ES2302401A1 - Sistema de generacion micro-topografica por pulverizacion catodica. - Google Patents
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Abstract
Sistema de generación micro-topográfica por pulverización catódica. Consistente en un circuito eléctrico autorregulado que produce una emisión de iones controlada electro-magnéticamente por el propio flujo de iones. Mientras se autorregula mediante él, la corriente eléctrica que circula por él y el campo magnético que ésta genera, permitiendo con este sencillo método, controlar la deposición de iones y creando con ello topografías a nivel atómico, tanto por su posición tridimensional como por su composición. Todo ello realizado en los materiales y con las técnicas adecuados que favorezcan la micro-topografía en cada caso.
Description
Sistema de generación
micro-topográfica por pulverización catódica.
La presente invención se refiere a un sistema de
generación micro-topográfica por pulverización
catódica en recubrimientos y tratamiento de superficies. El sistema
ha sido concebido y realizado para obtener numerosas y notables
ventajas respecto a otros medios existentes de análogas
finalidades.
El sistema está previsto para lograr controlar
la deposición de materiales conductores y sus derivados, pudiendo
ser esta prediseñada tanto en su disposición espacial como química.
Para ello, el sistema cuenta con 7 partes bien diferenciadas que
encajan entre sí formando un único objeto que es capaz de generar
suspensiones de iones y depositarlo de forma controlada, bien sobre
sí mismos o sobre un objeto.
Se conocen varios sistemas y dispositivos para
realizar micro-topográfica, que permiten generar
texturas en superficies sobre un objeto.
En tal sentido pueden citarse dispositivos
basados en malla reticulares resistentes al la abrasión, las cuales
se depositan sobre la superficie cuya topografía se pretende
variar, y se ataca con agentes abrasivos tales como ácidos. Así
pues, al quedar expuesta parte de la superficie a la abrasión, esta
desaparece mientras que la que esta bajo la malla permanece
intacta, creándose una clara variación de la topografía de la
superficie determinada en intensidad por el la abrasión y en
distribución por la malla.
Este sistema presenta diversos inconvenientes,
tales como la pérdida de material, la limitación de las
características de la topografía por la maya, y la falta de control
del agente abrasivo que desvirtúa la distribución de la malla.
También existe un problema latente en el uso de agentes abrasivos
de alta intensidad por su alta peligrosidad, tanto en su manejo,
almacenamiento o transporte, lo que obliga a su uso por personal
cualificado en instalaciones adecuadas, con la consiguiente subida
de los costes del sistema y su limitación en su aplicabilidad.
Igualmente, se conocen otros sistemas basados en
una fresadora que perfora la superficie en cuestión controlada por
una máquina de control numérico, la cual tiene acoplado un sistema
de topografía axial computerizado. Estos sistemas presentan grandes
limitaciones de productividad y de resolución en la topografía, al
estar determinada ésta por la broca usada en cuestión, y por la
resolución de la máquina de control numérico. Así pues, dependiendo
de la forma, tamaño y material del objeto, la topografía no suele
contar con perforaciones inferiores a 50 micras, mientras que los
tiempos de fresado son de días. Además, al tratarse de un
tratamiento por torneado, presenta graves problemas característicos
de la dureza de cada material y los tipos de pieza.
El sistema de la invención presenta una nueva
estrategia a la hora de crear micro-topografías:
aprovechando las deposiciones de iones de plasma y su dependencia
de los campos electromagnéticos, controlamos la trayectoria y
posterior deposición de los iones, mediante diferenciales
eléctricos y campos magnéticos. Basándonos en la diferencia de
velocidad en las deposiciones en función de la distancia, y
relacionando ésta con la corriente eléctrica que circula por el
circuito eléctrico, que se crea con la deposición de iones mediante
un campo magnético generado por dicha corriente, y relacionando
este campo magnético con el campo magnético permanente que proyecta
los iones, y con una resistencia variable que regula la intensidad
de la corriente, estabilizando la emisión en todo momento. Además,
para permitir la creación de topografías complejas, este sistema
permite su reproducción en múltiples cátodos de emisión de iones;
regulados todos ellos por resistencias controladas por resistencias
variables, lo cual además aumenta su potencia y velocidad. Esto,
unido a un sistema de sellado y aislamiento combinado con una
atmósfera controlada, permitiría no sólo la creación de
micro-topografías de composición constante, sino
también variable.
Además, se ha previsto que el sistema cuente con
un sistema de control informático de las deposiciones fónicas,
mediante un multiplexador que controle tantos servos como cátodos
disponga el sistema. A su vez, este control computerizado podrá
controlar la atmósfera del sistema de generación de
micro-topografías por pulverización catódica,
mediante una bomba de vacío y una entrada de gases.
También existe la posibilidad de completar la
creación de una topografía iónica dentro de la propia topografía
física tanto composicional como superficial, mediante la
implantación iónica, durante el proceso de creación de la topografía
física, tan solo subiendo la aceleración de los iones.
Por todo ello la topografía, en cualquiera de
sus sentidos podrá ser creada a nivel atómico, consiguiendo con
ello una máxima definición y pudiendo fabricar cualquier objeto con
total definición de su topografía física y química.
Para completar la descripción que seguidamente
se va a realizar, y con el objeto de ayudar a una mejor comprensión
de las características del invento, se acompaña a la presente
memoria descriptiva de un juego de planos, en base a cuyas figuras
se comprenderán más fácilmente las innovaciones y ventajas del
dispositivo objeto de la invención.
En dichos dibujos, la figura 1 representa el
diagrama básico de sistema de generación
micro-topográfica por pulverización catódica. La
resistencia variable (1) determina la intensidad de la corriente
dentro del sistema, la cual determina la capacidad de ionización
del cátodo (5), el cual se encuentra estabilizado mediante un muelle
(3), que es comprimido por un imán permanente (4), que es atraído
por un electroimán (2), que esta dentro del propio circuito, y cuyo
campo magnético es, en consecuencia proporcional a la intensidad
del circuito, con lo que el campo magnético, la posición del
cátodo, y la intensidad fónica dependen de la resistencia variable,
la cual a su vez posee un sistema de retrocontrol (6), mediante un
imán permanente que es controlado por el campo magnético del
electroimán.; la figura 2 representa el sistema montado dentro de
una carcasa y completado a modo de circuito, en el cual podemos
observa la fuente de alimentación (7); la figura 3 presentan el
sistema (8) y su montaje (9) conectados a una prótesis de titanio
(10) a la cual se pretende dotar de una topografía concreta.; la
figura 4 muestra la forma de duplicar el sistema montado.; la
figura 5 explica el funcionamiento de cada una de las piezas del
sistema de generación micro-topográfica por
pulverización, donde podemos observar la formación de iones en
suspensión (11) y las deposiciones (12) de los iones; y la figura 6
muestra como controlar la atmósfera para el sistema mediante una
cámara (14) aislada eléctricamente, mediante una lámina aislante
(13) y controlada mediante un sensor de presión (17), que se conecta
a un manómetro (16) para controlar la bomba de vacío (15) y el
depósito del gas a alta presión (18); la figura 7 representa el
sistema de generación montado de forma múltiple dentro de la cámara
de atmósfera controlada, y controlado mediante un multiplexor (20)
que a su vez es controlado por un ordenador (21) que también
controla una fuente de alimentación multivoltaje (19).
A la vista de las figuras puede observarse cómo
el dispositivo se constituye mediante 7 piezas (números 1, 2, 3, 4,
5, 6 y 7) que al acoplarse entre sí dan lugar al sistema de
generación micro-topográfica por pulverización
catódica, en el cual podemos distinguir las partes de generación
iónica (4), (5) y (7) y las de control (1), (2), (3) y (6), las
cuales actúan sobra las restantes, dando lugar con todo ello al
sistema de generación micro-topográfica por
pulverización catódica (Figura 2).
En la actualidad existen muy diferentes
materiales con los que realizar la diversas partes del sistema, y
múltiples técnicas que podríamos utilizar en la confección de los
cátodos. No obstante, por simple economía elegiremos materiales y
técnicas generalizadas. Así pues, para la parte de los cátodos
atendiendo a su composición usaremos diferentes técnicas, para el
titanio. dada su alta temperatura de fusión 1700ºC usaremos un
procedimiento de torneado mecánico, mientras que para el aluminio,
nos decantaremos por el uso de moldes rellenados con aluminio
fundido a 660ºC, o en el caso del cromo, dada su fragilidad, y su
alto punto de fusión 1875ºC, usaremos la electrolisis en medio
reductor. En el caso de los imanes permanentes usaremos imanes de
neodimio dado su bajo costo, alta disponibilidad industrial, gran
potencia magnética y cuya temperatura curie esta en los 200ºC, por
lo cual deberemos refrigerarlo mediante la descompresión de gas, en
la cámara de atmósfera controlada, o incluso refrigerando el
sistema desde dentro de la carcasa no superando una temperatura
operativa de 80ºC. Para el electroimán usaremos la típica bobina de
cobre con núcleo de hierro dulce. En el caso del muelle usaremos un
muelle bicónico pero no de acero, dado que al someterlo a intensos
campos magnéticos se magnetizaría permanentemente. En el caso de la
resistencia variable elegiremos una bobinada de potencia, y para la
fuente de alimentación elegiremos un transformador variable de alta
tensión invertido, rectificado y filtrado como los que se usan en
las estaciones de alta tensión continua para grandes distancia. La
carcasa del sistema puede ser de cerámica o polímeros sintéticos de
similares características termoeléctricas. Para la cámara usaremos
vidrio termo resistente recubierto de poliuretano y éste, a su vez,
de epoxi. La bomba de vacío será de difusión con un límite
funcional mantenido de 5 militorr. En el caso del sensor de
presión, éste podría ser un típico sensor digital de silicio, con
cámara de vacío comparativo puesto que el sistema trabaja a baja
presión, éste estará blindado por una jaula de faraday para evitar
interferencias electromagnéticas. La posibilidad de conectarlo al
PC, además de al manómetro, es importante pasa asegurar la calidad
del acabado, ya que sin una retroalimentación de datos en la
ejecución de un protocolo podrían producirse imperfecciones,
sobretodo si se espera que la deposición fónica sea reactiva y el
sistema no se encuentra calibrado. El ordenador es un elemento de
control, ya que para la seguridad usaremos el manómetro que pudiera
ser de mercurio, para asegurar su fiabilidad. En el caso del
deposito de gas, usaremos depósitos estándar conectados en
paralelo, conteniendo los diferentes gases necesarios para el
protocolo en cuestión. Si se desea, se pueden usar depósitos
retroalimentados para lo cual, a la salida de la bomba de vacío
debería haber un compresor con un disipador que cierre el circuito.
No obstante, esto es desaconsejable por el alto grado de impureza
que presentarían los gases reciclados. Tanto el multiplexador como
el PC, son aparatos que presentan tal variedad y potencia para lo
básico, que supone este sistema que cualquiera de ellos posee
potencia más que suficiente para su perfecto funcionamiento.
En consecuencia, para generar una topografía
osteocompatible con la de un hueso humano para una prótesis,
partiremos de una aleación de titanio quirúrgico
(Ti-6Al-4 V), en barras de 20 mm de
longitud por 30 \mum de diámetro (a modo de alfiler) que
soldaremos en los cátodos, introduciremos la base de la prótesis que
estará en contacto con el hueso en la cámara, tras lo cual
sellaremos la cámara y realizaremos un vacío máximo y a
continuación tres lavados con Argón. Mientras se realizan estos
lavados, colocaremos la lámina aislante, y encima de ésta,
conectaremos el ánodo con la base de la prótesis, tras ello
ejecutamos el protocolo en el PC. Éste consistirá, en una primera
fase en la cual se crearan deposiciones de entre 30 \mum a 71
\mum separadas entre sí una media de 250 \mum, lo cual ocurrirá
a una velocidad de 50 Amstrons por segundo. Ha de tenerse en cuenta
en cada deposición la velocidad de los iones en el momento de su
deposición para poder determinar la posición de ésta y poder
controlar así la malla. La segunda fase del protocolo creará una
segunda malla de deposiciones no superiores a 23 micras, centradas
entre las anteriores y a una distancia de 144 \mum de estas y a
250 \mum entre sí. La tercera fase consistirá en una deposición
de un grosor de entre 4 \mum y 12 \mum con separaciones de
igual tamaño. La cuarta fase, requerirá nuevamente del lavado
previo de la cámara, esta vez sustituyendo la atmósfera de Argón por
una de nitrógeno. A continuación se aumentará el diferencial de
voltaje a 100000 V, y la distancia hasta lograr una potencia de 200
KeV, e invertir la polaridad del sistema. Tras lo cual, se
introduce de forma gradual una corriente de Nitrógeno, en función de
la demanda del sistema, manteniendo la presión por debajo de los 5
militorr durante 280 segundos, consiguiendo con esto el dopaje de
la aleación con iones de nitrógeno en los 0,4 \mum de la
topografía. La quinta fase, consiste en una reducción del voltaje
nuevamente a 500 v, el aumento de la presión de nitrógeno por
encima de los 5 militorr, la inversión de la polaridad y la
reducción de la distancia al mínimo. Esta ultima fase mantenida
durante menos de 10 segundos permitirá dar un acabado superficial
de nitruro de titanio a la prótesis, con una alteración inferior a
media micra de su topografía base. Tras esto, solo queda
desconectar el sistema, desmontar la prótesis de la cámara y
obtendremos una prótesis con una topografía física y química
osteo-compatible para seres humanos.
Serán independientes del objeto de la invención
los materiales empleados en la fabricación de los componentes del
sistema de generación micro-topográfica por
pulverización catódica, formas y dimensiones de los mismos, y todos
los detalles accesorios que puedan presentarse, siempre y cuando no
afecten a su esencialidad.
Claims (4)
1. Sistema de generación
micro-topográfica por pulverización catódica en
recubrimientos y tratamiento de superficies caracterizado por
comprender siete piezas (1), (2), (3), (4), (5), (6) y (7)
acoplables entre sí creando el sistema, el cual al emitir un haz de
iones la pieza (5) cierra el circuito con la pieza (7), que alimenta
el circuito, que en función de la resistencia de la ionización,
regula la posición de la pieza (5), mediante el campo magnético
fijo de la pieza (4), que es atraído por la pieza (2), y repelido
por la pieza (3), y todo ello regulado por la retroalimentación que
genera la pieza (6), en la pieza (1).
2. Sistema de generación
micro-topográfica por pulverización catódica en
recubrimientos y tratamiento de superficies de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado por auto regular la posición
de la pieza (5) en función de la resistencia que presente el
medio.
3. Sistema de generación
micro-topográfica por pulverización catódica que
caracteriza el proceso de generar una topografía
osteocompatible con la de un hueso humano, y el sistema
anteriormente reivindicados.
4. Topografía osteocompatible en recubrimientos
y tratamiento de superficies caracterizado por comprender
diversas deposiciones en mallas para aprovechar la adherencia de
cada uno de los elementos de los huesos. Siendo las de mayor tamaño
de entre 30 y 71 micrómetros y distantes 250 micrómetros, las
deposiciones medianas serian de 14 a 23 micrómetros y se
encontrarían equidistantes de las deposiciones mayores,
completándose la topografía con una malla irregular de deposiciones
de 4 a 12 micrómetros con separaciones de igual tamaño.
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| ES200501345A Active ES2302401B2 (es) | 2005-06-03 | 2005-06-03 | Sistema de generacion micro-topografica por pulverizacion catodica. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2302401B2 (es) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4988422A (en) * | 1987-03-20 | 1991-01-29 | Leybold Aktiengesellschaft | Process and apparatus for depositing coatings of high electrical resistance by cathode sputtering |
| EP0783174A2 (de) * | 1995-10-27 | 1997-07-09 | Balzers und Leybold Deutschland Holding AG | Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats |
| DE19727647A1 (de) * | 1997-06-12 | 1998-12-17 | Leybold Ag | Vorrichtung zum Beschichten eines Substratkörpers mittels Kathodenzerstäubung |
-
2005
- 2005-06-03 ES ES200501345A patent/ES2302401B2/es active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4988422A (en) * | 1987-03-20 | 1991-01-29 | Leybold Aktiengesellschaft | Process and apparatus for depositing coatings of high electrical resistance by cathode sputtering |
| EP0783174A2 (de) * | 1995-10-27 | 1997-07-09 | Balzers und Leybold Deutschland Holding AG | Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats |
| DE19727647A1 (de) * | 1997-06-12 | 1998-12-17 | Leybold Ag | Vorrichtung zum Beschichten eines Substratkörpers mittels Kathodenzerstäubung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2302401B2 (es) | 2009-03-16 |
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