Diamantdrahtsägen

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Verseilter Diamantdraht

Diamantdrahtsägen ist ein spanendes Fertigungsverfahren zur Fertigbearbeitung von Werkstücken mithilfe eines Diamantdrahtes. Vorwiegend wird es für Trennvorgänge eingesetzt. Es handelt sich um ein Schleifverfahren mit flexiblem Werkzeug.[1] Das Diamantdrahtsägen zählt zum Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide.[2] Die Besonderheit besteht in dem flexiblen Werkzeug, dass nur sehr geringe Schnitt- und Vorschubkräfte aufweist und somit ermöglicht, Werkstücke mit sehr geringen Kräften zu spannen. Zudem sind mit dem rundum beschichteten Werkzeug Konturschnitte möglich. Der Diamantdraht als biegsames Werkzeug ist ein gewissermaßen selbstreinigendes Werkzeug und erlaubt so auch Kombinationen aus hart / weich (schmierend) zu trennen. Die Erwärmung des Werkstücks ist erheblich geringer wie beim Schleifen mit einer starren Scheibe.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Abbildung erklärt das Prinzip der Well-Säge

Im Jahr 1974 gründete Walter Ebner die Firma Well GmbH, welche die ersten Diamantdrahtsägen mit dünnen Drähten (Durchmesser <1 mm) für den Laborbereich herstellte. Das Patent von Walter Ebner basierte im Wesentlichen darauf, dass eine angetriebene Mutter auf einer Spindel über die Länge der Spindel angetrieben wird und am jeweiligen Ende die Drehrichtung reversiert wird. Der Diamantdraht ist mit der gleichen Steigung aufgewickelt, welche die Spindel hat. Damit wird erreicht, dass der Ab- und Auflaufpunkt des Drahtes gleich bleibt.

1983 hat die Firma HK Maschinen und Anlagenbau GmbH auf Basis dieses Prinzips eine Maschine gebaut. Schnell haben sich jedoch die Nachteile bei einer industriellen Nutzung gezeigt. Die Drahtgeschwindigkeit ist sehr beschränkt, es wird nie die optimale Schnittgeschwindigkeit für ein Diamantschleifwerkzeug von 50–150 m/s erreicht und die wechselnde Schnittrichtung verursacht Marken auf dem Werkstück.

Die Abbildung erklärt das Prinzip der Schlaufensäge

Aus diesen Gründen wurde eine Diamantdrahtsäge entwickelt, die mit Diamantdrahtschlaufen arbeitet. Damit konnten die nötigen Schnittgeschwindigkeit und der Schnitt in eine Richtung verwirklicht werden. Im Jahr 1997 hat Charles Hauser ein Patent für eine Mehrdraht-Slurrysäge angemeldet. Bei dieser wird mithilfe eines abrasiven Schlamms zwischen Werkstück und Draht gesägt. Die MeyerBurger AG verwendete dieses Verfahren für Drahtsägen. 2009 begann der Umstieg auf Diamantdraht, da dieser dünner ist und eine höhere Effizienz erreicht (der Diamantdraht kann dünner sein, da der Kerndurchmesser beim Sägen nicht kleiner wird. Außerdem ist die Abtragungsleistung ca. dreifach höher als bei der Slurrysäge). Bis heute sind die meisten Mehrdrahtsägen auf Diamantdraht umgestellt worden, so dass heute Diamantdraht das Slurrysägen weitgehend verdrängt hat.

Prinzipien des Diamantdrahtsägens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es gibt zurzeit drei Prinzipien des Diamantdrahtsägens:

  1. Nach Walter Ebner (Wickeltechnik 1–(2) Spulen)
  2. Nach Matthias Vogel (Schlaufentechnik)
  3. Nach Carles Hauser (Wickeltechnik 2 Spulen, Mehrdrahtsäge)

Jedes Verfahren hat andere Möglichkeiten und Anwendungen.

Das Diamantdrahtsäge-Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Diamantdrahtsägen handelt es sich um ein Schleifverfahren mithilfe eines Diamantdrahts. Die Besonderheit dieses Schleifverfahrens besteht in der Flexibilität des Werkzeugs. Dies bedingt auch die sehr geringen Vorschub- und Schnittkräfte, abhängig von der Kerndrahtdicke und damit der zulässigen Drahtspannkraft.

Die meistverwendeten Nickel-Diamant-Drähte sind einschichtig mit Diamanten belegt, d. h., wenn die Nickel-Diamantschicht abgenutzt ist, ist Standzeitende. Bei neuen Drähten stehen immer wenige Diamanten weiter vor und diese sind dann die einzigen die abtragen. Im Lauf der Zeit kommen immer mehr Diamanten in Eingriff, weshalb die Vorschubkraft pro Diamant nicht mehr für den Schleifprozess ausreicht. Dies vermittelt den Eindruck, dass der Draht „stumpf“ ist. Mit einer Erhöhung des Drahtschlepp (Bow) erhöht sich die Vorschubkraft und der Draht schneidet wieder. Andere Möglichkeiten sind die „Rocking Unit“ (das Werkstück wird im Bogen geschwenkt) oder man lässt das Werkstück rotieren. In beiden Fällen erzielt man eine Punktberührung zwischen Draht und Werkstück und hat immer eine ausreichende Kraft pro Korn für das Abtragen zur Verfügung. Dies ist auch die einzige Möglichkeit, sehr harte Werkstoffe wie Saphir oder Siliciumcarbid (SiC) zu schneiden.

Einer der Hauptvorteile des Verfahrens, die geringe Vorschubkraft ist auch der Nachteil gegenüber der Verwendung einer Trennscheibe für Trennprozess. Die Trennscheibe erzielt aufgrund höherer Vorschubkraft viel höhere Abtragsleistungen.

Einsatzgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Hauptanwendung von Diamantdrahtsägen ist das Trennen von Silicium. Wafer für Solartechnik aber auch für halbleitertechnische Anwendungen werden zum Großteil mit dünnen Diamantdrähten geschnitten, da bei keinem anderen Trennverfahren so wenig Abfall entsteht.[1]

Generell lassen sich Keramik oder Kristalle mit Mohshärte 6–8 mit Diamantdraht sägen. Extrem harte Werkstoffe wie Saphir lassen sich nur mit Punktberührung zwischen Draht und Werkstück bearbeiten, beispielsweise wenn das Werkstück gedreht wird. Der Verschleiß des Drahtes ist sehr hoch. Diamantdrahtsägen verarbeiten jedoch auch Hart-Weich-Kombinationen oder Werkstücke, die nicht erwärmt werden dürfen (beispielsweise Thermoplast). Filigrane Werkstücke, die nur minimale Spann-, Vorschub- und Schnittkräfte vertragen (z. B. Wabenwerkstoffe, Elektronikbauteile oder Grünlinge) können genauso bearbeitet werden wie Werkstücke mit hoher Eigenspannung (z. B. Sonderglas-Anfertigungen). Auch Konturschnitte (beispielsweise bei Graphitelektroden) sind aufgrund des rundum schneidenden Werkzeugs möglich.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • W. Ebner: Diamond-coated wire saw for cutting difficult materials. In: Industrie-Diamanten-Rundschau. Nr. 4, 1978, ISSN 0935-1469, S. 257.
  • W. Ebner: Scies à fils diamantéspour coupe de. In: precision Eurotec. Nr. 218, Feb. 1985.
  • M. Vogel: Kontursägen mit Diamantdrahtsäge. In: Industrie-Diamanten-Rundschau. Nr. 1, 1989, ISSN 0935-1469.
  • M. Vogel: Filigrane Werkstücke mit Diamantdrahtsäge beherrschbar. In: dima : digitale maschinelle Fertigung. Nr. 1/2, 1988, ISSN 0340-5737.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Stefan Lenischenko: Mit Diamantdraht zum Photovoltaikwafer. In: Transfer. Nr. 4, 2012, ISSN 2628-1945, S. 12–14 (steinbeis.de [abgerufen am 5. November 2020]).
  2. Matthias Vogel: Diamantdrahtsägen – Technologie und Vorteile. (PDF) Steinbeis-Forschungszentrum Entwicklungstechnologie, 2020, abgerufen am 6. November 2020.