DE10032819A1 - Slurry-Management-System und Verfahren zur Herstellung einer Slurrymischung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Slurry-Management-System für eine Drahtsäge, in der ein Sägedraht zwischen Drahtführungsrollen ein Drahtgitter ausbildet, das in Verbindung mit einem Slurry als Schneidwerkzeug zum Trennschleifen eines Werkstücks genutzt wird, gekennzeichnet durch eine Wiederaufbereitungseinheit für gebrauchtes Slurry (A), eine Wiederaufbereitungseinheit für Schneidflüssigkeit (D), eine Mischeinheit mit zentraler Schneidflüssigkeitsvorlage (C) zur Bereitstellung von frischen Slurry, eine Slurryvorlageeinheit (B) zur Bereitstellung einer Slurrymischung und ein Ringleitungssystem zur Versorgung des Slurrysystems der Drahtsäge mit einer Slurrymischung und ein Drainage- oder Ringleitungssystem (22) zur Entnahme von gebrauchten Slurry aus der Drahtsäge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Slurry-Management-System für eine Drahtsäge, in der ein Sägedraht zwischen Drahtführungsrollen ein Drahtgatter ausbildet, das in Verbindung mit einem Slurry als Schneidwerkzeug zum Trennschleifen eines Werkstücks genutzt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Slurrymischung für eine Drahtsäge.

Drahtsägen werden beispielsweise eingesetzt, um Kristalle aus Silicium in dünne Scheiben zu zerteilen. Als abrasiv wirkendes Mittel kommt dabei eine als Slurry bezeichnete Sägesuspension zum Einsatz, die von den Sägedrähten zum Kristall transportiert wird. Die Sägesuspension besteht aus Schneidmittel, insbesonde­ re Hartstoffteilchen, wie beispielsweise SiC und einer Schneid­ flüssigkeit in der das Schneidmittel dispergiert ist. Es sind Sägesuspensionen auf Öl- und auf wässeriger Basis bekannt.

Durch den Eintrag von Abrieb, beispielsweise von Siliciumabrieb beim Trennschleifen von Silicium und von Metallabrieb durch den Sägedraht steigt die Dichte der Sägesuspension meßbar an. Ab einer bestimmten Menge von Abrieb im Slurry verändern sich die Sägeeigenschaften derart, daß die Qualität des herzustellenden Produktes für nachfolgende Prozeßschritte ungenügend ist. Um das Sägeergebnis möglichst konstant zu halten, wird, gemäß dem Stand der Technik, nach jedem Sägevorgang eine bestimmte Menge des im Maschinenbehälter befindlichen, mit Fremdstoffen belade­ nen Slurry abgelassen und frisches Schneidmittel und frische Schneidflüssigkeit zugegeben.

Die US 5,799,643 offenbart ein derartiges Verfahren und ein Slurry-Management-System für eine Drahtsäge oben genannter Gat­ tung, umfassend eine Mischeinrichtung zum Zumischen von fri­ schem Schneidmittel und frischer Schneidflüssigkeit zu ge­ brauchtem Slurry, Versorgungseinrichtungen für Schneidmittel und Schneidflüssigkeit, Meßeinrichtungen für Schneidmittel und Schneidflüssigkeit, eine Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Abrieb aus dem gebrauchten Slurry, sowie ein Rohrleitungssystem zur Versorgung der Drahtsäge.

Nachteilig an dem Verfahren und dem Slurry-Management-System ist, daß durch das Zumischen von frischem Schneidmittel und frischer Schneidflüssigkeit zu dem gebrauchten Slurry ein defi­ niertes Mischungsverhältnis in der daraus erhaltenen Slurrymi­ schung nicht oder nur unzureichend einzustellen ist.

Aufgabe der Erfindung war es daher ein Slurry-Management-System und ein Verfahren zur Herstellung einer Slurrymischung bereit­ zustellen die eine definierte Mischung gewährleisten.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung ei­ ner Slurrymischung für eine Drahtsäge, in der ein Sägedraht zwischen Drahtführungsrollen ein Drahtgatter ausbildet, das in Verbindung mit einem Slurry als Schneidwerkzeug zum Trennschleifen eines Werkstücks genutzt wird, das dadurch gek­ ennzeichnet ist, daß frisches Schneidmittel in eine Schneid­ flüssigkeit eingebracht und durchmischt wird und rückgewonnenes Schneidmittel in eine Schneidflüssigkeit eingebracht und durch­ mischt wird und diese beiden Slurryarten in einem Mischbehälter eingebracht und durchmischt werden.

Überraschenderweise zeigte sich, daß eine exakt definierte Slurrymischung, die wiederaufbereitetes Slurry und frisches Slurry enthält nur dadurch erhalten werden kann, wenn frisches Schneidmittel zunächst in eine Schneidflüssigkeit eingebracht und durchmischt wird und anschließend mit gebrauchten Slurry durchmischt wird. Vorzugsweise wird jedoch gebrauchtes Slurry zunächst in einer Wiederaufbereitungseinheit in Schneidflüssig­ keit mit feinkörnigem Schneidmittel und Abrieb und grobkörniges Schneidmittel aufgetrennt und anschließend das grobkörnige, rückgewonnene Schneidmittel in eine Schneidflüssigkeit einge­ bracht und durchmischt. Dieses wiederaufbereitete Slurry wird in einem Mischbehälter eingebracht und mit frischem Slurry durchmischt.

Erfindungsgemäß besteht demnach eine Trennung zwischen der Her­ stellung von frischem Slurry, der Wiederaufbereitung von ge­ brauchten Slurry und der Mischung von wiederaufbereiteten Slurry mit frischem Slurry. Die Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens erfolgt mittels einem Slurry-Management- System.

Die Aufgabe der Erfindung wird daher auch gelöst durch ein Slurry-Management-System für eine Drahtsäge, in der ein Sägedraht zwischen Drahtführungsrollen ein Drahtgatter aus­ bildet, das in Verbindung mit einem Slurry als Schneidwerkzeug zum Trennschleifen eines Werkstücks genutzt wird, das gekenn­ zeichnet ist, durch eine Wiederaufbereitungseinheit für ge­ brauchtes Slurry, in der Schneidmittel und Schneidflüssigkeit aufgetrennt werden, eine Wiederaufbereitungseinheit für Schneidflüssigkeit, eine Mischeinheit mit zentraler Schneid­ flüssigkeitsvorlage zur Bereitstellung von frischem Slurry, eine Slurryvorlageeinheit zur Bereitstellung einer Slurrymis­ chung und ein Ringleitungssystem zur Versorgung des Slurrysy­ stems der Drahtsäge.

Die Figur zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Slurry-Management-Systems mit einer Wiederaufberei­ tungseinheit für gebrauchtes Slurry (A), einer Wiederaufberei­ tungseinheit für Schneidflüssigkeit (D), einer Mischeinheit mit zentraler Schneidflüssigkeitsvorlage (C), einer Slurryvorla­ geeinheit zur Bereitstellung einer Slurrymischung (B), einem Ringleitungssystem zur Versorgung des Slurrysystems der Draht­ säge und einem Drainage- oder Ringleitungssystem zur Entnahme von gebrauchtem Slurry aus der Drahtsäge. Die zentrale Schneid­ flüssigkeitsvorlage besteht aus einem Lagertank für rückgewon­ nene Schneidflüssigkeit (10) und einem Lagertank für frische Schneidflüssigkeit (9).

Die Mischeinheit (C) zur Bereitstellung von frischem Slurry besteht im wesentlichen aus einer zentralen Schneidflüssig­ keitsvorlage, einem Mischbehälter (6), vorzugsweise mit einer Wägeeinrichtung und einem Lagerbehälter (7). Zum Dispergieren des Schneidmittels wird bevorzugt ein Saugmischer eingesetzt, der eine staubfreie Übernahme des Schneidmittels, insbesondere des Schneidpulvers ermöglicht. Der Ansaugstutzen für das Schneidmittel ist mit (20) bezeichnet, der Zulauf für das Kühl­ wasser mit (21). Mit Hilfe des Saugmischers wird in einem Ar­ beitsgang der zu dispergierende Feststoff staubfrei in die Flüssigkeit eingebracht und durchmischt. Vorzugsweise Wägezel­ len, die unter dem Mischbehälter (6) angebracht sind, erlauben das gewünschte Mischungsverhältnis zwischen Feststoff und Flüs­ sigkeit genau einzuhalten. Beispielsweise mit Hilfe einer Di­ chtemeßvorrichtung (17) wird eine unvorhergesehene Sedimenta­ tion des Feststoffes erkannt.

Die Wiederaufbereitungseinheit (A) für gebrauchtes Slurry um­ faßt im wesentlichen einen Lagerbehälter (1), einen Mischbe­ hälter (2), einen 3-Phasen-Dekanter (8) und einen Lagerbehälter (3) für die Flüssigphase. Mittels der Rohrleitung (16) kann ge­ brauchtes Slurry ausgeschleust werden. Mittels des 3-Phasen- Dekanters (8) wird gebrauchtes Slurry in einen grobkörnigen, relativ trockenen Feststoffanteil, nachfolgend als rückgewonne­ nes Schneidmittel bezeichnet, und eine Flüssigphase mit feinen Feststoffteilchen aufgetrennt. Der grobkörnige Feststoff wird in einem Mischbehälter redispergiert (nachfolgend wird diese Slurryart als wiederaufbereitetes Slurry bezeichnet), und gege­ benenfalls den Drahtsägen zugeführt. Zur Prüfung der Zusammen­ setzung des wiederaufbereiteten Slurry ist eine Dichtemeßvor­ richtung (17) vorgesehen. Vorzugsweise wird nicht das reine wiederaufbereitete Slurry zum Drahtsägen verwendet, sondern eine Mischung aus wiederaufbereiteten und neu angesetzten (frischen) Slurry.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer derartigen Slurrymischung für eine Drahtsäge erfolgt vorzugsweise in der Slurryvorlageeinheit (B) zur Bereitstellung einer Slurrymis­ chung.

Die Slurryvorlageeinheit (B) umfaßt im wesentlichen einen Mischbehälter (4), einen Lagerbehälter (5) sowie vorzugsweise eine Dichtemeßvorrichtung (17). Die Mischung der beiden Slur­ ryarten erfolgt dabei in dem Mischbehälter (4), der mit einem Rührwerk ausgestattet ist und in dem wiederaufbereitetes und frisches Slurry in beliebigem Verhältnis vermischt werden. Zur Dosierung des wiederaufbereiteten und des frischen Slurry wird beispielsweise ein Kombigerät, bestehend aus Durchfluß- und Dichtemeßvorrichtung gemäß dem Stand der Technik eingesetzt; wahlweise werden die Mengen durch eine unter dem Mischbehälter (4) installierte Waage bestimmt. Der Lagerbehälter (5) nimmt die Slurrymischung auf. Mittels der Ringleitung (19) werden die Drahtsägen mit der Slurrymischung versorgt; mittels dem Ringleitungssystem (22) wird gebrauchtes Slurry entnommen.

Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Slurry-Management- Systems ist die zentrale Slurryversorgung, die aus einer Förderpumpe, Ringleitung und über den Drahtsägen angeordneten Ventilen besteht. Die zentrale Slurryversorgung versorgt das Slurrysystem der Drahtsäge mit Slurry. Der maschineneigene Slurrytank ist mit zumindest einer Pumpe ausgestattet, die das Slurry durch Kühler und Dichtemeßvorrichtung zur Schneidstelle drücken.

Zur Ableitung des gebrauchten Slurry benutzt man eine drahtsägeeigene Slurrypumpe, die nach Ansteuerung eines im maschineninternen Schneidflüssigkeitskreislauf befindlichen 3- Wege-Ventils das Slurry in einen unter der Drahtsäge befindli­ chen Lagerbehälter (1) pumpt, oder, falls der Behälter (1) auf Drahtsägeniveau steht, die Flüssigkeit in eine Ringleitung drückt, die über dem Behälter endet. Um das gebrauchte Slurry einfach und kostengünstig abtransportieren zu können, wird in modernen Fertigungsbetrieben der Lagerbehälter (1) unter dem Drahtsägebetrieb angeordnet. Dadurch besteht die Möglichkeit, das Slurry aus dem maschineneigenen Behälter auszupumpen und mittels Schwerkraft über nahezu senkrecht nach unten führende Leitungen, abzuleiten. Bevorzugt ist auch ein Bodenventil im Slurrybehälter der Drahtsäge, das nach Bedarf manuell oder automatisch geöffnet wird, um gebrauchtes Slurry in den Be­ hälter (1) abzulassen. Kann der Behälter (1) nicht unter dem Drahtsägebetrieb angeordnet werden, drückt eine Slurrypumpe der Drahtsäge das gebrauchte Slurry in eine dafür vorgesehene Ringleitung.

Die Wiederaufbereitungseinheit für Schneidflüssigkeit (D) besteht im wesentlichen aus einem Dünnschichtverdampfer (11), in dem die Flüssigkeit vom Feststoff getrennt wird, und zwei Kondensatoren I und II (12, 13). Vorzugsweise unter Vakuum ver­ dampft an einer heißen Oberfläche die Flüssigphase und wird in dem Kondensator I (12) rückgewonnen und aus der Anlage aus­ geschleust. Der zurückbleibende Feststoff, bestehend aus Siliciumabrieb, Metallabrieb und feinem Schneidmittel kann kostengünstig und umweltfreundlich entsorgt werden. In dem Kon­ densator II (13) trennt man unerwünschte Bestandteile in der Schneidflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser ab, die über die Leitung (15) ausgeschleust werden.

Das erfindungsgemäße Slurry-Management-System ist demnach ge­ gliedert in für sich alleine arbeitende Komponenten, insbeson­ dere in eine Mischeinheit zur Bereitstellung von frischem Slurry (C) mit zentraler Schneidflüssigkeitsvorlage, eine Wiederaufbereitungseinheit für gebrauchtes Slurry (A), eine Wiederaufbereitungseinheit für die Schneidflüssigkeit (D), eine Slurryvorlageeinheit geeignet zum Mischen von wiederaufbere­ iteten Slurry und frischen Slurry (B), ein Ringleitungssystem zur Versorgung der Drahtsägen mit Slurry (19) sowie ein System zur automatischen oder manuellen Entnahme von gebrauchtem Slurry aus den Drahtsägen (22).

Überraschenderweise wurde gefunden, daß aus der Verwendung von rückgewonnenem Schneidmittel eine verbesserte Planparallelität der Seitenflächen der Halbleiterscheiben resultiert. Nachteilig wirkt sich die reduzierte Abtragsleistung des rückgewonnenen Schneidmittels aus. Frisches Schneidmittel dagegen hat eine hohe Abtragsleistung aber eine schlechtere Planparallelität der Seitenflächen zur Folge. Demnach ist eine Mischung von frischem und rückgewonnenem Schneidmittel in der Slurry bevorzugt.

Die Qualität des hergestellten Slurry ist verglichen mit Ver­ fahren gemäß dem Stand der Technik deutlich stabiler, da die durchmischten Massen besser kontrolliert sind. Ebenso wirkt sich die klare maschinentechnische Trennung zwischen Mischein­ heit mit zentraler Schneidflüssigkeitsvorlage und Wiederauf­ bereitungssystemen positiv auf die Herstellung und die Qualität des frischen Slurry und des wiederaufbereiteten Slurry aus, da jede Komponente für sich zu kontrollieren ist. Das System ist ferner in der Lage, die Drahtsägen ausschließlich mit wiederaufbereiteten oder ausschließlich mit frischen Slurry zu versorgen. Ein weiterer Vorteil ist die Umweltfreundlichkeit dieses Verfahrens. Da von der Schneidflüssigkeit ein sehr hoher Anteil mit Hilfe des Dünnschichtverdampfers rückgewonnen wird, fallen bei der Verwendung, insbesondere von ölhaltigen Schneid­ flüssigkeiten, nahezu keine umweltbelastenden Rückstände an. Die ausgetragenen Feststoffe weisen ausschließlich Bestandteile auf, die keine Belastung der Umwelt darstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Slurry-Management- Systems wird mit Hilfe des Mischbehälters (6) der Mischeinheit (C) Slurry aus Schneidflüssigkeit, vorzugsweise Glycol und ungebrauchtem Schneidmittel, vorzugsweise SiC, hergestellt. Bei der Schneidflüssigkeit handelt es sich um frische oder um wiederaufbereitete Schneidflüssigkeit oder um ein Gemisch an frischer und wiederaufbereiteter Schneidflüssigkeit in einem beliebigen Verhältnis. Der Mischbehälter (6) ist mit einer Kühleinrichtung, einer Förderpumpe und einem Saugmischer aus­ gestattet. Um die einzutragenden Massen genau zu bestimmen, ist der Mischbehälter bevorzugt auf Wägezellen aufgebaut.

Der Saugmischer besteht aus einem Stator, Statorrohr, Rotor und Antriebswelle mit aufgesetztem Motor. Der Stator ist am unteren Ende des Statorrohres befestigt. Im Stator rotiert der Rotor, der von der im Statorrohr befindlichen Antriebswelle angetrie­ ben wird. Stator und Rotor sind während des Betriebes in eine Flüssigkeit eingetaucht. Wird der Rotor in Bewegung gesetzt, strömt die Flüssigkeit im Stator mit sehr hoher Geschwindigkeit und erzeugt im Statorrohr einen Unterdruck. Dieser Unterdruck wird zum Ansaugen von Schneidmitteln, beispielsweise Schneid­ pulvern genutzt. Da sich die Austrittsöffnung des Statorrohres in der Flüssigkeit befindet, kann das angesaugte Medium mit Hilfe des Rotors in die Flüssigkeit eingerührt werden. Der Saugmischer arbeitet nach dem Prinzip der vertikalen Durchmis­ chung und Erzeugung eines Unterdruckes zwischen rotierender Welle und Statorrohr zum Einbringen von Pulvern. Dies bewirkt eine gleichmäßige Erfassung des gesamten Behälterinhaltes, ho­ hen Dispersionsgrad, vollständige Benetzung des Schneidmittels, einfaches Absaugen aus Gebinden jeglicher Art und keine Staub­ belastung am Arbeitsplatz.

Nach dem Start eines automatisch ablaufenden Prozesses wird eine bestimmte Menge an Schneidflüssigkeit aus der zentralen Schneidflüssigkeitsvorlage, vorzugsweise aus einem Glykoltank angefordert und in den Mischbehälter (6) gepumpt. Ist die de­ finierte Flüssigkeitsmenge eingefüllt, startet ein Mischer, der das sehr feine, pulverförmige Schneidmittel in die Flüssigkeit einsaugt und zugleich durchmischt. Der Vorteil dieses Saug­ mischers ist die staubfreie Übernahme des Schneidmittels aus unterschiedlichsten Transportbehältnissen. Schneidmittelstäube unterliegen strengen MAK-Werten, die bei herkömmlichen Mischeinheiten deutlich überschritten werden. Nur mit Hilfe dieses Saugmischers werden die strengen, gesetzlichen Auflagen erfüllt. Da sich die Suspension während des Mischvorganges un­ zulässig erwärmt, muß diese gekühlt werden. Nach Ablauf einer vorgegebenen Rührzeit gibt eine Steuerung das angesetzte Slurry zum Umpumpen in einen Lagerbehälter (7) frei. Das Umpumpen der Suspension wird erst dann eingeleitet, wenn der gesamte Inhalt des Mischbehälters (6) in den Lagerbehälter (7) eingefüllt wer­ den kann. Das Mischungsverhältnis Schneidflüssigkeit zu Schneidmittel darf nur in sehr engen Grenzen schwanken. Die einzutragenden Mengen steuert das System vorzugsweise mit Hilfe einer Wägeeinrichtung, die unter dem Mischbehälter (6) angeord­ net ist. Sind die in einer Rezeptur hinterlegten Mengen in den Mischbehälter eingebracht, schalten automatisch gesteuerte Ven­ tile die Flüssigkeitszufuhr bzw. Schneidmittelzufuhr ab. Um Entmischungen des Slurry zu erkennen, wird die Suspension zusätzlich mittels einer Meßvorrichtung, vorzugsweise mittels einer Dichtemeßvorrichtung, kontrolliert. Die Dichtemeßvorrich­ tung ist in eine Ringleitung zwischen Behälter (6) und (7) in­ tegriert und wird mit der Pumpe des Mischbehälters (6) gespeist.

Um in den Leitungen zwischen Mischbehälter (6) und Lagerbe­ hälter (7) eine Sedimentation des Slurry zu verhindern, wird die Suspension ständig mit einer bestimmten Geschwindigkeit um­ gepumpt. Die Fließgeschwindigkeit in der Rohrleitung ist abhän­ gig von der Schneidflüssigkeit, der Konzentration des Schneid­ mittels in der Schneidflüssigkeit, dem Querschnitt der Rohre und der Beschaffenheit der Rohrleitung.

Da nach dem Auspumpen des Mischbehälters (6) eine Restmenge an Slurry zurückbleibt (Totmenge) und diese aus konstruktionstech­ nischen Gründen nicht gerührt werden kann, wird, um Sedimenta­ tion der Schneidmittelpartikelchen zu verhindern, sofort die für den nächsten Ansatz notwendige Flüssigkeitsmenge einge­ füllt. Nun tauchen Förderpumpe und Saugmischer ausreichend tief in die Flüssigkeit ein, um diese in Bewegung halten zu können.

Der Lagerbehälter (7) ist mit einem Rührwerk und einer Förder­ pumpe ausgestattet. Mit Hilfe des Rührwerkes soll die Sedimen­ tation des Schneidmittels verhindert werden. Die Förderpumpe hält das Slurry in der angeschlossenen Ringleitung ständig in Bewegung, um Ablagerungen zu vermeiden.

Mittels einer Ringleitung wird das Slurry zu den Slurrysystemen der einzelnen Drahtsägen gefördert. Da die Maschinen nach jedem Schnitt, d. h. etwa alle 2 bis 10 Std., eine bestimmte Menge Slurry benötigen, wird die Suspension auch über lange Wege ständig im Kreis gepumpt. Hier muß die berechnete Mindestgesch­ windigkeit des Slurry zur Vermeidung von Sedimentation einge­ halten werden. Über jeder Drahtsäge ist ein Ventil in die Ringleitung eingebunden, aus dem das Slurry senkrecht in den maschineneigenen Behälter fließen kann.

Jede Drahtsäge ist mit einem Slurrybehälter ausgerüstet. Das darin befindliche Slurry wird von Pumpen durch einen Wär­ metauscher und Dichtemeßvorrichtung zum Schneidraum der Maschine gefördert. Dort wird der Sägedraht mit Slurry benetzt. Der Draht transportiert nun das Schneidmittel zur Schneid­ stelle. An der Schneidstelle trägt durch mechanische Arbeit das Schneidkorn Silicium vom zu bearbeitenden Werkstück, und in ge­ wissen Mengen auch Stahl vom Sägedraht ab.

Die zusätzlich mit Siliciumabrieb und Metallabrieb beladene Suspension fließt in den Slurrybehälter zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Werkstück fertig bearbeitet, d. h. beispielsweise der Siliciumstab in Scheiben zerteilt ist. Die Beladung des Slurry mit Fremdstoffen wird mit Hilfe der Dichte­ meßvorrichtung kontrolliert. Durch den Eintrag von Silicium­ abrieb und Metallabrieb steigt die Dichte der Sägesuspension meßbar an. Ab einer kritischen Menge von Silicium- und Stahlabrieb im Slurry verändern sich die Sägeeigenschaften der­ art, daß die Qualität des herzustellenden Produktes für nach­ folgende Prozeßschritte ungenügend ist. Um das Sägeergebnis möglichst konstant zu halten, tauscht man nach jedem Sägevor­ gang eine bestimmte Menge des im Maschinenbehälter befindli­ chen, mit Fremdstoffen beladenen Slurry gegen frisches, wiederaufbereitetes oder eine Mischung aus frischen und wiederaufbereiteten Slurry aus.

In modernen Fertigungsbetrieben ist das gesamte Slurrysystem unter dem Drahtsägebetrieb angeordnet. Der Vorteil besteht im einfachen Ableiten des gebrauchten Slurry. Durch die Slurrypum­ pen der Drahtsägen wird die gebrauchte Slurry über ein 3-Wege- Ventil aus dem maschineninternen Kreislauf ausgeschleust. Die nach unten führenden Leitungen sind derart stark geneigt, daß eine Sedimentation des Schneidmittels während des Abfließen des Slurry auszuschließen ist. Die minimale Neigung der Rohrleitun­ gen hängt vom Slurrytyp und der Beschaffenheit der Rohre ab und ist durch Versuche zu bestimmen.

Kann der Lagerbehälter (1) der Wiederaufbereitungseinheit (A) nicht unter dem Drahtsägebetrieb angeordnet werden, ist eine Ringleitung zu installieren (ausgehend vom Lagerbehälter (1) zu den Drahtsägen und zum Behälter (1) zurück), die baugleich ist mit der Ringleitung (zentrale Slurryversorgung) zur Versorgung der Drahtsägen mit frischen bzw. wiederaufbereiteten Slurry. Im Behälter (1) befindet sich eine Pumpe, die das gebrauchte Slurry durch die zu den Sägen führende Ringleitung ständig in Bewegung hält. Die Fließgeschwindigkeit in der Ringleitung darf einen Minimalwert nicht unterschreiten, um Sedimentation zu verhindern. Über den Drahtsägen ist in die Ringleitung ein 3- Wege-Ventil integriert, dessen Ausgang mit der drahtsägeeigenen Slurrypumpe durch eine senkrechte Leitung verbunden ist. Muß gebrauchtes Slurry ausgepumpt werden, wird die im Lagerbehälter (1) befindliche Umwälzpumpe still gelegt und das über der Dra­ htsäge befindliche 3-Wege-Ventil geöffnet. Die drahtsägeeigene Slurrypumpe schiebt die auszupumpende Menge an gebrauchten Slurry in die Ringleitung. Ist dieser Vorgang beendet, wird das 3-Wege-Ventil geschlossen und die Umwälzpumpe des Lagerbe­ hälters (1) wieder gestartet. Die senkrechte Leitung zwischen Ventil und Pumpe entleert sich durch Schwerkraft.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Wiederaufbereitungseinheit (A) für gebrauchtes Slurry umfaßt im wesentlichen einen Lager­ behälter (1), einen 3-Phasen-Dekanter, einen darunter befindli­ chen Mischbehälter (2) und einen Lagerbehälter (3) für die Flüssigphase. Das in dem Lagerbehälter (1) befindliche ge­ brauchte Slurry wird, beispielsweise mittels einer Durchflußmeßvorrichtung, kontrolliert und einem 3-Phasen- Dekanter zugeführt. Diese Vorrichtung trennt das Slurry in eine relativ trockene Masse und eine Flüssigphase auf. Die Konstruk­ tion des Dekanters erlaubt eine Trennung der in der Suspension befindlichen Schneidkörner in einen Grob- und Feinkornanteil. Der Feinkornanteil wird mit der Schneidflüssigkeit ausgetragen, der Grobkornanteil tritt als feste Masse an der Unterseite der Vorrichtung aus. Durch eine geschickte Wahl der Maschinen­ parameter kann die Trennlinie zwischen Grob- und Feinkornan­ teil, entsprechend der prozeßtechnischen Anforderungen, ver­ schoben werden. Da der in dem gebrauchten Slurry befindliche Silicium- und Metallabrieb wesentlich geringer ist als die Schneidkörner, können die unerwünschten Partikelchen mit der Flüssigkeit ausgetragen werden. Rückgewonnenes Schneidmittel (Trockenphase) wird im Mischbehälter (2) redispergiert. Über­ raschenderweise werden durch die Trennung im Dekanter neben den Silicium- und Metallpartikelchen auch kleine, verschlissene Schneidkörner mit der Schneidflüssigkeit ausgetragen.

Die mittlere Korngröße des Schneidmittels beträgt bevorzugt von 9 bis 14 µm; die mittlere Korngröße des rückgewonnenen Schneid­ mittels beträgt bevorzugt von 7 bis 12 µm. Die Trenngrenze liegt vorzugsweise zwischen 2 und 5 µm. Die Korngröße des Siliciumabriebes ist << 1 µm und die Korngröße des Metallabrie­ bes ist << 1 µm.

Der 3-Phasen-Dekanter der Wiederaufbereitungseinheit (A) besteht aus einer rotierenden Trommel die sich an einem Ende konisch verengt. In der Trommel befindet sich eine Förderschnecke und ein zentral angeordnetes Zulaufrohr. Durch das feststehende zentrale Einlaufrohr wird das zu trennende Me­ dium in den Schneckenkörper geleitet und auf Umfangsgeschwin­ digkeit beschleunigt. Die Trommel rotiert mit der entsprechend der Trennaufgabe gewählten Drehzahl. Unter dem Einfluß der Zen­ trifugalkraft setzen sich die Feststoffteilchen in der Flüssig­ keitszone an der Trommelinnenwandung ab. Die Länge des zylin­ drischen Teiles und die Verjüngung des konischen Teiles der Trommel sind der zu erfüllenden Trennaufgabe anzupassen. Die Schnecke erfaßt mit ihren Wendeln die abgesetzten Feststoffe und transportiert sie in Richtung konischen Trommelteil. Die Aufenthaltszeit der Feststoffe in der Trockenzone ist maßgebend für den erzielbaren Trockengehalt. Trommel und Schnecke drehen sich in gleicher Richtung, jedoch mit geringfügig unterschied­ lichen Drehzahlen, die beide dem Schleudermedium angepaßt sind. Mit optimaler Restfeuchte verlassen die Feststoffe durch verschleißgeschützte Austrittsöffnungen die Trommel. Während die Flüssigkeit geklärt wird, fließt sie zwischen den Schneck­ enwendeln zum Trommelende auf der zylindrischen Seite und läuft über ein feinverstellbares Wehr, das die Höhe des Flüssigkeits­ niveaus in der Trommel bestimmt, ab.

Der Mischbehälter (2) der Wiederaufbereitungseinheit (A) umfaßt ein Rührwerk, dessen Drehzahl in einem weiten Bereich regelbar ist. Aus der zentralen Schneidflüssigkeitsvorlage wird dem Mischbehälter (2) Schneidflüssigkeit in Rohrleitungen zuge­ führt. Bei der Schneidflüssigkeit handelt es sich um frische oder um wiederaufbereitete Schneidflüssigkeit oder um ein Ge­ misch an frischer und wiederaufbereiteter Schneidflüssigkeit in einem beliebigen Verhältnis. Die in den Mischbehälter (2) eingebaute Pumpe fördert die Suspension durch Meßgerät, die die Dichte und Viskosität online ermittelt, sowie durch einen Kühler, der das zu messende Slurry auf einer Temperatur von ± 0,5°C konstant hält, um ein exaktes Meßergebnis zu erzielen. Ferner dient die Pumpe zum Entleeren des Behälters, nachdem das rückgewonnene Schneidmittel erfolgreich redispergiert wurde. Um aus dem rückgewonnenen Schneidmittel ein qualitativ hochwerti­ ges Slurry herzustellen, ist der Mischbehälter (2) auf Wägezel­ len positioniert, um die einzutragenden Mengen an Schneidflüs­ sigkeit zu bestimmen.

Bevor der 3-Phasen-Dekanter gestartet wird, wird in den Mischbehälter (2) beispielsweise etwa 80% der für die Mischung benötigten Schneidflüssigkeit eingefüllt und mit dem Rühren begonnen. Anschließend wird dem Dekanter aus dem Lagerbehälter (1) gebrauchtes Slurry zugeführt. Aus der dem Dekanter zuge­ führten, konstanten Slurrymenge erhält man eine in geringen Grenzen schwankende Menge an wiederverwertbaren Schneidmitteln, die in Form einer relativ trockenen, stichfesten Masse in den Mischbehälter (2) eingetragen werden. Durch ständiges Rühren, bei einer bestimmten Drehzahl während des Dekantiervorganges, bildet sich die Slurry. Die Zusammensetzung der Suspension wird fortlaufend mit Hilfe einer Dichtemeßvorrichtung und Visko­ sitätsmeßvorrichtung kontrolliert. Ist der Dekantiervorgang beendet, ermittelt ein Rechner aus den Meßdaten und der hinter­ legten Zieldichte die nachzudosierende Menge an Schneidflüssig­ keit. Durch die Zugabe von Flüssigkeit kann die Dichte des Slurry verringert werden. Nachdem die Flüssigkeit eingebracht und verrührt ist, wird wiederum gemessen und überprüft, ob die Zieldichte des wiederaufbereiteten Slurry bereits erreicht ist. Dieser Vorgang wiederholt sich bis die Zieldichte innerhalb vorgegebener Toleranzen eingestellt ist. Das Rechenmodell führt in der Regel zu einer Nachdosierung an Schneidflüssigkeit. Die Schneidflüssigkeit läßt sich wesentlich genauer dosieren als rückgewonnenes Schneidmittel.

Sollte wider Erwarten die nachdosierte Flüssigkeitsmenge zu groß gewesen sein, wird der Dekanter gestartet und eine aus der Dichtemessung errechnete Menge an gebrauchtem Slurry zusätzlich dekantiert. Eine Feinjustage der Dichte des Slurry erfolgt jedoch auch in diesem Fall durch Nachdosierung an Schneidflüs­ sigkeit.

Im Lagerbehälter (3) sammelt man die aus dem Dekanter aus­ strömende Flüssigphase, die neben Metallabrieb und Silicium­ abrieb auch den unerwünschten Feinkornanteil des Schneidmittels aufweist. Auch hier müssen durch ständiges Rühren die Parti­ kelchen und Körner in Schwebe gehalten werden. Das im Mischbe­ hälter (2) erzeugte wiederaufbereitete Slurry wird in den Lagerbehälter (4) umgepumpt. Da dem Slurrysystem durch den Aus­ trag (Flüssigphase) des Dekanters Massen (beispielsweise Feinkornanteile) entzogen werden und in den Drahtsägen be­ stimmte Mengen an Slurry verloren gehen, sind diese durch Zug­ abe von frischen Slurry auszugleichen. Erfindungsgemäß erfolgt die Durchmischung von wiederaufbereiteten Slurry und frischen Slurry im Mischbehälter (4).

Die aus dem Mischbehälter (2) der Wiederaufbereitungseinheit (A) in den Mischbehälter (4) der Slurryvorlageeinheit (B) um­ gepumpte Menge an wiederaufbereiteten Slurry dient als Führungsgröße. Diese Führungsgröße wird zur Bestimmung der in den Mischbehälter (4) zusätzlich einzutragenden Menge an frischer Slurry aus dem Mischbehälter (6) verwendet. Ist beispielsweise ein Mischungsverhältnis von 1 : 1 festgelegt, wird zu der aus dem Mischbehälter (2) in den Mischbehälter (4) um­ gepumpte Menge an wiederaufbereiteten Slurry die gleiche Menge an frischer Slurry aus dem Mischbehälter (6) zugegeben und durchmischt. Die Mengenmessung erfolgt vorzugsweise über Durchflußmeßvorrichtungen, die in den Zuleitungen integriert ist; bevorzugt sind auch Waagen, die unter den Mischbehältern angebracht sind. Die so erzeugte Slurrymischung wird in den Lagerbehälter (5) umgepumpt, aus dem dann die Slurry-Systeme der Drahtsägen versorgt werden.

In Versuchen wurde gefunden, daß für unterschiedliche Sägepro­ zesse das Mischungsverhältnis zwischen wiederaufbereiteten Slurry und frischen Slurry anzupassen ist. Demnach werden vor­ zugsweise Mischungen zwischen wiederaufbereiteten Slurry und frischen Slurry in jedem beliebigen Verhältnis hergestellt.

Mischt man beispielsweise wiederaufbereitetes Slurry mit fris­ chem Slurry im Verhältnis 1 : 1, würde bei einem Wirkungsgrad des Dekanters von etwa 95% das System durch gebrauchtes Slurry in dem Lagerbehälter (1) überladen. Um dies zu vermeiden, pumpt das erfindungsgemäße Slurry-Management-System automatisch bei Erreichen eines bestimmten Füllstandes des Lagerbehälters (1) die überschüssige Menge in den Lagerbehälter (3). Läuft von den Drahtsägen zu wenig gebrauchtes Slurry in den Lagerbehälter (1) zurück, wird das Mischungsverhältnis in dem Mischbehälter (4) zu Gunsten des frischen Slurry geändert.

Im Lagerbehälter (3) befindet sich Schneidflüssigkeit mit Siliciumabrieb, Metallabrieb und abgenutzten Schneidkörnern. Um die Schneidflüssigkeit rückzugewinnen leitet man die Suspension in einen Dünnschichtverdampfer. Der Dünnschichtverdampfer besteht aus einem beheizten stehenden Metallzylinder, in dem eine Welle mit aufgesetzten Paddeln rotiert. Der Abstand zwi­ schen Zylinderwandung und rotierendem Paddel ist in der Größenordnung von etwa 10 mm. Der Zylinder ist luftdicht ver­ schlossen und während des Prozesses in der Regel evakuiert. Eine Evakuierung des Apparates ist meist sinnvoll, um den Sie­ depunkt der zu verdampfenden Flüssigkeit herabzusetzen. Ebenso wird der Energiebedarf für die Verdampfung des Produktes reduziert. Bevorzugt werden Schneidflüssigkeiten, wie bei­ spielsweise Glykole, unter Vakuum verdampft.

Bei einem Dünnschichtverdampfer handelt es sich um ein thermi­ sches Trocknungssystem mit mechanisch erzeugter dünner Schicht. Mittels geeigneter Pumpen speist man im Kopfbereich des Dünn­ schichtverdampfers die zu trennende Suspension ein. Durch einen Verteilerring und die rotierenden Paddel wird das Medium gegen die erhitzte Wandung des Zylinders geschleudert, wobei die Schneidflüssigkeit verdampft. Nachdem der Feststoff getrocknet ist, rieselt dieser an den Grund des Verdampfers, wo er nach Bedarf ausgeschleust wird. Der ausgetragene Feststoff kann nun umweltfreundlich entsorgt werden. Die verdampfte Schneidflüs­ sigkeit wird durch einen Kondensator geleitet und von dort als Flüssigphase in einen Lagerbehälter übergeführt. Für hygro­ skopische Flüssigkeiten kann die Kondensation in 2 Stufen er­ folgen. In der ersten Kondensationsstufe entzieht man der Dampfphase die höher siedende Schneidflüssigkeit, in der zweiten Stufe das unerwünschte Wasser. Somit hat man in einem Arbeitsgang die Schneidflüssigkeit rückgewonnen und getrocknet. Der Reinheitsgrad der rückgewonnenen Schneidflüssigkeit beträgt < 97%. Der Trocknungsvorgang ist notwendig, da frisch zerspan­ tes Silicium Wasser zu hochexplosivem Wasserstoff reduziert.

Legende

1

Lagerbehälter der Wiederaufbereitungseinheit (A)

2

Mischbehälter der Wiederaufbereitungseinheit (A)

3

Lagerbehälter der Wiederaufbereitungseinheit (A)

4

Mischbehälter der Slurryvorlageeinheit (B)

5

Lagerbehälter der Slurryvorlageeinheit (B)

6

Mischbehälter der Mischeinheit (C)

7

Lagerbehälter der Mischeinheit (C)

8

Dekanter

9

Lagertank für frische Schneidflüssigkeit

10

Lagertank für rückgewonnene Schneidflüssigkeit

11

Dünnschichtverdampfer

12

Kondensator I

13

Kondensator II

14

Ausschleusen von getrockneten Feststoffen

15

Ausschleusen von Kondensatem insb. Wasser

16

Ausschleusen von gebrauchten Slurry

17

Durchflußmesser/Dichtemeßvorrichtung

18

Anlieferung von frischem Schneidmittel

19

Ringleitung zur Versorgung des Drahts

20

Ansaugstutzen für Schneidmittel

21

Zulauf Kühlwasser

22

Ringleitungssystem zur Entnahme von gebrauchten Slurry

Claims (8)

1. Slurry-Management-System für eine Drahtsäge, in der ein Sägedraht zwischen Drahtführungsrollen ein Drahtgatter aus­ bildet, das in Verbindung mit einem Slurry als Schneidwerkzeug zum Trennschleifen eines Werkstücks genutzt wird, gekennzeich­ net durch eine Wiederaufbereitungseinheit für gebrauchtes Slurry (A), eine Wiederaufbereitungseinheit für Schneidflüssig­ keit (D), eine Mischeinheit mit zentraler Schneidflüssigkeits­ vorlage (C) zur Bereitstellung von frischen Slurry, eine Slur­ ryvorlageeinheit (B) zur Bereitstellung einer Slurrymischung, ein Ringleitungssystem zur Versorgung des Slurrysystems der Drahtsäge mit einer Slurrymischung und ein Drainage- oder Ringleitungssystem (22) zur Entnahme von gebrauchten Slurry aus der Drahtsäge.

2. Slurry-Management-System gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wiederaufbereitungseinheit für ge­ brauchtes Slurry (A) einen Lagerbehälter (1) für gebrauchtes Slurry, einen 3-Phasen-Dekanter (8), einen Mischbehälter (2) und einen Lagerbehälter (3) für die Flüssigphase umfaßt.

3. Slurry-Management-System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wiederaufbereitungssystem für die Schneidflüssigkeit (D) einen Dünnschichtverdampfer (11), in dem die Flüssigkeit vom Feststoff getrennt wird, einen Kondensator I (12), in dem das dampfförmige Schneidmittel in die Flüssig­ phase übergeführt wird, und einen Kondensator II (13), in dem wässrige Bestandteile entfernt werden, umfaßt.

4. Slurry-Management-System gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinheit mit zentraler Schneidflüssigkeitsvorlage (C) zur Bereitstellung von frischen Slurry eine Mischbehälter (6) mit Wägeeinrichtung, einen Saug­ mischer zur staubfreien Übernahme von Schneidmittel und einen Lagerbehälter (7) für frisches Slurry umfaßt.

5. Slurry-Management-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Slurryvorlageeinheit (B) einen Mischbehälter (4) mit Wägeeinrichtung, in dem frisches und wiederaufbereitetes Slurry durchmischt werden, und einen Lagerbehälter (5), der das durchmischte Slurry aufnimmt, um­ faßt.

6. Verfahren zur Herstellung einer Slurrymischung für eine Drahtsäge, in der ein Sägedraht zwischen Drahtführungsrollen ein Drahtgatter ausbildet, das in Verbindung mit einem Slurry als Schneidwerkzeug zum Trennschleifen eines Werkstücks genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß frisches Schneidmittel in ei­ ne Schneidflüssigkeit eingebracht und durchmischt wird und rückgewonnenes Schneidmittel in eine Schneidflüssigkeit einge­ bracht und durchmischt wird und diese beiden Slurryarten in einem Mischbehälter durchmischt werden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rückgewonnene Schneidmittel nur den grobkörnigen Feststof­ fanteil umfaßt, der aus gebrauchten Slurry mittels eines 3- Phasen-Dekanters erhältlich ist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schneidmittel in frische, in wiederaufbereitete oder in ein Gemisch an frischer und wiederaufbereiteter Schneidflüssigkeit in einem beliebigen Verhältnis eingebracht wird.