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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Schneideinsatz aus Diamant und
insbesondere auf eine Rasierklinge aus Diamant.
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Übliche Rasierklingen
werden aus Stahl hergestellt und werden während des Verlaufs des Rasierens
von Haar stumpf. Verfahren zur Verbesserung der Langlebigkeit von
Stahlklingen umfassen die Verwendung von harten Beschichtungen und
die Behandlung des Stahls durch, zum Beispiel, Ionenimplantation.
Derweil diese Verbesserungsverfahren tatsächlich funktionieren, ist die
Verbesserung bezüglich
der Langlebigkeit (die Zeitdauer, für die die Klinge scharf bleibt)
nur bescheiden.
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Es
ist vorgeschlagen worden, dass die Langlebigkeit einer Stahlklinge
verbessert werden kann, indem die Schneidkante der Klinge mit einem
harten Material, wie z.B. einer Keramik, beschichtet wird.
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Es
ist auch erkannt worden, dass härtere Materialien
als Stahl, wie z.B. Keramik, allgemein länger beständige Klingen erzeugen. Je
härter
das Material ist, desto länger
wird die Klinge halten, vorausgesetzt dass die Kante nicht beschädigt oder
abgeschlagen wird.
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FR 2 536 691 beschreibt
eine Rasierklinge aus Diamant, die aus vielfachen Diamant-Einkristallen,
von denen jeder eine geschärfte
Kante hat, hergestellt wird.
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US 4,720,918 beschreibt
eine Stahlklinge, die ein besonderes, zu der Schneidkante davon
führendes
Profil hat. Die Stahlklinge kann auch beschichtet werden. Es wird
auch in der Beschreibung vorgeschlagen, dass die Stahlklinge durch
ein härteres
Klingenmaterial, wie z.B. Saphir, Titancarbid oder Diamant, ersetzt
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Schneideinsatz, insbesondere eine Rasierklinge oder
eine chirurgische Klinge, eine Schicht aus Diamant, die eine Schneidkante
hat, die am Schnittpunkt von zwei zusammenlaufenden Oberflächen definiert ist,
wobei die zusammenlaufenden Oberflächen mit einer Schicht, allgemein
einer dünnen
Schicht, aus diamond-like carbon (DLC) beschichtet sind.
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Die
Schicht aus DLC kann auch die Schneidkante bedecken oder kann gerade
kurz vor der Schneidkante enden. So kann, falls eine extrem scharfe
Schneidkante gewünscht
wird, die Schneidkante dann durch die Diamantschicht bereitgestellt werden
und die DLC-Beschichtung endet auf jeder zusammenlaufenden Oberfläche gerade
kurz vor der Schneidkante. Wahlweise kann die Schneidkante mit einer
Schicht aus DLC überzogen
werden. Die Dicke dieser Schicht kann zugeschnitten werden, um besondere
Zielsetzungen zu erreichen. Falls eine sehr scharfe Schneidkante
gewünscht
wird, dann kann die Schicht extrem dünn gemacht werden. Wahlweise kann,
falls eine weniger scharfe Schneidkante gewünscht wird, dann eine dickere
Schicht aus DLC darauf bereitgestellt werden.
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Die
Diamantschicht kann monolithisch sein, in welchem Fall die Schneidkante
kontinuierlich und nicht durch Binderegionen unterbrochen sein wird. Die
Diamantschicht kann auch aus einer Vielzahl von miteinander gebundenen
Diamantstücken
oder -segmenten bestehen. In diesem Fall wird die Schneidkante eine
oder mehrere Diskontinuitäten
haben, die durch die Binderegionen definiert sind. Wenn die Diamantschicht
monolithisch ist, ist sie vorzugsweise CVD-Diamant.
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Diamond-like
carbon (DLC) (oder alpha: C oder alpha: C-H, wie es manchmal bezeichnet
wird) ist ein amorphes Material, bestehend aus Kohlenstoff und Wasserstoff.
Die Struktur umfasst eine Mischung aus sp3-
und sp2-gebundenem Kohlenstoff mit signifikanter
C-H-Bindung und es gibt keine Fernordnung. Die Bezeichnung diamond-like
carbon rührt
von seiner extremen Härte
her, z.B. eine Vickers-Härte
so hoch wie 6–8000
kg/mm, obwohl diese geringer ist als die von Diamant, allgemein
8–10.000
kg/mm2.
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DLC-Schichten
werden allgemein unter Ionenbeschuss-Bedingungen gezüchtet und sind hochgradig beansprucht.
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Die
Dicke der DLC-Schichten wird entsprechend der Natur des Schneideinsatzes
variieren, aber wird typischerweise weniger als 1 μm betragen, besonders
typisch weniger als 0,5 μm.
Ein Beispiel eines Dickebereiches ist 0,1 bis 0,4 μm.
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Die
DLC-Beschichtung auf den zusammenlaufenden Oberflächen, die
zu einer Schneidkante aus Diamant führen, stellt die folgenden
Vorteile und Vorzüge
bereit:
- 1) Modifizierung von Reibeigenschaften,
die sie, zum Beispiel, zum Rasieren geeigneter machen;
- 2) kontrollierte Modifizierung des Radius der Spitze, um die
Schärfe
einzustellen und die Schneidspitze zu stärken und zu verdicken;
- 3) DLC ist amorph, somit zeigt es kein Abschlagen von Stücken, und
die Beschichtung unterdrückt
Abschlagen von Stücken
in den darunterliegenden Diamantkanten;
- 4) DLC-Beschichtungen haben eine Neigung dazu, sich selbst zu
ebnen. So kann die endgültige Rauhigkeit
einer beschichteten Oberfläche
geringer sein als die ursprüngliche
Oberfläche.
Dies ist nützlich
beim Beschichten von Diamant beim 'Ausfüllen' von Kratzern und
anderen Polierfehlern.
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Eine
DLC-Beschichtung auf Diamant führt auch
zu den folgenden Vorteilen:
- a) außergewöhnliche
Adhäsion
wegen der chemischen Ähnlichkeit
zwischen Diamant und DLC;
- b) Diamant ist wohl geeignet, die intrinsischen Spannungen von
DLC zu unterstützen.
Diese Spannungen sind typischerweise Zugspannungen, die den Diamanten
unter einen Druckspannung setzen und Sprödbruch einstellen, selbst in einkristallinem
Diamant;
- c) das thermische Ausdehnungsvermögen und viele andere Eigenschaften
von Diamant und DLC sind viel besser aufeinander abgestimmt als
bei üblichen
Substraten für
DLC.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
FIGUREN
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Die 1 und 2 zeigen
schematische seitliche Schnittansichten von zwei Ausführungsformen
von Schneideinsätzen
der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der
Schneideinsatz der Erfindung kann eine Vielfalt von Formen annehmen
und für
eine Vielfalt von Anwendungen geeignet sein. Beispiele sind:
- a) Ein Schneideinsatz oder eine Klinge, der
bzw. die bei Laser-unterstützter
Chirurgie (laser assisted surgery, LAS) verwendet wird, umfassend
einen Einsatz aus Diamant und besonders typisch einen Einsatz aus
CVD-Diamant, wobei die zu der Schneidkante führenden Oberflächen und
die Schneidkante mit einer Schicht aus DLC beschichtet sind. CVD-Diamant
ist ein durch Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (chemical
vapour deposition) hergestellter Diamant. Bei Laser-unterstützter Chirurgie
wird die Laserenergie durch die Klinge projiziert, um das geschnittene
Gewebe auszubrennen. Bei dieser Anwendung wird die DLC-Beschichtung
für stabile,
langlebige Antihaft-Eigenschaften für geronnene Proteine aus Blutplasma
(Fibrine, Fibrinogene), Gewebeflüssigkeit
und roten Blutzellen optimiert. Zusätzlich stellt die Beschichtung
einen Schutz während
nach-operativen Reinigungsverfahren dar, die verwendet werden, um
Körpermaterialien
zu entfernen, die an der Klinge anhaften. Die Dicke der Beschichtung
beträgt
typischerweise 0,1–0,15 μm, wodurch
die gewünschten
Masseeigenschaften der Schicht bereitgestellt werden, aber signifikante
Interferenzfarben oder eine optische Absorption in der Schicht vermieden werden.
Bei diesem Typ der Anwendung resultiert eine Laser-induzierte Gerinnung
darin, dass an der Klinge haftendes Material ein Problem von höchster Besorgnis
ist. So wird für
diese Anwendung die DLC-Beschichtung allgemein zum weicheren Ende
ihres potentiellen Bereiches hin zugeschnitten, mit der Absicht,
die Antihaft-Eigenschaften
der Beschichtung weiter zu verbessern, und zusätzlich die Spannung in der
Schicht so klein wie möglich
zu machen und so ihre Adhäsion
so groß wie
möglich
zu machen. Derartige Schichten sind allgemein stärker polymer und enthalten
mehr H2 oder SiO.
- b) Ein Schneideinsatz, der in allgemeiner Chirurgie verwendet
wird, umfassend einen Einsatz aus Diamant und besonders typisch
einen Einsatz aus CVD-Diamant, wobei die zu der Schneidkante führenden
Oberflächen
und die Schneidkante selbst mit einer Schicht aus DLC beschichtet
sind. Wiederum sind die Schichten typischerweise 0,1 bis 0,15 μm dick, wodurch
von Interferenzfarben freie Schichten und mit guter Adhäsion zu
dem Diamantsubstrat bereitgestellt werden. Die Antihaft-Eigenschaften
sind, obwohl wichtig, nicht so entscheidend bei der Optimierung
der Schicht wie für
die Laser-unterstützte
Chirurgie; dennoch werden relativ weiche DLC-Beschichtungen allgemein
verwendet, aber diese können
härter
als für LAS
sein.
In der Anwendung haben diese beiden Typen von chirurgischen
Klingen eine wesentlich verbesserte Einschnitt-Eigenschaft und eine
längere
Lebensdauer zwischen Reinigungsschritten, die notwendig sind, um
diese Leistung aufrecht zu erhalten, gezeigt, wodurch die Nützlichkeit
der Klingen in der Anwendung verbessert wird.
- c) Ein Schneideinsatz, der für
menschliche Rasur verwendet wird, insbesondere für das Gesicht, umfassend einen
Einsatz aus Diamant und besonders typisch einen Einsatz aus CVD-Diamant, beschichtet
mit einer Schicht aus DLC. Die DLC-Beschichtung kann zugeschnitten
werden, um besondere Interferenzfarben, welche in Abhängigkeit
vom Markt akzeptierbar sein können oder
nicht akzeptierbar sein können,
und Antihaft-Eigenschaften, um die Adhäsion von Fettmolekülen zu verhindern
und somit ein Mitreißen
der Haut so klein wie möglich
zu machen, zu erreichen. Die Benetzungseigenschaften der DLC-Beschichtung
können
auch nach Maß eingestellt werden,
um das Schmieren durch Wasser/Seife, die bei der Rasur verwendet
werden, zu verbessern, zum Beispiel indem der Siliziumoxid-(SiO)-Gehalt der Beschichtung
gesteigert wird. Ein anderes Designproblem ist die Schärfe der
Schneidspitze. Die Einheitlichkeit der DLC-Beschichtung kann so
eingestellt werden, dass die Beschichtung oder Schicht gerade an der
Schneidspitze oder -kante dünner
oder nicht vorhanden ist. Ein vergleichbares Profil kann auch durch
eine DLC-Beschichtung
der Klinge vor der Anwendung eines abschließenden Polierverfahrens auf
die Schneidkante erzeugt werden. Diamant kann eine schärfere Kante
annehmen, als dass sie zum Rasieren wünschenswert sein kann. Die
DLC-Schicht kann zugeschnitten werden, um den Radius der Schneidkante
in einer kontrollierten Weise zu steigern, und so die ideale Kantenschärfe zusätzlich zu
einer stärker
gegen Abschlagen resistenten Kante bereitzustellen.
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Ausführungsformen
von Schneideinsätzen der
Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 der
begleitenden Figuren beschrieben werden. Bezugnehmend auf 1 umfasst
ein Schneideinsatz eine Diamantschicht 10, die eine Schneidkante 12 hat,
die am Schnittpunkt von zwei zusammenlaufenden Oberflächen 14, 16 definiert
ist. Jede der zusammenlaufenden Oberflächen 14, 16 wird
mit einer Schicht 18 aus DLC bereitgestellt. Die Schichten 18 enden
gerade kurz vor der Schneidkante 12, welche somit eine
Schneidkante aus Diamant ist.
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In
der Ausführungsform
der 2 wird eine Schicht 20 aus Diamant bereitgestellt,
die eine Schneidkante 22 hat, die am Schnittpunkt von zwei zusammenlaufenden
Oberflächen 24, 26 definiert
ist. Die zusammenlaufenden Oberflächen 24, 26 und
die Schneidkante 22 sind alle mit einer Schicht 28 aus DLC überzogen.
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Die
DLC-Beschichtung kann auf die Schneidkante aus Diamant durch im
Fachgebiet bekannte Verfahren aufgetragen werden. Es ist ein weiter
Bereich von Parametern und Verfahren bekannt, die für die Abscheidung
von DLC-Beschichtungen geeignet sind. Oft wird die Beschränkung bezüglich der
Zuchtbedingungen für übliche DLC-Anwendungen
durch die Empfindlichkeit des Substrates bestimmt, wohingegen Diamant
gegen einen viel weiteren Bereich von Abscheidungsbedingungen, Beschichtungsdicken
und Beschichtungseigenschaften beständig ist.
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Die
Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele veranschaulicht:
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Beispiel 1
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Eine
Diamantklinge wird genommen und in einem Schlitz in einem vorbereiteten
Metallhalter, 3 mm dick, befestigt, welcher die Klinge mit einem
Winkel von 70° bezüglich der
Normalen der Klinge hält, wodurch
eine Seite der Schneidkante der Klinge zuoberst exponiert wird.
Dieser Metallhalter wird dann auf die Gegenelektrode eines RF-Vorspannungs-Gasphasenabscheidungssystem
vom physikalischen Typ (RF bias physical vapour deposition system)
gesetzt, so dass die Metallbasis in innigem elektrischen und thermischen
Kontakt mit dieser Gegenelektrode ist. Das Abscheidungsverfahren
kann über
einen Bereich an Bedingungen gesteuert werden, welche verwendet
werden können,
um die genauen Eigenschaften und Zusammensetzung der hergestellten
DLC-Beschichtung zuzuschneiden. Allgemein umfasst das Verfahren
das Mischen von H2, CH4 und
möglicherweise
eines Inertgases, wie z.B. Ar, und das Halten dieser Mischung bei
einem Druck im Bereich von 1–500
mTorr (0,12–65
Pa) und besonders typisch 5–50
mTorr (0,66–6,6
Pa). Ein Plasma wird unter Verwendung von RF-Frequenz, typischerweise 13,65 MHz,
und einer Elektrodenvorspannung erzeugt, die durch Verwendung eines
Blockkondensators erzeugt wird, welcher zu den relativen Flächen der
zwei Elektroden in Beziehung steht. Typische verwendete Vorspannungsspannungen
liegen im Bereich von 100–1000
V, und besonders typisch im Bereich von 400–700 V. Die Substrattemperatur
wird allgemein bei weniger als 200°C gehalten und insbesondere
bei weniger als 150°C.
Die Klinge wird dann nochmals befestigt, um die zweite Seite der
Schneidkante zu exponieren, und das Abscheidungsverfahren wird wiederholt.
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Ein
alternatives Verfahren ist die Verwendung einer Ionenkanone, wobei
ein Strahl aus Kohlenstoff- und Wasserstoffionen erzeugt und auf
die Klinge im Bereich der Schneidkante gelenkt wird.
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Beispiel 2
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Die
allgemeinen Abmessungen einer Anzahl von Klingen wurden mit einem
Hochleistungs-Laser aus einer Platte aus polykristallinem CVD-Diamant ausgeschnitten.
Die Klingen wurden auf die geeignete Dicke (0,6 mm) poliert. Das
Verfahren, Diamant mit einem Laser zu schneiden, ist im Fachgebiet
wohlbekannt. Nachfolgend wurden zwei Facetten auf jede Klinge poliert,
wobei der Schnittpunkt der Facetten eine Schneidkante der Klinge
bildet. Das Polieren wurde durchgeführt, indem die Klinge in einem
Winkel auf eine rotierende Schleifscheibe (scaife) gepresst wurde,
die aus Stahl oder Gusseisen oder Epoxyharz mit in dem Harz eingeschlossenen
Diamantpartikeln hergestellt ist, wie es im Fachgebiet wohlbekannt
ist. Andere Wege, die Klingen herzustellen, sind, die Facetten mit
einem Laser in die Platten zu schneiden und nachfolgend diese Laser-geschnittenen Facetten
zu polieren. Zu diesem Zeitpunkt waren die Klingen fertig zum Beschichten
geformt.
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Um
eine stark anhaftende Beschichtung der Oberflächen der Klingen zu erhalten,
wurden die Klingen gereinigt, um allen Schmutz und adsorbiertes Material
(sowohl organischer, als auch anorganischer Natur) zu entfernen.
Das Reinigen wurde allgemein unter Verwendung einer konzentrierten
Säure, wie
z.B. Salpeter-, Schwefel- oder Salzsäure, durchgeführt, gefolgt
von einer Spülung
in entmineralisertem Wasser, einer weiteren Spülung in einem Alkohol, wie
z.B. Methanol, Ethanol oder Propanol, und Ofentrocknung bei einer
Temperatur von 60–100°C. In einem
besonderen Beispiel wurde konzentrierte Schwefelsäure verwendet,
gefolgt von Spülen
in Wasser und Propanol, und die Klingen wurden für 1 Stunde bei 60°C getrocknet.
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Als
eine weitere Reinigungsstufe wurden die Klingen einer Mikrowellenplasma-Entladung
ausgesetzt, welche eine hohe Konzentration an Sauerstoffradikalen
enthielt. Diese Sauerstoffradikale reagieren mit jeden verbleibenden
Verunreinigungen auf der Oberfläche
des Diamanten und entfernen diese. Diese Ätzung kann auch den Diamanten
selbst angreifen, so dass die Klinge nur für eine kurze Zeitspanne, typischerweise
weniger als 1/2 Stunde, dem Plasma ausgesetzt wurde. In einem Fall
wurde die Klinge einem durch Mikrowellen (2,45 GHz) erzeugtem Plasma
für nur
15 Minuten ausgesetzt und der Sauerstoffgasdruck in der Reaktionskammer
betrug 1 mbar (1 × 102 Pa). Die Entladungsleistung betrug ungefähr 600 Watt
Spitzenleistung mit einem Auslastungsgrad von ungefähr 20%.
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Nach
der Ätzung
wurde eine DLC-Beschichtung auf den Facetten und Schneidkanten der
Klingen abgeschieden. Dieses wurde unter Verwendung einer Mischung
von Gasen gemacht, die eine Kohlenstoffquelle, Wasserstoff und eine
Sauerstoffquelle gemäß einer
kommerziell erhältlichen
Rezeptur umfasst. In einigen Fällen
enthielt die Mischung auch kleine Mengen einer Siliziumquelle, wie
z.B. Silan, um etwas Siliziumoxid in die DLC-Beschichtung einzuführen. Die
Gase wurden dann durch das Mikrowellenplasma zerlegt und eine Schicht
aus DLC wurde typischerweise mit einer Dicke von etwa 200 nm auf
die Facetten und Schneidkante der Klinge aufgebracht. In anderen
Fällen
wurden dickere DLC-Beschichtungen bis zu einer Dicke von ungefähr 4 Mikron
aufgebracht, obwohl im allgemeinen DLC-Beschichtungen mit einer Dicke von mehr
als 1 μm
einen beschränkten
Nutzen haben. Die Vickers-Härte der
DLC-Beschichtung
war ungefähr
1200–1500
VH.
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Da
fette Materialien (wie z.B. Lipide und andere fette Materialien
in der menschlichen Haut) eine sehr schwache Adhäsion auf Schichten vom DLC-Typ
haben, während
sie auf der anderen Seite stark an Diamant haften, verursachen die
DLC-beschichteten
Klingen während
des Rasierens signifikant weniger Mitreißen der Haut als unbeschichtete Diamantklingen.
Reibungsversuche, die für
gewöhnliche
Materialien, wie z.B. Metalle, durchgeführt wurden, zeigen, dass der
DLC-beschichtete
Diamant einen signifikant geringeren Reibungskoeffizienten als unbeschichteter
Diamant hat. In einem Beispiel wurde gemessen, dass ein Reibungskoeffizient
für den DLC-beschichteten
Diamanten auf Stahl weniger als 0,05 betrug, während der unbeschichtete Diamant Reibungskoeffizienten
im Bereich von 0,4 bis 0,8 hatte.
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Da
die Diamantbeschichtung eine Diamant-ähnliche Struktur hat, ist das
Haften an Diamant außergewöhnlich stark
und dieses führt
in Kombination mit der inhärenten
Stärke
von Diamant zu einer außergewöhnlich langen
Lebensdauer der Beschichtung. Die Zugabe von Siliziumoxid in einigen der
DLC-Schichten sollte
die Spannung innerhalb der Schichten verringern und die Adhäsion und
die Abriebeigenschaften noch weiter verbessern. In Versuchen war
es nicht möglich,
die DLC-Beschichtung von der Diamantoberfläche durch mechanische Mittel
zu entfernen, außer
durch (abschleifende) Polierverfahren, wie z.B. diese, die zur Herstellung
der Klingen verwendet werden. Die Rauhigkeit der Beschichtung war
sehr gering (typischerweise beträgt diese
weniger als 0,2 nm), und fügt
somit wenig oder gar nichts zu der ursprünglichen Rauhigkeit der polierten
Klinge hinzu, welche 2 nm oder weniger betrug, und in einigen Fällen wurde
die Gesamtrauhigkeit reduziert.
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Die
Einstellung der Reibeigenschaften der Klinge mit der Haut erfordert
nicht, dass die Beschichtung bis zu der Schneidkante ausgedehnt
wird. Derartige Klingen wurden hergestellt. Das einfachste Verfahren
zur Herstellung ist, die endgültige
Schneidkante mechanisch nach der DLC-Beschichtung herzustellen, indem DLC
an der Schneidkante entfernt wird. Ein besonderer Vorteil dieser
Anordnung ist, dass Diamantabrieb an der präzisen Schneidspitze geringer
sein kann als der der DLC-Beschichtung.
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Jedoch
können
andere Vorzüge,
wie z.B. die Unterdrückung
von Abschlagen von Stücken,
erhalten oder verstärkt
werden, indem sehr dicht an oder um die Schneidkante aus Diamant
beschichtet wird. Die Wirkung auf die Schneidgeometrie ist abhängig von
den relativen Dimensionen des Radius der Schneidspitze, und der
Beschichtungsdicke an diesem Punkt, obwohl es auch möglich ist,
die DLC-beschichtete Schneidkante nach dem Aufbringen der Beschichtung
zu formen.