Los materiales frágiles como el silicio y la cerámica se utilizan ampliamente en la industria de los semiconductores para fabricar componentes. Los materiales cortados para tener una superficie similar a un espejo producen el mejor rendimiento, pero la precisión requerida es difícil de lograr a una escala tan pequeña.

Xinquan Zhang del Instituto de Tecnología de Fabricación de Singapur de A * STAR, junto con compañeros de trabajo del mismo instituto y de la Universidad Nacional de Singapur, ha desarrollado un modelo informático que permite a los ingenieros predecir la mejor forma de cortar diferentes materiales mediante el mecanizado asistido por vibración (VAM). Esta técnica interrumpe periódicamente el proceso de corte mediante la aplicación de un desplazamiento de pequeña amplitud y alta frecuencia a la herramienta de corte.

"Muchos investigadores han observado que el uso de VAM en lugar de las técnicas de corte convencionales les permite hacer más limpios, cortes sin fracturas en la mayoría de los materiales quebradizos, "explica Zhang." Debido a que no existe ninguna teoría o modelo para explicar o predecir este fenómeno, decidimos investigar ".

A nanoescala, los materiales quebradizos presentan un cierto grado de plasticidad. Cada material tiene una profundidad de corte particular que permite un corte limpio sin astillarse ni fracturarse. o debajo, su superficie. Este punto, conocido como espesor crítico de viruta no deformada, está directamente relacionado con las propiedades del material y las condiciones de mecanizado.

Zhang y su equipo estudiaron el comportamiento de diferentes materiales frágiles cortados con VAM, durante el cual ocurren dos modos de corte. En el modo dúctil, A la deformación plástica provocada por el corte le sigue el rebote elástico y la recuperación de la estructura del material entre vibraciones. El modo frágil por otra parte, elimina el material mediante la propagación incontrolada de grietas. Por lo tanto, es deseable realizar un corte limpio durante el modo dúctil, antes de que domine el modo frágil.

Los investigadores modelaron el consumo de energía de cada modo en términos de eliminación de material a medida que se movía la herramienta vibratoria, teniendo en cuenta la geometría de la herramienta, propiedades del material y la velocidad de corte.

"Al examinar el consumo de energía y la deformación del material, pudimos describir la mecánica cuando el VAM pasó del modo dúctil al frágil, ", explica Zhang." Luego, establecimos un modelo para predecir [los] espesores críticos de viruta no deformada al encontrar el punto de transición entre los dos modos ".

A través de una serie de experimentos, el equipo verificó que el modelo predice con precisión los espesores críticos de viruta no deformada del silicio monocristalino cuando se corta a varias velocidades de VAM.

"Nuestro modelo ayudará a los ingenieros a seleccionar parámetros de mecanizado optimizados en función del material deseado, "dice Zhang." Las ventajas podrían incluir una mayor productividad, costos mas bajos, y mejora de la calidad del producto para piezas semiconductoras y otras tecnologías a nanoescala ".