Методы резки сапфира: объяснение бесконечных, многопроволочных и однопроволочных пил

Почему сапфир трудно резать

Сапфир — это монокристаллический оксид алюминия. Он имеет 9 по шкале Мооса, немного ниже алмаза, поэтому только алмазный абразив режет его с практической скоростью. Он также хрупкий. Разрез, который неравномерно нагружает кристалл, может привести к сколу края или образованию микротрещин, и этот повреждение придется удалять позже шлифованием и полировкой.

Сапфир анизотропен: его свойства меняются в зависимости от направления кристалла. Вот почему подложки и оптические окна вырезаются по заданной кристаллографической плоскости, а не под произвольным углом, и почему буль обычно ориентируется перед первым разрезом.

Промышленный сапфир начинается с большого буля, выращенного в печи, например, методом Киропулоса, описанным в нашей статье о Печь для выращивания сапфировых кристаллов Киропулоса. Буль слишком велик, чтобы разрезать его за один шаг. Поэтому большинство методов резки сапфира используются последовательно: сначала буль разрезается на блоки, затем блоки разрезаются на пластины, затем вырезаются любые специальные формы. Каждый этап имеет разные приоритеты, и именно здесь вступают в игру три проволочные пилы.

Методы резки сапфира вкратце

Все три нижеперечисленных метода резки сапфира режут алмазно-покрытой проволокой. проволочная пила — это просто машина, которая режет движущейся проволокой вместо лезвия. Различия заключаются в том, как подается проволока, как она прокладывается и сколько длин проволоки режет одновременно.

Типичные значения от Vimfun sapphire cutting; фактическое время и пропил зависят от диаметра проволоки, скорости подачи и размера заготовки.

Выбор между этими методами резки сапфира сводится к трем компромиссам: скорость резки, производительность за проход и материал, теряемый в пропиле. Ни одна машина не выигрывает по всем трем параметрам, поэтому многие сапфировые заводы используют более одной.

Алмазные диски, пилы с внутренним диаметром и лазеры также могут резать сапфир, в основном для мелких деталей или для нарезки готовых пластин. Для булей и крупных блоков диаметр диска ограничивает глубину резки, в то время как алмазная проволока может проходить через большой разрез с узким пропилом. Вот почему проволока является обычным инструментом для описанных ниже этапов.

Бесконечная алмазная проволочная пила: быстрая резка сапфировых булей

Бесконечная алмазная проволочная пила использует замкнутый контур алмазной проволоки, движущийся вокруг двух или более колес. Контур непрерывно движется в одном направлении, поэтому машине никогда не приходится останавливаться и менять направление движения проволоки. Непрерывное однонаправленное движение обеспечивает высокую скорость проволоки и стабильный рез.

Это главная причина, по которой это самый быстрый из методов резки сапфира для одиночных разрезов. В Vimfun sapphire cutting один разрез через сапфировый буль диаметром 200 мм обычно занимает около 3–4 часов с бесконечной проволокой по сравнению с примерно 15–20 часами с проволокой на катушке.

Типичные задачи для сапфира включают:

• разрезание буля пополам;
• удаление затравки и хвостовых концов;
• придание круглому булю формы блока для последующей резки;
• резка толстых блоков для окон и оптических деталей.

Стоимость — это ширина реза, основной компромисс между методами резки сапфира. На сапфире ширина реза бесконечной проволоки составляет около 0,6 мм, по сравнению с примерно 0,2 мм для проволоки в катушке. Для одного разреза через слиток эта потеря невелика. Для нарезки множества тонких пластин это приведет к излишней потере материала, и в любом случае станок делает только один разрез за раз.

Петлевые станки сами по себе описаны на нашем сестринском сайте по адресу бесконечная алмазная проволочная пила, а проволока описана в бесконечная алмазная проволока для сапфира.

Многопроволочная пила: сотни сапфировых пластин за один проход

Многопроволочная пила не использует петлю. Тысячи метров алмазной проволоки подаются со шпули подачи, многократно наматываются на длинные канавочные ролики и наматываются на вторую шпулю. Каждая канавка удерживает один виток проволоки, поэтому ролики несут сетку параллельных проволок. Проволока движется вперед и назад, пока сапфировый блок медленно подается через сетку, и каждая проволока в сетке режет одновременно.

Каждый разрез медленный, потому что проволока в катушке режет гораздо медленнее, чем петля. Но за один прогон делается до сотен разрезов, поэтому производительность за прогон самая высокая среди всех методов резки сапфира. Это стандартный способ нарезки сапфировых пластин для подложек светодиодов и для тонких оптических пластин.

Ширина реза здесь имеет большее значение, чем в других методах резки сапфира. При ширине реза около 0,2 мм на сапфире проволока в катушке удаляет гораздо меньше материала, чем петлевая проволока, и экономия повторяется для каждого среза в блоке. Меньшая потеря на ширину реза означает большее количество пригодных пластин из каждого слитка.

Колебательные многопроволочные станки предназначены для очень твердых материалов, таких как карбид кремния и сапфир. Vimfun осциллирующая многопроволочная пила SOMIS-400 использует алмазную проволоку диаметром 0,10–0,20 мм, вмещает до 30 000 м проволоки на шпуле и нарезает пластины толщиной от 0,3 до 15 мм. Наш многопильный станок обзор сравнивает другие модели SOM.

Ограничение — геометрия: многопроволочная пила производит только плоские, параллельные срезы. Она не может вырезать контуры или внутренние отверстия.

Как сетка проволоки устанавливает толщину пластины

Толщина среза устанавливается шагом канавки на роликах, а не программой. Шаг — это расстояние между двумя соседними проволоками. Каждая проволока удаляет одну ширину реза, а то, что остается между двумя разрезами, — это срез. Проще говоря, толщина среза равна шагу канавки минус ширина реза. Чтобы изменить толщину, вы меняете канавки на роликах. Чтобы получить больше срезов из одного блока, вы уменьшаете либо ширину реза, либо толщину среза.

Однопроволочная (открытая) пила: узкий пропил, профили и внутренние отверстия

Однопроволочная пила также использует проволоку в катушке, но проволока проходит над направляющими колесами вместо длинных роликов. В резе находится только одна длина проволоки. Проволока движется вперед и назад между двумя шпулями, пока ЧПУ перемещает заготовку по запрограммированному пути.

По сравнению с другими методами резки сапфира, эта конструкция имеет три преимущества:

• Узкая ширина реза. Ширина реза составляет около 0,2 мм, такой же узкий рез, как при многопроволочной резке, что важно, когда материал дорогой.
• Профили. Поскольку режет только одна проволока, путь не обязательно должен быть прямым. Станок может следовать по кривым и контурам.
• Внутренние отверстия. Проволока не замкнута, а имеет открытый конец, поэтому ее можно продеть через начальное отверстие в детали, а затем вырезать внутреннее отверстие или замкнутую внутреннюю форму. Бесконечная петля не может этого сделать.

Типичные сапфировые детали включают окна сложной формы, детали с отверстиями или прорезями, неправильные заготовки и исследовательские образцы, где каждый миллиметр кристалла имеет значение.

Ограничение — скорость. Проволока в катушке занимает около 15–20 часов для того же 200-миллиметрового сапфирового реза, который бесконечная проволока делает примерно за 3–4 часа, а однопроволочная пила делает один разрез за раз. Среди методов резки сапфира это выбор для геометрии, а не для объема. Vimfun SVO-40 прецизионная алмазная проволочная пила обрабатывает заготовки размером до 400 × 400 × 300 мм.

Место каждой пилы в производственной линии сапфира

1. Рост кристалла: печь производит большой сапфировый слиток.
2. Разделение: бесконечная проволочная пила обрезает концы и разрезает слиток на блоки.
3. Нарезка: многопроволочная пила превращает каждый блок в пластины или тонкие пластины.
4. Формовка: однопроволочная пила вырезает профили, внутренние отверстия и образцы.
5. Отделка: пластины и детали идут на шлифовка и полировка, затем полировка.

Высокопроизводительный завод по производству подложек обычно использует эти методы резки сапфира параллельно, по одному для каждого этапа. Лаборатории или небольшой оптической мастерской может потребоваться только один из этих методов резки сапфира: однопроволочная пила или компактная многопроволочная пила для небольших партий. Полный рабочий процесс производства подложек см. в нашем руководстве по нарезке сапфира.

Как выбрать проволочную пилу для ваших сапфировых деталей

Четыре вопроса обычно помогают выбрать метод резки сапфира:

Если ваши детали попадают между двумя методами резки сапфира, самый быстрый способ принять решение — это пробный рез на вашем собственном материале. Vimfun предлагает бесплатную резку образцов, чтобы вы могли сравнить результат перед выбором станка.

Часто задаваемые вопросы