CH669355A5

CH669355A5 -

Info

Publication number: CH669355A5
Application number: CH521/85A
Authority: CH
Inventors: George A Kim
Original assignee: George A Kim
Priority date: 1984-07-05
Filing date: 1985-02-05
Publication date: 1989-03-15
Also published as: JPH0443228B2; IL75560A; US4581969A; EP0167330A2; IL75560A0; JPS6135330A

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten eines harten und spröden Materials. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anwendung des Verfahrens bei Diamantklingen. Solche Diamantklingen bzw. damit versehene Diamantwerkzeuge werden dazu verwendet, sehr dünne Abschnitte aus einer Materialprobe wie z. B. einem biologischen Gewebe abzutrennen, um eine dünne Probe zu schaffen, welche unter einem Raster- oder Transmissionselektronenmikroskop untersucht werden kann. Diese Werkzeuge werden ebenfalls in der Werkstoffwissenschaft verwendet, um Kunststoffe, Metalle oder ähnliches zu zerschneiden.

Das Hauptproblem, welches während des Betriebs eines konventionellen Diamantwerkzeugs oder -messers zur Herstellung feinster Schnitte auftritt, besteht im «Rattern». Unter Rattern wird eine schnelle Vibration der Messerklinge in bezug auf die Materialprobe verstanden, welche zur Folge hat, dass die Messerklinge die Materialprobe ungleichförmig durchschneidet. Eine Materialprobe wird häufig irreparabel geschädigt oder verdorben, wenn sie durch eine ratternde Messerklinge in dünne Scheiben zerschnitten worden ist. Ein Grund dieses Ratterns besteht in einer unscharfen oder leicht stumpfen schneidenden Kante der Messerklinge. Eine leicht unscharfe Messerklinge produziert beim Durchdringen des Materials der Materialprobe einen nicht klaren, welligen Schnitt. Ein weiterer Grund des Ratterns besteht darin, dass die Messerklinge externen Schwingungen ausgesetzt wird. Z. B. kann der Boden seismische Wellen übertragen und damit Vibrationen auslösen; es ist auch möglich, dass weiter ein Gabelstapler oder ähnliches bewirkt, dass eine konventionelle Diamantmesserklinge während des Schneidvorgangs in unerwünschter Art vibriert. Solche unerwünschte Vibration bewirkt, dass die Schnittebene in unvorhersagbarer Art während des Durchschneidens der Materialprobe gewechselt wird. Zerstörung einer nicht auswechselbaren Materialprobe oder Wiederholung einer zeitbeanspruchenden Schneidoperation sind zwei Nachteile, welche aufgrund von Klingenrattern auftreten.

Ein typisches konventionelles Diamantmesser zur Herstellung feinster Schnitte ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Fig. 1 zeigt einen idealisierten Diamantkristall 10 des kubischen Typs mit acht okta-edrischen Flächen 12. Jede oktaedrische Fläche 12 fällt mit einer innerhalb der Kristallstruktur des Diamanten natürlich vorkommenden Kristallebene zusammen. Diese Art von Diamantkristall ist typisch für das Grundmaterial, aus welchem alle Typen von Dia-mantwerkzeugen hergestellt werden. Ein Diamantplättchen 14 wird manuell vom Diamantkristall 10 durch einen erfahrenen Edelsteinschneider abgespalten. Das Plättchen 14 wird entlang einer Kristallebene 111 (dargestellt durch die gestrichelte Linie in Fig. 1) parallel zur aussen sichtbaren oktaedrischen Fläche 14 abgespalten.

Zwei Schritte sind notwendig, um das Plättchen 14 in eine Diamantmesserklinge 16 des in Fig. 2 gezeigten Typs umzuwandeln. Erstens, das dreieckförmige Plättchen 14 wird derart bearbeitet, dass ein rechtwinkliges Parallelepiped (nicht gezeigt) mit wechselseitig Parallelen 111 und planaren Kristallflächen 18 und 20 entsteht.

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Zweitens, das bearbeitete Plättchen 14 wird weiter derart behandelt, dass es die Facetten 22 und 24 aufweist. Eine konventionelle schneidende Kante 26 wird durch die sich schneidenden Facetten 22 und 24 gebildet. Typischerweise schliessen die Facetten 22 und 24 einen V-förmigen Winkel von ungefähr 40° bis ungefähr 50° zwischen sich ein. Die konventionelle Klinge 16, gezeigt in Fig. 2, kann leicht durch ihren charakteristischen «dachförmigen» Querschnitt identifiziert werden.

In der Vergangenheit wurden Diamantplättchen wie z. B. das Plättchen 14 nie direkt auf einer natürlich vorkommenden Kristallebene, wie z. B. die Ebene 111, bearbeitet oder poliert, da es schwer war, den Ort von solchen Ebenen zu bestimmen; weiter war es nicht ökonomisch, dies zu tun, sobald solch eine Ebene gefunden worden war. Die Edelsteinschneider bearbeiteten das Plättchen 14, 6 oder 7° ausserhalb der in Fig. 2 gezeigten Ebene 111, und erhielten damit den charakteristischen «dachförmigen» Umriss. Typischerweise wird ein Diamantplättchen vollständig zerschnitten und präpariert, bevor es auf einem Halter angebracht wird. Es ist schwierig, innerhalb akzeptabler Toleranzen zuverlässig eine Kristallebene zu identifizieren und einen Schnitt hier zu führen, wenn solch eine Standardtechnik verwendet wird.

Erfahrene Edelsteinschneider sind fähig, eine 111 «Dreipunkt»-Kristallebene und eine 100 «Vierpunkt»-Kristallebene durch charakteristische Symmetrie zu identifizieren. Viele andere Kristallebenen, wie z. B. eine 320 Ebene, können jedoch nicht so leicht identifiziert werden. Die Identifikation von solchen Ebenen würde ermöglichen, viele Kombinationen von eine schneidende Kante bildenden Ebenen zu finden, welche beim heutigen Stand der Technik nicht bekannt sind.

Die konventionelle Diamantmesserklinge 16 ist auf einem Metallhalter 28 angebracht, um ein konventionelles Metallmesser 30 zu schaffen. Das Messer 30 kann verwendet werden, um eine Materialprobe 32 zu zerschneiden. Typischerweise kann eine konventionelle Materialprobe 32 in den Richtungen 34 und 36 relativ zum festen Messer verschoben werden. Die Probe 32 kann in Richtung 34 derart angeordnet werden, dass sie in unmittelbarer Nähe der schneidenden Kante 26 zu liegen kommt, und kann weiter in Richtung 36 hin und her bewegt werden, um die schneidende Kante 26 derart zu berühren, dass ein sehr dünner Abschnitt 38 der Materialprobe 32 mit jeder nach unten führenden Bewegung der Materialprobe 32 abgeschnitten wird. Das fixierte Messer 30 ist derart orientiert, dass seine Längsachse 40 über einen Winkel 42 von ungefähr 20° bis ungefähr 30° relativ zu der Vertikalen 44 verschwenkt werden kann. Verkanten des Halters 28, um solch eine Orientierung aufrechtzuerhalten, trägt zum Rattern bei. Diese typische Orientierung bewirkt weiter, dass die Facette 22 zusätzlich orthogonal zur axialen Richtung 34 angeordnet ist.

Konventionelle Diamantwerkzeuge zum Herstellen feinster Schnitte verhalten sich unter normalen Betriebsbedingungen nicht gut, dies aufgrund des Verlustes an Schärfe der schneidenden Kante und der Empfindlichkeit von konventionellen Klingenhaltern auf externe Vibration. Zur Bearbeitung von harten und spröden Materialien, wie z. B. Diamanten, sind spezielle Schleifscheiben bekannt, welche darin eingebettete Diamantsplitter aufweisen. Solche materialabhebenden Bearbeitungsverfahren bewirken aber unerwünschte Vibrationen im Diamantkristall bei der Bearbeitung und beschädigen dabei die Kristallstruktur. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Bearbeitungsverfahren zu zeigen, welches diese Nachteile nicht aufweist und mit welchem ultraglatte Flächen erzielbar sind.

Dies wird erfindungsgemäss erreicht durch die Schritte des In-Rotation-Versetzens einer Flächen aufweisenden Bearbeitungsplatte, des kontinuierlichen Aufbringens einer nichtabrasiven Bearbeitungsverbindung auf eine der Plattenflächen unter Vakuum während der Rotation der Bearbeitungsplatte und, während des Aufbringungsschrittes, des Positionierens des harten und spröden Materials nahe der rotierenden Platte, um das Material in Kontakt mit der nichtabrasiven Bearbeitungsverbindung zu bringen, wobei die Bearbeitungsverbindung derart am positionierten Material wirksam ist, dass dieses bearbeitet und poliert wird.

Bei einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens ist die Diamantklinge durch einen Diamanten mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche gebildet, welche Oberflächen sich zur Bildung einer schneidenden Kante schneiden, wobei mindestens eine der Oberflächen im wesentlichen koplanar zu einer natürlich innerhalb der Kristallstruktur des Diamanten vorkommenden Kristallebene verläuft. Eine solche Klinge wird hergestellt, indem zuerst entlang einer Ebene 111 geschnitten wird und dann entlang einer zweiten, natürlich vorkommenden Kristallebene im spitzen Winkel zu der Ebene 111 geschnitten wird. Eine solche Klinge besitzt deshalb eine charakteristische Keilform und nicht den «dachförmigen» Umriss der konventionellen Diamantmesserklingen.

Diese Klinge reduziert vorteilhafterweise die unerwünschten Effekte des Klingenratterns dadurch, dass die schneidende Kante des Diamantwerkzeugs im wesentlichen in der Schnittgeraden vor zwei sich schneidenden, natürlich innerhalb der Kristallstruktur des Diamanten oder anderer ähnlicher kubischkristalliner Strukturen vorkommenden Kristallebenen verläuft. Es ist natürlich klar, dass sowohl natürliche als auch künstlich hergestellte Edelsteine oder Kristalle natürlich vorkommende Kristallebenen besitzen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen noch etwas näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines oktaedrischen Diamantkristalls mit einer 111 Ebene, entlang welcher der Kristall gespalten werden kann, um ein dreieckiges Plättchen zu erhalten;

Fig. 2 schematisch eine Seitenansicht eines konventionellen Diamantmessers mit einer schneidenden Kante, wf lche durch zwei sich schneidende, nicht natürlich vorkommende Kristallebenen gebildet wird. Das fixierte Messer ist in nahem Abstand zu einer beweglichen Materialprobe, welche zerschnitten werden soll, dargestellt;

Fig. 3 eine Frontansicht eines an einem ersten Typ von Halter angebrachten Plättchens;

Fig. 4 eine Seitenansicht des Plättchens und des Halters von Fig. 3, wobei eine gestrichelte Linie eingezeichnet ist, entlang welcher das Plättchen und der Halter zerschnitten werden, um ein erstes Ausführungsbeispiel eines Diamantwerkzeugs zur Herstellung von einzelnen Schnitten zu erhalten;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Diamantwerkzeugs zur Herstellung von feinsten Schnitten mit einer schneidenden Kante, gebildet durch das Schneiden einer 100 und einer 111 Kristallebene. Das Werkzeug befindet sich in nahem Abstand zu einer beweglichen, zu zerschneidenden Materialprobe;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines auf einem zweiten Typ von Halter angeordneten Plättchens;

Fig. 7 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Diamantwerkzeugs, welches eine schneidende Kante, gebildet durch das Schneiden einer 320 und 111 Ebene, aufweist in nahem Abstand zu einer beweglichen, zu zerschneidenden Materialprobe;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Bereichs der Diamantgitterstruktur mit einer 111 und 100 Kristallebene;

Fig. 9 einen Querschnitt durch das Gitter von Fig. 8 entlang der Linie 9-9; dargestellt ist die schneidende Kante, gebildet durch das Schneiden der 111 und 100 Kristallebenen;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines Bereichs des Diamantgitters mit einer 320 und 111' Kristallebene;

Fig. 11 einen Querschnitt durch das Diamantgitter von Fig. 10 entlang der Linie 11-11 ; dargestellt ist die schneidende Kante, gebildet durch das Schneiden einer 320 und einer III' Kristallebene, und

Fig. 12 eine schematische Ansicht von Proben auf eine verdrehbare Bearbeitungsplatte zum kontinuierlichen Aufbringen einer Verbindung auf einen montierten Diamanten, um diesen zu bearbeiten und zu polieren.

Entsprechend einem illustrativen Ausführungsbeispiel verläuft die erste planare Oberfläche im wesentlichen koplanar mit einer 111 Kristallebene und die zweite planare Oberfläche im wesentlichen koplanar mit einer 100 Kristallebene. Die erste planare und zweite

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planare Oberfläche schneiden sich unter Bildung eines V-förmigen Winkels von ungefähr 54,7°. Dieses erste Ausführungsbeispiel des Werkzeugs zur Herstellung feinster Schnitte wird vor allem in der Werkstoffwissenschaft und bei Werkzeugmaschinen verwendet, um Materialien, z. B. Kupfer oder Keramik, zuzuschneiden. Die Messerklinge ist in einen gefrästen Ausschnitt des Halters derart gelötet, dass die 111 Kristallebene eine nach vorn und vertikal nach oben verlaufende Klingenoberfläche und die Unterkristallebene eine schräg ansteigende Klingenoberfläche repräsentiert. Auf diese Weise wird die schärfere und stärkere Kante der Klinge beim ersten Ausführungsbeispiel des Diamantwerkzeugs zur Herstellung von feinsten Schnitten durch die Schnittgerade von zwei natürlich vorkommenden Kristallebenen 100 und 111 gebildet.

Entsprechend einem weiteren illustrativen Ausführungsbeispiel ist die erste planare Oberfläche im wesentlichen zu einer 320 Kristallebene koplanar und die zweite planare Oberfläche im wesentlichen zu einer 111 Kristallebene koplanar. Die erste und zweite planare Oberfläche schneiden sich zur Bildung eines V-förmi-gen Winkels von 36,8°. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist das zweite Ausführungsbeispiel des Werkzeugs zur Herstellung feinster Schnitte vor allem in der Biologie zum Zerschneiden von biologischem Gewebe oder ähnlichem anwendbar. Die Klinge ist in eine gefräste Nute des Halters derart eingelötet, dass die 320 Kristallebene eine nach vorne abstehende und vertikal verlaufende Klingenoberfläche und die 111' Kristallebene eine schräg nach oben verlaufende Klingenoberfläche repräsentiert. Die schärfere und stärkere Kante der Klinge des zweiten Ausführungsbeispiels des Diamantwerkzeugs ist also durch den Schnitt von natürlich vorkommenden 320 und 111' Kristallebenen definiert.

Das Diamantwerkzeug wird in neuer Art gegenüber einer beweglichen, zu zerschneidenden Materialprobe fixiert. Die Materialprobe weist eine Längsachse auf. Sie wird in Richtung ihrer Längsachse gegen das Werkzeug zur Herstellung feinster Schnitte mit Hilfe von konventionellen Techniken bewegt. Der Halter besitzt eine Längsachse und ist auf einem Träger derart fixiert, dass die Längsachse des Halters im wesentlichen orthogonal zur Längsachse der Materialprobe verläuft. Der Halter ist auf seinem Träger gegenüber der konventionellen verkanteten Orientierung, gezeigt in Fig. 2, in neuer, im wesentlichen vertikal nach oben verlaufender Orientierung, gezeigt in den Fig. 5 und 7, fixiert. Solch eine vertikale Halterorientierung reduziert vorteilhaft die Effekte des Klingenratterns und bewirkt eine signifikante Verbesserung gegenüber konventionellen Messern.

Das Diamantwerkzeug oder -messer zur Herstellung von feinsten Schnitten weist eine schneidende Kante auf, welche gebildet ist durch zwei sich schneidende, im wesentlichen natürlich vorkommende, planare Oberflächen einer natürlich oder künstlich hergestellten, kubischkristallinen Struktur wie z. B. eines Diamanten. Es werden zur Identifizierung jeder Familie von Kristallebenen Millersche Indizes verwendet.

Bei einem Ausführungsbeispiel eines Diamantwerkzeugs zur Herstellung von feinsten Schnitten ist die Winkelbeziehung zwischen natürlich vorkommenden 111 und 100 Kristallebenen ausgenützt, das Werkzeug ist geeignet zur Verwendung in den Werkzeugstoffwissenschaften und in den Fig. 3,4, 5, 8 und 9 dargestellt. Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Diamantwerkzeugs zur Herstellung von feinsten Schnitten nützt die Winkelbeziehung zwischen natürlich vorkommenden 320 und 111 Kristallebenen aus; es ist geeignet zur Verwendung in der Biologie und in den Fig. 6, 7,10 und 11 dargestellt. Es ist bekannt, dass eine spezielle Winkelbeziehung für eine bestimmte Werkzeuganwendung notwendig sein kann und eine leicht verschiedene Winkelbeziehung zu einer anderen Werkzeugbenützung führen kann. Die Winkelbeziehung zwischen den meisten Paaren einander schneidenden Kristallebenen ist bekannt. Die Verwendung weiterer Paare oder Kombinationen von natürlich vorkommenden Kristallebenen in einem Diamantwerkzeug zur Herstellung von feinsten Schnitten ist jedoch auch vom Bereich der vorliegenden Erfindung erfasst.

Bei beiden Ausführungsbeispielen des neuen Diamantwerkzeugs ist das Rattern vorteilhaft reduziert, indem solche Schneidkanten geschaffen werden, welche über eine längere Zeitperiode ihre Schärfe beibehalten, als es bei konventionellen Diamantwerkzeugen der Fall ist. Dieser Vorteil wird erhalten, da mindestens eine der planaren Oberflächen, welche verwendet wird, um die schneidende Kante zu bilden, im wesentlichen koplanar zu einer natürlich vorkommenden Kristallebene verläuft. Weiter wird ein Klingenhalter von neuer Konstruktion bei jedem Ausführungsbeispiel verwendet, um die Diamantklinge in bezug auf die Materialprobe, welche zerschnitten werden soll, derart besser zu lagern, dass Rattern signifikant reduziert wird.

Ein erstes Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 5, weist ein erstes Diamantwerkzeug 50 mit einer an einem Halter 54 angebrachten Diamantklinge 52 auf. Der Halter 54 des Diamantwerkzeugs ist steif auf einem Träger 55 mit Hilfe von konventionellen Mitteln angebracht, um die Diamantklinge 52 in nahem Abstand von einer vorschiebbaren Materialprobe 56 zu positionieren. Die Materialprobe 56 ist relativ zur Diamantklinge 52 in axialer und radialer Richtung durch konventionelle Mittel wie z. B. eine Wärmedehnung unter einer die Probe tragenden Metallstange bewegbar. Die Diamantklinge 52 weist eine schneidende Kante 58 auf, welche durch das Schneiden von zwei natürlich vorkommenden Kristallebenen gebildet wird. Genauer: Eine 111 und eine 100 Ebene sind gewählt worden, da bekannt ist, dass diese Ebene einen Winkel von 54,7° einschliessen. Dieser bekannte Winkel ist sehr nahe dem 50°-Winkel, welcher in den Werkstoffwissenschaften als üblicher bzw. Standardwinkel für die schneidende Kante gilt. Dieser Winkel für die schneidende Kante ist geeignet zum Zerschneiden von Kunststoffen, Keramik, Knochen und Zähnen.

Der neue Prozess zur Herstellung und Montage der Diamantklinge 52 ist sequentiell in den Fig. 1, 3, 4 und 5 dargestellt. Ein ok-taedrisch geformter Diamant 10 wird zuerst gekerbt und danach im wesentlichen einer 111 Kristallebene entlang gespalten; dazu werden konventionelle Techniken verwendet, um ein dreieckförmiges Stan-darddiamantplättchen 14 zu erhalten. Eine oktaedrische Seite irgendeiner kubischer Kristallstruktur wie z. B. Diamant, Silizium, Germanium und ähnliches besitzt immer eine Ebene in der Familie 111 Kristallebenen. Ein Diamantkristall wird üblicherweise bei Spaltung entlang einer 111 Kristallebene brechen, dies dank der Existenz von sehr schwachen Kohlenstoff-zu-Kohlenstoff-Bindungen zwischen solchen Ebenen, welche auf die Stickstoffausscheidung zwischen den 111 Kristallebenen zurückzuführen sind.

Die 111 Ebene kann durch eine Anzahl von eingeätzten Vertiefungen identifiziert werden. Die Vertiefungen sind dreieckige Flächen, welche durch ein 500fach vergrösserndes Mikroskop nach Ätzen des Plättchens 14 in einem Schmelzball von Kaliumnitrat oder einem anderen Salz sichtbar gemacht werden können. Das abgespaltene Plättchen 14 wird zuerst poliert und danach in der geschmolzenen Salzlösung plaziert, um die in Fig. 3 gezeigten dreieckförmigen Ätzvertiefungen zu offenbaren. Das Diamantplättchen 14 kann in eine Diamantklinge 52 transformiert werden, da eine im wesentlichen zu der 111 Ebene koplanar verlaufende Ebene erhalten worden ist und das Plättchen 14 in einem ausgefrästen runden Ausschnitt 60 an einem Ende des Halters 54, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, angebracht worden ist. Der Halter 54 kann aus rostfreiem Stahl, Titan oder ähnlichem bestehen. Der ringförmige Ausschnitt 60 kann mit einer Fräse ausgeformt werden und weist eine Unterseite 64 und eine Seitenwand 62 auf. Eine der zwei im wesentlichen parallelen Ebenen des Plättchens 14 wird auf die Unterseite 64 gebracht; der Umfang des Diamantplättchens 14 wird am Metallhalter 54, wie in Fig. 4 gezeigt, angelötet. Die andere der zwei im wesentlichen parallelen 111 Ebenen des Plättchens 14 liegt ausserhalb der Ausnehmung 60, nachdem die Montage unter Lötoperationen abgeschlossen worden ist.

Die Diamantklinge 52 wird mit Hilfe eines drei Schritte umfassenden Verfahrens hergestellt. Der erste Schritt: Die freiliegende Seite 111 wird entsprechend einer neuen Bearbeitungs- und Polier-

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opération, welche nachstehend näher beschrieben wird, poliert. Der zweite Schritt: Der Metallhalter 54 und das daran angebrachte Diamantplättchen 14 werden mit Hilfe von konventionellen Abtrenntechniken entlang einer in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie 66 angedeuteten Ebene durchtrennt. Das Ziel dieser «rauhen» Operation ist es, eine Ebene zu erhalten, welche nahe einer natürlich vorkommenden 100 Kristallebene liegt. Wie bereits weiter oben erwähnt, beträgt der V-förmige Winkel zwischen den 111 und 100 Kristallebenen 54,7°. Es ist wünschenswert, dass der V-förmige Winkel zwischen der freiliegenden planaren Seite 111 und der aufgrund der Abtrennung existierenden Ebene 66 ungefähr 3 oder 4° grösser ist als der Winkel, welcher durch zwei sich schneidende, natürlich vorkommende Kristallebenen eingeschlossen wird. Der Grund liegt darin, dass das Diamantmaterial unterhalb der Ebene 66 durch eine unerwünschte Materialermüdung charakterisiert ist. Dieses ermüdete Material kann nachfolgend entfernt werden, um die gewünschte Diamantkristallebene freizulegen. Am Schluss wird die neue Bearbeitung bzw. das neue Polieren am auf dem Metallhalter 54 aufgebrachten Plättchen 14 ausgeführt. Damit wird eine genaue Länge von Diamantmaterial entfernt, um die Fläche 100 der Diamantklinge 52, wie in Fig. 5 gezeigt, freizulegen. Die Fläche 100 ist im wesentlichen koplanar mit einer natürlich vorkommenden 100 Kristallebene und schneidet die Seite 111 unter Bildung einer schneidenden Kante 58 der Diamantklinge 52. Diese neue Technik entfernt das ermüdete Material, welches durch die «rauhe» Operation entstanden ist, ohne weitere Materialermüdung zu bewirken.

Standardtechniken zur Bearbeitung von Diamanten können verwendet werden, um die oben beschriebene Durchtrennungsoperation des Metallhalters 54 und des Diamantplättchens 14 vorzunehmen. Z. B. kann entweder ein Schleifrad oder eine beschickte Bearbeitungsscheibe zufriedenstellend verwendet werden. Ein Diamantschleifrad weist typischerweise ein Rad aus einer Metallmatrix mit darin eingebetteten und mit Hilfe eines Epoxys angeklebten Diamantsplittern auf. Das Rad gleicht einem regulären Schleifrad; es weist jedoch Diamantstaub auf. Weiter wird das Rad konstant in Wasser oder in einer Lösung gewaschen, um zu vermeiden, dass Metall an ihm kleben bleibt. Eine beschickte Bearbeitungsscheibe besteht aus einer rotierenden Platte. Die Bearbeitungsscheibe wird mit einem Gemisch von Öl, wie z. B. Wal- oder Olivenöl, und Diamantpuder durch Auftropfen beschickt. Die Bearbeitungsscheibe weist kleine Poren auf, um den Diamantstaub darin zu fangen. Dieser gefangene Diamantstaub kann dazu verwendet werden, einen Metall-Diamantartikel wie z. B. den Halter 54 und das Plättchen 14 abrasiv zu bearbeiten. Es wird jedoch bei diesen Techniken mehr metallisches als Diamantmaterial entfernt, da das Metall vergleichsweise weich ist. Deshalb wird der Metallhalter 54 auf ein tieferes Niveau abgeschliffen als das Diamantplättchen 14, bei welchem die Ebene 66 freigelegt werden soll. Diese «erhöhte» Ebene 66 kann dann mit Hilfe der weiter unten näher erläuterten neuen Technik erhalten werden.

Eine neue Bearbeitungs- und Polieroperation wird nun auf das abgedrehte Plättchen 14 des Metallhalters 54 angewendet. Diese Bearbeitungs- und Polieroperation kann auch dazu verwendet werden, die Seite 111 zu polieren, und wird wünschenswerterweise teilweise in Übereinstimmung mit den Lehren des US-Patents Nr. 4 328 646 und weiter in Übereinstimmung mit dem neuen Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung angewendet.

Das US-Patent Nr. 4 328 646 offenbart die Herstellung einer Sili-zium/Oxid-Verbindung, welche in der neuen Art, welche unten näher beschrieben ist, verwendet werden kann, um das montierende Diamantplättchen 14 entlang der Ebene 66 zu läppen oder zu polieren. Solch ein Läppen entfernt Diamantmaterial durch Entfernen von ausgewählten Kohlenstoffatomen, welche im Diamantkristall aufgrund einer Atombindung gebunden sind. Diese Art von Läppoperationen bewirkt eine Diamantfacette mit einer atomar glatten Oberfläche, mit wenig oder keiner Materialermüdung unterhalb der Oberfläche; dies im Gegensatz zu der Materialermüdung, welche durch das oben beschriebene «rauhe» Trenn verfahren bewirkt wird.

Weitere konventionelle Verfahren, in welchen Schleiftechniken verwendet werden, welche ganze Materialsegmente entfernen, bewirken unerwünschte Vibrationen im Diamantkristall und beschädigen signifikant die Kristallstruktur des Diamanten. Die läppende Operation wird fortgesetzt, bis eine genügende Menge von Diamantmaterial entfernt worden ist, um eine ultraglatte zweite planare Seite 100 freizulegen, welche im wesentlichen koplanar ist mit einer 100 Kristallebene. Die zweite planare Seite 100 schneidet die planare Seite 111 unter Bildung einer schneidenden Kante 58 der Diamantklinge 52.

Die bearbeitende und polierende Operation kann zusätzlich in Übereinstimmung mit den Lehren des US-Patents Nr. 4104832 ausgeführt werden. Dieses Patent offenbart, wie eine Nut mit grosser Steigung in einer läppenden Scheibe eingeformt werden kann, um Bereiche der Scheibe zu befähigen, die Schultern eines Diamantstifts zu läppen. Weiter offenbart dieses Patent eine rotierbare Läppscheibe, welche derart geformt ist, dass sie in einer schraubenlinienförmi-gen Nut den Kopf eines Stifts aufnehmen kann.

Fig. 12 zeigt eine läppende Scheibe oder Bearbeitungsscheibe 70 entsprechend der vorliegenden Erfindung, mit welcher das in Fig. 4 gezeigte montierte Diamantplättchen 14 kontinuierlich bearbeitet und poliert werden kann, bis eine genügende Menge von Kohlenstoffatomen aus dem Diamantkristall zur Freilegung der planaren Seite 100 ausgerissen worden ist. Die Bearbeitungsscheibe 70 kann aus hoch silikat- oder hoch kohlenstoffhaltigem Stahl desjenigen Typs bestehen, welcher verwendet wird, um Chromkolbenringe zu höhnen und zu polieren. Die Bearbeitungsscheibe 70 kann eine flache Diamantbearbeitungsoberfläche, wie in Fig. 12 gezeigt, aufweisen oder mit einer kreisförmigen Nut versehen sein, welche entsprechend den Lehren des US-Patents Nr. 4104832 einen Diamanten aufnimmt und ihn bearbeitet.

Die Bearbeitungsscheibe 70 kann durch nicht gezeigte Antriebsmittel in Rotation versetzt werden und kann weiter mit einem nicht gezeigten Glockentopf versehen sein. Der nicht gezeigte Glockentopf, welcher die Scheibe 70 umgibt, ist in zwei aneinander angrenzende Bereiche durch eine Druckscheidebrücke 72 unterteilt. In einem ersten Bereich 74 herrscht ein erster Druck, und in einem zweiten Bereich 76 herrscht ein zweiter, ausgewählter und grösserer Druck, als er im ersten Bereich vorliegt. Im Bereich 74 wird vorzugsweise ein Unterdruck hergestellt. Ein «Bearbeitungs»-Gas wie z. B. Sauerstoff, Argon, Stickstoffoxid oder ähnliches wird in den zweiten Bereich 76 eingebracht.

Bei der oben beschriebenen Druckvorrichtung wird an der Scheidebrücke eine mit verschiedenem Druck beaufschlagte Dichtung verwendet, um zu ermöglichen, dass im ersten und im zweiten Bereich Drücke herrschen. Dies ist eine übliche Technik, welche bereits beim Unterdruckbeschichten von grossen Glasabschnitten oder Plastikfolien verwendet wird; sie kann auch bei irgendeiner anderen Anwendung Verwendung finden, bei welcher bewegte Teile vorliegen und auf der einen Seite ein Vakuum und auf der anderen Seite Atmosphärendruck vorliegen soll.

Die Bearbeitungsscheibe 70 wird kontinuierlich in der folgenden Art und Weise betrieben, um das Diamantplättchen 14 oder irgendein anderes hartes, sprödes Material zu bearbeiten. Erstens wird ein Bearbeitungsgemisch 78, wie z. B. das im US-Patent Nr. 4328 646 offenbarte Silizium/Oxid-Gemisch, kontinuierlich auf der rotierbaren Bearbeitungsscheibe 70 im ersten Bereich 74 abgelagert, dies unter Verwendung von Plasmaablagerungstechniken. Zweitens wird ein Diamantplättchen 14 oder ein weiteres Material, welches bearbeitet werden soll, auf einer Befestigung 80 im zweiten Bereich 76 in der Nähe der Bearbeitungsscheibe 70 angebracht. Die Befestigung 80 kann derart bewegt werden, dass das Plättchen 14, welches sich im zweiten Bereich 76 befindet, in Kontakt mit dem bearbeitenden Gemisch 78, welches auf der verdrehbaren Bearbeitungsscheibe 70 im ersten Bereich 74 abgelagert ist, gerät. Auf dem angebrachten Plättchen 14 werden Kohlenstoffatome kontinuierlich entfernt, bis der Kontakt mit dem Bearbeitungsgemisch 78 eingestellt wird. Das Plättchen 14 wird in dieser Art bearbeitet, bis die

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genaue planare Seite 100, welche einer 100 Ebene entspricht (für das erste Ausführungsbeispiel des Diamantwerkzeugs), freigelegt ist. Selbstverständlich kann das Plättchen 14 auch so bearbeitet werden, dass ein anderer eingeschlossener Winkel erzielt wird, indem eine andere, natürlich vorkommende Kristallebene als die 100 Unterkristallebene gewählt wird. Die verbleibende planare Seite 100 ist im wesentlichen koplanar mit einer natürlich vorkommenden 100 Kristallebene und zeichnet sich dadurch aus, dass sie kein ermüdetes Material aufweist.

Die Bearbeitungsscheibe 70 wird wünschenswerterweise derart hergestellt, dass sie eine Bearbeitungsoberfläche auf ihrem flachen oberen Ende 82 und an ihrer Kante 84 aufweist. Die Befestigung 80 ist derart bewegbar, dass die kristalline Struktur, welche auf ihrer angebracht ist, entweder mit der flachen oberen Arbeitsoberseite 82 oder mit der Kantenarbeitsoberfläche 84 in Kontakt gebracht werden kann. Wie bereits erwähnt, kann in der flachen Oberseite 82 eine Nut vorgesehen werden, um den Diamanten derart zu bearbeiten, dass ein bestimmter Kantenradius oder eine bestimmte Konfiguration resultiert. Der Diamant oder die kristalline Struktur wird in Kontakt mit der ebenen Oberfläche 82 «poliert» und wird in Kontakt mit der Kante 84 «abgespalten».

Die Fig. 8 und 9 zeigen die Kristallstruktur eines Diamanten, welcher in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Verfahren zur Erzielung einer Diamantklinge 52 mit einer schneidenden Kante 58 bearbeitet und poliert wurde. Die Fig. 8 und 9 zeigen also erste Ausführungsbeispiele eines Diamantwerkzeugs zur Herstellung von feinsten Schnitten, bei welchen die schneidende Kante 58 durch den Schnitt einer 111 Kristallebene und einer 100 Kristallebene definiert ist. Ein Diamantkristall weist eine Anzahl von Kohlenstoffatomen 90 auf, wobei jedes Kohlenstoffatom 90 kovalent gebunden ist (wie bereits erwähnt, durch die Bindungen 92). Diese kovalente Verbindung erstreckt sich zu vier weiteren Kohlenstoffatomen, welche in den Ecken eines regulären Tetraeders angeordnet sind. Jedes Kohlenstoffatom 90 weist vier Kubenflächen 94 und acht oktaedrische Flächen 96 auf. Wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, werden eine 111 Kristallebene durch mindestens zwei oktaedrische Seiten 96 und eine 100 Kristallebene durch mindestens zwei kubische Seiten 94 gebildet.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist, wie Fig. 17 zeigt, ein Diamantwerkzeug 150 mit einer an einem Halter 154 angebrachten Diamantklinge 152 auf. Der Halter 154 des Diamantwerkzeugs ist fest auf einem Träger 155 mit Hilfe von konventionellen Mitteln verbunden, um die Diamantklinge in Ideinem Abstand von einer vorschiebbaren, zu zerschneidenden Materialprobe 156 zu halten. Die Diamantklinge 152 weist eine schneidende Kante 158 auf, welche durch den Schnitt von zwei natürlich vorkommenden Kristallebenen 158 gebildet wird. Im speziellen sind eine 320 und eine 111 Ebene gewählt worden, da der fallförmige

Winkel, welchen sie zwischen sich einschliessen, 36,8° beträgt und somit in der Nähe des 40°-Winkels ist, welcher als üblicher und Standardwinkel für schneidende Kanten in der Biologie gilt. Solch ein Winkel für eine schneidende Kante ist geeignet zum Zerschnei-5 den von Leder, Nieren, biologischen Proben und Pflanzenproben. Das neue Verfahren zur Herstellung und Montierung einer Diamantklinge 152 ist sequentiell in den Fig. 1, 6 und 7 dargestellt. Der Prozess ist im wesentlichen dem weiter oben im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 5 dargestellt ist, io ähnlich. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Diamantplättchen 14 in einer länglichen, in einem Ende des Halters 154 eingefrästen Nut 161, wie die Fig. 6 und 7 zeigen, angebracht. Die längliche Nut 161 kann mit Hilfe einer Fräse derart eingeformt werden, dass sie eine rechteckige Seitenwand 163 und eine rechtwinklige 15 Grundfläche 165 aufweist. Eine der zwei im wesentlichen parallelen 111 Ebenen des Plättchens 14 wird an die Seitenwand 163 angelegt und die Peripherie des Diamantplättchens 14 am Metallhalter 154, wie Fig. 7 zeigt, angelötet. Die andere der zwei im wesentlichen parallelen 111 Ebenen des Plättchens 14 ist von der Seitenwand 163 nach Beendigung der Montage und des Lötprozesses nach aussen gewendet.

Der Metallhalter 154 und das daran angebrachte Diamantplättchen 14 werden im wesentlichen von einer durch die gestrichelte Linie 166 angedeuteten Ebene durchtrennt. Wiederum ist es Ziel dieser Durchtrennungsoperation, eine Ebene zu erhalten, welche nahe einer natürlich vorkommenden Kristallebene liegt. In diesem Ausführungsbeispiel jedoch wird jedoch eine 320 Ebene, und nicht eine 100 Ebene wie im ersten Ausführungsbeispiel, gesucht.

Das oben beschriebene neue Bearbeitungs- und Polierverfahren der vorliegenden Erfindung wird nun auf das durchtrennte Plättchen 14, welches auf dem Metallhalter 154 angebracht ist, zur Entfernung einer genauen Menge von Diamantmaterial und zur Freilegung einer Fläche 320 der Diamantklinge 152, wie in Fig. 7 gezeigt, angewendet. Die Seite 320 ist im wesentlichen mit einer natürlich vorkommenden 320 Kristallebene koplanar. Die planare Seite 320 schneidet die planare Seite 111' unter Bildung einer schneidenden Kante 158 der Diamantklinge 152.

Die Kristallstruktur des Diamanten, welcher bearbeitet und poliert wurde, um eine Diamantklinge 152 mit einer schneidenden Kante 158 zu erhalten, ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Die Fig. 10 und 11 zeigen also ein zweites Ausführungsbeispiel eines Diamantwerkzeugs zur Herstellung von feinsten Schnitten, bei welchen die schneidende Kante 158 durch den Schnitt einer 320 Kristallebene und einer 111 Kristallebene gebildet wird. Wie in den Fig. 10 und 11 gezeigt, wird eine 111 Kristallebene durch mindestens zwei oktaedrische Seiten 96 gebildet; eine 320 Kristallebene wird definiert durch eine Ebene, welche die gewöhnliche Bindung 98 von zwei aneinander anstossenden oktaedrischen Seiten 96 enthält.

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4 Blätter Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Bearbeiten eines harten und spröden Materials, gekennzeichnet durch die Schritte des In-Rotation-Versetzens einer Flächen aufweisenden Bearbeitungsplatte, des kontinuierlichen Aufbringens einer nichtabrasiven Bearbeitungsverbindung auf eine der Plattenflächen unter Vakuum während der Rotation der Bearbeitungsplatte und, während des Aufbringungsschrittes, des Positionierens des harten und spröden Materials nahe der rotierenden Platte, um das Material in Kontakt mit der nichtabrasiven Bearbeitungsverbindung zu bringen, wobei die Bearbeitungsverbindung derart am positionierten Material wirksam ist, dass dieses bearbeitet und poliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtabrasive Bearbeitungsverbindung Siliziumoxid verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtabrasive Bearbeitungsverbindung eine Mischung von Silizium und Sauerstoff verwendet wird, welche Vorläufer von SiOx enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kontinuierliche Aufbringen mittels Plasmaablagerung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als hartes und sprödes Material Diamant verwendet wird und dass der Positionierungsschritt den Schritt des einzeln atomweisen Entfernens bestimmter, mit der Kristallstruktur von Diamant verbundener Kohlenstoffatome umfasst, so dass der derart bearbeitete Diamant keine Materialermüdung aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Entfernens wiederholt wird, um eine Menge Diamantmaterial zu entfernen, um eine atomar glatte Oberfläche freizulegen, welche im wesentlichen koplanar zu einer natürlich innerhalb der Kristallstruktur vorkommenden Kristallebene verläuft.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtabrasive Bearbeitungsverbindung in einer ersten Kammer kontinuierlich auf die eine Plattenfläche aufgebracht wird, und dass das Material in einer zweiten Kammer zum Kontakt mit der Bearbeitungsverbindung positioniert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Schritte des Erzeugens eines ersten Druckes in der ersten Kammer und des Erzeugens eines zweiten Druckes in der zweiten Kammer, wobei der zweite Druck höher ist als der erste Druck.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck einem Vakuum entspricht.
10. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt des Einleitens eines Gases in die zweite Kammer, welches Gas aus einer Gruppe ausgewählt wird, die im wesentlichen Sauerstoff, Argon und Stickstoffoxid umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte des Umschliessens der Bearbeitungsplatte und eines die Platte umgebenden Raumabschnittes mit einem dichtenden Verschluss, des Anordnens einer Druckscheidebrücke, welche den Raumabschnitt in zwei benachbarte Kammern teilt, und des Anordnens einer mit verschiedenem Druck beaufschlagten Dichtung an der Druckscheidebrücke, um das Vorhandensein verschiedener Drücke in der ersten und der zweiten Kammer zu ermöglichen.
12. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Beaufschlagens der nichtabrasiven Bearbeitungsverbindung und des harten und spröden Materials während des Positionierungsschrittes mit einem Gas, welches aus einer Gruppe ausgewählt wird, die im wesentlichen Sauerstoff, Argon und Stickstoffoxid umfasst.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Schritte des Anordnens eines dichtenden Verschlusses, welcher mindestens eine Druckkammer bildet, des Erzeugens eines Vakuums in einer bestimmten der mindestens einen Druckkammer und des Anordnens der rotierenden Bearbeitungsscheibe derart, dass jeder Teil der Fläche periodisch die bestimmte Druckkammer durchläuft, wobei die nichtabrasive Bearbeitungsverbindung auf jeden Teil der

Fläche in der bestimmten Druckkammer aufgebracht wird, wenn dieser Teil die bestimmte Druckkammer durchläuft.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Beaufschlagens ausserhalb der bestimmten Druckkammer erfolgt.
15. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Bearbeitung einer Diamantklinge zur Herstellung feinster Schnitte.
16. Anwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantklinge durch einen Diamanten (52,152) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche gebildet ist, welche Oberflächen sich zur Bildung einer schneidenden Kante (58, 158) schneiden, wobei mindestens eine der Oberflächen im wesentlichen koplanar zu einer natürlich innerhalb der Kristallstruktur des Diamanten vorkommenden Kristallebene verläuft.