ES2199111T3 - Cuchillas cortantes con filos atomicamente afilados y procedimientos para hacerlas. - Google Patents
Cuchillas cortantes con filos atomicamente afilados y procedimientos para hacerlas.Info
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Abstract
Procedimiento para hacer un filo de corte afilado atómicamente (9, 50) para un instrumento de corte, comprendiendo dicho procedimiento: proporcionar una pieza en tosco (5, 30, 61) de material metálico que tiene una superficie principal y un filo biselado en un extremo de la superficie principal; depositar en el filo biselado que está en una parte de la superficie principal una capa continua de un segundo material que es más duro que el metal; caracterizado porque la capa del segundo material se fresa con un haz iónico concentrado (40) para formar un filo de corte atómicamente afilado (9, 50).
Description
Cuchillas cortantes con filos atómicamente
afilados y procedimientos para hacerlas.
La presente invención se refiere a dispositivos
que tienen filos cortantes extremadamente afilados, que son
particularmente útiles para instrumentos quirúrgicos, y también se
refiere a procedimientos para hacer dichos dispositivos. De hecho,
la invención se refiere a un proceso para formar un filo cortante
atómicamente afilado en un material usando fresado de haz iónico
concentrado individual o dual y los dispositivos producidos con
dicho proceso. La invención es particularmente útil para la
fabricación de instrumentos de corte quirúrgicos, y además se puede
utilizar para proporcionar casi cualquier filo de corte donde se
necesite un filo de corte muy afilado.
Los procesos médicos modernos requieren
instrumentos de corte con un afilado y una resistencia al desgaste
especiales y que muestren además fuerzas resistivas al tejido
mínimas. En microcirugía delicada, y especialmente en cirugía
oftalmológica, los filos de corte deben ser extremadamente afilados
y deben mantener además ese afilado durante toda la operación. Sin
embargo, las cuchillas muy afiladas que se pueden adquirir
actualmente pueden mostrar fuerzas sustancialmente resistivas,
haciendo difícil su movimiento a través del tejido sin que se
produzcan cortes ``mellados''. Además, hay estudios que han
demostrado que la degradación de la cuchilla puede dañar el tejido,
producir complicaciones postoperatorias y hacer que la
cicatrización sea más lenta.
Un elemento crucial de una cuchilla quirúrgica es
el filo de corte. Los fragmentos, mellas o roturas en el filo, las
rebabas residuales y/o los filos de corte de la cuchilla laminados
o deformados, pueden hacer que la cuchilla ya no se pueda utilizar
o, incluso peor, pueden dañar al paciente.
Los instrumentos de corte con un filo agudo se
producen normalmente con metales tales como el acero inoxidable,
carburo de silicio u otros materiales relativamente duros tales
como el carburo de silicio, silicio, vidrio, zafiros, rubíes o
diamantes. El vidrio, el silicio y el acero inoxidable son
relativamente económicos y por tanto desechables, mientras que los
diamantes, rubíes y zafiros son relativamente caros y,
necesariamente, es preciso normalmente volver a utilizarlos por
razones económicas. Cada uno de estos materiales se puede
rectificar, estampar, grabar, pulir y esmerilar de innumerables
maneras para proporcionar un filo de corte. Por ejemplo, el metal
se puede rectificar, estampar y/o grabar para producir cuchillas
de corte con filos de corte extremadamente finos. Sin embargo,
cuanto más delgado se haga el filo de corte, más agudos serán los
ángulos del bisel que forma ese filo de corte. Por ello, las
cuchillas de corte metálicas con el filo más delgado muestran una
mayor fragilidad que las cuchillas que tienen un filo relativamente
más grueso. Esta fragilidad se manifiesta en un desgaste
significativo, es decir, fragmentos, mellas, roturas, rebabas
residuales y/o filos de corte laminados o deformados. Además, las
cuchillas de corte se pueden desafilar sustancialmente incluso con
un único uso.
Muchos de aquellos versados en la materia
consideran las cuchillas de diamante como las cuchillas estándar
aceptadas por su calidad cortante. Sin embargo, las cuchillas de
diamante son muy costosas, extremadamente delicadas y aún más,
necesitan ser reafiladas constantemente. Así, aquellos versados en
la materia han encontrado medios más económicos para elaborar
dispositivos de corte con un afilado parecido al diamante. Más
adelante, se describen algunos de los intentos más recientes para
proporcionar filos de corte lo más afilados posible.
Henderson (US 4.534.827), muestra un instrumento
de corte que se fabrica grabando y puliendo químicamente un cristal
individual de alúmina, por ejemplo rubíes o zafiros, para formar un
filo con un radio de curvatura máximo de aproximadamente 100
Angstrom (\ring{A}). Sin embargo, los materiales descritos son
frágiles y, además, las cuchillas de corte formadas con la retícula
de material muestran una inclinación en bisel natural.
Mirtich y otros (US 4.490.229), muestran un
método para hacer películas de carbono de tipo diamante sobre un
sustrato. La superficie del sustrato queda expuesta a un haz iónico
de argón que contiene hidrocarburo. Al mismo tiempo, un segundo haz
iónico de argón (sin hidrocarburo) que tiene una mayor energía
iónica se dirige hacia la superficie, la cual aumente la movilidad
de los átomos de condensación y elimina menos átomos ligados.
Bache y otros (US 4.933.058) muestran un método
para recubrir un sustrato de corte con un material más duro
mediante deposición de vapores químicos o deposición catódica,
sometiendo al mismo tiempo el filo de corte a bombardeo iónico. El
bombardeo iónico produce una orientación preferida de la deposición
del material más duro y, además, extrae el material depositado
mediante bombardeo iónico, lo que produce un revestimiento con una
forma particular en sección transversal y un radio final de la
punta.
Kokai (PN japonesa 61-210179)
muestra la aplicación de revestimientos de carbono amorfo (carburo
de silicio) mediante deposición de vapores inducidos por plasma en
una mezcla gaseosa de hidrógeno y compuestos de hidrógeno (por
ejemplo metano) para producir un filo de corte con un grosor
comprendido entre 1 nm y 20 nm.
Hoshino (US 4.832.979) describe un proceso para
preparar una cuchilla de láser en donde la superficie de una parte
de prueba de la cuchilla se cubre con un revestimiento de carbono
que tiene un grosor comprendido entre 1 y 50 \mum sobre el cual
se aplica una capa protectora de zafiro, rubí o cristal de cuarzo
con un grosor de entre 1 y 50 \mum.
Kitamura y otros (US 4.839.195) muestran la
formación de un micrótomo cubriendo un sustrato de cuchilla de
base, por ejemplo, zafiro, con una capa de diamante que tiene un
grosor de entre aproximadamente 5 y 50 nm mediante deposición de
vapores químicos inducidos por plasma y mediante un tratamiento
térmico posterior a una temperatura de entre 700 y 1300ºC para
expulsar impurezas absorbidas en la capa de diamante. Kitamaru y
otros (US 4.980.021) muestran además el grabado de la superficie
del revestimiento de carbono que está sobre la superficie de la
cuchilla para proporcionar una aspereza superficial
beneficiosa.
Bache y otros (US 5.032.243) describen un método
para formar o modificar filos de corte de cuchillas de afeitar
sometiendo un grupo de cuchillas de afeitar de acero inoxidable a
bombardeo iónico procedente de dos generadores de iones situados en
lados opuestos de un plano que se encuentra dentro del grupo y que
es paralelo a las superficies más grandes de las cuchillas. Un filo
de corte afilado mecánicamente se bombardea con iones que proceden
de dos generadores para formar un nuevo filo, después de lo cual se
pone a funcionar un evaporador de haz de electrones para vaporizar
el material de revestimiento deseado o componente del mismo, donde
el revestimiento es un compuesto y el funcionamiento de los
generadores de iones es continuo. Después de que comienza la
deposición, la velocidad de extracción de material por bombardeo
iónico debida a los generadores de iones debe ser inferior a la
velocidad de deposición y los generadores de iones se ponen a
funcionar para asegurar la deposición.
Hahn (US 5.048.191) describe un proceso para
formar una cuchilla de afeitar proporcionando un sustrato cerámico,
desgastando mecánicamente un filo del sustrato para formar un filo
agudo con facetas que tienen un ángulo comprendido entre los lados
inferior a 30 grados, procesando térmicamente el filo desgastado
mecánicamente para reducir las asperezas superficiales y los
defectos subsuperficiales y afilar mediante bombardeo iónico el
filo agudo para proporcionar facetas adicionales que tengan un
ángulo entre los lados mayor de 40 grados para definir un radio de
la punta inferior a 500 \ring{A}.
Kramer (US 5.121.660) describe un proceso para
formar una cuchilla de afeitar que incluye proporcionar un sustrato
cerámico policristalino con un tamaño de grano inferior a 2 \mum,
desgastar mecánicamente un filo del sustrato para formar un filo
agudo que tenga un ángulo entre los lados inferior a 20 grados, y
grabar mediante bombardeo iónico el filo agudo para reducir el
radio de la punta hasta menos de 300 \ring{A}, formando así un
filo de corte.
De Juan, Jr. y otros (US 5.317.938) describen un
método para hacer una cuchilla microquirúrgica de un sustrato
plano. Una capa de una máscara fotorresistente se forma sobre la
superficie superior del sustrato siguiendo el modelo del
instrumento microquirúrgico y la superficie superior del sustrato se
muerde isotrópicamente hasta llegar a la superficie inferior para
formar la parte del filo de corte, teniendo la parte del filo de
corte una configuración que corresponde a la parte del filo de la
capa de la máscara. Para el sustrato, se pueden utilizar materiales
semiconductores tales como el silicio, carburo de silicio, zafiro y
diamante.
Knudsen y otros (US 5.724.868) describen un
método para hacer una cuchilla con unas características de corte
mejoradas. Una pieza en tosco de una cuchilla de acero se recubre
con TiN, Ti(CN) o (TiAl)N mediante un proceso en arco
catódico usando generadores de deposición lineal con calentamiento
y rotación simultáneos de la pieza en tosco de la cuchilla en
correspondencia con los generadores de deposición. El filo de la
cuchilla de la pieza en tosco se puede afilar o desafilar antes de
la deposición del revestimiento. Si la pieza en tosco se desafila
antes de la deposición, se afila después, preferiblemente en un solo
lado, mediante procedimientos convencionales rectificando con
muela abrasiva y suavizando al final la cuchilla.
Decker y otros (US 5.799.549) describen cuchillas
de afeitar mejoradas y procesos para hacer filos de corte agudos y
duraderos cubriendo al vacío el filo agudo de los sustratos de la
cuchilla con diamante amorfo. El sustrato se puede asentar
mecánicamente y no hay una capa intercalada entre el sustrato y la
capa de diamante. La capa imparte dureza y rigidez a la cuchilla
delgada a la vez que mantiene un gran aspecto.
Marcus y otros (US 5.842.387) muestran hojas de
cuchillo que tienen filos de corte "ultra afilados" que se
fabrican con discos de silicio monocristalino. Primeramente, un
reborde alargado del disco se cubre con una capa de protección
decapante. Después, se decapa el disco para cortar al sesgo la capa
de protección y formar las paredes laterales del borde que
convergen hacia el extremo del borde. Un vértice del borde afilado
se proporciona usando un proceso de oxidación/desoxidación. Se
obtienen hojas que muestran un afilado excelente, pero los ciclos
de oxidación/desoxidación del proceso suponen una pérdida de
tiempo. Además, los filos de las hojas extremadamente afilados son
relativamente frágiles y, en muchas aplicaciones, es preferible
desafilar los filos y reforzarlos añadiendo una o más capas
protectoras, por ejemplo mediante deposición RF. Además, la
fabricación de hojas que muestran doble bisel es difícil y costosa
con estas enseñanzas.
En consecuencia, sigue existiendo la necesidad de
proporcionar filos de corte más afilados y más duraderos en
instrumentos de corte, especialmente para cirugía de precisión. De
hecho, todavía existe la necesidad no resuelta en la industria de
proporcionar un instrumento de corte económico que proporcione un
filo de corte y una punta de cuchilla atómicamente afilados.
En este contexto, sería deseable producir
instrumentos de corte con bisel doble o simple desechables o con un
uso limitado, que muestren un afilado excepcional, una resistencia
al desgaste excelente y unas fuerzas resistivas de la cuchilla
mínimas, y un procedimiento para fabricar el instrumento desechable
o reutilizable para usar en procesos microquirúrgicos. Además,
sería deseable también proporcionar un instrumento con un filo de
corte continuo. También sería deseable fabricar tal instrumento de
corte con un material que sea biocompatible para usar en
instrumentos quirúrgicos. También sería deseable proporcionar tal
instrumento y un procedimiento para hacer que el instrumento sea
económico.
La presente invención, definida en las
reivindicaciones 1, 8 y 13, proporciona una cuchilla que tiene un
filo de corte afilado atómicamente hecho con un material duro y
duradero. La presente invención usa tecnología de fresado mediante
haz iónico concentrado (FIB) para "fresar atómicamente" un
filo afilado atómicamente en la cuchilla de un instrumento de
corte, es decir, el filo es afilado en una escala submicrométrica
y puede tener un radio de curvatura entre aproximadamente
1\ring{A} y aproximadamente 300 \ring{A}.
La tecnología FIB se ha desarrollado para
"fresar iónicamente" o "grabar" modelos de circuitos
integrados muy precisos en materiales semiconductores. Las
condiciones y técnicas FIB se han descrito en las US 5.482.802, US
5.658.470, US 5.690.784, US 5.744.400, US 5.840.859, US 5.852.297 y
US 5.945.677.
Los dispositivos según la presente invención se
describen después. Los objetos y ventajas de la presente invención
quedan claros en los dibujos y descripciones que vienen a
continuación.
Para un mejor entendimiento de la naturaleza y
los objetos deseados de la presente invención, se hace referencia a
la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos que
se adjuntan. Los números de referencia iguales indican partes
correspondientes en todas las figuras.
La figura 1, es una vista esquemática del filo de
corte de una pieza en tosco para una cuchilla de corte después de
que se ha depositado una capa protectora aunque antes de fresar
mediante haz iónico concentrado un nuevo filo de corte, según una
realización de la presente invención.
La figura 2, es una vista esquemática del filo de
corte de una pieza en tosco para una cuchilla de corte en el cual
se ha aplicado una capa protectora y se ha fresado mediante haz
iónico concentrado para formar un nuevo filo de corte, según una
realización de la presente invención.
La figura 3A, es una realización de un proceso de
corte de discos para producir piezas en tosco semielaboradas.
La figura 3B, muestra esquemáticamente una
realización de una pieza en tosco sometida a fresado de haz iónico
concentrado, en donde el lado pulido atómicamente de la pieza en
tosco no forma parte del filo de corte.
La figura 3C, muestra esquemáticamente una
realización alternativa de una pieza en tosco sometida a fresado de
haz iónico concentrado, en donde el lado pulido atómicamente de la
pieza en tosco forma parte del filo de corte.
La figura 4A, es una microfotografía que muestra
un filo afilado de manera convencional, con un defecto típico en
el filo microscópico.
Las figuras 4B a 4E, son microfotografías que
muestran filos afilados de manera convencional, con inversiones
microscópicas en el filo y/o residuos microscópicos.
La figura 5A, es una vista en planta que ilustra
una realización de piezas en tosco con filos de corte útiles para
preparar un filo de corte atómicamente afilado según la presente
invención.
La figura 5B, es una vista en sección según la
línea 5B-5B en la figura 5A.
La figura 6 es una microfotografía digital que
ilustra un filo afilado de manera convencional en donde una parte
del mismo se afiló más mediante fresado de haz iónico concentrado
según la presente invención, mostrando los sorprendentes resultados
del fresado de haz iónico concentrado.
La figura 7 ilustra una pieza en tosco de un filo
de corte agudo según la presente invención, unido a un
sustrato.
Las cuchillas cortantes atómicamente afiladas
según la presente invención incluyen una parte de filo cortante
formado con un material duro que tiene un filo agudo formado
mediante fresado de haz iónico concentrado (FIB). Los materiales
duros adecuados para la práctica de la presente invención son Si,
Al_{2}O_{3}, TiN, AlTiN, SiC, SiN, sulfuro de molibdeno
(MoS_{2}), carbono amorfo, carbono tipo diamante, circón, y
materiales similares que se pueden separar mediante un haz iónico
concentrado. El borde del material duro se puede apoyar sobre un
sustrato, normalmente de material más blando y más sólido. De
manera alternativa, el material duro se puede formar como un disco
en el que se forma un filo agudo mediante un haz iónico
concentrado.
En una realización de la presente invención
(figura 1), un pieza en tosco 5 de un filo cortante metálico se
forma mediante cualquier procedimiento, por ejemplo, metalurgia de
polvo, forja, estampado, mecanización por descarga eléctrica,
micromecanización, fotograbado o similar. La pieza en tosco 5 se
forma preferiblemente con al menos un filo cortante biselado 7.
Así, el filo cortante 7 es sustancialmente menos grueso que el
resto de la pieza en tosco 5. La pieza en tosco 5 se hace con
cualquier grosor adecuado para la herramienta de corte o
instrumento quirúrgico 10 que se desee.
La pieza en tosco de filo cortante 5 formada, se
limpia y se aplica sobre la misma una capa 6 de un material
sustancialmente más duro que el material de la pieza en tosco 5,
por ejemplo, mediante deposición de vapores químicos, deposición
catódica o deposición iónica. Estos procesos, que conocen muy bien
los versados en la materia, utilizan normalmente vacíos elevados en
los que la presión de vacío es inferior a 10^{-2} Torr, por
ejemplo 10^{-3}, 10^{-4}, etc. La capa de material duro 6 se
puede formar en presencia de elementos gaseosos adecuados aplicados
mediante el proceso de deposición al vacío. De hecho, los versados
en la materia también saben que la presencia de ciertos gases ayuda
a la adhesión de la capa 6 a la pieza en tosco 5. Los materiales
duros adecuados para la capa depositada 6 son Si, Al_{2}O_{3},
TiN, AlTiN, SiC, SiN, sulfuro de molibdeno (MoS_{2}), carbono
amorfo, carbono tipo diamante, circón, y materiales similares.
La capa 6 se aplica de manera que una capa
sustancial del material duro cubra de manera continua al menos un
lado del filo cortante 7 de la pieza en tosco 5. De manera
preferible, la capa 6 forma una capa continua en el filo cortante 7.
Se han aplicado capas 6 con un grosor de 30.000 \ring{A}; aunque
normalmente resulta más económico aplicar una capa del orden de
500 \ring{A} o menos. De hecho, en la realización preferida, el
grosor de la capa 6 después del fresado mediante haz iónico
concentrado oscila entre 100 \ring{A} y 500 \ring{A}, y más
preferiblemente es de al menos 200\ring{A}.
En una aplicación en la que se desee una capa 6
en un solo lado, es decir, para el filo cortante 7 de un
instrumento de corte de un solo bisel 10, el proceso de
revestimiento deposita normalmente material de revestimiento
sobrante 6 en la superficie de base 11 que debe retirarse. De
hecho, es deseable tratar la parte de la cuchilla que no se
pretende cubrir (es decir, la superficie de base 11), por ejemplo
mediante fresado de haz iónico no concentrado o grabado iónico, para
eliminar el material duro sobrante 6 no deseado. Después, la pieza
en tosco 5 se afila mediante fresado de haz iónico concentrado
(FIB) para crear un nuevo filo agudo 9 con un borde afilado
atómicamente. Para instrumentos de corte con doble bisel, en los
que ambos lados de la pieza en tosco están biselados y cubiertos
con un material más duro, cada lado cubierto de la pieza en tosco se
fresa mediante un haz iónico concentrado para crear un nuevo
extremo afilado con un filo de doble bisel afilado
atómicamente.
El haz iónico concentrado elimina partes de la
capa 6 del filo 7 y restablece un nuevo filo de corte
"atómicamente afilado" 9 (figura 2) que se desplaza por el
resto, es decir, el grosor no fresado, de la capa 6 del filo de
corte original 7 de la pieza en tosco 5. La patente U.S.
5.945.677, describe un proceso para proporcionar un haz iónico
concentrado (FIB) que puede usarse para nanolitografía. Tal FIB
puede concentrarse en un ángulo del filo cortante de la pieza en
tosco recubierta 5 para eliminar el material duro 6 con el fin de
formar un nuevo filo de corte atómicamente
\hbox{afilado
9.}
Como se ha descrito antes, el fresado mediante
haz iónico concentrado se lleva a cabo con una maquinaria
especializada fabricada por Micrion División de FEI o similar. El
haz iónico concentrado 40, que constituye la fuente de energía de
trabajo, se deriva preferiblemente de una fuente de galio líquido
excitado eléctricamente 45. Sin embargo aquellos versados en la
materia saben que se pueden usar otros generadores de iones 45
dentro del objeto de las reivindicaciones. El generador 45 emite un
haz de iones de galio 40 que se concentra con un diámetro deseado.
El haz concentrado 40 se limita espacialmente, preferiblemente
hasta aproximadamente 5 nm de diámetro. Sin embargo, se pueden usar
también otros diámetros de haz concentrado más grandes, por ejemplo
de 10 nm, con resultados satisfactorios. El nivel de energía que
se necesita para fresar un filo de corte agudo 9 en una pieza en
tosco 5 de una cuchilla oscila entre aproximadamente 30 pA para un
haz con un diámetro de 5 nm y aproximadamente 100 pA para un haz
con un diámetro de 10 nm. Como en cualquier proceso de fresado, el
objeto de esta fase del proceso consiste (1) en eliminar algunas o
todas las áreas específicas de la capa más dura 6 a lo largo del
filo de corte 9 y (2) en el plano de la superficie de base 11, o,
para filos de corte con doble bisel, eliminar la capa dura a lo
largo de los filos de corte deseados.
El haz iónico concentrado 40 corta como una
fresadora atómica, permitiendo el corte in situ libre de
esfuerzos internos para formar un filo de corte atómicamente
fresado 9.
El haz iónico concentrado 40 se dirige hacia la
capa 6 de la pieza en tosco 5 con un ángulo de pocos grados con
respecto al ángulo final deseado del filo de corte afilado 9.
Normalmente, el haz 40 se dirige hacia el filo de corte 9 de la
pieza en tosco 5 con un ángulo aproximadamente cinco (5) grados
mayor que la referencia a un plano paralelo a la superficie
principal del filo de corte 9 de la pieza en tosco. Los procesos de
la presente invención proporcionan un filo de corte 9 que tiene un
acabado superficial y una reproducibilidad de tolerancia dimensional
del producto formado de gran calidad. Se prefiere que la tolerancia
dimensional tenga una exactitud de al menos 0,3 micrómetros o
menos. Además, se puede proporcionar un radio de curvatura del filo
de corte menor de aproximadamente 300 \ring{A}, preferiblemente
menor de aproximadamente 100 \ring{A}, y más preferiblemente
menor de aproximadamente 10 \ring{A}. Además, haciendo el filo de
corte según la presente invención, se evitan residuos
microscópicos en el filo de corte.
La pieza en tosco 5 del filo de corte que tiene
el borde atómicamente afilado se une al final a un sustrato de
soporte (figura 7), que puede ser, por ejemplo, de metal o de
plástico, y que puede tener prácticamente cualquier forma y
proporciona soporte estructural, solidez y resistencia a la rotura
al filo de corte resultante 9. Como se ilustra en la figura 7, una
pieza en tosco afilada atómicamente y con doble bisel se ha
montado en un sustrato 25 mediante un adhesivo (no se muestra). El
sustrato se puede hacer con cualquier material adecuado tal como
metal o plástico.
En una segunda realización, se han hecho unas
piezas en tosco 60 con filo de corte en una lámina con forma de
disco 65 de silicio metálico, cerámica, vidrio, Al_{2}O_{3},
TiN, AlTiN, SiC, SiN, sulfuro de molibdeno (MoS_{2}), carbono
amorfo, carbono tipo diamante, circón, y materiales duros de tipo
parecido. Las piezas en tosco con filos de corte que tienen una
variedad de formas se pueden formar en una lámina 65 mediante
micromecanizado, fresado de haz iónico no concentrado o grabado
(figuras 5a y 5b), siendo estos procesos muy conocidos por los
versados en la materia. En esta realización, se forma primeramente
una pluralidad de piezas en tosco 60 con la medida aproximada
mediante dichos procesos. Las piezas en tosco 60 con filo de corte
se han atacado químicamente para proporcionar un filo de corte 63 y
se han serrado en basto para proporcionar un borde posterior. Por
tanto, el filo de corte 63 se ha afilado mediante fresado con un
haz iónico concentrado, como se ha descrito antes, ya que es
necesario en uno o dos lados, para proporcionar el filo de corte
deseado afilado atómicamente. Esta realización puede proporcionar
filos de corte agudos relativamente deprisa. Las piezas en tosco con
filos de corte fresados mediante FIB se pueden montar en soportes
(por ejemplo, ver figura 7) para proporcionar instrumentos de
corte.
Las piezas en tosco rectangulares 61, fabricadas
mediante micromecanizado, fresado de haz iónico no concentrado o
grabado, tienen la forma preferida. Sin embargo, dentro de las
enseñanzas de esta invención podemos tener formas circulares,
elípticas, triangulares y poligonales. Para formar las piezas en
tosco rectangulares 61, el micromecanizado, fresado de haz iónico
no concentrado o grabado se realizan para definir el perímetro de
la pieza en tosco rectangular 61. El ángulo agudo 62 del filo de
corte 63 de la pieza en tosco en bruto 61 oscila entre
aproximadamente 30 y aproximadamente 60 grados, y es
preferiblemente de unos 36,8 grados, como se muestra en la figura
5b. La pieza en tosco rectangular 61 se fresa después con un haz
iónico concentrado para crear el filo de corte afilado atómicamente
en 63. Las piezas en tosco individuales 60 con filo de corte se
pueden, por ejemplo, dividir en dos mitades 69. Como ejemplo, en la
figura 5a, una pieza en tosco rectangular 61 se ha dividido en dos
por 69 para producir dos piezas en tosco 60 con tres filos de corte
afilados atómicamente 63. El filo de corte se puede proporcionar
con cualquier forma. Después, se lamina un sustrato de soporte, por
ejemplo de metal, plástico, vidrio, etc., en la pieza en tosco con
filo de corte 60 para proporcionar soporte estructural, solidez y
resistencia a la rotura.
En otra realización (figura 3a), una pluralidad
de piezas en tosco con filos de corte 30 de una cuchilla se
fabrican de unos discos 35 de, por ejemplo, silicio, cerámica,
vidrio, Al_{2}O_{3}, TiN, AlTiN, SiC, SiN, sulfuro de molibdeno
(MoS_{2}), carbono amorfo, carbono tipo diamante, circón, y
materiales duros de tipo parecido, preferiblemente materiales que
se pueden conseguir fácilmente en forma de discos en la industria
de los semiconductores. De manera preferible, el grosor del disco
35 oscila entre aproximadamente 100 \mum y aproximadamente 1000
\mum. Más preferiblemente, al menos un lado 38 del disco se pule
hasta un conseguir un acabado atómico, lo cual es también común en
la industria de los semiconductores.
Inicialmente, se usa una sierra de corte 32 para
proporcionar una forma en basto a la pieza en tosco con filo de
corte 30. De hecho, el objeto de la operación de corte consiste en
formar, o crear, una serie de piezas en tosco con filos de corte
30, por ejemplo, componentes con forma de prisma triangular en la
superficie del disco 35. Antes de cortar, el disco 35 está montado
de forma segura en un portapiezas, y, después, la sierra de corte
32 produce de manera sistemática una pluralidad de piezas en tosco
30. La sierra de corte 32 está equipada con una cuchilla
especialmente preparada 39 (por ejemplo diamante, carburo de silicio
o similar) que tiene una cara de corte de aproximadamente 100
\mum. La cuchilla especialmente preparada 39 de la sierra de
corte 32 puede formar biseles cortados con precisión en el disco 35
en donde estos biseles forman un ángulo comprendido
preferiblemente entre aproximadamente 10 y 90 grados. Sin embargo,
el medio de corte de la sierra 32 se selecciona para que no produzca
fragmentos con unas dimensiones mayores de 0,3 \mum.
Después de que el disco 35 ha sido cortado en
piezas en tosco con filos de corte 30, estas se limpian, por
ejemplo mediante limpieza ultrasónica, plasma, agua desionizada a
alta presión, y similares, para eliminar todos los residuos y el
disolvente de corte que puede haber contaminado la superficie. Las
piezas en tosco con filos de corte 30, se colocan después en una
cámara de vacío de una fresadora de haz iónico. A la cámara se le
hace el vacío hasta conseguir una presión al vacío de unos
10^{-7} Torr. A continuación, se dirige un haz iónico concentrado
por al menos un lado 31 hacia el vértice 34 de al pieza en tosco 30
de la cuchilla (figura 3B).
Las piezas en tosco con filos de corte se pueden
hacer también mediante técnicas de grabado químico, que conocen muy
bien los versados en la materia. Por ejemplo, un disco de silicio
está provisto de una máscara fotorresistente que resiste la
solución para ataque químico que se usa. La máscara consiste en
bandas longitudinales de resistencia situadas en la parte superior
del disco que corresponde al filo de la cuchilla, es decir a una
altura perpendicular al plano del disco. Para una profundidad de
ataque en el disco de 150 micrómetros, es necesario proporcionar al
menos una banda de resistencia con una anchura de un micrómetro por
la parte superior de la cuchilla para evitar un ataque más
profundo y que se dañe la estructura del filo. El filo final se
forma mediante FIB.
Dependiendo del uso final y/o del radio final de
curvatura, es decir, del afilado de los filos, el haz iónico
concentrado 40 puede dirigirse a la pieza en tosco 30 de la
cuchilla desde la parte delantera del filo delantero 50 o desde la
parte trasera del filo delantero 50 (figura 3B). El afilado final
se crea cuando el generador de haces iónicos concentrados 45 se
aplica preferiblemente en el filo de corte 50 desde detrás del filo
delantero de la pieza en tosco 30 con filo de corte. Se prefieren
los filos agudos con ángulos comprendidos entre los lados que
oscilan entre aproximadamente 10 y 70º. Así, se usan normalmente
los ángulos FIB de entre aproximadamente 5 y 70º.
De manera preferible, se usa un filo con un lado
pulido 38 adyacente al mismo y el FIB se dirige desde un lado
opuesto 31 para proporcionar el filo biselado individual afilado
atómicamente.
Una vez que se ha producido el filo afilado
atómicamente 50 en la pieza en tosco con filo de corte 30, la base
de la pieza en tosco con filo de corte 30 (opuesta al filo
afilado, por ejemplo, lado 33) se une de manera fija a un sustrato
de soporte (por ejemplo, ver figura 7), por ejemplo de metal,
plástico, vidrio, cerámica o similar, mediante, por ejemplo
soldadura de estaño, resina epoxídica, soldadura, acuñamiento,
engarce, adhesivos, ajuste a presión o unión eutéctica. El sustrato
de soporte facilita la última unión de la pieza en tosco con el filo
de corte 30 afilado atómicamente a cualquier herramienta o
instrumento de corte deseado. También es posible poner en práctica
esta invención uniendo la pieza en tosco 30 de la cuchilla afilada
directamente a la herramienta o instrumento de corte.
Para un filo de corte con doble bisel, el FIB se
dirige desde ambos lados del filo de corte.
Si se usa el mecanismo de haz iónico concentrado
en el modo de gran amperaje transversal, es posible esculpir varias
formas de filo mediante un proceso que se denomina "modelado
mediante haz". El haz iónico concentrado para el "modelado
mediante haz" tiene un diámetro de haz preferido de al menos 10
nm.
Las figuras 4A a 4E ilustran filos de cuchillas
del estado de la técnica afiladas mecánicamente y esmeriladas,
para proporcionar un afilado máximo a instrumentos
microquirúrgicos. La figura 4A muestra un defecto típico en el filo
agudo. Las figuras 4B a 4E muestran la inversión típica del metal en
el filo agudo y los residuos microscópicos que dejan los procesos
de afilado mecánico y esmerilado.
La figura 6 demuestra gráficamente la sensacional
mejora de afilado que resulta del fresado mediante haz iónico
concentrado. La figura 6 muestra dos áreas del filo de una
cuchilla. La primera área 52 se ha afilado mediante rectificado con
muela abrasiva y esmerilado del filo. Tiene residuos microscópicos
alrededor del filo agudo y el mismo filo agudo muestra inversiones.
La segunda área 54 se ha fresado con haz iónico concentrado 40
según la presente invención. Hay que observar la sorprendente
limpieza alrededor del filo agudo y del filo afilado
atómicamente.
Claims (16)
1. Procedimiento para hacer un filo de corte
afilado atómicamente (9, 50) para un instrumento de corte,
comprendiendo dicho procedimiento:
proporcionar una pieza en tosco (5, 30, 61) de
material metálico que tiene una superficie principal y un filo
biselado en un extremo de la superficie principal;
depositar en el filo biselado que está en una
parte de la superficie principal una capa continua de un segundo
material que es más duro que el metal;
caracterizado porque la capa del segundo material
se fresa con un haz iónico concentrado (40) para formar un filo de
corte atómicamente afilado (9, 50).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
donde la capa del segundo material se deposita con un grosor que
oscila entre aproximadamente 100 y
\hbox{500
\ring{A} .} 3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en donde el segundo material se selecciona de un grupo que consiste
en silicio, cerámica, vidrio, Al_{2}O_{3}, TiN, AlTiN, SiC,
SiN, sulfuro de molibdeno (MoS_{2}), carbono amorfo, carbono tipo
diamante y circón.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en donde la capa se fresa con un ángulo
agudo en un plano paralelo a dicha superficie principal mediante
haz iónico concentrado (40) para proporcionar a dicha pieza en
tosco con un filo de corte continuo afilado atómicamente (9,
50).
5. Procedimiento según la reivindicación 4, en
donde se proporciona un sustrato de soporte (35) al que se une la
pieza en tosco metálica.
6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5,
en donde la capa del segundo material tiene un grosor que oscila
entre aproximadamente 100 y 500 \ring{A} y/o la capa de
revestimiento tiene un grosor de al menos aproximadamente 200
\ring{A}.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 6, en donde el segundo material comprende un
material seleccionado de un grupo que consiste en silicio,
cerámica, vidrio, Al_{2}O_{3}, TiN, AlTiN, SiC, SiN, sulfuro de
molibdeno (MoS_{2}), carbono amorfo, carbono tipo diamante y
circón.
8. Procedimiento para hacer un filo de corte
atómicamente afilado para un instrumento de corte, comprendiendo
dicho procedimiento:
proporcionar una pieza en tosco de la cuchilla
(5, 30, 61) que tiene una superficie principal y un filo en un
extremo de la misma;
caracterizado porque dicho filo se fresa
con un ángulo agudo en un plano paralelo a dicha superficie
principal usando un haz iónico concentrado (40) para proporcionar a
dicha pieza en tosco un filo de corte continuo afilado atómicamente
(9).
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en
donde la pieza en tosco es un disco (35, 65) de un material
seleccionado de un grupo que consiste en silicio, cerámica, vidrio,
Al_{2}O_{3}, TiN, AlTiN, SiC, SiN, sulfuro de molibdeno
(MoS_{2}), carbono amorfo, carbono tipo diamante y circón y/o en
donde la pieza en tosco se forma con un grosor que oscila
aproximadamente entre 100 \mum y 1000 \mum.
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en donde el filo de corte (9, 50) se forma
con un radio de curvatura inferior a aproximadamente 300
\ring{A}, preferiblemente inferior a aproximadamente 100
\ring{A}, y más preferiblemente inferior a aproximadamente 10
\ring{A}.
11. Procedimiento según la reivindicación 8 ó 9,
en donde el filo de corte (7) de la pieza en tosco de la cuchilla
(5) tiene un filo de cuchilla inferior a aproximadamente 1
micrómetro antes del afilado.
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 7 u 11, en donde el instrumento de corte
comprende además un sustrato de soporte (25) para unir al mismo la
pieza en tosco de la cuchilla (5) que tiene un filo de corte
continuo atómicamente afilado (9).
13. Procedimiento para producir un filo de corte
afilado atómicamente (30, 61) para un instrumento de corte,
comprendiendo dicho procedimiento las fases de:
proporcionar un disco (35, 65) de material
adecuado para formar un filo de corte;
cortar el disco para producir al menos una pieza
en tosco de la cuchilla que tenga una sección transversal
triangular, teniendo dicha pieza en tosco de la cuchilla una
pluralidad de filos;
caracterizado por
colocar la pieza en tosco de la cuchilla en una
cámara de vacío;
hacer el vacío en la cámara hasta conseguir una
presión deseada; y
fresar el filo de la pieza en tosco de la
cuchilla con un haz iónico concentrado (40) para proporcionar un
filo de corte afilado atómicamente (50) en la pieza en tosco de la
cuchilla.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, que
comprende además unir la pieza en tosco de la cuchilla atómicamente
afilada al sustrato de un instrumento de corte y/o en donde el
disco (35, 65) comprende un material seleccionado de un grupo que
consiste en silicio, cerámica, vidrio, Al_{2}O_{3}, TiN, AlTiN,
SiC, SiN, sulfuro de molibdeno (MoS_{2}), carbono amorfo, carbono
tipo diamante y circón, y/o en donde el disco se forma con un
grosor que oscila aproximadamente entre 100 y 1000 micras.
15. Procedimiento según la reivindicación 13 ó 14
que comprende cortar del disco (35, 65) un ángulo de la superficie
del disco que oscila aproximadamente entre 5 y 7 grados y/o
proporcionar al disco al menos una superficie atómicamente pulida
y/o proporcionar al haz iónico concentrado un diámetro de 5 nm o de
10 nm.
16. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3; 8 a 10 ó 13 a 15, en donde el filo de corte
se forma con un filo de un solo bisel o un filo de doble
bisel.
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