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Beschreibung
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Sägevorrichtung
zum Sägen
eines Werkstücks
aus hartem sprödem
Material im Allgemeinen und eine Vielfachsägevorrichtung, um gleichzeitig
eine Mehrzahl von Scheiben von dem Werkstück abzutrennen im Besonderen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Dünne Kristallscheiben
werden für
verschiedene technische Anwendungen benötigt. Zu ihrer Herstellung
werden typischerweise zunächst
im Wesentlichen zylindrische Kristalle gezüchtet und diese anschließend in
eine Mehrzahl von Scheiben zersägt.
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Hierfür wurden
bislang die folgenden Sägen
verwendet. Beispielsweise werden sogenannte Innenlochsägen eingesetzt,
bei welchen das Werkstück
in eine zentrale Öffnung
der Säge
eingeführt
wird. Die Innenkante der Öffnung
ist dabei mit Diamantstaub beschichtet, so dass durch einen transversalen
Vorschub der Säge
einzelne Scheiben von dem Werkstück
abgesägt
werden können.
Nachteilig bei dieser Säge
ist es, dass Scheibe für
Scheibeeinzeln abgesägt
wird und aufgrund der Dicke der Säge ein relativ großer Verschnitt
entsteht.
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Ferner
ist die Größe des Werkstücks durch
die Größe des Innenloches
in der Säge
begrenzt. Außerdem
sind Innenlochsägen
aufwändig
und daher teuer.
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Weiter
sind sogenannte Vielfachdrahtsägen
bekannt, bei welchen eine Mehrzahl von parallelen Sägedrähten auf
einem System aus zumindest drei Spannwalzen zum Sägen verwendet
wird. Als abrasives Material dient typischerweise eine Schleifstaubemulsion,
welche in der Fachwelt auch als „slurry" bezeichnet wird.
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Mit
dieser Säge
können
zwar gleichzeitig eine Vielzahl von Schnitten durchgeführt werden,
dennoch ist der Zeitaufwand für
den Sägevorgang
aufgrund eines geringen Materialabtrages sehr groß. Typische
Sägezeiten
für einen
Vielfachschnitt betragen immerhin etwa einen Tag.
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Ferner
hat sich gezeigt, dass die mittels dieser Säge erzeugten Kristallscheiben
eine sich verjüngende Form
erhalten, das heißt,
dass die Parallelität
der Schnitte zu wünschen übrig lässt. Im übrigen sind
diese Drahtsägen
sehr komplex und teuer.
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Es
sind auch Vielfachdrahtsägen
bekannt, bei welchen nicht mit einer Schleifemulsion gearbeitet
wird, sondern die Drähte
mit Diamantstaub beschichtet sind. Mit diesen wird zwar eine etwas
höhere
Schnittgeschwindigkeit von etwa drei bis fünf Stunden für einen
Vielfachschnitt erreicht, jedoch sind diese Sägen ebenfalls sehr kostenintensiv.
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Ferner
besteht bei dieser Drahtsäge
das Problem, dass sich der Draht während des Sägens dreht, so dass eine vollständige Rundumbeschichtung
notwendig ist, was wiederum zu erhöhten Kosten führt.
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Generell
hat sich bei den Drahtsäen
noch als nachteilig erwiesen, dass die von den Drähten erzeugten Schnittflächen wellenförmige Unebenheiten
aufweisen, so dass diese für Anwendungen
mit hohen Anforderungen an die Planarität der Schnittflächen höchstens
bedingt geeignet sind.
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Allgemeine
Beschreibung der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sägevorrichtung
zum Sägen
eines Werkstücks
aus hartem sprödem
Material bereitzustellen, welche gleichzeitig eine Mehrzahl von
Scheiben von dem Werkstück
abzutrennen vermag und diese Scheiben hohen Qualitätsanforderungen
an die Planarität
und/oder Parallelität
der Schnittflächen
genügen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Sägevorrichtung
bereitzustellen, welche eine hohe Sägegeschwindigkeit erlaubt.
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Noch
eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Sägevorrichtung
bereitzustellen, welche kostengünstig
herzustellen ist und welche effizient arbeitet.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Sägevorrichtung
bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Sägevorrichtungen
meidet oder zumindest mindert.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird in überraschend
einfacher Weise bereits durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird eine
Sägevorrichtung
zum Sägen
eines Werkstücks
aus hartem sprödem
Material vorgeschlagen, wobei die Sägevorrichtung eine Sägenanordnung,
z.B. in Form eines Rahmens mit eingespannten Sägewerkzeugen umfasst. Die Sägevorrichtung
ist insbesondere zum Zersägen
von Kristallen, genauer Kristallstangen in eine Vielzahl von Scheiben
hergerichtet. Die Sägenanordnung
weist eine Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Sägewerkzeugen
auf, so dass gleichzeitig eine Mehrzahl von Scheiben von dem Werkstück abgetrennt
werden können,
wenn die Sägenanordnung
unter Kraftbeaufschlagung gegen das Werkstück oder umgekehrt, insbesondere
im Pendelbetrieb das Werkstück
sägt.
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Es
wurde nun im Rahmen der Erfindung herausgefunden, dass das Sägeergebnis
erheblich verbessert werden kann, wenn die Sägevorrichtung, genauer die
Sägenanordnung
eine Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Schleifwerkzeugen
umfasst, wobei die Sägewerkzeuge
und die Schleifwerkzeuge paarweise und in Bezug auf das Werkstück hintereinander
und parallel zueinander angeordnet sind. Somit werden die von den
Sägewerkzeugen
zuvor erzeugten Schnittflächen
der Scheiben in demselben Arbeitsschritt mit den Schleifwerkzeugen
nachbearbeitet.
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Zunächst ergibt
sich daraus der Vorteil, dass mit ein und derselben Vorrichtung
in effizienter Weise eine Vielzahl von Werkstückscheiben erzeugt werden können, welche
bereits eine relativ hohe Oberflächengüte der Schnittflächen oder
Planflächen
aufweisen, so dass ein separater weiterer Schleifvorgang gegebenenfalls
entfallen kann. Vorzugsweise werden die Schnittflächen nach
dem Sägen
und Schleifen lediglich noch in einem separaten Arbeitsschritt poliert.
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Im
Rahmen der Erfindung wurde außerdem
noch herausgefunden, dass die erfindungsgemäß hergestellten Scheiben eine
im Vergleich zu bekannten Sägeverfahren
verbesserte Parallelität
der beiden Schnittflächen
aufweisen. Dieses Ergebnis ist gleichermaßen überraschend, wie vorteilhaft, da
die Parallelität
der Schnittflächen
oder Trennflächen
für die
Qualität
der Scheiben bedeutsam ist.
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Es
wurde nämlich
herausgefunden, dass ein Grund für
die mangelhafte Flachheit und Parallelität bei bekannten Verfahren darin
begründet
sein kann, dass sich aufgrund des Anpressdruckes des Werkstückes gegen
die Sägewerkzeuge,
bzw. umgekehrt, eine Verdrehung der Sägewerkzeuge stattfinden kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Sägevorrichtung
wird eine solche Verdrehung an den Schleifwerkzeugen weitgehend
vermieden, da diese einem Anpressdruck im Wesentlichen, nicht ausgesetzt
sind. Somit wird eine große
Flachheit und Parallelität
der Schnittflächen
durch die Nachbearbeitung mittels der Schleifwerkzeuge erzielt,
so dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine hohe Präzision
in der Bearbeitung der Schnittflächen
des Werkstücks
erreicht wird.
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Es
hat sich ferner herausgestellt, dass die Flachheit und Parallelität der Schnittflächen von
besonderer Güte
ist, wenn die Sägewerkzeuge
und/oder die Schleifwerkzeuge durch längliche und im Querschnitt
flache Sägeblätter bzw.
Schleifblätter
gebildet werden. Diese Form der Werkzeuge scheint diesbezüglich, insbesondere
gegenüber
runden Schleifdrähten
von Vorteil zu sein.
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Zwar
ist auch die Verwendung einer Schleifstaubemulsion (slurry) denkbar,
jedoch haben die Erfinder festgestellt, dass die Parallelität der Schnittflächen mit
Säge- und
Schleifblättern,
auf welche ein Schleifmittel fest aufgebracht ist, demgegenüber verbessert
ist. Es hat sich bewährt,
die Säge-
und/oder Schleifwerkzeuge zumindest abschnittsweise mit Schleifpartikeln,
z.B. Diamantstaub oder Diamantsplittern fest zu beschichten, so
dass jeweils Werkzeuge gebildet sind, die jeweils selbst eine zumindest
abschnittsweise abrasive Oberfläche
besitzen und somit auf eine Schleifstaubemulsion verzichtet werden
kann.
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Ferner
hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass mit beschichteten
Sägeblättern eine
außerordentlich
hohe Schnittgeschwindigkeit erreicht werden kann, welche insbesondere
erheblich höher
als bei Sägen
mit Schleifstaubemulsion ist. Beispielsweise wurde ein 5 cm dicker
Kristallstab in etwa 75 Minuten zerteilt. Dass dies ein immenser
Vorteil gegenüber
den langsamen bekannten Verfahren ist, liegt auf der Hand.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
erstrecken sich die Sägewerkzeuge
parallel zu einer ersten Achse und sind in einer ersten Ebene an
einem Rahmen befestigt, so dass die Sägewerkzeuge eine lineare Gitterstruktur,
etwa wie bei einem Eierschneider bilden. Eine derartige Vielfachsägevorrichtung
wird auch als Gattersäge
bezeichnet. Diese Gattersäge
ist erheblich preisgünstiger
als eine Drahtsäge.
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Der
Sägevorgang
wird in einfacher Weise durch eine im Wesentlichen lineare Pendelbewegung
des Rahmens parallel zu den Sägeblättern, also
entlang der ersten Achse bewerkstelligt, so dass unter Kraftbeaufschlagung
des Werkstücks
gegen die Sägeblätter beziehungsweise
umgekehrt, gleichzeitig mehrere Scheiben von dem Werkstück abgesägt werden.
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Die
Schleifblätter
erstrecken sich dabei parallel zu den Sägeblättern und bilden ebenfalls
eine lineare Gitterstruktur in einer zweiten Ebene, welche in Bezug
auf das Werkstück
hinter der ersten Ebene liegt, so dass zunächst mit den Sägeblättern gesägt und anschließend mit
den Schleifblättern
nachgeschliffen wird. Es sind folglich zwei Gatter hintereinander
vorgesehen.
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Vorzugsweise
sind die Schleifblätter
und die Sägeblätter an
demselben Rahmen befestigt, was eine besonders einfache Lösung darstellt.
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Die
Sägewerkzeuge
und die Schleifwerkzeuge sind mit anderen Worten derart angeordnet,
dass in Bezug auf das Werkstück
hinter jedem Sägewerkzeug
genau ein zugehöriges
Schleifwerkzeug, welches vorzugsweise im Wesentlichen dieselbe Stärke wie
das Sägewerkzeug
aufweist, in dem Rahmen angeordnet ist, so dass jeweils eines der
Sägewerkzeuge
und das dahinter liegende zugehörige
Schleifwerkzeug jeweils ein Sägeblatt-Schleifblatt-Paar
bilden.
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Dadurch
wird erreicht, dass im Betrieb in einem Arbeitsschritt die Sägewerkzeuge
gleichzeitig eine Mehrzahl von Schlitzen in das Werkstück schneiden,
um eine Mehrzahl von Scheiben von dem Werkstück abzutrennen und unmittelbar
nachfolgend die Schleifwerkzeuge in die jeweils zugehörigen Schlitze
eingeführt werden,
um in demselben Arbeitsschritt die Schnittflächen der Scheiben nachzuschleifen.
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Ferner
ist es vorteilhaft die Schleifblätter
relativ dicht hinter den Sägeblättern anzuordnen,
so dass der Schleifvergang bereits beginnt, bevor der Sägevorgang
abgeschlossen ist. Dies ist von Vorteil, weil erstens die Dauer
des gesamten Säge-
und Schleifvorganges dadurch verkürzt wird und gleichzeitig die
teilweise angesägten
Scheiben noch im Verbund vorhanden sind.
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Die
Sägeblätter und/oder
die Schleifblätter
sind bevorzugt länglich
ausgebildet und weisen einen im Wesentlichen flachen rechteckigen
Querschnitt auf, wobei die Blätter
bezüglich
des flachen rechteckigen Querschnitts hochkant paarweise hintereinander
und nebeneinander in dem Rahmen eingespannt sind. Dadurch wird der
Verschnitt gering gehalten.
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Die
Sägewerkzeuge
besitzen somit eine sägeaktive
schmale Vorderseite, welche dem Werkstück zugewandt ist, eine schmale
Rückseite,
welche der Vorderseite gegenüberliegt
sowie eine linke und rechte Seitenfläche, welche die Vorderseite
und die Rückseite
miteinander verbinden. Die Schleifpartikel sind vorzugsweise an
der Vorderseite und lediglich an schmalen Abschnitten der linken
und rechten Seitenfläche,
welche an die Vorderseite angrenzen, aufgebracht, so dass eine im
Wesentlichen U-Profilförmige
Schleifmittelschicht auf den Sägeblättern gebildet
ist.
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Diese
lediglich Teilbeschichtung der Seitenflächen der Sägeblätter hat den Vorteil der Sägeblättern im hinteren
Bereich kein Material abtragen, so dass wiederum eine hohe Parallelität der Schnittflächen gewährleistet
ist.
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Die
Schleifwerkzeuge sind von gleicher Form, wobei deren Vorderseite
jeweils der Rückseite
des zugehörigen
Sägeblatts
zugewandt ist. Vorzugsweise sind die Schleifblätter mit einem zweiten Schleifmittel
an der Vorderseite und vollständig
an der linken und rechten Seitenfläche fest beschichtet, wobei
ebenfalls eine im Wesentlichen U-Profilförmige Schleifmittelschicht
gebildet ist. Allerdings ist die Ausdehnung der Schleifmittelschicht
an den Seitenflächen
der Schleifwerkzeuge in Vorschubrichtung erheblich größer, als
die Ausdehnung der Schleifmittelschicht an den Sägewerkzeugen.
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Dadurch
wird eine besonders gründliches
und gleichmäßiges Schleifergebnis
erzielt.
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Als
Schleifmittel werden vorzugsweise Partikel mit einer Härte nach
Moh von zumindest 9, z.B. Saphir (9 Moh), Korund (9,5 bis 9,6 Moh)
oder Diamant (10 Moh) verwendet.
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Es
ist besonders vorteilhaft, das zweite Schleifmittel feiner als das
erste auszuwählen.
Dadurch kann eine hohe Vorschubgeschwindigkeit korrespondierend
mit einer kurzen Sägezeit,
bei gleichzeitiger feiner Nachbearbeitung der Schnittflächen erzielt
werden.
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In
intensiven Experimenten wurde als bevorzugter Bereich für das erste
Schleifmittel eine Körnung zwischen
20 μm und
100 μm,
besonders bevorzugt zwischen 46 μm
und 75 μm
und/oder für
das zweite Schleifmittel eine Körnung
zwischen 10 μm
und 50 μm,
besonders bevorzugt zwischen 10 μm
und 30 μm
ermittelt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfassen die Sägewerkzeuge
und/oder die Schleifwerkzeuge einen Träger, welcher aus einem ersten
Material, z.B. Edelstahl besteht. Dieser ist weiter vorzugsweise
unter den Schleifpartikeln mit einem zweiten vom ersten Material
unterschiedlichen Material, z.B. einem Metall, insbesondere Nickel
beschichtet.
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Dadurch
kann die Haftung der Schleifpartikel auf den Werkzeugen erhöht werden.
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Vorzugsweise
sind die Sägewerkzeuge
und/oder die Schleifwerkzeuge in dem Rahmen mit einer Zugspannung
von zumindest 10, 12 oder sogar 15 kg/cm2 eingespannt.
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Die
hohe Spannung, welche mit einer Drahtsäge kaum erreichbar ist, sorgt
in vorteilhafter Weise für besonders
Planare Schnittflächen.
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Weiter
bevorzugt ist es, die Sägewerkzeuge
und/oder die Schleifwerkzeuge in dem Rahmen mit austauschbaren Abstandshaltern
zwischen benachbarten Sägewerkzeugen
bzw. Schleifwerkzeugen einzuspannen.
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Dadurch
können
die Werkzeuge leicht ausgetauscht werden oder der Abstand zwischen
ihnen variiert werden.
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Die
Sägevorrichtung
umfasst ferner vorzugsweise eine Halterung für das Werkstück, wobei
die Halterung und Sägenanordnung
gegeneinander beweglich sind und im Betrieb die Halterung, insbesondere
mittels Gewichten gegen die Sägenanordnung
kraftbeaufschlagt ist, um einen Vorschub des Werkstückes im
Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse zu erzielen. Die Kraft
wird bevorzugt während
des Säge-
und Schleifvorganges erhöht.
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Dies
ist vorteilhaft, da die Reibung aufgrund der wachsenden Kontaktfläche während des
Sägens
und Schleifens zunimmt.
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Angetrieben
wird die Sägevorrichtung
in einfacher Weise von einem Kurbelantrieb, welcher die im Wesentlichen
lineare Pendelbewegung der Sägenanordnung
bzw. des Rahmens entlang der Längsachse
der Werkzeuge erzeugt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert,
wobei gleiche und ähnliche Elemente
teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemäßen Sägevorrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung der Säge-
und Schleifblätter
mit dazwischen liegenden Abstandshaltern,
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3 eine
schematische dreidimensionale Darstellung eines etwa bis zur Hälfte zersägten Werkstücks,
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4 einen
schematischen Querschnitt durch die Säge- und Schleifwerkzeuge gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung während
des Sägevorgangs,
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5 einen
schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß hergestellte
Kristallscheibe,
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6 einen
schematischen Querschnitt durch eine mit einem bekannten Verfahren
hergestellte Kristallscheibe,
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7 einen
Querschnitt durch ein Werkstück
mit dem Sägeblatt
in verschiedenen Sägetiefen,
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8 eine
Blockdarstellung der Steuerung eines Schrittmotorsystems,
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9 eine
Seitenansicht einer schrittmotorgetriebenen Zuführeinrichtung,
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10 eine
Frontansicht der schrittmotorgetriebenen Zuführeinrichtung aus 9 und
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11 eine
Draufsicht der schrittmotorgetriebenen Zuführeinrichtung aus 9.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sägevorrichtung,
welche als Ganzes mit 1 bezeichnet ist. Die Sägevorrichtung 1 umfasst
einen Rahmen oder Spannrahmen 2, in welchem jeweils eine
Vielzahl von etwa 10 bis 100 Sägeblättern 4 und
Schleifblättern 6 eingespannt
sind (besser zu sehen in den 2 bis 4).
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Die
Säge- und
Schleifblätter 4, 6 werden
mittels einer Spannvorrichtung mit etwa 10 bis 15 kg/cm2 vorgespannt
in den Rahmen 2 eingesetzt und unter Beibehaltung der Vorspannung
mit Bolzen 8 in dem Rahmen 2 fixiert.
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Die
Sägevorrichtung 1 umfasst
ferner eine Andruck- oder Zuführeinrichtung 10 mit
einer vertikal beweglichen Aufnahme 12, in welche das Werkstück 14 aufgenommen
beziehungsweise eingespannt ist.
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Die
Zuführeinrichtung 10 bewirkt
einen Vorschub in Richtung des Rahmens 2, bzw. der aus
dem Rahmen 2 und den Säge-
und Schleifblättern 4, 6 gebildeten
Sägenanordnung 16 entlang
der Vorschubrichtung 18.
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Der
Vorschub wird über
eine Umlenkeinrichtung 20, welche Umlenkrollen 22 umfasst,
bewerkstelligt. Hierzu ist ein Gewicht 24 vorgesehen, so
dass der Vorschub 18 mittels Gravitationskraft erzeugt
wird.
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Ferner
vorgesehen sind Mittel zur Erhöhung
der Andruck- oder
Vorschubkraft durch entsprechende Gewichtserhöhung oder einen entsprechenden
Umlenkmechanismus, wobei die Andruckkrafterhöhung der Übersichtlichkeit halber in
der 1 nicht dargestellt ist. Die technische Realisierung
einer Andruckkrafterhöhung
ist dem Fachmann jedoch bekannt.
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Die
Sägevorrichtung 1 umfasst
ferner eine Antriebseinrichtung 30 mit einem Motor 32,
welcher über einen
Riemen 34 eine Kurbelscheibe 36 antreibt. Die
Kurbelscheibe 36 ist mit einem exzentrisch gelagerten Antriebsstab 38 mit
der Sägenanordnung 16,
genauer mittig mit dem Rahmen 2 verbunden, so dass eine
im Wesentlichen lineare Hin- und Herbewegung oder Pendelbewegung
entlang der Achse 40 erzeugt wird. Die Achse 40 ist
im Wesentlichen senkrecht zur Vorschubrichtung 18 angeordnet.
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Bezug
nehmend auf 2 sind in einer Querschnittsdarstellung
drei der Sägeblätter 4 und
drei der Schleifblätter 6 dargestellt.
Die Sägeblätter 4 und
die Schleifblätter 6 sind
jeweils hochkant nebeneinander angeordnet. Ferner bildet jeweils
ein Sägeblatt 4 und
ein Schleifblatt 6 ein schmalseitig benachbartes Paar.
Quer zur Vorschubrichtung sind zwischen den Paaren jeweils austauschbare
Abstandshalter 42 vorgesehen, mittels deren Dicke die Dicke
der herzustellenden Kristallscheiben definiert wird. Somit können durch
Einsatz verschieden dicker Abstandshalter 42 verschieden
dicke Kristallscheiben von dem Werkstück abgesägt werden.
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Die
Zwischenräume
zwischen den Säge-
bzw. Schleifblättern
und den Abstandshaltern 42 sind lediglich der Übersichtlichkeit
halber dargestellt, es handelt sich folglich bei 2 um
eine Art Explosionsdarstellung.
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Bezug
nehmend auf 3 ist das Werkstück 14 in
Form eines zylindrischen Kristalls dargestellt, welcher bereits
etwa zur Hälfte
eingeschnitten ist. Es ist zu sehen, wie gleichzeitig eine Vielzahl
von Scheiben 46 von dem Werkstück 14 mittels der
Säge- und
Schleifblätter 4, 6 abgetrennt
werden können.
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Ferner
ist dargestellt, dass der eigentliche Schnitt zunächst von
den Sägeblättern 4,
welche sich in der Darstellung unterhalb der Schleifblätter 6 befinden,
erzeugt wird. Unmittelbar nach den Sägeblättern 4 werden jeweils
zugehörige
Schleifblätter
eines Paares in den von den entsprechenden Sägeblättern erzeugten Schlitz eingeführt. Die
Schleifblätter 6 bewerkstelligen
im selben Arbeitsschritt, lediglich aufgrund ihrer bezüglich der Vorschubrichtung
zurückgesetzten
Position zeitlich etwas verzögert,
eine Nachbearbeitung der Schnittflächen.
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Bezug
nehmend auf 4 ist ein Querschnitt durch
das Werkstück 14 und
die in Schlitzen 48 befindlichen Säge- und Schleifblätter 4, 6 gezeigt.
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Die
Säge- und
Schleifblätter 4, 6 umfassen
jeweils einen Grundkörper
aus einem länglichen
im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigen Edelstahlblech 54 bzw. 56.
Das Sägeblatt 4 weist
eine Vorderseite 4a, eine Rückseite 4b und zwei
Seitenflächen 4c und 4d auf,
welche gemeinsam den Umfang des Querschnitts definieren. Das Schleifblatt 6 weist
entsprechende Seiten 6a bis 6d auf.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schleifblatt 6 an
deren Vorderseite und den beiden Seitenflächen 6a, 6c, 6d mit
Diamantstaub oder Diamantsplittern beschichtet. Folglich besitzen
die Schleifblätter 6 jeweils
eine im Wesentlichen U-förmige
Diamantbeschichtung bzw. 66.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist das Schleifblatt 6 also auf seiner Vorderseite und
den beiden Seitenflächen 6a, 6c, 6d vollständig mit
Diamantstaub beschichtet. Das Sägeblatt 4 hingegen
ist lediglich auf seiner Vorderseite 4a und jeweils einem
Abschnitt 74c und 74d der Seitenflächen 4c und 4d,
auch U-förmig,
mit Diamantstaub 64 beschichtet. Die Höhe der beschichteten Abschnitte 74c und 74d der
Seitenflächen
ist mit etwa 1 mm bis 2 mm erheblich kleiner als die Gesamthöhe des Sägeblatts 4,
da die aktive Schneidfläche
durch die Vorderkante 4a gebildet wird und der Diamantstaub
auf den Seitenflächen
im Wesentlichen dazu dient, dass sich das Sägeblatt nicht verklemmt.
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Unter
den Diamantstaub-beschichteten Seiten beziehungsweise Abschnitten
sind die Säge-
und Schleifblätter
mit Nickel beschichtet, um eine bessere Haftung des Schleifmaterials
zu erzielen.
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Ferner
vorteilhaft beträgt
die Körnung
des Schleifmaterials bzw. Diamantstaubs auf dem Sägeblatt 4 46 μm (D46) und
die Körnung
auf dem Schleifblatt 6 20 μm (D20). Folglich ist die Körnung auf
dem Schleifblatt 6 feiner als auf dem Sägeblatt 4, wodurch
ein schneller Vorschub mittels der Sägeblätter erzielt werden kann und
gleichzeitig eine feinere Nachbearbeitung der Schnittflächen mittels
der Schleifblätter
zu einer hohen Oberflächengüte führt.
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Demnach
umfasst die Sägenanordnung 16 zwei
in Bezug auf die Vorschubrichtung hintereinander angeordnete Sätze von
dünnen
Blättern,
wobei die in Schneidrichtung vorderen und in der Zeichnung unteren Blätter 4 die
Sägeblätter und
die in Sägerichtung
hinteren und in der Zeichnung oberen Blätter 6 die Schleifblätter repräsentieren.
Die Höhe
der Säge-
und Schleifblätter 4, 6 beträgt jeweils
etwa 10 mm bis 12 mm und deren Dicke etwa jeweils 0,25 mm bis 0,3
mm.
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Die
Enden der Säge-
und Schleifblätter 4, 6 sind
zwischen den Abstandshaltern 42 in dem Rahmen eingespannt
oder festgeklemmt.
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Die
Pendelgeschwindigkeit des Rahmens 2 ist einstellbar von
etwa 2 bis 100 Zyklen pro Minute. In diesem Beispiel bewegt sich
die Sägenanordnung 16 beziehungsweise
der Rahmen 2 mit einer Geschwindigkeit von 43 Pendelbewegungen
pro Minute hin und her. Dadurch kann eine außerordentlich kurze Schneidzeit erzielt
werden. So konnte ein 5 cm durchmessender Saphirkristall in 75 Minuten
zerteilt werden.
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Bezug
nehmend auf 5 ist ein Querschnitt durch
die erfindungsgemäß hergestellte
Kristallscheibe 46 mit hoher Planarität und Parallelität der beiden
Schnittflächen 46a, 46b dargestellt.
Im Gegensatz dazu zeigt 6 eine Kristallscheibe, welche
mit einer bekannten Sägevorrichtung
mit einer Schleifstaubemulsion abgesägt wurde. Die Kristallscheibe 84 weist
eine geringere Parallelität
der Schnittflächen 84a, 84b auf.
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Bezug
nehmend auf die 8 bis 11 wird
im Folgenden eine Zuführeinrichtung 128 mit
einem Schrittmotorsystem 120 für den Werstückvorschub beschrieben, welches
alternativ zu der in 1 dargestellten Zuführeinrichtung 10 mit
dem gravitativen Vorschub eingesetzt wird.
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Das
Schneiden von Kristallen erfordert eine exakte Kontrolle des Schneide-
oder Sägevorgangs,
um hochpräzise
Kristallscheiben zu erhalten. Die erfindungsgemäße Sägevorrichtung führt hierzu
zwei zueinander im Wesentlichen senkrecht zueinander stehende Bewegungen
durch:
- 1. Die horizontale Pendelbewegung des
Rahmens und
- 2. eine vertikale Bewegung der Werkstückaufnahme.
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Als
Alternative zu der in 1 dargestellten Zuführeinrichtung 10 hat
sich der Einsatz einer Zuführeinrichtung 128 getrieben
von einem Schrittmotor 120 ebenfalls sehr bewährt. Mit
diesem sind sogar noch präzisere
Ergebnisse möglich
geworden.
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Im
Folgenden werden die Vorzüge
des Schrittmotorgetriebenen Vorschubs des Werkstückes anhand eines Saphirkristalls 14 mit
im Wesentlichen rundem Querschnitt dargestellt.
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Bezug
nehmend auf 7 ändert sich während des
Schneidens des im Wesentlichen zylindrischen Saphirkristalls 14 die
Schnittlinie. Zu Beginn des Schneidevorgangs vergrößert sich
die Länge
der Schnittlinie mit zunehmender Schnitttiefe bis zur Mittelachse
des kreisförmigen
Querschnitts. Nachfolgend nimmt die Länge umgekehrt wieder ab.
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Tabelle
1 zeigt beispielhaft die Veränderung
einer Schnittlinie in 2-Millimeter-Schritten eines 50 mm durchmessenden
Kristalls
14. Dabei verhält sich die Länge der
Schnittlinie C
l als Funktion der Schnitttiefe
gemäß folgender
Gleichung:
wobei R der Radius des Kristalls
14 und
C
d für
die Schnitttiefe stehen.
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Durch
die Verwendung des Schrittmotors 120 können weiter zwei Parameter
der vertikalen Bewegung gesteuert werden, nämlich der Abstand (aufwärts oder
abwärts)
und die Vorschubgeschwindigkeit.
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Hierbei
hat sich herausgestellt, dass eine Änderung der Vorschubgeschwindigkeit
während
des Schnittvorgangs vorteilhaft sein kann.
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Insbesondere
wird die jeweilige Vorschubgeschwindigkeit während des Schnittprozesses
derart gesteuert, dass ein im Wesentlichen konstanter Anpressdruck
zwischen dem Werkstück 14 und
den Sägeblättern 4 besteht.
Hierzu ist die erfindungsgemäße Sägevorrichtung
computergesteuert.
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Zunächst wird
mit einem Computerprogramm die erforderliche Geschwindigkeit als
Funktion der jeweiligen Schnitttiefe berechnet. Anschließend werden
die berechneten Geschwindigkeitswerte in einen Steuerungscomputer 122 eingegeben.
Eine spezielle Steuerungssoftware steuert dann unter Verwendung
dieser Werte den Schrittmotor 120.
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Zusätzlich zu
der Abhängigkeit
der Vorschubgeschwindigkeit von der Länge der Schnittlinie bzw. der aktuellen
Schnitttiefe werden zur Berechnung der Schnittgeschwindigkeit weitere
Parameter, wie zum Beispiel der Radius des Werkstücks 14 und
die Dicke der Platte an der Kante, wo die Diamantbeschichtung ist
berücksichtigt.
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Bezug
nehmend auf 8 umfasst das Schrittmotorsystem 124 drei
Baugruppen, nämlich
den Steuerungscomputer 122, eine Steuerungseinrichtung 126 und
eine Zuführeinrichtung 128.
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Mittels
des Computers 122 werden die Steuerungsparameter berechnet
und in der Steuerungseinrichtung 126 abgespeichert. Anschließend steuert
die Steuerungseinrichtung 126 die Zuführeinrichtung 128 selbständig. Allerdings
kann mittels des Computers 122 die Zuführeinrichtung 128 auch
manuell gesteuert werden.
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Die
manuelle Steuerung ist vorteilhaft, um die Aufnahme vor Beginn des
Sägeprozesses
an die Sägeeinrichtung
heranzufahren und um das Werkstück 14 beziehungsweise
die Kristallscheiben 46 nach dem Schneideprozess zu entnehmen.
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Die
Kontrolleinrichtung 126 für den Schrittmotor 120 enthält einen
Mikrocomputer, in welchen das Steuerungsprogramm gespeichert wird
und in welchem dieses während
des Sägevorgangs
selbständig
abläuft.
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Bezug
nehmend auf die 9 bis 11 umfasst
die Zuführeinrichtung 128 den
Schrittmotor 120, welcher mit einer vertikalen Spindel 130 mechanisch
verbunden ist. Die Spindel 130 rotiert in einer Mutter 132, welche
an der Unterseite einer Führungsplatte 134 befestigt
ist. Vier Führungssäulen 136 sind
ferner an einer Basisplatte 138 der Zuführeinrichtung 128 befestigt
und erstrecken sich durch vier Öffnungen 140 mit
Kugellagern in der Führungsplatte 134.
Die Führung
mittels der vier Führungssäulen 136 und
der Führungsplatte 134 gewährleistet
eine möglichst
exakte senkrechte Bewegung unter Vermeidung einer lateralen Bewegung.
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Wenn
der Schrittmotor 120 in Betrieb ist, wird seine Rotationsbewegung über ein
Zahnradgetriebe 142 auf die Spindel 130 übertragen.
Die Rotation der Spindel 130 in der Mutter 132 verursacht
schließlich
die vertikale Bewegung der Führungsplatte 134.
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Die
Führungsplatte 134 ist
wiederum mit der Werkstückaufnahme 12 mit
einem hohlen rechteckigen Stahltragerohr 144 verbunden.
Die Spindel 130 verläuft innerhalb
des Stahltragerohres 144 wenn sich die Führungsplatte 134 abwärts bewegt.
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Ferner
sind ein oberer und unterer Sicherheitsschalter 146, 148 umfasst,
welche die Bewegung der Führungsplatte 134 nach
oben beziehungsweise unten beschränken. Wenn die Führungsplatte 134 den
oberen oder unteren Sicherheitsschalter 146, 148 betätigt, wird
der Schrittmotor 120 automatisch ausgeschaltet. Vorteilhafterweise
wird die Sägevorrichtung
durch den Einsatz der Schrittmotorsteuerung dahingehend verbessert,
dass mittels eines in der Kontrolleinrichtung 126 gespeicherten
Steuerprogramms die Sägevorrichtung
automatisiert den gesamten Sägevorgang
durchführt.
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Während des
Sägevorgangs
kraftbeaufschlagt die Zuführeinrichtung 128 das
Werkstück 14 in
Richtung der Sägeblätter 4,
wobei die Kraft während
des Sägevorgangs,
gesteuert durch das Steuerprogramm, zunächst zunimmt und später wieder
abnimmt. Das Steuerprogramm kann nahezu beliebig kleine Kraftzunahmen
einstellen, jedoch ist in der Praxis dies durch den Schrittmotor
und die Toleranz der Zuführeinrichtung 128 beschränkt.
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Es
ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen
beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese
beschränkt
ist, sondern in vielfältiger
Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.