PROCEDIMIENTO CONTINUO DE BIOMECANIZADO DE UNA PIEZA DE COBRE Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un nuevo procedimiento en continuo de mecanizado biologico o biomecanizado de una pieza de cobre, asi como a un sistema disenado para la puesta en practica de dicho procedimiento.
Antecedentes de la invencion
El cobre es hoy en dia un metal muy apreciado por ser un excelente conductor de electricidad (el segundo despues de la plata) , reciclable, facil de alear y antibacteriano. Dentro de los distintos tipos de cobre, se encuentra el cobre libre de oxigeno, OFC. De entre los usos del OFC resaltan los usos industriales y los usos en sistemas de audio. Para usos industriales, este cobre se valora mas por su pureza quimica que por su conductividad electrica. Proyectos actuales como el acelerador de iones del ESS-Bilbao (ESSB) , cuyos componentes funcionales son mayormente fabricados en cobre, son un ejemplo claro de la necesidad de controlar el mecanizado de cobre, de tal forma que se obtengan piezas y componentes sin dano termico ni estructural, asi como de procesos de elevada precision. Notese que en instalaciones de este tipo se requieren precisiones de 5 pm en longitudes superiores a los 10 m.
Uno de los procesos emergentes y que aun se encuentra en vias de ser implementado en la industria, es el mecanizado biologico o biomecanizado. El biomecanizado, ademas de ser mas ecologico que otros metodos de remocion de viruta, presenta ventajas como: menor consumo de energia, mayor eficiencia energetica, bajo coste, el no empleo de agentes nocivos y eliminacion de dano termico y/o mecanico a las piezas (Ting et al., 2000, Acta Biotechnology, 20-2, pp. 87-96; Kurosaki et al., 2003, JSME International Journal, Series C, 46-1, pp. 322-330; Istiyanto et al., 2012, Microelectronic Engineering 98, 561-565). Diversos estudios se han llevado a cabo hasta la fecha en torno a este tema a escala de laboratorio.
Un aspecto a considerar en la remocion del cobre es conocer el grado en el que la superficie expuesta queda afectada. El efecto desfavorable que el proceso de biomecanizado tiene en el acabado final de la pieza, ha sido estudiado por muchos autores. En todos los estudios, el estado final de la pieza se evaluaba bien mediante medicion de la rugosidad superficial o bien mediante microscopia electronica de barrido (SEM) (Lilova et al., 2007, Biological oxidation of metallic copper by Acidithiobacillus Ferrooxidans. Biotechnology and Bioengineering, 97-2, pp. 308-316; Saragih y Jo Ko, 2013 Development of digital lithography masking method with focusing mechanism for fabrication of micro-feature on biomachining process. Journal of Mechanical Science and Technology, 27-10, pp. 3017-3022).
Con el tiempo, los estudios de este proceso se han orientado hacia su mejora y optimizacion, siendo uno de los principales objetivos buscados en el biomecanizado, el control de la tasa de remocion. Debido a su importancia y a la necesidad de su optimizacion, este parametro ha sido ampliamente estudiado, o en su defecto sus semejantes (eliminacion de masa y profundidad de mecanizado). La primera publicacion que dio a conocer la evolucion de la tasa de remocion con el tiempo fue la presentada por Johnson et al. en 2007 (Johnson et al., 2007, Surface Roughness and material removal rate in machining using microorganisms. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 123, pp. 223-227). Demostraron que dicha tasa decrecia con el tiempo, tras alcanzar un valor maximo en una primera estancia, indicando que dicha disminucion podria estar ligada a la falta de oxigeno. Otros autores tambien llegaron a la misma conclusion (Istiyanto et al., 2012 Microelectronic Engineering 98, 561-565; Jadhav et al., 2013, Innovative use of biologically produced ferric sulphate for machining of copper metal and study of specific metal removal rate and roughness during the process. Journal of Materials Processing Technology, 213, pp. 1509-1515) , si bien las justificaciones de tal efecto diferian. Para algunos, la disminucion estaba ligada al decrecimiento del sulfato ferroso y a la aparicion del cobre divalente (Istiyanto et al., 2010, A study on copper micromachining using microorganisms. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 11-5, pp. 659-664) ; otros indicaban que podia deberse a un estres biologico (Chang et al., 2008, Metal removal rate of Thiobacillus Thiooxidans without pre-secreted metabolite. Journal of Materials Processing Technology, 201, pp. 560-564).
A pesar de la existencia de diversos estudios al respecto sigue existiendo la necesidad en el estado de la tecnica de proporcionar un procedimiento sencillo, mas respetuoso con el medio ambiente que los procesos ya consolidados, que permita la remocion de cobre en continuo, y que sea por tanto mas eficiente y sea escalable a nivel industrial.
Descripcion de las Figuras
Figura 1: representacion del histograma de remocion de cobre (mg/h) de una pieza de cobre frente al tiempo de biomecanizado (h) utilizando una sola disolucion oxidante, y regenerandola despues de cada 4 horas de uso, durante 8 horas.
Figura 2: representa un sistema para llevar a cabo el procedimiento de la invencion segun una realizacion
particular de la misma.
Figura 3: imagen SEM de pieza correctamente marcada con laser de 1000W de potencia, 5% ciclo de trabajo y 10 mms-1 de velocidad.
Figura 4: imagen de microscopio de la geometria biomecanizada segun el procedimiento del Ejemplo 2 Figura 5: Imagen SEM de superficie biomecanizada Descripcion de la invencion
En un primer aspecto la invencion se relaciona con un procedimiento de biomecanizado en continuo de una pieza de cobre que comprende las siguientes etapas:
(i) poner en contacto la pieza a biomecanizar con una primera disolucion oxidante que contiene iones de Fe (III) y bacterias Aoidithiobaoillus ferrooxidans (A. ferrooxidans) hasta que empieza a disminuir la tasa de remocion de cobre, momento en el que se retira la pieza de cobre de la primera disolucion, (ii) poner en contacto dicha pieza con una segunda disolucion oxidante que contiene iones de Fe (III) y bacterias A. ferrooxidans hasta que empieza a disminuir la tasa de remocion de cobre, momento en el que se retira la pieza de cobre de la segunda disolucion, (iii) poner en contacto dicha pieza con una tercera disolucion oxidante que contiene iones de Fe (III) y bacterias A. ferrooxidans hasta que empieza a disminuir la tasa de remocion de cobre, momento en el que se retira la pieza de cobre de la tercera disolucion, (iv) poner en contacto dicha pieza con una cuarta disolucion oxidante que contiene iones de Fe (III) y bacterias A. ferrooxidans hasta que empieza a disminuir la tasa de remocion de cobre, momento en el que se retira la pieza de cobre de la cuarta disolucion.
El procedimiento de la invencion se basa en una reaccion bien conocida de oxidacion del cobre (Cu0) de la pieza y de reduccion del ion ferrico (Fe3+) presente en la disolucion oxidante, generandose ion ferroso (Fe2+) e ion cuprico (Cu2+). El metabolismo de las bacterias A. ferrooxidans regenera el poder oxidante del ion ferrico de la disolucion, oxidando el ion ferroso (Fe2+) de nuevo a ferrico (Fe3+) que puede continuar oxidando mas cobre metal lo cual hace que se cierre el ciclo. Ahora bien, la velocidad de produccion de Fe+3 por la bacteria es menor que la velocidad de la ecuacion (2) por lo que al cabo de un tiempo la tasa de remocion de cobre empieza a disminuir progresivamente con el tiempo.
Las reacciones implicadas en la biomecanizacion son las siguientes:
2Fe2+ + 1/2O2 + 2H+ ^ 2Fe3+ + H2O (1)
Cu0 + 2Fe3+ ^ Cu2+ + 2Fe2+ (2)
Las etapas (i) a (iv) de biomecanizado de la pieza segun el procedimiento de la invencion se llevan a cabo hasta que empieza a disminuir la tasa de remocion de cobre. La expresion tal como se utiliza en esta invencion "hasta que empieza a disminuir la tasa de remocion" significa que la tasa de remocion de cobre disminuye respecto al maximo alcanzado, por ejemplo entre un 1% y un 40%, por ejemplo un 5%, o un 10%, o un 15%, o un 20% o un 25%, o un 30, o un 35%. El tiempo que tarda la tasa de remocion en empezar a disminuir a partir del maximo alcanzado es variable y depende de factores tales como el tamano de la pieza y de la superficie a biomecanizar, la concentracion de bacterias presente en la disolucion, la concentracion de ion ferrico de partida en la disolucion, la temperatura a la que se lleva el procedimiento, entre otros. La duracion en cada caso particular puede determinarla el experto en la materia sin necesidad de esfuerzo inventivo alguno.
Que el procedimiento de la invencion sea continuo se refiere a que el biomecanizado tiene lugar sin pausas, sin tiempos muertos que tan perjudiciales son a nivel industrial. Se refiere mas concretamente a que la tasa de remocion de cobre se mantiene estable en el tiempo dentro de unos margenes maximos y minimos. En otras palabras por "estable" debe entenderse en el contexto de la presente invencion que la tasa de remocion de cobre cuando se representa frente al tiempo se asemeja a una funcion sinusoide con maximos y minimos; es decir, que despues de alcanzarse un maximo en la tasa de remocion, (100%) esta disminuye, pero vuelve a alcanzar de nuevo el mismo maximo de tasa de remocion en la siguiente etapa, y asi sucesivamente.
La disminucion en la tasa de remocion respecto al 100%, momento en el que se retira la pieza de una disolucion oxidante puede ser la que determine el experto en la materia en cada realizacion particular.
Dadas las caracteristicas del proceso de biomecanizado basado en las reacciones comentadas, el procedimiento continuo de la invencion comprende al menos las 4 etapas senaladas, con al menos cuatro disoluciones oxidantes diferentes. Naturalmente el procedimiento de la invencion puede comprender mas etapas y el empleo de mas disoluciones, por ejemplo, 5, 6, 7, 8 o mas.
La continuidad del procedimiento de la invencion se consigue ya que las disoluciones oxidantes despues de haberse utilizado para biomecanizar se regeneran. Dicho de otro modo, el procedimiento de la invencion comprende ademas la regeneracion de las cuatro disoluciones oxidantes despues de que se retire la pieza de cada una de ellas.
Mas concretamente, despues de que la pieza haya estado en contacto con la primera disolucion oxidante, se retira, se pone en contacto con una segunda disolucion oxidante, y mientras tiene lugar el biomecanizado en la segunda disolucion, la primera disolucion oxidante se regenera (parcialmente).
En la segunda disolucion oxidante se reanuda la remocion de cobre sin que haya habido pausa entre la remocion en la primera y la segunda disolucion. La pieza permanece entonces en esta segunda disolucion oxidante hasta que empieza a disminuir la tasa de remocion. En ese momento, la pieza se retira de la segunda disolucion oxidante, y se pone en contacto con una tercera disolucion oxidante.
En esta tercera disolucion se reanuda la remocion de cobre sin que haya habido pausa entre la remocion en la segunda disolucion y la tercera disolucion, y mientras la pieza permanece en la tercera disolucion (hasta que empieza a disminuir la tasa de remocion) , continua la regeneracion de la primera disolucion, y se empieza a regenerar (parcialmente) la segunda disolucion.
Por ultimo, cuando empieza a disminuir la tasa de remocion en la tercera disolucion oxidante, se retira la pieza y se pone en contacto con la cuarta disolucion oxidante de forma que sin pausa continua la remocion de cobre. Mientras la pieza se encuentra en contacto con la cuarta disolucion oxidante, empieza la regeneracion de la tercera disolucion (parcialmente) , continua la regeneracion de la segunda disolucion (parcialmente) y concluye la regeneracion de la primera disolucion oxidante, pudiendose a continuacion, volver a utilizar la primera disolucion oxidante de nuevo y repetir las 4 etapas del procedimiento continuo de la invencion recien explicadas.
Despues de que cada disolucion oxidante haya sido empleada en la remocion de cobre tiene lugar la regeneracion de la misma, en el sentido de que se recupera la concentracion de Fe3+ presente por la accion de la bacteria A. Ferrooxidans. El porcentaje de regeneracion de la concentracion puede variar en funcion de diversos factores tales como por ejemplo el tiempo. Ademas el experto en la materia puede determinarlos en cada realizacion particular al igual que puede variar el numero de etapas y el numero de disoluciones oxidantes empleadas. Al respecto el procedimiento de la presente invencion cubre todas las alternativas obvias posibles.
En este sentido en una realizacion particular las disoluciones pueden regenerarse durante el tiempo necesario hasta que la concentracion de ion ferrico vuelva a ser la que tenia al inicio de la remocion. La regeneracion no obstante puede no ser del 100% y tener lugar hasta que se recupera menos del 100% de la concentracion inicial, por ejemplo el 90%, el 80%, el 70%, el 60%, o el 50%. El experto en la materia puede determinar facilmente estos porcentajes de recuperacion y tenerlos en cuenta para el calculo de los parametros del procedimiento en su conjunto. Por ejemplo, obviamente, si la regeneracion de una disolucion no es del 100% y se vuelve a utilizar en una etapa de remocion, el tiempo necesario para que disminuya la tasa de remocion y sea oportuno cambiar la pieza a otra disolucion oxidante sera menor.
En cuanto al tiempo de regeneracion de cada disolucion oxidante, el experto puede reconocer facilmente que este depende altamente de factores como la concentracion de Fe3+ de la disolucion oxidante en cada caso, de la concentracion de bacterias de trabajo, que transforman el ion ferroso en ferrico, asi como del tiempo de biomecanizado que ha precedido a dicha etapa de regeneracion. Cuanto mayor sea la cantidad de ion ferroso que se forma durante la remocion, mayor sera el tiempo necesario para regenerar el ion ferrico. Cuanto mayor sea la cantidad de bacterias, menor sera el tiempo necesario para regenerar una determinada cantidad de ion ferrico. A pesar de que por tanto el tiempo puede variar entre amplios margenes, tiempos tipicos de regeneracion de una disolucion oxidante a nivel industrial, son por ejemplo, 4 horas, 5 horas, 6 horas, 7 horas u 8 horas de duracion. Sin embargo, no se debe olvidar que este valor es altamente dependiente de las condiciones de proceso, y que es necesario adecuarlo a cada caso particular.
El procedimiento de la invencion puede llevarse a cabo por tanto con 4, 5, 6, 7 u 8 o mas disoluciones oxidantes que pueden ir utilizandose de forma sucesiva para biomecanizar una pieza mientras el resto de disoluciones que ya se utilizaron se van regenerando.
De acuerdo con una realizacion particular del procedimiento de la invencion, este comprende la utilizacion de 4 disoluciones que se utilizan al menos una vez cada una para remocion de cobre de una pieza.
De acuerdo con una realizacion particular del procedimiento de la invencion, este comprende la utilizacion de 5 disoluciones que se utilizan al menos una vez cada una para remocion de cobre de una pieza.
De acuerdo con una realizacion particular del procedimiento de la invencion, este comprende la utilizacion de 6 disoluciones que se utilizan al menos una vez cada una para remocion de cobre de una pieza.
De acuerdo con una realizacion particular del procedimiento de la invencion, este comprende la utilizacion de 7
disoluciones que se utilizan al menos una vez cada una para remocion de cobre de una pieza.
De acuerdo con una realizacion particular del procedimiento de la invencion, este comprende la utilizacion de 8 disoluciones que se utilizan al menos una vez cada una para remocion de cobre de una pieza. De acuerdo con una realizacion particular del procedimiento de la invencion, este comprende la utilizacion de 9 disoluciones que se utilizan al menos una vez cada una para remocion de cobre de una pieza.
De acuerdo con una realizacion particular del procedimiento de la invencion, este comprende la utilizacion de 10 disoluciones que se utilizan al menos una vez cada una para remocion de cobre de una pieza.
El procedimiento de la invencion puede comprender la utilizacion de cada disolucion oxidante una o mas veces, por ejemplo 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, o 10, o mas, segun necesidad en cada caso particular.
Asimismo el procedimiento de la invencion puede llevarse a cabo con una pieza o con mas piezas de cobre, que pueden someterse a su vez de manera simultanea al procedimiento de la invencion o consecutiva, una despues de otra.
Las disoluciones oxidantes de partida utilizadas pueden ser iguales o diferentes en cuando a sus diferentes parametros, tales como concentraciones de ion ferrico, cantidad de bacterias, etc.. Los intervalos de tiempo de contacto de remocion con cada disolucion en cada etapa pueden ser diferentes entre si, en el caso de cada disolucion y en cada ocasion que se utiliza la disolucion en cuestion.
Las disoluciones oxidantes comprenden un medio que permite el crecimiento y desarrollo de las bacterias. En principio puede utilizarse cualquier medio convencional que contenga los elementos y nutrientes necesarios. En una realizacion particular este medio es comunmente conocido como medio 9K (Silverman y Lundgren, 1959).
La concentracion de bacterias A.ferrooxidans en cada disolucion oxidante puede variar entre amplios margenes. No obstante en una realizacion particular la concentracion de bacterias A.ferrooxidans es igual o superior a 106 UFC/mL, por ejemplo, una concentracion comprendida entre 107-108 UFC/mL. (UFC/mL: unidades formadoras de colonias por mL)
La realizacion al menos de las etapas (i) a (iv) como se ha explicado arriba es evidente que permite llevar a cabo la remocion de cobre de una o varias piezas de forma continuada en el tiempo lo cual constituye una de las principales ventajas del procedimiento de la invencion.
Tal y como se ha mencionado anteriormente los intervalos de tiempo de contacto pueden variar dentro de amplios margenes dependiendo de diversos factores y de lo que determine el experto para cada caso particular.
En una realizacion particular la remocion de cobre tiene lugar aproximadamente durante 1, 5h-2h, puesto que durante ese periodo ocurre la mayor tasa de remocion de cobre (maxima cantidad de material eliminado por unidad de tiempo) , y transcurrido este tiempo empieza a disminuir la tasa de remocion. En este sentido mantener la pieza introducida en el mismo medio por mas tiempo a partir del momento en que empieza a disminuir la tasa de remocion no suele resultar ni muy adecuado ni muy optimo a efectos de eficacia de proceso (mg/h). Sin embargo, es evidente que el procedimiento de la invencion comprende tambien estas realizaciones particulares que no son las optimas. En este sentido y de acuerdo con una realizacion particular del procedimiento, la pieza se mantiene en contacto con la disolucion oxidante mas del tiempo antes indicado, por ejemplo mas de 2 h, y hasta 3h, o hasta 4h o 5h consecutivas.
La concentracion del ion ferrico (agente oxidante) en la disolucion oxidante puede variar dentro de amplios limites. A priori para un intervalo de tiempo dado, y unas condiciones de procedimiento iguales (misma concentracion de bacterias, misma temperatura, etc.) con disoluciones de mayor concentracion del agente oxidante Fe3+, se obtienen mayores remociones de cobre y por tanto se reduce una mayor cantidad de Fe3+ para un mismo intervalo de tiempo. Esto hace que en el periodo de regeneracion se tenga que oxidar una mayor cantidad de Fe2+ para poder alcanzar las concentraciones iniciales de Fe3+ que se tenian al inicio de la etapa de biomecanizado y el tiempo de regeneracion sea mayor.
En la Figura 1 se representa el resultado experimental de un ensayo de remocion de cobre de una pieza que muestra el comportamiento ciclico del procedimiento de la invencion, esto es, de las etapas de biomecanizado- regeneracion. El ensayo incluyo 3 etapas sucesivas, cada una de 4 horas de biomecanizado en una disolucion oxidante, y dos etapas de regeneracion de 8 horas cada una despues de cada etapa de biomecanizado. La primera etapa del ensayo comienza introduciendo una probeta de cobre en una disolucion oxidante, bajo condiciones de agitacion, y fue analizandose la perdida de peso de la probeta cada hora, de manera que se determino la perdida de peso frente al tiempo y se obtuvo el valor de la tasa de remocion (mg Cuh-1). Como se puede observar, en esta primera etapa, la tasa de remocion alcanza un valor maximo en la segunda hora de biomecanizado, descendiendo hasta en un 30% tras la cuarta hora de biomecanizado. La pieza es extraida del medio, dejando que la disolucion se regenere durante 8 horas bajo condiciones de agitacion. Tras este periodo, se comienza la segunda etapa de biomecanizado, introduciendo de nuevo la pieza en la disolucion regenerada. Al igual que en la primera etapa, se alcanza un maximo en la tasa de remocion en la segunda hora de valor semejante al maximo alcanzado en la primera etapa. De nuevo, tras el maximo, disminuye la tasa de remocion. A
las 4 horas se extrae de nuevo la probeta y se comienza con una segunda etapa de regeneracion de 8 horas. Introducida de nuevo la pieza, se observa que el comportamiento de la disolucion es semejante al de las dos etapas anteriores.
Otro aspecto a tener en cuenta por el experto en la materia es que evidentemente conforme se lleva a cabo el biomecanizado de una pieza, el pH de la disolucion oxidante aumenta; el cobre eliminado de la pieza pasa a disolucion, con lo que se incrementa la concentracion de Cu2+, disminuyendo simultaneamente la concentracion de Fe3+, e incrementandose la concentracion de Fe+2 Durante este proceso, el contenido de nutrientes en el medio se puede ver alterado por el consumo de los mismos por parte de los microorganismos que realizan la transformacion. En este sentido y de acuerdo con una realizacion particular del procedimiento de la invencion en continuo, este comprende el control de la presencia de elementos nutrientes en las disoluciones, y las adiciones necesarias en cada caso de los mismos para su reposicion. Tipicamente resulta conveniente la adicion de nutrientes tras algunos ciclos de remocion, para que las disoluciones presenten concentraciones de los mismos que garanticen los requerimientos metabolicos de las bacterias presentes.
Segun una realizacion preferente del procedimiento de la invencion, las etapas de remocion se realizan bajo agitacion lo cual favorece dicho proceso de remocion de cobre que resulta mas uniforme sobre la superficie expuesta a la disolucion oxidante. La agitacion puede conseguirse mediante cualquier medio convencional de agitacion y la velocidad de agitacion varia entre amplios margenes dependiendo de factores como el tamano del recinto de tratamiento y del volumen de disolucion oxidante, de la temperatura del procedimiento, etc., En una realizacion particular las condiciones de agitacion son entre 110 y 170 rpm, mas particularmente entre 120 y 160 rpm, preferiblemente entre 130 y 150 rpm. Ejemplos de condiciones de agitacion son 135 rpm, 140 rpm y 145 rpm. En otra realizacion particular del procedimiento de la invencion, las etapas se realizan sin agitacion siendo la tasa de remocion de cobre mas baja y no homogenea.
El procedimiento de la invencion se puede llevar a cabo a temperaturas a las que las bacterias se desarrollan. En una realizacion particular el procedimiento de la invencion se lleva a cabo a temperaturas comprendidas entre 30 y 35 2C, por ejemplo 31 °C, 32 °C, 33 °C, o 34 °C.
El procedimiento de la invencion tambien comprende que la pieza sean varias piezas que se biomecanizan a la vez si se desea utilizando simultaneamente mas de un recinto, para colocar por ejemplo cada una en un recinto diferente.
El procedimiento de biomecanizado puede hacerse con piezas de cobre de cualquier forma y dimensiones; preferentemente cobre libre de oxigeno de pureza (OFC del 99, 99%). Ademas puede llevarse a cabo sobre una o mas superficies de la pieza, o sobre un area o areas determinadas de una o mas superficies de la pieza. En una realizacion particular la pieza a biomecanizar puede presentar una o mas zonas cubiertas de un material protector convencional, de forma que la remocion de cobre sea solo de aquellas zonas expuestas a la disolucion oxidante y no de las zonas protegidas.
En este caso el procedimiento de biomecanizado de la invencion comprende ademas las siguientes etapas adicionales para proteccion y desproteccion de parte de la superficie de la pieza:
- cubrir la superficie que se va a biomecanizar con un material protector;
- exfoliar el area que se desea biomecanizar dejando el resto de la superficie cubierto con el material protector, - llevar a cabo las etapas anteriores (i) a (iv) , y
- retirar el resto del material protector de la superficie.
Los materiales protectores son materiales convencionales y bien conocidos por el experto en la materia. Ejemplo de materiales protectores son las resinas, que son de facil aplicacion y curado. En una realizacion particular se emplea una resina foto-resistente de curado por luz ultravioleta, del mismo tipo empleado en la realizacion de circuitos en placas de cobre.
Para exfoliar de forma controlada el area que se desea posteriormente biomecanizar se pueden emplear diversos metodos convencionales. Ejemplos de dichos metodos, son el metodo tradicional de impresiones de circuitos integrados o el metodo mediante haz laser. Asi en una realizacion particular se utiliza un laser de baja potencia con trayectoria controlada por espejos galvanometricos. La forma de la superficie a exfoliar se dibuja previamente en un software de dibujo 2D, desde el cual se genera el programa de control del sistema de derivacion del haz laser. El haz laser se debe regular de tal forma que se volatilice la resina pero sin afectar metalurgicamente la superficie de cobre que queda expuesta al aire tras el paso del haz laser.
Asi pues, es importante optimizar las condiciones de trabajo, ya que en caso contrario, bien puede quedar la superficie de la pieza afectada termicamente, pudiendo afectar a las propiedades del material, o bien, la resina puede no eliminarse correctamente, impidiendo que el biomecanizado ocurra.
De acuerdo con esta realizacion particular del procedimiento de la invencion se pueden realizar marcados sobre la superficie de una pieza sea cual sea la geometna deseada, pudiendose así biomecanizar piezas con diferente funcionalidad.
En otro aspecto la invencion se relaciona con un sistema adecuado para la puesta en practica del procedimiento de la invencion.
El sistema de la invencion comprende los siguientes elementos: - al menos cuatro recintos de tratamiento que comprenden cada uno una disolucion oxidante respectivamente, donde tiene lugar la etapa de remocion de cobre; una tapa de los recintos de tratamiento provista de un actuador que permite que la tapa gire y se desplace de arriba abajo, para tapar y destapar los recintos de tratamiento; dicha tapa se encuentra provista ademas de otro actuador situado en la parte inferior de la tapa, que sirve de soporte de fijacion de la pieza que va a ser biomecanizada a dicha tapa; un recubrimiento adiabatico de los recintos de tratamiento; y medios convencionales para regular la temperatura.
De acuerdo con una realizacion particular el sistema de la invencion comprende en cada recinto de tratamiento medios de agitacion, cuyo funcionamiento como se ha explicado anteriormente consigue favorecer el proceso de remocion y tasas de remocion que confieren a la pieza un acabado uniforme. La capacidad de cada recinto dependera del tamano de las piezas que se quieran biomecanizar, pudiendo comprender volumenes desde mililitros a litros. Su forma puede adaptarse tambien, y presentar por ejemplo tanto una forma cilmdrica, como una cuadrada, etc.. Cada recinto ademas esta provisto de medios que permitan la entrada al recinto de tratamiento de oxígeno necesario para el metabolismo de las bacterias A. ferrooxidans
De acuerdo con otra realizacion particular del sistema de la invencion, este comprende 4 recintos de tratamiento que contienen disoluciones oxidantes para la remocion de cobre. En otra realizacion particular del sistema de la invencion, este comprende 5 recintos de tratamiento. En otra realizacion particular el sistema de la invencion, comprende 6 recintos de tratamiento. En otra realizacion particular el sistema de la invencion comprende 7 recintos de tratamiento. En otra realizacion particular el sistema de la invencion comprende 8 recintos de tratamiento. En aun otra realizacion particular el sistema de la invencion comprende 9, 10, 11, 12 o mas recintos. En principio no hay un límite de recintos.
El sistema puede estar ademas provisto de una valvula de vaciado de cada recinto de tratamiento. Ademas el sistema puede comprender medios adecuados para su automatizacion y programacion. Asimismo segun otra realizacion particular el sistema puede presentar uno o mas recintos para el lavado convencional de las piezas.
La Figura 2 muestra una representacion esquematica de un sistema segun una realizacion particular de la invencion. El sistema comprende ocho recintos de tratamiento 5, provistos cada uno de medios de agitacion 7, una tapa de los recintos 3 provista de un actuador 4 que permite que la tapa gire y se mueva arriba y abajo tapando y destapando los recintos de tratamiento 5; un actuador 2 situado en la parte inferior de la tapa 3 que sirve de soporte y fija la pieza que se biomecaniza 1. Ademas el sistema comprende un termostato regulador de temperatura 9, un recubrimiento adiabatico 6, y valvulas 8 para extraer la disolucion del recinto de tratamiento.
La pieza a tratar puede haber sido previamente cubierta parcialmente como se ha explicado arriba con un material protector. La pieza sin cubrir o cubierta parcialmente se une al soporte 2 del sistema y en una primera etapa el actuador 4 baja la tapa 3 y pone en contacto la pieza 1 con la primera disolucion oxidante en un primer recinto de tratamiento.
Al cabo de un tiempo como ya se ha explicado arriba, el actuador 4 eleva la tapa y la pieza, la extrae de dicho recinto, gira, y de nuevo desciende poniendo en contacto la pieza 1 con una segunda disolucion oxidante situada en un segundo recinto de tratamiento.
A continuacion se exponen ejemplos ilustrativos de la invencion que en ningun caso deben interpretarse como limitantes del ambito de proteccion de la invencion.
Ejemplos
La determinacion por vfa microscopica ha sido llevada a cabo mediante microscopio optico OptipHot 100 Max aumento 1000x.
Las imagenes de microscopfa electronica de barrido (SEM) fueron realizadas con un equipo Hitachi S-3400 N. Ejemplo 1: Preparacion del medio de cultivo y crecimiento de microorganismos
Para el biomecanizado se utilizo un medio lfquido adecuado convencional denominado medio 9K (Silverman and Lundgren, 1959). Este medio es una disolucion acuosa de varias sales inorganicas que incluyen al sulfato ferroso como fuente del cation Fe2+ ajustada a un pH de alrededor de 2 con acido sulfurico Sus componentes son: 3.0g (NH4) 2SO4, 0.1g KCl, 0.5g K2HPO4, 0.5g MgSO4.7H2O, 700 ml de agua y H2SO4
hasta ajuste de pH estipulado.
Una vez preparado el medio, el siguiente paso fue crecer el cultivo de A. ferrooxidans. Para ello, en un erlenmeyer con 150 mL de medio 9K, se le anadieron 2 mL del inoculo de A. ferrooxidans. La disolucion se mantuvo incubando durante 48 horas con agitacion (130 rpm) , a una temperatura de unos 31 oC favoreciendo el desarrollo de las bacterias. Al finalizar el tratamiento la mayor parte del Fe2+ habia sido oxidado a Fe3+ (5 g/L) , lo cual constato que el desarrollo de las bacterias habia sido satisfactorio.
Un indicador cualitativo de que las bacterias habian crecido adecuadamente fue el color rojizo del medio debido a la presencia de Fe3+ en la disolucion, considerando a partir de 106 UFC/mL la concentracion de bacterias.
Ejemplo: Remocion de cobre de forma controlada en una determinada area superficial de una pieza.
Se partio de una probeta de cobre libre de oxigeno (OFC) pulida y habiendose eliminado toda clase de suciedad de forma convencional. La probeta se rocio con resina fotoresistente (Resina electrolube positive Photoresist Ref: PRP200) ) hasta conseguir una capa uniforme sobre todas sus superficies. Estando de cada vez la superficie correspondiente colocada horizontalmente, el revestimiento de resina sobre dicha superficie se aplico en luz atenuada y un angulo de 30-45° pulverizando a una distancia de 20 cm. A continuacion se procedio al secado de la resina, precalentando un horno a 50 oC y dejando en el mismo la pieza durante 20 minutos.
El marcado de la geometria que se deseaba imprimir sobre una de las superficies se realizo mediante haz laser. Asi pues, secada la resina, la pieza se traslado a una maquina laser e insertados los parametros del haz se procedio a su marcado. Las condiciones de grabado mediante laser fueron elegidas tras realizar una bateria de ensayos a diferentes condiciones y posterior observacion al microscopio de la efectividad de la remocion de la resina.
Las condiciones ensayadas fueron: variacion de potencia entre 250W-1000W, ciclo de trabajo entre 5%-100% y velocidad entre 10 mms-1-50 mms-1. Algunas de las condiciones ensayadas, resultaron no ser validas, bien porque no habian eliminado la capa de resina completamente y por tanto el proceso de biomecanizado no se dio de manera correcta o bien porque la superficie quedaba afectada termicamente.
Las condiciones finalmente seleccionadas fueron: 1000W de potencia, 5% de ciclo de trabajo y 10 mms-1 de velocidad con las que se consiguio que la eliminacion del material fuera optima, y sin afectacion superficial (ver Figura 3 que muestra la imagen SEM de la pieza resultante)
A continuacion, se dio comienzo a la etapa de biomecanizado, introduciendo la probeta en un vaso de precipitados de 250 mL que contenia 50 mL de la disolucion oxidante preparada en el ejemplo 1. Manteniendo unas condiciones de agitacion de 130 rpm y una temperatura de 31°C, se realizo la remocion de cobre durante 1 hora. Transcurrido dicho tiempo, se extrajo la probeta del medio y la resina que cubria el resto de las superficies de la pieza no biomecanizadas se elimino con acetona.
Finalmente, se examino la geometria obtenida con microscopio (Figura 3) y por microscopia electronica de barrido (SEM) la superficie biomecanizada (Figura 4). En la figura 4 se puede observar la correcta manera en la que la eliminacion de material se ha realizado siguiendo el patron geometrico marcado previamente con el haz laser, demostrando que el biomecanizado puede hacerse segun la geometria que se desee en cada caso.
Ejemplo 3: Empleo de un reactor y procedimiento de la invencion en continuo
El procedimiento comenzo por preparar un medio de cultivo 9K y hacer crecer el cultivo de A. ferrooxidans (segun el Ejemplo 1) e introduciendo 150 mL de la disolucion oxidante resultante en cada uno de los recintos de tratamiento.
A continuacion tuvo lugar la primera etapa de biomecanizado amarrando la pieza de cobre en el actuador (2). Se introdujo la misma en el primer recinto bajo condiciones de agitacion de 130 rpm (7) y temperatura de 31 °C (9) durante aproximadamente 2h. Transcurrido ese tiempo, el actuador (4) movio el carrusel (3) hasta llevar a la pieza al segundo recinto, donde de nuevo fue introducida para proseguir con el biomecanizado. Mientras la pieza se biomecanizaba en el segundo recinto, la disolucion del primer recinto comenzo su etapa de regeneracion mantienendo las mismas condiciones de agitacion y temperatura que en el resto de recintos.
Finalizado el biomecanizado en el segundo recinto, la pieza fue de nuevo transportada al siguiente y tercer recinto. Durante el tiempo de biomecanizado en este tercer recinto las disoluciones tanto del primer recinto como del segundo se regeneraban.
Y asi sucesivamente la pieza fue avanzando en el carrusel, por los distintos recintos, dejando atras disoluciones en fase de regeneracion. De esta manera, cuando la pieza volvio a llegar al primer recinto, este ya contenia la disolucion regenerada, por lo que se encontraba en lugar de volver a comenzar todo el procedimiento de biomecanizado reinciando las etapas expuestas.
El sistema de la presente invencion, permite por tanto operar en continuo, eliminando los tiempos muertos que
resultana de otro modo, y que resultan improductivos en la industria.
La invencion no esta limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca tambien, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia dentro de lo que se desprende de las 5 reivindicaciones.
