Brosse materialen zoals silicium en keramiek worden veelvuldig gebruikt in de halfgeleiderindustrie om onderdelen te maken. Materialen die zijn gesneden om een ​​spiegelachtig oppervlak te hebben, leveren de beste prestaties op, maar de vereiste precisie is moeilijk te bereiken op zo'n kleine schaal.

Xinquan Zhang bij het Singapore Institute of Manufacturing Technology van A*STAR, samen met collega's van hetzelfde instituut en de National University of Singapore, heeft een computermodel ontwikkeld waarmee ingenieurs kunnen voorspellen wat de beste manier is om verschillende materialen te snijden met behulp van vibratieondersteund verspanen (VAM). Deze techniek onderbreekt periodiek het snijproces door het toepassen van kleine amplitude en hoogfrequente verplaatsing op het snijgereedschap.

"Veel onderzoekers hebben vastgesteld dat ze door het gebruik van VAM in plaats van conventionele snijtechnieken schonere, breukvrije sneden in de meeste brosse materialen, " legt Zhang uit. "Omdat er geen theorie of model bestaat om dit fenomeen te verklaren of te voorspellen, we besloten het te onderzoeken."

Op nanoschaal is brosse materialen vertonen een zekere mate van plasticiteit. Elk materiaal heeft een bepaalde snedediepte waardoor schoon scheren mogelijk is zonder afbrokkelen of breken, of onder, zijn oppervlak. Dit punt, bekend als de kritische onvervormde spaandikte, is direct gecorreleerd met materiaaleigenschappen en bewerkingsomstandigheden.

Zhang en zijn team bestudeerden het gedrag van verschillende brosse materialen gesneden met VAM, waarbij twee manieren van snijden plaatsvinden. In de ductiele modus, plastische vervorming veroorzaakt door snijden wordt gevolgd door elastische terugvering en herstel van de materiaalstructuur tussen trillingen. De broze modus, anderzijds, verwijdert materiaal door ongecontroleerde scheurvoortplanting. Het maken van een zuivere snede tijdens de ductiele modus - voordat de brosse modus domineert - is daarom wenselijk.

De onderzoekers modelleerden het energieverbruik van elke modus in termen van materiaalverwijdering terwijl het trillende gereedschap bewoog, rekening houdend met de gereedschapsgeometrie, materiaaleigenschappen en de snijsnelheid.

"Door energieverbruik en materiaalvervorming te onderzoeken, konden we de mechanica beschrijven toen VAM van de ductiele naar de brosse modus ging, " legt Zhang uit. "Vervolgens hebben we een model opgesteld om [de] kritieke onvervormde spaandiktes te voorspellen door het overgangspunt tussen de twee modi te vinden."

Door een reeks experimenten, het team heeft geverifieerd dat het model nauwkeurig de kritieke onvervormde chipdiktes van monokristallijn silicium voorspelt wanneer het met verschillende VAM-snelheden wordt gesneden.

"Ons model zal ingenieurs helpen om geoptimaliseerde bewerkingsparameters te selecteren, afhankelijk van hun gewenste materiaal, ", zegt Zhang. "Voordelen zijn onder meer een hogere productiviteit, lagere kosten, en verbeterde productkwaliteit voor halfgeleideronderdelen en andere nanoschaaltechnologieën."