RU2794312C1

RU2794312C1 - Method for manufacturing blades from sapphire

Info

Publication number: RU2794312C1
Application number: RU2022121170A
Authority: RU
Inventors: Игорь Васильевич Алябьев; Юрий Анатольевич Белоусов; Юрий Викторович Дарковский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "РОКОР"
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2023-04-14

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to surgical cutting instruments and can be used for the manufacture of medical disposable blades. The method of manufacturing blades from sapphire includes cutting blanks with a thickness of 0.7 to 0.9 mm, mechanical sharpening of the cutting edges of the blades with a diamond tool in two stages with diamond grain sizes of 80/63 at the first stage and 40/28 at the second stage, high-temperature annealing of the blades in a vacuum furnace at a temperature of a resistive graphite heater above 1200°C.

EFFECT: increased strength and sharpness of the cutting edge of the blades.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к хирургическим режущим инструментам и может быть использовано для изготовления медицинских одноразовых лезвий, применяемых в пластической хирургии, офтальмологии и нейрохирургии [B21K 11/00, A61B 17/32, C23F 1/00, B23P 15/28, B21J 5/00, H01L 21/302].The invention relates to surgical cutting instruments and can be used for the manufacture of medical disposable blades used in plastic surgery, ophthalmology and neurosurgery H01L 21/302].

Из уровня техники известен способ, реализованный в ЛЕЗВИИ МЕДИЦИНСКОМ [RU 2167622, опубл. 27.05.2001], при изготовлении которого из вырезанной алмазными дисками циркониевой шайбы, предварительно обработанной до 7 - 8 классов чистоты, посредством лазера вырезают конфигурацию лезвия с толщиной режущей части 0,3 - 0,5 мкм, посредством лазерной обработки переводят поверхностный слой в микрокристаллическое состояние с постоянной решетки не свыше 0,5 нм, при этом в остальном конфигурация лезвия зависит от условий его применения. В результате расширяются возможности применения режущего медицинского инструмента, а также увеличивается срок его работы без проведения дополнительной заточки.The prior art method implemented in MEDICAL BLADES [RU 2167622, publ. 05/27/2001], in the manufacture of which, from a zirconium washer cut with diamond disks, pre-treated to 7 - 8 purity classes, a blade configuration with a cutting part thickness of 0.3 - 0.5 μm is cut out by means of a laser, the surface layer is transferred into a microcrystalline layer by means of laser processing. state with a lattice constant of not more than 0.5 nm, while the rest of the configuration of the blade depends on the conditions of its use. As a result, the possibilities of using a cutting medical instrument are expanded, as well as the period of its operation without additional sharpening.

Недостатком аналога является использование циркония, поскольку при использовании таких лезвий в хирургии сила воздействия на них относительно невелика, и зерна циркония не подвергаются скалыванию, что приводит к невозможности циркониевого лезвия проявлять свои самозатачивающие свойства, и потенциально приводит к быстрому снижению остроты режущей кромки лезвия.The disadvantage of the analogue is the use of zirconium, since when such blades are used in surgery, the force of impact on them is relatively small, and zirconium grains are not chipped, which makes it impossible for the zirconium blade to show its self-sharpening properties, and potentially leads to a rapid decrease in the sharpness of the cutting edge of the blade.

Также известен способ изготовления ЛЕЗВИЯ МЕДИЦИНСКОГО МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО [RU18900, опубл. 10.08.2001], при котором лезвие изготавливают из материала с кристаллографическими осями, пересекающимися под острыми углами, причем раскрой заготовки лезвия осуществлен таким образом, чтобы режущая кромка лезвия совпадала с линией пересечения указанных кристаллографических плоскостей, а угол заточки был равен углу пересечения указанных плоскостей. Лезвие изготавливают из полупроводниковых материалов, природных или синтетических сапфира, рубина, рутила или алмаза с использованием механических способов обработки монокристаллического материала, и/или химических способов обработки монокристаллического материала, и/или лазерных способов обработки монокристаллического материала, и/или плазменных способов обработки монокристаллического материала.Also known is a method of manufacturing BLADE MEDICAL SINGLE-CRYSTAL [RU18900, publ. 08/10/2001], in which the blade is made from a material with crystallographic axes intersecting at acute angles, and the cutting of the blade blank is carried out in such a way that the cutting edge of the blade coincides with the line of intersection of the indicated crystallographic planes, and the sharpening angle is equal to the angle of intersection of the indicated planes. The blade is made from semiconductor materials, natural or synthetic sapphire, ruby, rutile or diamond using mechanical methods for processing single crystal material and/or chemical methods for processing single crystal material and/or laser methods for processing single crystal material and/or plasma methods for processing single crystal material .

Недостатком аналога является отсутствие этапа высокотемпературной обработки лезвий в вакуумной печи, что не позволяет устранить приповерхностные напряжения в сапфире, вызванные заточкой, и, таким образом, достичь высоких показателей прочности лезвий.The disadvantage of the analogue is the absence of the stage of high-temperature processing of the blades in a vacuum furnace, which does not allow eliminating surface stresses in sapphire caused by sharpening, and thus achieving high strength blades.

Наиболее близким по технической сущности является СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХИРУРГИЧЕСКИХ ЛЕЗВИЙ [US 2011192819, опубл. 11.08.2011] из кристаллического либо из поликристаллического материала, предпочтительно в форме пластины, при этом способ включает подготовку кристаллических или поликристаллических пластин путем их установки и механической обработки канавок в пластинах, методы обработки канавок, образующих скошенные поверхности лезвий, включают пилу с алмазным диском, лазерную систему, ультразвуковую машину и горячештамповочный пресс, пластины затем помещают в травильный раствор, который изотропно протравливает пластины однородным образом, так что слои кристаллического или поликристаллического материала удаляются равномерно, образуя лезвия с одинарным или двойным скосом. Почти любой угол может быть обработан на пластине, которая остается после травления. Результирующие радиусы кромок лезвий составляют 5-500 нм, что соответствует калибру лезвия с алмазной кромкой.The closest in technical essence is the SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING SURGICAL BLADES [US 2011192819, publ. 08/11/2011] from a crystalline or polycrystalline material, preferably in the form of a plate, while the method includes the preparation of crystalline or polycrystalline plates by installing them and machining grooves in the plates, methods for processing grooves forming beveled surfaces of the blades include a saw with a diamond blade, laser system, ultrasonic machine and hot stamping press, the wafers are then placed in an etching solution which etches the wafers isotropically in a uniform manner so that layers of crystalline or polycrystalline material are removed evenly to form single or double bevel blades. Almost any angle can be machined on the plate that remains after etching. The resulting blade edge radii are 5-500 nm, which corresponds to the caliber of a diamond-edged blade.

Основными техническими проблемами прототипа являются изготовление лезвий из кремния, который имеет меньшую прочность, чем у сапфира, а также использование травления на окончательном этапе изготовления лезвий, что по сравнению с высокотемпературным отжигом в вакуумной печи требует большего времени, а также не позволяет достичь высоких показателей прочности и долговременности сохранения остроты режущей кромки лезвия.The main technical problems of the prototype are the manufacture of blades from silicon, which has a lower strength than sapphire, as well as the use of etching at the final stage of blade manufacture, which, compared to high-temperature annealing in a vacuum furnace, requires more time and also does not allow achieving high strength indicators. and long-term preservation of the sharpness of the cutting edge of the blade.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.The objective of the invention is to eliminate the disadvantages of the prototype.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и остроты режущей кромки лезвий.The technical result of the invention is to increase the strength and sharpness of the cutting edge of the blades.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ изготовления лезвий из сапфира, включающий вырезание заготовок из сапфировой пластины, механическую заточку режущих кромок лезвий и высокотемпературный отжиг лезвий, отличающийся тем, что толщина заготовок составляет от 0,7 до 0,9 мм, механическую заточку режущих кромок лезвий осуществляют алмазным инструментом в два этапа со значениями зернистости алмаза 80/63 на первом этапе и 40/28 на втором этапе, снятие слоя сапфира при механической обработке кромки лезвия производят глубиной не менее 2/3 от толщины лезвия, высокотемпературный отжиг лезвий осуществляют в вакуумной печи при температуре резистивного графитового нагревателя выше 1200°С.This technical result is achieved due to the fact that the method of manufacturing blades from sapphire, including cutting blanks from a sapphire plate, mechanical sharpening of the cutting edges of the blades and high-temperature annealing of the blades, characterized in that the thickness of the blanks is from 0.7 to 0.9 mm, mechanical sharpening of the cutting edges of the blades is carried out with a diamond tool in two stages with diamond grain sizes of 80/63 at the first stage and 40/28 at the second stage, the removal of the sapphire layer during machining of the blade edge is carried out with a depth of at least 2/3 of the blade thickness, high-temperature annealing of the blades carried out in a vacuum furnace at a temperature of a resistive graphite heater above 1200°C.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

На фиг. 1 показана заготовка, выполненная в виде сапфировой пластины.In FIG. 1 shows a workpiece made in the form of a sapphire plate.

На фиг. 2 показан вид сбоку лезвия из сапфира.In FIG. 2 shows a side view of a sapphire blade.

На фиг. 3 показан вид спереди лезвия из сапфира.In FIG. 3 shows a front view of a sapphire blade.

На фигурах обозначено: 1 - сапфировая пластина, 2 - лезвие, 3 - режущая кромка лезвия, 4 - отверстия.The figures indicate: 1 - sapphire plate, 2 - blade, 3 - cutting edge of the blade, 4 - holes.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Для реализации предлагаемого способа из сапфировой пластины 1 диаметром не менее 76 мм и толщиной 0,7…0,9 мм вырезают заготовки, имеющие требуемую форму лезвия 2, при этом вырезание осуществляют с помощью волоконного импульсного лазера мощностью в импульсе 1…2 кВт и энергией в импульсе 10…20 Дж.To implement the proposed method, workpieces are cut from a sapphire plate 1 with a diameter of at least 76 mm and a thickness of 0.7 ... in an impulse 10 ... 20 J.

Далее производят предварительную механическую заточку режущей кромки лезвия 3 с помощью алмазного инструмента, при этом заточку осуществляют на станке сначала алмазом с большей зернистостью, в частности 80/63, затем с меньшей зернистостью, в частности 40/28, а суммарная глубина снятия слоя сапфира при обработке кромки лезвия 3 с каждой стороны составляет не менее 2/3 от толщины лезвия 2.Next, preliminary mechanical sharpening of the cutting edge of the blade 3 is carried out using a diamond tool, while sharpening is carried out on the machine first with a diamond with a larger grain size, in particular 80/63, then with a smaller grain size, in particular 40/28, and the total depth of removal of the sapphire layer at processing the edge of the blade 3 on each side is at least 2/3 of the thickness of the blade 2.

Осуществляют высокотемпературный отжиг сапфировых лезвий 2 в вакуумной печи с резистивным нагревателем из графита, при этом в упомянутую печь помещают лезвия 2, устанавливают внутри печи давление 10^-6 мм рт.ст., поднимают температуру нагревателя до значения выше 1200°С, после чего отключают нагрев и оставляют лезвия 2 остывать в вакууме до температуры окружающей среды.High-temperature annealing of sapphire blades 2 is carried out in a vacuum furnace with a graphite resistive heater, while blades 2 are placed in the said furnace, a pressure of 10 ^-6 mm Hg is set inside the furnace, the heater temperature is raised to a value above 1200 ° C, after which it is turned off heating and leave the blades 2 to cool in vacuum to ambient temperature.

В одном из вариантов реализации в теле лезвия 2 выполняют отверстия 4 для крепления лезвия 2 к хирургическому инструменту.In one embodiment, holes 4 are made in the body of the blade 2 for attaching the blade 2 to the surgical instrument.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Для изготовления хирургических лезвий из сапфира использовали сапфировую пластину диаметром 102 мм (4 дюйма) и толщиной 0,8 мм, из которой с помощью волоконного импульсного лазера мощностью в импульсе 1,4 кВт и энергией импульсов 18 Дж вырезали заготовки для лезвий. Производили предварительную механическую заточку режущей кромки лезвий с помощью алмазного инструмента в два этапа, на первом из которых заточку осуществляли на станке алмазом с зернистостью 80/63, на втором - с зернистостью 40/28, при этом суммарная глубина снятия слоя сапфира при обработке кромки лезвия с каждой стороны составила 2/3 от толщины лезвия. Размещали сапфировые лезвия в вакуумной печи с резистивным нагревателем из графита, устанавливали внутри печи давление 10^-6 мм рт.ст., поднимали температуру нагревателя до значения выше 1200°С и выполняли высокотемпературный отжиг лезвий, после чего отключали нагрев и оставляли лезвия остывать в вакууме до температуры окружающей среды. В результате полученные значения толщины режущих кромок для различных экземпляров изготовленных лезвий составили 4…34 нм.For the manufacture of sapphire surgical blades, a sapphire plate 102 mm (4 inches) in diameter and 0.8 mm thick was used, from which blanks for the blades were cut using a pulsed fiber laser with a pulse power of 1.4 kW and a pulse energy of 18 J. Preliminary mechanical sharpening of the cutting edge of the blades was carried out using a diamond tool in two stages, at the first of which sharpening was carried out on a machine with a diamond with a grain size of 80/63, at the second - with a grain size of 40/28, while the total depth of removal of the sapphire layer when processing the edge of the blade on each side was 2/3 of the thickness of the blade. Sapphire blades were placed in a vacuum furnace with a resistive graphite heater, a pressure of 10 ^-6 mm Hg was set inside the furnace, the heater temperature was raised to a value above 1200 ° C and high-temperature annealing of the blades was performed, after which the heating was turned off and the blades were left to cool in vacuum up to ambient temperature. As a result, the obtained values of the thickness of the cutting edges for various specimens of manufactured blades amounted to 4…34 nm.

Заявленный технический результат - повышение прочности и остроты режущей кромки лезвий - достигается за счет того, что заготовки выполняют толщиной 0,7…0,9 мм, что обеспечивает оптимальную прочность лезвия, поскольку при толщине заготовки менее 0,7 мм не достигаются необходимые показатели прочности лезвий, а использование заготовки толщиной более 0,9 мм приводит к дополнительным затратам на снятие слоя сапфира при обработке кромки лезвия (указанные значения были получены экспериментальным путем, в ходе исследований). Механическую заточку кромки лезвия алмазным инструментом осуществляют в два этапа, что позволяет обеспечить высокое качество поверхности кромки лезвия при максимально достижимой ее остроте. Указанные значения зернистости алмаза (80/63 на первом этапе и 40/28 на втором этапе) были получены экспериментальным путем, в ходе исследований. Снятие слоя сапфира при обработке кромки лезвия производят глубиной не менее 2/3 от толщины лезвия, что позволяет сформировать режущую кромку лезвия двумя поверхностями финишной заточки и гарантированно исключить попадание режущей кромки на поверхность, образованную при лазерной резке, и, таким образом, обеспечивает требуемую остроту кромки лезвия. Отжиг лезвий в вакуумной печи осуществляют при температуре резистивного графитового нагревателя выше 1200°С, что позволяет снять приповерхностные напряжения в сапфире после заточки, обусловленные контактом алмазного инструмента и материала лезвия, и, таким образом, обеспечивает повышение прочности лезвий.The claimed technical result - an increase in the strength and sharpness of the cutting edge of the blades - is achieved due to the fact that the blanks are made with a thickness of 0.7 ... blades, and the use of a workpiece with a thickness of more than 0.9 mm leads to additional costs for removing the sapphire layer when processing the edge of the blade (the indicated values were obtained experimentally, in the course of research). Mechanical sharpening of the edge of the blade with a diamond tool is carried out in two stages, which makes it possible to ensure high quality of the surface of the edge of the blade with its maximum achievable sharpness. The specified values of the diamond grain size (80/63 at the first stage and 40/28 at the second stage) were obtained experimentally during the research. The removal of the sapphire layer when processing the edge of the blade is carried out with a depth of at least 2/3 of the thickness of the blade, which makes it possible to form the cutting edge of the blade with two surfaces of finishing sharpening and to ensure that the cutting edge does not hit the surface formed during laser cutting, and thus provides the required sharpness blade edges. Blades are annealed in a vacuum furnace at a temperature of a resistive graphite heater above 1200°C, which makes it possible to remove near-surface stresses in sapphire after sharpening, caused by the contact of the diamond tool and the blade material, and, thus, provides an increase in the strength of the blades.

Пример достижения технического результата.An example of achieving a technical result.

В 2021-2022 гг. авторами изобретения были изготовлены в соответствии с описанием предлагаемого способа образцы хирургических лезвий, которые были испытаны в лабораторных условиях, а также на практике на базе нескольких хирургических отделений. Испытания подтвердили повышение остроты режущей кромки лезвий (менее 5 нм) и прочности лезвий (сапфир - 9 по шкале Мооса, кремний - 7, цирконий - 5) по сравнению с известными способами, реализованными в аналогах и прототипе.In 2021-2022 the authors of the invention were made in accordance with the description of the proposed method, samples of surgical blades, which were tested in the laboratory, as well as in practice on the basis of several surgical departments. The tests confirmed the increase in the sharpness of the cutting edge of the blades (less than 5 nm) and the strength of the blades (sapphire - 9 on the Mohs scale, silicon - 7, zirconium - 5) compared with known methods implemented in analogues and prototype.

Claims

A method for manufacturing blades from sapphire, including cutting blanks from a sapphire plate, mechanical sharpening of the cutting edges of the blades and high-temperature annealing of the blades, characterized in that the thickness of the blanks is from 0.7 to 0.9 mm, mechanical sharpening of the cutting edges of the blades is carried out with a diamond tool in two stages with diamond grain sizes of 80/63 at the first stage and 40/28 at the second stage, the removal of the sapphire layer during machining of the blade edge is carried out with a depth of at least 2/3 of the blade thickness, high-temperature annealing of the blades is carried out in a vacuum furnace at the temperature of a resistive graphite heater above 1200°C.