ROZWÓJ CIĘCIA STRUNĄ POCZĄTKI I STAN AKTUALNY NA ŚWIECIE CZ. II

Transkrypt

1 06 MECHANIK NR 9/204 ROZWÓJ CIĘCIA STRUNĄ POCZĄTKI I STAN AKTUALNY NA ŚWIECIE CZ. II Development of wire cutting - beginnings and current state in the world part II BOŻENA CIAŁKOWSKA MAGDALENA WIŚNIEWSKA* W artykule przedstawiono ciąg dalszy rozważań dotyczących historii rozwoju przecinania strunowego. Opisano technologie wytwarzania narzędzi strunowych zbrojonych trwale w ziarno ścierne oraz obszary ich zastosowania. Zaprezentowano szczególne grupy przecinarek strunowych ze względu na rozwiązania kinematyczne uwzględniające spektrum ich możliwości. Opisano także najnowsze osiągnięcia w dziedzinie przecinania strunowego. SŁOWA KLUCZOWE: cięcie strunowe, geneza metody, kierunki rozwoju The paper presents the continuation of considerations about history of wire cutting. The manufacturing methods of abrasive wire tools and areas of applications were described. Special groups of wire cutting machines were presented taking into account kinematic solutions and spectrum of their possibilities. The latest achievement in the field of wire cutting were also described. KEYWORDS: wire cutting, method genesis, development directions. Wprowadzenie Od pojawienia się pomysłu zastosowania cienkiego drutu do przecinania twardych i kruchych materiałów minęło niemal 50 lat, a metoda przeszła już długą ewolucję. Wraz z postępem technicznym pojawiały się nowe technologie wytwarzania narzędzi strunowych oraz nowe rozwiązania układów kinematycznych maszyn. Skonstrunowanie, w 954, pierwszego, krzemowego tranzystora [4,5] przyczyniło się do opracowania i doskonalenia metod kształtowania i obróbki mechanicznej krystalicznych materiałów trudnoobrabialnych. Wśród takich metod niemal * Dr hab. Inż. Bożena Ciałkowska prof. PWr (bozena.cialkowska@pwr.wroc.pl), mgr inż. Magdalena Wiśniewska (m.wisniewska@pwr.wroc.pl) bezkonkurencyjną nadal pozostaje przecinanie strunowe. 2. Przecinanie strunowe narzędzia zbrojone trwale Stale rosnące zapotrzebowanie na różnego rodzaju płytki podłożowe oraz elementy optyczne z trudnoobrabialnych materiałów krystalicznych stanowi silny mechanizm napędowy dla badań nad rozwojem technologii związanych z ich obróbką. Narzędzia strunowe są stosowane przemysłowo do cięcia monokryształów od około 964 roku [9]. Na ten rok przypada również opublikowanie pierwszego patentu dotyczącego budowy struny zbrojonej trwale []. Od tego czasu pojawiło się wiele rozwiązań technologicznych nanoszenia ziaren ściernych na powierzchnię rdzenia struny. Pomimo setek patentów, zagadnienie to jest wciąż rozwijane ze względu na rosnące zainteresowanie możliwością przecinania monokryształów struną zbrojoną trwale. W roku 203 metoda ta stanowiła zaledwie 5% rynku, a w 204 już % [7]. Wśród technologii wytwarzania narzędzi strunowych zbrojonych trwale, dominują trzy metody osadzania ziaren ściernych na powierzchni strun: galwaniczne nakładanie ziaren w procesie elektrolizy, wiązanie ziaren spoiwami żywicznymi oraz mechaniczne wgniatanie w rdzeń struny. Na bazie tych trzech metod powstało wiele oryginalnych rozwiązań zmierzających do wytworzenia idealnego narzędzia strunowego zbrojonego trwale. Najpopularniejszą metodą otrzymywania tego typu narzędzi wciąż pozostaje galwaniczne nakładanie ziaren w procesie elektrolizy. Jednak ze względu na duży koszt procesu ( $/km [7]) oraz stosunkowo małą żywotność narzędzi główne zainteresowanie jest aktualnie zwrócone w kierunku badań nad osnowami żywicznymi. Zastosowanie znajdują tu żywice światłoutwardzalne oraz termoutwardzalne np.: żywica fenolowa stosowana także jako spoiwo w ściernicach [0]. Ciekawym przykładem jest rozwiązanie zaproponowane przez Japończyków, którzy z dużym sukcesem stosują tego typu narzędzia przemysłowo.

2 MECHANIK NR 9/ Na rysunku przedstawiono przekrój takiego właśnie narzędzia, o ciekawej strukturze, na którą składają się dwie warstwy osnowy pośrednia (2a) oraz właściwa (2b). Warstwa pośrednia ma zabezpieczać przed oddzielaniem osnowy właściwej od rdzenia narzędzia. Na granicy warstw znajdują się dodatkowe wzmocnienia (3) w postaci włókien metalowych, mające zwiększyć wytrzymałość mechaniczną oraz odporność temperaturową narzędzia. Ziarno ścierne może stanowić diament syntetyczny, węglik krzemu lub regularny azotek boru a Rys.. Przekrój struny zbrojonej trwale z osnową żywiczną [0] Innym oryginalnym rozwiązaniem jest wiązanie ziaren ściernych jednocześnie przez metal oraz powłokę żywiczną na rdzeniu struny. Kilka rozwiązań tego typu zaproponowali Belgowie [0]. Na rysunku 2a widoczne jest rozwiązanie, gdzie struna (2) jest najpierw poddawana inkrustacji ziarnami ściernymi () (ziarna ścierne mogą być również wgniatane w powierzchnię rdzenia) a następnie pokrywana spoiwem organicznym (3) w postaci termoutwardzalnego kompozytu polimerowego []. Podobne rozwiązanie przedstawiono na rys. 2b, z tą różnicą, że ziarno jest osadzane na rdzeniu w osnowie np.: niklowej, cynkowej, miedzianej lub aluminiowej (3a), a następnie pokrywane warstwą żywicy fenolowej (3b). Ziarna ścierne zalegają na /3 wysokości w warstwie osnowy metalowej. a) b) 2b Rys. 3. Widok topografii czynnej powierzchni struny zbrojonej trwale na osnowie żywicznej [4] Najnowsze badania, dotyczące technologii wytwarzania strun zbrojonych trwale podążają w bardzo ciekawym kierunku i dotyczą możliwości zastosowania nanorurek węglowych na rdzeń narzędzia. Ultra cienkie i bardzo stabilne włókna z nanorurek węglowych pokrytych diamentem pozwoliłyby uzyskać bardzo małą szczelinę cięcia zmniejszając tym ilość mikrowiórów [8]. Struny obecnie stosowane do przecinania monokryształów krzemu na płytki podłożowe mają średnicę µm [2,4]. Zmniejszanie średnic strun jest ograniczone wytrzymałością tych narzędzi. Jednak rosnące wymagania przemysłu elektronicznego zmierzają w kierunku, kiedy szerokość szczeliny cięcia będzie większa od szerokości uzyskiwanych w procesie cięcia płytek podłożowych. Nanorurki węglowe są to struktury mające postać walców, których ścianki zbudowane są ze zwiniętego grafenu [3,6] a ich średnica może wynosić od 0,00 do 0, µm. Wykazują ogromną wytrzymałość na rozciąganie (63-50 GPa [3,6]) 00 razy większą od stali. Prowadzone badania zakładają łączenie nanorurek we włókna (,2), które następnie skręcane byłyby w formę wiązek (rys.4). 3a 20µm 2 Rys. 4. Idea łączenia włókien nanorurek węglowych w wiązki [] b Rys. 2. Przekrój strun zbrojonych trwale na osnowie metaliczno - żywicznej [] Jak już wcześniej wspomniano narzędzia strunowe zbrojone trwale na osnowie żywicznej stosowane są powszechnie m.in. w Japonii. Osiągają długość nawet ponad 00 km i średnicę około 45 µm, a wielkość stosowanego ziarna diamentu syntetycznego to 0-20 µm [4]. Obszar zastosowań to cięcie materiałów takich jak: szkło, ceramika, monokryształy, materiały magnetyczne (neodym, magnesy ferrytowe) oraz przede wszystkim uzyskiwanie płytek podłożowych z krzemu polikrystalicznego [4]. Zdjęcie takiego narzędzia, produkcji Japońskiej firmy A.L.M.T. Corporation przedstawiono na rys.3. Taka wiązkowa nanostruna np.: z dwóch włókien połączonych nanorurek węglowych miałaby średnicę około 20 µm. Przy czym średnica uzależniona jest od ilości splecionych włókien. Rozwiązanie zakłada hodowanie ziaren diamentowych na nanorurkach. Średnica narzędzia i wielkość ziaren byłyby dobierane w zależności od potrzeb np.: dla struny o średnicy 50 µm wielkość ziaren diamentowych wyniosłaby 2-5 µm [2]. W praktyce hodowla ziaren diamentowych na nanorurkach jest niezwykle trudna. Wynika to z konieczności stworzenia ekstremalnych warunków, potrzebnych dla wzrostu kryształów, które powodują niszczenie nanorurek [8]. Prowadzone w kilku ośrodkach badawczych na świecie badania dają jednak coraz lepsze efekty. Pod koniec 203 roku badacze z Instytutu Fraunhofera we Freiburgu przeprowadzili pierwsze próby z zastosowaniem nowych narzędzi do cięcia płytek krzemowych. Na rys.5 przedstawiono zdjęcie nanostruny zbrojonej w mikroziarno diamentowe.

3 08 MECHANIK NR 9/204 w układzie przewijania między dwiema rolkami z ruchem oscylacyjnym. Maksymalny wymiar próbek to 40 x 40 mm [20]. Rys. 5. Zdjęcie nanostruny z włókien węglowych pokrytej mikroziarnami diamentowymi [8] 3. Przecinanie strunowe maszyny tworzone na miarę Przyglądając się historii przecinania strunowego nie można skupiać uwagi wyłącznie na narzędziach - stanowią one jedynie część systemu, którego drugim, integralnym składnikiem są maszyny. Wraz z postępem technologii wytwarzania narzędzi strunowych zmieniały się koncepcje układów kinematycznych przecinarek. Wiele przełomowych rozwiązań w tej dziedzinie stanowią patenty. I mimo, iż mogłoby się wydawać, że przeszło 40 lat stosowania tej metody nie daje już pola na innowacje, to co kilka lat na rynek trafiają nowe przecinarki strunowe. Mnogość rozwiązań konstrukcyjnych tych urządzeń wynika z wciąż rozrastającego się obszaru zastosowań metody. Bardzo mała szerokość cięcia oraz duża precyzja sprawiają, iż tego typu urządzenia sprawdzają się zarówno w zastosowaniach laboratoryjnych, jak również przemysłowych. Rys. 7. Widok laboratoryjnej przecinarki strunowej firmy Princeton Scientific Corporation [20] Znaczącą pozycję na rynku przecinarek strunowych dla zastosowań laboratoryjnych może poszczycić się również szwajcarska firma Well []. Producent ten posiada w swojej ofercie wiele opatentowanych rozwiązań ukierunkowanych na przecinanie szczególnych grup materiałów trudnoobrabialnych. Przecinarka 5237 (rys.8) zaprojektowana specjalnie do przecinania tlenku glinu oraz węglika krzemu pozwala na zastosowanie dużych sił naciągu struny. W rozwiązaniu tym zastosowano strunę w postaci pętli. Dużą grupę przecinarek stanowią te, przeznaczone do aplikacji w warunkach laboratoryjnych. Dobrym przykładem może być urządzenie szkockiej firmy Logitech przeznaczone do przecinania próbek różnorodnych twardych materiałów m.in.: minerałów do badań geologicznych, próbek kości, polimerów itp. [7]. Struna zbrojona trwale w postaci pętli o średnicy 250 µm, napięta między dwoma rolkami, doskonale nadaje się do cięcia np.: małych skał o wielkości 50 x 50 mm. Rys. 8. Przecinarka strunowa firmy Well model 5237 [9] Rys. 6. Przecinarka strunowa Logitech model 5 [7] Podobne urządzenie posiada w swojej ofercie amerykańska korporacja Princeton Scientific Corp. [20] będąca światowym dostawcą produktów skierowanych do naukowców. Firma zajmuje się wytwarzaniem materiałów inżynierskich oraz urządzeń do ich obróbki. Przecinarka strunowa WS 22 (rys.7) została stworzona z myślą o spełnieniu dwóch istotnych warunków: cięcie nie powinno wprowadzać deformacji ani wad a straty materiału ciętego powinny być ograniczone do minimum. W przecinarce zastosowano drut o średnicy µm. Przecinanie odbywa się z udziałem zawiesiny ściernej ciągle dostarczanej do strefy cięcia. Struna pracuje Z przecinarek laboratoryjnych warto jeszcze przedstawić maleńką maszynę amerykańskiej firmy South Bay Technology. Model 875 (rys.9.) pozwala na zastosowanie zarówno struny w postaci pętli, jak również struny z końcami z możliwością separacji, czyli wprowadzania narzędzia przez wykonany w materiale otwór. Urządzenie jest również wyposażone w stolik obrotowy i specjalne prowadnice pozwalające na wycinanie kształtowe. Przecinanie może się odbywać zarówno w zawiesinie ściernej jak i z zastosowaniem struny zbrojonej trwale [2]. Rys. 9. Przecinarka strunowa firmy SBT model 875 [2]

4 MECHANIK NR 9/ Maszyny stosowane w produkcji wielkoseryjnej płytek podłożowych to głównie tzw. przecinarki wielostrunowe. Pierwsze patenty dotyczące tego typu urządzeń datowane są na początek lat 60-tych XX wieku []. Do dnia dzisiejszego powstała niezliczona liczba patentów dotyczących układów: napędowych i prowadzenia narzędzia strunowego. Zmianom ulegała konstrukcja przestrzeni roboczej przecinarek, wszystko po to by maksymalnie zwiększyć wydajność cięcia a tym samym konkurencyjność na rynku. Na rysunku 0 zestawiono najpopularniejsze rozwiązania układów prowadzenia struny. Obecnie, metodę przecinania strunowego stosuje się również z powodzeniem do uzyskiwania prętów krzemowych oraz dzielenia kryształów krzemu na bloki gabarytowo dopasowane do przestrzeni roboczej przecinarek (bricketing) []. Warto wspomnieć o tych zastosowaniach ze względu na bardzo ciekawe rozwiązania konstrukcyjne urządzeń jak również ze względu na specyfikę operacji dzielenia krzemu i fakt stosowania strun zbrojonych trwale. Pręty krzemowe (rys.2b) stosowane są w elektronice m.in. jako piezorezystory (tensometry półprzewodnikowe, czujniki ciśnienia oraz przyspieszenia)[2]. a) b) Rys. 2. Zastosowanie przecinania strunowego w procesie otrzymywania prętów krzemowych: a) blok krzemowy pocięty na pręty, b) pojedyncze pręty krzemowe [5] Rys. 0. Przykłady rozwiązań układów prowadzenia narzędzia w przecinaniu wielostrunowym [8] Ciekawym rozwiązaniem w przypadku przecinarek wielostrunowych jest maszyna amerykańskiego koncernu Applied Materials, w której jednocześnie pracują dwie struny. Konstrukcja taka wpływa na redukcję kosztów wynikających z zakupu kolejnej maszyny, podczas gdy zastosowanie dwóch narzędzi pozwala na zwiększenie przestrzeni roboczej przecinarki a tym samym wydajności cięcia. Ideę takiego rozwiązania przedstawiono na rys.. Proces przecinania bloku krzemowego na długie, smukłe pręty o przekroju kwadratowym (8 x 8mm) jest procesem niezwykle delikatnym, trudnym i wymagającym precyzji [22]. Przykładowo w ciągu jednego dnia z kryształu o średnicy 20 mm (rys.2a) można uzyskać 320 prętów [6]. Układ prowadzenia narzędzia, pozwalający na wykonanie tak cienkich elementów, to kilka warstw sieci strun ułożonych jedna nad drugą (rys.3), w taki sposób aby po przejściu kryształu przez warstwy uzyskać przekrój kwadratowy prętów [22]. Bloki krzemowe Rys. 3. Przestrzeń robocza przecinarki strunowej do wycinania prętów krzemowych (Logomatic Niemcy)[22] Struna Struna 2 Rys.. Idea rozwiązania dwustrunowego w przecinarce MaxEdge [5] Drugą, bardzo ciekawą maszyną jest wcześniej wspomniana przecinarka stosowana w procesach przygotowawczych cięcia dużych bloków krzemowych na mniejsze partie. Ta wprowadzona stosunkowo niedawno technika powoli wypiera przecinanie tarczami diamentowymi, które jest czasochłonne i generuje dużą szczelinę cięcia. Samo rozwiązanie techniczne znane jest od dawna, kiedy to w 969 opublikowano jeden z pierwszych patentów dotyczący właśnie takiej maszyny [3]. Do przestrzeni roboczej urządzenia wchodzą jednocześnie cztery bloki krzemu o długości 220 mm każdy i gabarytach 56 x56 mm. Taki układ, przy zastosowaniu przecinania w zawiesinie ściernej (średnica drutu 20 µm) i prędkości 20 m/s, pozwala uzyskać prawie 6000 płytek podłożowych [5]. Rys. 3. Idea przecinania prostopadłościennych bloków krzemowych na kostki [3].

5 0 MECHANIK NR 9/204 Operacja tzw. bricketingu [] ideowo jest taka sama jak w przypadku procesu cięcia prętów, jednak tu z bloku krzemu o wymiarach np.: 050 x 050 x 55 mm uzyskujemy sześcienne kostki krzemowe o bokach 56 x56 mm [8]. Jest to przekrój charakterystyczny dla płytek podłożowych będących bazą fotoogniw. 4. Podsumowanie Przecinanie strunowe jest metodą o bardzo dużym potencjale. W wielu obszarach zastosowań wyparła takie popularne metody cięcia jak: przecinanie piłą diamentową lub taśmami ściernymi. To jednak nie koniec - aktywnie prowadzone badania pozwalają przypuszczać, iż metoda ta będzie nadal rozwijana i nieprędko pojawi się technika rozdzielania monokryształów, która byłaby dla przecinania strunowego konkurencyjna. LITERATURA. Ciałkowska B., Wiśniewska M., Rozwój cięcia struną początki i stan aktualny na świecie cz I., Mechanik, nr 8/9, Dziurdzia P., Brzozowski I., Elementy elektroniczne. Materiały Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie, Min-Feng Yu, Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load, Science 287, , Riordan R., Hoddeson L., Crystal Fire, Norton, Roznar Z., Najistotniejsze wynalazki techniczne w dziedzinie informatyki, Sekcja historyczna Polskiego Towarzystwa Informatycznego, 6. Słoma M., Nanorurki węglowe i ich zastosowania, Materiały Politechniki Warszawskiej, Tyler J., Process: Wafering, Solar Industry, Materiały Instytutu Fraunhofera, Freiburg, 08/ Patent US350470, Patent US , Patent US , Patent US , Patent US343585, Katalog firmy A.L.M.T. Corporation, Katalog firmy Applied Materials, Katalog firmy Diamond Wire Material Technologies, Katalog firmy Logitech, Katalog firmy Meyer Burger, 203/4 9. Katalog firmy Well, Katalog firmy Princeton Scientific Corp., Katalog firmy South Bay Technology, Katalog firmy Logomatic, 20