Méthodes de découpe du saphir : scies sans fin, multi-fils et mono-fils expliquées

Pourquoi le saphir est difficile à couper

Le saphir est de l'oxyde d'aluminium monocristallin. Il se classe 9 sur l'échelle de Mohs, juste en dessous du diamant, donc seul un abrasif diamanté le coupe à une vitesse pratique. Il est également cassant. Une coupe qui charge le cristal de manière inégale peut ébrécher un bord ou laisser des microfissures, et ces dommages doivent être éliminés plus tard par meulage et polissage.

Le saphir est anisotrope : ses propriétés changent avec la direction du cristal. C'est pourquoi les substrats et les fenêtres optiques sont coupés selon un plan cristallin spécifié plutôt qu'à un angle arbitraire, et pourquoi la boule est généralement orientée avant la première coupe.

Le saphir industriel commence comme une grande boule cultivée dans un four, par exemple par la méthode Kyropoulos décrite dans notre article sur le Four de croissance de cristaux de saphir Kyropoulos. Une boule est beaucoup trop grande pour être tranchée en une seule étape. La plupart des méthodes de coupe du saphir sont donc utilisées séquentiellement : d'abord tronçonner la boule en blocs, puis trancher les blocs, puis couper les formes spéciales. Chaque étape a des priorités différentes, et c'est là qu'interviennent les trois scies à fil.

Méthodes de coupe du saphir comparées en un coup d'œil

Les trois méthodes de coupe du saphir ci-dessous coupent avec un fil revêtu de diamant. Une scie à fil est simplement une machine qui coupe avec un fil en mouvement au lieu d'une lame. Les différences résident dans la manière dont le fil est alimenté, dont il est acheminé, et combien de longueurs de fil coupent en même temps.

Valeurs typiques de la coupe de saphir Vimfun ; le temps et la saignée réels dépendent du diamètre du fil, de la vitesse d'avance et de la taille de la pièce.

Le choix entre ces méthodes de coupe du saphir se résume à trois compromis : vitesse par coupe, sortie par passe et matériau perdu dans la saignée. Aucune machine unique ne l'emporte sur les trois, c'est pourquoi de nombreuses usines de saphir en utilisent plus d'une.

Les lames diamantées, les scies à diamètre intérieur et les lasers peuvent également couper le saphir, principalement pour les petites pièces ou pour le découpage de plaquettes finies. Pour les boules et les grands blocs, le diamètre de la lame limite la profondeur de coupe d'une lame, tandis qu'un fil diamanté peut traverser une grande section avec une saignée étroite. C'est pourquoi le fil est l'outil habituel pour les étapes décrites ci-dessous.

Sciage sans fin à fil diamanté : Tronçonnage rapide de boules de saphir

Une scie à fil diamanté sans fin utilise une boucle fermée de fil diamanté fonctionnant autour de deux roues ou plus. La boucle se déplace continuellement dans une direction, de sorte que la machine n'a jamais à s'arrêter et à inverser le fil. Le mouvement continu dans une seule direction maintient la vitesse du fil élevée et la coupe stable.

C'est la raison principale pour laquelle c'est la plus rapide des méthodes de coupe du saphir pour les coupes uniques. Dans la coupe de saphir Vimfun, une coupe à travers une boule de saphir de 200 mm de diamètre prend généralement environ 3 à 4 heures avec un fil sans fin, contre environ 15 à 20 heures avec un fil bobiné.

Les travaux typiques sur le saphir comprennent :

• couper une boule en deux ;
• retirer les extrémités de germe et de queue ;
• équarrir une boule ronde en blocs pour un tranchage ultérieur ;
• découpe de blocs épais pour fenêtres et pièces optiques.

Le coût est la saignée, le principal compromis entre les méthodes de découpe de saphir. Sur le saphir, la saignée du fil sans fin est d'environ 0,6 mm, contre environ 0,2 mm pour le fil bobiné. Pour une coupe de sectionnement à travers une ébauche, cette perte est faible. Pour trancher de nombreuses plaquettes minces, cela gaspillerait trop de matériau, et la machine ne fait qu'une coupe à la fois de toute façon.

Les machines à boucle elles-mêmes sont couvertes sur notre site sœur sous scie à fil diamanté sans fin, et le fil est décrit dans fil diamanté sans fin pour saphir.

Sciage multi-fils : Des centaines de plaquettes de saphir en une seule passe

Une scie multi-fils n'utilise pas de boucle. Des milliers de mètres de fil diamanté sont alimentés à partir d'une bobine d'alimentation, enroulés plusieurs fois autour de longs rouleaux rainurés, et récupérés sur une seconde bobine. Chaque rainure contient un tour de fil, de sorte que les rouleaux portent une toile de fils parallèles. Le fil va et vient pendant que le bloc de saphir est lentement alimenté à travers la toile, et chaque fil de la toile coupe en même temps.

Chaque coupe est lente, car le fil bobiné coupe beaucoup plus lentement qu'une boucle. Mais jusqu'à des centaines de coupes sont effectuées en une seule passe, de sorte que le rendement par passe est le plus élevé de toutes les méthodes de découpe de saphir. C'est la voie standard pour trancher des plaquettes de saphir pour substrats de LED et pour plaques optiques minces.

La saignée est plus importante ici que dans les autres méthodes de découpe de saphir. À environ 0,2 mm par coupe sur le saphir, le fil bobiné retire beaucoup moins de matériau qu'un fil en boucle, et l'économie est répétée pour chaque tranche du bloc. Une perte de saignée plus faible signifie plus de plaquettes utilisables par ébauche.

Les machines multi-fils oscillantes sont conçues pour des matériaux très durs tels que le carbure de silicium et le saphir. Le Vimfun scie multi-fils oscillante SOMIS-400 utilise un fil diamanté de 0,10–0,20 mm, contient jusqu'à 30 000 m de fil sur la bobine, et tranche des plaques de 0,3–15 mm d'épaisseur. Notre scie multifilaire aperçu compare les autres modèles SOM.

La limite est la géométrie : une scie multi-fils ne produit que des tranches plates et parallèles. Elle ne peut pas découper de contours ou de trous intérieurs.

Comment la toile de fils définit l'épaisseur de la plaquette

L'épaisseur de la tranche est définie par le pas des rainures sur les rouleaux, et non par un programme. Le pas est la distance entre deux fils voisins. Chaque fil retire une largeur de saignée, et ce qui reste entre deux coupes est la tranche. En termes simples, l'épaisseur de la tranche est égale au pas de la rainure moins la saignée. Pour changer l'épaisseur, vous changez le rainurage des rouleaux. Pour obtenir plus de tranches du même bloc, vous réduisez soit la saignée, soit l'épaisseur de la tranche.

Sciage à fil unique (ouverture) : Faible saignée, profils et trous intérieurs

Une scie à fil unique utilise également du fil bobiné, mais le fil passe sur des roues de guidage au lieu de longs rouleaux. Une seule longueur de fil est dans la coupe. Le fil va et vient entre deux bobines pendant que la CNC déplace la pièce le long d'un chemin programmé.

Comparé aux autres méthodes de découpe de saphir, cette conception présente trois avantages :

• Saignée étroite. La saignée est d'environ 0,2 mm, la même coupe étroite que la scie multi-fils, ce qui est important lorsque le matériau est cher.
• Profils. Comme un seul fil coupe, le chemin n'a pas besoin d'être droit. La machine peut suivre des courbes et des contours.
• Trous intérieurs. Le fil est à extrémité ouverte, pas une boucle fermée, il peut donc être passé à travers un trou de départ dans la pièce, puis découper un trou intérieur ou une forme interne fermée. Une boucle sans fin ne peut pas faire cela.

Les pièces typiques en saphir comprennent des fenêtres façonnées, des pièces avec des trous ou des fentes, des ébauches irrégulières et des échantillons de recherche où chaque millimètre de cristal compte.

La limite est la vitesse. Le fil bobiné prend environ 15 à 20 heures pour la même coupe de saphir de 200 mm que le fil sans fin réalise en environ 3 à 4 heures, et une scie à fil unique fait une coupe à la fois. Parmi les méthodes de découpe de saphir, c'est celle à choisir pour la géométrie, pas pour le volume. Le Vimfun SVO-40 scie à fil diamanté de précision prend des pièces jusqu'à 400 × 400 × 300 mm.

Où chaque scie s'intègre dans une ligne de production de saphir

1. Croissance cristalline : le four produit une grande ébauche de saphir.
2. Sectionnement : une scie à fil sans fin coupe les extrémités et découpe l'ébauche en blocs.
3. Tranchage : une scie multi-fils transforme chaque bloc en plaquettes ou plaques minces.
4. Façonnage : une scie à fil unique découpe des profils, des trous intérieurs et des échantillons.
5. Finition : les plaquettes et les pièces passent ensuite à le meulage et le rodage, puis au polissage.

Une usine de substrats à haut volume utilise généralement ces méthodes de découpe de saphir côte à côte, une par étape. Un laboratoire ou un petit atelier d'optique peut n'avoir besoin que d'une seule de ces méthodes de découpe de saphir : une scie à fil unique, ou une scie multi-fils compacte pour de petits lots. Pour le flux de travail complet des substrats, voir notre guide de tranchage de saphir.

Comment choisir une scie à fil pour vos pièces en saphir

Quatre questions permettent généralement de choisir entre les méthodes de découpe du saphir :

Si vos pièces se situent entre deux méthodes de découpe du saphir, une coupe d'essai sur votre propre matériau est le moyen le plus rapide de décider. Vimfun propose des coupes d'échantillons gratuites, vous pouvez donc comparer le résultat avant de choisir une machine.

Questions fréquemment posées