CN104010582B - 用于降低加工成本的模具设计方法 - Google Patents

Abstract

一种整形外科膝关节切割块，其通过包括以下步骤的过程来制备：制造具有第一核心细部和第二核心细部的模具，每个核心细部对应一体积；用粘合剂和金属的混合物填充所述模具；从所述模具释放毛坯部件，所述毛坯部件具有与所述第一核心细部对应的第一空隙和与所述第二核心细部对应的第二空隙；从所述毛坯部件去除所述粘合剂；加热所述毛坯部件以产生烧结部件；以及通过锯出切割槽来加工所述部件，使得所述切割槽与所述第一空隙和所述第二空隙重叠。替代地，整形外科膝关节切割器械可以通过简单的金属铸造方法来制造。

Description

用于降低加工成本的模具设计方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年11月21日提交的美国临时申请No.61/562,006的权益。该在先申请的公开内容被全文引入作为参考。

技术领域

本发明一般地涉及模具设计方法。更具体地，本发明涉及用于整形外科器械和植入物的模具设计方法。

背景技术

制造成形金属物体的传统方式包括失蜡铸造和砂型铸造方法。两种铸造方法都依赖于用砂腔或者蜡模来制造物体的模具，然后倒入液化的金属。金属填充模具腔并且冷却。一旦金属固化，可以破坏模具并去除该部件。替代地，金属物体可以由金属坯料加工成形。对于铸造部件，通常需要二次加工来满足公差和/或实现表面精加工等。然而，加工操作需要去除材料，并且可能效率低且成本高。

金属注射模制(MIM)允许大量制造网形或近似网形的金属构件而不需要昂贵的加工成本。参见图1，MIM过程在步骤10开始，将金属粉末和聚合物粘合剂混合以形成能够被注入模具腔的材料。粘合剂给混合物提供合适流变性质，以便于操作、模制并且随后易于从模具去除。然后，混合物在注模桶中被加热到合适的粘稠度，然后被注入到模具腔中以获得模具的形状。注射模制机可以是与用于塑料的注射模制部件相同的机器。一旦模具形成，则毛坯部件在步骤12中从模具中排出。然后，通常通过将部件引入溶剂中或通过燃烧掉聚合物而从毛坯部件去除粘合剂。下一个步骤14是在炉中烧结部件以部分地融化金属颗粒。在烧结过程中，温度通常达到大约1000摄氏度。在这个阶段，由于金属颗粒实化，部件可能收缩15-20％。在烧结后，部件具有与传统方法形成的部件非常接近的密度。最后，在步骤16中，烧结的部件被加工成它的最终形状。

图2和图3示出现有技术的最后加工步骤的一个实施方式。图2示出切割块304的示意性局部截面图，开槽锯片306***到其最大深度。开槽锯片可以进入切割块304表面以形成用于外科锯片的具有精确尺寸的槽。但是，如在图2中可以看到的，锯片的曲率导致槽中的金属去除不完全，在附图标记307处示出。在尝试清洗槽时，锯片306可以从切割块304的另一侧***。图3示出该第二加工步骤。如可以看出的，“龙牙”405仍然存在，其必须通过另一操作来去除。其它操作包括使用金属丝EDM来精加工部件、锉磨部件、铣削等。这些操作均给最终产品增加了额外的成本和时间。

金属注射模制的优点包括较高的设计灵活性和较低的加工成本。鉴于传统加工方法依赖从部件去除材料，MIM部件可以制造成近似网状，从而能够降低或避免后续加工成本。塑性金属注射模制的所有益处和设计限制本质上都适用于MIM。

取决于对最终产品所要求的公差，可能需要进一步的加工。一般来说，用MIM制造的较大物体比较小物体需要更多后续的加工，这限制了MIM应用于较小的物体。例如，对于未精加工的MIM制造的部件的典型公差是每英寸±5/1000”，但对于整形外科切割块的切割槽公差可能是每英寸±1/1000”，所以精加工的MIM部件有时必须被加工以符合公差。诸如股骨干、胫骨基板、膝关节成形术股骨构件和其他整形外科植入物的植入构件可能需要有相似的公差。

虽然MIM正在变得被广泛应用，由于不能满足一些应用所要求的精细公差，许多产品仍然需要额外的加工操作。这对于整形外科切割块和植入物尤其如此。因此，一直以来需要改善MIM或铸造过程中使用的模具的设计。

发明内容

以下描述和在图中示出的本发明的各种实施方式描述了模具设计方法，其增加了后续加工操作的效率。

本公开的一个方面披露了一种整形外科膝关节切割块，其通过包括以下步骤的过程来制备：制造具有第一核心细部和第二核心细部的模具，每个核心细部对应一体积；用粘合剂和金属的混合物填充所述模具；从所述模具释放毛坯部件，所述毛坯部件具有与所述第一核心细部对应的第一空隙和与所述第二核心细部对应的第二空隙；从所述毛坯部件去除所述粘合剂；加热所述毛坯部件以产生烧结部件；以及通过锯出切割槽来加工所述烧结部件，使得所述切割槽与所述第一空隙和所述第二空隙重叠。

在一些实施例中，所述第一和所述第二核心细部位于近侧部分上。

在一些实施例中，所述切割槽是一个前部切割槽。

在一些实施例中，所述整形外科膝关节切割块可包括后部切割槽。

在一些实施例中，所述整形外科膝关节切割块可包括至少一个斜切切割槽。

在一些实施例中，所述整形外科膝关节切割块可包括埋头孔。

本公开的一个方面披露了一种用于整形外科器械或植入物的模具设计方法，包括制造具有核心细部的模具，所述核心细部对应一体积，单次加工操作无法去除该体积；用粘合剂和金属的混合物填充所述模具；从所述模具释放毛坯部件；从所述毛坯部件去除所述粘合剂；加热所述毛坯部件以产生烧结部件；以及加工所述烧结部件。

本公开的另一个方面披露了一种用于整形外科器械或植入物的模具设计方法，包括制造具有核心细部的模具，所述核心细部对应一体积，其简化了后续加工操作；用粘合剂和金属的混合物填充所述模具；从所述模具释放毛坯部件；从所述毛坯部件去除所述粘合剂；加热所述毛坯部件以产生烧结部件；以及加工所述烧结部件。

本公开的再一个方面披露了一种用于整形外科器械或植入物的模具设计方法，包括制造具有核心细部的模具，所述核心细部对应一体积，单次加工操作将不能够去除该体积；用熔化的金属填充所述模具；使所述熔化的金属固化；从所述模具释放部件；以及加工所述部件。

本公开的又一个方面披露了一种用于整形外科器械或植入物的模具设计方法，包括制造具有核心细部的模具，所述核心细部对应一体积，其简化了后续加工操作；用熔化的金属填充所述模具；使所述熔化的金属固化；从所述模具释放部件；以及加工所述部件。

本公开的其他方面包括其中所述整形外科器械是切割块。进一步的方面包括其中所述加工操作使用铣削机器上的开槽锯，并且其中所述体积是齿状或环状的。

通过下文提供的详细描述，本发明的应用性的其他方面将变得明显。应当理解，表明本发明的具体实施例的详细描述和特定示例仅仅意图是说明的目的，而不意图限制本发明的范围。

附图说明

附图示出本发明的实施例，并且与文字描述一起用来解释本发明的原理、特性和特征。在附图中：

图1是金属注射模制(MM)过程的方块图。

图2示出现有技术的正被加工的未精加工切割块的示意性局部截面图。

图3是在图2所示步骤之后现有技术的正被加工的未精加工切割块的示意性局部截面图。

图4示出精加工的整形外科切割块的前视图。

图5示出未精加工的整形外科切割块的局部视图。

图6示出具有空腔细部的切割块的侧视图。

图7示出精加工的整形外科切割块的局部视图。

图8示出在钉周围的埋头孔的详细视图。

具体实施方式

所示(一个或多个)实施例的以下描述本质上仅仅是例证性的，绝不意图以任何方式限制本发明、其应用或用途。

本公开的实施例提供了整形外科切割块及制造方法，其减少了二次加工操作和/或使得加工操作更容易进行。

“核心细部”指的是模具内侧上的特征，其限定模具内的空间的形状和模具内制造的物体的外表面。这些特征可以具有任何三维形状。

图4示出精加工的切割块104。切割块104具有近侧部分120和远侧部分130。切割块包括捕获物102，或末端封闭的切割槽。在使用中，切割块104通常使用***孔105的销连接到病人的骨。在切割块放到病人骨上之后，外科锯片被***捕获物102中，并用来在病人骨内进行切割。切割块104可以包括其他切割槽，例如槽108、109和110。本领域普通技术人员能够理解这些切割槽102、108、109、110必须按正确的位置和取向放置以确保在期望的位置形成骨切口。如图4所示的切割块通常由一块棒料制成，其随后被加工成形。在当前的设计中，如图4所示的捕获物102的边缘可以通过金属丝放电加工(“EDM”)或通过开槽锯片或其他铣削操作形成。

图5示出本发明的一个实施例。图5是未精加工的整形外科切割块501(例如“毛坯”部件或“铸造”部件)的前视图。所示出的未精加工的块恰好在加工之前。整形外科切割块501可以包括在近侧部分520中的一个或多个空隙502。空隙502也可称为切割块501中的空腔。空隙502的存在是因为在材料模具中的核心细部中的对应体积。切割块模具被设计成使得由空隙502占据的自由空间对应于不能被单次开槽锯操作去除的体积。因此，最后的加工操作会更迅速且更便宜，因为只需要将开槽锯***部件而不需要任何其他加工操作，例如金属丝EDM。本领域普通技术人员能够容易想到将这些类型的核心细部结合到其他类型的制造方法中，例如砂型铸造、失蜡铸造或选择性激光烧结。

图6示出空隙502的局部剖面侧视图。空隙502的侧面可以是渐缩的以便于脱模。

图7是具有加工出的槽512的精加工的整形外科切割块510的前视图。加工出的槽512与空隙502重叠或接合。

图8示出本公开的另一实施例，切割块601的端视图。切割块601可以具有一个或多个钉602，其用来将切割块固定到骨。有利的是在钉的基部处提供埋头孔610。替代地，埋头孔610可以称为底切区域。埋头孔可以被结合在模具中作为核心细部。因为在加工近似网状MIM主体期间形成切割块上的主基准，埋头孔允许降低加工时间，因为在模制过程中可以制造金属钉的全部形貌，并且能够在不必在金属钉周围“行走”而同时避免“匹配”表面的难题的情况下完成主基准的形成(通过铣削或研磨)。如果没有埋头孔，那么铣削头会刮伤金属钉并且形成不匹配的表面。工具能够保持间隙并且形成全部基准表面而没有接触钉的风险，而不是为了形成主基准表面而试图直接抵靠在钉上铣削。在所示的实施例中，埋头孔610显示为圆形凹穴，但可以使用其他形状。例如，埋头孔610可以是方形、矩形、三角形或椭圆形。

本公开的设计方法可以应用于MIM部件需要后期加工的任何情况。一般来说，可以说其更适用于较大的部件，其中，MIM设计的固有公差成为限制。

整形外科膝关节切割块器械可以采用若干不同方法制造。作为第一示例，整形外科膝关节切割块可通过包括以下步骤的过程来制备：制造具有第一核心细部和第二核心细部的模具，每个核心细部对应一体积；用粘合剂和金属的混合物填充所述模具；从所述模具释放毛坯部件，所述毛坯部件具有与所述第一核心细部对应的第一空隙和与所述第二核心细部对应的第二空隙；从所述毛坯部件去除所述粘合剂；加热所述毛坯部件以产生烧结部件；以及通过锯出切割槽来加工所述烧结部件，使得所述切割槽与所述第一空隙和所述第二空隙重叠。作为第二示例，整形外科膝关节切割块器械通过以下制备：制造具有核心细部的模具，所述核心细部对应一体积；用熔化的金属填充所述模具；使所述熔化的金属固化以生产部件；从所述模具释放所述部件，所述部件具有与所述核心细部对应的空隙；以及在所述部件中加工槽，其中，所述槽与所述空隙相交。

如上面参考对应的图示所描述的，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对示例性实施例作出各种改变，所意图的是，前面的描述所包含的以及附图所示出的所有内容应当被解释为说明性的而非限制性的。因此，本发明的广度和范围不应该受限于上述示例性实施例中的任何一个，而是仅应当根据权利要求及其等同物来限定。

Claims (12)

1.一种整形外科膝关节切割块，其通过包括以下步骤的过程来制备：

a.制造具有第一核心细部和第二核心细部的模具，每个核心细部对应一体积；

b.用粘合剂和金属的混合物填充所述模具；

c.从所述模具释放毛坯部件，所述毛坯部件具有与所述第一核心细部对应的第一空隙和与所述第二核心细部对应的第二空隙；

d.从所述毛坯部件去除所述粘合剂；

e.加热所述毛坯部件以产生烧结部件；以及

f.通过锯出切割槽来加工所述烧结部件，使得所述切割槽与所述第一空隙和所述第二空隙重叠。

2.如权利要求1所述的整形外科膝关节切割块，其中，所述第一和第二核心细部位于近侧部分上。

3.如权利要求1所述的整形外科膝关节切割块，其中，所述切割槽是前部切割槽。

4.如权利要求1所述的整形外科膝关节切割块，进一步包括后部切割槽。

5.如权利要求1所述的整形外科膝关节切割块，进一步包括至少一个斜切切割槽。

6.如权利要求1所述的整形外科膝关节切割块，进一步包括埋头孔。

7.一种制造整形外科膝关节切割块器械的方法，包括：

a.制造具有核心细部的模具，所述核心细部对应一体积；

b.用粘合剂和金属的混合物填充所述模具；

c.从所述模具释放毛坯部件，所述毛坯部件具有由所述核心细部产生的空隙；

d.从所述毛坯部件去除所述粘合剂；

e.加热所述毛坯部件以产生烧结部件；以及

f.在所述烧结部件中加工槽，其中，所述槽与所述空隙相交。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述核心细部位于近侧部分上。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述槽是前部切割槽。

10.一种制造整形外科膝关节切割块器械的方法，包括：

a.制造具有核心细部的模具，所述核心细部对应一体积；

b.用熔化的金属填充所述模具；

c.使所述熔化的金属固化以生产部件；

d.从所述模具释放所述部件，所述部件具有与所述核心细部对应的空隙；以及

e.在所述部件中加工槽，其中，所述槽与所述空隙相交。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述核心细部位于近侧部分上。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述槽是前部切割槽。