SE527291C2 - Sätt att framställa smycken och andra ädelmetallprodukter med komplexa geometrier - Google Patents

Description

527 291 extra fördel med sättet enligt uppfinningen är att det ger formgivaren stora möjligheter att utan tidsödande hantverksinsats snabbt ta fram prototyper och kollektioner innehållande ett flertal variationer på ett estetiskt tilltalande grundtema t. ex. genom variation av en länkform eller en yttre länlcrelieff. Uppfmningen erbjuder även möjligheter att ta fram produkter med nya komplexa geometrier som tidigare varit svåra eller omöjliga att framställa med till idag använd teknik. Som komplexa geometrier kan exempelvis ihåliga geometrier eller geometrier innehållande hål i mer än ett plan och/eller innefattande flera (> 1) var for sig obrutna parter och/eller länkar som är rörligt men oskiljbart sammankopplade med varandra anses.

Inom smyckeindustrin gäller grundkravet att smycken som innehåller ädelmetaller skall ha en tillräckligt hög ädelmetallhalt för att kimna kontrollstämplas enligt gällande lagregler. Detta krav tillgodoses enligt uppfinningen genom att det därvid utnyttjade utgångsmaterialet uppfyller kontrollstämplingsvillkoren, vilket emellertid samtidigt innebär att hänsyn måste tas till att man i olika delar av världen har olika åsikter om vad som skall anses vara en fór kontrollstämpling tillräckligt hög guldhalt resp. silverhalt i ett smycke. I USA anses t ex guldhalt om 14 karat vara tillräcklig medan man i Europa som regel kräver 18 karat och i Asien 22 karat.

Grundprincipen bakom uppfinningen är ett utnyttjande av någon av de s. k.

FriFormsFramställningsfórfarandena (FFF) för framställning av smycken och andra ädelmetallprodukter med ädelmetallhalter som tillåter att produkten kontrollstämplas. I och med föreliggande uppfmning har det sålunda blivit möjligt att i ett enda moment framställa smycke- och konstfóremål med specifik utformning och komplexa geometrier. Speciellt intressant torde sättet enligt uppfmningen komma att bli då det gäller framställningen av sådana smyckeprodukter som skall bestå av flera relativt varandra rörliga enheter såsom kedjor och länkar där det har blivit möjligt att begränsa den hantverksmässiga delen av framställningen till förmån för det mera kreativa. Uppfmningen innebär även möjligheter att introducera nya former med många dubbelkrökta ytor och delvis öppna inre håligheter som tidigare skulle ha varit svåra att realisera.

Samtliga Friformsframställningsförfaranden, det finns nämligen flera idag använda dylika förfaranden, bygger på en CAD/CAM-modellerad och av CAD/CAM-progammet styrd skiktvis uppbyggnad av den önskade produkten [CAD= Computer Aided Design; CAM = Computer 3935 SE Korrigerad beskrivning efter slutiö (2005-I0-31).doc 'fl m m ra -a UA Aided Manufacturing]. FFF-tillverkningen sker således genom att material successivt adderas.

Detta till skillnad från äldre tillverkningsmetoder där man genom exempelvis fräsning eller svarvning subtraherar/tar bort material eller genom exempelvis pressning omformar material. Även om grundprinciperna för FriFormsFraniställning sålunda är förut kända så känner vi ej till att något av dessa förfaranden skulle ha använts för direktframställning av smycken eller andra ädelmetallprodukter. Vi har inte heller kunnat finna några upplysningar om att därtill lämpliga ädelmetallbaserade pulvermaterial tidigare skulle ha ftmnits tillgängliga på marknaden.

Enligt ett av de idag kända FriFormsFramställningförfarandena, oftast benämnd som SLS- metoden (SLS: Selective Laser Sintering), sker materialuppbyggnaden genom laser- eller elektronstrålestyrd sammansmältning eller sinlring av pulvermaterial. Varje påfört pulverskikt sintras eller smälts samman inbördes och med föregående pulverskikt av den av CAD/CAM- programmet styrda laser- eller elektronstrålen där CAD/CAM-programmeringen anger att sammanhängande material krävs, medan övriga delar av pulverskikten lämnas obearbetade och därför senare kan avlägsnas. Samma grundprinciper kan användas för tillverkning av såväl metalliskt som polymert material men användningen av polymert material är ej av intresse i detta sammanhang.

Vid denna variant (SLS~metoden ) på FriFormsFramställning utnyttjas generellt metallpulverblandningar innefattande åtminstone en mera högsmältande och en mera lågsmältande pulvertyp, där blandningens mera lågsmältande komponent , lod-fasen, under inverkan av den av CAD/CAM-programmet styrda lasem smälts ned och binder övrigt pulvermaterial där CAD/CAM-modellen anger att den färdiga produkten skall bestå av fast material. Om därvid även delar av det övriga pulvermaterialet, bas-fasen, smälts ned minskas den färdiga produktens restporositet.

Vid en annan FFF-metod utnyttjas ett metallpulvermaterial som helt smälts av den produktdefinierande laserstrålen medan man vid en ytterligare variant utnyttjar ett polymerbelagt pulvermaterial vid vilket polymerbeläggningen av lasem smälts ned i ett första steg för att vid sin stelning provisoriskt binda metallpartiklarna, vilka sedan i en efterbehandling sintras samman och inñltreras till slutgiltig hållfasthet. 3935 SE Korrigerad beskrivning efter slutfö (2005-10-3l).doc Grundtanken bakom föreliggande uppfinning är nu att erbjuda ett nytt sätt att framställa ädelmetallprodukter av tidigare presenterade typer med tillräckligt hög ädelmetallhalt fór att dessa skall ktmna kontrollstämplas i enlighet med gällande lagar och regler. Enligt uppfinningens grundprinciper skall varje typ av FFF-förfarande som ger en metallisk slutprodukt kunna användas för här avsett ändamål. Vi har emellertid valt att främst utnyttja den ovan Omnämnda SLS-metoden med flerkomponentspulver varför våra i det följande redovisade exempel är utförda med den metoden För alla FFF-metoder gäller att den egentliga produktskapande framställningsprocessen kan följas av en värmebehandling eller annan efterbehandling. Flera vanliga guldbaserade legeringar i systemet Au-Ag-Cu är exempelvis utskiljningshärdande, vilket innebär att hållfastheten kraftigt förbättras om materialet utsätts för två kända och väl definierade värmebehandlingar; först en upplösningsbehandling och sedan en åldring. Produktens ytfinish kan modífieras på ett estetiskt sätt genom t ex etsning, polering, blästring eller annan ytbehandling.

Vid framställningen av kedjor eller länkar eller andra produkter som i färdigt skick innefattar relativt varandra rörliga komponenter krävs, då ett FFF-förfarande utnyttjas, endast att dessas i normalfallet vid de olika komponentemas relativrörelser mot varandra angränsande kantdelar i CAD/CAM-modellen placeras med ett tillräckligt spel mellan varandra och att man därvid lämpligen väljer ett mellanläge mellan ändlägena för de i produkten ingående relativt varandra rörliga parternas rönelsemönster, där ingen som helst kontakt föreligger mellan partema.

Fördelen med FriFormsFramstä1lning är att den önskade produkten byggs upp helt utan verktyg vilket även gör det möjligt att bygga upp mycket komplicerade detaljer som även kan uppvisa flera invändiga håligheter utan förbindelser med varandra. Det är alltså den egenskapen som utnyttjas i enlighet med föreliggande uppfinning för att ge relativt varandra rörliga i en enda operation framställda kedjor eller länkar. Vidare kan flera såväl invändiga som utvändiga dubbelkrökta ytor ingå i de aktuella produktema. FriFormsFramställning erbjuder sålunda formgivaren en i princip total geometrisk frihet på ett sätt som man aldrig kan uppnå vid konventionell svarvning, fräsning och gjutning. Fördelen med FriFormsFramställning är helt 3935 SE Korrigerad beskrivning efter slutfö (2005-l0-3l).d0c F51 fo ~ J 'J v.) n-å enkelt att där aldrig ställs några krav på bearbetningsutrymmen eller åtkomstmöjligheter för verktyg. I smyckesammanhanget erbjuder denna telmik speciella fördelar då det gäller att i en enda operation framställa flera med varandra rörligt sammankopplade var för sig obrutna parter såsom alla typer av smyckekedjor och länkar såsom halskedjor, armlänkar och andra objekt innefattande relativt varandra rörliga delobjekt.

När det gäller smycken och andra konstföremål är det som regel varken den färdiga produktens hållfasthet eller det ingående godsets porositet som är kritisk. Däremot krävs att de färdiga produkterna får en ädelmetallhalt som gör att dessa kan kontrollstämplas. Vissa krav på materialets egenskaper måste dock vara uppfyllda även vid smycken och andra konsttöremål. Om smycket t ex skall innehålla infattade stenar måste sålunda grundmaterialet vara tillräckligt formbart för att kunna formas runt stenarna och samtidigt tillräckligt starkt för att säkerställa att stenarna ej lämnar sina infatmingar. Jämfört med de verkstadstekniska kraven är således materialkraven väsentligt lägre men de kan för den skull inte negligeras.

Som redan beskrivits utgörs utgångsmaterialet vid FriFormsFramställning av ett pulver och detta ger vid fiamställningen av smycken goda möjligheter att variera ytstrukturen för det färdiga smycket genom umyttj ande av pulver av olika sammansättningar, olika komstorlek liksom olika laser- eller elektronsuâleparametrar. Möjligheter finns även att under tillverlmingsprocessens gång byta pulver mot ett som ger en annan färg, ytsuuktur eller lyster och som därigenom ger den färdiga produkten en annan estetisk dimension. Därvid måste man emellertid beakta att ersätmingspulvret uppvisar liknande metallurgiska egenskaper som det ersatta.

Rent generellt gäller att ett finare pulver ger bättre detaljupplösning men kräver längre tillverkningstid medan ett grövre pulver som alltså snabbare ger en färdig produkt men samtidigt ger en annan ytfinish. Utnyttjandet av olika grova pulver kan därför användas för att ge den färdiga produkten en intressant ytstruktur.

Det tidigare nämnda kontrollstämplingskravet innebär att silverföremål i EU måste kunna uppvisa en silverhalt om åtminstone 800/ 1000 alternativt 925/ 1000 medan kontrollstämplingskravet för guldföremål likaledes i EU innebär att den slutgiltiga produkten 3935 SE Korrigerad beskrivning efier slutfö (2005-l0-3l).doc skall vara på 14 alternativt 18 karat vilket innebär att den skall innehålla 585/ 1000 resp 750/ 1000 delar guld. Andra kontrollstämplingshav kan alltså gälla i andra länder. På motsvarande sätt finns det för t ex platina ett kontrollstämplingskrav i EU på 850/1000.

För att kunna utnyttjas inom den tidigare presenterade SLS-metoden måste ett ädelmetallbaserat pulver-material uppfylla flera grundkrav av vilka det första är att pulvret måste innehålla dels minst en lodfas eller ett lodpulver med en lägre smältpunkt eller en högre laserabsorption dels minst en basfas eller ett baspulver med en högre smältpunkt altemativt lägre laserabsorption.

Lodpulvrets främsta uppgift i sammanhanget är att genom lasems inverkan genom nedsmältning sintra samman baspulvrets korn till en enhet. För att kunna uppfylla denna sin uppgift vid smältfassinningen måste lodmaterialet i smält tillstånd väta baspulverkomen. När det gäller lodpulvret och baspulvret så fmns det inget som hindrar att dessa var för sig utgörs av flera olika pulverkomponenter samtidigt som den för kontrollstämplingen nödvändiga ädelmetallhalten i huvudsak kan vara koncentrerad till fiämst en av dessa faser eller fördelad på samtliga.

Lodfasens huvuduppgift att binda samman basfasens pulverkorn och basfasens huvuduppgift att svara fdr den därur tillverkade produktens dimensionsstabilitet och mekaniska hållfasthet kvarstår dock alltid.

För att kunna utnyttjas vid SLS-metoden måste pulvermaterialet ifråga uppfylla vissa specifika krav. I detta skall sålunda i första hand ingå ett basmaterial som utgör huvuddelen av det utnyttjade pulvermaterialet och som baseras på guld-, silver- eller platinalegeringar. Vidare krävs samtidigt att i pulvermaterialet även ingår ett lodmaterial i vilket även samtliga som ädelmetaller ansedda metaller kan ingå tillsammans med koppar och smältpunktsnedsättande legeringsämnen såsom zink, bor, aluminium, gallium, indium, kisel, germanium, tenn, fosfor, antimon och vísmut. Även tillsatser som har en fórbättrande effekt på den smälta legeringens flytbarhet och vämingsfórmåga kan ingå. Som exempel på dylika s.k. flussmedel som kan integreras i pulvermaterialet kan nämnas fosfor, bor, kisel och i övrigt metalliska element som har stöne affinitet till syre än koppar.

Genom olika val av legeringsämnen kan den färdiga produktens slutliga färg varieras på ett sätt som kan ge formgivaren goda variationsmöjligheter. Detta kan komma att betyda att man vid 3935 SE Korrígerad beskrivning efter slutfö (2005-10-31).doc utnyttjande av pulvermaterial som innefattar flera olika pulverkomponenter kan komma att eftersträva att få dessas färger att ligga så nära varandra som möjligt altemativt att man kan eftersträva stora fárgskillnader mellan de olika pulverkomponenterna. De enda begränsningar som där kan uppställas är att de olika pulverkomponentemas färger efter det att tillverkningsprocessen slutfórts av det mänskliga ögat skall upplevas som estetiskt tilltalande.

Lika färger kan betyda snarlika sammansättningar i lod- o basmaterial medan stora skillnader indikerar motsatsen.

Med uttrycket ädelmetall som hittills använts rent generellt avses här i första hand guld, silver och platina men även alla typer av legeringar innehållande dessa metaller samt dessutom metallerna iridium, rhodium, ruthenium, palladium, osmium och renium, samt legeringar innehållande dessa metaller. Visserligen är som redan tidigare angivits avsikten med föreliggande uppfinning att erbjuda ett nytt sätt för framställning av ädelmetallprodukter med tillräcklig ädelmetallhalt för att produkterna skall kunna kontrollstämplas men detta inverkar inte på vad som i sammanhanget avses med en ädelmetall.

Sättet enligt föreliggande uppfinning ställer som redan påpekats då SLS-metoden utnyttjas vissa specifika krav å det därvid utnyttjade pulvermaterialet. I detta skall sålunda i första hand ingå ett basmaterial som utgör huvuddelen av det utnyttjade pulvermaterialet och som utgöres av guld, silver eller platina samt legeringar därav i vilka även kan ingå samtliga övriga ädelmetaller och koppar samt givetvis även gängse föroreningar. Vidare krävs samtidigt att i pulvermaterialet även ingår ett lodmaterial i vilket även samtliga som ädelmetaller ansedda metaller kan ingå tillsammans med koppar och smältpunktsnedsättande legeringsämnen såsom zink, bor, aluminium, gallium, indium, kisel, germanium, tenn, fosfor, antimon och vismut.

Utan att i sig klmna räknas in bland ädelmetallema finns även möjlighet att framställa mycket attraktiva smycken av stål, och då kanske främst nickelfritt rostfritt stål, samt titan. Dessa bägge metaller och legeringar lämpar sig mycket bra fór att utnyttjas på det för uppfmníngen kännetecknande sättet. Motivet att räkna in stål och titan bland ädelmetallema är dessa metallers lämplighet som smyckematerial eftersom de erbjuder formgivaren intressanta altemativ framförallt om de kombineras med en eller flera av de verkliga ädelmetallema 3935 SE Korrigerad beskrivning efter slutfö (2005-l0-3l).doc 527 291 När det sedan gäller den mera praktiska utprovningen av uppñnningen så har denna utprovats under utnyttjande av den ovan presenterade SLS-metoden som alltså innebär att pulvret läggs skikt för skikt och erforderliga delar av ett skikt sintras inbördes och tillsammans med föregående skikt innan ett nytt pulverskikt pâföres. Därvid testades bl. a. nedan definierade guldbaserade legering varvid det visade sig fungera uppfinningen väl uppfyllde förväntade resultat och gav produkter med snäva toleranser och god ytfinish samt en i sammanhanget godtagbar porositet om under 10 volyms%.

Utförda tester Inom guldområdet har en rad olika pulverblandningar testats. Basmaterialet i dessa tester har huvudsakligen utorts av en 18-karatig guldlegering med sammansättningen 75%Au~12,5%Ag- l2,5%Cu. Däremot har en rad olika lodmaterial med varierande sammansättning testats. Au- halten har i dessa uppgått till minst 50 % och i övrigt har ingått något eller nâgra av legeringselementen Ag, Cu, Zn, Ga, In, Si, Ge, Sn eller P med en sammanlagd halt av max 50%.

Vissa av dessa lodmaterial har givit goda resultat andra mindre goda. För 18-karatiga guldföremål har lodmaterial med sammansättning inom intervallen 60-80%Au, 0-15 %Ag, 5- %Cu, 5-15 %Sn och 0-2%P fungerat väl. Speciellt intressant har ett lod med sammansättningen 75%Au, 10-15%Cu, 10-l5%Sn och ca 1%P visat sig vara. Detta lodmaterial kan antingen baseras på enbart ett pulver med denna sammansättning eller en pulverblandning bestående av exempelvis 80%Au-20%Sn-pulver, 90%Aul0%Sn-pulver och 87%Cu7%P6%Sn-pu1ver i proportionen 3:3 :1 Även vissa Si- och Ge-haltiga lod har givit bra resultat såsom exempelvis ett lodmaterial med sammansättningen 92,5 %Au, 6 % Ge, 1,5 % Si. Restporositeten har vid våra försök legat under 10 volyms-% vilket måste anses helt tillfredställande.

Vidare har våra försök visat att basmaterialet företrädesvis bör utgöra 60-90 % av hela pulvermängden medan halten lodmaterial bör ligga mellan 40-10 %. När det sedan gäller pulver-materialets partikelstorlek så bör denna inte överstiga 110 um och företrädesvis inte överstiga 55 pm. Givetvis gäller även att den använda pulverstorleken måste anpassas till vald teknik och använd maskintyp. 3935 SE Korrigerad beskrivning efter slutfö (2005-l0-3l).doc Efter nödvändiga CAD/CAM-fórberedelser har i sammanhängande maskinmoment halskedjor i guld- respektive silverlegeringar framställts. Halskedj oma bestod av ett sextiotal med varandra rörligt men odelbart förenade länkar där genomsnittmåttet för länkarnas totallängd var ca 12mm och där länkarna uppvisade flera olika individuella utseenden och där den inbördes rörligheten mellan länkarna var minst lika god som hos en motsvarande kedja framställd av med varandra enligt äldre teknik sarmnanfogade länkar.

Trolíga framtida utvecklingstendenser Vid SLS- metoden utnyttjas som tidigare beskrivits idag en metallpulverblandníng som dock i framtiden kan komma att ersättas av ett med en mera lågsmältande legering ytbelagt basmetallpulver. Den därvid som ytbeläggning ingående mera lågsmältande lod-fasen skulle då komma att smältas ned av lasern medan den mera högsmältande bas-fasen endast till en viss del skulle tillåtas smälta vilket borde visa sig vara positivt och ge den slutgiltiga produkten en lägre restporositet.

Vidare kan användningsområdena komma att utvecklas till att omfatta flera typer av smycken, företrädesvis föremål som kompletterar kollektionema av halssmycken, halskedjor och armlänkar med exempelvis ringar och broscher. Förmågan att utnyttja möjligheten till komplexa geometrier och fimktioner, exempelvis låsfimktioner, utförda i en enda tillverkningsoperation lär ävenså utvecklas. Att skapa nya ytstrnkturer, tillgängliga endast genom tekniken, och nya legeringar är en naturlig utveckling.

I övrigt gäller att samtliga i texten angivna %-halter, där inte annat anges, avser vikts-%.

Uppfmningen har i övri gt defmierats i de efterföljande patentkraven. 3935 SE Korrigerad beskrivning efter slutfö (2005-l0-31).d0c

Claims (1)

1. §°" 091 Patentkrav 10 2G 6. Sätt att i ett och samma moment framställa ädelmetallprodukter såsom smycken och andra konstföremål som uppvisar komplexa geometrier kännetecknat därav att för framställningen utnyttjas ett förfarande som innebär en stegvis uppbyggnad av produkten ur ett skiktvis tillfört ädelmetallhaltigt utgångsmaterial som smälts eller sintras samman där massivt gods önskas. Sätt enligt krav 1 kännetecknat därav att för framställningen av produkten ifråga utnyttjas en CAD/CAM-styrd process av den typ som betecknas FFF-process (FriformsFramställning) och som innebär att ett pulvermaterial tillförs skiktvis och genom CAD/CAM-programmeringens styrning av en laser- eller elektronstråle innan nästa pulverskikt tillföres bibringas en åtminstone partiell nedsmälming som ger en bindning inom skiktet och med närmast föregående skikt där den önskade produkten skall bestå av fast material men lämnar pulvermaterialet obearbetat däremellan. Sätt enligt krav 1-2 att i ett och samma moment framställa ädelmetallprodukter med komplexa geometrier innefattande flera var för sig obrutna parter eller länkar som är rörligt men oskiljbart sammankopplade med varandra kiinnetecknat därav att det vid framställningen utnyttjade ädelmetallhaltiga pulvermaterialet vid den CAD/CAM-styrda nedsmälmingsprocessen inom varje pulverskikt lämnas obearbetat i ett område mellan de inbördes rörliga komponenter, till ett avstånd från varandra som överstiger maximidiametern för använt pulvermaterials komstorlek. Sätt enligt krav l-3 kännetecknat därav att pulverbyte till annat med det inledningsvis utnyttjade ädelmetallhaltiga pulvermaterialet kompatibelt pulvermaterial genomförs mellan två på varandra följande pulverskikt Sätt enligt krav 1-4 kännetecknat att det utnyttjas för framställning av smyckekedjor och/eller smyckelänkar och/eller smycken eller konstföremål med andra komplexa geometrier och/eller smycken eller konstföremål oavsett geometri eller topolo gi. Sätt enligt kravl -5 kännetecknat därav att den färdiga produkten utsätts för en 3935 SE Nya krav till PRV eller slutfö (2005-l0-24).d0c Öf? Û^4 F_; _71 efterföljande värmebehandling. 7. Sätt enligt krav 1-6 kännetecknat därav att den färdiga produkten utsättes för en till produktens önskade estetiska utseende anpassad mekanisk ytbehandling såsom en blästring eller polering. 8. Sätt enligt kravl-7 kännetecknat därav att den färdiga produkten utsättes för en till produktens önskade estetiska utseende anpassad kemisk ytbehandling såsom en etsning. 3935 si: Nya mv en mv em Sturm (zoos-iazonæ