Métodos de corte de zafiro: sierras de cinta, de alambre múltiple y de alambre único explicadas

Por qué el zafiro es difícil de cortar

El zafiro es óxido de aluminio monocristalino. Tiene una calificación de 9 en la escala de Mohs, justo por debajo del diamante, por lo que solo el abrasivo de diamante lo corta a una velocidad práctica. También es quebradizo. Un corte que carga el cristal de manera desigual puede astillar un borde o dejar microfisuras, y ese daño debe eliminarse posteriormente mediante rectificado y pulido.

El zafiro es anisótropo: sus propiedades cambian con la dirección del cristal. Es por eso que los sustratos y las ventanas ópticas se cortan en un plano cristalino especificado en lugar de en un ángulo arbitrario, y por qué el blokes generalmente se orienta antes del primer corte.

El zafiro industrial comienza como un gran blokes cultivado en un horno, por ejemplo, mediante el método Kyropoulos descrito en nuestro artículo sobre el Horno de crecimiento de cristales de zafiro Kyropoulos. Un blokes es demasiado grande para cortarlo en un solo paso. Por lo tanto, la mayoría de los métodos de corte de zafiro se utilizan en secuencia: primero seccionar el blokes en bloques, luego cortar los bloques, luego cortar cualquier forma especial. Cada paso tiene diferentes prioridades, y ahí es donde entran las tres sierras de hilo.

Métodos de corte de zafiro comparados de un vistazo

Los tres métodos de corte de zafiro a continuación cortan con hilo recubierto de diamante. Una sierra de alambre es simplemente una máquina que corta con un hilo en movimiento en lugar de una cuchilla. Las diferencias radican en cómo se suministra el hilo, cómo se enruta y cuántas longitudes de hilo cortan al mismo tiempo.

Valores típicos de corte de zafiro Vimfun; el tiempo y el corte reales dependen del diámetro del hilo, la velocidad de avance y el tamaño de la pieza de trabajo.

La elección entre estos métodos de corte de zafiro se reduce a tres compensaciones: velocidad por corte, producción por pasada y material perdido en el corte. Ninguna máquina gana en los tres aspectos, por lo que muchas plantas de zafiro operan más de una.

Las cuchillas de diamante, las sierras de diámetro interior y los láseres también pueden cortar zafiro, principalmente para piezas pequeñas o para cortar obleas terminadas. Para blokes y bloques grandes, el diámetro de la cuchilla limita la profundidad a la que puede cortar una cuchilla, mientras que un hilo de diamante puede atravesar una sección grande con un corte estrecho. Es por eso que el hilo es la herramienta habitual para los pasos descritos a continuación.

Corte rápido de blokes de zafiro con sierra de hilo de diamante sin fin

Una sierra de hilo de diamante sin fin utiliza un bucle cerrado de hilo de diamante que corre alrededor de dos o más ruedas. El bucle se mueve continuamente en una dirección, por lo que la máquina nunca tiene que detenerse y revertir el hilo. El movimiento continuo en una dirección mantiene la velocidad del hilo alta y el corte estable.

Esa es la razón principal por la que es el más rápido de los métodos de corte de zafiro para cortes únicos. En el corte de zafiro Vimfun, un corte a través de un blokes de zafiro de 200 mm de diámetro suele tardar entre 3 y 4 horas con hilo sin fin, en comparación con unas 15-20 horas con hilo enrollado.

Los trabajos típicos en zafiro incluyen:

• cortar un blokes por la mitad;
• quitar los extremos de semilla y cola;
• cuadrar un blokes redondo en bloques para cortarlos posteriormente;
• corte de bloques gruesos para ventanas y piezas ópticas.

El coste es el de la muesca, la principal contrapartida entre los métodos de corte de zafiro. En zafiro, la muesca del alambre sin fin es de aproximadamente 0,6 mm, frente a unos 0,2 mm para el alambre enrollado. Para un corte de sección a través de un lingote, esa pérdida es pequeña. Para cortar muchas obleas finas se desperdiciaría demasiado material, y la máquina solo hace un corte a la vez en cualquier caso.

Las propias máquinas de bucle se cubren en nuestro sitio hermano bajo sierra de hilo diamantado sin fin, y el alambre se describe en alambre de diamante sin fin para zafiro.

Sierra de hilo múltiple: Cientos de obleas de zafiro en una sola pasada

Una sierra multialambre no utiliza un bucle. Miles de metros de alambre de diamante se alimentan desde un carrete de suministro, se enrollan muchas veces alrededor de rodillos largos acanalados y se recogen en un segundo carrete. Cada ranura contiene una vuelta de alambre, por lo que los rodillos transportan una red de alambres paralelos. El alambre va y viene mientras el bloque de zafiro se alimenta lentamente a través de la red, y cada alambre de la red corta al mismo tiempo.

Cada corte es lento, porque el alambre enrollado corta mucho más lentamente que un bucle. Pero se realizan hasta cientos de cortes en una pasada, por lo que la producción por pasada es la más alta de todos los métodos de corte de zafiro. Esta es la ruta estándar para cortar obleas de zafiro para sustratos de LED y para placas ópticas delgadas.

La muesca importa más aquí que en los otros métodos de corte de zafiro. Con aproximadamente 0,2 mm por corte en zafiro, el alambre enrollado elimina mucho menos material que el alambre de bucle, y el ahorro se repite en cada corte del bloque. Una menor pérdida de muesca significa más obleas utilizables de cada lingote.

Las máquinas multialambre oscilantes están diseñadas para materiales muy duros como el carburo de silicio y el zafiro. La Vimfun sierra de alambre multi oscilante SOMIS-400 utiliza alambre de diamante de 0,10–0,20 mm, contiene hasta 30.000 m de alambre en el carrete y corta placas de 0,3–15 mm de espesor. Nuestra sierra multihilo descripción general compara los otros modelos SOM.

El límite es la geometría: una sierra multialambre solo produce cortes planos y paralelos. No puede cortar contornos ni agujeros interiores.

Cómo la red de alambre establece el grosor de la oblea

El grosor del corte se establece por el paso de las ranuras en los rodillos, no por un programa. El paso es la distancia entre dos alambres vecinos. Cada alambre elimina un ancho de muesca, y lo que queda entre dos cortes es el corte. En términos sencillos, el grosor del corte es igual al paso de la ranura menos la muesca. Para cambiar el grosor, se cambia el ranurado del rodillo. Para obtener más cortes del mismo bloque, se reduce la muesca o el grosor del corte.

Sierra de hilo único (extremo abierto): Corte fino, perfiles y agujeros interiores

Una sierra de un solo alambre también utiliza alambre enrollado, pero el alambre pasa sobre ruedas guía en lugar de rodillos largos. Solo una longitud de alambre está en el corte. El alambre va y viene entre dos carretes mientras el CNC mueve la pieza de trabajo a lo largo de una trayectoria programada.

En comparación con los otros métodos de corte de zafiro, este diseño tiene tres ventajas:

• Muesca estrecha. La muesca es de aproximadamente 0,2 mm, el mismo corte estrecho que el aserrado multialambre, lo que importa cuando el material es caro.
• Perfiles. Como solo un alambre corta, la trayectoria no tiene que ser recta. La máquina puede seguir curvas y contornos.
• Agujeros interiores. El alambre es de extremo abierto, no un bucle cerrado, por lo que se puede pasar a través de un agujero de inicio en la pieza y luego cortar un agujero interior o una forma interna cerrada. Un bucle sin fin no puede hacer esto.

Las piezas típicas de zafiro incluyen ventanas con formas, piezas con agujeros o ranuras, espacios en blanco irregulares y muestras de investigación donde cada milímetro de cristal cuenta.

El límite es la velocidad. El alambre enrollado tarda unas 15–20 horas para el mismo corte de zafiro de 200 mm que el alambre sin fin hace en unas 3–4 horas, y una sierra de un solo alambre hace un corte a la vez. Entre los métodos de corte de zafiro, es la que se elige por la geometría, no por el volumen. La Vimfun SVO-40 sierra de hilo diamantado de precisión admite piezas de trabajo de hasta 400 × 400 × 300 mm.

Dónde encaja cada sierra en una línea de producción de zafiro

1. Crecimiento de cristales: el horno produce un gran lingote de zafiro.
2. Sección: una sierra de alambre sin fin corta los extremos y divide el lingote en bloques.
3. Corte: una sierra multialambre convierte cada bloque en obleas o placas delgadas.
4. Conformado: una sierra de un solo alambre corta perfiles, agujeros interiores y muestras.
5. Acabado: las obleas y piezas continúan hacia rectificado y pulido, luego pulido.

Una planta de sustratos de alto volumen suele ejecutar estos métodos de corte de zafiro uno al lado del otro, uno por paso. Un laboratorio o un pequeño taller de óptica puede necesitar solo uno de estos métodos de corte de zafiro: una sierra de un solo alambre o una sierra multialambre compacta para lotes pequeños. Para el flujo de trabajo completo del sustrato, consulte nuestra guía de corte de zafiro.

Cómo elegir una sierra de hilo para sus piezas de zafiro

Cuatro preguntas suelen decidir la elección entre métodos de corte de zafiro:

Si sus piezas caen entre dos métodos de corte de zafiro, un corte de prueba en su propio material es la forma más rápida de decidir. Vimfun ofrece corte de muestras gratuito, para que pueda comparar el resultado antes de elegir una máquina.

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