다. 몇번의 그러한 타격이 사용된다면, 에너지의 총량은 수 100000Nm에 도달할 수 있다. 에너지 레벨은 사용된 재료에 의존하고, 그러한 응용에서 생산된 물체가 사용될 것이다. 하나의 재료에 대한 상이한 에너지 레벨은 재료 물체의 상대 밀도를 상이하게 할 것이다. 에너지 레벨이 높으면 높을수록, 보다 조밀한의 재료가 얻어질 것이다. 상이한 재료는 동일한 밀도를 얻기 위하여 상이한 에너지 레벨이 필요할 것이다. 이것은 예컨대 재료의 경도 및 재료의 녹는점에 의존한다.
본 발명에 따라서, 압착 타격은 실온의 공기 중에서 7cm2의 타격 면적을 갖는 원통형 공구에서 적어도 5Nm에 상응하는 질량 당 에너지를 방출한다. 다른 질량 당 에너지는 적어도 20Nm/g, 50Nm/g, 100Nm/g, 150Nm/g, 200Nm/g, 250Nm/g, 350Nm/g 및 450Nm/g일 수 있다.
임의의 상대 밀도를 이루는데 필요한 에너지와 샘플의 질량 사이에 선형 관계가 있다. 그러나, 어떤 재료를 위하여 상대 밀도는 총 충격 에너지의 함수일 수 있다.
이러한 값은 어떠한 재료가 사용되느냐에 따라 변할 것이다. 당업자는 어떠한 값에서 질량 의존성이 유효할 것인지와 질량 무관성이 언제 유효하게 될 것인지를 테스트할 수 있을 것이다.
에너지 레벨은 몰드의 형태 및 구성에 적응되도록 수정될 필요가 있다. 예컨대, 몰드가 구형이면, 또 다른 에너지 레벨이 필요할 것이다. 당업자는 상기 소정의 값의 도움 및 지도에 따라, 특별한 형태에 대하여 어느 정도의 에너지 레벨이 요구되는지를 테스트할 수 있을 것이다. 에너지 레벨은 그 물체가 무슨 용도로 사용될 것이냐, 즉 요구되는 상대 밀도, 몰드의 기하구조 및 재료의 특성에 의존한다. 타격 유닛은 압축 몰드에 삽입된 재료를 타격할 때 물체를 형성할 만큼의 충분한 운동 에너지를 방출해야만 한다. 타격 속도가 높아짐에 따라, 진동의 증가, 입자간 마찰의 증가, 국부적 열의 증가, 및 재료의 입자간 용융의 증가가 얻어질 수 있을 것이다. 타격 면적이 크면 클수록, 보다 심한 진동이 얻어진다. 재료보다는 공구로 보다 많은 에너지가 전달된다는 한계가 있다. 따라서, 또한 재료의 높이에 대한 최적 조건이 있다.
다층 재료를 위한 분말이 몰드에 삽입되고, 이 재료가 타격 유닛에 의해 타격될 때, 분말 재료에서 응집이 달성되고, 재료는 부유할 것이다. 재료에서의 응집은 타격 유닛이 몰드 있는 물체 또는 재료로부터 되튀어오르는 순간에 앞뒤로 발생되는 파동으로부터 기인한다는 설명이 가능하다. 이러한 파동은 물체에 운동 에너지를 발생한다. 전달된 에너지 때문에, 국부적인 온도 상승이 일어나서 입자를 부드럽게 변형시키고, 입자의 표면이 녹을 것이다. 입자간 용융은 입자가 함께 재고화되도록 하며, 조밀한 재료가 얻어질 수 있다. 이것은 물체 표면의 평탄함에도 영향을 미친다. 더 많은 재료가 응집 기술에 의해 압착될 수록, 더 평탄한 표면이 얻어진다. 표면과 재료의 공극율은 상기 방법에 영향을 받는다. 다공성 표면이나 물체가 바람직하다면, 재료는 더 적은 다공성 표면이나 물체가 바람직한 경우 만큼 많이 압착되어서는 안된다.
개개의 타격은 재료의 배향, 공기배출, 예비-몰딩, 응집, 공구 충전 및 최종 검정에 영향을 미친다. 앞뒤로 왔다 갔다 하는 파동은, 본질적으로 타격 유닛의타격 방향으로, 즉 타격 유닛에 의해 타격되는 물체의 표면에서 몰드의 바닥에 대해 놓여진 표면까지 이동한 후, 다음에 뒤로 이동한다.
에너지 변환 및 파동 발생에 대해 상술된 바는 또한 솔리드체로서 언급된다. 본 발명에서 솔리드체는 특수한 응용에 대한 목표 밀도가 달성된 솔리드체를 말한다.
타격 유닛은 필요한 에너지 레벨의 충격을 제공하기 위해 타격 동안 바람직하게 적어도 0.1m/s 또는 적어도 1.5m/s의 속도를 가진다. 종래 기술에서의 기술에 따르는 것보다 더 낮은 속도가 사용될 수 있다. 속도는 타격 유닛의 중량과 요구되는 에너지에 의존한다. 압착 단계에서의 전체 에너지 레벨은 적어도 약 100 내지 4000Nm이다. 그러나, 더 높은 에너지 레벨이 사용될 수도 있다. 전체 에너지는 합해진 모든 타격에 대한 에너지 레벨을 의미한다. 타격 유닛은 적어도 1번의 타격 또는 여러 번의 연속된 타격을 만든다. 실시예에 따른 타격간 간격은 0.4 및 0.8초이다. 예를 들어, 적어도 2번의 타격이 사용될 수 있다. 실시예에 따르면, 한1의 타격은 상당한 결과를 보였다. 이러한 실시예는 실온의 공기 중에서 행해졌다. 예를 들어, 진공 및 가열 또는 다른 향상된 처리가 사용된다면, 아마도 더 낮은 에너지가 양호한 상대 밀도를 얻기 위해 사용되어 질 수 있다.
다층은 60%의, 더 바람직하게는 65%의 상대 밀도로 압착될 수 있다. 더욱 바람직한 상대 밀도는 70% 및 75%이다. 다른 바람직한 밀도는 80% 내지 85%이다. 적어도 90%에서 100%에 이르는 밀도가 특히 바람직하다. 그러나, 다른 상대 밀도도 역시 가능하다. 미가공체가 생산되어야 한다면, 약 40 내지 60%의 상대 밀도를가지는 것으로 충분하다. 하중 베어링 임플란트는 90% 내지 100%의 상대 밀도가 바람직하고, 어떤 생체재료에서 약간의 공극율을 가지는 것이 좋다. 최대 5%의 공극율이 획득되고, 이것이 사용하기에 충분하다면, 이후의 별도의 처리 공정이 필요없다. 이것은 응용에 따라 선택할 수 있는 것이다. 95% 이하의 상대 밀도가 획득되고, 이것이 충분하지 않다면, 소결과 같은 이후의 공정을 계속할 필요가 있다. 이 경우에 있어서도 종래의 제조 방법에 비해 여러 번의 제조 단계가 생략된다.
이 방법은 적어도 2회의 재료를 예비-압축하는 재료를 또한 포함한다. 이것이 동일한 전체 에너지를 갖는 사용된 타격 및 단지 1번 예비-압축하는 것에 비하여, 높은 상대 밀도를 얻기 위해 이로울 수 있다는 것이 보여진다. 2번의 압축은 사용된 재료에 따라 1번의 압축보다 약 1-5% 더 높은 밀도를 제공할 수 있다. 이러한 증가는 여러 재료에 있어서는 더 높을 수 있다. 예비-압축이 두번 행해질 때, 압축 단계는 약 5초와 같은 짧은 간격으로 행해진다. 제 2의 예비-압축에서 약 동일한 압력이 사용될 수 있다.
더욱이, 방법은 압착 단계 후에 적어도 1번 재료를 압축하는 단계를 또한 포함하고 있다. 이것은 또한 대단히 양호한 결과를 가지게 한다. 후-압축은 예비-압축 압력 즉 0.25×108N/m2와 적어도 동일한 압력에서 달성되어야 한다. 다른 가능한 값은 1.0×108N/m2이다. 예비-압축 압력의 2배인 압력과 같은 더 높은 후-압축 압력이 또한 요구된다. 수간기인회석에 대해서는 적어도 약 0.25N/m2의 예비-압축 압력이고 이것은 수산기인회석을 위한 최저의 후-압축 압력일 수 있다. 예비-압축 값은 모든 재료에 대해 테스트되어야 한다. 후-압축은 예비-압축과 다르게 샘플에 영향을 미친다. 타격으로부터 분말 입자 간의 국부적 온도를 증가시키는 전달된 에너지는 장기간 동안 보존되고, 샘플에는 타격 후에 장기간 동안 굳히는 것이 행해질 수 있다. 이 에너지는 생산된 솔리드체 안에 유지된다. 아마도, 샘플에서 물질파에 대한 "수명"이 증가되고, 장기간 동안 샘플에 영향을 미칠 수 있으며, 더 많은 입자가 함께 용융될 수 있다. 압축 또는 후-압축 후 단계는 충격 단계 및 예비-압축, 즉 수산기인회석에 대해 적어도 약 0.25x108N/m2과 적어도 동일한 압력을 사용하는 프레스 단계 후, 솔리드체 상의 적소에 타격 유닛을 머물게 함으로써 수행된다. 더욱이, 분말의 변형은 생성된 솔리드체에서 발생할 것이다. 이 결과는 약 1-4%까지 생성된 솔리드체의 밀도를 증가시키며, 또한 이러한 증가된 가능성은 의존적 재료이다.
예비-압축을 사용할 때, 및/또는 압축 후에, 가벼운 타격 및 더 높은 예비- 및/또는 압축 후 단계를 사용할 수 있고, 이것은 낮은 에너지 레벨이 사용될 수 있으므로 공구의 절약을 가져올 것이다. 이것은 의도된 사용 및 무슨 물질이 사용되었는가에 의존한다. 또한, 이것은 더 높은 상대 밀도를 얻기 위한 방법일 수 있다.
향상된 상대 밀도를 얻기 위하여 처리 전에 재료를 예비-처리하는 것이 가능하다. 분말은 예열되는 재료 종류에 따라서 분말을 ∼200-300℃ 또는 그 이상으로 예열시킬 수 있다. 분말은 재료의 녹는점에 근접한 온도로 예열될 수 있다. 통상, 오븐에서 분말을 가열하는 것과 같은 적절한 가열 방법이 사용될 수 있다. 한 방법은 분말을 가열하기 위하여 전류를 분말을 통하여 전도하는 방법이다. 예비-압축 단계 동안에 더 밀도가 높은 재료를 얻기 위하여, 진공 또는 불활성 기체가 사용될 수 있다. 이것은 처리 동안, 공기가 동일한 정도로 재료 안에 들어가지 않도록 하는 효과를 가질 것이다.
물체는 본 발명의 다른 실시예에 따라 압착 또는 후-압축 후의 어떤 시간에 가열 및/또는 소결될 수 있다. 후-가열은 재료내의 결합(증가된 결합 응력에 의해서 얻어진)을 완화하는데 사용된다. 압분체가 다른 타입의 분말 압착에 의해서 얻어진 압분체보다 더 높은 밀도를 가진다는 사실 때문에 더 낮은 소결 온도가 사용될 수 있다. 이것은 더 높은 온도가 구성재료의 분해 또는 변형을 일으킬 수 있기 때문에 유리하다. 생산된 솔리드체는 HIP(고온 등정압 가압)과 같은 다른 방식으로 처리된 후에 있을 수 있다.
더욱이, 생산된 솔리드체는 미가공체일 수 있고, 이 방법은 미가공체를 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 미가공체는 임의의 첨가제를 사용하지 않고 응집한 통합체를 제공한다. 따라서, 생산된 미가공체는 저장 및 취급될 수 있고, 또한 작업될 수 있는데, 예를 들어 폴리되거나 또는 컷팅될 수 있다. 또한, 어떤 소결 단계를 개입시키지 않고, 마무리된 제품으로서 미가공제를 사용하는 것이 가능하다. 이것은 미가공체가, 임플란트가 뼈에 흡수되는 경우의 본임플란트 또는 대체물인 때이다.
다층 제품을 위한 재료를 프로세스하기 전에는 첨가제로 균일하게 혼합될 수있다. 또한 알갱이의 예비 건조는 원재료의 물함량을 감소시키는데 사용된다. 여러 다층이 습기를 흡수하지 않는경우, 다른 다층은 쉽게 재료의 처리를 방해할 수 있는 습기를 흡수할 수 있고, 그리고 고습도 비율은 재료에서 증기 거품을 발생시킬 수 있기 때문에 작동 재료의 균일성을 감소시킨다.
다층 재료는 스테인레스 강, 알루미늄 합금, 티타늄, UHMWPE, PMMMA, PEEK, 고무, 알루미나, 지르코니아, 실리콘 카바이드, 수산기인회석 또는 실리콘 질화물과 같은 금속, 중합 또는 세라믹 재료를 포함한다. 다층은 알루미나, 실리카, 실리콘 질화물, 지르코니아, 실리콘 카바이드와 같은 탄소, 금속, 유리를 포함하는 그룹에서 보강 섬유 또는 분말을 포함하는 복합재료를 포함한다.
압착 타격은 다층 제품 또는 층에 대하여 7cm2의 타격 면적을 갖는 원통형 공구에서 적어도 100Nm에 해당하는 총 에너지를 방출해야 한다. 철금속에 대한 동일한 값은 100Nm이고, 고용융성 및 경질 합금에 대하여는 100Nm이다. 압착 타격은 금속에 대하여 7cm2의 타격 면적을 갖는 원통형 공구에서 적어도 5Nm/g에 해당하는 질량 당 에너지를 방출해야 한다.
불규칙한 입자 구조를 갖는 입자에 대해서는 더 나은 결과를 얻을 수 있다는 것을 이미 보았다. 입자 크기 분포는 광범위하여야 할 것이다. 작은 입자는 큰 입자 사이의 빈 공간을 채울 수 있다.
제 1 또는 제 2 재료는 윤활제 및/또는 소결 조제를 포함할 수 있다. 윤활제는 재료와 혼합하는 데 유용할 수 있다. 때로, 물체를 용이하게 제거하기 위해서, 몰드 내에 윤활제가 필요하기도 하다. 어떤 경우에 있어서, 이것은 또한 몰드로부터 물체를 제거하는 것을 더 용이하게 하기 때문에, 윤활제가 재료내에서 사용된다면 이것은 선택 사항일 수 있다.
윤활제는 냉각시키고, 공간을 메우고, 재료 입자를 윤활한다. 이것은 부정적이기도 하고 긍정적이기도 하다. 내부 윤활은 입자가 적절히 더 용이하게 미끄러져서, 물체를 더 압축할 것이기 때문에 좋다. 그것은 순수 압축에도 좋다. 내부 윤활은 입자 사이의 마찰을 감소시킴으로써 더 적은 에너지를 방출하고, 그 결과는 더 적은 입자간 용융이다. 그것은 조밀한을 성취하기 위한 압착에는 좋지 않고, 윤활제는 예를 들어 소결로 제거되어야 한다. 외부 윤활은 재료에 전해진 에너지의 양을 증가시키고, 이로써 공구상의 하중을 간접적으로 줄인다. 결과는 재료내에서의 더 많은 진동, 증가된 에너지, 및 더 큰 입자간 용융이다. 재료는 몰드에 덜 들러붙고, 물체는 압출하기에 더 용이하다. 그것은 압축 및 압착 모두에 좋다. 윤활제의 예는 Acrawax C이지만, 다른 통상의 윤활제가 사용될 수도 있다. 재료가 의료용 물체에서 사용될 것이라면, 윤활제는 의학적으로 허용가능한 것이어야 하거나, 또는 프로세스 동안 어떠한 방식으로 제거되어야 한다.
공구의 폴리싱 및 클리닝은 공구가 윤활되고 분말이 예열된다면 회피될 수 있다.
소결 조제도 재료내에 포함될 수 있다. 소결 조제는 소결 단계와 같은 추후 프로세싱 단계에서 유용할 수 있다. 그러나, 어떤 경우에 있어서, 소결 조제는 소결 단계를 포함하지 않는 방법의 실시 동안에는 그다지 유용하지 않다. 소결 조제는 이트륨 산화물 또는 알루미나 또는 마그네시아, 또는 몇몇 다른 통상의 소결 조제일 수 있다. 그것도 의료용 물체에서 사용된다면, 윤활제처럼, 의학적으로 허용가능한 것이거나 제거되어야 한다.
어떤 경우에 있어서는, 윤활제 및 소결 조제 모두를 사용하는 것이 유용할 수 있다. 이것은 사용되는 프로세스, 사용되는 재료, 및 생산되는 물체의 사용 의도에 의존한다.
어떤 경우에 있어서는, 물체를 용이하게 제거하기 위해서 몰드 내에 윤활제를 사용하는 것이 필수적일 수 있다. 몰드 내에 코팅을 사용하는 것 또한 가능하다. 코팅은 예를 들어 TiNA1 또는 Balinit Hardlube로 만들어질 수 있다. 공구가 최적 코팅을 갖는다면, 재료가 공구 부분에 들러붙지 않고, 전해진 에너지의 일부를 소비하지 않을 것이어서, 분말에 전해지는 에너지를 증가시킨다. 시간이 걸리는 윤활은 형성된 물체를 제거하는 것이 어려운 경우에 필수적인 것은 아니다.
금속 재료가 응집에 의해 생산될 때, 매우 조밀한 재료, 그리고 재료에 따라서는 경질인 재료가 달성될 것이다. 재료의 표면은 매우 매끄러울 것인데, 몇몇 응용에 있어서 중요하다.
여러 번의 타격이 사용된다면, 그것들은 연속하여 실행될 수 있거나 다양한 간격이 타격 사이에 삽입될 수 있고, 이로써 타격에 대하여 광범위한 변화를 제공한다.
예를 들어, 1 내지 약 6번의 타격이 사용될 수 있다. 에너지 레벨은 모든 타격에 대해 동일할 수 있고, 에너지는 증가 또는 감소하고 있을 수 있다. 타격시리즈는 동일한 레벨을 갖는 적어도 2번의 타격으로 시작할 수 있고, 마지막 타격은 두배의 에너지를 갖는다. 반대도 사용될 수 있다. 연속되는 순서에서 상이한 종류의 타격에 대한 연구가 한 실시예에서 수행된다.
최고의 밀도는 1번의 타격으로 총 에너지를 전함으로써 종종 얻어진다. 대신에 총 에너지가 여러 번의 타격에 의해 전해진다면, 더 낮은 상대 밀도가 얻어지지만, 공구는 절약된다. 따라서, 다수-타격은 최대 상대 밀도가 필수적인 것은 아닌 응용에 사용될 수 있다.
일련의 급속한 충격을 통하여 물체는 앞뒤로 왔다 갔다 하는 파동이 계속되도록 기여하는 운동 에너지를 계속적으로 공급받는다. 이것은 새로운 충격이 재료의 소성 영구 변형을 더 발생시킬 때, 동시에 재료의 변형의 발생을 더 지속한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 타격 유닛이 물체를 때리는 충격은 일련의 타격에서의 각각의 타격에 대하여 감소한다. 제 1 및 제 2 타격 사이의 차이는 큰 것이 바람직하다. 그와 같은 단주기(바람직하게는 약 1ms) 동안 제 1 충격 보다 작은 충격을 갖는, 제 2 타격을, 예를 들어 반동 가격의 유효한 감소에 의해, 달성할 수 있게 된다. 그러나, 필요할 경우엔, 제 1 또는 이전 타격 보다 큰 충격을 적용하는 것도 가능하다.
본 발명에 따라, 다양한 변형 충격도 사용할 수 있다. 후속 타격에서 적은 충격을 사용하기 위해 타격 유닛의 반작용을 사용할 필요는 없다. 예를 들어, 충격이 후속 타격, 또는 단 1번의 타격에서만 증가하는 경우에, 높거나 낮은 충격을 갖춘 기타 변동치가 사용될 수 있다. 기타 상이한 일련의 충격이, 충격간의 상이한 시간 간격으로 가해질 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 생산된 다층체는 의료용 임플란트 또는 정형 외과용 접골제, 의료기 또는 진단 장치와 같은 의료 장치에 사용될 수 있다. 그러한 임플란트는 예를 들어 본임플란트 또는 치아 보철물일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 재료는 의학적으로 허용될 수 있다. 그러한 재료로는 예로서, 수산기인회석 또는 지르코니아의 층 또는 요소를 포함한는 적당한 다층 제품이다.
임플란트에 사용되는 재료는 수산기인회석 및 지르코니아 또는 다른 적당한 다층 재료와 같이 물리적으로 내구성을 지니고, 생체적합성이고, 혈액적합성이어야 한다.
본 발명의 프로세스에 의해 제조된 물체는 예를 들어 컷팅 공구, 절연 장치, 도가니, 스프레이 노즐, 컷팅 에지, 조인팅 링, 볼 베어링 및 엔진 부품과 같은 비의료용 제품일 수 있다.
이하 본 다층 제품에 사용될 수 있는 몇몇 재료에 의한 다양한 응용분야를 설명한다. 실리콘 실리콘 질화물용 경우는 도가니, 스프레이 노즐, 튜브, 컷팅 에지, 조인팅 링, 볼 베어링 및 엔진 부품이다. 알루미나는 전지 절연재에 적당하고 동시에 적당한 열전도성을 갖추고 있고 따라서 제조가능한 기질을 위하여 사용하고 여기서 일렉트릭 구성요소는 고장력 영역에서 점화 플러그 및 정연을 위하여 인슐레이션이 장착된다. 알루미나는 또한 예를 들면 힙 보철에서 대퇴골 헤를와 같은 외과 임플란트에서 통상의 재료의 형태이다. 수산기인회석은 외과 수술실에서 폭넓게 사용되는 가장 중요한 생체재료의 하나이다. 지르코니아의 통상의 경우에는 단열의 엔진용 구성요소, 컷팅 공구이고 그리고 외과 임플란트 예를 들면 힙 보철에서의 대퇴부 헤드와 같은 재료 형태이다. 따라서 본 발명은 본 발명에 따라 제품을 생산하기 위한 대부분의 적용부분을 갖추고 있다.
몰드에 삽입된 재료가 응집되어지는 경우, 경질이고, 매끈하며, 조밀한 표면이 형성된 물체 상에 형성된다. 이것은 물체의 중요한 특성이다. 경질 표면은 상기 물체에 높은 내마모성 및 내긁힘성과 같은 뛰어난 기계적 특성을 제공한다. 매끈하고 조밀한 표면면은 재료가, 예를 들어 부식 등에 견딜 수 있게 한다. 공극이 적을 수록 제품은 더 큰 강도를 획득한다. 이것은 개방된 공극 및 공극의 총수에 연관된다. 종래 방법에서, 궁극적인 목표는 개방된 공극의 수를 감소시키는 것인 데, 이것은 개방된 구멍이 소결에 의해 감소될 수 없기 때문이다.
최적 특성을 갖는 물체를 얻기 위해선 분말 혼합물이 가능한 균질해질 때 까지 이들 분말 혼합물을 혼합시키는 것이 중요하다.
본 발명의 방법에 따라 코팅도 행해질 수 있다. 예를 들면 코팅은 다층 제품의 또는 한 요소의 표면 상에 형성될 수 있다. 코팅된 요소를 제조하는 경우, 이 요소는 몰드에 두어지고, 종래의 방식으로 거기에 고정된다. 코팅 재료는, 예를 들어 기체-가루화에 의해 코팅될 요소를 둘러싼 몰드에 삽입되고, 그 후 코팅이 응집에 의해 형성된다. 코팅될 요소는 본 발명에 따라 형성된 임의의 재료일 수 있거나, 종래 방법으로 형성된 임의의 재료일 수 있다. 이러한 코팅은 매우 유익한 데, 이는 상기 요소에 특별한 특성을 부여할 수 있기 때문이다.
코팅은 또한 딥 코팅 및 스프레이 코팅과 같은, 종래 방식으로 발명에 따라 생산된 물체에 적용될 수 있다.
또한, 적어도 1번의 타격에 의해 제 1 몰드에 있는 재료를 먼저 압착할 수 있다. 그 후, 재료는 또 다른, 보다 큰 몰드로 이동되어 추가의 금속 재료가 그 몰드에 삽입될 수 있는데, 그 후 재료는 적어도 1번의 타격에 의해, 제 1 압착된 재료의 위에 또는 옆에 압착된다. 타격 에너지 선택 및 재료의 선택에 있어서, 많은 다른 조합이 가능하다.
발명은 또한 상기 방법에 의해 얻어진 제품에 관한다.
본 발명에 따른 방법은 프레싱에 비하여 몇가지 이점을 갖는다. 프레싱 방법은 소결 조제를 포함하는 분말로부터 미가공체를 형성하는 제 1 단계를 포함한다. 이러한 미가공체는 제 2 단계에서 소결되는데, 내부의 소결 조제는 연소되거나, 후속 단계에서 연소될 수 있다. 프레싱 방법은 또한 표면이 기계적으로 작업될 필요가 있기 때문에, 생산된 물체의 마무리 작업을 요한다. 본 발명의 방법에 따라, 1 단계 또는 2 단계에서 물체를 생산하는 것이 가능하고, 물체 표면에 어떠한 기계적인 작업도 필요하지 않다.
본 절차를 사용함으로써 하나의 조각에서 큰 물체를 생산하는 것이 가능하다. 캐스팅을 포함하여 현재 사용된 절차에 있어서는 대개 의도된 물체가 사용전에 결합될 몇개의 조각으로 생산하는 것이 필요하다. 이러한 조각들은 예컨대 나사못이나 접착제 또는 나사못과 접착제를 조합하여 결합될 수 있다.
더 나은 이점은 본 발명의 방법은 분말을 중성화하지 않고, 입자와 반발하는전하를 운반하는 분말에서 사용될 수 있다는 것이다. 프로세스는 분말 입자의 전하나 표면장력과 독립적으로 수행될 수 있다. 그러나, 이것은 추가적인 분말의 가능한 사용 또는 반대 전하의 부가적인 운반을 배제하지는 않는다. 본 방법의 사용에 의하여, 생산된 물체의 표면장력을 제어하는 것이 가능하다. 액체막을 필요로 하는 의복 표면을 위한 것과 같은 어떤 예에서는, 낮은 표면장력이 요구될 수 있으나, 다른 예에서는 높은 표면 장력이 요구된다.
이하에서 본 발명을 설명하는 몇몇예가 기술된다.
다음과 같은 재료: 즉 질화 실리콘, 히드록시아파타이트, 알루미나, 티타늄, Co-28Cr-6Mo, PMMA 및 UHMWPE가 테스트되었다.
질화 실리콘은 순수한 응결 과립 분말이다. 히드록시아파타이트와 알루미나는 전혀 예비처리되지 않았다. 금속 및 폴리머 분말은 분말에서 균일한 입자 크기 분포를 얻기 위하여 10분동안 초기에 건식 혼합되었다.
다층은 예를 들어 임플런트 많은 응용 분야를 가진다.
6개의 상이한 다층이 다른 재료 조합으로 테스트되었다.
2 두개의 수평층
3 세개의 수평층
1. 하나의 수평층과 두개의 수직층
2. 두개의 수직층
3. 두개의 수평층과 두개의 수직층
4. 네개의 수직층
주요한 목표는 화학적인 결합으로 서로 결합된 고상의 층을 얻기 위한 가능성을 평가하는 것이었다.
다층의 각각의 조성물의 테스트 사양에 명기된 중량은 다층내의 층의 수로 분할되었다. 이것은 테스트 사양에 명기된 중량에 대한 가시 지수를 얻기 위한 충격 에너지가 또한 층의 수로 분할되는 것을 의미한다. 만약 수평층이 두개의 수직층으로 구성되면 충격 에너지를 선택할 때 가장 낮은 경도를 가진 재료가 고려되어야 한다. 폴리머는 결코 단일 수평층인 재료 1처럼 처리되지 않는다.
다음과 같은 테스트 계획은 전부 상이한 층에 대한 일반적인 것이었다.
1 층 1을 위한 예비압축 절차
1.1 손으로 예비압축
1.2 스트라이크 장치를 사용하여 12000 kp 하중으로 예비압축
2 재료 2를 첨가하기 전에 층 1에 대한 충격 에너지 레벨
2.1 가시 지수 1에 상응하는 에너지로 스트라이크
2.2 가시 지수 3에 상응하는 에너지로 스트라이크
2.3 가시 지수 3에 상응하는 에너지로 스트라이크
3 다층 충격 타격은 각각 재료 2와 3에 대하여 최대 허용가능한 충격 에너지와 기계 예비압축으로 실행될 것이다. 다층이 2 또는 3개의 수평층을 갖는지에 의존한다.
개략적인 이론 밀도는, 세층의 전체 질량을 재료의 특징적인 이론 밀도로 나눈 각각의 재료 질량의 합으로 나눔으로써 상이한 다층에 대하여 계산되었다. 즉, ρmultilayer= mtotal/(ma/ρa+ mb/ρb+ mc/ρd+ mc/ρd)
각각의 층 이후에 위쪽 다이가 제거되고 다음 분말이 주입되고 처리된다. 다층이 완성되었을 때 그후에 툴 부품이 분리되고 샘플이 해체되었다. 직경과 두께는 물체의 체적을 평가하는 전자 마이크로미터로 측정되었다. 그후에 중량은 전자적으로 설정되었다. 이들 결과중에 밀도 1은 중량을 체적으로 나누어서 구했다.
다음 샘플에 대해서 계속할 수 있도록, 필요한 툴은 아세톤만으로 또는 연마용 천으로 툴 표면을 닦아서 툴상의 재료 찌꺼기를 제거하기 위해 청소된다.
표 1은 이 연구에 사용된 상이한 분말을 나타낸다.
특성 질화 실리콘 히드록시아피타이트 알루미나 Co-28Cr-6Mo 티타늄 PMMA UHMWPE
입자크기(미크론) <0.5 <1 <0.5 <150 <150 <600
입자분포(미크론) - <1 0.3-0.5 2%>150밸런스<150 - 5%<2505% 25-35510% 355-50045% 500-71035% <710
입자형상 정방형 불규칙 불규칙 불규칙 불규칙 불규칙
입자생성물 과립형 습식화학침전 연삭 수분 분무 수소화 과-재반응
결정구조 98% 알파2% 베타(6방정형) 아파타이트 알파 85% 알파 상,15% 카바이드 HCP 비정질
이론 밀도(g/cm3) 3.18 3.15 3.98 8.5 4.5 1.19
겉보기 밀도 0.38 0.6 0.5-0.8 3.4 1.8 -
융점(℃) 1800 1600 2050 1350-1450 1660 125℃
소결온도(℃) 1820 900 1600-1650 1200 1000 -
입자강도(HB) 1570 450 1770 460-830 60 M92-100
2개의 수평층
도 2a는 2개의 수평층을 나타낸다. 사용된 상이한 재료 조합은 표 2에 명기되어 있다. 여기에 히드록시아파타이트와 UHMWPE를 함께 압착한 후에 얻어진 솔리드 샘플은 없다. 히드록시아파타이트는 폴리머를 첨가하기 전에 솔리드로 될 수 있지만 그 다음에 폴리머가 첨가되고 충격을 가했을 때 부서진다. 히드록시아파타이트와 티타늄 압착은 히드록시아파타이트에 대한 것과 유사한 결과를 나타내었다. 티타늄은 기계로 예비압축된 후에 솔리드 물체가 되지만 재료 2와 같은 티타늄이 충격을 받을 때 히드록시아파타이트를 부순다. 히드록시아파타이트를 손으로 압축하고 그후에 티타늄 분말을 첨가함으로써 최상의 결과가 얻어졌다.
알루미나와 질화 실리콘은 단일 재료로 성공적으로 압착되지 않았으며 그리고 다층 압착 시리즈에서도 동일한 결과가 얻어졌다. 세라믹 재료는 분리되며 첨가된 재료 2와 결합되지 않는다. 먼저 티타늄가 솔리드 물체로 충격이 가해지고 그 후에 폴리머가 충격이 가해질 때 티타늄과 UHMWPE 또는 PMMA의 압착은 솔리드 샘플을 부여하였다. 폴리머는 용해되어야 하고 티타늄과 결합하기 위한 플라스틱이 되어야 한다. 만약 티타늄만이 손으로 압축되었다면 폴리머는 여전히 분말처럼 보인다. Co-28Cr-6Mo 는 또한 단일 재료와 같이 응고된 것으로 뒤섞인다. 이것은 PMMA 및 UHMWPE와 함께 압착되었다. Co-28Cr-6Mo가 충격을 받아 먼저 솔리드 재료 물체로 될 때 몇가지 솔리드 샘플은 UHMWPE와 함께 얻어졌다. Co-28Cr-6Mo/UHMWPE 두층에 대해 우수한 샘플은 얻어지지 않았다.
재료 1 재료 2 샘플 번호
하이드록시아파타이트 UHMWPE 2
하이드록시아파타이트 티타늄 6
알루미나 UHMWPE 8
티타늄 PMMA 7
티타늄 UHMWPE 5
Co-28Cr-6Mo PMMA 8
Co-28Cr-6Mo UHMWPE 9
질화 실리콘 티타늄 5
질화 실리콘 UHMWPE 5
3개의 수평층
도 2b는 세개의 수평층을 나타낸다. 사용된 상이한 재료 조합은 표 3에 명기되어 있다.
세개의 수평층이 서로 압착되었을 때 솔리드 샘플을 얻는 것은 어려웠다.빈번한 것은 단일층 솔리드였지만 층 사이에 기계적인 또는 화학적인 결합이 달성된 것은 없었다. 제1 재료와 제2 재료가 모두 손으로 압축되거가 또는 기계로 예비압축되고 다음에 높은 충격 에너지로 충격이 가해졌을 때 최상의 결과가 얻어졌다. 층 사이에 기계적인 결합이 이루어지는 것처럼 보였으며 재료 물체는 솔리드였다.
표 3은 세개의 수평층에서 테스트된 상이한 재료 조합을 나타낸다.
재료 1 재료 2 재료 3 샘플 번호
하이드록시아파타이트 티타늄 UHMWPE 28
질화 실리콘 티타늄 UHMWPE 28
하나의 수평층과 두개의 수직층
도 2c 는 하나의 수평층과 두개의 수직층을 가진 다층을 나타낸다. 사용된 상이한 재료 조합은 표 4에 명기되어 있다. 예비압축하고 다음에 두 재료에 충격을 가한 것에 대하여 최상의 결과가 얻어졌다. 금속 또는 히드록시아파타이트와 결합할 수 있는 플라스틱 폴리머를 얻는 것은 어려웠다. 샘플은 종종 취약하고 손으로 쉽게 부서졌다.
재료 1 재료 2 재료 3 샘플 번호
하이드록시아파타이트 티타늄 UHMWPE 5
티타늄 하이드록시아파타이트 UHMWPE 5
하이드록시아파타이트 Co-28Cr-6Mo UHMWPE 1
두개의 수직층
도 4는 두개의 수평층을 나타낸다. 사용된 상이한 재료 조합은 표 5에 명기되어 있다. 두 재료를 함께 기계로 예비압축하고 그 후에 허용가능한 가장 큰 충격 에너지로 충격을 가한 것이 최상의 결과를 제공하였다. 얻어진 샘플은 솔리드였으며 별개로 부서지지 않았다.
재료 1 재료 2 샘플 번호
Co-28Cr-6Mo UHMWPE 3
두개의 수평층과 두개의 수직층
도 2e는 두개의 수평층을 나타낸다. 사용된 상이한 재료 조합은 표 6에 명기되어 있다.
샘플은 별개로 부서졌다. 이들 충격 에너지 레벨을 사용하여 PMMA와 UHMWPE를 함께 용해하는 것은 어려웠다. 티타늄 층은 솔리드였지만 다른 재료와 결합하지 않았다.
재료 1 재료 2 재료 3 재료 4 샘플 번호
하이드록시아파타이트 PMMA UHMWPE 티타늄 8
네개의 수직층
도 2f는 두개의 수평층을 나타낸다. 사용된 상이한 재료 조합은 표 7에 명기되어 있다.
두개의 수직층을 포함하는 제2 층은 다층의 중앙에서 크로스를 얻기 위해 180도 돌려졌다. 티타늄은 응고되지만 폴리머는 완전히 상 변화되지 않고 상이한 재료들은 허로 성공적으로 결합되지 않았다. 히드록시아파타이트는 먼저 손으로 압축하거나 또는 기계로 예비압축에 의해 티타늄과 함께 제1의 두개의 수직층으로 압축되고 다음에 두개의 다른 수직층에 충격을 가해졌을 때 가장 우수한 샘플을 얻었다. UHMWPE와 함께 압착된 히드록시아파타이트를 압착함에 의해 얻어진 솔리드 샘플은 없었다. 히드록시아파타이트는 별개로 부서졌고 폴리머는 상 변화되지 않았다.
재료 1 재료 2 샘플 번호
티타늄 UHMWPE 3
티타늄 하이드록시아파타이트 5
하이드록시아파타이트 UHMWPE 5
이것은 압축한 다층을 위한 스크린 테스트였다. 스케일과 마이크로미터로 측정될 수 있는 밀도는 매우 근접한 것으로 고려되었으며, 따라서 밀도를 초과하는 다이어그램은 나타내지 않았다.
기계와 툴의 제한으로 인하여 예정된 모든 테스트가 수행될 수 없었다. 제 2 또는 제3 재료가 첨가되기 전에 재료가 충격을 받았을 때 툴 부품은 부풀게 되고 때때로 툴에서 제거하는 것이 불가능했는데, 이것은 테스트가 종료되지 않는 결과를 나타내었다.
솔리드 층 사이에 결합을 달성하기 위하여, 제1 층만은 손으로 또는 기계로 예비성형되어야 한다는 것으로 결론지어졌다. 이러한 이유는 예비압축된 재료가 여전히 둘 또는 세층으로부터 분말 입자가 서로 결합될 수 있는 높은 기공율을 가지고 있다는 것이다. 만약 재료가 약 90-95% 상대 밀도를 가진 거의 완전한 솔리드이면 재료를 서로 결합하는 것은 어렵다. 응고된 재료는 최대로 가능한 에너지를 취하며 다른 재료와 결합할 수 없다. 이상적인 것은 하나으 재료에 충격을 가하고 다음에 예비압축된 분말의 얇은 층을 더하고 그리고 완전히 응고된 제3 층을더하는 것이 될 수 있다. 중앙의 재료는 두개의 솔리드 층을 함께 결합할 수 있다.
폴리머 재료, UHMWPE 또는 PMMA를 포함하는 모든 다층은 낮은 에너지 레벨에서 결합을 달성하기 어려웠다. 다른 재료에 부착되기 전에 폴리머는 용해되어 플라스틱이 되어야 한다.
성분 사이의 상이한 재료 특성 때문에 다층에 대한 후처리는 복잡하다. 예를 들면 폴리머는 소결되지 않으며 상이한 금속 사이의 또는 금속과 세라믹 재료 사이의 소결 파라미터는 매우 다르다. 하나의 해결책은 하나의 층을 압착하고 그 다음에 재료를 제거하고 샘플을 소결하는 것이 될 수 있다. 툴에 놓여진 재료가 소결된 후에 다음 샘플 또는 분말이 첨가되고 압착된다. 이 압착 처리는 또한 솔리드 샘플을 압착하거나 변형하는 것이 될 수 있는데, 이것은 다층의 모든 층이 압착되고 소결되고 그 다음에 하나의 솔리드 재료 물체로 압착되는 것을 의미한다.
샘플은 단지 외관상으로 연구되었고 따라서 솔리드 샘플에서 층 사이에 기계적인 또는 화학적인 결합이 있다고 결론지기는 어렵다.
층 사이에 실제적인 화학적 결합을 얻기 위하여 그리고 완전한 다층에 대하여 100%에 가까운 상대 밀도를 얻기 위하여, 처리는 진공에서 수행되어야 한다. 포함된 성분이 세라믹 재료이면 분말은 압착전에 예열되어야 한다.
실시예 2 - 스테인리스강 316L-고무의 이중층
이들 이중층 샘플은 하나의 ss 316L 층 및 다른 하나의 ss 316L 위의 고무층으로 이루어진다. 별개의 재료 타입의 각각으로의 앞의 테스트는 높은 상대 밀도의 솔리드 샘플이 얻어진 것을 보여주었다. 이 연구에 있어서, 주 목적은 2개의 층 사이에 화학적 결합이 발생하는지 그리고 재료 타입 사이에서 최선의 결합을 얻기 위해서 타격 시퀀스가 어떻게 수행되어야 할지를 조사하는 것이다. 현재 그 적용이 많지는 않지만, 이 새로운 제조 공정으로 인해, 금속 및 고무가 존재하는 자동차 산업 등이 적용가능한 분야가 될 수 있다.
이 제조 공정 직후에 소정의 재료 성질이 얻어지면, 이하의 후속 공정을 피할 수 있다. 그것은 일부 전체 공정 비용을 절감하고 고무에 환경 첨가제가 없는 것을 회피할 수 있다. 추가의 후속 공정이 필요하면, 제조 단계는 종래의 제조 방법에 비해 줄어들 수 있다.
균질 입자 크기 분포를 얻기 위해서 ss 316L 분말은 10분 동안 건식 혼합에 의해 준비되었다. 그 입자가 함께 달라 붙을 수 있고 또한 그 입자 크기가 균질함으로 인해 고무 분말은 준비되지 않았다.
전체 5개의 샘플이 제조되었다. 모든 샘플에 대하여, 성형 다이에 ss 316L이 먼저 주입되었다. ss 316L 위에 고무 분말이 주입되기 전에 상이한 타입의 압축이 뒤따랐다. 충격 타격은 항상 어떤 충격 에너지로 뒤따랐다. 이 충격 에너지는 초기의 테스트에 의해 결정되었다. 타격은 순수 고무에 대한 테스트에서의 최대 충격 에너지에 상당하는 충격 에너지로 타격되었다. 2개의 재료 타입이 존재하였기 때문에 각 재료의 중량은 보통 중량의 절반이었는데, 이것은 이 타격이 고무의 최대 충격 에너지의 절반으로 타격되었음을 의미한다. 생산될 것이 어떤 샘플이냐에 따라 압축은 2개의 층 사이에서 상이하였다. 제 1 샘플에 대하여, 고무가 성형 다이에 주입되기 전에 ss 316L은 고무로 수작업으로 압축되었다. 제 2 샘플은 예압축이 수행되었고 제 3 샘플은 가능한 최소 충격 에너지(150Nm)에서 타격이 수행되었다. 마지막 (제 5) 샘플은 순수 ss 316L에 대한 초기의 테스트의 최대 충격 에너지의 절반에 의해 타격되었다. 제 4 샘플은 제 3 및 제 5 샘플의 충격 에너지 사이의 충격 에너지에 의해 타격되었다.
각 샘플이 제조된 후에 모든 공구가 장착해제되었고 샘플이 해제되었다. 물체의 체적으로 나타내는 직경 및 두께는 전자 마이크로미터로 측정되었다. 그 후, 중량은 디지탈 저울로 확정되었다. 마이크로미터 및 저울로부터의 모든 입력 변수는 자동적으로 기록되었고 별도의 문서에 저장되었다. 이러한 결과로부터, 중량을체적으로 나눔으로써 밀도 1이 얻어졌다.
다음 샘플로 계속하기 위해서, 공구 상의 재료 잔여분을 제거하기 위해서 공구는 아세톤으로 소제될 필요가 있었다.
제조된 샘플의 상태를 보다 용이하게 정하기 위해서 3개의 가시 지수가 사용되었다. 가시 지수 1은 분말 샘플에 상당하고, 가시 지수 2는 취성 샘플에 상당하고 가시 지수 3은 솔리드 샘플에 상당한다.
이론 밀도가 제작자로부터 얻어졌다. 그것으로부터, 50% 고무 및 50% ss 316L 사이에서의 이 임의의 혼합에 상당하는 이론 밀도가 계산되었다. 각 샘플에 대하여 얻어진 밀도를 이론 밀도로 나눔으로써 얻어진다.
(이 재료의 조합이 아닌) 어떤 경우에는 단편을 잃어버린 샘플이 있음으로인해 다층 샘플에서의 밀도 2가 측정되지 않았다. 그러한 경우에 있어서, 이론 밀도를 확정하기는 어렵다.
이 테스트에 있어서 제조된 샘플의 치수는 ∼30.0㎜의 직경 및 5-10㎜ 사이의 높이를 가진 디스크이다. 높이는 얻어진 상대 밀도에 의존한다. 100%의 상대 밀도가 얻어져야 하면, 두께는 ss 316L에 대해서 5.00㎜이다. 그것은 각 재료 타입의 하중의 절반에 대한 이유이다.
분말의 성질은 표 9에 주어져 있고 테스트 결과는 표 10에 있다.
특성 고무 ss316L
1. 입자크기(미크론) ~496 ＜
2. 입자분포 99.8wt% ＜1.0mm 0.0% ＞150미크론42.7% ＜115미크론
3. 입자형태 불규칙 불규칙
4. 분말생성 폴리머화된 이후 분말형태로 연삭 수분 분무
5. 재료의 타입 엘라스토머
6. 이론밀도 0.99 7.90gc
7. 겉보기밀도 2.64gc
8. 녹는점(℃) 적용불가
9. 소결온도(℃) 1315
10. 경도 40 shore A 160-190HV
샘플 중량 15.8
만들어진 샘플 번호 5
샘플당 타격 시퀀스 번호 2
제 1 타격의 최소 충격 에너지(Nm) 150
제 1 타격의 최대 충격 에너지(Nm) 2000
제 2 타격의 충격 에너지(Nm) 1050
제 1의 얻어진 물체의 상대 밀도 2(%) 96.0
최대 상대 밀도 2(%) 98.4
최대 상대 밀도 2에서 제 1 타격의 충격 에너지 2000
도 3 및 4는 질량당 충격 에너지 및 전체 충격 에너지의 함수로서 상대 밀도를 도시하고 있다. 이하에서 설명되는 현상은 모든 커브 내내 나타난다.
모든 샘플은 가시 지수 3을 가지고 있었다.
수작업 압축되거나 또는 기계에 의해 압축되고, 최저 충격 에너지로 타격되는 2개의 제 1 샘플이 제 3 샘플보다 높은 상대 밀도로 된다는 것을 볼 수 있다. 제 1 타격의 충격 에너지가 증가할 때 상대 밀도는 증가하고 2개의 제 1 샘플보다 높은 상대 밀도로 된다. 제 1 타격이 최고 충격 에너지로 타격될 때 최대 상대 밀도 98.4%가 얻어진다.
샘플은 모두 변하지 않았지만, 샘플의 고무 부분이 탄성이기 때문에 체적을 확정하는 것은 어려웠다. 그러나, ss 316L 부분은 순수 고무에 비해 체적을 안정화하였고 밀도 1은 얻어진 밀도의 표시를 잘 보여주고 있다.
논의:
1. ss 316L
ss 316L은 1427℃의 용융 온도를 가지고 있다. 비록 그것이 아주 높지만 샘플의 ss 316L 부분은 조밀한였다. 전달된 에너지로 인한 입자 사이의 온도의 국부적인 증가는 입자를 부드럽게 하고, 변형시키고 그리고 입자의 표면을 용융시킨다. 이러한 내부-입자 용융은 입자가 함께 재응고되게 하고 조밀한 재료가 얻어질 수 있다.
더욱이, ss 316L 분말은 예컨대 CoCrMo보다 부드럽다. ss 316L의 경도는 ∼160-190 HV 및 CoCrMo는 ∼460-830 HV이다. 재료가 부드러울수록 입자는 더 부드럽게 되고 더 변형된다. 이것은 입자가 잘 부드럽게 되도록 하고, 변형되도록 하고 그리고 내부 입자 용융이 발생하기 전에 압착되게 한다.
ss 316L의 상대 밀도를 증가시키기 위한 예비처리 공정은 분말만을 또는 분말 및 공구 양자를 예열하는 것일 수 있다. 재료는 분말의 임의의 반응이 발생하지 않고 대기에서 ∼250℃까지 가열이 가능할 수 있다.
이미 언급된 용융 온도 및 경도 외에, 압착 결과에 영향을 줄 수 있는 다른 중요한 파라미터는 입도, 입도분포 및 입자 조직일 수 있다. 상 1에서 수행된 초기의 테스트에 따르면, 구형 입자보다는 불규칙한 입자 조직으로 보다 양호한 결과가 얻어졌다. 불규칙한 입자가 테스트될 때 내부-입자 용융이 발생하였지만, 구형 입자가 테스될 때는 덜 발생하였다. 불규칙한 입자가 서로 접촉하게 될 때, 그것들이 함께 가압됨으로 인해, 접촉 표면은 구형 입자에 비해 훨씬 더 크다. 큰 접촉 면적은 입자가 공정동안 보다 용이하게 융해하는 것이 가능하게 할 수 있고, 이 이론에 의하면 분말에 전달될 필요가 있는 충격 에너지가 작다.
큰 입자에 대해서는 작은 입자에 대해서보다 보다 큰 공간이 입자 사이에 존재한다. 이것은 조밀한 및 잘 압착된 샘플을 얻는 것을 더 어렵게 한다. 작은 입자에 비해 큰 입자에 있어서의 잇점은 보다 큰 입자의 전체 표면이 작은 입자에 대해서보다 작다는 것이다. 큰 전체 표면은 표면 에너지를 높게 하고, 이에 상응하여 보다 높은 충격 에너지가 소정의 결과에 도달하는데 요구될 수도 있다. 다른 한편, 작은 입자는, 입자 사이의 공간이 큰 입자 사이의 공간보다 작기 때문에 보다 높은 압축율에 도달하는 것이 가능할 수 있다. 최적의 입도는 여전히 해답이 요구되는 질문이다.
입도분포는 그 범위가 넓어야 한다. 작은 입자는 큰 입자 사이의 빈 공간을채울 수 있다.
기공은 재료에 폐쇄되어 있기 때문에 5% 기공 이하의 샘플을 얻는 것이 중요하다. 5% 이상이 있으면, 기공은 재료에 도관을 만들고, 습기가 재료의 도관 내에 생길 수 있다. 그 결과 재료가 부식되고, 제작된 샘플의 성질이 나빠지게 된다. 5% 기공 이상이 있으면, 재료의 도관 및 기공을 제거하기 위하여 샘플은 소결되어야 한다.
전체적인 조밀한 샘플, 즉 99-100%를 얻기 위해서는, 분위기가 이 테스트에서 현재 사용된 것과는 상이할 필요가 있다. 공기가 재료내에 포함되어 있으면, 밀도는 감소한다. 조밀한 재료를 얻기 위해서는, 진공이 대안이 될 수 있다.
먼저 ss 316L 부분을 소결하는 것이 하나의 대안이 될 수 있다. 그 후에, ss 316L 부분은 성형 다이내에 다시 놓일 수 있고 ss 316L 위에 고무가 첨가될 수 있다. 이 테스트에서 고무는 ss 316L에 결합되었고 그러므로 고무는 소결 ss 316L에도 또한 결합하는 것이 가능한 것으로 보인다. 그 경우에, 샘플, 적어도 금속 부분은, 비록 금속 부분이 소결되었지만, 소정의 성질에 도달하였다.
고무
재료의 경도는 결과에 영향을 준다. 고무의 경도는 예컨대 PMMA에 비해 낮다. 가시 지수 2의 샘플을 얻기 위해서 PMMA는 고무에 비해 보다 많은 양의 변환된 충격 에너지를 필요로 한다. 재료가 부드러울수록 입자는 더 부드러워지고 더 변형되는데, 이것은 고무 입자에서 용이하게 발생하였다. 이것은 내부-입자 용융이 발생하기 전에 입자가 부드럽게 되게 하고, 변형되게 하고 그리고 압착되게 한다.
여전히 입자는 샘플에서 확정될 수 있다. 그러므로, 후처리가 뒤따라야 한다. 보통 고무는 가황이 뒤따르는 열가소성수지 폴리머와 같이 처리한다. 가황은, 재료가 교차연결됨으로 인해, 높은 탄성재료, 탄성중합체를 만든다.
지금까지는 상응하는 폴리머를 위한 분말 야금은 없었고 그래서 어떤 파라미타가 변하는지 그리고 어떻게 변하는지를 알기는 어려웠다. 그러나, 논의의 일부는 폴리머에 또한 유효할 수 있다. 이미 업급된 용융 온도 외에 압착 결과에 영향을 주는 다른 중요한 파라미터는 입도, 입도분포 및 입도 조직일 수 있다. 불규칙한 입자가 서로 접촉하게 될 때, 그것들이 함께 가압됨으로 인해, 접촉 표면은 구형 입자에 비해 훨씬 더 크다. 큰 접촉 면적은 입자가 공정동안 보다 용이하게 융해하는 것이 가능하게 할 수 있고, 이 이론에 의하면 분말에 전달될 필요가 있는 충격 에너지가 작다.
큰 입자가 사용되면 작은 입자에 대해서보다 보다 큰 공간이 입자 사이에 존재한다. 이것은 조밀한 및 잘 압착된 샘플을 얻는 것을 더 어렵게 한다. 작은 입자에 비해 큰 입자에 있어서의 잇점은 보다 큰 입자의 전체 표면이 작은 입자에 대해서보다 작다는 것이다. 큰 전체 표면은 표면 에너지를 높게 하고, 이에 상응하여 보다 높은 충격 에너지가 소정의 결과에 도달하는데 요구될 수도 있다. 다른 한편, 작은 입자는, 입자 사이의 공간이 큰 입자 사이의 공간보다 작기 때문에 보다 높은 압축율에 도달하는 것이 가능할 수 있다. 최적의 입도는 여전히 해답이 요구되는 질문이다.
입도분포는 그 범위가 넓어야 한다. 작은 입자는 큰 입자 사이의 빈 공간을 채울 수 있다. 그래서 샘플의 모든 곳에서 다른 입자와 접촉하는 입자 표면이 있다. 이것은 (예를 들면 큰 입자 표면에 대하여 작은 입자 표면) 내부-입자 용융에 성공할 가능성을 증가시킨다.
고무는 비정질 폴리머이다. 이러한 빠른 제조 공정에 있어서, 샘플은 몰드로부터 해제될 때 이미 실온상태로 되어 있다. 이것은 냉각 속도가 다른 제조 공정에서보다 훨씬 빠르다는 것을 의미한다. 이러한 빠른 냉각 속도로 인해, 이러한 제조 공정은 정질 폴리머 제조보다 비정질 폴리머 제조에 더 적당하다. 정질 폴리머의 구조는 막 형태이고 비정질 폴리머의 구조는 잘 조직된 구조가 아니다. 정질 폴리머의 잘 조직된 구조를 얻기 위해서 냉각 시간은 비정질 폴리머에서보다 더 필요하다. 이 냉각 공정은 고무의 구조 및 재료 성질에 영향을 줄 수 있다. 그러므로, 미세구조 및 재료 성질을 조사할 중요성이 있다.
층
이러한 2개의 재료 타입 사이에는 어떤 결합이 있다. 이로한 재료 타입이 어떻게 함께 정확하게 결합하는지는 미세구조 테스트에서 볼 수 있다. 양 재료의 최고 상대 밀도는 어떻게 얻어지고, 그 사이에 재료 타입 사이의 화학적 결합이 어떻게 얻어질까? 도면에서와 같이, 상대 밀도는 제 1 재료 타입이 압축되고 낮은 축격 에너지로 타격되지 않을 때 더 높다. ss 316L 및 고무 입자는, 낮은 충격 에너지가 분말에 전달되는 샘플에 비해 그 표면이 다소 거칠면, 서로 접촉할 수 있다. 입자가 타격 공정 전에 접촉될 수 있을 때 그것은 더욱 다져지고 더욱 일체화될 수 있다.
그러나, 제 1 타격의 충격 에너지가 증가하면, 상대 밀도는 또한 증가한다. 이것은 고무의 연함으로 인해 타격이 수행될 매끄러운 표면에 고무가 구속될 수 있다.
예비-압축 및 일부 경우에는 후-압축을 모두 포함하고 재료에 대한 적어도 1회의 타격이 있는 신규한 방법이 개시되었다. 이 신규한 방법은 매우 우수한 결과를 제공하고 또한 선행기술에 따른 향상된 공정이다.
본 발명은 상기 설명된 실시예 및 예시에 제한되지 않는다. 본 공정은 소결 조제의 사용을 필요로하지 않고, 또한 응집성 미가공체를 만들지 않고, 더 낮은 소결 온도를 사용하게 한다는 장점이 있다. 그러나 일부 실시예에서 장점으로 입증된다면, 소결 조제, 윤활제, 또는 다른 첨가제를 사용하는 것도 가능하다. 유사하게, 압착되고 있는 물체의 산화를 방지하기 위해 진공이나 불활성 기체를 사용할 필요가 없다. 그러나 극도의 순도 혹은 고밀도의 물체를 만들기 위해 일부 재료는 진공이나 불활성 가스를 필요로 할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 비록 소결 조제, 진공, 및 불활성 가스의 사용이 불필요하지만 이것들의 사용이 배제되는 것은 아니다. 아래 청구범위 범위내에서의 본 발명의 방법 및 물품의 다른 변형도 또한 가능할 것이다.
본 발명에 의하면 저렴한 비용으로 금속으로부터 제품을 효과적으로 생산하는 방법이 달성된다. 이들 제품은 의료용 임플란트 또는 정형 외과용 접골제, 의료기 또는 진단 장치와 같은 의료 장치, 또는 공구, 절연 장치, 도가니, 스프레이 노즐, 튜브, 컷팅 에지, 조인팅 링, 볼베어링 및 엔진 부품과 같은 비의료 장치일 수 있다. 또한 본 발명에 의하면 설명된 종류의 다층 제품이 달성된다.

Claims (33)

  1. a) 예비-압축 몰드를 분말, 펠릿, 그레인 등의 형태의 시작 재료로 충전하는 단계,
    b) 재료를 적어도 1회 예비-압축하는 단계, 및
    c) 적어도 1회의 타격에 의해 압착 몰드에 재료를 압착하는 단계를 포함하며, 여기에서 타격 유닛은 압착 몰드에 삽입된 재료를 타격할 때, 물체를 형성할 만큼 충분한 운동 에너지를 방출하여 재료의 응집을 일으킨다.
    d) 단계 a), 단계 b)에서 압축후 단계 또는 단계 c)에서의 시작 재료를 압착후 단계 중의 하나에서, 분말, 펠릿, 그레인 등과 같은 형태로 적어도 하나의 몰드에 삽입되는 단계,
    e) 필요하다면, 적어도 하나의 다른 재료의 삽입후에 이행되는 예비 압축 및/또는 압착단계를 포함한는 것을 특징으로 하는, 응집에 의하여 다층체를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 사전-압축 몰드와 압착 몰드는 동일한 몰드인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 재료는 적어도 약 0.25 x 108N/m2의 압력으로 기중 및 실온에서 사전-압축되는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸체를 제조하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 재료는 적어도 약 0.6 x 108N/m2의 압력으로 사전-압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 방법은 재료를 적어도 두 차례 사전-압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 타격 유닛이 물체로의 재료의 응집을 야기하는데 충분한 에너지를 발산하고,적어도 한번의 타격에 의해 압착 몰드에서 시작 재료의 솔리드체를 압착하는 단계, 적어도 추가의 재료가 몰드내에 분말, 펠릿, 그레인 등의 형태 또는 솔리드체의 형태로 삽입되는 단계, 적어도 2개의 재료가 일체를 형성하도록 제 1 타격 또는 그 이후 타격에서 적어도 추가의 재료가 타격 유닛에 의해 타격되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 응집에 의해 다층체를 제조하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 압착 타격은 기중 및 실온에서 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 100 Nm에 대응하는 전체 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 압착 타격은 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 300 Nm에 대응하는 전체 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 압착 타격은 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 600 Nm에 대응하는 전체 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 압착 타격은 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 1000 Nm에 대응하는 전체 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 압착 타격은 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 2000 Nm에 대응하는 전체 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항에 있어서, 압착 타격은 기중 및 실온에서 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 5 Nm/g에 대응하는 질량당 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 압착 타격은 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 20 Nm/g에 대응하는 질량당 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 압착 타격은 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 100 Nm/g에 대응하는 질량당 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 압착 타격은 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 250 Nm/g에 대응하는 질량당 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 압착 타격은 7 cm2타격 면적을 갖는 원기둥형 공구에서 적어도 350 Nm/g에 대응하는 질량당 에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 다층은 적어도 60 %, 바람직하게는 65 %의 상대 밀도로 압착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 다층은 적어도 70 %, 바람직하게는 75 %의 상대 밀도로 압착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 다층은 적어도 80 %, 바람직하게는 적어도 85 % 특히 적어도 90% 내지 100 %의 상대 밀도로 압착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 방법은 압착 단계 후, 적어도 한 차례 물체를 사후-압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 다층체에서의 재료는 금속, 세라믹 및 폴리머 재료를 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 다층 재료중 하나는 탄소, 유리, 금속, 폴리머 및 세라믹 재료를 포함하는 군으로부터 선택되는 보강 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 다층 재료는 UHMWPE, PMMA, 니트릴 고무, 알루미늄 합금 및 티타늄을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 제조된 다층체는 골격 또는 치아 인공삽입물 같은 의료 삽입물인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 방법은 압착 또는 사후-압착 후 어떤 시점에서 다층체를 사후-가열하고/또는 소결시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 제조된 다층체는 미가공체인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 방법은 미가공체를 소결시키는 추가적 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 재료는 의료적으로 허용되는 재료인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 재료중 적어도 하나는 윤활제 및/또는 소결보조제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 6 항에 있어서, 방법은 다층체를 변형시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 얻어지는 제품.
  32. 제 31 항에 있어서, 의료 장치나 기계인 것을 특징으로 하는 제품.
  33. 제 31 항에 있어서, 비의료 장치인 것을 특징으로 하는 제품.
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