Sköra material som kisel och keramik används i stor utsträckning inom halvledarindustrin för att tillverka komponentdelar. Material skurna för att ha en spegelliknande yta ger bästa prestanda, men den precision som krävs är svår att uppnå i en så liten skala.

Xinquan Zhang vid A*STARs Singapore Institute of Manufacturing Technology, tillsammans med arbetskamrater vid samma institut och National University of Singapore, har utvecklat en datormodell som gör det möjligt för ingenjörer att förutsäga det bästa sättet att skära olika material med hjälp av vibrationsassisterad bearbetning (VAM). Denna teknik avbryter periodiskt skärprocessen genom applicering av liten amplitud och högfrekvent förskjutning på skärverktyget.

"Många forskare har observerat att genom att använda VAM istället för konventionella skärtekniker kan de göra renare, frakturfria skär på de flesta spröda material, " förklarar Zhang. "Eftersom det inte finns någon teori eller modell för att förklara eller förutsäga detta fenomen, vi bestämde oss för att undersöka."

På nanoskala, spröda material uppvisar en viss grad av plasticitet. Varje material har ett speciellt skärdjup som gör att ren klippning kan ske utan att flisa eller spricka, eller under, dess yta. Denna punkt, känd som den kritiska odeformerade spåntjockleken, är direkt korrelerad med materialegenskaper och bearbetningsförhållanden.

Zhang och hans team studerade beteendet hos olika spröda material skurna med VAM, under vilka två skärningssätt förekommer. I det duktila läget, plastisk deformation orsakad av skärning följs av elastisk studs och återhämtning av materialstrukturen mellan vibrationer. Det spröda läget, å andra sidan, avlägsnar material genom okontrollerad sprickutbredning. Det är därför önskvärt att göra ett rent snitt under duktilt läge – innan det spröda läget dominerar.

Forskarna modellerade energiförbrukningen för varje läge i termer av materialavlägsnande när det vibrerande verktyget rörde sig, med hänsyn till verktygets geometri, materialegenskaper och skärhastighet.

"Genom att undersöka energiförbrukning och materialdeformation kunde vi beskriva mekaniken när VAM flyttade från det duktila till det spröda läget, " förklarar Zhang. "Vi etablerade sedan en modell för att förutsäga [de] kritiska odeformerade spåntjocklekar genom att hitta övergångspunkten mellan de två lägena."

Genom en rad experiment, teamet verifierade att modellen exakt förutsäger de kritiska odeformerade spåntjocklekarna hos enkristallkisel när den skärs vid olika VAM-hastigheter.

"Vår modell kommer att hjälpa ingenjörer att välja optimerade bearbetningsparametrar beroende på deras önskade material, " säger Zhang. "Fördelar kan inkludera högre produktivitet, lägre kostnader, och förbättrad produktkvalitet för halvledardelar och annan teknik i nanoskala. "