MAYER, Xaver (Baumgartenweg 12, Grosselfingen, 72415, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien (W) wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien (W), insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, mit mindestens einem als umfänglich diamantbeschichteten, endlosen Sägedraht ausgebildeten Trennwerkzeug (2), umfassend die Schritte: endlos umlaufendes Bewegen des Trennwerkzeugs (2) in einer Endlosschleife und Trennbewegen des umlaufenden Trennwerkzeugs (2) relativ zu dem Material (W) zum trennenden Bearbeiten des Materials (W), dadurch gekennzeichnet, dass das endlos umlaufende Bewegen mit einer Umlaufgeschwindigkeit in einem Bereich von größer gleich 500 Meter pro Minute bis kleiner gleich 7.500 Meter pro Minute, bevorzugt in einem Bereich von größer gleich 750 Meter pro Minute bis kleiner gleich 6.000 Meter pro Minute und weiter bevorzugt in einem Bereich von größer gleich 1.000 Meter pro Minute bis kleiner gleich 5.000 Meter pro Minute durchgeführt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennbewegen eine Vorschubbewegung umfasst, die mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von größer gleich 5 Millimeter pro Minute bis kleiner gleich 100 Millimeter pro Minute, bevorzugt in einem Bereich größer gleich 10 Millimeter pro Minte bis kleiner gleich 75 Millimeter pro Minute und weiter bevorzugt in einem Bereich größer gleich 15 Millimeter pro Minute bis kleiner gleich 50 Millimeter pro Minute, durchgeführt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennbewegen mindestens eine Translationsbewegung entlang mindestens einer Achse und/oder mindestens eine Schwenkbewegung um mindestens eine Achse umfasst. 4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das endlos umlaufende Bewegen das Rotieren des mindestens einen Sägedrahts um mindestens zwei Umlaufrollen (3) umfasst. 5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Trennen mindestens ein Zusatzstoff, insbesondere ein Kühlmittel und/oder ein Schmiermittel, in den Kontakbereich von Sägedraht und Material (W) zugeführt wird. 6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennten Teile des Materials (W) abgesaugt werden. 7. Vorrichtung (1) zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien (W) wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien (W), insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 vorgesehen sind. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein als umfänglich diamantbeschichteter, als Endlosschlaufe ausgebildeter Sägedraht als Trennwerkzeug (2) vorgesehen ist, der in einer Endlosschleife mittels einer Antriebseinrichtung, die mindestens zwei Umlenkrollen (3) aufweist, rotiert wird. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Bewegungseinrichtung vorgesehen ist, um eine Trennbewegung des umlaufenden Trennwerkzeugs (2) relativ zu dem Material (W) und/oder umgekehrt zum trennenden Bearbeiten des Materials (W) zu bewirken. 10. Vorrichtung (l)nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Trockentrennvorrichtung zusatzmittelzuführvorrichtungsfrei ausgebildet ist, um das trennende Bearbeiten trocken, das heißt ohne Zufuhr eines Zusatzmittels wie Kühlmittel und/oder Schmiermittel, durchzuführen. 11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Zusatzmittelzuführvorrichtung aufweist, um das trennende Bearbeiten nass, das heißt mit Zufuhr eines Zusatzmittels wie Kühlmittel und/oder Schmiermittel, durchzuführen. 12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung eine Vorschubeinheit und/oder eine Schwenkeinheit umfasst und so als Mehrfach-Bewegungseinrichtung ausgebildet ist, um mindestens eine Translationsbewegung entlang mindestens einer Achse und/oder mindestens eine Schwenkbewegung um mindestens eine Achse durchzuführen. 13. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung eine Trennwerkzeugpendeleinheit umfasst, um das Trennwerkzeug (2) während des Trennvorgangs pendelnd zu bewegen. 14. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absaugeinrichtung vorgesehen ist, um Teile des abgetrennten Materials (W) abzusaugen. 15. Trennsystem (100) zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien (W), wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien (W), insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, mit einem diamantbeschichteten Trennwerkzeug (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 14 vorgesehen ist. 16. Trennsystem (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennsystem (100) für eine gleichzeitige Bearbeitung von mehreren Materialien (W) und/oder eines Materials (W) an mehreren Abschnitten und/oder in mehreren Zufuhrrichtungen ausgebildet ist. 17. Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 14 und/oder eines Trennsystems (100) nach einem der Ansprüche 15 oder 16 zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien (W), wie Siliziummaterialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien, Ingots und dergleichen zur Herstellung von Siliziumwafern oder Siliziumteilen für Solarmodule. |
Materialien sowie deren Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien, wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien, wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Zudem betrifft die Erfindung ein Trennsystem zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien, wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Vorrichtung zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien, wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, und/oder eines Trennsystems zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien wie Siliziummaterialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien, Ingots und dergleichen, gemäß Anspruch 17.
Verfahren und Vorrichtungen zum trennenden Bearbeiten von Siliziumblöcken oder sogenannten Ingots sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist das Drahtsägen bekannt. Drahtsägen werden zum Beispiel zur Herstellung von Wafern für die Photovoltaik- und Halbleiterindustrie eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein mechanisches Trennverfahren von Materialien, beispielsweise Silizium, das auch als Trennläppverfahren oder Läppen mit ungebundenem Schneidkorn und ungerichteter Schneide bezeichnet wird. Dabei wird über eine Abwickelspule ein endlicher Draht über Drahtführungsrollen und mit einer definierten Drahtgeschwindigkeit abgewickelt und auf einer Aufwickelspule aufgewickelt.
Weitere Verfahren und/oder Vorrichtungen nutzen beispielsweise sogenannte Nass- Schneideverfahren, bei denen während des Schneidens ein Zusatzmittel, wie beispielsweise ein Kühlmittel oder ein Schmiermittel, verwendet wird. Bei den bekannten Lösungen werden Diamantwerkzeuge, das heißt diamantbeschichtete Werkzeuge, verwendet, beispielsweise ein endlicher Diamantdraht oder ein Diamantsägeband. Bei einem Sägen von Ingots wird beispielsweise ein Diamantdraht von einer Wickelrolle mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit abgewickelt und von einer anderen Wickelrolle aufgewickelt. Bei dem Wickelvorgang passiert der Diamantdraht in trennender Bearbeitung das zu bearbeitende Siliziummaterial und schneidet dieses entsprechend. Zur Durchführung der trennenden Bearbeitung wird an der Kontaktstelle von Werkzeug und Material ein Kühlmittel zugegeben, um Wärmeentwicklungen zu reduzieren und damit eine geforderte Qualität eines zu trennenden Siliziumstücks einzuhalten. Nach dem Abwickeln des Werkzeugs wird eine weitere Wickelrolle mit Diamantdraht bereitgestellt, die zum weiteren Trennen wieder abgewickelt bzw. aufgewickelt wird. Je nach Größe des zu bearbeitenden Materials sind mehrere Wickelrollen an Diamantdraht erforderlich. Bekannt ist auch die Anwendung von Bandsägen mit diamantbeschichteten Bändern, wobei hier das Trennen nass erfolgt, das heißt, unter Verwendung von Kühlmitteln. Aufgrund der mit dem Band einhergehend großen Reibung ist ein trockenes Trennen nicht realisierbar.
Aus der DE 197 29 578 B4 ist eine Drahtsäge zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, mit drehbar gelagerten Drahtführungsrollen, um die ein Sägedraht gewickelt ist, bekannt, wobei zwei benachbarte Drahtführungsrollen ein Drahtgatter begrenzen, das eine bestimmte Breite aufweist, und die Drahtsäge mindestens einen Antrieb aufweist, durch den die Drahtführungsrollen in Rotation versetzt werden, und eine das Drahtgatter begrenzende Drahtführungsrolle auf einem langgestreckten Träger abgestützt ist, der an einem Ende mit einem Maschinenrahmen verbunden ist und ein gegenüberliegendes, frei schwebendes Ende aufweist, wobei der Träger durch die Drahtführungsrolle in deren Längsrichtung hindurchgeführt ist und mit dem Maschinenrahmen eine unbewegte Einheit bildet, und eine das Drahtgatter begrenzende Drahtführungsrolle als Hülse ausgebildet ist, und die Hülse auf einer Trägerrolle sitzt, und der Drahtführungsrolle mindestens ein Axiallager zugeordnet ist, das bewirkt, dass eine axiale Mitte der Drahtführungsrolle bei einer axialen Ausdehnung der Drahtführungsrolle infolge von Wärmeeinwirkung nicht oder nur geringfügig verschoben wird. Bei einer derartigen Drahtsäge wird ein endlicher Draht von einer Abwickelspule auf eine Aufwickelspule gewickelt. Üblicherweise befindet sich das Scheidkorn, welches gemäß dem Stand der Technik als Siliciumcarbid ausgebildet ist, in dem zugeführten Zusatzmittel, dem sogenannten „Slurry". Gemäß der DE 197 29 578 B4 kann auch ein Draht mit gebundenem Schneidkorn eingesetzt werden. Übliche Umlaufgeschwindigkeiten bzw. Drahtgeschwindigkeiten liegen bei derartigen Verfahren bei 10 Meter pro Minute bis maximal 30 Meter pro Minute.
Aus der DE 600 22 921 T2 ist eine Drahtsägeeinrichtung zum Trennen bzw. Schneiden eines harten, spröden Materials, bekannt, die einen abrasiven bzw. abreibenden Draht aufweist, der Folgendes aufweist: einen Kerndraht; abrasive bzw. abreibende Kristallkörner bzw. Körnungen, die um den Kerndraht herum vorgesehen sind; und eine Bond- bzw. Fügeschicht, die an dem Kerndraht gebildet ist, um die abrasiven bzw. abreibenden Kristallkörner bzw. Körnungen an den Kerndraht zu bonden bzw. zu fügen bzw. zu kleben, wobei die Bond- bzw. Fügeschicht durch ein lichttrocknendes bzw. lichthärtendes Harz bzw. Kunstharz gebildet ist. Die Drahtsägeeinrichtung weist ebenfalls einen endlichen Draht auf, der auf- bzw. abgewickelt wird. Auch mit dieser Einrichtung sind nur begrenzte Drahtgeschwindigkeiten realisierbar. In der DE 600 22 921 T2 ist eine Trenn- bzw. Schneidgeschwindigkeit von 300 Meter pro Minute erwähnt. Darüberliegende Schneidgeschwindigkeiten sind nicht ausgeführt.
Aus der DE 199 58 414 AI ist eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück bekannt, mit einer Längsachse mit einem Drahtgatter aus Sägedraht mit einer Vorschubeinrichtung, die eine translatorische, senkrecht zu der Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Drahtgatter der Drahtsäge bewirkt, in deren Verlauf das Werkstück durch das Drahtgatter geführt wird, wobei das Drahtgatter aus einer Vielzahl von Einzeldrähten gebildet ist und dass eine Einrichtung zum Halten und zum Drehen des Werkstücks um die Längsachse vorhanden ist. Auch diese Vorrichtung weist einen endlichen Draht auf, der auf- bzw. abgewickelt wird. Eine maximal zu erreichende Umfangsgeschwindigkeit wird mit bis zu 30 Meter pro Sekunde angegeben, wobei diese durch Drehung des Werkstücks und Drahtgeschwindigkeit realisiert wird. Eine reine maximale Drahtgeschwindigkeit wird nicht weiter angegeben. Aus der DE 197 34 243 AI ist eine Bandsäge zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, bekannt, umfassend ein über ein Rollensystem umlaufendes Sägeband, das einen Bandrücken und eine dem Bandrücken gegenüberliegende, mit Schneidbelag versehene Schneidkante aufweist, sowie ein Vorschubsystem, das eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Schneidkante bewirkt, wobei das Sägeband unter Ausbildung eines Trennspaltes in das Werkstück eindringt, wobei eine Stützscheibe, die den Bandrücken abstützt und von einer Halteeinrichtung gehalten wird, vorgesehen ist. Weiter ist auch ein Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück mit dieser Bandsäge bekannt, wobei ein an den Bandrücken angrenzender Teil der Stützscheibe mit in den Trennspalt eindringt. Als Trennwerkzeug wird hier ein Band statt eines Drahts verwendet. Eine Trennung ist hierbei nur in einer Schneidrichtung möglich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Trennsystem und eine Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Trennsystems zu schaffen, bei welchen ein effektives Trennen auch in mehrere Schneidrichtungen realisiert ist, ohne eine Trennqualität zu reduzieren.
Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 7, ein Trennsystem nach Anspruch 15 und eine Verwendung nach Anspruch 17.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben oder werden nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung der Figuren angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem Verfahren zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, mit mindestens einem als umfänglich diamantbeschichteten, endlosen Sägedraht ausgebildeten Trennwerkzeug, die Schritte umfasst sind: endlos umlaufendes Bewegen des Trennwerkzeugs in einer Endlosschleife und Trennbewegen des umlaufenden Trennwerkzeugs relativ zu dem Material zum trennenden Bearbeiten des Materials, wobei das endlos umlaufende Bewegen mit einer Umlaufgeschwindigkeit in einem Bereich von größer gleich 500 Meter pro Minute bis kleiner gleich 7.500 Meter pro Minute, bevorzugt in einem Bereich von größer gleich 750 Meter pro Minute bis kleiner gleich 6.000 Meter pro Minute und weiter bevorzugt in einem Bereich von größer gleich 1.000 Meter pro Minute bis kleiner gleich 5.000 Meter pro Minute durchgeführt wird. Mit diesen hohen Geschwindigkeiten wird eine Selbstkühlung sowie eine Selbstreinigung des endlos umlaufenden Diamantdrahtes bewirkt.
Das Verfahren wird in einer Ausführungsform der Erfindung trocken, das heißt ohne Verwendung und/oder Zufuhr von Zusatzmitteln wie Kühl- und/oder Schmiermittel ausgeführt. In einer anderen Ausführungsform wird das Verfahren nass, das heißt mit Verwendung und/oder unter Zufuhr von Zusatzmitteln wie Kühl- und/oder Schmiermittel ausgeführt. Das Sägen erfolgt mit einer konstanten Umlaufgeschwindigkeit. Dabei rotiert der Draht konstant in eine Umlaufrichtung. In einer anderen Ausführungsform ist die Umlaufrichtung umkehrbar. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Sägen mit veränderter Umlaufgeschwindigkeit und/oder veränderbare Umlaufrichtung.
Siliziumblöcke und andere kristalline Materialien, einschließlich Monosilizium und Polysilizium, werden zur industriellen Anwendung trennend bearbeitet, um beispielsweise Siliziumscheiben oder dergleichen als Wafer oder für Solarmodule zu schaffen. In anderen Anwendungen werden Siliziumblöcke oder Siliziumstabmaterialien geformt und/oder deren Enden bearbeitet, beispielsweise deren Spitze geschliffen. Dies erfolgt mittels Werkzeugen, die sich umlaufend bewegen, insbesondere mit hohen Geschwindigkeiten, beispielsweise in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 10.000 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt in einem Bereich von etwa 500 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute und am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 1.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute. Die Bewegung wird in anderen Ausführungsbeispielen mit hohen Geschwindigkeiten in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 10.000 Meter pro Minute, bevorzugt in einem Bereich von etwa 500 bis 8.000 Meter pro Minute und am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 1.000 bis 5.000 Meter pro Minute durchgeführt. Durch die hohen Geschwindigkeiten ist keine Kühlung des Werkzeugs bzw. des Materials an dem Kontaktbereich erforderlich, da eine Selbstkühlung durch die hohen Geschwindigkeiten erfolgt. Es wirken zudem nur geringe Schnittkräfte auf das Material, sodass in dem Kontaktbereich von Trennwerkzeug und Material nur eine geringe Reibung aufritt mit entsprechend geringer Reibungswärme. Zudem ist zum Beispiel bei einem Trennen mittels eines Endlosdrahtes, der permanent umläuft, bei ausreichender Länge ausreichend Zeit vorhanden, dass sich eine Stelle des Drahtes bis zu einem nächsten Kontakt abkühlen kann. Durch die hohe Geschwindigkeit und die entsprechende Zeitdauer erfolgt ein Abkühlen des in Kontakt stehenden Drahtabschnitts. Je nach Länge des Drahtes und der daraus geformten endlosen Drahtschlaufe lassen sich unterschiedliche Maximalgeschwindigkeiten erzielen. Insbesondere lassen sich mit einer endlosen Drahtschlaufe höhere Geschwindigkeiten als bei einem endlichen Draht realisieren.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren mehrfach hintereinander und/oder parallel ausgeführt. So wird beispielsweise eine Endenbearbeitung mit dem Verfahren ausgeführt und parallel dazu ein Schneiden. Das Trennbewegen des umlaufenden Werkzeugs relativ zu dem Material erfolgt in einer Ausführung durch Bewegen des Werkzeugs relativ zu einem festen Material. In einer anderen Ausführung wird das Werkzeug ortsfest gehalten und das Material wird relativ dazu bewegt. In noch einer anderen Ausführungsform werden Werkzeug und Material bewegt. Das Bewegen wird beispielsweise CNC-gesteuert durchgeführt und mittels speicherprogrammierbarer Steuerung geregelt. Für die Durchführung des Verfahrens wird das Material auf einer entsprechenden Materialhalterung eingespannt. In einer Ausführungsform sind mehrere Materialhalterungen vorgesehen, sodass mehrere Materialien gleichzeitig gehalten werden. In anderen Ausführungsformen werden die Materialien automatisch zugeführt und eingespannt. Das Werkzeug wird mit einer solch hohen Geschwindigkeit bewegt, dass ein Selbstreinigungsprozess und/oder ein Selbstkühlungsprozess aufgrund der Geschwindigkeit bewirkt wird. Zudem ist durch die hohe Geschwindigkeit eine Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Material reduziert. Als Trennwerkzeug wird in einer Ausführungsform ein Diamantdraht eingesetzt. Dieser weist zum Beispiel gegenüber einem Diamantband, welches sich in der Geometrie, insbesondere der Breite, deutlich unterscheidet, einen geringeren Kontakt mit dem zu bearbeitenden Material, beispielsweise einem Rohling, einem Werkstück, einem Werkstoff, einem Halbzeug oder einem Ingot, auf. Der Kontakt ist so gering wie möglich gehalten, um neben einem Nassverfahren auch ein Trockenverfahren möglich zu machen, insbesondere um geringe Schnittkräfte und/oder eine geringe Reibung mit entsprechend geringer Reibungswärme zu realisieren. Der Kontakt ist insbesondere als Linienkontakt, bevorzugt als Punktkontakt, ausgebildet. Dies wird insbesondere durch eine zusätzliche Schwenkbewegung des Materials und/oder des Werkzeugs, beispielsweise nach Art einer Taumelbewegung oder Pendelbewegung, realisiert. Das Trennwerkzeug ist insbesondere als Schneidwerkzeug ausgebildet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das umlaufende Bewegen als endloses Rotieren um mindestens eine Achse durchgeführt wird. Um eine hohe Eigengeschwindigkeit des Trennwerkzeugs zu realisieren, wird das Trennwerkzeug um mindestens eine Achse rotiert. In anderen Ausführungsformen wird eine Bewegung um mehrere Achsen durchgeführt, sodass eine Art Taumelbewegung realisiert wird. In einer Ausführungsform wird eine endlose Diamantdrahtschlaufe um entsprechende Rollen rotiert. Hierfür wird der Diamantdraht um mindestens zwei Rollen geführt und entsprechend gespannt. Die beiden Rollen werden rotiert, wodurch der Diamantdraht mitrotiert wird und eine Endlosrotation durchführt. Es können mehrere Rollen vorgesehen werden, sodass eine längere Diamantdrahtschlaufe eingesetzt werden kann. Zudem kann der Diamantdraht mittels Umlenkrollen umgelenkt werden, wobei auch hierunter ein endloses Rotieren im Sinne der Erfindung zu verstehen ist, da der Draht entlang dieser Führungsrollen endlos umläuft. Zusätzlich sind in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Stütz- und/oder Spannrollen vorgesehen. Die Rollen sind in einer Ausführungsform verstellbar und/oder elastisch gelagert. Eine oder mehrere Rollen weisen bevorzugt eine oder mehrere Führungsnut(en) oder Führungsrille(n) auf. Für ein endlos umlaufendes Bewegen oder endloses Rotieren ist vorgesehen, dass eine umlaufende Drahtschlaufe gespannt ist, um eine trennende Bearbeitung durchzuführen. In einer Ausführung ist deshalb der Schritt Spannen des Werkzeugs umfasst. Die Rollen, um welche die Drahtschlaufe umläuft, lassen sich entsprechend bewegen oder verschieben, sodass das Werkzeug, genauer die Drahtschlaufe, gespannt wird. In anderen Ausführungsformen sind mehrere Trennwerkzeuge vorgesehen, die entsprechend bewegt werden. Zum kontrollierten trennenden Bearbeiten sind in anderen Ausführungsformen die Trennwerkzeuge geführt, sodass beim Trennen kein Versatz oder dergleichen auftritt. Beispielsweise wird eine Drahtschlaufe - oder ein Drahtring oder Drahtendlosband - in einer Führungsnut oder dergleichen geführt. Mehrere Drahtschlaufen werden in anderen Ausführungsformen parallel zueinander umlaufend bewegt oder rotiert.
Wiederum andere Ausführungsformen sehen als zusätzliches Trennwerkzeug einen Schleifkörper, wie eine Schleifscheibe oder einen Schleifzylinder, vor. Insbesondere sind mehrere Trennwerkzeuge vorgesehen, beispielsweise zwei Schleifzylinder, die beabstandet zueinander einen Schleifspalt bilden, in dem beispielsweise eine Endenbearbeitung durchgeführt wird. Auch die Schleifkörper werden mit entsprechend hoher Geschwindigkeit rotiert. Das Rotieren erfolgt um eine Drehachse, die bevorzugt zentrisch zu dem Schleifkörper ausgebildet ist. Ein weiteres Rotieren wird in vorteilhaften Ausführungsformen um eine exzentrisch zu dem Schleifkörper angeordnete Drehachse bewirkt. Die Drehachse ist bevorzugt bei Einsatz von mehreren Schleifkörpern zentrisch zu den Schleifkörpern angeordnet. Schleifkörper und Diamantdrahtsäge sind in einer Ausführungsform in einer Anlage integriert ausgebildet, sodass sowohl ein Trennen als auch ein Schneiden auf einer Anlage oder Maschine ausführbar ist. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Trennbewegen mindestens eine Translationsbewegung entlang mindestens einer Achse und/oder mindestens eine Schwenkbewegung um mindestens eine Achse umfasst. Das Trennbewegen erfolgt, indem das Material zu dem Werkzeug oder das Werkzeug zu dem Material oder sowohl Material als auch Werkzeug relativ zueinander bewegt werden. Dies erfolgt bevorzugt CNC-gesteuert. Die Bewegung erfolgt bevorzugt entlang und/oder um mehrere Achsen, sodass eine beliebige trennende Bearbeitung realisierbar ist. Auf diese Weise lassen sich statt einfaches Schneiden von Scheiben, das heißt einem Schneiden in einer Schnittebene, auch Schnitte entlang verschiedener Ebenen durchführen, sodass auch Konturen erzeugt werden können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Trennbewegen eine Vorschubbewegung umfasst, die mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von größer gleich 5 Millimeter pro Minute bis kleiner gleich 100 Millimeter pro Minute, bevorzugt in einem Bereich größer gleich 10 Millimeter pro Minte bis kleiner gleich 75 Millimeter pro Minute und weiter bevorzugt in einem Bereich größer gleich 15 Millimeter pro Minute bis kleiner gleich 50 Millimeter pro Minute, durchgeführt wird. Die Vorschubbewegung erfolgt mittels Translation und/oder Rotation des Werkzeugs und/oder des Materials. Eine entsprechende Steuerung zur Koordinierung der Bewegung ist vorgesehen. In anderen Ausführungsformen sind andere Geschwindigkeiten realisierbar.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das endlos umlaufende Bewegen das umlaufende Rotieren mindestens eines endlosen Diamantdrahtes, insbesondere von mehreren Diamantdrähten, umfasst. Der Diamantdraht wird dabei als Endlosschlaufe ausgeführt und umläuft mehrere Rollen, insbesondere eine Antriebsrolle und eine Umlenkrolle. Auf diese Weise wird der endlose Diamantdraht um die Rollen und deren Achsen rotiert. In anderen Ausführungsformen sind weitere Rollen vorgesehen, um welche der endlose Diamantdraht geführt ist. Diese sind beispielsweise zum Spannen oder weiteren Umlenken ausgebildet, sodass der Diamantdraht entsprechend um mehrere Achsen umläuft und im Sinne dieser Erfindung um diese Achsen rotiert. Die Achsen der einzelnen Umlenkrollen sind in einem Ausführungsbeispiel um eine weitere gemeinsame Schwenkachse verschwenkbar. Bevorzugt ist die gemeinsame Schwenkachse parallel zu den Achsen der Umlenkrollen ausgebildet. Auf diese Weise wird der Diamantdraht, zusätzlich zu dem Umlauf um die Achsen der Rollen, um die Schwenkachse bewegt, sodass der Draht neben der Rotation eine Schwenkbewegung ausführt. Die Achsen lassen sich parallel und/oder winklig anordnen, wobei eine parallele Anordnung bevorzugt ist. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass beim Trennen mindestens ein Zusatzstoff, insbesondere ein Kühlmittel und/oder ein Schmiermittel, in den Kontaktbereich von Sägedraht und Material zugeführt wird. Der Zusatzstoff ist in einer Ausführungsform flüssig ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist der Zusatzstoff gasförmig ausgebildet. In noch einer anderen Ausführungsform ist der Zusatzstoff fest ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen weist der Zusatzstoff flüssige und/oder feste und/oder gasförmige Bestandteile auf.
Noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die abgetrennten Teile des Materials abgesaugt werden. Die bei der trennenden Bearbeitung entstehenden Teile oder Späne des Materials werden bei der Trockenbearbeitung als Abfall abgesaugt. Hierzu sind aerodynamisch ausgelegte Absaugrohre vorgesehen, die die Späne entsprechend an deren Flugbahn beim Trennen angepasst absaugen. Bevorzugt werden die Späne an mehreren Stellen abgesaugt. Insbesondere werden die Späne in eine Verlaufsrichtung des Werkzeugs im Bereich eines Kontakts mit dem Material abgesaugt. Das Absaugen erfolgt zusätzlich zu einem Ausbringen der Späne aufgrund des umlaufenden Trennwerkzeugs. Mit der Bewegung des Trennwerkzeugs werden Materialspäne von dem Material wegbewegt. Diese wegbewegten Materialspäne werden weiter mittels Absaugen abtransportiert.
Die technische Lehre der Erfindung sieht weiter vor, dass bei einer Vorrichtung zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, vorgesehen ist, dass Mittel zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sind.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien, wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, ist diamantbeschichtetes Trennwerkzeug vorgesehen. Das Trennwerkzeug umfasst mindestens einen umlaufend bewegbaren, umfänglich diamantbeschichteten Sägedraht und mindestens eine Bewegungseinrichtung zum Ausführen einer Trennbewegung des umlaufenden Trennwerkzeugs relativ zu dem Material zum trennenden Bearbeiten des Materials. Der Sägedraht weist einen beliebigen Querschnitt auf, insbesondere einen kreisförmigen, einen ovalen, einen quadratischen, einen rechteckigen, einen trapezförmigen oder einen mehreckigen Querschnitt. Umfänglich, das heißt entlang einer Kontur des Querschnitts, ist der Sägedraht diamantbeschichtet. In einer Ausführungsform ist der Diamantdraht bondierungsfrei ausgebildet. Der Querschnitt ist bevorzugt konstant über die Länge des Sägedrahts ausgebildet, kann aber in einzelnen Ausführungsformen auch über die Länge unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Der Diamantdraht ist als Endlosschlaufe ausgebildet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein als umfänglich diamantbeschichteter, als Endlosschlaufe ausgebildeter Sägedraht als Trennwerkzeug vorgesehen ist, der in einer Endlosschleife mittels einer Antriebseinrichtung, die mindestens zwei Umlenkrollen aufweist, rotiert wird. In anderen Ausführungsformen sind mehrere Sägedrähte vorgesehen. Die mehreren Sägedrähte sind dabei bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet und/oder angeordnet. In anderen Ausführungsformen sind winklige Anordnungen vorgesehen. Bevorzugt rotieren die mehreren Drähte in die gleiche Richtung. In einer Ausführungsform rotieren die mehreren Drähte in unterschiedliche Richtungen, beispielsweise entgegengesetzt. In einer anderen Ausführungsform sind die Diamantdrähte gegenüberliegend angeordnet, sodass diese einen Spalt bilden, in dem beispielsweise ein Material gleichzeitig von zwei oder mehreren Seiten bearbeitet werden kann. Der Diamantdraht ist umfänglich beschichtet. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, Konturen zu sägen.
Deshalb ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass mindestens eine Bewegungseinrichtung vorgesehen ist, um eine Trennbewegung des umlaufenden Trennwerkzeugs relativ zu dem Material und/oder umgekehrt zum trennenden Bearbeiten des Materials zu bewirken. Die Bewegungseinrichtung ist in einer Ausführungsform mehrachsig ausgebildet, sodass eine Bewegung in mehr als eine Richtung realisierbar ist. Dabei ist in einer Ausführungsform die Bewegungseinrichtung derart ausgebildet, dass eine Bewegung mittels Translation und/oder Rotation durchführbar ist. Hierzu sind Linear- und/oder Schwenk- oder Pendelantriebe vorgesehen.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung als Trockentrennvorrichtung zusatzmittelzuführvorrichtungsfrei ausgebildet ist, um das trennende Bearbeiten trocken, das heißt ohne Zufuhr eines Zusatzmittels wie Kühlmittel und/oder Schmiermittel, durchzuführen.
Die Vorrichtung ist in einer Ausführungsform entsprechend kühlmittelfrei ausgebildet, das heißt, es sind keine Vorrichtungen oder Einrichtungen zur Zuführung und/oder Abführung von Kühlmittel, Schmiermittel und dergleichen, zumindest im Bereich des trennenden Eingriffs des Werkzeugs in das Material vorgesehen. Eine Kühlung erfolgt durch das mit hohen Geschwindigkeiten permanent umlaufende Werkzeug und/oder die geringe Kontaktfläche zwischen Material und Werkzeug, die durch die Geometrie des Werkzeugs bestimmt vorzugsweise linienförmig und weiter bevorzugt punktförmig ausgebildet ist. Das Diamanttrennwerkzeug ist umlaufend bewegbar ausgebildet, das heißt, eine bestimmte Stelle des Trennwerkzeugs ist bei mehrfachem Umlauf auch mehrfach im trennenden Eingriff mit dem Material, da das Werkzeug mehrmals an dem Werkzeug vorbei umläuft. In einer anderen Ausführungsform ist eine Kühlung vorgesehen.
Entsprechend sieht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass die Vorrichtung eine Zusatzmittelzuführvorrichtung aufweist, um das trennende Bearbeiten nass, das heißt mit Zufuhr eines Zusatzmittels wie Kühlmittel und/oder Schmiermittel, durchzuführen. Die Zusatzmittelzuführvorrichtung ist in einer Ausführungsform materialnah ausgebildet. Das heißt, eine Kühlung oder Zusatzmittelzufuhr erfolgt unmittelbar an dem Material, genauer im Kontakbereich von Trennwerkzeug und Material. In einer anderen Ausführungsform ist die Zusatzmittelzuführvorrichtung materialfern ausgebildet. Hier erfolgt eine Zusatzmittelzufuhr entfernt von dem Material. Beispielsweise wird der umlaufende Diamantdraht entfernt von dem Material gekühlt und/oder geschmiert.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Bewegungseinrichtung eine Vorschubeinheit und/oder eine Schwenkeinheit umfasst und so als Mehrfach- Bewegungseinrichtung ausgebildet ist, um mindestens eine Translationsbewegung entlang mindestens einer Achse und/oder mindestens eine Schwenkbewegung um mindestens eine Achse durchzuführen. Das Material und/oder das Trennwerkzeug ist somit in mehrere Richtungen translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar.
Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Schwenkeinrichtung eine Trennwerkzeugpendeleinheit umfasst, um das Trennwerkzeug während des Trennvorgangs pendelnd zu bewegen. Auf diese Weise ist ein Kontaktbereich zwischen Material und Diamantdraht minimierbar, wodurch geringe Schnittkräfte realisierbar sind. Durch einen pendelnden Eingriff eines Diamantdrahts in das Material ist beispielsweise ein quasi punktförmiger Kontaktbereich an dem Material realisierbar. Verbunden mit der hohen Umlaufgeschwindigkeit des Diamantdrahts sind bei hoher Qualität hohe Vorschubgeschwindigkeiten, beispielseise von etwa 5 Millimeter pro Minute bis etwa 50 Millimeter pro Minute, realisierbar. Je nach Schnitthöhe des zu schneidenden Werkstücks ist die Vorschubgeschwindigkeit somit einstellbar. Bevorzugt wird bei einer Schnitthöhe von etwa 20 Millimetern mit einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 50 Millimeter pro Minute geschnitten. Auf diese Weise ist ein hoher Durchsatz realisierbar. In anderen Ausführungsformen sind andere Vorschubgeschwindigkeiten und/oder andere Schnitthöhen vorgesehen.
Die Vorrichtung ist insbesondere für das trennende Bearbeiten von monokristallinen und/oder polykristallinen Materialien oder Werkstoffen, insbesondere Silizium und dergleichen, ausgebildet. Die Materialien sind in beliebiger Form bearbeitbar. Es lassen sich sowohl runde als auch eckige Werkstoffe, beispielsweise zylindrische oder quaderförmige Werkstoffe bearbeiten. Neben dem endlos umlaufend bewegbaren, das heißt in mindestens eine Umlaufrichtung bewegbaren, Diamanttrennwerkzeug, umfasst die Vorrichtung mindestens eine Bewegungseinrichtung, mit welcher eine Relativbewegung des Werkzeugs zu dem Material ausgeführt wird. Die Bewegungseinrichtung ist als einachsige Bewegungseinrichtung und/oder als mehrachsige Bewegungseinrichtung ausgeführt. In einer Ausführungsform bewegt die Bewegungseinrichtung das Material relativ zu dem Werkzeug. In einer anderen Ausführungsform bewegt die Bewegungseinrichtung das Werkzeug relativ zu dem Material. In wiederum einer anderen Ausführungsform bewegt die Bewegungseinrichtung das Werkzeug und das Material gleichzeitig. Entsprechend weist die Bewegungseinrichtung korrespondierende Bewegungsmechanismen wie Linearmotoren, Schlitten und dergleichen auf. Die Bewegungseinrichtung ist als translatorische und/oder rotatorische Bewegungseinrichtung ausführbar. Das heißt, die Bewegungseinrichtung ist für translatorische und/oder rotatorische Bewegungen des Materials und/oder des Werkzeugs ausgebildet, sowohl entlang und/oder um eine Achse oder entlang und/oder um mehrere Achsen.
Über die Bewegungseinrichtung sind beliebige trennende Bearbeitungsschritte für verschiedenste Formen ausführbar. Bevorzugt ist die Bewegungseinrichtung CNC-gesteuert, beispielsweise über eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine SPS-Regelung. Geeignete Trennwerkzeuge sind beispielsweise Drahtwerkzeuge oder dergleichen, das heißt Trennwerkzeuge, die einen möglichst kleinen Kontaktbereich beim Trennen mit dem Material realisieren. Bandwerkzeuge wie von Bandsägen sind hierfür ungeeignet, da diese eine zu große Kontaktfläche beim Trennen mit dem Material aufweisen und eine Kühlung erforderlich wäre. Andere zusätzlich geeignete Trennwerkzeuge sind Schleifkörper, beispielsweise Schleifscheiben oder Schleifzylinder. Die Schleifkörper sind für einen möglichst geringen, vorzugsweise linienförmigen und besonders bevorzugt für einen punktförmigen, Kontakt ausgebildet. Sie lassen sich zur Einstellung eines Schleifspalts entsprechend anordnen. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Trennwerkzeug mindestens eine endlose Diamantdrahtschlaufe umfasst. Durch Ausführen des Diamanttrennwerkzeugs als Endlosschlaufe ist eine endlos umlaufende Bewegung des Diamanttrennwerkzeugs auf einfache Weise möglich. Das Diamanttrennwerkzeug umfasst in einer Ausführungsform eine einzige Endlosschlaufe. In anderen Ausführungsformen umfasst das Diamanttrennwerkzeug mehrere Endlosschlaufen, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf oder noch mehr Endlosschlaufen, die bevorzugt parallel angeordnet sind. Die Endlosschlaufen sind über entsprechende Führungseinheiten, beispielsweise über Nuten an Antriebs- und/oder Umlenkrollen voneinander beabstandet angeordnet, bevorzugt in einer axialen Richtung der Rollen hintereinander beabstandet. Der Abstand ist über entsprechende Bauteile oder Anordnungen der Rollen variierbar. Bevorzugt sind die Diamanttrennwerkzeuge über einen gemeinsamen Antrieb steuerbar. In anderen Ausführungsformen sind mindestens zwei Antriebe zum Ansteuern vorgesehen. Bevorzugt sind mehrere Diamantdrähte über eine gemeinsame Welle angetrieben. Die Diamantdrähte sind in einer Ausführungsform auf unterschiedlich großen Rollen angeordnet. Die Rollen weisen in einer Ausführungsform eine Rille für eine Diamantdrahtschlaufe auf. In anderen Ausführungsformen weist eine Rolle mehrere Rillen für mehrere Diamantdrahtschlaufen auf. Zusätzlich zu den Umlenkrollen sind in einer Ausführungsform der Erfindung Stützrollen, Zusatzrollen und/oder Spannrollen vorgesehen. Diese weiteren Rollen wie Stützrolle, Zusatzrolle und/oder Spannrolle verfügen in einer Ausführungsform über mindestens eine Rille oder Nut. Über die weiteren Rollen ist der umlaufende Draht entsprechend stütz- und/oder spannbar, insbesondere im Bereich des Eingriffs in das Material. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung stützrollenfrei und/oder zusatzrollenfrei, insbesondere im Eingriffsbereich des Drahtes mit dem Werkstück, ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform weist die endlose Diamantdrahtschlaufe eine Länge in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 2.500 Meter auf. Bevorzugt beträgt die Länge in einer Ausführungsform etwa 3 bis 4 Meter, beispielsweise 3,656 Meter. Je nach Durchmesser und Material des Drahtes sind beliebige Längen realisierbar. Bevorzugt liegt ein Durchmesser des Drahtes zwischen etwa 0,1 Millimetern und 0,9 Millimetern. Jedoch sind in anderen Ausführungsformen kleinere oder größere Durchmesser realisiert.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Diamanttrennwerkzeug mindestens einen diamantbeschichteten Schleifkörper umfasst. Der Schleifkörper ist beliebig ausgeformt, beispielsweise als Schleifscheibe, als Schleifzylinder, als Schleifkegelstumpf oder dergleichen. Bevorzugt sind mehrere Schleifkörper vorgesehen. Die Schleifkörper sind in einer bevorzugten Ausführungsform gleich ausgebildet, in anderen Ausführungsformen auch unterschiedlich ausgebildet. Bevorzugt sind mindestens zwei voneinander beabstandete Schleifkörper vorgesehen, die einen Schleifspalt zur trennenden Bearbeitung des in den Schleifspalt eingeführten Materials zwischen sich bilden.
Die Schleifkörper eignen sich besonders für eine Endenbearbeitung eines Materials. Für eine trennende Bearbeitung des Materials sind die Schleifkörper um entsprechende Achsen rotierbar ausgebildet, sodass die Schleifkörper eine endlos umlaufende, rotierende Bewegung ausführen. Die Achsen der Schleifkörper sind bevorzugt parallel zueinander ausgebildet. In anderen Ausführungen sind winklige Anordnungen vorgesehen. Über die Form der Schleifkörper und/oder die Anordnung der Achsen ist eine Form des Schleifspalts definierbar, welche wiederum eine trennende Bearbeitung des Materials vorgibt. Über einen konusförmigen Spalt ist beispielsweise ein konusförmiges Material herstellbar. In anderen Ausführungsformen sind andere Spaltformen vorgesehen. Die Schleifkörper sind um eine vorzugsweise zentrische Achse des Schleifkörpers rotierbar. Zudem sind in einer Ausführungsform mehrere Schleifkörper um eine gemeinsame, mittig angeordnete Drehachse drehbar. Auf diese Weise führt jeder Schleifkörper für sich eine Rotation um die eigene zentrische Achse aus. Zudem führen alle Schleifkörper eine gemeinsame Drehung um eine mittige, aber exzentrisch zu den einzelnen Schleifkörpern angeordnete gemeinsame Drehachse aus. Insbesondere ist in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Bewegungseinrichtung nach Art eines Planetengetriebes ausgeführt ist. Die Schleifkörper sind in einer Ausführungsform mit ihren Stirnflächen in einer Ebene angeordnet. Sowohl die Stirnflächen als auch die Umlauf- oder Mantelflächen der Schleifkörper sind dabei diamantbeschichtet ausgeführt. In anderen Ausführungsformen sind mehrere Schleifkörper hintereinander ausgeführt, wobei mindestens zwei Schleifkörper paarweise in einer Ebene einen Schleifspalt bildend angeordnet sind. Auf einer Anlage sind in einer Ausführungsform Diamantdraht-Trennwerkzeug und Schleifkörper-Trennwerkzeug integriert angeordnet, um so eine Mehrfachbearbeitung von Material zu realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist somit vorgesehen, dass eine Antriebseinrichtung zum Antreiben, insbesondere zum Rotieren, des Diamanttrennwerkzeugs vorgesehen ist. Um das Diamanttrennwerkzeug umlaufend zu bewegen, ist eine entsprechende Antriebseinrichtung vorgesehen. Diese umfasst in einem Ausführungsbeispiel mindestens eine Antriebsrolle und mindestens eine Umlenkrolle, um eine Endlosdrahtschlaufe entsprechend umlaufend zu bewegen. Über die Antriebsrolle wird die Drahtschlaufe angetrieben. Über eine oder mehrere Umlenkrollen wird die Drahtschlaufe umgelenkt. Zudem sind in einer Ausführungsform Spannrollen zum Spannen der Drahtschlaufe vorgesehen. Für mehrere Drahtschlaufen sind entsprechend mehrere Antriebs-, Umlenk- und/oder Spannrollen vorgesehen. Die Rollen weisen zur Führung der Drahtschlaufe entsprechende Nuten oder Rillen auf. Zudem können an der Antriebseinrichtung weitere Führungen vorgesehen sein. Durch Vergrößern der Anzahl an Umlenkrollen ist eine längere Drahtschlaufe einsetzbar.
Für das Antreiben der Umlenk- oder Antriebsrollen sind entsprechende Antriebseinheiten vorgesehen. Diese wirken mit den Umlenkrollen derart zusammen, dass Umlaufgeschwindigkeiten oder Drahtgeschwindigkeiten in einem Bereich von größer gleich 500 Meter pro Minute bis kleiner gleich 7.500 Meter pro Minute, bevorzugt in einem Bereich von größer gleich 750 Meter pro Minute bis kleiner gleich 6.000 Meter pro Minute und weiter bevorzugt in einem Bereich von größer gleich 1.000 Meter pro Minute bis kleiner gleich 5.000 Meter pro Minute durchführbar sind. Die Antriebseinheit umfasst insbesondere einen Motor wie einen Elektromotor. Dieser ist über eine Kupplung und/oder ein Getriebe mit den Umlenkrollen oder direkt mit diesen gekoppelt. Es sind in einer Ausführungsform mehrere Motoren vorgesehen. Die Motoren sind für entsprechende Drehzahlen ausgelegt.
In noch einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Bewegungseinrichtung als Mehrfach-Bewegungseinrichtung ausgebildet ist, um mindestens eine Translationsbewegung entlang mindestens einer Achse und/oder mindestens eine Schwenkbewegung um mindestens eine Achse durchzuführen. Hierzu weist die Bewegungseinrichtung mehrere Bewegungsachsen auf, über die mindestens eine translatorische und/oder mindestens eine rotatorische Bewegung realisierbar ist. Bevorzugt erlaubt die Bewegungseinrichtung eine Bewegung um und/oder entlang mehrerer Achsen. So ist beispielsweise während des Trennens eine zusätzliche Schwenkbewegung des Trennwerkzeugs relativ zu dem zu bearbeitenden Material ausführbar, sodass eine quasi punktförmige Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Material realisiert ist. Das Werkzeug führt hierbei eine Pendel- oder Taumelbewegung aus.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Trennwerkzeuge vorgesehen sind. Die Diamanttrennwerkzeuge sind dabei in einer Ausführungsform unterschiedlich ausgebildet und/oder an unterschiedlichen Bereichen vorgesehen. So weist in einer Ausführungsform eine Vorrichtung ein Diamantdrahtwerkzeug und ein Diamantschleifkörperwerkzeug auf. Die beiden unterschiedlichen Werkzeuge sind beabstandet voneinander angeordnet, sodass eine parallele Bearbeitung an zwei oder je nach Anzahl der Werkzeuge an mehreren Stellen erfolgt. Die Werkzeuge sind entsprechend einzeln oder gemeinsam ansteuerbar.
Noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass eine Absaugeinrichtung vorgesehen ist, um Teile des abgetrennten Materials abzusaugen. Bei der trockenen Bearbeitung ist bevorzugt eine Absaugvorrichtung vorgesehen, da kein Kühl- oder Bindemittel für die abgetrennten Späne vorgesehen ist. Die Absaugvorrichtung ist aerodynamisch an eine Flugbahn der abgetrennten Späne angepasst. Bevorzugt verläuft ein Diamantdraht zumindest teilweise durch einen Absaugkanal der Absaugeinrichtung.
Weiter schließt die technische Lehre der vorliegenden Erfindung ein, dass bei einem Trennsystem zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien, wie monokristallinen oder polykristallinen Materialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien und dergleichen, mit einem diamantbeschichteten Trennwerkzeug, mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist. Das Trennsystem ist in einer Ausführungsform als CNC-Maschine ausgebildet. An unterschiedlichen Stellen befinden sich bevorzugt unterschiedliche Vorrichtungen, die unterschiedlich ausgebildet sein können, um eine mehrfache Bearbeitung zu realisieren. Eine Vorrichtung ist dabei bevorzugt als Diamantdrahtschneidewerkzeug mit einem endlos umlaufenden Diamantdraht ausgebildet. Eine andere Vorrichtung ist bevorzugt als Diamantschleifwerkzeug mit zwei einen Schleifspalt bildenden Schleifkörpern, die um sich selbst und eine gemeinsame Drehachse rotieren, ausgebildet.
Entsprechend ist in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass das Trennsystem für eine gleichzeitige Bearbeitung von mehreren Materialien und/oder eines Materials an mehreren Abschnitten ausgebildet ist. Dies kann über einen gemeinsamen Antrieb, mehrere Antriebe, eine gemeinsame Steuerung und/oder mehrere Steuerungen erfolgen.
Entsprechend schließt die technische Lehre der vorliegenden Erfindung weiter ein, dass eine
Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder eines erfindungsgemäßen
Trennsystems zum trennenden Bearbeiten von kristallinen Materialien wie Siliziummaterialien, insbesondere zum spanenden Bearbeiten von Siliziummaterialien, Ingots und dergleichen zur Herstellung von Siliziumwafern oder Siliziumteilen für Solarmodule vorgesehen ist. Dabei geht die Verwendung über das bloße Schneiden von Scheiben hinaus. Vielmehr lassen sich auch Endenbearbeiten, Konturen sägen und dergleichen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mindestens einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
In den Figuren ist Folgendes dargestellt:
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung und
Fig. 3 zeigt in einer Perspektivansicht schematisch ein Trennsystem mit zwei Vorrichtungen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 ist zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und umfasst ein als umfänglich diamantbeschichteten Draht, auch Diamantdraht genannt, ausgebildetes Werkzeug 2. Genauer ist der Diamantdraht als endlos umlaufender Diamantdraht oder als Drahtschlaufe oder Drahtring ausgebildet. Das Werkzeug 2, genauer der Diamantdraht, läuft um mehrere Rollen 3 um. Angetrieben wird der Diamantdraht von einer Antriebsrolle 3a. Die Antriebsrolle 3a ist in einem oberen Teil der Vorrichtung 1 angeordnet. Über eine entsprechende Führung wird der Diamantdraht an der Antriebsrolle 3a geführt. Die Führung umfasst in der vorliegenden Ausführungsform eine Nut, in welcher der Diamantdraht an dem Umfang der Antriebsrolle 3a umläuft. Für einen Antrieb ist die Nut aus einem geeigneten Material ausgebildet, welches eine geeignete Reibpaarung mit dem Diamantdraht bildet, sodass ein optimierter Antrieb des Diamantdrahts durch die Antriebsrolle 3a erfolgt. Die Antriebsrolle 3a rotiert um eine Drehachse A, wie durch den Pfeil bei A an der Antriebsrolle 3a dargestellt.
Am unteren Teil der Vorrichtung 1 ist eine Umlenkrolle 3b vorgesehen, um welche der Diamantdraht umläuft. Die Umlenkrolle 3b ist ähnlich wie die Antriebsrolle 3a ausgebildet, das heißt, sie weist einen ähnlichen Durchmesser, eine ähnliche Führung und ein ähnliches Material wie die Antriebsrolle 3a auf. Die Umlenkrolle 3b rotiert ebenfalls um eine Drehachse A, wie durch den entsprechenden Pfeil bei A angedeutet, sodass der Diamantdraht umlaufend um die beiden Rollen 3a, 3b rotiert. Der Diamantdraht selbst ist als Endlosband ausgebildet und so geeignet für ein endloses Umlaufen um die Rollen 3. Für unterschiedliche Einsatzzwecke, Ausführungsformen des Diamantdrahts und dergleichen, sind weitere Rollen 3c-3f vorgesehen. Die weiteren Rollen 3c-3f sind zwischen den anderen beiden Rollen 3a, 3b angeordnet und sind als Umlenkrollen und/oder Spannrollen ausgebildet, die sich alle um eine eigene Drehachse drehen. Für spezielle Anwendungen umläuft der Diamantdraht auch diese Rollen 3c-3f.
Der Diamantdraht umläuft die Rollen 3 bevorzugt mit einer Drahtgeschwindigkeit von etwa 3.000 bis 4.000 Metern pro Minute. Ein bevorzugter Umfang der Endlosdrahtschlaufe liegt in einem Bereich etwa von 1 bis 2.500 Meter, insbesondere etwa von 3 bis 4 Meter, beispielsweise 3,656 Meter. Ein bevorzugter Durchmesser des Diamantdrahts liegt bei etwa 0,1 bis 0,9 Millimeter, bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6 Millimeter. Die Diamantbeschichtung ist mit beliebiger Körnung realisierbar, die auf den entsprechenden Einsatzzweck abgestimmt ist. Der Durchmesser des Diamantdrahts ist möglichst klein ausgebildet, sodass eine geringe Schnittbreite realisiert ist. Durch eine geringe Schnittbreite entstehen weniger Späne und damit ein geringerer Abfall. Zudem sind dadurch eine geringere Wärmeentwicklung und folglich ein geringerer Energiebedarf realisiert. In dem Material erfolgt beim trennenden Bearbeiten eine Linienberührung oder besser eine Punktberührung von Material und Werkstoff, je nach Betriebsweise. Die Linienberührung wird ohne Pendelbewegung des Trennwerkzeugs realisiert. Wird mit dem Werkzeug eine zusätzliche Pendelbewegung realisiert, indem beispielsweise die Rollen samt Antrieb und Draht pendelartig verschwenkt werden, so wird eine Punktberührung realisiert. Durch die Linien- bzw. Punktberührung ist das trennende Bearbeiten von empfindlichen Werkstoffen wie von Monosilizium oder Polysilizium möglich.
Aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeiten und der geringen Vorschubkräfte sind nur minimale Spannkräfte zum Halten des Materials oder Werkstoffs erforderlich. Aufgrund der Biegevorgänge an den Rollen 3 und durch die Fliehkräfte aufgrund der hohen Umlaufgeschwindigkeiten wird an dem Diamantdraht ein Selbstreinigungsprozess realisiert, der hohe Standzeiten ohne Kühlung ermöglicht. Die Rollen 3 lassen sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine gemeinsame Schwenkachse R verschwenken zur Realisierung einer Taumel- oder Pendelbewegung.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfasst hier ein Schleifwerkzeug 20 mit zwei Schleifkörpern 21. Die Schleifkörper 21 sind vorliegend zylindrisch ausgebildet. Sowohl die Mantelfläche der Schleifkörper 21 wie auch die Stirnseite sind diamantbeschichtet. Die Schleifkörper 21 sind um entsprechende Drehachsen A rotierbar. Die Drehachsen A sind so angeordnet, dass zwischen den Schleifkörpern 21 ein Schleifspalt S realisiert ist, in welchem das Material W trennend bearbeitet wird. Hierzu rotieren die Schleifkörper 21 mit entsprechend hohen Geschwindigkeiten im Bereich von etwa 1.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute. Die Schleifkörper 21 sind in einer Dreheinheit 22 gelagert, welche um eine Drehachse D rotierbar ist und die Schleifkörper 21 insgesamt zusätzlich rotiert. Die Dreheinheit 22 und die Schleifkörper 21 sind somit nach Art eines Planetengetriebes ausgebildet. Die Dreheinheit 22 rotiert bevorzugt mit 500 bis 2.000 Umdrehungen pro Minute. Die Drehgeschwindigkeiten sind frei regelbar, beispielsweise über eine Steuerung. Das zu bearbeitende Material W ist etwa konzentrisch zu der Drehachse D angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind auch die Drehachse D und die Schwenkachse R konzentrisch angeordnet.
Fig. 3 zeigt in einer Perspektivansicht schematisch ein Trennsystem 100 mit zwei Vorrichtungen 1. Das Trennsystem 100 ist bevorzugt als CNC-Trennsystem ausgebildet. Die Vorrichtungen 1 sind an unterschiedlichen Stellen des Trennsystems 100 angeordnet, sodass eine parallele Bearbeitung eines Materials W erfolgen kann. Das Trennsystem 100 weist eine Halterung 110 für die gleichzeitige Aufnahme von mehreren Materialien W auf. Sowohl das Material W als auch die Werkzeuge sind bewegbar ausgebildet, sodass sich ein Material W oder mehrere Materialien beliebig trennend bearbeiten lässt/lassen. Insbesondere ist die als Drahtschneide ausgebildete Vorrichtung 1 (rechts) mit dem Diamantdraht zusätzlich um eine Schwenkachse verschwenkbar, sodass eine höhere Flexibilität beim Schneiden gewährleistet ist. Die Schwenkachse ist bevorzugt exzentrisch zu den Rollen ausgebildet. Das gesamte Trennsystem 100 ist als CNC-Maschine ausgebildet mit entsprechenden Steuereinheiten. Über die Steuereinheiten ist auch eine Absaugeinrichtung 120 steuerbar, welche die abgetrennten Späne absaugt. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Werkzeug
3 Rollen
3a Antriebsrolle
3b Umlenkrolle
3c-3f Umlenk- und/oder Spannrollen
20 Schleifwerkzeug
21 Schleifkörper
22 Dreheinheit
100 Trennsystem
110 Halterung
120 Absaugeinrichtung
A Achse
D Drehachse
R Schwenkachse
S Schleifspalt
W Material