本申请是申请日为2006年1月16日、申请号为200680001291.X、发 明名称为“用于成形生坯体的方法和由该方法制成的制品”的发明专利申请 的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于使生坯体成形并由此形成烧结制品的过程。更具体地， 本发明涉及在烧结前采用能量流和/或物质流来切削和成形生坯体半成体， 从而制造具有基本呈烧结制品形状的生坯体，然后烧结此成形生坯体以形成 烧结制品。
背景技术
设计和制备生产用的工具、机加工部件或其它金属或陶瓷组件是复杂而 耗时的。生产具有正确尺寸和特性的金属或陶瓷制品所需的可重复连续过程 已经成为重要且昂贵的问题，特别是考虑到一些最近所研发的生产制品具有 的复杂性。如果结合用于优化金属或陶瓷制品所需的重复生产步骤的数目， 则与研发相关的较长的交付完成时间和高成本，增大了投入市场的时间以及 相关成本。
针对于此，已经启动了研发来形成快速原型设计以及制造技术。计算机 辅助设计和生成原型的精确三维计算机图像(有时通过扫描实体模型而获得 的图像)的能力，已经部分地能够使重复处理能够控制虚拟图像，而非物理 实体模型。
快速原型设计也已经导致快速的机加工，所述快速机加工为间接方法， 用于从由快速原型设计过程所产生的模具来生产加工模型。通过操纵计算机 图像可精确设计虚拟对象，然后，此虚拟对象用于在实际制备物理对象之前 制造物理模具。然后，通过这些过程所制备的物理对象可被测试以确定任何 一个对象是否能够用于所希望的用途。
快速原型设计技术已导致快速生产系统。这些快速生产系统已将计算机 辅助原型设计能力与诸如立体印制的计算机辅助生产技术进行集成。其它的 快速生产技术包括：喷射固化、三维焊接、成形-沉积生产、和基于激光的 生产系统。流行的基于激光生产技术包括：选择性激光烧结、直接金属激光 烧结、和激光工程网络成形。
这些基于激光的制造技术，通过使用激光在某一时间针对单层的金属或 陶瓷粉末进行烧结或固化，来逐层构建原型，直到完成制品的生产。而且， 有可能需要另外的烧结和金属渗透步骤来生产加工件。另一方面，这些基于 激光的生产技术不适合用来制备复杂制品，这些复杂制品具有的突起、悬垂、 或其它特征难以通过在某一时间针对单层而制备。另外，这些技术一般而言 不适合用于生产体积较大的最终使用制品。因此，对于快速生产过程的改进 而言，仍然存在需要以生产高度精确的原型以及最终使用制品。
对于金属部件生产有利的一个领域为正牙领域。正牙支架已经广泛用于 校正牙齿畸形，例如扭曲牙或齿间的大间隙。相应的治疗可包括：将力施加 到牙齿上，以便移动牙齿以进行正确对准。支架被设置为将力提供到正在被 对准的呈弧形的牙齿。每一个支架具有结合表面，其被设置为附着到牙齿。 在所述结合表面与牙齿之间形成一种结合，其能够承受在治疗期间正确对准 牙齿所需的力。
不同类型的材料已经用于制造正牙支架，包括金属、聚合物和复合材料。 金属通常被用于支架，这是由于其强度以及其可被制造成不同形状的能力。 通过模制和烧结金属颗粒，或者通过将金属件碾磨成基托形状，可形成支架。 生产正牙支架的一种方法包括：在模具中形成金属生坯体并将其烧结为最终 部件。
典型地，使用粘合剂在支架的结合表面与牙齿之间形成化学结合。凹进 或底切可增加牙齿支架与牙齿之间的结合强度，这是因为粘合剂可以填充在 这些物理形式中并硬化，从而为所述结合提供机械特性。模具可以被设置为 包括在基底表面中的凸起部分，凹进部分，或不规则部分。可替换地，金属 支架可被切削或成形，以包含凹进或底切。这可以通过采用激光或其它碾磨 装置而切削为硬化金属结合表面而实现。采用激光来切削和碾磨金属支架， 由于烧焦、黑化或氧化，可能会降低支架的生物相容性。
因此，需要的是，改进用于生产和成形诸如正牙支架的金属或陶瓷制品 的过程，而不必切削或碾磨硬化的金属或陶瓷材料。另外，对于上述的制造 过程有益的是，需要在某一时间针对单层而生产原型或加工制品。
发明内容
通常，用于成形生坯体的方法的实施例，可提供具有所希望形状的生坯 体，所述形状大致为由其所制备的烧结制品(例如，正牙支架或支架基托) 的形状。这种方法包括将可烧结颗粒与有机粘合剂的混合物模制为初始生坯 体的形状。另外，所述方法进一步包括：采用能量流和/或物质流成形初始 生坯体，以获得具有所希望形状的成形生坯体。为便于成形，初始生坯体半 成体包含多个可烧结颗粒和有机粘合剂，有机粘合剂的量和分布足以将所述 多个可烧结颗粒保持在一起，从而在成形期间去除可烧结颗粒时形态稳定。 成形生坯体的特征在于，其上具有至少一个“流切削表面”。
在另一实施例中，一种制造方法可提供包含烧结体的生产制品。此方法 包括将可烧结颗粒与有机粘合剂的混合物模制为初始生坯体半成体的形状。 采用能量流和/或物质流成形初始生坯体半成体，产生了具有所希望形状的 生坯体，其中所述形状基本上为最终烧结制品的形状。另外，执行烧结成形 生坯体以生产具有所希望形状的制品。
另一实施例包括用于制备流成形生坯体的初始生坯体。初始生坯体包含 多个可烧结颗粒，其中可烧结颗粒包括金属材料或陶瓷材料中的至少一种。 另外，生坯体包含有机粘合剂基体，其中所述有机粘合剂至少部分地涂覆于 所述多个可烧结颗粒中的每个可烧结颗粒。有机粘合剂的特征在于，其具有 的包围所述多个可烧结颗粒的一部分的厚度将一个可烧结颗粒与另一个可 烧结颗粒分开；粘性足以将所述多个可烧结颗粒保持在一起；并且形成稳定 形态的主体，其中，所述多个可烧结颗粒初始时通过粘合剂而被结合在一起， 其中，所述稳定形态的主体能够采用能量流或物质流中的至少一种而成形， 同时在不经受流去除过程的区域中保持形态稳定。
在制造正牙支架的情况下，成形生坯体的外表面可包括通过能量流和/ 或物质流而形成的至少一部分，其具有的轮廓特征在于包含金属颗粒的多个 凹进和/或高部。这些凹进和/或高部在烧结而产生最终支架之后保留下来。 在结合表面的情况中，所述凹进和/或高部，例如通过在这些凹进和/或高部 以及增加的表面面积之中和周围的粘结剂的机械互锁，而帮助将支架结合到 病人的牙齿。通过采用能量流和/或物质流，可形成金属生坯体的其它部分 (例如，弓丝槽，带翼等)。在一些实施例中，在通过用于成形的激光或者 其它能量流的热而进行烧结之前，在生坯体表面处或其附近所置的金属颗粒 的至少一部分可被熔合在一起。
典型地，被能量流和/或物质流去除的金属或陶瓷颗粒，并不再次沉积 到金属生坯体的表面上，而是完全被去除并遗弃。可烧结颗粒是否再次沉积， 主要取决于有机粘合剂熔化、燃烧或分解时的温度与可烧结颗粒熔化或汽化 时的温度之间的关系。所述温度之差越大，则越有可能使激光或其它能量流 熔化、燃烧或分解粘合剂而且又实际上并不熔化或汽化可烧结颗粒。另外， 根据在此所包括的示范说明，本领域技术人员可以选择能量流(例如，激光) 和/或切削过程，来确保清洁去除可烧结颗粒，以防止它们再次沉积在金属 生坯体表面上。
本发明的一个实施例提供一种形成正牙支架生坯体的方法。所述方法可 包括：将可烧结颗粒引入(例如，注入)模具中，并将粘合剂引入(例如， 注入)所述模具中，粘合剂的量足以将可烧结颗粒保持在一起。可烧结颗粒 和粘合剂可形成为初始生坯体，有利地形成为大致的正牙支架和/或基托的 形状。可替换地，初始生坯体可被压制为一种形态，该形态可被进一步成形 为正牙支架的形状。
使用能量流和/或物质流切削外表面，以形成正牙支架和/或基托的任何 特征，从而成形初始生坯体。而且，金属生坯体，或者更具体地，金属生坯 体的呈结合表面形状的表面，可采用能量流和/或物质流而具有形成于其上 的多个高部、凹进和/或底切。
为了由成形生坯体形成正牙支架和/或基托，本发明提供了另一实施例。 相应地，金属生坯体可通过将成形生坯体烧结为烧结体而被加工为正牙支架 和/或基托。烧结体的外表面限定了正牙支架的形状，并且可包括由能量流 和/或物质流而在其上成形的至少一个部分。成形部分通过在烧结之前采用 能量流和/或物质流切削初始生坯体而形成。这可能导致金属烧结体的成形 部分基本上免于烧焦，而烧焦经常发生在金属体通过激光被切削时。而且， 成形部分可为凹部(例如，底切)，其形成于外表面中，或者更具体地，其 形成于正牙支架和/或基托上的结合表面中。
无论烧结体实际上是否基本上呈最终烧结支架的形状，成形生坯体通常 比最终支架大了大约15-30％，因而其本身并非正牙支架。除了尺寸较大 之外，成形生坯体缺乏足够的强度来应对在正牙处理期间实际支架所承受的 强扭力(例如，由于弓丝在弓丝槽中紧靠支架以在治疗期间重新定位病人的 牙齿)。当成形生坯体被烧结时，其收缩至正牙支架的尺寸，并获得足够的 强度来用作正牙支架。
本发明的这些和其它优点和特征将由下文描述和所附的各权利要求中 变得更为详尽和明显，或者可通过对本发明的如下文所述实践而获知。
附图说明
为进一步使本发明的上述和其它优点和特征变得清晰，将参照各附图中 所图示的特定实施例，对本发明进行更为具体的描述。可以理解的是，这些 附图所图示的仅仅是本发明的典型实施例，因此，不应被认为是对本发明的 范围的限制。通过使用各附图，本发明的另外的特征和细节将被描述和阐释， 所述附图中：
图1是图示了以正牙支架为形式的成形生坯体的实施例的侧视图；
图2是图示了可通过对可烧结颗粒进行流去除而由单一的初始生坯体 成形的成形生坯体的不同实施例的示意图；
图3A和3B是流切削表面的示例性形貌的实施例的横截面视图；
图4是图示了用于制备成形生坯体的系统的实施例的示意图；
图5是图示了用于由成形生坯体制备烧结体的系统的实施例的示意图；
图6是图示了用于对于形成初始生坯体所用的颗粒和粘合剂成分进行 处理的系统的实施例的示意图；
图7是图示了扫描和/或成形系统的实施例的示意图；
图8是图示了流切削装置的实施例的示意图；
图9A是图示了流切削喷嘴的实施例的示意图；
图9B是图示了同轴流切削喷嘴的实施例的示意图；
图9C是图示了同轴流切削喷嘴的实施例的示意图；
图10是图示了三维流切削系统的实施例的示意图；
图11是图示了根据本发明而形成的示例性正牙支架的立体图；
图12A是图示了呈正牙支架形状的示例性生坯体的侧视图；
图12B是图示了呈正牙支架基托形状的示例性生坯体的侧视图；
图13A和13B是图示了形成正牙支架的结合表面的一部分的生坯体的 示例性实施例的侧视图；和
图14A-14C是图示了形成正牙支架的结合表面的一部分的金属生坯体 的示例性实施例的侧视图。
具体实施方式
本发明的实施例包括：包含金属或陶瓷颗粒在内的初始生坯体，由初始 生坯体制备的成形生坯体、由成形生坯体制备的烧结体、以及它们的制造和 使用方法。初始生坯体通过能量流和/或物质流中的至少一种而成形，以便 在被烧结为最终的硬化制品之前具有所希望的形状。
I.概括定义
如在此所使用的用词“生坯(green)”意在指代所制造制品的状态， 其中，所述制品包括通过有机粘合剂而保持在一起的诸如金属或陶瓷颗粒的 多个烧结颗粒。这样，初始生坯体可以通过能量流和/或物质流而成形，以 便形成成形生坯体。
如在此所使用的用词“成形(shape)”、“形成(form)”之类意在 确定所制造制品的三维结构或外观。这样，齿轮形状的生坯体可以被解释为 表明此生坯体看起来像齿轮，尽管它所具有的成分、尺寸和配比 (proportionality)可以不同于通过烧结此齿轮形生坯体而制备的实际齿轮。 例如，形状类似齿轮的生坯体将具有齿轮的外观，不过比经烧结的齿轮大了 大约10％至大约30％。它也缺乏足够强度来实现预期功能。这种强度通常 通过烧结而实现。
如在此所使用的用词“流切削(stream-cut)”意在指代如下处理，即， 使用诸如激光束或电子束的能量流或诸如水喷射流的物质流而将对象切削 为颗粒流，来将物品或制品制备为具有所希望的形状。通过流切削，物品或 制品被切削而改变形状。“流切削表面”是指通过采用能量流或物质流中的 至少一种来去除烧结颗粒而形成的表面。
如在此所使用的用词“激光切削(laser-cut)”意在指代如下处理，即， 通过采用激光来切削对象，使得物品或制品成形为具有所希望的形状。通过 激光切削，物品或制品被激光所切削而改变形状。
如在此所使用的用词“能量流(stream of energy)”意在指代沿着大致 线性的轨迹而传播的能量束或能量流。这样，能量流可以包括激光束或其它 电磁辐射束。另外，诸如等离子体、离子或电子的原子或亚原子量级的材料 束，也被认为是能量流。原子或亚原子的能量流的实例包括电子束、放电、 等离子体束、离子束以及类似物。
如在此所使用的用词“物质流(stream of matter)”意在指代沿着大致 线性的轨迹而流动的物质，其中所述物质大于原子量级，并包括微观颗粒和 宏观颗粒。宏观的物质流的实例包括水射流、流体射流、化学射流、喷砂流、 以及类似物。
含量、数量、颗粒尺寸和其它数字数据可按照范围的格式来表示。可以 理解的是，这种范围格式的使用仅仅是出于方便简洁的考虑，并且应该易于 被理解为不仅包括被明确列举所述范围的限值的数字值，而且包括由该范围 所涵盖的所有单独的数字值或子范围，就如同所述数字值和子范围的每一个 被明确列举那样。例如，可烧结颗粒在不同生坯体合成物中呈现的占总重量 的百分数可在大约50％至大约98％的范围中。这种所列举的范围应被理解 为不仅包括明确列举的限值大约50％和大约98％，而且包括诸如55、62、 70和88这样的单独的成分百分比，以及在这些单独百分比之间的子范围。 无论所描述的范围大小或特征如何，这样的解释均适用，并且还适用于具有 上数字值和下数字值的范围以及仅列举了一个数字值的开放端范围。
II.生坯体合成物
在一个实施例中，用于制备生坯体的基于金属的合成物可以包括多种可 烧结金属颗粒。金属颗粒可包括例如铝、镍、钛、铜、钴、不锈钢及类似物、 以及各种它们的合金。在更为具体的示例中，金属颗粒可由镍-钛合金粉末 组成。更具体地，优选的是，金属颗粒可由金属组成，所述金属可以被粉碎 和/或粉末化并在此之后被烧结。例如，如果希望得到抗腐蚀不锈钢齿轮， 则可以使用预合金化的细晶不锈钢粉末。
在一个实施例中，用于制备生坯体或其半成体的基于陶瓷的合成物可以 包括多种可烧结陶瓷颗粒。可烧结陶瓷颗粒或颗粒中材料的实例包括：羟磷 灰石、莫来石、结晶氧化物、非结晶氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼 化物、磷化物、硫化物、碲化物、硒化物、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化 锆、氧化铝-氧化锆、碳化硅、碳化钛、硼化钛、氮化铝、氮化硅、铁氧体、 硫化铁、及类似物。同样地，根据本发明，在制备根据本发明的可烧结生坯 体的过程中，可使用任何可烧结陶瓷颗粒。
相应地，在制备初始生坯体的过程中，可使用各种类型的可烧结金属和 /或陶瓷粉末。在一些情况下，使用通过烧结所述生坯体而制备的制品，将 需要特定的可烧结材料，以便提供所希望的或所需要的物理特性。同样地， 对于用于特定类型的制成制品的材料的种类，存在优选或限制。其原因部分 地在于，不同制品可能需要承受使用中所施加的力，这些力引起不同量级的 应力或应变。在一些情况下，对于烧结体而言优选的是，具有高量级的强度 和韧性，从而在正常使用中不易受损。可替代地，可能存在某些环境，其中 优选可弯曲的或高挠性的烧结制品。一些制品可能需要忍受非常高或非常低 的温度。因此，存在某些情况，其中优选金属颗粒而非陶瓷颗粒，或者与此 相反。
相应地，根据本发明所用颗粒的特性，可以依赖于成形生坯体以及烧结 制品的结构。烧结制品的尺寸和表面质量可部分地确定颗粒的尺寸，例如， 较小的制品或具有光滑表面的制品可能需要较小的颗粒。例如，可烧结颗粒 的平均直径通常可在从大约0.01μm至大约5mm的范围之内。优选的较小 颗粒的范围为大约0.1μm至大约50μm；更优选的范围为大约0.5μm至 大约25μm；最优选的范围为大约1μm至大约10μm。另一方面，优选的 较大颗粒的范围为大约50μm至大约5mm；更优选的范围为大约100μm 至大约1mm；最优选的范围为大约0.25mm至大约0.75mm。另外，有利的 是，使用在优选的较小颗粒范围中的较小颗粒与所述较大颗粒范围中的颗粒 的组合。
另外，可烧结颗粒在生坯体合成物中的含量，能够根据多种因素而产生 大幅度的变化，所述多种因素例如为：颗粒尺寸、金属或陶瓷的类型、有机 粘合剂的量和类型、和成形生坯体以及由此所制备的烧结制品的物理特性。 例如，可烧结颗粒相对于生坯体合成物的重量百分比可呈现于大约25％至 大约98％的范围中，优选地其重量百分比在大约35％至大约95％的范围中， 更优选地其重量百分比在大约50％至大约90％的范围中，而最优选地其 相对于生坯体合成物的重量百分比在大约60％至大约85％的范围中。另一 方面，当包括金属、陶瓷、碳化物或其它增强填充物时，所述可烧结颗粒可 呈现较低的含量。
为了将可烧结颗粒结合在一起，基于金属或陶瓷的合成物包括有机粘合 剂。根据本发明可用于将可烧结颗粒结合在一起的有机粘合剂的实例包括： 各种聚合物、聚烯烃、硅树脂、丙烯酸树脂、胶乳、蜡、油类、油脂、增塑 剂、木素磺酸盐、多聚糖、纤维素及其衍生物、淀粉及其衍生物、其它天然 聚合物(例如，蛋白质)、天然橡胶以及合成橡胶，等。聚合粘合剂的更为 具体的实例可包括：聚丙烯、聚乙烯、丙烯酸类聚合物、聚苯乙烯、聚(乙 烯-醋酸乙烯酯)、聚(乙烯-乙烯醇)、聚乙烯醋酸酯(polyethylene acetate)、 氯化聚乙烯、聚异戊二烯、聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯的二、三嵌段聚合物、 聚氯丁二烯、聚乙烯-丙烯共聚物、氯磺化聚乙烯、聚氨酯、苯乙烯-异戊 二烯共聚物、苯乙烯-乙基丁烯共聚物、苯乙烯-丁二烯橡胶胶乳、聚氯丁 二烯胶乳、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚二甲基硅氧烷，等。 可以理解的是，可以使用其它本领域公知的有机粘合剂，以便将可烧结颗粒 结合到生坯体合成物中，用于根据本发明进行处理。
相应地，在制备生坯体过程中所使用的合成物包括粘合剂，该粘合剂在 所述多个可烧结颗粒中的量和分布足以将可烧结颗粒保持在一起。另外，由 金属和/或陶瓷颗粒以及粘合剂组成的初始模制生坯体或半成体可被充分地 挤压或压缩，从而形成稳定形态并且能够易于保持形状且自支撑。更具体地， 粘合剂的量和分布足以使生坯体半成体采用物质流和/或能量流而被成形， 例如采用激光、水射流、或电子束而被成形。这样，有机粘合剂可将可烧结 颗粒保持在一起而形成所希望的形状，并且在成形过程中将颗粒一直保持在 一起。
另外，与可烧结颗粒混合的有机粘合剂在生坯体合成物中的含量可根据 前述因素而大幅度变化。例如，有机粘合剂相对于生坯体合成物的重量可以 呈现于大约2％至大约75％的含量范围之内，优选地处于大约5％至大约 65％的重量百分比范围内，更优选地处于大约10％至大约50％的重量百分 比范围内，最优选地处于生坯体合成物重量的大约15％至大约40％的范围 内。如前所述，可以理解的是，可使用可烧结颗粒相对于粘合剂的任何比率， 只要生坯体或半成体被充分保持在一起用于采用能量流或物质流而被处理 和成形即可。
在一个实施例中，有机粘合剂可以按照一定的量和分布而与可烧结颗粒 混合或组合，所述的量和分布足以形成能够被注入模具中的可流动的颗粒- 粘合剂合成物。这种可流动的颗粒-粘合剂合成物可以被预先混合，从而将 粘合剂分布于可烧结颗粒周围和/或可烧结颗粒之间。所述过程可包括：将 粘合剂粘附到颗粒上并且提供介质从而使颗粒悬浮。
下文中将更详细地论述根据本发明的生坯体和用于制造生坯体的各种 工艺的实例以及可以由成形生坯体制备的制品的类型。
III.生坯体
图1示出了形状为正牙支架10的生坯体12的实施例。生坯体12包括 由有机粘合剂保持在一起的可烧结的金属和/或陶瓷颗粒，其中正牙支架10 的形状由外表面16限定。相应地，生坯体12包括至少一个带翼(tie wing) 18，其特征在于具有邻接到叶片凹部30的叶片(lobe)28。而且，生坯体 12具有向上侧(或唇侧)开口的弓丝槽20。如图所示，生坯体12包括结合 表面22，其具有包括多个突起和底切的轮廓。
在本实施例中，外表面16包括至少一个流切削(例如激光切削)表面 32a，其具有的轮廓的特征在于，通过从生坯体12去除可烧结颗粒和粘合剂 而形成的多个底切24。一般而言，通过这种形成特征的切削所形成的特征 能够宏观可见或微观可见。如在此使用的用词“宏观”可以包括不需要任何 放大就能通过肉眼所见的特征。可替代地，在此使用的用词“微观”指的是 需要采用放大以便使所述特征可见。
在一个实施例中，生坯体12可具有在外表面16上的另一个流切削表面 32b。该流切削表面32b被切削成生坯体12，从而去除显著量的生坯材料， 以便形成正牙支架10的形状。相应地，生坯体12可以初始具有如虚线34 所示的方形截面区域(例如，初始生坯体)。更具体地，生坯体12的第一 部分36可被切离于生坯体的第二部分38，从而在切削处形成激光切削表面 32b。
另外，可以形成较小的流切削表面32c，即，仅仅去除最小量的生坯体 材料，或者对于先前的切削进行精切削。因此，形成特征的流切削表面32a、 显著的流切削表面32b、和/或较小的流切削表面32c可作为生坯体的外表面 16的根据本发明而进行流切削的部分。
图2示出了可以由生坯体50形成的制品的另外的实施例。单一的初始 生坯体50可以被流切削成成形的生坯体，其具有齿轮52、滚筒54、心轴 56或任何其它所希望制品的形状。该过程可以通过流切削处理完成，所述 流切削处理通过切除多余材料来根据初始生坯体50而基本上形成所希望的 形状。因此，呈大致圆柱形的初始生坯体50可被切削为多种生坯体形状。
相应地，初始生坯体50可以通过流切削处理而成形，从而形成流切削 表面58。这样，流切削表面58可包括整个外表面，从而可通过采用能量流 或者物质流对生坯材料进行切削而形成包括齿轮齿60和孔62在内的齿轮 52的形状。因此，轮齿60和孔62均可以由流切削表面58来限定。
类似地，流切削表面58可以被切削为初始生坯体50，从而形成滚筒54 的形状。如图所示，滚筒54包括基本光滑的环形流切削外表面58。而且， 由光滑的流切削表面58限定的孔64可被钻孔而通过初始生坯体50。
可替代地，可由初始生坯体50而流切削出具有流切削表面58的心轴 56。
虽然已经图示和描述了成形生坯体的各种实施例，不过本发明并不限于 这些形状。因此，成形生坯体可为能够如在此所述的那样而被切削和烧结的 任何形状。也就是说，由烧结而制备的任何形状或制品可以被制备为根据本 发明的成形生坯体。
图3A和3B示出了流切削表面70的实施例。图3A的流切削表面70 包括轮廓72，其限定了生坯体74的外表面上的特征。在该实施例中，轮廓 72包括多个宏观不规则的高部(elevation)，其可以具有凸起76、凹部78、 和/或底切80的形式，并且导致总体上不平坦的或者说粗糙的表面81。较大 的不规则高部还可以包括微观的或更小的不规则高部，其可以为微凸起82、 微凹部84、和微底切86。
可替代地，如图3B所示，流切削表面70可以采用能量流或物质流以 特定方式切削，此方式导致形成限定了大致光滑表面88的轮廓72。因此， 生坯体74可被设置为，具有从基本上不平坦的状态(图3A)至基本上光滑 的状态(图3B)的轮廓或表面。
以不平坦或粗糙表面81或光滑表面88为特征的轮廓72可包括粘合剂， 其用于将多个可烧结颗粒保持在一起以形成生坯体74。在一个实施例中， 轮廓72上的一部分金属颗粒被熔化在一起，以形成熔化的表面层。在另一 实施例中，轮廓72上的可烧结颗粒与熔化的粘合剂粘附在一起。
在又一实施例中，尤其当由诸如激光的能量流形成之时，轮廓72的一 部分包括烧焦层或黑化层。所述烧焦层或黑化层所特有的表面特征，是由于 采用将表面加热至高温的能量流来切削生坯体74的过程中所伴随的粘合剂 的蒸发、熔化、和/或燃烧所致。
IV.制造生坯体和烧结制品
图4-10示出了可以在形成生坯体及由其所制备的烧结制品的过程中 使用的处理系统和设备的各实施例的不同示意图。可以理解的是，对于处理 系统和设备所进行的这些示意性表述仅为示例性的，因而可以进行各种改造 以制备本发明的生坯体和烧结制品。因此，用于制备大多数类型的可烧结 生坯体和烧结制品的当前公知的或在今后开发的各种系统和设备，应被认为 涵盖于本公开的范围之内。另外，这些示意性表述不应被解释为是对所描述 的任何相关的特征的结构、形状、尺寸、方位、或存在所进行限制的方式。 据此而言，现在将提供根据本发明的可制备生坯体和烧结制品的系统和设备 的一些示例的更详细的描述。
图4是例示了用于从初始生坯体制备成形生坯体的成形系统100的通常 实施例的示意图。初始时，从颗粒供给装置102获得可烧结颗粒，并从有机 粘合剂供给装置104获得有机粘合剂。然后，所述可烧结颗粒和有机粘合剂 被引入混合装置106中以制备混合物。然后，所述混合物被引入模制装置 108中，由此形成具有所希望初始形状的初始生坯体或者半成体110。初始 生坯体110的特征在于，其所具有的外表面大致为由模制装置108所限定的 模制腔的形状。
然后，具有模制腔形状的初始生坯体或者半成体110，被供给到流切削 装置112中。流切削装置112可以在某些点处关联到到三维(“3-D”) 虚拟影像发生器114，虚拟影像发生器114能够构建出成形生坯体116的所 希望形状的3-D虚拟影像。可替换地，所述3-D虚拟影像可在3-D虚拟 影像发生器114中构建，然后被存储在数据存储器件上，该存储器件然后被 提供给流切削装置112。
在任何情况下，流切削装置112均能够将初始生坯体110流切削为成形 生坯体116。优选地，流切削装置112使用计算机引导技术以指引能量流和 /或物质流，从而使生坯体材料形成精确形状。如图所示，成形生坯体116 可被制备成齿轮形状，或其它任何所希望的流切削形状。
图5为例示了用于将成形生坯体烧结为烧结体的烧结系统120的通常 实施例的示意图。通过采用成形系统100，可获得成形生坯体124，如图4 所示。可替换地，根据本发明的成形系统的各种其它实施例也能够提供成形 生坯体124。在任何情况下，成形生坯体124被引入烧结装置126。然后， 烧结装置126将可烧结颗粒烧结在一起，并将粘合剂从空隙空间中去除。在 一些情况下，优选地，通过熔化去除或蒸发去除，例如通过去结合 (de-binding)处理，而去除粘合剂。
在烧结生坯体材料后，烧结体128被移出烧结装置126。将烧结体128 与成形生坯体124进行比较显示，根据优选实施例，烧结过程已经将制品的 体积减小了大约10％至大约30％。可选地，烧结体128然后可以通过修整 装置130而进行处理，修整装置130能够将烧结体进一步精制为精修制品 132。可以使用多种处理来修整烧结制品，这取决于所述修整处理的性质。 这样的修整处理的实例包括研磨、砂磨、喷丸(shot peening)、粉末涂覆、 涂漆或类似处理。
V.制造颗粒-粘合剂的合成物
图6是描述根据本发明的颗粒-粘合剂处理系统200的实施例的示意 图。可以通过图4中所描述的普通混合装置106来展示下文中所描述的颗粒 -粘合剂处理系统200的不同实施例。更具体地，可使用颗粒-粘合剂处理 系统200来将颗粒和粘合剂混合在一起，以便形成能够被引入模具用于制备 根据本发明的生坯体的混合物。
在一个实施例中，可烧结颗粒可以保存在诸如容器、存储箱、贮料斗、 混合器之类的颗粒存储容器202中。用于悬浮可烧结颗粒的悬浮溶液可保存 在悬浮容器208中。另外，粘合剂A可类似地被保存在粘合剂存储容器204 中，而用于溶解或悬浮粘合剂的粘合剂溶剂可保存在溶剂容器210中。
这样，来自容器202的颗粒可与来自容器208的悬浮溶液相结合。所述 悬浮溶液与所述颗粒相容，以形成能够被处理用于制备颗粒-粘合剂合成物 的颗粒悬浮或其它流体合成物。所述悬浮溶液可由有机溶剂或水构成，并可 包括纤维素醚，以实现非牛顿切变特性或变稠，从而使颗粒保持悬浮。这样， 所述颗粒和悬浮溶液可以在颗粒容器202、悬浮容器208或混合器206中被 结合。
类似地，来自容器204的粘合剂A可与来自容器210的溶剂相结合， 其中所述结合可在粘合剂A容器204、溶剂容器210或混合器206中进行。 这样，所述溶剂可以被混合以粘合剂A，从而溶解粘合剂A或者与其形成可 流动的悬浮状态。粘合剂A和溶剂的混合物可用于制备颗粒-粘合剂合成物， 其具有颗粒，并且具有或者不具有悬浮溶液。
在一个实施例中，所述悬浮颗粒被供给到混合器206中。另外，悬浮或 溶解在溶剂中的粘合剂A也可以被供给到混合器206中。混合器206可为 高切变混合器或低速混合器，其被设置以形成由颗粒和粘合剂A所组成的 合成物。另外，悬浮溶液和/或溶剂，无论其是否易于混合，均可增强混合。 无论何种情况，在混合器206中能够制备出颗粒-粘合剂合成物。可替代地， 不具有悬浮溶液的颗粒与具有或不具有溶剂的粘合剂A，在混合器206中被 混合。
在一个实施例中，所述悬浮颗粒可在混合器206中与粘合剂A结合， 而无需粘合剂溶剂。这样，粘合剂A可以通过将粘合剂A液化的方式而被 加热单元加热。通过采用加热单元220来液化粘合剂A，粘合剂能够被容易 地被操控并被注入混合器206中。这样，加热单元202可被设置为将热供给 到粘合剂A容器204，或者可替代地，粘合剂A可被供给到加热单元220 中。在任何情况下，粘合剂A被加热而可流动，其中流体粘合剂可被容易 地注入混合器206中。在这种情况下，粘合剂A通过加热而被液化而无需 辅以溶剂，颗粒悬浮能够增强在颗粒与粘合剂A之间的混合。可替代地， 不具有悬浮溶液的颗粒与加热的粘合剂在混合器206中被混合。
在一个实施例中，来自容器202的干燥颗粒和来自容器204的粘合剂A 可直接供给到混合器206中，而不需要任何悬浮溶液、溶剂或加热。在这种 情况下，混合器206可为干式造粒混合器，其能够将颗粒和粘合剂A进行 造粒和结合为均匀颗粒化的合成物。这样，这种颗粒化合成物可根据本发明 而被进一步处理。
在一个实施例中，来自容器202的颗粒，具有或者不具有来自容器208 的悬浮溶液，能够被供给到调节器皿212中。调节器皿212可以容纳调节剂 (例如，调节合成物)，该调节剂用于以增强颗粒与粘合剂的混合的方式来 调节颗粒。这种调节剂可以为各种蜡状物、聚烯烃、分散剂、流变调节剂、 表面活性剂和类似材料中的任何一种，从而增强颗粒的结合、涂覆和/或在 粘合剂A中散布的能力。在一个实施例中，所述调节剂可为有机粘合剂。 混合后，调节剂能够以增强颗粒与粘合剂A之间的交互作用的方式来至少 部分地涂覆所述颗粒。因此，已经在调节器212中得到调节的颗粒随后能够 与粘合剂A一起被供给进入混合器206中。
另一方面，在颗粒被供给进入调节器皿212之后，有利的是，将调节后 的颗粒引入到干燥器/冷却器单元214中。这样，所述调节剂可包括挥发性 溶剂，使得当干燥器212被加热时溶剂蒸发而留下干燥的调节后颗粒。另一 方面，调节器皿212可被加热，从而使冷却器214在调节后的颗粒被进一步 处理之前对其进行冷却。被干燥或被冷却的调节后颗粒可通过在混合器206 中被混合而实现进一步处理。
在任何情况下，无论颗粒或粘合剂A已经经过如何处理，混合器206 可被设置为提供由颗粒和粘合剂A组成的基本均匀的合成物。
在一个实施例中，混合器206可被设置为压出机。相应地，这种压出机 可为单螺杆压出机、双螺杆压出机、或活塞式压出机。这对于形成由颗粒和 粘合剂A组成的压出型材可能是有益的。所述压出机可包括加热元件，以 在使用热塑性粘合剂时增加颗粒-粘合剂合成物的温度。所述加热元件可以 蒸发任何溶剂，而且也可将合成物升温至足以压出的温度。
在一个实施例中，无论如何制备颗粒-粘合剂合成物，这种合成物可被 供给到干燥器/冷却器214中。干燥器214被设置为从所述混合物去除任何 溶剂或其它挥发性物质。相应地，干燥后的合成物可具有的潮湿含量的湿重 百分比小于大约20％，更优选地其湿重百分比小于大约10％，而最优选地 其湿重百分比小于大约5％。可替代地，冷却器214可以使加热后的混合物 (例如压出型材)的温度降低，从而使其能够被进一步处理。冷却器214可 将温度降低至大约35℃，或者更优选地降低至大约30℃，最优选地降低至 低于大约25℃。
在一个实施例中，在混合器206中获得的合成物可提前进行任何干燥/ 冷却处理，并可直接供给到造粒机216中，特别是当采用压出型材的形式时。 可替代地，从干燥器/冷却器214获得的干燥后的或冷却后的合成物可以被 供给到造粒机216中。在任何情况下，颗粒-粘合剂合成物可被颗粒化，以 形成具有不同尺寸或形状的小颗粒。这类形状可以呈相对的球状，不平坦， 并且/或者具有缺口。
造粒机216可被设置用于将干燥后的或冷却后的颗粒-粘合剂合成物 切削成尺寸不同的小颗粒或球。例如，造粒机216能够形成的小颗粒所具有 的平均直径从大约0.2mm到大约2cm，更优选地在从大约0.3mm到大约1cm 的范围中，最优选地在从大约0.5mm到大约0.8cm的范围中。不过，可以 获得任何的颗粒尺寸，这是因为成形生坯体的尺寸及其表面特性能够由颗粒 尺寸来确定。
在另一实施例中，根据本发明，对于颗粒-粘合剂合成物而言优选的是， 将其以一定的形式或一致性从混合器206中移出，所述的形式或一致性有利 于进一步的处理218而得到生坯体半成体。
在一个实施例中，另外的粘合剂B可保存在粘合剂B存储容器222中， 并可用于形成具有至少两种类型粘合剂的颗粒-粘合剂系统。这样，有利的 是，形成如在此所述的颗粒-粘合剂A合成物，然后采用另外的粘合剂B 来进一步处理这种合成物。从容器222获得的粘合剂B的处理可类似于来自 容器204的粘合剂A的处理，即，通过在来自容器210的溶剂中进行溶解 或悬浮，或者通过使用加热单元220进行液化。这样，粘合剂B能够与颗粒 -粘合剂A合成物一起被供给到混合器206中，从而能够形成双粘合剂的 合成物。
可替代地，在颗粒-粘合剂A的小颗粒已在造粒机216中被制备之后， 这种小颗粒可与粘合剂B一起被供给到混合器206中。从造粒机216获得的 小颗粒可被大致涂覆以粘合剂B，或者悬浮在粘合剂B中。而且，被结合以 粘合剂A和粘合剂B的颗粒，当在混合器206中被混合之后，于是可进行 如在此所述的进一步的处理。
在另一实施例中，处理所述颗粒和粘合剂以形成颗粒-粘合剂合成物的 过程可在喷射器/液体喷射装置224中进行。这样，来自容器202的颗粒可 被供给到喷射器/液体喷射装置224中。可选地，这样的颗粒可以通过运送 装置或其它承载颗粒的装置来供给，从而使它们能够被喷洒以液化粘合剂。 这类装置可包括振动运输装置或其它类型的承载器，从而使颗粒能够在所有 侧部或表面上被容易地喷洒。
在一个实施例中，喷射器/液体喷射装置224可具有柱状喷射塔，其被 设置为具有喷射粘合剂的喷嘴。在该实施例中，所述颗粒可通过从喷射塔的 顶部滴落而被供给到喷射器/液体喷射装置224中，所述颗粒自由下落经过 喷射粘合剂的喷嘴，从而至少部分将所述颗粒涂覆。另外，可采用已被悬浮 或调节的颗粒或者之前被涂覆以粘合剂的颗粒，来执行任何的喷射过程。
无论在喷射器/液体喷射装置224中形成的颗粒-粘合剂合成物如何， 这样的合成物可被供给到干燥器/冷却器装置226中，从而干燥和去除任何 所采用的挥发性溶剂，或者冷却颗粒-粘合剂合成物。这样，颗粒-粘合剂 合成物可采用装置226而被干燥或冷却，从而被制备以根据本发明用于进一步 的处理228。
虽然已经结合图6描述了用于制备颗粒-粘合剂合成物的设备、系统和 方法的实施例，不过，可以采用其它不同的设备、系统和方法来形成颗粒- 粘合剂合成物，以制备初始生坯体或半成体。这样，制备初始生坯体的处理 过程将在下文中进行更详细的论述。
VI.模制生坯体
现在返回参照图4，更具体地参照模制装置108，其中更详细地描述了 用于模制生坯体的系统和过程的实施例。这样，模制装置108可以承接根据 本发明并且/或者结合图6所述而制备的任何颗粒-粘合剂合成物。
在任何情况下，颗粒-粘合剂合成物可被供给到模制装置108中，这可 通过用于提供模制制品的任何熟知的方案来进行操作。这样，模制装置108 可在高温和/或高压下操作以形成模制体。有利的是，以产生高压的方式来 操作模制装置，使得所述颗粒可以被紧密压制在一起。以这种方式，粘合剂 颗粒合成物之中的任何空隙、气孔、或其它异常之处可被压出并去除，从而 能够制备出紧密而且结构稳定的模制制品。
在一个实施例中，模制装置108可以被设置为具有可移动的模制体，该 模制体在模制过程中能够压缩所述颗粒-粘合剂合成物。采用这种方式， 颗粒-粘合剂合成物的第一体积可被供给到模制装置108中，直到其被基本 充满，然后，通过压缩模制技术，所述模制装置能够将颗粒-粘合剂合成物 的体积减小。通过压缩所述合成物，能够获得更紧密的模制生坯体半成体。 通过使用诸如活塞挤压器的某种类型的挤压装置或者通过减小模制装置108 内部的模制腔的容积以增大压力，也能够实现这种压缩。
在一个实施例中，模制生坯体半成体的方法可包括：例如以注射模制的 方式在高压和/或高温下将颗粒-粘合剂合成物注入到模具中。可替换地， 粘合剂和可烧结颗粒能够被注入模具中，作为在不同时间或同时传输的分离 进给流。当颗粒和粘合剂作为分离进给而注入时，有利的是，通过对颗粒的 高质量的粘合而使粘合剂易于涂覆所述颗粒，或者将粘合剂加热并在模具中 与所述颗粒混合。
另外，模制装置108可被设置为通过注射模制、铸造模制、压模制、热 模制或任何其它模制技术而操作。
在一个实施例中，可以通过增加温度和/或压力来形成生坯体半成体， 从而使可烧结颗粒和粘合剂一起被压制为模制腔的形状。这样，该模制过程 可以将颗粒和粘合剂的温度从大约80℃增大到大约400℃，更优选地，从 大约100℃增大到大约380℃，最优选地，从大约120℃增大到大约340℃。 另外，所述颗粒和粘合剂可以在大约2MPa到大约200MPa的压力范围中被 一起压制，更优选地，在大约10MPa到大约200MPa的压力范围内进行， 最优选地，在大约100MPa到大约200MPa的压力范围内进行。
模制装置108中的模制腔的形状可为普通的形状，例如立方体、圆柱体、 球体等。可替换地，模制腔可具有复杂形状，其类似于由模制生坯体半成体 所制备的最终制品的形状。
另外，在模制装置108中执行的模制过程中，能够进行多种改造，从而 获得作为生坯体半成体的模制制品。
VII.产生虚拟影像
图7是图示根据本发明的扫描系统230(例如，扫描和成形系统230) 的示意图。这种扫描系统230可用作图4中的三维(“3-D”)虚拟影像 发生器114的至少一部分。相应地，扫描系统230包括计算机系统232，其 用于通过向扫描控制器236提供控制数据来控制不同的扫描元件的运动。 而且，计算机系统232可控制任何数据获取，并指引在扫描期间产生的任何 影像数据被保存在数据存储器件234上。数据存储器件234在本领域中是 公知的，并且，可包括但不限于，软驱、硬盘驱动、磁盘驱动、光盘驱动、 读取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)和类似物。扫描系统 的操作可类似于各种熟知的和今后开发的扫描协议中的任一种。
在任何情况下，扫描控制器236与计算机系统232进行通讯。这就允许 用户对计算机系统232进行编程，以便操纵和控制扫描控制器236的行为。 在扫描协议被输入扫描控制器236之后，扫描控制器236控制一发射器238， 发射器238被设置为向被扫描体244的表面242发射扫描束240a。被指引而 朝向被扫描体244a的表面242的扫描束240a，可使3-D影像数据的获取 得以进行。这种通过扫描控制器236而获得的数据，能够被存储在记忆存储 器件236上，作为原始数据或已经被操控以产生被扫描体244a的虚拟3-D 影像的数据。
另外，为了便于对被扫描体244a的扫描，扫描系统230可包括转塔246， 转塔246能够转动被扫描体244a以及机械特征件248，被扫描体244a以及 机械特征件248能够沿x、y和z轴而侧向移动，并能够围绕x、y和z轴而 转动。这样，3-D虚拟影像可以被获取并被存储在内存存储器件234中， 从而使其可用于各种计算机辅助绘图程序(“CAD”)中。通过获取被扫描 体244a的3-D虚拟影像，用户可操控这种虚拟影像，以获得生坯体和烧结 制品的所希望形状的准确的或精确的3-D虚拟影像。
在任何情况下，所希望的最终制品的实体模型可置于扫描系统230中， 从而可以使用破坏性的或非破坏性的扫描来构建虚拟影像。这样的用于产生 三维虚拟影像的破坏性的和非破坏性的扫描技术以及辅助的设备和软件，是 众所周知的。另外，还可能的是，使用CAD程序来构建3-D影像，使得 生坯体的形状完全通过虚拟影像而构建，而不使用实体模型。另外，可使用 CAD程序来获得任意虚拟影像，并改变形状和尺寸，以便提供生坯体的所 希望的形状。
VIII.流切削生坯体
再次参照图4，根据本发明而描述了针对流切削装置112实施例的更为 具体的细节。流切削装置112可被设置为，具有或者使用各种不同的流切削 技术。这样的流切削技术可使用能量流和/或物质流。能量流包括：光子、 电磁辐射、原子、和亚原子物质，如上所述。另一方面，物质流可考虑包括 大于原子量级颗粒的材料，并在尺寸上可为微观的或宏观的。在任何情况下， 流切削装置112被设计为，在模制装置108中所制备的初始生坯体110处， 引导能量流或物质流，如上文结合图4所述。
再次参照图7，示意性视图还图示了成形系统230(例如，扫描和成形 系统)的实施例。成形系统230可被应用于图4的流切削装置112中。成形 系统230能够可选地与扫描系统230相结合而成为扫描和成形系统230， 这在下文中将进行更为详细的描述。在任何情况下，成形系统230能够获取 之前由计算机系统232或数据存储器件234所产生的3-D虚拟影像。
成形系统230可包括与计算机系统232进行通讯的物质控制器250和/ 或能量控制器252。物质控制器250可以使发射器238b能够发射物质流 240b，使其被引导至正在成形的生坯体244b的表面242b处。物质控制器 250能够控制发射器238，使得诸如化学物、水、沙或其它微粒的物质流240b 能够被引导至生坯体244b处。物质流240b可根据在计算机系统232的数据 存储器件234中存储的虚拟影像而使生坯体244b成形。
在另一实施例中，能量控制器252能够控制发射体238c向生坯体244b 发射能量流240c，例如激光、电子束、离子束之类，从而获得根据所述虚拟 影像的形状。
考虑到对于根据本发明的成形系统的上述概要描述，现在将更为详细地 描述可用于其中的各种类型的能量流和物质流。这样，流切削装置的下文中 的各实施例，可被应用于图4中的流切削装置112中以及图7中的成形系统 230中。
在一个实施例中，能量流可通过在该流与生坯体材料相交的位置处产生 热，来切削和成形生坯体半成体。这样，能量可用于产生热，以便使粘合剂 与可烧结颗粒进行热相互作用。所述热相互作用能够将局部温度提高到一定 的温度点，在此温度点，能够将粘合剂-颗粒合成物的部分从其余的生坯体 材料块上切除、消除粘合、熔化、和/或蒸发。
因此，流切削装置的一个实施例可通过热相互作用而操作和成形生坯体 半成体。这样，在此所描述的任一种热处理均可用于热切削。例如，这样的 热相互作用可以基于：激光束处理、激光束加工、电子束加工、放电加工、 离子束加工、和等离子体束加工。因此，流切削表面可以为激光切削表面、 电子束切削表面、电子放电切削表面、离子束切削表面、或等离子体束切削 表面。
在一个实施例中，因为生坯体的成分含量已知包括显著量的粘合材料， 因此相比于用于烧结或者硬化金属或陶瓷制品的类似技术，所述热切削过程 可需要更少的能量。这样，如果已知粘合剂的热性能，则可以计算出精确的 能量需要量，从而使热射束提供合适的或最少的能量，用于熔化和/或蒸发 粘合剂，而不会使所述可烧结颗粒被显著地熔化或点烧结。可替换地，可以 增加能量以熔化和/或点烧结所述可烧结颗粒。
例如，激光束为普通形式的能量流，其可用于流切削装置112中。典型 的激光切削机构能够在生坯体中精确地形成复杂的外部轮廓，这是因为， 激光束在切削表面处直径通常在大约0.02mm到大约0.2mm之间，并且能够 具有高达大约2,000瓦特地范围内的功率；不过，本发明的益处也包括使用 低功率激光。另外，存在如下情况，其中，由于最终制成的制品的性质以及 生坯体的特性，而优选激光而不是其它任何流切削技术。
相应地，激光可切削生坯体，其中，激光的功率或所产生的热可取决于 待切削材料的成分。由于使用不同的粘合剂和/或可烧结颗粒而设置了改变 激光功率的能力。激光功率被定义为通过射束而传送能量的速率，并且通常 以焦耳/秒或瓦特为单位进行测量。
例如，典型地用于激光外科手术的激光具有量级为大约10瓦特的功率， 这样的低瓦特可用于将一些粘合剂熔化以成形生坯体。另一方面，通常用于 切削硬化钢的激光，例如YAG或准分子(eximer)激光，可具有大约2,000 瓦特的功率。因此，具有较软粘合剂的生坯体用以成形的激光，可以工作在 低于大约500瓦特，更优选地低于大约400瓦特，而最优选地低于大约200 瓦特。可替换地，较硬的粘合剂或者另外熔化和/或蒸发金属或陶瓷颗粒， 其所使用的激光，可工作在高于大约500瓦特，更优选地高于大约750瓦特， 而最优选地高于大约1,000瓦特。
在一个实施例中，使用放电加工来成形金属生坯体。这样，放电加工 能够切削所有类型的导电材料，例如特种金属，包括钛、耐蚀耐热镍基金属 (hastaloy)、科瓦(kovar)铁镍钴合金、inconel金属、硬质工具钢、碳化 物、或类似材料。在放电过程中，在能量流和生坯体之间的主要相互作用为 热相互作用，其中，通过产生放电而产生热。这可导致生坯体材料通过熔化 和蒸发而被去除。放电加工的一些实例包括线电子放电(wire electron discharge)加工、CNC-控制放电加工、消能器(sinker)放电加工、小孔 放电加工，等。
在另一实施例中，流切削装置112可使用充电颗粒束，其中充电颗粒束 被例示为电子束和例子束。充电颗粒束为一组充电颗粒，其具有大致相同的 动能并沿着大致相同的方向移动。通常，所述动能大大高于常温下类似颗粒 的热能。这些充电射束的高动能和方向性可用于切削和成形生坯体，如在此 所述的那样。另外，存在如下一些情况，其中，优选电子束或离子束而不是 其它切削技术。
在一个实施例中，流切削装置112可以使用化学物质流以成形生坯体。 例如，化学喷射磨除通过喷射和化学作用而提供了选择性的和受控的去除。 这样，该过程类似于水喷射切削，这在下文中进行更为详细的描述。在任何 情况下，化学喷射磨除可以用于从生坯体材料块中去除各种类型的粘合剂， 这就提供了精细的成形能力。更具体地，可以通过特定的溶液或溶剂而化学 溶解的粘合剂，可通过对反应化学物的流进行指引而被化学磨除。
在另一实施例中，电化学成形可基于受控的电化学溶解过程，其类似于 化学喷射磨除包含金属可烧结颗粒的生坯体。这样，金属生坯体被连接到 电源，以允许在成形中辅以电流。
在一个实施例中，有利的是，将流切削装置112设置为流体切削装置或 水喷射切削器。流体切削主要为水喷射技术，其使用指向生坯体处的水流的 高冲力和高压力而将生坯体根据需要进行切削和成形。优选流体切削而不是 其它一些流切削技术，这是因为它能够不产生热、燃烧和化学反应，并且可 提供精确的冷成形技术。不过，也可使用渗杂或不渗杂以反应化学物的加热 的水。
用于硬化材料的典型的流体切削装置，能够使用以大约40,000psi而 指向生坯体处的每分钟大约2.5加仑的水流作为单一流。例如，根据本发明 的流体切削装置可使用的水从大约0.25加仑/分钟到大约15加仑/分钟， 更优选地从大约0.5加仑/分钟到大约10加仑/分钟，进一步优选地从大约 1加仑/分钟到大约5加仑/分钟，最优选从大约2加仑/分钟到大约4加仑/ 分钟。不过，应该认识到的是，可以使用更高或更低的流速，这取决于流体 的直径和压力。
另外，流体切削装置可喷射的水在从大约50psi到大约60,000psi的范围 内的压力下。这是因为，在一些情况下，可以使用例如从大约50psi到500psi 的低压来去除较软的粘合剂，而在另外一些情况下，对于更为耐用和更硬的 粘合剂，可使用从大约15,000psi到大约60,000psi，特别是当成形诸如汽车 或飞机部件或架构材料的较大部件时。另外，类似于出于冲洗目的而使用的 水喷射所喷射的水可在大约1,000psi到大约5,000psi，以成形由中等硬度的 粘合剂所结合的生坯体。因此，可采用宽范围的水压。
而且，所用水流的直径可被大幅度改变。这是因为，流体直径极大影响 切削或蚀刻的精细度，其中，蚀刻用于微电子电路板的生坯体，可能会需要 直径小至大约0.5mm的极精细流，而雕刻粗糙形状和/或诸如拖拉机轮缘的 较大制品，可以使用大约2.54cm的流直径。不过，存在如下情况，其中， 首先采用诸如大约6mm的较大直径而用于粗糙成形，此后，采用大约1mm 喷射流而形成精细和复杂形状。而且，可以想到的是，可以使用更大或更小 直径的水喷射。
另外，通过将微粒材料引入水进给管线中，可以增强流体切削。这样， 一些流体切削技术采用石榴石或其它刚硬而坚固的材料，以便随着水自身所 施加的力而施加研磨切削力。而且，本发明中所使用的流体切削过程可采用 或不采用这种研磨料。
另外，流体切削的其中一个益处，是有能力重复使用和再循环所消耗的 水喷射材料。这样，生坯体材料可从消耗的水中被容易地分离，从而在流体 切削过程中能够再循环和再使用所述水。
在一个实施例中，适于物质流切削方法的喷砂，可用于通过将高能量的 砂粒流发射至生坯体材料处来成形生坯体。喷砂过程类似于流体切削过程而 对材料进行切削，特别当水喷射被渗杂以研磨微粒时。另外，在流切削技术 和机加工中可使用除砂流之外的其它各种微粒流。
图8图示了流切削组件350的实施例。流切削组件350可为如图4所示 的流切削装置112的至少一部分，和/或图7中的成形系统230。相应地， 流切削组件350可包括流供给装置352，其中流供给装置352的至少一部分 被封装在壳体354中。流供给装置352可被设置为产生和/或供给流或能量。 可替换地，流供给装置352可被设置为存储和/或供给物质流。
另外，所述壳体可选地可包括对准装置356。这样，流供给装置352可 被设置为通过对准装置356而供给经指引的能量流和/或物质流，对准装置 356用作对准或进一步指引能量流或物质流朝向生坯体364。同样地，对准 装置356可构建对准流358，其轨迹对准于生坯体364上的切削位置360处， 使得流切削表面362形成于其上。
在一个实施例中，为了能够进行精确的三维切削和成形，生坯体364可 保持在转塔366上以转动生坯体364。另外，流切削组件350可以包括机械 特征件368，其被设置为移动生坯体364而使其进行各种三维移动和/或转动， 从而使聚焦流358能够在不同的切削位置360处冲击生坯体364。机械特征 件368以及转塔366能够使生坯体364沿着x、y和z轴移动，并围绕z轴 进行转动“u”，围绕y轴进行转动“w”，围绕x轴进行转动“v”。这样， 在流切削组件350中，能够将生坯体364切削为精确和复杂的结构。可替换 地，流切削组件可将所述流相对于静止的生坯体364而移动，这将在下文中 进行更为详细的描述。
相应地，通过装配以橡胶化的或其它可塑的端点来接触生坯体364从而 使生坯体364不变形，机械特征件386可移动和/或转动生坯体364。这样， 这些可塑的端点可提供与生坯体364的满意的相互作用，从而在流切削过程 中使生坯体364不会变形、凹进、破裂或者受重压或疲劳。
在另一实施例中，流切削组件350的壳体354可包括同轴气体辅助装置 370。这种同轴气体辅助装置370可被设置为在流切削过程中发射辅助气体 372。辅助气体为与能量流或物质流同时使用并经常在能量流或物质流周边 的空气流或其它类型的气体流。可替换地，液体流(例如，辅助流体流)， 例如水流，可用来替换辅助气体。气体辅助流切削的重要特征在于，从所述 生坯体上被切削出的材料，通过与能量流或物质流同轴的气体喷射的力而被 吹出或去除，从而产生相对平滑的流切削表面。可用于气体辅助切削的不同 类型的气体的一些实例包括氧气、氮气、氩气或类似物。优选地，所述气体 在高达大约15bar的压力下被传输。关于同轴辅助气体372的另外的信息， 将在下文进行描述。
在另一实施例中，流切削组件350可包括扫描器374。扫描器374类似 于图4中的三维虚拟影像发生器114和/或图7中的扫描系统230，其可实现 于流切削组件350中。扫描器374可用来连续或间歇地扫描生坯体364表面。 相应地，扫描器374将扫描射束376发射朝向生坯体364，更具体地，朝向 任意流切削表面362。这样，能够监控切削位置360以及流切削表面362。 通过将扫描器374设置在流切削组件350中，可监控切削和成形，从而确保 形成于其上的特征依照于或基本类似于所述三维虚拟影像。扫描射束376和 扫描器374可为扫描三维影像的装置的一部分，如本领域所公知的那样。
在另一个实施例中，流切削组件350包括动力吹风机378。虽然流切削 组件350可包括同轴气体装置370以发出同轴辅助气体372，不过这种同轴 气体372可能不足以用来去除从生坯体364块上切削出的大的块材。因此， 可使用动力吹风机378，用于将空气、气体或其它流体从生坯体364上强行 吹开，从而去除任何的微粒或大块材料。可替换地，动力吹风机378可以被 设置为真空式的。类似于动力吹风机387，也可使用真空来去除从生坯体364 上切削出的微粒或大块材料。因此，动力吹风机378可以在流切削方案中被 间歇地使用。
在另一实施例中，动力吹风机378可与同轴气体装置372一起吹动冷却 空气或流体，以冷却生坯体364。这可被用于从生坯体364中去除不需要的 热，或者用于防止粘合剂或可烧结颗粒被不希望地熔化。
现在参照图9A、9B和9C，现在图示和描述的是对准装置400的各种 特征和元件。这种对准装置400可用于图7中的成形系统230以及图8中的 流切削组件。
在任何情况下，对准装置400包括喷嘴402，其被设置为发射能量流404， 如指向通过喷嘴402的箭头所示。另外，喷嘴402可被设置为发射物质流 406，如流动通过喷嘴402的多个点所示。相应地，喷嘴402可被设置为将 能量流404和/或物质流406对准朝向生坯体408上的切削表面410。因此， 通过对准喷嘴402，可形成精确而复杂的形状。
特别参照图9B，对准装置400包括内喷嘴402a，其被封于外喷嘴402b 的内腔中，所述内外喷嘴一起形成同轴喷嘴412。这样的同轴喷嘴412包括 内腔413以对准能量流404和/或物质流406。此外，同轴喷嘴412包括外腔 或共轴腔415，其中外腔或同轴腔415指引辅助气体414的流。
如图9B所示，同轴喷嘴412包括同轴喷嘴开口416。同轴喷嘴开口416 包括第一开口419和第二开口421，第一开口419用于能量流404和/或物质 流406，第二开口421提供辅助气体414，且第一开口419分离于并独立于 第二开口421。在这种设置中，同轴喷嘴开口416采用去除并吹去被切削的 微粒或材料的方式来产生辅助气体414的同轴漩涡418。
现在特别参照图9C，其图示了同轴喷嘴402的另一个实施例。这样， 同轴喷嘴402可包括组合孔420。这种组合孔420包括用于能量流404和/ 或物质流406以及辅助气体414的单一开口。组合孔420还可产生漩涡422， 以从生坯体408去除颗粒或物质。
在任何情况下，可提供各种设置的流喷嘴402，以产生根据虚拟影像或 其它所希望形状的精确切削的生坯体408。这样，这可包括：以增强流切削 方案的方式而提供能量流404和/或物质流406以及辅助气体414。
现在参照图10，其图示和描述了三维切削系统450的实施例。这样的 三维切削系统450可实现于图4的流切削装置112中以及在此所描述的其它 任何流切削系统或过程中。相应地，三维切削系统450包括三维切削装置 452，其被设置为沿着运动的三个轴线移动。这样，切削装置452可以沿着 z轴、x轴和y轴而纵向移动，并围绕每个轴而转动。这样使切削装置452 能够相对被切削的生坯体而移动并围绕其移动。
在所图示的实施例中，切削装置452包括连接到旋转连接件457的第一 体454，旋转连接件457被设置为使其能够以围绕z轴的转动“u”的方式来 转动第一体454。旋转连接件457将第一体454与另外的机器人(未示出) 相连，使其能够以不同的自由度运动。更具体地，另一旋转连接件(未示出) 容纳于机器人中，并能够围绕y轴进行转动“w”。这些转动使第一体452 能够在生坯体456周围移动。
切削装置452还可包括切削喷嘴458，其通过旋转连接件460而连接到 第一体454。这样，切削喷嘴458也可以随同第一体454而沿着x、y和z轴 移动。另外，旋转连接件460使切削喷嘴458能够以围绕x轴的转动“v” 的方式而转动。由于能够另外以“v”转动的方式转动，三维切削装置452 能够切削得到具有精确而复杂的细节的生坯体456，以提供各种形状。
在另一实施例中，三维切削系统450包括机械特征件462，其可以大致 类似于图8的机械特征件386。简而言之，机械特征件462被设置为相对于 切削装置452而移动生坯体456。这样，机械特征件458可沿着x、y和z轴 移动，还能够以“u”、“v”和“w”的方式转动。因此，机械特征件462 可独立于切削喷嘴458而移动，并且/或者与切削喷嘴458协作而移动，这 能够改进切削技术。
在一个实施例中，流切削技术、系统和/或过程中的任一种可被设置为 由计算机和辅助软件所操作和控制。这样，计算机所用的控制软件接收来自 将要被切削为生坯体的形状的三维影像的输入数据。所述控制软件可从已经 采用CAD软件而生成或修改的影像来获取输入数据。因此，存储在例如在 图7中所示数据存储器件234的计算机存储器中的任何影像，可以被流切削 装置使用和控制，以便由生坯体材料构建三维结构。
在一个实施例中，成形生坯体的过程或方法可以包括：采用诸如激光、 电子束或水喷射的能量流或物质流，将生坯体半成体的第一部分切离于第二 部分，从而在结果形成的成形生坯体上形成流切削表面，例如激光切削表面、 电子束切削表面、或水喷射切削表面。这样可形成大致平滑的表面或不平坦 的表面。
在一个实施例中，流切削生坯体的过程或方法可以在真空中或在低压下 实现。另外，被流切削的表面可沿着向下的方向而朝向(倒置)，从而使得 从所述表面射出的任何材料均可落下而脱离于该表面。当在倒置表面上执行 流切削时，可转动生坯体，使得正在被切削的每个位置，均可使得所去除的 生坯体材料自由脱落并使得所述流切削表面被清空。这就能够使射出的颗粒 和/或粘合剂离开所述表面，而不会再次沉积在通过所射出的材料而形成的 特征件的周围。当流切削过程在正在切削的位置处产生热并熔化粘合剂时， 这是特别有利的，这是因为，熔化的粘合剂在再次沉积之后可能会重新固化， 这就可能形成不规则的特征形状。因此，可执行流切削生坯体的过程，从而 在外表面中形成平滑表面和光滑的特征形状，而不会有任何再次沉积的材料 在流切削表面附近或之上形成不规则的特征形状。
虽然已经结合本发明而论述了流切削设备、系统和过程的各种特征和 实施例，不过可以对本发明进行各种改造而这些改造仍保持本发明的概念。 这样，可使用各种其它的能量流或物质流，以便切削生坯体材料，从而提供 所希望的形状。另外，可以改造和改变流切削设备、系统和过程，并仍使用 能量流和物质流以成形生坯体半成体。
IX.正牙支架
用于成形生坯体和所制造的烧结制品的创造性方法对于生产正牙支架 特别有用，所述正牙支架相对较小并具有复杂形状，并且由于通过模制和/ 或机加工而成形而通常成本昂贵。图11示出了根据本发明的正牙支架510 的实施例。正牙支架510包括被集成为连续件的架体512和基托514。正牙 支架510还包括外表面516，其限定了支架510的形状。架体512包括至少 一个带翼518和朝向架体512的上侧而开放的弓丝槽520。基托514包括了 结合表面522，其具有包含多个突起、凹进和/或底切的粗糙轮廓544。另外， 结合表面522可被设置为与牙齿的舌侧或颊侧相反互补的形状，从而配合于 其上。
架体512可被设置到需要缚线的支架中，从而与缚线或紧固件共同使用 来将弓丝紧固到支架510。所述缚线实质上能够确保张紧的弓丝正确地位于 齿弓周围，并防止所述弓丝在进食、刷牙和其它日常活动期间以及施加必要 的力来移动和对准牙齿的情况下从支架510中移出。例如，所述缚线可以是 小的弹性O环，其沿着所述弓丝而延伸，并被紧固到架体512。还可以使用 金属缚线，其在本领域中众所周知。
为了保持缚线，每个支架的架体512可包括带翼518，或一对带翼518a。 带翼518可包括从架体512突出的至少一个叶片534。这样，带翼518可被 设置为通过使每个叶片534弯曲进入缚线槽530中而与缚线可连接。缚线槽 530可连续延伸到外表面516，其中外表面516围绕叶片534弯曲并且朝向 架体512的中心。当架体512包括一对带翼518a时，由外表面516限定的 叶片隔离件532可将带翼518分成带翼对518a。更具体地，叶片隔离件532 可为狭缝或间隙，其用于将架体512的中间侧536上的叶片518从架体512 的远侧538分离。
弓丝槽520被设置为在其中保持弓丝。这样，弓丝槽520横切架体512 的从中间端540到远端542的长度。弓丝槽520可为正方形或圆形，以容纳 具有正方形或圆形横截面积的弓丝。可替换地，其它的弓丝槽520的形状可 形成于支架510中。而且，可改变弓丝槽520的深度和/或宽度。
在可替换的实施例中，正牙支架可被设置为自缚支架(未示出)。自缚 支架可为单一件，其包括与所述架体集成的缚盖，使得所述缚盖可覆盖所述 弓丝而闭合并将所述弓丝紧固于支架。所述缚盖通常用于替代所述缚线，并 包括连接件，该连接件被可松脱地与所述架体连接，从而将所述弓丝包含于 它们之间。
另外，在基托514上的结合表面522被设置为具有轮廓544，轮廓544 包括多个突起、凹进和/或底切(图12A和图12B中未示出)。轮廓544被 设计以改进与牙齿的结合。相应地，轮廓544的突起、凹进和/或底切可以 独立地或者一起用来增大针对于向其施加的粘结剂的粘结表面522的表面 面积。在各种实施例中，轮廓544可具有圆滑的表面特征，以减少摩擦点， 并且/或者，突起、凹进和/或底切可相间地靠近在一起或者展开而遍布结合 表面522。而且，在所述轮廓中的特征可以均匀地排布或随机地分布。所述 粘结剂可围绕所述突起，并渗进所述凹进和/或所述底切，从而给予在结合 表面522与牙齿之间的结合以机械性能。这发生于所述粘结剂固化并将支架 510互锁到牙齿的时候。
在一个实施例中，每个正牙支架510可被成形以配合于特定类型的牙齿 或者病人口腔中的特定牙齿上。相应地，结合表面522可被成形为具有曲度 以配合其所附着到的牙齿。为了确认与结合表面522配合的牙齿，结合表面 522可包括刻于其中的标识标记545。标识标记545可以提醒牙科专业人员 特定支架所应用的牙齿，其中标识标记545可包括通用编号系统(Universal Numbering System)、派尔玛标记(Palmer Notation)、和国际牙科联合会 的双数字标记(FDI-Two Digit Notation)。例如，包含数字“22”的结合 表面522使用了FDI双数字标记并标识左上侧向门牙。如图所示，所述标识 标记可以被刻于基底中以作为凹进、突起，或者可以通过底切、凹进和突起 而形成。
在另一实施例中，可以使用病人牙齿的三维模型来形成结合表面522的 形状。牙齿的三维模型可被确定并输入到计算机中。然后，计算机可以针对 具体牙齿而确定每个支架的结合表面522的正确形状。另外，计算机可生成 将被包含于支架510上的其它特征形状和配置。相应地，基底可根据计算机 的详细描述以及标记角度和槽缝位置而被成形。
图12A和12B示出了根据本发明的成形生坯体250的可替代实施例。 图12A示出了具有正牙支架510形状的成形生坯体550，图12B示出了具有 基托形状的成形生坯体50，其可以被进一步加工为所示的正牙支架510的 形状。成形生坯体550可包括主体512和基托514，它们一起形成由外表面 516所限定的正牙支架510的形状。主体512包括带翼518和向主体512的 上侧开放的弓丝槽520。每个带翼518均包括邻接到叶片凹进530的叶片 534。基底514包括结合表面522，其由多个突起524、凹进526和/或底切 528组成。成形生坯体550的被称为“结合表面522”的结构，并非实际的 “结合表面”，这是因为成形生坯体550在被烧结而形成最终烧结支架之前 并不适合用作支架，而仅仅是其前体。
成形生坯体550具有正牙支架的形状，并可通过烧结成形生坯体550而 用于形成正牙支架。如在此所用的用词“形状”、“形式”或其它类似用词， 用来标识物件的外观，而并非意在严格推出物件的尺寸或比例。例如，虽然 成形生坯体550呈正牙支架的形状，不过应该认识到的是，其包括正确装配 于牙齿上所需的精确尺寸，以及将会在烧结过程中收缩的成形生坯体的较大 尺寸。这样，呈正牙支架形状的成形生坯体550可能会大于准备附着于牙齿 的最终烧结支架。
成形生坯体550优选包括多个可烧结金属或陶瓷颗粒，如在此另外所述 的那样。在优选实施例中，金属颗粒包括例如镍-钛合金粉末。可替换地， 所述颗粒可由陶瓷和金属的混合物构成。如果所希望的是不锈钢支架，则可 使用预合金化的细晶不锈钢粉末。成形生坯体550还包括粘合剂，其在所述 多个可烧结颗粒中的量和分布足以将金属颗粒保持在一起。可使用在此另外 所描述的粘合剂。
继续参照图12A和12B，成形生坯体550可包括通过能量流和/或物质 流而形成的外表面516上的至少一个成形部分552。外表面516是指在成形 生坯体550的外部上的任意表面。这样，外表面516可包括具有轮廓544的 至少一个成形部分552，轮廓544的特征在于其具有由金属颗粒形成的多个 不规则高部。可替换地，所述不规则高部的尺寸范围使其可以宏观可视或者 微观可视。如在此所使用的用词“宏观”，可包括肉眼可见的特征。例如， 宏观不规则高部能够容易地通过肉眼而见，而不需要任何放大。可替换地， 在此所用的用词“微观”，是指需要使用放大从而使不规则高部可见。
在一个实施例中，成形生坯体550在外表面516上可具有成形部分552。 成形生坯部分552被切削为成形生坯体550，使得去除显著量的生坯材料， 从而形成正牙支架成形件。相应地，成形生坯体550初始时可具有如虚线 656所示的矩形的横截面区域。这样，成形部分552可包括外表面516，其 通过将生坯体550切削为所示的正牙支架形状而形成。可替换地，生坯体 550可被切削为自缚正牙支架(未示出)的形状。因此，在成形部分中，可 包含外表面516的次要部分或主要部分。
在另一实施例中，成形部分552可以包括多个突起524、凹进526和/ 或底切528。这样，外表面516可包括多个突起524、凹进526和/或底切528， 每一个均具有由可烧结颗粒形成的轮廓544。在某些情况下，放置在突起 524、凹进526、和/或底切528或轮廓544上的可烧结颗粒的至少一部分， 可被至少部分地熔合或熔化在一起(例如，由于通过用于成形的激光或其它 能量流所进行的局部加热所致)。这是否发生，取决于：可烧结颗粒在由于 局部熔化、燃烧或分解将可烧结颗粒保持在一起的有机粘合剂而从生坯体中 去除或排出之前，是否被加热到足够高的温度。
图12B示出了正牙支架基托514，其可与主体512集成以形成正牙支架 510(由虚线558示出)。相应地，基托514还可包括至少一个成形(例如， 激光切削)部分552和/或多个突起524、凹进526和/或底切528。另外， 结合表面522或其它成形部分552可具有由可烧结颗粒所形成轮廓544，在 某些情况下，所述颗粒的一部分可被熔化或熔合在一起。
此后，呈基托514形状的成形生坯体550，可在烧结之前或之后与主体 512集成。主体512可包括金属、陶瓷、或塑料。例如，呈基托514形状的 金属生坯体550，可在采用陶瓷或塑料进行模制以形成由虚线558所示正牙 支架的形状之前，被形成和烧结。
图13A示出了根据本发明的具有成形(例如激光切削)部分552的成形 生坯体550的另一实施例。成形部分552包括轮廓544，其限定了激光切削 部分552的外表面，它可处于结合表面522上。轮廓544包括多个宏观的或 较大的高部562，它们可为突起524、凹进526和/或底切528。较大高部562 可被切削为生坯体550，其特征在于具有基本平滑的轮廓544，使得较大的 不规则高部562具有的表面563基本上不存在微观的不规则高部。相应地， 在成形生坯体550上的激光切削部分552的轮廓544，可被设置为在从粗糙 到平滑的范围。
不需要局限于任何特定的方法，所想到的是，通过在采用激光或其它 能量流而切削金属生坯体550的方法中采用变例，可获得相比于图3A中的 轮廓44(上文所述的)更平滑的轮廓544，如图13A所示。这样，可改变 能量源的动力、气氛、和/或被成形表面的朝向。另外，可以改变生坯体的 成分以实现具有不同程度的平滑度或粗糙度的轮廓。
图13B示出了根据本发明的具有成形(例如，激光切削)部分552的 成形生坯体550的另一实施例。成形部分552包括多个梯形突起524，其 通过在其中切削出梯形凹进526而形成，从而在生坯体550中形成底切528。 突起524、凹进526、和底切528形成了结合表面522，这增强了最终烧结 正牙支架到病人牙齿的结合。
在某些实施例中，在激光切削部分上的较平滑的轮廓，可导致基本上呈 矩形的生坯体被激光成形为正牙支架的形状。这是因为，在生坯体上的较平滑 的轮廓可在被烧结之后触摸起来甚至更为平滑。这样，烧结体可足够平滑， 这样，支架可不需要任何烧结后的研磨或砂磨，从而形成具有正确特性用于 置于口中的表面。这样，带翼、叶片、弓丝槽、缚线槽、自缚特征部分以及 其它特征部分，可使用能量流和/或物质流而被刻为生坯体。
图14A-14C示出了具有正牙支架(未示出)和/或基底514的形状的 生坯体550的结合表面522上的成形(例如，激光切削)部分552的各种 可替代的但非限制性的示例。在图14A中，成形部分552包括长柱状突起 580，其被由成形部分52的表面所限定的深凹进582间隔开。另外，长柱状 突起580可包括在其中切削出的小的凹进。而且，长柱状突起580可形成为 包括底切586，以协助将正牙支架机械结合到牙齿。
在可代替实施例中，图14B和14C示出了生坯体550的基底514，其 具有被切削为结合表面522的成形部分552。成形过程可去除生坯体550的 一些部分，以提供凹进588、底切589和悬部590。凹进588、底切589和 悬部590可为在结合表面522切削出的楔形薄片，以提供空间用于在支架被 附着于牙齿时容纳粘结剂或粘合剂。如图所示，底切589可通过采用激光或 其它能量流或物质流以一定角度撞击结合表面而形成，这样也形成了悬部 590。
另外，所述生坯体可来采用能量流和/或物质流进行切削，以形成标识 标记来确定所述支架所适配的牙齿。所述标识标记可通过凹进、突起或多个 不规则高部而形成。刻为生坯体的标识标记可包括通用编号系统(Universal Numbering System)、派尔玛标记(Palmer Notation)、和FDI双数字标记 (FDI-Two Digit Notation)。
在另一实施例中，病人牙齿的三维模型可用于形成在金属生坯体中结合 表面522的形状。所述三维模型刻被确定并输入计算机。然后，计算机能够 确定金属生坯体的结合表面522的正确形状。而且，计算机可产生将被刻入 金属生坯体的其它特征和定位指示。相应地，金属生坯体可根据计算机详细 描述而成形，以包括标记角度和槽缝位置。
虽然已描述和论述了凹进、突起和底切的特定特征和结构，不过本发明 不应局限于此。相应地，本发明的通常特征可应用于其它结构，以提供增大 的表面面积，用于将支架机械地结合到牙齿。
各种类型的可被烧结的金属粉末可用于本发明中，并可选自铝、镍、钛、 铜、钴、不锈钢和类似物以及它们的各种合金。不过，因为生坯体将被烧结 为正牙支架和/或基托，因此优选地使用牙科相容的材料，例如钛、钛合金 和不锈钢。这是因为，支架需要承受由弓丝和/或缚线所施加到支架的力， 这种力导致对支架的高度应变。这样，支架应该具有高度的强度和粗糙度， 从而在使用期间不受损坏。所述金属优选地为，当用于病人的口腔时是安全 的(即，毒性小或无毒)。当然，在本发明的范围内，可以将最终支架涂覆 以保护性涂层，以便当用来制成支架的所述金属在未被涂覆的情况下有可能 不安全时提供附加的安全性。
根据在成形生坯体的特定位置上的激光的温度和/或持续时间，可以从 生坯体清洁地去除可烧结颗粒。无论粘合剂何时被熔化、燃烧或分解，只要 金属或其它可烧结颗粒保持低于它们的汽化温度，则上述过程就可以发生。 在这样的情况下，可烧结颗粒被射出、由于重力作用而脱落，或者以其他的 方式而整体地从生坯体去除。还可以设计一种系统，其中，从金属生坯体被 去除的金属或其它可烧结颗粒中的至少一部分被再次沉积在生坯体表面上。 如果金属颗粒被熔化和/或被汽化但却并未被射离生坯体以防止金属被再次 固化并将其自身附着到金属生坯体表面，则至少在理论上可能会发生上述的 再次沉积过程。在通常情况下，大多数或全部的可烧结颗粒将从金属生坯体 清洁地去除，而不会被再次沉积。
IX.烧结生坯体
制造烧结体的方法是根据本发明进行的，以提供由成形生坯体所制备的 烧结制品。简而言之，烧结体可由生坯体获得，而所述生坯体通过将可烧结 颗粒与粘合剂模制为生坯体半成体的形状而进行制备。当生坯体半成体已经 在模具中形成之后，所述过程包括：采用能量流和/或物质流来成形以获得 具有所希望形状的生坯体。然后，成形生坯体可以被烧结以形成具有所希望 形状的烧结制品。所述烧结过程可在如图5中所示的烧结装置126中执行。 在任何情况下，烧结成形生坯体可导致，准备使用或者需要另外处理或精制 而制造的制品。
在一个实施例中，可以执行去结合过程，以在烧结所述成形生坯体之前 去除粘合剂。这样，可以通过在氧化或非氧化气氛中的热处理，例如在真空 或低压下的热处理，来执行所述去结合。例如，可在大约1×10-1Torr(13.3Pa) 到大约1×10-6Torr(1.3×10-4Pa)下执行所述去结合。可替换地，可在 氮气、氩气或其它惰性气体中在诸如1×10-1Torr(13.3Pa)到大约1×103Torr (1.3×105Pa)或高于1×103Torr的较高压力下执行所述去结合。另外， 所述去结合的温度可处于大约80℃到大约750℃的范围中，更优选地处于 大约100℃到大约600℃，最优选地处于大约150℃到大约450℃。在任何 情况下，所述去结合可通过熔化、蒸发或分解所述粘合剂而发生。
在一个实施例中，所述烧结过程可以在氧化或惰性气体中、在从大约 1×10-1Torr(13.3Pa)到大约1×10-6Torr(1.3×10-4Pa)的低压下、在升高 的温度下进行。可替换地，所述烧结过程可在例如从大约1×10-1Torr (13.3Pa)到大约1×103Torr(1.3×105Pa)的较高压力下、在升高的温度下 进行。这样，所述粘合剂可在所述烧结过程中被基本去除。可替换地，所述 烧结过程可去除主要量的但并非全部的粘合剂，其中一些粘合剂可根据结合 系统而保留。烧结温度的范围可从大约750℃到大约2500℃，更优选地从 大约900℃到大约2000℃，最优选地从大约1000℃到大约1500℃。
另外，烧结时间的范围可从大约0.5小时到大约15小时，更优选地从 大约1小时到大约10小时，最优选地从大约2小时到大约8小时。不过， 有时候，烧结过程可持续长达大约24小时。另外，对所述烧结过程应进行 调节，从而使可烧结粉末颗粒生长为紧密烧结体。相应地，相比于生坯体， 烧结体应具有高密度和低孔隙率。
当烧结生坯体时，随着孔隙率降低而密度增大，体积收缩。这种情况的 发生是随着粘合剂的主要部分熔化和/或蒸发而将单独的可烧结颗粒更紧密 地拉在一起而出现的。这样，生坯体可被制造和成形为大于结果形成的烧结 制品，以适应于烧结期间所损失的体积。在生坯体的尺寸与烧结制品的尺寸 之间的体积减小的范围可在从大约10％至大约35％，更优选地从大约12％ 至大约30％，最优选地从大约15％至大约25％；不过，通常的体积减小可 为大约20％。
由于生坯体的体积将在烧结期间逐渐减小，因此，被刻入成形生坯体的 各种特征可以考虑收缩而进行制造。这样，可考虑将流切削特征切削为具有 误差余量，或者将流切削特征切削为大于将在烧结过程之后所呈现的特征。 因此，当生坯体被流切削时，复杂的成形可导致烧结后的甚至更精确和复杂 的特征。
所述收缩的另一结果可包括：相比于烧结之前的生坯体，烧结体的轮廓 变得更为平滑。更具体地，当在流切削过程中形成不规则特征部分时，这些 特征部分在烧结过程中可被消除。另一方面，这种平滑效果不必去除任何的 粗糙特征部分，而是能够构建具有更少钝头或尖锐边缘的更好表面。
在一个实施例中，所述烧结或去结合过程可从烧结体的表面去除杂质或 不希望的沉积物。当采用诸如激光、电子束、离子束之类的能量流来切削 生坯体时，这些能量流产生热以在烧结之前熔化和/或蒸发粘合剂，因而在 烧结体表面上的热切削表面在烧结过程之后可基本上不会被烧焦。例如，当 烧结件被激光切削时，这些激光切削表面往往被烧焦且黑化，并且需要另外 的处理或修整以去除烧焦的或黑化的材料。烧焦体可呈现对于许多应用而言 不受欢迎的特性。
因此，烧结过程和/或去结合过程可用于部分地或基本上防止颗粒烧焦， 因而烧结体能够基本上不会在热切削表面处出现烧焦或黑化。不限于理论， 考虑到的是，当粘合剂熔化或者以其他方式从生坯体去除时，粘合剂将烧焦 材料拉离生坯体。这有可能发生在所述烧结或去结合的过程中，因为粘合剂 的一部分将熔化并流过热切削表面，并且将烧焦材料从颗粒带走。因此，当 采用产生热的能量流来切削生坯体时，热切削表面可类似地具有烧焦表面； 不过，相比于被烧结之前在生坯体上的同样的热切削表面，烧结后的热切削 表面可具有更少的烧焦。
而且，不局限于任何特定理论，考虑到的是，氧化层随着烧结而形成于 生坯体的外表面上，特别在氧化气氛中时。相应地，在烧结之前采用能量流 或物质流来成形生坯体，可允许氧化层在烧结过程中形成于流切削表面上。 氧化层被认为具有诸如抗腐蚀、生物适应性之类的受欢迎的特性。另一方面， 切削烧结制品可能会破坏氧化表面层，并且降低或抑制这些受欢迎的特性。 因此，在烧结体上的至少一个流切削表面，可具有以通过烧结而形成的氧化 表面为特征的轮廓，其中所述烧结可在生坯体已经如在此所述的那样被切削 和成形之后进行。
另外，所述烧结体在烧结后可进行进一步的处理，例如通过研磨、砂磨 之类的处理，以提供增强的表面特性。因此，在烧结体外表面上的至少一个 流切削表面可具有比成形生坯体外表面上的至少一个流切削表面更为平滑 的轮廓。
因此，正牙支架可包括通过烧结成形生坯体而形成的烧结体，所述成形 生坯体包括由粘合剂保持在一起的多个可烧结颗粒。烧结体可包括限定正牙 支架形状的外表面。而且，通过采用能量流和/或物质流来切削生坯体，可 形成烧结体外表面上的至少一个成形(例如，激光切削)部分。
在不偏离本发明的精神或必要特性的前提下，可将本发明具体化为其它 具体形式。所描述的实施例在各方面均仅为说明性的，而非限制性的。因此， 本发明的范围由所附的各权利要求所限定，而并非由前述的描述所限定。在 各权利要求的等同物的含义和范围之内的所有改造被涵盖于本发明的范围 之内。