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Gegenstand der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, insbesondere von Halbleiterscheiben von einem Kristall, mittels durch Draht unterstütztes Trennläppen.
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Stand der Technik
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Für viele Anwendungen werden dünne ebene Scheiben aus bestimmten Materialien benötigt, beispielsweise Glasscheiben als Substrate zur Herstellung von Magnetspeicherplatten („hard drive disks“, HDD), Scheiben aus Saphir oder Siliciumcarbid als Unterlage zur Fertigung optoelektronischer Bauteile oder Halbleiterscheiben zur Herstellung von photovoltaischen Zellen („Solarzellen“) als Substrate zur Strukturierung mikroelektronischer oder mikro-elektromechanischer Bauelemente.
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Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien wie beispielsweise Elementhalbleiter (Silicium, Germanium), Verbindungshalbleitern (beispielsweise aus einem Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems wie Aluminium, Gallium oder Indium und einem Element der fünften Hauptgruppe wie Stickstoff, Phosphor oder Arsen) oder deren Verbindungen (beispielsweise Si1-xGex, 0 < x < 1). Sie werden insbesondere als meist einkristallines Grundmaterial für elektronische Bauelemente benötigt und müssen dafür besonders hohe Anforderungen in Bezug auf Ebenheit, Sauberkeit und Defektarmut erfüllen.
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Zum Abtrennen der Scheiben von einem Werkstück wird insbesondere ein Span abhebendes Verfahren wie das Trennläppen verwendet. Als Span wird ein vom Werkstück abgelöstes Teilchen bezeichnet.
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Ein Span abhebendes Verfahren ist das Läppen. Läppen ist ein Spanen mit einem Werkzeugträger in Gegenwart einer Aufschlämmung von Läppkorn genannten Hartstoffen in einer Trägerflüssigkeit. Die Aufschlämmung wird auch als „Slurry“ bezeichnet. Der Materialabtrag erfolgt beim Läppen durch spröd-erosive Trennung des Materialzusammenhalts durch überwiegend vertikalen Krafteintrag des Läppkorns auf das Werkstück. Läppen beruht auf einer Dreikörper-Wechselwirkung zwischen Werkstück, Läppkorn und Werkzeugträger, wobei der Werkzeugträger, beispielsweise ein Draht, keine Hartstoffe enthält, die Span bildend in Eingriff mit dem Werkstoff gelangen.
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Unter Trennläppen versteht man ein Abtrennen von Teilkörpern wie beispielsweise Scheiben aus einem Werkstück durch Bilden von Trennspalten mittels Läppen. Ist der Werkzeugträger Draht, hängt die Breite eines im Werkstück gebildeten Trennspalts im Wesentlichen vom Durchmesser des Drahtes und der Korngröße des Läppkorns ab. Als Scheibe bezeichnet man einen geometrischen Körper in Form eines Zylinders, dessen Höhe klein gegenüber der mittleren Ausdehnung seiner Grund- und Deckfläche ist. Besondere Bedeutung haben Scheiben in Form flacher Zylinder mit kreisförmiger oder polygonaler Grundfläche. Halbleiterscheiben besitzen insbesondere eine gerade-kreiszylindrische Form mit sehr geringer Höhe.
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Als Läppkorn finden insbesondere Körner aus Diamant, Siliciumcarbid, Borcarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Chromoxid, Titannitrid, Wolframcarbid, Titancarbid, Vanadiumcarbid sowie Mischungen der genannten, Verwendung. Als Trägerflüssigkeit werden beispielsweise Polyole oder Mischungen aus Polyolen oder Mineralöle oder Mischungen aus Mineralölen, eingesetzt. Die Trägerflüssigkeit kann darüber hinaus auch Zusätze enthalten.
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Zur Herstellung von Halbleiterscheiben von einem stabförmigen Werkstück mittels Trennläppen kommen insbesondere Diamant, Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid als Läppkorn, Glykole und Mineralöle als Trägerflüssigkeit und gehärteter Stahl („Pianodraht“), Polyamid („Nylon“) oder andere hochzugfeste Kunststoffe wie Polyester als Drahtmaterial in Frage.
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Das Trennläppen kann nach Einfach- oder Vielfach-Trennläppen unterschieden werden. Beim Vielfach-Trennläppen entsteht eine Vielzahl von Scheiben gleichzeitig, beispielsweise indem ein Draht so umgelenkt wird, dass er in Gestalt mehrerer Abschnitte desselben Drahts mehrfach in Eingriff mit dem Werkstück gelangt und so eine Vielzahl von Trennspalten gleichzeitig bildet. Eine dafür geeignete Vorrichtung („Slurry-Drahtsäge“, „slurry wire saw“) umfasst Draht, mindestens zwei zylindrische Drahtführungsrollen, die jeweils drehbar um ihre jeweilige Zylinderachse gelagert und deren Achsen horizontal und parallel zueinander angeordnet sind und deren Mantelflächen jeweils eine Vielzahl konzentrisch um die jeweilige Achse und weitgehend äquidistant zueinander verlaufende Rillen aufweisen, eine Abund eine Aufwickelspule, eine Vorrichtung zum Vorspannen des Drahtes in Drahtlängsrichtung, eine Zustellvorrichtung, mit der das Werkstück senkrecht zu den Achsen der Drahtführungsrollen auf die durch die Achsen aufgespannte Ebene zugestellt werden kann, und eine Vorrichtung zum Einbringen eines Schneidmittels in Form einer Aufschlämmung von losen Hartstoffen in einer Trägerflüssigkeit.
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Der Draht wird unter Spannung mittels der Rillen spiralförmig mehrfach so über die Drahtführungsrollen geführt, dass einzelne Drahtabschnitte parallel zueinander zu liegen kommen und ein Drahtgatter bilden. Durch gleichsinnige Drehung der Drahtführungsrollen wird der Draht von der Abwickelspule ab- und auf die Aufwickelspule aufgewickelt. Dabei bewegen sich die Drahtabschnitte des Drahtgatters jeweils parallel zueinander und mit gleicher Geschwindigkeit in Drahtlängsrichtung.
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Der Trennvorgang umfasst üblicherweise ein gleichförmiges Bewegen der Drahtabschnitte im Drahtgatter durch gleichsinnige Drehung der Drahtführungsrollen; ein langsames Zustellen des Werkstücks parallel zur Senkrechten des Drahtgatters auf das bewegte Drahtgatter hin; ein In-Kontakt-Bringen des Werkstücks mit dem bewegten Drahtgatter unter Zuführung von Schneidmittel; das Bewegen des Werkstücks durch das Drahtgatter unter fortgesetzter Zuführung des Schneidmittels und schließlich das Beenden von Zustellung des Werkstücks und Drehung der Drahtführungsrollen, wenn das Drahtgatter sich durch den gesamten Querschnitt des Werkstücks hindurch gearbeitet hat und sich vollständig innerhalb einer Sägeleiste befindet, die als Haltehilfe am Werkstück befestigt ist.
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Am Ende des Trennläppverfahrens liegt eine Vielzahl vollständig vom Werkstück abgetrennter Scheiben vor. Die Scheiben sind durch die vom Drahtgatter bewirkten Trennspalte getrennt und nur noch wie Zinken eines Kamms mit einem Teil ihrer Mantelfläche mit der angesägten Sägeleiste verbunden. Nach dem Herausziehen des Kamms aus dem Drahtgatter und Entfernen des Kamms aus der Drahtsäge werden die Scheiben vereinzelt und einer anwendungsabhängigen Folgebearbeitung zugeführt.
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Die Geschwindigkeit der Zustellung des Werkstücks durch das Drahtgatter kann bei konstanter Drahtquerspannung erfolgen, mit konstanter Geschwindigkeit oder bei beliebigen Kombinationen von Drahtquerspannungen und Zustellgeschwindigkeiten. Besondere Bedeutung hat das Pilgerschritt-Verfahren („pilgrim step motion“, „wire reciprocation“). Dabei wird der gesamte Schnitt unter fortwährender Ausführung von Pilgerschritten durchgeführt. Ein Pilgerschritt umfasst ein erstes Bewegen des Drahtes in eine erste Drahtlängsrichtung um eine erste Länge und ein zweites Bewegen des Drahtes in eine zweite, der ersten Richtung genau entgegengesetzte Richtung um eine zweite Länge, wobei die zweite Länge kleiner als die erste Länge gewählt wird. Je Pilgerschritt durchläuft dadurch insgesamt eine der Summe beider Längen entsprechende Drahtlänge das Werkstück, während sich der dabei in Schneideingriff mit dem Werkstück gelangende Drahtabschnitt nur um eine der Differenz beider Längen entsprechende Länge von der Ab- zur Aufwickelspule hin weiterbewegt. Der Draht wird beim Pilgerschritt-Verfahren demnach im Verhältnis von der Summe zur Differenz der beiden Längen mehrfach genutzt. Eine Slurry-Drahtsäge und ihre Verwendung zum Trennen von Halbleiterscheiben sind beispielsweise in
EP0798091A2 beschrieben.
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Das Vielfach-Trennläppen mit einem Draht weist eine Reihe von Nachteilen auf, die dem Trennläppen prinzipiell innewohnen. Diese Nachteile beeinträchtigen die erzielbare Ebenheit der Schnittflächen, die Parallelität von Vorder- und Rückseite der durch den Trennvorgang erhaltenen Scheiben und die Rauigkeit und den Grad der Tiefenschädigung („sub-surface damage“). Bedeutsam sind insbesondere oberflächennahe Schäden der Kristallstruktur beim Trennläppen von Halbleitermaterial.
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Während des Trennläppens gerät nur ein Bruchteil des eingesetzten Schneidmittels tatsächlich in Kontakt mit dem Grund des Trennspalts. Der überwiegende Teil des eingesetzten Schneidmittels wird beim Eintritt der Drahtabschnitte in das Werkstück abgestreift. An der Mantelfläche bildet sich ein Schwall gestauten Schneidmittels, der ungenutzt abtropft. Vom in den Sägespalt transportierten Schneidmittel gelangt wiederum nur ein Bruchteil zwischen Draht und den Spaltgrund und wird Span abhebend wirksam. Daher wird das Schneidmittel in der Regel mehrfach verwendet und in der Regel aufbereitet („Recycling“). Die Länge, über die ein Drahtabschnitt und das Schneidmittel im Trennspalt in Dreikörper-Wechselwirkung mit dem Grund des Trennspalts gelangen, wird als Eingriffslänge bezeichnet.
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Das an den Drahtabschnitten anhaftende und in den Trennspalt gelangende Schneidmittel unterliegt über die Eingriffslänge einem Verschleiß, beispielsweise durch Zersplittern des Läppkorns in unwirksame Bruchstücke, und einer Konzentrationsverringerung durch weiteres Abstreifen und Abtropfen. Die Materialabtragsrate und die Weite des Trennspalts nehmen daher vom Drahteintritt in das Werkstück bis zum Drahtaustritt aus dem Werkstück ab. Beim Trennläppen mit konstanter Drahtlaufrichtung entstehen dadurch keilförmige Scheiben mit vom Drahteintritt zum Drahtaustritt zunehmender Scheibendicke. Das Trennläppen mit fortwährender Umkehr der Drahtlaufrichtung (Pilgerschritt-Verfahren) liefert eine nahe der Werkstückmantelfläche sehr wellige Oberfläche aus Riefen (Drahteintritt) und Erhebungen (Drahtaustritt), deren Wellenlänge durch den Schnittfortgang in Trennrichtung während eines vollständigen Pilgerschritts bestimmt ist. Bei halber Eingriffslänge gleichen sich die erzeugten Welligkeiten aus, und die Scheibenoberfläche ist dort weitgehend glatt. Eine im Pilgerschrittverfahren abgetrennte Scheibe ist dann zwar am Rand wellig, weist jedoch zumindest keine Keiligkeit in Drahtdurchlaufrichtung auf.
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Welligkeit und Keiligkeit sind unerwünscht, da zu deren Beseitigung höhere Mindestmaterialabträge in den Folgebearbeitungsschritten erforderlich werden und dadurch die Bearbeitungskosten steigen und die Ausbeute sinkt.
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Verschleiß und Verarmung des Schneidmittels über die Eingriffslänge führen auch zu einer großen Querauslenkung (Durchbiegung) des Drahts über die Eingriffslänge. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Drahtrisses. Ein Drahtriss ist besonders schädlich, da dann meist das gesamte, teilgeschnittene Werkstück verworfen werden muss.
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DE 100 64 066 A1 schlägt zur Verbesserung der Zufuhr von Schneidmittel in die Trennspalte vor, Drahtgatter und Werkstück während des Trennvorgangs fortwährend gegeneinander zu verschwenken („Pendelsäge“, „Rotationssäge“). Dadurch wird die Eingriffslänge stark verkürzt und dem Verarmungseffekt entgegengewirkt. Es hat sich jedoch in der Praxis als nahezu unmöglich erwiesen, damit Scheiben mit planparallelen Oberflächen zu erhalten.
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DE 10 2006 060 358 A1 schlägt zur Verbesserung der Zufuhr von Schneidmittel in die Trennspalte vor, das Drahtgatter und einen Teil des Werkstücks in ein Bad aus Schneidmittel zu tauchen. Es zeigt sich jedoch, dass aufgrund des großen Aspektverhältnisses von Spaltbreite zu Spalttiefe und der Viskosität des Schneidmittels ein wirkungsvoller Transport des Schneidmittels zum Grund der Trennspalte nicht stattfindet.
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US 7,261,099 B2 schlägt zur Verbesserung der Ebenheit der Scheiben ein Verfahren vor, bei dem mittels einer Slurry-Drahtsäge zunächst ein erstes Trennläppen mit einem ersten Draht und nachfolgend ein zweites Trennläppen mit einem zweiten Draht durchgeführt wird, wobei der erste Draht einen geringeren Durchmesser aufweist als der zweite Draht und wobei das erste Trennläppen ein mindestens teilweises Durchtrennen des Stabes und das zweite Trennläppen ein vollständiges Durchtrennen des Stabes umfasst.
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Aufgabe
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein wirtschaftliches Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück anzugeben, die Scheiben mit einer geringen Welligkeit ihrer Oberflächen zugänglich machen und bei denen das Schneidmittel möglichst gleichmäßig über die Länge des Drahteingriffs in das Werkstück verteilt ist.
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Lösung
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Die vorgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, umfassend zwei Gruppen von Drahtführungsrollen, die horizontal und parallel zueinander angeordnet, drehbar gelagert und mit Rillen versehen sind, wobei Draht so in den Rillen um die Drahtführungsrollen herum geführt ist, dass zwischen den Drahtführungsrollen Drahtabschnitte vorhanden sind, die parallel zueinander liegen und die ein erstes und ein zweites Drahtgatter bilden, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste und das zweite Drahtgatter einander überdeckend angeordnet sind, und jeder Drahtabschnitt des ersten Drahtgatters mit genau einem Drahtabschnitt des zweiten Drahtgatters ein Paar von Drahtabschnitten bildet, wobei jedes Paar von Drahtabschnitten in einer Ebene liegt, die das erste und das zweite Drahtgatter lotrecht schneidet.
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Das erste und das zweite Drahtgatter haben bei identischer Drahtquerspannung auf alle Drahtabschnitte der Drahtgatter einen konstanten Abstand h zueinander. Bei unterschiedlichen Drahtquerspannungen, also unter Last während des Trennens von Scheiben von einem Werkstück, haben das erste und das zweite Drahtgatter im Allgemeinen keinen konstanten Abstand zueinander. In diesem Fall bezeichnet h den geringsten Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Drahtgatter. Der Abstand h beträgt vorzugsweise nicht weniger als h = 1d und nicht mehr als h = 50d, wobei d den mittleren Durchmesser der Drahtabschnitte der Drahtgatter bezeichnet. Das erste Drahtgatter ist dasjenige, durch das das Werkstück zuerst bewegt wird, also das obere Drahtgatter.
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Der das erste und zweite Drahtgatter formende Draht besteht entweder aus einem einteiligen Drahtstück oder aus einem ersten und einem zweiten Drahtstück, die voneinander getrennt vorliegen, wobei das erste Drahtgatter vom ersten Drahtstück und das zweite Drahtgatter vom zweiten Drahtstück gebildet werden.
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Das erste und das zweite Drahtstück können denselben Durchmesser haben, oder der Durchmesser des ersten Drahtstücks ist größer, als der Durchmesser des zweiten Drahtstücks.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, umfassend das Bewegen des Werkstücks von oben durch ein erstes und ein zweites Drahtgatter einer Drahtsäge in Gegenwart einer Aufschlämmung von Hartstoffen in einer Trägerflüssigkeit als Schneidmittel, wobei die Drahtgatter einander in einem Abstand überdecken und von Drahtabschnitten gebildet werden, die in Drahtlängsrichtung bewegt werden und beim Bewegen des Werkstücks durch die Drahtgatter Trennspalte im Werkstück erzeugen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass im Verlauf des Bewegens des Werkstücks durch die Drahtgatter jeweils genau ein Drahtabschnitt des ersten Drahtgatters und genau ein Drahtabschnitt des zweiten Drahtgatters gleichzeitig in einem gemeinsamen Trennspalt vorhanden sind.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das gleichzeitige Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von beliebig geformten Werkstücken aus beliebigen Span abhebend bearbeitbaren Materialien. Die Erfindung bezieht sich besonders auf das Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von Prismen mit rechteckigen, hexagonalen oder oktogonalen Grundflächen oder von Kreiszylindern aus Glas, Saphir, Quarz oder Halbleitermaterial. Das Verhältnis der Dicke t in Höhenrichtung der Scheiben zu deren Durchmesser D beträgt vorzugsweise nicht weniger als t/D = 0,0005 und nicht mehr als t/D = 0,02. Als Durchmesser von Werkstücken beliebiger Form wird hier der Durchmesser der Kreisfläche verstanden, die zur Projektionsfläche entlang der Hauptträgheitsachse des Werkstücks mit dem geringsten Trägheitsmoment flächenäquivalent ist.
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Ist das Werkstück ein Kreiszylinder wie beispielsweise ein Halbleiterstab, so ist dieser an seiner Mantelfläche und parallel zur Achse mit einer Leiste aus beispielsweise Glas, Kunststoff oder Graphit verklebt und mittels der Leiste mit seiner Achse parallel zu den Achsen der Drahtführungsrollen in einer Zustellvorrichtung aufgespannt.
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Die Erfindung eignet sich besonders zum gleichzeitigen Trennen einen Vielzahl von Halbleiterscheiben von einem gerade-kreiszylindrischem Stab aus Halbleitermaterial, der einen Durchmesser von gleich oder größer 450 mm hat.
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Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass sich die Drahtabschnitte des ersten Drahtgatters entgegengesetzt zu den Drahtabschnitten des zweiten Drahtgatters bewegen.
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Das Verfahren kann unter fortwährender gleichzeitiger Umkehr der Bewegungsrichtungen der Drahtabschnitte beider Drahtgatter durchgeführt werden. Insbesondere können dabei Paare von Bewegungsumkehrungen jeweils so ausgeführt werden, dass sich in einem ersten Teilschritt jeder Drahtabschnitt eines jeden Drahtgatters um eine jeweils erste Länge in eine jeweils erste Drahtlängsrichtung und in einem zweiten Teilschritt jeder Drahtabschnitt eines jeden Drahtgatters um eine jeweils zweite Länge in eine jeweils zweite, der ersten Richtung genau entgegengesetzte Richtung bewegt, wobei die zweite Länge kleiner als die erste Länge gewählt wird.
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Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass bei jeder Zustellung des Werkstücks um einen dem Abstand der beiden Drahtgatter entsprechenden Betrag genau eine ungeradzahlige Anzahl von Richtungsumkehrungen erfolgt.
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Das Verfahren kann genau ein einteiliges Drahtstück verwenden, dessen Abschnitte beide Drahtgatter bilden; oder das Verfahren kann genau zwei Drahtstücke verwenden, wobei die Drahtabschnitte des ersten Drahtstückes das erste Drahtgatter und die Drahtabschnitte des zweiten Drahtstückes das zweite Drahtgatter bilden.
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Bei Verwendung von zwei Drahtstücken kann der Durchmesser des zweiten Drahtstücks, dessen Drahtabschnitte das zweite Drahtgatter bilden, kleiner sein als der Durchmesser des ersten Drahtstückes, dessen Drahtabschnitte das erste Drahtgatter bilden.
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Das Verfahren kann mit gleicher Drahtquerspannung für alle Drahtabschnitte beider Drahtgatter durchgeführt werden.
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Bei Verwendung von zwei Drahtstücken kann die Drahtquerspannung der Drahtabschnitte des ersten Drahtstückes, die das erste Drahtgatter bilden, verschieden sein von der Drahtquerspannung der Drahtabschnitte des zweiten Drahtstückes, die das zweite Drahtgatter bilden.
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Das Verfahren kann mit identischen Beträgen der Geschwindigkeit der Bewegung aller Drahtabschnitte beider Drahtgatter in Drahtlängsrichtung durchgeführt werden.
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Bei Verwendung von zwei Drahtstücken kann der Betrag der Geschwindigkeit der Bewegung der Drahtabschnitte des ersten Drahtgatters in Drahtlängsrichtung verschieden sein vom Betrag der Geschwindigkeit der Bewegung der Drahtabschnitte des zweiten Drahtgatters in Drahtlängsrichtung.
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Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass der dem ersten Drahtgatter auf der Seite des Eintritts der bewegten Drahtabschnitte des ersten Drahtgatters in das Werkstück zugeführte Volumenstrom an Schneidmittel übereinstimmt mit dem Volumenstrom an Schneidmittel, der dem zweiten Drahtgatter auf der Seite des Eintritts der bewegten Drahtabschnitte des zweiten Drahtgatters in das Werkstück zugeführt wird.
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Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass der dem ersten Drahtgatter auf der Seite des Eintritts der bewegten Drahtabschnitte des ersten Drahtgatters in das Werkstück zugeführte Volumenstrom an Schneidmittel unterschiedlich ist zum Volumenstrom an Schneidmittel, der dem zweiten Drahtgatter auf der Seite des Eintritts der bewegten Drahtabschnitte des zweiten Drahtgatters in das Werkstück zugeführt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren ausführlich beschrieben.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt Drahtführungsrollen und Drahtführung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht
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2 zeigt die wesentlichen Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Frontalansicht.
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3 zeigt Werkstück, Trennspalte und Drahtabschnitte einer erfindungsgemäßen Vorrichtung am Anfang des Trennläppvorgangs in Seitenansicht.
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4 zeigt Werkstück, Trennspalte und Drahtabschnitte einer erfindungsgemäßen Vorrichtung am Ende des Trennläppvorgangs in Seitenansicht.
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5 zeigt Werkstück, Drahtdurchlauf durchs Werkstück während des Trennvorgangs und Slurryverteilung im Trennspalt für ein erfindungsgemäßes Trennläppverfahren bei geringer Drahtquerspannung des oberen Drahtgatters und Drahtdurchlauf von links nach rechts.
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6 zeigt Werkstück, Drahtdurchlauf durchs Werkstück während des Trennvorgangs und Slurryverteilung im Trennspalt für ein erfindungsgemäßes Trennläppverfahren bei hoher Drahtquerspannung des oberen Drahtgatters und Drahtdurchlauf von links nach rechts.
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7 zeigt Werkstück, Drahtdurchlauf durchs Werkstück während des Trennvorgangs und Slurryverteilung im Trennspalt für ein erfindungsgemäßes Trennläppverfahren bei geringer Drahtquerspannung des oberen Drahtgatters und Drahtdurchlauf von rechts nach links.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit kürzerem oberem Drahtgatter.
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9 zeigt Details eines Trennspalts im Querschnitt.
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10 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit insgesamt genau einem Draht
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Bezugszeichenliste
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- 1
- linke äußere Drahtführungsrolle
- 2
- rechte äußere Drahtführungsrolle
- 3
- linke innere Drahtführungsrolle
- 4
- rechte innere Drahtführungsrolle
- 5
- Drehachse der linken äußeren Drahtführungsrolle
- 6
- Drehachse der linken inneren Drahtführungsrolle
- 7
- Drehachse der rechten inneren Drahtführungsrolle
- 8
- Drehachse der rechten äußeren Drahtführungsrolle
- 9
- Drahtführungsrille
- 10
- äußerer Draht (Schneidedraht)
- 11
- innerer Draht (Slurry-Zuführungsdraht)
- 12
- äußeres oberes Drahtgatter
- 13
- äußeres unteres Drahtgatter
- 14
- inneres oberes Drahtgatter
- 15
- inneres unteres Drahtgatter
- 16
- Einlaufrichtung des äußeren Drahtes von der Abwickelspule
- 17
- Längsbewegungsrichtung des äußeren oberen Drahtgatters
- 18
- Auslaufrichtung des äußeren Drahtes auf die Aufwickelspule
- 19
- Längsbewegungsrichtung des äußeren unteren Drahtgatters
- 20
- Einlaufrichtung des inneren Drahtes von der Abwickelspule
- 21
- Längsbewegungsrichtung des inneren oberen Drahtgatters
- 22
- Auslaufrichtung des inneren Drahtes auf die Aufwickelspule
- 23
- Längsbewegungsrichtung des inneren unteren Drahtgatters
- 24
- Drehrichtung der beiden äußeren Drahtführungsrollen
- 25
- Drehrichtung der beiden inneren Drahtführungsrolle
- 26
- Werkstück
- 27
- Kittleiste
- 28
- Klebstofffuge
- 29
- Zustellrichtung des Werkstücks auf die oberen Drahtgatter
- 30
- Werkstückachse
- 31
- Kamm mit Trennspalten
- 32
- linke Slurry-Düse
- 33
- Slurry-Strahl der linken Düse
- 34
- rechte Slurry-Düse
- 35
- Slurry-Strahl der rechten Düse
- 36
- mittlere Einschnitttiefe
- 36a
- Einschnitttiefe am Werkstückrand
- 36b
- Einschnitttiefe im Werkstückzentrum
- 37
- Durchbiegung des äußeren Drahts
- 38
- Aufstauung des Schneidmittels am Eintritt des äußeren Drahts in das Werkstück
- 39
- Aufstauung des Schneidmittels am Eintritt des inneren Drahts in das Werkstück
- 40
- Verlauf der Konzentration des Schneidmittels des äußeren Drahts mit der Eingriffslänge
- 41
- Verlauf der Konzentration des Schneidmittels des inneren Drahts mit der Eingrifflänge
- 42
- Verlauf der Gesamtkonzentration des Schneidmittels von innerem und äußerem Draht mit der Eingrifflänge
- 43
- mittlere Eingriffs- bzw. Durchtrittslänge von äußerem und innerem Drahtgatter
- 43a
- Eingriffslänge des äußeren Drahtgatters
- 43b
- Durchtrittslänge des inneren Drahtgatters
- 44
- obere linke Drahtführungsrolle
- 45
- Drehachse der oberen linken Drahtführungsrolle
- 46
- Drehrichtung der oberen Drahtführungsrollen
- 47
- obere rechte Drahtführungsrolle
- 48
- Drehachse der oberen rechten Drahtführungsrolle
- 50
- Grund des Trennspalts
- 51
- Ort des Drahteintritts der Drahtabschnitte des oberen äußeren Drahtgatters in das Werkstück
- 52
- Ort des Drahteintritts der Drahtabschnitte des unteren äußeren Drahtgatters in das Werkstück
- 53
- Läppkorn (Hartstoff)
- 54
- an Läppkorn verarmter Bereich
- 55
- Torsionsbewegung des Drahtes
- 56
- an Läppkorn reicher Bereich
- 57
- untere innere Drahtführungsrolle
- 58
- erste untere äußere Drahtführungsrolle
- 59
- zweite untere äußere Drahtführungsrolle
- 60
- Achse der unteren inneren Drahtführungsrolle
- 61
- Achse der ersten unteren äußeren Drahtführungsrolle
- 62
- Achse der zweiten unteren äußeren Drahtführungsrolle
- h
- minimaler Abstand beider Drahtgatter in Zustellrichtung
- L
- mittlere Eingriffslänge
- L1
- Eingriffslänge des ersten Drahtgatters
- L2
- Eingriffslänge des zweiten Drahtgatters
- S
- mittlere Konzentration an Schneidmittel im Trennspalt
- S1
- Konzentration des durch das erste Drahtgatter in den Trennspalt mitgeführten Schneidmittels
- S2
- Konzentration des durch das zweite Drahtgatter in den Trennspalt mitgeführten Schneidmittels
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Ausführliche Erfindungsbeschreibung
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1 zeigt Drahtführungsrollen und Drahtführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht. Zur Verdeutlichung der Drahtführung sind alle weiteren Elemente fortgelassen. Eine linke äußere Drahtführungsrolle 1 ist mit Drehrichtung 24 drehbar um eine Achse 5 gelagert und eine rechte äußere Drahtführungsrolle 2 mit gleicher Drehrichtung 24 drehbar um eine Achse 8. Die Achsen 5 und 8 sind parallel zueinander angeordnet. Die Mantelflächen beider Drahtführungsrollen sind jeweils mit einer Vielzahl umlaufender, jeweils geschlossener und äquidistant in Achsrichtung angeordneter Rillen 9 versehen. Die Rillen 9 führen einen äußeren Draht 10. Zur besseren Unterscheidbarkeit ist Draht 10 gestrichelt gezeigt. Draht 10 ist so spiralförmig in den Rillen 9 um die beiden äußeren Drahtführungsrollen 1 und 2 gelegt, dass auf der Oberseite mittels Führung durch Rillen 9 in gleichen Axialpositionen beider Drahtführungsrollen 1 und 2 aus parallel verlaufenden Abschnitten des Drahts 10 ein oberes äußeres Drahtgatter 12 gebildet wird. Auf der Unterseite wird mittels Führung durch auf einer Drahtführungsrolle gegenüber der anderen Drahtführungsrolle um eine Axialposition versetzte Rillen 9 ebenso ein unteres äußeres Drahtgatter 13 aus parallel verlaufenden Abschnittes des Drahts 10 gebildet. Da die Drahtabschnitte im unteren äußeren Drahtgatter von einer Drahtführungsrolle zur anderen Drahtführungsrolle um eine Rille axial versetzt werden, verlaufen die Drahtabschnitte des unteren äußeren Drahtgatters 13 leicht schräg zu den Drahtabschnitten des oberen äußeren Drahtgatters 12.
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Im in 1 gezeigten Drahtverlauf wird der äußere Draht 10 mit Richtung 16 von links von einer in 1 nicht gezeigten Drahtabwickelspule der ersten Rille 9 der linken äußeren Drahtführungsrolle 1 zugeführt. Durch Rotation 24 der Drahtführungsrollen 1 und 2 bewegen sich alle Drahtabschnitte des oberen äußeren Drahtgatters gleichsinnig und mit gleicher Geschwindigkeit in Richtung 17 und alle Drahtabschnitte des unteren äußeren Drahtgatters gleichsinnig und mit gleicher Geschwindigkeit in Richtung 19. Dabei verläuft Richtung 19 des unteren äußeren Drahtgatters 13 bis auf eine geringe Winkelabweichung aufgrund des Rillenversatzes der Drahtabschnitte genau entgegengesetzt zur Richtung 17 des oberen äußeren Drahtgatters 12. Nach Durchlaufen aller Rillen 9 der Drahtführungsrollen 1 und 2 verlässt der äußere Draht 10 die Anordnung in Richtung 18 zu einer Drahtaufwickelspule hin.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst eine weitere Anordnung aus inneren Drahtführungsrollen 3 und 4 und einem inneren Draht 11. Die Achsen 6 und 7 der inneren Drahtführungsrollen 3 und 4 sind parallel zueinander und zu den Achsen 5 und 8 der äußeren Drahtführungsrollen 1 und 2 angeordnet. Die inneren Drahtführungsrollen 3 und 4 drehen sich gleichsinnig in Richtung 25. Der innere Draht 11 ist spiralförmig um die inneren Drahtführungsrollen 3 und 4 geführt, sodass an der Oberseite ein Drahtgatter 14 aus parallel verlaufenden Abschnitten des Drahts 11 und an der Unterseite ein Drahtgatter 15 aus parallel verlaufenden Abschnitten des Drahts 11 gebildet wird. Oberseitig werden die Drahtabschnitte durch Rillen 9 in gleichen Axialpositionen der Drahtführungsrollen 3 und 4 geführt, und unterseitig erfolgt von einer Drahtführungsrolle zur anderen ein Wechsel auf eine axial benachbarte Rille 9, sodass die Drahtabschnitte in Drahtgatter 15 wieder etwas schräg gegenüber den Drahtabschnitten in Drahtgatter 14 verlaufen.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der innere Draht 11 in Richtung 20 von einer Drahtabwickelspule zugeführt, sodass sich die Drahtabschnitte des oberen inneren Drahtgatters 14 gleichsinnig zueinander und mit gleicher Geschwindigkeit in Richtung 21 und die Drahtabschnitte des unteren inneren Drahtgatters 15 gleichsinnig zueinander und mit gleicher Geschwindigkeit in einer, der Richtung 21 bis auf den kleinen Winkel aufgrund des Rillenwechsels, genau entgegengesetzten Richtung 23 verlaufen.
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Erfindungsgemäß verlaufen die Drahtabschnitte des äußeren oberen Drahtgatters 12 parallel und deckungsgleich zu den Drahtabschnitten des inneren oberen Drahtgatters 14. Im Verlauf des Trennvorgangs durchlaufen jeweils ein Drahtabschnitt des Drahtgatters 12 und jeweils ein Drahtabschnitt des Drahtgatters 14 jeweils einen gemeinsamen Trennspalt im Werkstück. Dies verdeutlicht 2. Sie zeigt das Werkstück 26 mit einer Achse 30, die parallel zu den Achsen 5 bis 8 der Drahtführungsrollen angeordnet ist, eine linke Düse 32 und eine rechte Düse 34, die links und rechts des Werkstücks 26 Strahlen 33 und 35 einer Aufschlämmung aus Hartstoffen in einer Trägerflüssigkeit als Schneidmittel auf alle Drahtabschnitte der beiden oberen Drahtgatter 12 und 14 sprühen, und eine Leiste 27, die mit einer Klebefuge 28 mit dem Werkstück 26 verklebt ist und die eine Zustellvorrichtung repräsentiert, die das Werkstück 26 in einer Richtung 29 senkrecht auf die oberen Drahtgatter 12 und 14 hin zustellt.
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Die Bewegung der Drahtabschnitte erfolgt in jeweiliger Drahtlängsrichtung und relativ zum Werkstück, unter fortgesetztem Zuführen von Schneidmittel 33 und 35 und weiterem Zustellen des Werkstücks 26 in Richtung 29 auf die oberen Drahtgatter 12 und 14. Es resultiert ein Materialabtrag, mittels dessen sich die Drahtabschnitte unter Bildung einer Vielzahl von Trennspalten 31 durch das Werkstück 26 hindurcharbeiten. Dabei gelangen jeweils nur die Drahtabschnitte des oberen äußeren Drahtgatters 12 in Kontakt mit dem Grund 50 der Trennspalte 31. Die Länge, über die die Drahtabschnitte des oberen äußeren Drahtgatters 12 dabei in Kontakt mit dem Grund der Trennspalte, an dem der Trennvorgang voranschreitet, stehen, ist die Eingriffslänge 43a.
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Damit Scheiben vollständig vom Werkstück abgetrennt werden können, muss sich das obere äußere Drahtgatter 12 vollständig über den gesamten Querschnitt des Werkstücks hindurcharbeiten, ohne dass die unteren Drahtgatter 13 und 15 das Werkstück berühren. Demzufolge muss bei Verwendung der Ausführungsform gemäß 1 und 2 der Durchmesser der kleineren Drahtführungsrollen 3 und 4, die die inneren Drahtgatter 14 und 15 aufspannen, mindestens so groß sein wie die größte Ausdehnung des Werkstücks in Zustellrichtung. Bei kreiszylindrischem Werkstück muss der Durchmesser der inneren Drahtführungsrollen 3 und 4 also größer als der Durchmesser des Werkstücks sein. Außerdem müssen die Durchmesser der äußeren Drahtführungsrollen 1 und 2 größer als die Durchmesser der inneren Drahtführungsrollen 3 und 4 sein.
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Die Drahtabschnitte des oberen inneren Drahtgatters 14 gelangen nicht in Kontakt mit dem Grund 50 der Trennspalte 31 und leisten daher keinen unmittelbaren Materialabtrag am Spaltgrund 50. Die Länge, über die die Drahtabschnitte des Drahtgatters 14 innerhalb der entstandenen Sägespalte 31 verlaufen, wird daher als Durchtrittslänge 43b und nicht als Eingriffslänge bezeichnet. Die Anordnung der Drahtabschnitte in den Trennspalten ist noch einmal in 3 und 4 verdeutlicht, die Werkstück 26 und Trennspalte 31 in Seitenansicht zeigen. 3 zeigt dabei die Situation kurz nach Beginn des Trennvorgangs bei geringer Einschnittstiefe 36; 4 am Ende des Trennvorgangs bei großer Einschnittstiefe 36. Die Trennspalte erstrecken sich zu diesem Zeitpunkt über den gesamten Querschnitt des Werkstücks 26, und die Drahtabschnitte des oberen äußeren Drahtgatters 12 befinden sich schon vollständig innerhalb der Leiste 27.
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3 und 4 zeigen auch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der Drahtstücke mit unterschiedlichem Durchmesser eingesetzt werden. Dabei besitzt der Draht, dessen Abschnitte das obere Drahtgatter 12 bilden, bevorzugt einen größeren Durchmesser als der Draht, dessen Abschnitte das untere Drahtgatter 14 bilden.
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5 zeigt weitere Einzelheiten zum Verlauf der Zustellung des Werkstücks 26 in Richtung 29 gegen die Drahtabschnitte der Drahtgatter 12 und 14. Damit es zu einem Span abhebenden Materialabtrag kommt, muss der Draht eine Kraft auf das Werkstück ausüben. Diese wird als Drahtquerspannung bezeichnet. Die Drahtquerspannung wird aufgebaut, indem der Draht in Drahtlängsrichtung mit einer Drahtlängsspannung vorgespannt wird und gleichzeitig durch Zustellung des Werkstücks ausgelenkt wird. Die Drahtquerspannung hängt damit auch von den elastischen Eigenschaften des Drahtmaterials ab. Bei über die Eingriffslänge konstanter Querkraft folgt die Drahtauslenkung einer Parabel. Außerhalb des Eingriffs wirkt keine Querkraft, und der Draht verläuft gerade in Richtung 17 von der linken äußeren Drahtführungsrolle (in 5 nicht gezeigt) zum Punkt des Eintritts in das Werkstück und ebenfalls gerade vom Punkt des Austritts aus dem Werkzeug zur rechten äußeren Drahtführungsrolle (in 5 nicht gezeigt). Das Bezugszeichen 37 bezeichnet die maximale Drahtauslenkung am Scheitelpunkt der Parabel. Die Trennspalte besitzen aufgrund der Drahtdurchbiegung daher an den Punkten des Drahtein- und Drahtaustritts eine größere Tiefe 36a als eine Tiefe 36b im Zentrum des Eingriffs. Entsprechend ist der Abstand beider Drahtgatter voneinander außerhalb des Eingriffs mit dem Werkstück am größten und am Scheitelpunkt der Parabel am geringsten. Der kleinste Abstand der Drahtgatter voneinander ist durch das Bezugszeichen h bezeichnet.
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Am Ort des Eintritts 51 in das Werkstück 26 liegen die Drahtabschnitte des äußeren oberen Drahtgatters 12 mit der Drahtquerspannung am Grund 50 der Trennspalte an. Das über Düse 32 mittels Sprühstrahl 33 aufgebrachte Schneidmittel wird beim Drahteintritt daher größtenteils abgestreift. Es bildet sich ein Stauschwall 38 an Schneidmittel, das vor Eintritt in die Trennspalte am Werkstück abtropft und für den Trennvorgang nicht zur Verfügung steht. In geringerem Umfang erfolgt ein Abstreifen auch an den Seiten des Drahtes. Dort übt der Draht zwar keine Kraft auf die Seitenflächen der Trennspalte aus, aber es tritt eine hohe Scherspannung im viskosen Film des Schneidmittels zwischen Draht und Trennspalt-Seitenfläche auf, die einem vollständigen Transport des an den Drahtseiten anhaftenden Schneidmittels in den Trennspalt entgegenwirkt.
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Die Drahtabschnitte des unteren Drahtgatters 14 haben keinen Kontakt mit dem Grund 50 der Trennspalte. Daher werden auf sie durch Zustellung der Werkstücks 50 auch keine Drahtquerkräfte ausgeübt und sie erfahren keine Auslenkung. Aus diesem Grund wird am Ort 52 des Eintritts der Drahtabschnitte des Drahtgatters 14 in das Werkstück das von Düse 34 mittels Sprühstrahl 35 aufgebrachte Schneidmittel auch kaum abgestreift. Es bildet sich ein nur kleiner Stauschwall 39. Der größte Teil des auf den Draht aufgebrachten Schneidmittels gelangt in die Trennspalte 31.
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Bevorzugt werden die Drahtlaufrichtung 17 der Drahtabschnitte des oberen, Material abtragenden Drahtgatters 12 und die Drahtlaufrichtung 21 der Drahtabschnitte des unteren, den Trennspalten zusätzliches Schneidmittel zuführenden Drahtgatters 14 entgegengesetzt gewählt. Dies hat den Vorteil, dass das Drahtgatter 14 dort am meisten zusätzliches Schneidmittel zur Verfügung stellt, wo es durch Verschleiß und Abstreifen über die Eingriffslänge 43a an Drahtgatter 12 am meisten verarmt ist.
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Durch das mehrfache Umlenken beim Abwickeln, Zuführen und Spannen des Drahts und insbesondere durch das Abrollen des Drahts an den Wänden der Rillen der Drahtführungsrollen erfahren die Drahtabschnitte eine zeitlich stets schwankende Verdrillung (Torsion). 9a zeigt den Ausschnitt eines Trennspalts 31 mit einem Drahtabschnitt des oberen Drahtgatters 12 und einem Drahtabschnitt des unteren Drahtgatters 14 im Querschnitt. Der Bereich 54 am Grund 50 des Trennspalts 31 ist durch Abstreifen und Verschleiß durch Splitterung an Schneidmittel 53 verarmt. Durch Torsionsbewegung 55 der Drahtabschnitte wird Schneidkorn 53 im Trennspalt 31 und zwischen den Drahtabschnitten der Drahtgatter 12 und 14 ausgetauscht. Dies zeigt 9b. Die besonders viel Schneidmittel 53 führenden Drahtabschnitte des Drahtgatters 14 „pumpen“ so Schneidkorn 53 auch zum Grund 50 des Trennspalts 31, sodass dort wieder ein Bereich 56 mit einer hohen Konzentration an Schneidmittel 53 zur Verfügung steht. Drahtgatter 14 sorgt so für eine gleichbleibende Zufuhr von Schneidmittel zum Material abtragenden Drahtgatter 12 über die ganze Länge des Eingriffs.
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5 zeigt weiterhin im Diagramm S1 = S1(L1) den Verlauf 40 der Konzentration S1 an Schneidmittel an den Drahtabschnitten des Drahtgatters 12 in Abhängigkeit von der Länge L1 über die Eingriffslänge 43a, und im Diagramm S2 = S2(L2) den Verlauf 41 der Konzentration S2 an Schneidmittel an den Drahtabschnitten des Drahtgatters 14 in Abhängigkeit von der Länge L2 über die Durchtrittslänge 43b. S1 nimmt mit zunehmender Länge L1 durch Verbrauch und Verarmung während des Material abtragenden Kontakts mit dem Trennspaltgrund 50 stark ab (Verlauf 40). S2 nimmt mit zunehmender Länge L2 weniger stark ab, da auf den Draht keine Querkraft ausgeübt wird. Die Summe S = S(L) beider Konzentrationen S1 und S2 über die mittlere Länge L zeigt Verlauf 42: Über die gesamte mittlere Länge 43 des Drahteingriffs am Drahtgatter 12 bzw. des Drahtdurchtritts am Drahtgatter 14 bleibt die Konzentration S = S(L) des Schleifmittels im Arbeitsspalt weitgehend konstant (Verlauf 42).
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Ein besonders gleichmäßiger Verlauf 42 ergibt sich, wenn das als „Schneidgatter“ wirkende Drahtgatter 12 und das als „Fördergatter“ wirkende Drahtgatter 14 in Vorschubrichtung 29 einen möglichst geringen Abstand zueinander haben. Neben möglichst nah beieinander liegenden Drahtabschnitten im Trennspalt fördert auch eine möglichst geringe Drahtlängsspannung, also leichte Auslenkbarkeit des Drahts, oder eine hohe Zustellgeschwindigkeit, also große Auslenkung 37 des Drahtgatters 12 die Vergleichmäßigung des Verlaufs 42, wenn durch unterschiedliche Auslenkung beider Gatter ein besonders geringer Abstand beider Gatter bewirkt wird. Durch den sehr geringen Abstand beider Drahtabschnitte im Bereich der maximalen Auslenkung des Drahtgatters 12, ist dann dort die Förderwirkung des Drahtgatters 14 am größten, wo die Verarmung an Schneidmittel des Drahtgatters 12 ohne „Fördergatter“ 14 am größten wäre. Weiter zum Austritt des Drahtgatters 12 aus dem Werkstück hin nimmt die Konzentration an Schneidmittel ohne Drahtgatter 14 zwar noch weiter ab und die Förderwirkung von Drahtgatter 14 lässt wegen des zunehmenden Abstands der Drähte nach; jedoch ist hier, noch nahe am Eintrittsort 52 des Drahtgatters 14 in das Werkstück, die Konzentration des durch Drahtgatter 14 eingebrachten Schneidmittels besonders hoch, sodass sich insgesamt eine sehr ausgeglichene Konzentration an Schneidmittel über die gesamte mittlere Länge 43 des Drahteingriffsbeziehungsweise Drahtdurchtritts beider Drahtgatter ergibt.
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6 zeigt die Situation für größere Abstände der Drahtgatter 12 und 14 oder geringe Drahtlängsspannung oder geringe Zustellgeschwindigkeit für identischen drahtauslenkungsfreien Ausgangsabstand der Gatter wie in 5. Der drahtauslenkungsfreie Ausgangsabstand der Gatter ist die Summe aus Drahtdurchbiegung 37 und minimalem Gatterabstand h. Ein von Drahtauslenkung freies Drahtgatter liegt beispielsweise vor, wenn das Drahtgatter nicht in das Werkstück eingreift. Die Förderwirkung von Drahtgatter 14 ist wegen des größeren Drahtabstands zu gering, als dass die Abnahme gemäß Verlauf 40 der Konzentration an Schneidmittel S1 = S1(L1) am Drahtgatter 12 allein vollständig ausgeglichen werden könnte. Im Verlauf 42 der Gesamtkonzentration S = S(L) über die Länge L dominiert die Konzentrationsabnahme gemäß Verlauf 40 des Drahtgatters 12.
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Es ist besonders bevorzugt, das erfindungsgemäße Verfahren in Kombination mit dem Pilgerschrittverfahren durchzuführen. Beim Pilgerschrittverfahren wird die Richtung der Drahtlängsbewegungen 17 und 21 mehrfach während eines vollständigen Schnitts durch das Werkstück umgekehrt, wobei in jedem einzelnen dieser „Pilgerschritt“ genannten Paare aus Richtungsumkehrungen die Drahtabschnitte um eine größere Länge in die eine und eine kleinere Länge in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden. Die Umkehrung der Bewegungsrichtung 17 der Drahtabschnitte von Drahtgatter 12 und der Bewegungsrichtung 21 der Drahtabschnitte von Drahtgatter 14 erfolgt bevorzugt gleichzeitig.
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Die Umkehrung der Bewegungsrichtungen 17 und 21 kann jedoch auch mit leichtem zeitlichem Versatz erfolgen, da kurz vor und nach der Umkehr die Drahtgeschwindigkeit durch das Abbremsen bzw. Beschleunigen der Drahtführungsrollen vergleichsweise langsam ist und bei dieser Geschwindigkeit die Abstreifwirkung von Schneidmittel am Ort des Drahteintritts 51 in Werkstück 26 von der bei vergleichsweise hoher Drahtgeschwindigkeit abweicht. Es kann also ein anderes „Förderverhalten“ vorteilhaft werden, das über zeitlichen Versatz des Umkehrzeitpunkts der Bewegungsrichtungen 17 und 21 realisiert werden kann.
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7 zeigt die Situation nach der Umkehr der Bewegungsrichtung für identische Drahtspannung und Durchbiegung wie 5, jedoch umgekehrten Drahtlaufrichtungen 17 und 21. Die Konzentration an Schneidmittel S1 = S1(L1) des Drahtgatters 12, S2 = S2(L2) des Drahtgatters 14 und die resultierende Gesamtkonzentration an Schneidmittel S = S(L) beider Drahtgatter, dargestellt durch die Verläufe 40, 41 und 42 in 7, verhalten sich genau spiegelbildlich zu denen in 5. Da die Gesamtkonzentration S = S(L) für beide Drahtlaufrichtungen über die Länge L ziemlich konstant ist, treten bei Durchführung des Pilgerschritt-Verfahrens die vom Drahtsägen mit nur einem Drahtgatter bekannten abwechselnd von links nach rechts verlaufenden Spaltweitenabnahmen nicht auf. Es resultieren daher besonders wellarme, gleichförmige Oberflächen. Gleichzeitig können die Vorteile des Pilgerschritt-Verfahrens ohne Beeinträchtigung der Ebenheit der erhaltenen Scheiben genutzt werden.
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Es ist darüber hinaus besonders bevorzugt, das Verfahren unter fortwährender Umkehr der Bewegungsrichtung der Drahtabschnitte der Drahtgatter 12 und 14 über die Dauer des gesamten Schnitts auszuführen- und während eines Zeitraums eine ungerade Anzahl von Umkehrungen der Bewegungsrichtung herbeizuführen. Der Zeitraum entspricht der Dauer der Zustellung des Werkstücks auf die Drahtgatter, um das Werkstück über eine Länge in Zustellrichtung zuzustellen, die dem Abstand der beiden Drahtgatter entspricht. Dies hat den Vorteil, dass dann die Drahtabschnitte des unteren Drahtgatters 14 einen jeden Ort im Trennspalt genau umgekehrt zur Richtung durchlaufen, mit der zuvor die Drahtabschnitte des oberen Drahtgatters 12 diesen Ort durchlaufen haben. Eine durch die Drahtabschnitte des oberen Drahtgatters 12 ggf. erzeugte Restwelligkeit wird dann durch ein „Nachläppen“ mittels der Drahtabschnitte des unteren Drahtgatters 14 in genau entgegengesetzter Richtung ausgeglichen, und es resultieren besonders glatte, wellfreie und homogene Oberflächen der bei Schnittende erhaltenen Scheiben.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit kürzerem oberem äußerem Drahtgatter 12. Bei Verwendung von nur genau je zwei Drahtführungsrollen für beide Drahtgatter 12 und 14, wie in 1 und 2 gezeigt, ergibt sich ein großer Abstand zwischen den äußeren Drahtführungsrollen 1 und 2 mit sehr großen Längen der Drahtabschnitte des Drahtgatters 12. Das Drahtgatter wird dadurch sehr „weich“, und es resultieren auch für große Drahtlängsspannungen und langsames Zustellen hohe Auslenkungen der Drahtabschnitte des Drahtgatters 12. Dies vermeidet die in 8 gezeigte Ausführung mit zwei zusätzlichen Drahtführungsrollen 44 und 47 mit Drehachsen 45 und 48 und Rillen 9, die die Drahtabschnitte führen. Der Durchmesser der Drahtführungsrollen 44 und 47 kann frei gewählt werden, da die Drahtführungsrollen nur ein Drahtgatter 12 aufspannen (und kein Drahtgatter aus rücklaufenden Drahtabschnitten), sodass das Werkstück stets vollständig durch das Drahtgatter hindurchtreten kann. Die Drehrichtungen 46 der oberen Drahtführungsrollen 44 und 47 und die Drehgeschwindigkeiten ergeben sich aus den Drehrichtungen 24 der äußeren Drahtführungsrollen 1 und 2. Das Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten beider Drahtführungsrollen-Paare ist umgekehrt proportional zu deren Durchmesserverhältnis. Bevorzugt ist der Abstand der Achsen 5 und 45 in Zustellrichtung 29 (Vertikalabstand) etwas geringer als die Summe der Radien der Drahtführungsrollen 1 und 44 gewählt und ebenso der Abstand der Achsen 8 und 48 in Zustellrichtung 29 etwas geringer als die Summe der Radien der Drahtführungsrollen 4 und 47, so dass die Drahtführungsrollen 44 und 47 das Drahtgatter 12 in Zustellrichtung 29 und auf das Drahtgatter 14 hin querauslenken. Dadurch ergibt sich dann die erhöhte Steifigkeit des Drahtgatters 12, die einen Vorteil der Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 8 bewirkt.
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10 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Draht 10, der aus einem einteiligen Drahtstück besteht. Draht 10 wird in Richtung 16 von einer Drahtabwickelspule (nicht in 10 gezeigt) in der ersten Rille 9 der äußeren linken Drahtführungsrolle 1 geführt und bewegt sich weiter in Richtung 17 als Drahtabschnitt des oberen äußeren Drahtgatters 12 durch den Trennspalt 31 des Werkstücks 26 in die erste Rille 9 der äußeren rechten Drahtführungsrolle 4 und zu ¾ um diese herum. Dann wird er auf die erste Rille 9 der inneren rechten Drahtführungsrolle 4 umgelenkt, durchläuft diese zu ¼ und bewegt sich weiter in Richtung 14 – also wie bevorzugt gegenläufig zu Richtung 17 – als Drahtabschnitt des oberen inneren Drahtgatters 14 durch den Trennspalt 31 des Werkstück 26 auf innere linke Drahtführungsrolle 3. Diese umläuft er zu ¼ und wird dann auf die zweite Rille 9 der äußeren linken Drahtführungsrolle 1 umgelenkt. Nachdem der Draht auf diese Weise alle Rillen 9 der Drahtführungsrollen 1 bis 4 durchlaufen hat, verlässt er die Anordnung in Richtung 18 einer Drahtaufwickelspule (nicht in 10 gezeigt).
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Die in 10 gezeigte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, weil sich keine unteren Drahtgatter 13 und 15 wie in 1 und 2 ergeben. Die Durchmesser der Drahtführungsrollen können somit kleiner als die längste Ausdehnung des Werkstücks in Zustellrichtung 29 gewählt werden. Diese Anordnung ist besonders kompakt und kann insgesamt sogar kleiner ausgeführt werden als bekannte Drahtsägen, die „untere Drahtrückführungsgatter“ aufweisen. Sie ist daher besonders vorteilhaft zum Trennen von Scheiben von Werkstücken mit vergleichsweise besonders großen Durchmessern. Insbesondere können auch die äußeren Drahtführungsrollen 1 und 2 kleiner als die inneren Drahtführungsrollen 3 und 4 gewählt werden, wobei dann die Achsen 5 und 8 der äußeren Drahtführungsrollen 1 und 2 entsprechend oberhalb der Achsen 6 und 7 der Drahtführungsrollen 3 und 4 angeordnet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als zwei Drahtführungsrollen zur Bildung eines jeden der beiden Drahtgatter 12 und 14 umfassen. 11 zeigt eine Ausführungsform mit vier äußeren Drahtführungsrollen 1, 2, 58, 59 für das äußere Drahtgatter 12 und drei inneren Drahtführungsrollen 3, 4, 57 für das innere Drahtgatter 14. Der Draht 10 läuft dabei aus Zuführungsrichtung 16 über die erste Rille 9 von Drahtführungsrolle 1 durch den Trennspalt 31 im Werkstück 26, über die erste Rille 9 von Drahtführungsrolle 2, die erste Rille 9 von Drahtführungsrolle 59, die zweite Rille 9 der Drahtführungsrolle 58, die zweite Rille 9 der Drahtführungsrolle 1 und so weiter, bis er durch die letzte Rille 9 der Drahtführungsrolle 2 läuft und dann die Anordnung in Richtung 18 verlässt. Der Draht 11 läuft aus Zuführungsrichtung 20 über die erste Rille 9 von Drahtführungsrolle 4 durch den Trennspalt 31 im Werkstück 26, über die erste Rille 9 der Drahtführungsrolle 3 und die zweite Rille 9 der Drahtführungsrolle 57, die zweite Rille 9 der Drahtführungsrolle 4 und so weiter, bis er durch die letzte Rille 9 der Drahtführungsrolle 3 die Anordnung in Richtung 22 verlässt. Der Rillenwechsel kann für Draht 10 auch von Drahtführungsrolle 2 auf Drahtführungsrolle 59 oder von Drahtführungsrolle 58 auf Drahtführungsrolle 1 erfolgen und für Draht 11 auch von Drahtführungsrolle 57 auf Drahtführungsrolle 4. Die Achsen 60, 61 und 62 der zusätzlichen Drahtführungsrollen 57, 58 und 59 verlaufen dabei parallel zu den Achsen 5, 6, 7 und 8 der Drahtführungsrollen 1, 3, 4 und 2 und somit parallel zur Achse 30 des Werkstücks 26.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0798091 A2 [0013]
- DE 10064066 A1 [0019]
- DE 102006060358 A1 [0020]
- US 7261099 B2 [0021]
