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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Führen eines Sägedrahtes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine danach arbeitende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und eine Vorrichtung zum Führen eines Sägedrahtes, der mehrfach über mindestens zwei Drahtführungsrollen einer Drahtsäge in Umlaufrichtung der Drahtführungsrollen geführt ist, um ein Drahtfeld aufzuspannen. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Vorrichtung in einer Drahtsäge, wie z. B. einer Multi-Wire-Säge oder einem Squarer.
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Drahtsägen, die insbesondere zum Schneiden von spröd-harten Materialien, wie z. B. Silizium, geeignet sind, sind hinlänglich bekannt.
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In der
DE 10 2007 028 439 A1 werden eine Drahtsäge und ein Verfahren zum Abtrennen einer Mehrzahl von Halbleiterscheiben von einem Halbleitermaterial-Rohblock beschrieben. Dabei läuft ein sich bewegender Sägedraht um eine Mehrzahl von mit Nuten versehenen Walzen, sogenannten Drahtführungsrollen, um ein Drahtfeld aufzuspannen, das aus einer Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden und eine Ebene aufspannenden Teilabschnitten des sich bewegenden Sägedrahtes besteht. Das Zerschneiden des Rohblocks in mehrere Halbleiterscheiben geschieht durch die Relativbewegung des Drahtfeldes zum Rohblock unter Verwendung eines Trennmittels (lose, oder am Draht gebundene Abrasivkörner). Diese Art von Drahtsäge wird auch Multi-Wire-Säge genannt. Der Rohling kann aus ein- oder polykristallinem Silizium oder kann aus anderen Halbleitermaterialien, oder anderen spröd-harten Materialien bestehen und weist sowohl rechteckigen, als auch kreisförmigen Querschnitt auf. Diese Art von Rohling zum Herstellen von Scheiben (Wafern) wird auch Brick oder Strecke genannt und stellt im Trennprozess das Werkstück dar.
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Die
DE 10 2009 012 679 A1 beschreibt eine Drahtsäge, die zwei sich kreuzende Drahtfelder aufweist und somit geeignet ist, einen Ingot aus spröd-hartem Material, vorzugsweise einen kristallinen Barren, durch Quadrieren in mehrere Blöcke (Bricks) zu zerlegen. Diese Art von Drahtsäge wird auch Squarer genannt. Der Sägedraht kann ein hochrissfester Stahldraht sein, der auf seiner Oberfläche, z. B. in eine Nickellegierung eingebettete, Diamantkörner aufweist und der während des Sägens mit einem feststoffreien Fluid gekühlt wird.
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In der
DE 10 2009 004 237 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die geeignet ist, den das Drahtfeld durchlaufenden Draht zu spannen. Dazu wird der Draht von einer Drahtführungsrolle ablaufend zu einer Umlenkrolle geführt, die den Draht in Form einer weiten Drahtschlaufe auf eine andere Drahtführungsrolle führt. Die Umlenkrolle ist mit einer Straff- oder Spannkraft beaufschlagt und sorgt dafür, dass die Drahtspannung in der Drahtschlaufe erhalten bleibt. Mit dieser Vorrichtung können auch bei einem im Drahtfeld evtl. auftretenden Drahtriss die sich ergebende Lücke geschlossen und die benötigte Drahtspannung wieder hergestellt werden.
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Demnach sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die zum Führen eines Sägedrahtes geeignet sind, welcher mehrfach über mindestens zwei Drahtführungsrollen einer Drahtsäge in Umlaufrichtung der Drahtführungsrollen geführt wird, um ein Drahtfeld aufzuspannen, wobei die Drahtführungsrollen um parallel verlaufende Rollenachsen rotieren, und wobei innerhalb des Drahtfeldes jeder Abschnitt des Sägedrahtes, der sich zwischen den Drahtführungsrollen erstreckt, mit einem ersten Umfangsbereich in die Abrasivzone einer Sägespaltkontur eines zu trennenden Materials eingreift.
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Bei Multi-Wire-Sägen (kurz auch als MWS bezeichnet) mit zwei Drahtführungsrollen, befindet sich die zu sägende Silizium-Beladung über dem oberen Drahtfeld und wird in dieses eingedrückt. Die einzelnen Drahtabschnitte des Drahtfeldes arbeiten sich mittels einer SiC/Glykol-Schleifsuspension in die Si-Blöcke ein, wodurch am Ende einzelne Wafer entstehen. Beim Sägen mit Diamantdraht übernehmen die in die Drahtoberfläche eingebetteten Diamanten die Trennwirkung der losen Abrasivkörner in einer Schleifsuspension.
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Bislang wurde davon ausgegangen, dass sich der Sägedraht beim Durchlaufen des Drahtfeldes eher gleichmäßig über seinen Umfang abnutzt, so dass der Drahtquerschnitt beim Verlassen des Drahtfeldes (durch Abnutzung) zwar kleiner, aber dennoch annähernd kreisförmig ist. Es wurde demnach eine symmetrische Abnutzung des Drahtes angenommen. Neuere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass abgenutzte Sägedrähte (Altdrähte) deutliche Unrundheiten aufweisen können. Durch mikroskopische Untersuchungen an Altdrahtproben konnte festgestellt werden, dass der Sägedraht nur über einer Hälfte seine Umfanges Verschleißspuren aufweist. Bei einem Sägedraht, der anfangs einen runden Querschnitt von 120 μm Durchmesser aufwies, konnte im Bereich der Hauptläppfläche (Mitte Sägespalt) ein Abrieb von etwa 8–10 μm festgestellt werden, während an den seitlichen Läppflächen nur 2–3 μm abgerieben wurden. Daraus ergeben sich Durchmesserabweichungen bzw. Asymmetrien von ca. 5–8 μm. Damit ändert sich nicht nur die Waferdicke (im Zusammenspiel mit dem jeweiligen Rillenabstand auf den Drahtführungsrollen (sog. Pitch), sondern auch die Spaltgeometrie an der Hauptläppfläche von der Drahtzuführseite am Festlager (FL) bis zur Drahtablaufseite am Loslager (LL) der Drahtführungsrollen. Die sich stetig abflachende Drahtoberfläche muss beim Lauf des Drahtes vom FL zum LL zwangsläufig zu sich verändernden Strömungs- und Abrasiv-bedingungen im Sägespalt führen. Da die Slurry beim Eintritt in alle Waferspalten zwischen FL und LL identisch ist, ändern sich die Platzbedingungen in den Läppflächen, Partikel- und Fluidgeschwindigkeiten und der Druckverlauf im Sägespalt. Darin liegt eine der Ursachen für die bekannte Verschlechterung einzelner Wafergeometrie-Parameter zwischen FL und LL.
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Nachteile des derzeitigen Standes der Technik sind also der große einseitige bzw. asymmetrische Drahtabrieb, die dadurch bedingte große Änderung der Sägespaltgeometrie zwischen FL und LL und die dadurch mit verursachte Verschlechterung einzelner Wafergeometrie-Parameter (z. B. Dickenschwankungen, Dicken-Variation (TTV) und Sägeriefen). Dadurch entstehen Ausbeute-Verluste beim Sägen von Si-Wafern, welche sich bei verschärften Waferspezifikationen (Geometrieparametern) noch vergrößern. Beim Sägen von spröd-harten Materialien, speziell auch beim Sägen von Si-Wafern mittels Diamantdraht gibt es beim derzeitigen Stand der Technik ähnliche Nachteile. Diese sind durch die einseitige Abnutzung der gleichmäßig über den Drahtumfang eingebetteten Diamanten bedingt. Da sich auch der Diamantdraht an seiner Drahtoberfläche einseitig abreibt, können die sich im Sägespalt im Bereich der Bearbeitungszone befindlichen Diamanten einseitig ausbrechen, oder können sich einseitig so stark abnutzen (verrunden), dass die Trennwirkung des Drahtes während seines Gebrauches nachlässt. Alle diese Nachteile treten bei der MWS-Technik sowohl bei der unidirektionalen Sägekinematik, als auch im sogenannten Pendelbetrieb (sog. back and forth-Kinematik) auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik in vorteilhafter Weise zu überwinden. Insbesondere sollen also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Führung des Sägedrahtes vorgeschlagen werden, die geeignet sind, eine unsymmetrische Abnutzung des Sägedrahtes zu verhindern.
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Insbesondere soll die mögliche Änderung der Sägespaltkontur zwischen Drahteintritt und Drahtaustritt (FL und LL) minimiert werden, um die Abrasiv-Verhältnisse und die Strömungsverhältnisse zu vergleichmäßigen und um damit schließlich die Wafergeometrie zu verbessern. Außerdem sollen konstantere Prozessbedingungen erreicht werden; die Wafergeometrie-Parameter soll im Mittelwert verbessert und deren Streuung soll innerhalb einer Beladung verringert werden. Des Weiteren sollen die Wafer-Gutausbeuten bei sich verschärfenden Wafergeometrie-spezifikationen erhöht und Herstellkosten beim Sägen von Si-Wafern verringert werden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine danach arbeitende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Demnach wird bei einem Sägedraht, der mit einem ersten Umfangsbereich in die Abrasivzone einer Sägespaltkontur (SP) eines zu trennenden Materials eingreift, der Sägedraht so geführt, dass dieser zumindest einmalig und zumindest teilweise um seine Längsachse gedreht wird, wodurch der erste Umfangsbereich aus der Abrasivzone heraus gedreht wird und ein zweiter Umfangsbereich des Sägedrahtes in die Abrasivzone hinein gedreht wird.
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Dadurch wird eine Vergleichmäßigung der Drahtabnutzung über den gesamten Umfang erreicht, wodurch die Schneideigenschaften des Drahtes, d. h. die Fähigkeit des Transportes der Partikel (Slurry und fixed Abrasiv) durch den Sägespalt, deutlich verbessert werden. Hierdurch können u. a. höhere Sägevorschübe erreicht werden. Die Erfindung kann bei einem mit festen Abrasiven versetztem Draht verwendet werden sowie bei einem Draht, der zur Beibehaltung seiner Elastizität nur in den oberflächennahen Schichten zur Verringerung der Abriebes geeignet modifiziert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche angegeben:
Demnach kann der Sägedraht beispielsweise außerhalb der Drahtführungsrollen durch eine Vorrichtung gedreht werden, die mindestens eine um eine Drehachse rotierende Drahtumlenkrolle aufweist. Die Orientierung der Drehachse der Drahtumlenkrolle weicht vorzugsweise deutlich von der Orientierung der Rollenachsen ab, insbesondere um einen Betrag von 90 Grad. Der Sägedraht wird dann aus dem Drahtfeld heraus zu der Drahtumlenkrolle geführt (von einer der Drahtführungsrollen ablaufend) und wird dann von der Drahtumlenkrolle umgelenkt, vorzugsweise um mindestens 120 Grad, bevor der Sägedraht dann wieder zurück zu der Drahtführungsrolle oder einer anderen der Drahtführungsrollen zulaufend geführt wird.
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Der Sägedraht wird also aus dem Drahtfeld geführt und in der Vorrichtung gezielt einmal (z. B. um 180 Grad) gedreht, so dass er bei Wiedereintritt in das Drahtfeld mit einer anderen Seite (neue Drahthauptläppfläche) in den Sägespalt eintritt. Diese longitudinale Drehung des Drahtes ist torsionslos und wird durch die Umlenkung des Drahtes erreicht. Der Draht kann auch mehrmals gedreht werden. Hierzu werden mehrere solcher Vorrichtungen an verschiedenen Stellen des Drahtfeldes installiert, so dass der Sägedraht bei seinem Durchlauf durch das Drahtfeld zwangsweise, in Abhängigkeit seines Verschleißes über die Längskoordinate der Drahtführungsrolle(n) definiert dreht, so dass immer wieder andere Bereiche der Mantelfläche des Drahtes in die Läppfläche gelangen und sich der Draht weitgehend gleichmäßig über seinen Umfang abreibt.
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Der Sägedraht kann alternativ dazu oder auch zusätzlich dazu innerhalb der Drahtsäge gedreht werden. Hierzu wird der Sägedraht von Rillen mindestens einer Drahtführungsrolle gedreht, indem die jeweilige Rille unterschiedlich ausgebildete Flanken aufweist, insbesondere sich gegenüberstehende Flanken mit unterschiedlich großen Flanken-Winkeln aufweist.
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Mit der Erfindung wird erreicht, dass sich der Draht beim Durchlauf vom FL (Drahtzuführungsseite) zum LL (Drahtablaufseite) zwangsweise definiert dreht, so dass immer wieder andere Umfangsbereiche der Mantelfläche des Drahtes in die Läppzone gelangen und sich der Draht möglichst gleichmäßig rund bleibend abreibt. In einer Ausführungsform wird der Draht ständig und kontinuierlich beim Durchlauf vom FL zum LL gedreht, so dass sich der Draht beim Durchgang durch die Sägespalte dreht oder gedreht wird. In einer weiteren Ausführungsform wird der Draht außerhalb der Sägespalte um einen gewissen Winkel gedreht, vorzugswiese durch Umlenkrolle(n), wobei diese torsionsfreie Verdrehung beim Durchlauf vom FL zum LL einmalig oder mehrmals erfolgen kann.
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Vorzugsweise sollte beim Drehen des Drahtes außerhalb der Drahtführungsrollen der Drehwinkel nach der Anzahl der Drehungen so gewählt werden, dass nach dem Austritt des Drahtes aus dem Werkstück jedes Flächenelement des Drahtumfanges die gleiche Anzahl Sägespalten (= Läppzonen) im Werkstück durchlaufen hat. Der Draht wird dadurch gleichmäßig über seinen Umfang abgenutzt und behält seinen kreisförmigen Querschnitt bei. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Draht in der Mitte des Werkstückes einmalig um 180° um seine Achse gedreht wird, so dass nach dem Zurückführen des Drahtes zu den Drahtführungsrollen genau die andere (vorher nicht benutzte) Hälfte seines Umfanges in die Läppzone gelangt und beim Durchgang durch die andere Hälfte des Werkstückes im gleichen Maße abgenutzt wird, wie vor der Drehung.
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Die Erfindung ist prinzipiell beim Slurry-Sägen, als auch beim Sägen mittels Diamantdraht und sowohl im unidirektionalen Modus als auch im Pendelbetrieb anwendbar.
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Durch die Erfindung wird erreicht, dass sich der Querschnittsverlust und damit die Schneideigenschafts-Änderung durch Drahtabrieb möglichst gleichmäßig so über den Drahtumfang verteilt, dass der Drahtquerschnitt zwischen FL und LL kreisförmig bleibt, womit sich dessen Durchmesser gleichmäßig in den oberflächennahen Schichten verringert.
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Bei vorgegebenen Parametern für Drahtqualität, Neudraht-Durchmesser, Neudrahtspannung, Sägevorschub, Draht-Geschwindigkeit, Slurry-Typ und SiC-KGV und Waferanzahl bei einem MWS-Schnitt wird sich zwangsläufig auch etwa das gleiche Drahtvolumen beim Durchgang eines Drahtelementes über die Längskoordinate der Drahtführungsrollen abreiben. Dem entspricht dann je Draht-Längeneinheit auch in etwa ein konstanter Abrieb am Drahtquerschnitt.
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Die Änderung der Sägespaltkontur zwischen Drahteintritt (Festlagerseite FL) und Drahtaustritt (Loslagerseite LL) kann minimiert werden, um somit die Abrasiv-Verhältnisse und die Strömungsverhältnisse zu vergleichmäßigen und um damit schließlich auch die Wafergeometrie-Verschlechterungen zu reduzieren.
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Mit Hilfe der Erfindung werden konstantere Prozessbedingungen erreicht; die Wafergeometrie-Parameter werden im Mittelwert verbessert und deren Streuung wird innerhalb einer Beladung verringert. Auch kann die Schneid-Performance insgesamt erhöht werden. Außerdem werden die Wafer-Gutausbeuten bei sich verschärfenden Wafergeometrie-Spezifikationen erhöht und werden die Herstellkosten beim Sägen von Si-Wafern verringert. Des Weiteren werden durch eine Vergleichmäßigung der Drahtabnutzung über den gesamten Umfang die Schneid-Eigenschaften des Drahtes, insbesondere die Fähigkeit des Transportes der abradierten Si-Partikel und der SiC-Partikel durch den Sägespalt verbessert werden, wodurch auch höhere Sägevorschübe möglich sind. Die mögliche Vorschuberhöhung spielt auch eine wichtige Rolle bei einem mit festen Abrasiven versetzten Draht, sowie bei einem Draht, der zur Beibehaltung seiner Elastizität nur in den oberflächennahen Schichten zur Verringerung des Abriebes geeignet modifiziert ist.
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Die Erfindung kann vorrangig beim MWS-Sägen von Si-Wafern, Saphir-Wafern, Glas-Wafern oder Wafern aus anderen sprödharten Materialien mittels Stahldraht und Slurry (Abrasiv/Fluid) und mittels Diamantdraht in beiden o. a. Betriebsarten angewandt werden. Die Erfindung kann ebenfalls beim Squaren von Si-Ingots, insbesondere mit Draht mit festem Abrasiv (Diamantdraht), nutzbringend angewandt wird. Beim Wafersägen und Squaren mittels Diamantdraht werden der Drahtverbrauch und ein erreichbarer Sägevorschub derzeit im Wesentlichen durch die Standzeit der in die Stahldrahtoberfläche eingebetteten Diamantkörner bestimmt. Werden die Diamanten nur in einem (oberen) Bereich der Drahtoberfläche benutzt (wie dies bei Stahldraht nachgewiesen werden konnte), verschleißen sie dort schnell, während diejenigen auf der anderen (unteren) Drahtoberfläche unbenutzt bleiben. Durch das Drehen des Diamantdrahtes und die damit verbundene gleichmäßige Abnutzung kann der Draht länger im Einsatz bleiben und die anteiligen Sägedrahtkosten pro Wafer oder Sägedrahtkosten pro Brick (Squarer) sinken.
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Die Erfindung kann ebenfalls auf allen Gebieten angewandt werden, wo spröd-harte Materialien mittels MWS-Sägen in Scheiben/Stäbe/Blöcke getrennt werden.
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Wenn der Sägedraht über mindestens eine Umkenkrolle geführt wird, dann ist es vorteilhaft, wenn die Orientierung der Drehachse der Drahtumlenkrolle von der Orientierung der Rollenachsen um 90 Grad abweicht. Dadurch steht die Drehachse orthogonal zur jeweiligen Rollenachse, wodurch eine maximale Verdrehung des Drahtes in Längsrichtung um 180 Grad möglich ist.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Orientierung der Drehachse der Drahtumlenkrolle von der Orientierung der Rollenachsen um weniger als 90 Grad abweicht. Hierdurch können quasi beliebig kleine oder große Verdrehungen von 0 bis 180 Grad realisiert werden.
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Von Vorteil ist es auch, wenn die Vorrichtung mindestens eine Lenkrolle aufweist, die um eine weitere Drehachse rotiert, deren Orientierung mit der Orientierung der Rollenachsen übereinstimmt, um den Sägedraht von der Drahtführungsrolle ablaufend oder der Drahtführungsrolle zulaufend zu führen. Bevorzugt ist die mindestens eine Drahtumlenkrolle und/oder die mindestens eine Lenkrolle als Rillenrolle ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Drahtsäge kann auch mehrere solcher Vorrichtungen zum Führen des Sägedrahtes aufweisen, wobei die Vorrichtungen längsseits der Drahtführungsrolle angeordnet werden.
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Auch kann die Drahtsäge so ausgebildet sein, dass mindestens eine der Drahtführungsrollen Rillen mit unterschiedlich ausgebildeten Flanken aufweist. In diesem Zusammenhang haben die sich gegenüberstehenden Flanken einer Rille vorzugsweise unterschiedlich große Flanken-Winkel. Dadurch wird erreicht, dass ein unsymmetrisch abgeriebener Draht innerhalb der Rille ein Drehmoment erfährt, das ihn um seine Längsachse dreht und somit ebenfalls oder zusätzlich eine symmetrische Beanspruchung beim Sägen bewirkt.
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Nachfolgend wird die Erfindung näher im Detail anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen wird, die folgende schematische Darstellungen wiedergeben:
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1a und b zeigen schematisch jeweils in einer Draufsicht den Aufbau und die Anordnung einer Vorrichtung an einem Drahtfeld gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a und b zeigen schematisch jeweils in einer Queransicht den Aufbau und die Anordnung der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 zeigt schematisch in einer Queransicht den Aufbau und die Anordnung einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 zeigt schematisch in einer Draufsicht den Aufbau und die Anordnung der Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 zeigt schematisch in einer dreidimensionale den Aufbau und die Anordnung einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6a und 6b zeigen in einer Querschnittsansicht, die Lage des Sägedrahtes vor dem Drehen um seine Longitudinalachse und danach; und
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7 veranschaulicht eine weitere konstruktive Lösung, die das gezielte Drehen eines Sägedrahtes innerhalb einer Rille einer Drahtführungsrolle bewirkt.
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Die 1 und 2 beziehen sich auf ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Vorrichtung 10 an einer (nicht vollständig dargestellten Drahtsäge) in der Nähe des Drahtfeldes DF angeordnet ist, um den Sägedraht D von dem Drahtfeld weg zu führen, umzulenken, wobei der Sägedraht um seine Achse gedreht wird, und um den Draht dann wieder in das Drahtfeld hinein zu führen.
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Das Drahtfeld DF selbst wird in herkömmlicher Weise zwischen zwei parallel angeordneten Drahtführungsrollen R1 und R2 aufgespannt, welche um die in X-Richtung orientierten Rollenachsen A1 bzw. A2 rotieren (siehe Umlaufrichtung U in 1a/b).
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Die 1a zeigt in einer Draufsicht den vom Drahtfeld DF weggeführten Sägedraht D, welcher zunächst zu der Umlenkrolle 11 der Vorrichtung 10 geführt wird. Diese Umlenkrolle 11 dreht sich um eine Drehachse A11, die orthogonal zu den Rollenachsen A1 und A2 ausgerichtet ist. Die Umlenkrolle 11 lenkt den Sägedraht (in der X-Y-Ebene) um mindestens 120 Grad um, hier sogar um mehr als 180 Grad um, so dass der Sägedraht wieder in Richtung des Drahtfeldes DF bzw. der Drahtführungsrolle R2 zurück geführt wird. Wie die 2a anhand von Markierungen der Drahtseiten mit den Symbolen X und 0 veranschaulicht, erfährt der Draht an der Umlenkrolle 11 eine Drehung (in der X-Z-Ebene) dergestalt, dass der zurücklaufende Draht D in seiner Longitudinalrichtung genau um 180 Grad verdreht ist, wenn er wieder in das Drahtfeld DF eintritt.
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Die 2b veranschaulicht die Rückführung des Drahtes D über zwei Lenkrollen bzw. Führungsrollen 12 und 13, die dafür sorgen, dass der Draht D auf der Unterseite der Drahtführungsrolle R2 in die Drahtsäge eintritt.
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Die 2a zeigt in einer zur 1a korrespondierenden Queransicht den Verlauf des Sägedrahtes D von der Drahtführungsrolle R2 weg zu der Umlenkrolle 11 hin. Die 2b zeigt in einer zur 1b korrespondierenden Queransicht den Verlauf des Sägedrahtes D von der Umlenkrolle 11 weg und zurück zu der Drahtführungsrolle R2 hin. In den 1a und 2a wird also der Draht D gezeigt, wie er von dem Drahtfeld und der Drahtführungsrolle R2 (Oberseite) abläuft bis zur Umlenkrolle 11 hin. Die 1b und 2b veranschaulichen, wie der umgelenkte Draht D dann von der Umlenkrolle 11 zurück über die Rollen 12 und 13 zum Drahtfeld bzw. zur Drahtführungsrolle R2 (Unterseite) geführt wird. Damit ist der gesamte schleifenförmige Verlauf des Drahtes D gezeigt.
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Wie anhand der 1a/b und 2a/b zu sehen ist, kann die Vorrichtung 10 als eine Drahtwende-Vorrichtung für eine einmalige Drahtdrehung um 180 Grad außerhalb des Sägespaltes verstanden werden. Die Vorrichtung 10 wird vorzugsweise an einer Stelle des Drahtfeldes DF angeordnet, die in der Mitte zwischen der Drahtzulaufseite (rechts am Festlager) und der Drahtablaufseite (links am Loslager), und dadurch auch in der Mitte des zu trennenden Werkstückes liegt. Die Vorrichtung 10 bildet eine außerhalb des Drahtfeldes verlaufende Drahtschlaufe aus, in welcher der Sägedraht D bezüglich seiner Achse verdreht wird. Wie insbesondere die 1a und 2a zeigen, wird der Draht D aus der oberen Lage der Drahtführungsrolle R2 an der Stelle a in Laufrichtung (s. Pfeil) schräg nach unten aus dem Drahtfeld DF herausgeführt und läuft dann über die Umlenkrolle 11, wo er um 180 Grad gedreht wird, wieder zurück in Richtung des Drahtfeldes. Dabei wird der Draht durch die Lenkrolle 12 so ausgerichtet, dass er in der Rillenrichtung der weiteren Lenkrolle 13 in diese fluchtend einläuft. Die Lenkrolle 13 spannt den Draht wieder etwas an und ist so justiert, dass ihre Rillenrichtung parallel zur Rillenrichtung der Drahtführungsrolle R2 liegt. Von der Lenkrolle 13 wird der Sägedraht D in die untere Lage des Drahtfeldes geführt und läuft dann im Drahtfeld DF in herkömmlicher Weise weiter.
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Zur Verdeutlichung der 180 Grad-Umlenkung des Drahtes D bei seinem Lauf über die Rollen 11 bis 13 sind die beiden Seiten bzw. „Kanten” des Drahtes mit den Symbolen X und O gekennzeichnet. Aus den Zeichnungen ist ersichtlich, dass sich der Draht D beim Lauf über die Rollen um 180 Grad dreht, so dass er beim weiteren Sägen im Drahtfeld DF auf der gegenüberliegenden Seite abgerieben wird. Die drei Rollen 11 bis 13 brauchen nicht notwendigerweise angetrieben zu werden.
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Bei der Bemessung der Rollendurchmesser und der Anordnung der Rollen sollten die folgenden Bedingungen beachtet werden:
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- • Der Draht sollte beim Einlauf in jede Rolle etwas gespannt werden, d. h. einen Mindestumschlingungswinkel erzeugen, um sauber geführt zu werden und um solche Reibungskräfte zu erzeugen, dass die Rollen durch den Drahtlauf auch sicher mitgedreht werden.
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Beim Aufbau eines Drahtfeldes (Neudrahtfeld, Drahtriss vor der Drahtwende-Vorrichtung) muss der Sägedraht allerdings anfangs zumindest über die Rollen 11 bis 13 in Form einer Drahtschleife geführt werden.
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Anstelle von einer einzigen Vorrichtung 10 können an einer Drahtsäge auch mehrere solcher Vorrichtungen, verteilt über die Länge der Drahtführungsrolle, montiert sein, um den Sägedraht abschnittsweise zu drehen und dabei jeweils auch zu spannen.
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Um zu erreichen, dass durch die gezeigte Drahtwende-Vorrichtung keine Rillen im Drahtfeld unbelegt bleiben, wird die Rillenebene der Lenkrolle 13 genau unter dem aus dem Drahtfeld DF herausgeführten Sägedraht gelegt (siehe Stellen a und b in den 1a/b).
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Anhand der 3 und 4 wird nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben:
Die Vorrichtung 10' weist ebenfalls mindestens eine Umlenkrolle auf, hier die Rolle 14, welche den Sägedraht D um seine Achse dreht. Wie die 3 in einer Seitenansicht und die 4 in einer Draufsicht zeigen, wird der Draht D zunächst über die Lenkrollen 12 und 13 bis zur Umlenkrolle 14 geführt, deren Achse wieder orthogonal zur Achse der Drahtführungsrolle R2 liegt. Dabei erfährt der Draht eine (torsionsfreie Rotation) um 180 Grad (siehe Symbole X und O). Von der Umkenkrolle 14 zurück kommend wird der Draht dann über die Lenk- bzw. Führungsrolle 15 geführt und anschließend im weiteren Rücklauf auf die Lenkrolle 16 auf die nachfolgenden Lenkrollen 17 und 18. Durch die Lenkrolle 18 und nachfolgende Lenkrolle 19 wird der Draht D dann in das Drahtfeld zurückgeführt und zwar genau in die Nachbarrille zur Rille des herauslaufenden Drahtes.
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Die Positionierung und Orientierung der Umlenkrolle 14 bewirkt hier ebenfalls Drahtdrehung (Rotation) um 180 Grad.
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Anhand der 5 wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 10'' beschrieben, die beschaffen ist, den Sägedraht um einen kleineren Winkel als 180 Grad, z. B. um 90 Grad oder gar weniger zu drehen. Dazu ist die Umlenkrolle 13'' so gekippt, dass ihre Drehachse A13'' einen Winkel zwischen 0° und 90° zur Rollenachse A2 der Drahtführungsrolle R2 bildet.
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Die Drahtumlenkrolle 13'' ist also nicht orthogonal, sondern schräg zur Drahtführungsrolle R2 angeordnet. Die Lenkrollen Rollen 12'' und 14'' spannen und führen dabei den Draht D seitlich. Sie können ggf. noch durch zwei oder mehr weitere Lenk- bzw. Führungsrollen ergänzt werden, so dass der auslaufende und einlaufende Draht zu den Rillen der Drahtführungsrolle optimal besser fluchtet (nicht dargestellt). Als Drahtumlenkrolle wird diejenige Rolle bezeichnet, welche die (torsionsfreie) Drehung des Drahtes bewirkt. Als Lenkrollen werden hier diejenigen Rollen bezeichnet, deren Drehachsen anders orientiert sind, als die Drehachse(n) der mindestens einen Drahtumlenkrolle. Alle übrigen Rollen außerhalb des Drahtfeldes und innerhalb der Vorrichtung werden als Führungsrollen bezeichnet.
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Alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen können mehrmals über die Längskoordinate der Drahtführungsrollen montiert werden, d. h. die jeweiligen Drahtwende-Vorrichtungen können auch mehrmals längsseits der Drahtführungsrolle angeordnet werden. Der gleiche Effekt wird z. B. auch erreicht, wenn der Draht dreimal, nach jeweils gleicher Werkstücklänge vom Drahtfeld herausgeführt und dabei jedesmal um 180° gedreht wird. Dann befindet sich jede Umfangshälfte des Drahtes zweimal in Eingriff, was ebenfalls zu gleicher Drahtabnutzung über den Drahtumfang führt. Trotz erhöhten konstruktiven Aufwandes besteht der Vorteil dieser Variante darin, daß das mehrmalige Drehen die Strömungs- und Abrasiv-Verhältnisse in den Läppzonen (Sägespalten) noch gleichmäßiger gestaltet, als das einmalige Drehen.
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Die 6a und 6b zeigen zwei in einer Querschnittsansicht die Lage des Sägedrahtes D vor dem Drehen um seine Longitudinalachse und danach. Zunächst läuft der Draht D in der Sägekontur bzw. dem Sägespalt SP des zu schneidenden Materials, hier z. B. eines SI-Ingots. Wie die 6a veranschaulicht, ist durch Abnutzung der Querschnitt des Drahtes D unrund geworden, wobei der abgenutzte Umfangsbereich UB1 bereits deutlich abgeflacht ist. Durch Drehen des Drahtes D um seine Längsachse wird erreicht, dass ein anderer Umgebungsbereich UB2 in die Sägekontur eingreift und somit durch fortlaufendes Drehen des Drahtes D eine einseitige Abnutzung wirksam vermieden wird. Die Drehung des Drahtes D um seine Längsachse kann sowohl durch die außerhalb des Drahtfeldes angeordnete Vorrichtung (s. 1–5) und die dort vorgesehene Umlenkrolle(n) erreicht werden. Auch kann der Draht innerhalb des Drahtfeldes gedreht werden, indem die Rillen der Drahtführungsrolle(n) mit einer bestimmten Flankengeometrie versehen werden, wie dies beispielhaft anhand der 7 nachfolgend beschrieben wird.
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Die 7 veranschaulicht eine weitere konstruktive Lösung, die das gezielte Drehen eines Sägedrahtes innerhalb von Drahtführungsrollen-Rillen bewirkt. Diese Lösung kann auch als eigenständige Erfindung angesehen werden, welche für die gewünschte Drahtdrehung in Längsrichtung bestimmte Maßnahmen an der oder den Drahtführungsrolle(n) vorschlägt, wobei mechanische Kräfte und Momente, die bei einem einseitig abgeriebenem Draht auftreten zur Drahtdrehung genutzt werden:
Wenn der Sägedraht D einmal so vorliegt, dass er eine abgeriebene Drahtoberflächenseite (markiert durch X-Symbole in 7) aufweist, wird er ein Drehmoment M um seinen Flächenschwerpunkt S erfahren, da die den Draht aufnehmenden Rillen der Drahtführungsrolle R* Flanken FL in unterschiedlichen Winkeln α bzw. β aufweisen. Dadurch erhält der Draht, der durch eine (drahtspannungsbedingte) Kraft F immer vollständig in die Rillen hineingezogen wird, eine Drehung um seinen Schwerpunkt S, bevor er beidseitig am Rillengrund aufliegt.
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Dies ist in dem Ausführungsbeispiel nach 7 dargestellt. Diese erfinderische Lösung kann bevorzugt auch mit der Wirkung einer der Vorrichtungen nach 1–5 kombiniert werden, d. h. in Drahtlaufrichtung im Anschluss an eine in den vorher beschriebenen drei Ausführungsbeispielen dargestellten Vorrichtungen angewandt werden.
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In der 7 sind exemplarisch zwei Rillen der Drahtführungsrolle R* dargestellt. In der rechten Rille läuft ein Drahtelement ein, bei welchem (z. B. durch eine der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen 10, 10' oder 10'') der Draht bereits (etwas) gedreht wurde. Durch die unsymmetrischen Rillenflanken (Winkel α größer als Winkel β) berührt das Drahtelement die rechte Rillenflanke zuerst im Berührungspunkt B. Im Schwerpunkt S des Drahtquerschnittes greift eine Kraft F an, welche durch die Drahtspannkraft hervorgerufen wird und senkrecht zum Rillengrund gerichtet ist.
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Durch die einseitige Auflage ergibt sich ein Moment M, welches den Draht D bei seiner Bewegung zum Rillengrund so weit dreht, bis dieser auf beiden Rillenflanken aufliegt, wie in der linken Rille dargestellt. Dadurch wird eine Drehung in der Rille selbst bewirkt, die ebenfalls ein symmetrisches Abnutzen des Sägedrahtes fördert.
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Die vorstehende Beschreibung zusammenfassend, werden Lösungen und Vorrichtungen zum Führen eines Sägedrahtes in einer Drahtsäge, insbesondere Multi-Wire-Säge vorgeschlagen, die verhindern, dass der Sägedraht einseitig bzw. asymmetrisch abgenutzt wird und dadurch einen unrunden Querschnitt erhält, welcher die Sägeeigenschaften verschlechtert.
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Die beschriebene Erfindung präsentiert insbesondere ein Verfahren zur Vergleichmäßigung der Sägespaltkontur in Längsrichtung der Drahtführungsrollen beim Abtrennen von Blöcken oder Scheiben aus sprödharten Materialien durch Multi-Wire-Sägen mittels loser, in einer Sägesuspension befindlichem Abrasivmittel oder mittels am Sägedraht gebundenem Abrasivmittel dadurch bewirkt, dass der Sägedraht einmalig oder mehrmalig längs der Drahtführungsrollen so um seine Achse gedreht wird und dass sich nach jeder Drehung der in der Abrasivzone befindliche Umfangsbereich des Drahtes von dem im Eingriff befindlichen Umfangsbereich vor der Drehung unterscheidet. Die Erfindung wird an einer Drahtsäge, insbesondere Multi-Wire-Säge, realisiert, indem an der Säge mindestens eine Vorrichtung zum Führen des Sägedrahtes angeordnet wird, wobei jede Vorrichtung mindestens eine Drahtumlenkrolle aufweist, deren Drehachse eine Orientierung aufweist, die von der Orientierung der Drahtführungsrollen-Achsen um einen Betrag von wenigen bis vorzugsweise 90 Grad abweicht. Wenn die Drahtsäge mehrere solcher Drahtumlenk-Vorrichtungen aufweist, sind diese Vorrichtungen längsseits der Drahtführungsrolle in vorzugsweise gleichen Abständen angeordnet. Das Drehen des Drahtes kann auch alternativ oder zusätzlich dadurch erreicht werden, dass mindestens eine der Drahtführungsrollen Rillen mit unterschiedlich ausgebildeten Flanken aufweist. Vorzugsweise haben die sich gegenüberstehenden Flanken einer jeden Rille unterschiedlich große Flanken-Winkel. Somit kann die Drahtdrehung durch die außerhalb der Drahtführungsrollen installierten Umlenkrolle(n) noch wird durch schiefe bzw. asymmetrische Rillen in den Drahtführungsrollen verstärkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- DF
- Drahtfeld in einer Drahtsäge
- D
- Sägedraht
- R1, R2, R*
- Drahtführungsrollen
- A1, A2
- Rollenachsen (Rotationsachsen)
- U
- Umlaufrichtung
- 10, 10', 10'', 10'''
- Vorrichtungen zum Führen eines Sägedrahts (verschiedene Ausführungsbeispiele)
- 11, 14, 13''
- Drahtumlenkrollen
- A11, A14, A13''
- Drehachsen der Drahtumlenkrollen
- 12, 12', 15, 16, 19; 12'', 14''
- Lenkrollen
- 13, 13', 17, 18
- Führungsrollen
- X, Y, Z; Z'
- Raumrichtungen bzw. Orientierungen der Drehachsen
- F
- Spannkraft-bedingte Kraft auf den Draht in den Rillen der Drahtführungsrolle
- M
- Moment (Drehmoment) wirkend auf den Draht
- FL
- Flanken der Rille einer Drahtführungsrolle
- α, β
- Flankenwinkel (verschieden)
- S
- Schwerpunkt des Drahtquerschnitts
