SE527986C2 - Metallpulverblandning för framställning av ädelmetallprodukter och produkt - Google Patents

Description

527 986 vaxursmältningsmetoden (eng. "lost Wax method"), där en vaxmaster innesluts i gips som får stelna varefter vaxet smälts ur och ersätts av ädelmetallen, som alltså gjuts i det hålrum, som vaxet efierlärnnar. Denna metod medför att geometriska hänsyn måste tas till ingöt, eventuella luflkanaler mm samt delningslinjer för formen om denna är avsedd att användas för flera gjutningar. Om formen enbart är avsedd för en gjutning krävs inge förberedd formdelning men i samtliga fall ingår vaxets låga egenhållfasthet som en begränsande faktor för hur mastern och även den färdiga produkten kan utformas. Dagens tillverkningsmetoder medger inte heller direktfrarnställning av färdiga funktioner som exempelvis länkar annat än i mycket begränsad omfattning.

Genom föreliggande uppfinning har det alltså nu blivit möjligt att utnyttja den s.k.

FriForrnsFramställningstekniken (FFF) för framställning av ädelmetallprodukter med nya komplexa geometrier och unika ytsmikturer samtidigt som produktiviteten under tillverkningsskedet kan ökas och det hantverksmässi ga arbetet kan begränsas till förmån för formgivningen Uppfinningen har sålunda gjort det möjligt att utveckla kollektioner som halssmycken, halskedjor, armlänkar och ringar mm med komplexa geometrier och funktioner utförda i en enda operation samt även andra smycketyper. Den har vidare gjort det möjligt att på dessa kollektioner tillämpa nya ytstrulcturer, som blivit tillgängliga först genom för uppfinningen utmärkande nya legeringar.

Samtliga FriForrnsFrarnställriingsförfaranden, det finns nämligen flera idag använda dylika förfaranden, bygger på en CAD/CAM-modellerad och av CAD/CAM-programmet styrd skiktvis uppbyggnad av den önskade produkten (CAD = Computer Aided Design; CAM= Computer Aided Manufacture) FFF-tillverkningen sker således genom att material successivt adderas.

Detta till skillnad från äldre, mer välkända tillverkningsmetoder där man genom exempelvis fräsning eller svarvning subtraherar/tar bort material eller genom exempelvis pressning omfonnar materialet. Även om grundprincipema för FriForrnsFramställningsförfarandena sålunda är förut kända så känner vi ej till att något av dessa förfaranden skulle ha använts för direkt framställning av ädelmetallprodukter. Vi har inte heller kunnat finna några upplysningar om att därtill lämpliga c c .se o I u a. u av o L) ädelmetallbaserade pulvermaterial tidigare skulle ha funnits tillgängliga på marknaden.

Enligt ett av de idag kända FriForrnsFramställningsförfarandena, oftast benämnd som SLS- metoden [SLS = Selective Laser Sinteringj, sker materialuppbyggnaden genom laserstråle- eller elektronstrålestyrd sammansmältning eller sintring av pulverrnaterial. Varje påfört pulverskikt sintras eller smälts sarmnan inbördes och med föregående pulverskikt av den av CAD/CAM- programmet styrda laser- eller elektronstrålen där CAD/CAM-modellen anger att sammanhängande material krävs, medan övriga delar av pulverskikten lämnas obehandlade 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 FriF onnsFra1nställning utnyttjas generellt metallpulverblandningar innefattande åtminstone en mera högsmältande och en mera lågsmältande pulvertyp där blandningens mera lågsrnältande komponent, lod-fasen, under inverkan av den av CAD/CAM-prograrnmet 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 minskas den färdiga produktens restporositet.

Vid en annan FFF-metod utnyttjas ett metallpulvermaterial som helt smälts av den produktdefinierande laser- eller elektronstrålen 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 infiltreras till slutgiltig hållfasthet.

Grundtanken bakom föreliggande uppfinning är sålunda att erbjuda nya typer av metallpulvennaterial med en tillräckligt hög ädelmetallhalt för att därur framställda produkter skall kunna kontrollstärnplas. Dessa material skall kunna utnyttjas tillsammans med flera typer av FFF-metoder även om vi för vår del för våra tester av uppfmningen valt att utnyttja den ovan Omnämnda SLS-metoden med flerkomponentspulver. Våra mer detaljerade exempel längre fram i 527 986 texten kommer därför att avse försök utförda enligt den metoden.

När det gäller smycken och andra konstföremål är det som regel varken den färdiga produktens hållfasthet eller det däri ingående godsets porositet som är kritiska i sammanhanget. Däremot laävs att de färdiga produktema får en ädelmetallhalt som gör att dessa kan kontrollstärnplas.

Vissa krav på materialets mekaniska egenskaper måste dock vara uppfyllda även vid smycken och andra konstföremål. Om smycket skall innehålla infattade stenar måste t ex grundmaterialet vara tillräckligt forrnbart för att kunna formas runt stenarna och samtidigt tillräckligt starkt för att säkerställa att stenarna inte lämnar sina infattningar. Jämfört med de verkstadstekniska kraven är således materialkraven väsentligt lägre men de kan för den skull inte negligeras.

För alla aktuella 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 modifieras på ett estetiskt sätt genom t ex etsning, polering, blästring eller annan kemisk eller mekanisk ytbehandling.

Den största fördelen med FriForrnsFrarnställningsförfarandena är att vid dessa byggs den önskade produkten upp helt fiitt utan verktyg vilket även gör det möjligt att bygga upp mycket komplicerade detaljer som även kan uppvisa flera invändiga håligheter utan förbindelser med varandra. Detta 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 produkterna. FriForrnsFramställningsförfarandena erbjuder sålunda formgivaren en i princip total geometrisk frihet på ett sätt som man inte tidigare kunnat uppnå vid konventionell svarvning, fräsning och gjutning. Fördelen med FriForrnsFramställnings är helt enkelt att där aldrig ställs några krav på bearbetningsutrymmen eller åtkomstmöjligheter för verktyg. I smyckesammanhanget erbjuder denna teknik speciella fördelar då det gäller att i en enda operation framställa flera med varandra rörligt samrnankopplade var för sig obrutna parter såsom alla typer av smyckekedjor och länkar och 0 n coca o I to noob o on 527 986 andra relativt varandra rörliga och länkformade objekt.

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 komponenternas relativrörelser mot varandra anliggande kantdelar i CAD/CAM-modellen placeras med ett tillräckligt spel mellan varandra och därvid väljer man lärnpligen ett mellanläge mellan ändlägena rörde i produkten ingående relativt varandra rörliga parternas rörelsemönster, där ingen som helst kontakt föreligger mellan partema Som redan beskrivits utgörs utgångsmaterialet vid FriFormsFramställning av ett pulver och detta ger vid framställningen av smycken goda möjligheter att variera ytstrukturen tör det färdiga smycket genom utnyttjande av pulver av olika sammansättningar och olika komstorlekar liksom olika laser- eller elektronstråleparametrar. Möjligheter finns även att under tillverkningsprocessens gång byta pulver mot ett som ger en annan färg, ytstruktur eller lyster och som därigenom den färdiga produkten en annan estetisk dimension. Därvid måste man emellertid beakta att ersättningspulvret 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 finhaltskravet för kontrollstämpling innebär att silvertöremål måste kunna uppvisa en silverhalt om åtminstone 800/ 1000 alternativt 925/ 1000 medan kontrollstärnplingskravet för guldtöremål innebär att den slutgiltiga produkten skall vara på 14 alternativt 18 karat vilket innebär att den skall innehålla 585/ 1000 resp 750/ 1000 delar guld. På motsvarande sätt gäller för platina ett finhaltskrav på 850/ 1000 för kontrollstärnpling.

För att kunna utnyttjas inom den tidigare presenterade SLS-metoden måste ett ädelmetallbaserat pulverrnaterial uppfylla flera grundkrav av vilka det första är att pulvret måste innehålla dels minst en loclfas eller ett lodmaterial med en lägre smältptnikt eller en högre laserabsorption dels oo n u n oo u Ons oc :Ino I n o 0 0 o none en 527 986 u q o ø .o n u n n o r n u o n n nu nu minst en basfas eller ett basmaterial med en högre smältpunkt alternativt lägre laserabsorption.

Lodmaterialets främsta uppgift i sammanhanget är att genom lasems inverkan genom smältníng sintra samman baspulvrets kom till en enhet. För att kunna uppfylla denna sin upp gift vid smältfassintringen måste lodmaterialet i smält tillstånd väta baspulverkornen. När det gäller lodmaterialet och basmaterialet så firms det inget som hindrar att dessa var for sig utgörs av flera olika pulverkomponenter samtidigt som den för kontrollstämplingen nödvändiga ädelmetallhalten i huvudsak kan vara koncentrerad till främst en av dessa faser eller fördelad på samtliga.

Huvuduppgifien för lodfasen är att binda samman basfasens pulverkom och basfasens huvuduppgift att svara för produktens dirnensionsstabilitet och mekaniska hållfasthet kvarstår alltid.

För att kunna utnyttjas vid SLS-metoden måste pulvret materialet 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 pulvennaterialet även ingår ett lodmaterial i vilket även samtliga som ädelmetaller ansedda metaller kan ingå tillsammans med koppar och smältpunktsnedsättande legeringsärrmen såsom zink, bor, aluminium, galliurn, indium, kisel, germaniurn, tenn, fosfor, antimon och vismut. Även tillsatser som har en klart förbättrande effekt på den smälta legeringens flytbarhet och vätningsförrnåga kan ingå. Som exempel på dylika s.k. flussmedel som kan integreras i pulverrnaterialet kan nämnas fosfor, bor, kisel och i övrigt metalliska element som har större affinitet till syre än koppar Genom olika val av legeririgsärrmen kan den färdiga produktens slutliga färg varieras på ett sätt som kan ge formgivaren goda variationsrnöjligheter.

Detta kan komma att betyda att man vid utnyttjande av pulvermaterial som innefattar flera olika pulvermaterial kan komma att eftersträva att få dessa materials färger att ligga så nära varandra som möjligt alternativt att man kan eftersträva stora fargskillnader mellan de olika pulverkomponenterna. De enda begränsningar som där kan uppställas är att de olika pulvermaterialens färger av det mänskliga ögat skall upplevas som estetiskt tilltalande. Lika färger kan betyda snarlika sammansättningar i lod- och basmaterial medan stora skillnader 527 986 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 metallema iridium, rohdium, rutheniurn, palladium, osmium och renium samt legeringar innehållande dessa metaller. Visserligen är som redan tidigare angivits avsikten med föreliggande uppfmning att erbjuda utgångsmaterial för framställning av ädelmetallprodukter med tillräcklig ädelmetallhalt för att produktema skall kunna kontrollstämplas men detta inverkar inte på vad som i sammanhanget avses med en ädelmetall.

Enligt föreliggande uppfinning skall det däri ingående basmaterialet, vars huvudfunktion och nödvändiga egenskaper redan presenterats, i första hand utgöras av guld, silver eller platina samt legeringar därav i vilka även kan ingå samtliga övriga ädelmetaller samt givetvis även gängse föroreningar. Vidare gäller för uppfinningen att däri även skall ingå ett lodmaterial i vilket även samtliga som ädelmetaller ansedda metaller och koppar kan ingå som legeringsämnen tillsammans med ett eller flera av legeringsmetallema zink ,bor, aluminium, gallium, indium, kisel, germanium, tenn, fosfor, antimon och vismut Utan att i sig själva kurma räknas in bland ädelmetallema finns även möjlighet att framställa mycket attraktiva smycken av stål och då kanske främst nickelfiitt rostfritt stål samt av titan.

Dessa bägge metaller och legeringar lämpar sig mycket bra för att utnyttjas i samband med uppfinningen. Motivet för att rälma in stål och titan i sammanhanget är dessa metallers lämplighet som smyckematerial eftersom dessa metaller erbjuder designern intressanta altemativ framförallt om de kombineras med en eller flera verkliga ädelmetaller.

Utförda tester Inom guldområdet har en rad olika pulverblandningar testats. Basmaterialet i dessa tester har huvudsakligen utgjorts av en 18-karatig guldlegering med sammansättningen 75 % Au-, 12,5 % Ag-, 12,5 % 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 några av oo n I 0 00: c neon n u I n l u u ciao se g 527 986 n one o o o n n o 1 no 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 lS-karatiga guldtöremål har lodmaterial med sammansättning inom lntervallen 60-80 % Au, 0-15 % Ag, 5-15 % Cu, 5-15 % Sn och 0-2 % P fungerat väl. Speciellt intressant har ett lod med sammansättningen 75 % Au, 10-15 % Cu, 10-15 % 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 % Au, 10 % Sn-pulver och 87 % Cu, 7 % P, 6 % Sn-pulver i proportionen 31321. 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 som regel legat under 10 volym- % vilket måste anses som helt tillfredställande.

Vid två av våra tester framställde vi efier nödvändiga CAD/CAM-íörberedelser i sammanhängande maskinmoment halskedj or i guld- resp silverlegeringar vardera bestående av ett sextiotal med varandra rörligt men odelbart förenade länkar där genomsnittsmåttet 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 vid en motsvarande kedja framställd av med varandra enligt äldre teknik sammanfogade länkar.

Trgliga framtida utvecklingstendenser Vid SLS- metoden utnyttjas som tidigare beskrivits idag en metallpulverblandning som dock i framtiden kan komma att ersättas av ett med en mera lâgsmältande legering ytbelagt basmetallpulver. Den därvid som ytbeläggning ingående mera lågsmältande lod-fasen skulle då komma att smältas ned av lasem 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, halskedj or och arrnlänkar med exempelvis ringar och broscher. Förmågan att utnyttja möjligheten till komplexa geometrier och furiktioner utförda i en enda operation lär ävenså utvecklas. Att skapa nya ytstrukturer, tillgängliga endast genom tekniken, och nya legeringar är en naturlig utveckling.

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

Uppfinningen har i övrigt definierats i de efterföljande patentkraven.

Claims (1)

1. 527 986 IO Patentkrav 1. Metallpiilverblandning för fiamställning av ädehnetallprodukter, med ett på förhand formgivet utseende och en tillräckligt hög ädelmetallhalt för att kunna kontrollstämplas i enlighet med gällande lagar och framställda medelst en FriFonnFrarnställning (FFF) i form av en CAD/CAM-styrd process under vilken pulvermaterialet skiktvis tillförs och bringas till en metallurgisk bindning inom de områden av respektive skikt och mellan dessa däri CAD/CAM-prograrnmeringen lagrad information anger att produkten skall utgöras av fast material, kännetecknat därav att pulvermaterialet skall uppvisa en total ädelmetallhalt av minst 50 víkts-% och innefattar baspulverkom och minst ett metalliskt lodmaterial, vilket under produktens framställning, smälts ner och vilket i smält fas väter övriga komponenter, som ingår i pulvret, och har en kornstorlek, pulverform och andra egenskaper anpassade till den aktuella CAD/CAM-kontrollerade FFF-processen, och varvid det i lodrnaterialet ingår minst ett metalliskt element som har en större affinitet till syre än koppar och som ger en inbyggd flussverkan på en av pulvret bildad smälta 2. Pulver enligt krav l kännetecknat därav att det innehåller endast en ädelmetall eller metallegering och har en partikelstorlek om max l00pm och består av kompakta pulver- partiklar framställda genom gas- och/eller vattenatomiseririg. 3. Pulver enligt lcrav 1 kännetecknat därav att det består av en pulverblandning inne- fattande minst två olika pulvermaterial av vilka det ena (lodmaterialet) har en lägre smältpunkt vilken är tillräckligt låg för att materialet skall kunna smältas ner helt och hållet av den laser- eller elektronsuåle som används vid framställningsprocessen ifråga och i smält fas väter ingående material som har en högre srnältpunkt, varvid det pulver- material som har den högre smältpunkten (basmaterialet) utgör 60-90% av hela pulver- mängden. ass: ss -Ånafingarimv 1 0 2 - zoos-oa-ziaoc 527 986 Å fiuflh-a... “u fblåï9å ' 'lit pulver som i ren eller legerad form, består av en eller flera av ådelmetallerna Au, Ag, Pt eller Pd i en sammanlagd mängd av minst 50%. 5, Pulver enligt krav 3-4 kännetecknat därav att basmaterialet består av ett pulver som har 14-18 karats guldhalt. 6. Pulver enligt krav 3-4 kännetecknat därav basmaterialet till åtminstone 80% utgörs av silver. 7. Pulver enligt krav 3-6 kännetecknat därav att däri ingående lodrnaterial består av åtminstone ett pulvermaterial vars totala halt av ädelmetall är minst 50% och vars smält- punkt är åtminstone 50°C lägre än basmaterialets smältpunkt. 8. Pulver enligt krav 3-6 kännetecknat därav att däri ingående lodmaterial uppvisar en sammanlagd Au halt om minst 50% och då företrädesvis minst 75% för 18 karatiga guldtöremål resp. minst 58,5% för 14 karatiga guldiöremål samt i övrigt innehåller något eller några av grundämnena Cu, Ag, Zn, Ga, In, Si, Ge, Sn, P, eller Sb. 9. Pulver enligt krav 3-7 kännetecknat därav att däri ingående lodomaterial innehåller 75% Au samt 0-15% Ag, 0-20% Sn, 0-5% Si, 0-12% Ge och 0-5% P. 10. Pulver enligt krav 3-7 kännetecknat därav att däri ingående lodmaterial innehåller 75% Au, 10-15% Cu, 10-15% Sn och 0-5% P. ll. Ädehnetallbaserad produkt framställd ur ett pulvermaterial i enlighet med endera av kraven 1-10 kännetecknar! därav att den har framställts i enlighet med ett FFF-ßrfar- ande av ett ådelrnetallhaltigt pulvermaterial och därvid givits en ädelmetallhalt som uppfyller de lagstadgade kraven för kontrollstämpling. 3983 sE - Ändringar i mv 1 o 2 - 200604-21 .dec