Brevet FR2816866A3 — publié le 20020524

FR 2816866 A3 20020524 FR 0114622 A 20011112 La présente invention concerne un dispositif de sciage par fil comprenant des cylindres guide-fils supportant un fil maintenu en position grâce à des gorges prévues sur la surface des cylindres guide-fils qui définissent l'intervalle entre les fils d'au moins une nappe de fils, le fil étant susceptible de se déplacer selon un mouvement alternatif ou continu en appui contre au moins une pièce à scier. Lors de la découpe en tranches fines de la pièce à scier, le fil tendu est à la fois guidé et tracté par les cylindres guide-fils. Ces cylindres guide-fils généralement revêtus d'une couche de matériau synthétique sont gravés avec des gorges dont la géométrie et les dimensions doivent être de grande précision. Le fil est enroulé en spirale autour des cylindres guide-fils et forme entre deux cylindres guide-fils au moins une nappe de fils parallèles dont la distance entre deux fils consécutifs fixe l'épaisseur des tranches. De plus le plan de la nappe de fils forme, dans des dispositifs connus, un angle fixe généralement perpendiculaire à la direction de sciage, ce qui peut induire des ondulations et des stries sur la surface des tranches en cas de mouvement général latéral de la nappe de fils résultant d'oscillations thermiques par exemple. Ces ondulations, même de quelques micromètres d'amplitude, suffisent à rendre inutilisables les tranches pour certaines applications telles que du silicium pour l'industrie des semiconducteurs. Les variations thermiques proviennent de deux causes principales à savoir l'énergie utilisée pour le sciage proprement dit et l'énergie dissipée dans les éléments mécaniques telles que les roulements de paliers et notamment dans les paliers supportant les cylindres guide-fils. Or la demande de l'industrie de produire des machines de plus en plus performantes, que ce soit en productivité ou en dimensions des pièces à scier, nécessite des puissances de plus en plus grandes pour le sciage proprement dit et des éléments mécaniques de plus en plus gros, donc qui dissipent plus d'énergie. Si donc il n'est pas possible d'éliminer la dissipation d'énergie dans l'ensemble de la machine, l'énergie de coupe peut être contrôlée et récupérée par un système de refroidissement. Par contre celle générée dans les éléments mécaniques n'est souvent contrôlée et récupérée que de manière indirecte en raison de la complexité mécanique des éléments les plus sensibles. Une des causes de l'échauffement des paliers supports des cylindres guide-fils est la grande charge sur ceux-ci due à la tension de la nappe. Celle-ci peut aller jusqu'à plusieurs tonnes, pour les dispositifs de sciage de grande capacité. De l'échauffement ainsi provoqué, il en résulte des variations thermiques et des oscillations thermiques génératrices d'ondulations ou de voilage des 1o tranches sciées. Des dispositifs de sciage par fil du type précité avec oscillation de la nappe de fil ou de la pièce à scier sont déjà connus, spécialement dans l'industrie des composants électroniques des ferrites, des quartz et silices, pour l'obtention en tranches fines de matériaux tels que le silicium poly- ou monocristallin ou des nouveaux matériaux tels que GaAs, InP, GGG ou également le quartz, le saphir synthétique, des matériaux céramiques. Le prix élevé de ces matériaux rend le sciage par fil plus attractif comparativement à d'autres techniques comme le sciage par disque diamanté. Mais tous les dispositifs proposés le sont avec des cylindres guide-fils dont la disposition géométrique entraîne une charge importante sur les paliers et de ce fait provoque une dissipation d'énergie importante d'o un mauvais contrôle de la température et par conséquent une précision altérée. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients majeurs et l'invention est caractérisée à cet effet par le fait que le dispositif de sciage comprend deux cylindres guide-fils extérieurs et deux cylindres guide-fils intérieurs disposés entre les cylindres guide-fils extérieurs dont le diamètre est plus petit que celui des cylindres guide-fils intérieurs et par le fait que les cylindres guide-fils extérieurs sont entraînés en rotation par des organes de motorisation pour effectuer le déplacement des fils de la nappe de fils, tandis que les cylindres guidefils intérieurs assurent une fonction de guidage sans entraînement des fils de la nappe de fils, le fil étant enroulé en spirale autour de l'ensemble des cylindres guide-fils sans croisement de nappes. La combinaison de ces caractéristiques permet de remédier aux inconvénients précités en séparant la fonction d'entraînement de la nappe de fils de la fonction de guidage de ladite nappe de fils. Cette séparation des fonctions peut se faire en plaçant parallèlement et sur un même plan quatre cylindres guide- fils. Les deux extrêmes servant d'entraînement et sont donc motorisés en conséquence avec une puissance importante et les deux intérieurs servant de guidage de la nappe de fils. Ces deux cylindres guide-fils intérieurs sont ceux qui 1o donnent la précision des tranches. Comme ils ne sont soumis qu'à des charges très faibles leurs paliers s'échauffent très peu et de ce fait n'influencent pratiquement pas l'équilibre thermique local. Il en résulte une meilleure précision des pièces à scier. Lors du sciage avec une nappe de fils parallèles non croisée, il sera nécessaire que les cylindres guide-fils extérieurs ou d'entraînement aient un diamètre plus petit que les intérieurs afin de donner à la nappe de fils une surface de guidage suffisante pour assurer la précision dudit guidage. Naturellement ces cylindres guide-fils intérieurs peuvent être motorisés afin de compenser les effets d'inertie dus au poids propre du cylindre guide-fils, spécialement lors de sciages en va-et-vient. Lors du sciage en continu, les forces de frottement de la nappe sur les cylindres guidefils intérieurs peuvent être suffisantes pour qu'ils soient entraînés sans motorisation. Dans le cas de motorisation des cylindres guide-fils intérieurs, cette motorisation de faible puissance ne doit servir qu'à l'entraînement sans glissement des cylindres guide- fils et en aucun cas ne servira d'entraînement de la nappe de fils pour le sciage. Le découplage des fonctions d'entraînement et de guidage doit impérativement être réalisé. Il sera également nécessaire que les gorges gravées dans les guide- fils de guidage le soient avec une grande précision, la qualité des tranches en résultant. L'état de surface des pièces obtenues, si il n'est pas contrôlé, peut mettre en cause la totalité du procédé. Cette technique de sciage requiert donc en plus une minimalisation des énergies dissipées dans la zone de sciage afin d'éviter tout mouvement thermique dus à des dilatations résultant d'énergies dissipées dans des endroits sensibles tels que les paliers de cylindres guide-fils. La séparation des fonctions d'entraînement et de guidage tel que proposé dans l'invention permet de minimiser ces défauts en cours de sciage. Un mauvais contrôle thermique, même de faible amplitude résultera en des tranches non acceptables pour les procédés subséquents. Les exigences des applications en électronique, par exemple liées aux dimensions grandissantes des pièces à scier, nécessitent que même les plus petites variations doivent être évitées. Il ne suffira donc plus de scier les tranches sans éliminer les efforts supportés par les cylindres guide-fils, donc sans séparer les fonctions de guidage et d'entraînement de la nappe de fils. Le dispositif de sciage avec séparation des fonctions de guidage et d'entraînement des guide-fils objet de la présente invention permet de minimiser les variations thermiques dans la zone de sciage, donc de réaliser des pièces de précision accrue. La disposition géométrique de guide-fils permettant la séparation des efforts de sciage et des efforts de guidage objet de la présente invention comprend un ensemble de quatre cylindres guide-fils placés parallèlement dans un même plan, les cylindres guide-fils extérieurs donnant les efforts de sciage ayant un diamètre plus petit que les intérieurs assurant le guidage. De plus, lors d'une utilisation en va-et- vient les guide-fils de guidage intérieurs peuvent être également motorisés afin d'éviter les glissements qui pourraient résulter dus à l'inertie de ceux-ci. On s'arrangera dans ce cas pour qu'il n'y ait pas de glissement lors des accélérations et des décélérations entre le fil de la nappe de fils et la surface des cylindres guide-fils de guidage. L'utilisation de ce type de dispositif permet de réaliser des pièces de précision accrue. D'autres avantages ressortent des caractéristiques exprimées dans les revendications dépendantes et de la description exposant ci-après l'invention plus en détail à l'aide de dessins qui représentent schématiquement et à titre d'exemple un mode d'exécution. La figure 1 est une vue latérale schématique de ce mode d'exécution. La figure 2 représente schématiquement une vue de dessus de ce mode d'exécution. La figure 3 est une vue en perspective de ce mode d'exécution. La figure 4 représente schématiquement un dispositif connu. En référence aux figures 1 à 3, le dispositif de sciage comprend un ensemble de quatre cylindres guide-fils 1 à 4 montés sur un châssis 8 et placés parallèlement avec leur axe disposé dans un même plan. Les cylindres guide-fils extérieurs 1, 2 possèdent un diamètre D1 plus petit que le diamètre D2 des cylindres guide-fils intérieurs 3, 4. Le fil 5, déroulé d'une bobine débitrice non illustrée, est ensuite enroulé en spirale autour des quatre cylindres en passant successivement sur l'ensemble des côtés inférieurs et ensuite supérieurs de ces cylindres pour former une nappe de fils 6 parallèles dans une zone de sciage 7. Le fil est alors récupéré dans un dispositif adéquat non illustré, tel qu'une bobine réceptrice ou un bac de récupération. Une pièce à scier 10, telle qu'un lingot en matériau dur ou fragile, est montée sur une table de travail 11 et mis en appui au moyen d'une colonne coulissante motorisée 15 contre la nappe de fils 6 dans la zone d'usinage 7, qui comprend une nappe de fils non croisée. La périphérie des cylindres guide-fils 1 à 4 est gravée avec des gorges définissant l'intervalle entre les fils voisins de la nappe de fils 6, donc l'épaisseur des tranches sciées. Le fil est tendu et à la fois guidé et tracté par les cylindres guide-fils extérieurs. Il est soit recouvert d'un abrasif fixe soit alimenté de manière continue avec un abrasif libre généralement en suspension dans un liquide et sert donc de transporteur aux particules d'abrasif qui effectuent le travail de sciage. Le fil peut être animé d'un mouvement continu ou alternatif en va-etvient. Les deux cylindres guide-fils extérieurs 1 et 2 sont en prise avec un moteur puissant schématiquement indiqué en 12. Ces cylindres guide-fils extérieurs servent donc de moyens d'entraînement 14 pour le fil. Au contraire les cylindres guide-fils intérieurs 3, 4 de diamètre plus grand que les extérieurs n'entraînent pas le fil mais servent exclusivement de moyens de guidage 16. Dans le cas d'un déplacement suivant une direction unique du fil 5, ces cylindres guide-fils io intérieurs 3, 4 ne sont normalement pas motorisés et tournent en roue libre en étant entraînés par la nappe de fils. Lorsque les cylindres guide-fils extérieurs 1, 2 impriment au fil 5 un déplacement alternatif en va-et-vient, les cylindres guide-fils intérieurs 3, 4 peuvent être motorisés non pas pour l'entraînement du fil, mais afin d'éviter les glissements relatifs entre fils et cylindres guide-fils qui pourraient résulter des changements de direction de rotation et de l'inertie des cylindres guide-fils intérieurs 3, 4. La motorisation auxiliaire 18 plus faible de ces cylindres guide-fils intérieurs 3, 4 est alors agencée de façon à supprimer tout glissement lors des accélérations et des décélérations entre les fils de la nappe de fils et la surface des cylindres guide-fils intérieurs 3, 4. Lors d'un sciage en continu, les forces de frottement de la nappe de fils sur les cylindres guide-fils intérieurs 3, 4 peuvent être suffisantes pour que ces derniers soient entraînés sans motorisation. Dans le cas de motorisation 18 des cylindres guide-fils intérieurs, cette motorisation 18 de faible puissance ne doit servir qu'à l'entraînement sans glissement des cylindres guide-fils intérieurs et en aucun cas ne servira d'entraînement de la nappe de fils 6 pour le sciage. La séparation des fonctions d'entraînement et de guidage parmi les cylindres guide- fils 1 à 4 est ainsi impérativement réalisée. Cette configuration avec deux cylindres guide-fils extérieurs 1, 2 motorisée avec une puissance importante et jouant le rôle de moyens d'entraînement et avec deux cylindres guide-fils intérieurs 3, 4 servant de guidage de la nappe de fils, permet d'obtenir une grande précision de sciage. Les cylindres guide-fils intérieurs 3, 4 sont ceux qui donnent la précision des tranches. Comme ils ne sont soumis qu'à des charges très faibles, leurs paliers s'échauffent très peu et de ce fait n'influencent pratiquement pas l'équilibre thermique local. Il en résulte une meilleure précision des tranches sciées. La figure 4 illustre un dispositif de sciage connu avec deux cylindres guide- fils 1, 2 motorisés. La force résultante TR de la traction T de la nappe de fils 6 sur le palier des cylindres est TR = 2T Cette force résultante est donc très élevée et engendre un échauffement is des paliers et des pièces environnantes, ce qui provoque des perturbations et déformations thermiques, donc des ondulations et stries sur la surface des tranches obtenues. Dans le cas de la configuration selon la présente invention (figure 1), la force résultante TRe sur les paliers des cylindres guide-fils extérieurs est TRe = 2T cosa o - T est la traction exercée par la nappe de fils - a est l'angle d'inclinaison que fait la nappe de fils entre les cylindres guide-fils extérieurs et intérieurs avec un plan passant par les axes des cylindres guide- fils; D2-Dl sin a = 2 2L o - L est la distance séparant les axes des cylindres guide-fils intérieurs et extérieurs. La force résultante TRi agissant sur les paliers des cylindres guide-fils intérieurs est TRi = 2T (1 - cosa) = 2T sin2a/2 donc TRi très faible. Il en résulte une précision accrue des pièces sciées. Lors du sciage avec une nappe de fils non croisée, comme c'est le cas dans la présente invention, il est nécessaire que le diamètre D1 des cylindres guide-fils extérieurs et d'entraînement soit plus petit que celui D2 des cylindres guide-fils intérieurs et de guidage, afin de donner à la nappe de fils une surface de guidage suffisante permettant d'assurer cette fonction de guidage. Le rapport D1/D2 pourrait typiquement être de 0,75 et comprise entre 0,5 et 0,9. Tel que le montrent les figures 2 et 3, le fil est agencé sur les cylindres guide-fils extérieurs et intérieurs de façon non croisée avec un même intervalle, ce qui permet d'augmenter encore la précision des pièces sciées. Tous les fils de la nappe de fils de la présente invention se déplacent à un moment donné suivant une même direction de déplacement, ce qui peut être avantageux dans certains cas par rapport à des dispositifs à nappes croisées dans lesquels des fils voisins des nappes de fils se déplacent suivant des directions opposées, ce qui peut induire des déformations de cisaillement dans des tranches fines de certains matériaux très délicats, sujets à une formation rapide de dislocation. Il est bien entendu que le mode de réalisation décrit ci-dessus ne présente aucun caractère limitatif et qu'il peut recevoir toutes modifications désirables à l'intérieur du cadre tel que défini par la revendication 1. En particulier, les valeurs des diamètres D1 et D2 des cylindres et de la longueur L pourraient être différentes et pourraient présenter des rapports mutuels différents. Les axes des cylindres pourraient être légèrement décalés et ne pas se trouver dans un même plan. La nappe de fils inférieure pourrait également être utilisée pour le sciage. On pourrait ainsi avoir pour la nappe supérieure et inférieure deux ou davantage de tables de sciage. Sur chaque table, une ou plusieurs pièces à scier pourraient être fixées. Les cylindres extérieurs peuvent être entraînés par un seul moteur ou deux moteurs. REVENDICATIONS 1. Dispositif de sciage par fil comprenant des cylindres guide-fils (1 à 4) supportant un fil (5) maintenu en position grâce à des gorges prévues sur la surface des cylindres guide-fils qui définissent l'intervalle entre les fils d'au moins une nappe de fils (6), le fil étant susceptible de se déplacer selon un mouvement alternatif ou continu en appui contre au moins une pièce à scier (10), caractérisé par le fait qu'il comprend deux cylindres guide-fils extérieurs (1, 2) et deux cylindres guide-fils intérieurs (3, 4) disposés entre les cylindres guide-fils extérieurs dont le diamètre est plus petit que celui des cylindres guide-fils intérieurs et par le fait que les cylindres guide-fils extérieurs (1, 2) sont entraînés en rotation par des organes de motorisation pour effectuer le déplacement des fils de la nappe de fils, tandis que les cylindres guidefils intérieurs (3, 4) assurent une fonction de guidage sans entraînement des fils de la nappe de fils, le fil étant enroulé en spirale autour de l'ensemble des cylindres guide- fils sans croisement de nappes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les axes des cylindres guide-fils extérieurs et intérieurs sont arrangés dans un plan. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les cylindres guide-fils extérieurs (1, 2) sont entraînés par une motorisation de puissance (12), tandis que les cylindres guide-fils intérieurs sont reliés à une motorisation (18) auxiliaire plus faible destinée à éviter un glissement des fils de la nappe de fils sur la surface des cylindres guide- fils intérieurs. l1 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les cylindres guide-fils intérieurs tournent en roue libre. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les diamètres (D1l) des cylindres guide-fils extérieurs et ceux (D2) des cylindres guide-fils intérieurs, ainsi que la distance (L) séparant les axes des cylindres guide-fils intérieurs et extérieurs sont choisis de façon que la force résultante (TRi) de la traction (T) de la nappe de fils sur les cylindres guide-fils intérieurs est inférieure à 15% de celle (TRe) agissant sur les cylindres guide-fils extérieurs, et de préférence inférieure à 5%. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la nappe de fils (6) fait entre les cylindres guide-fils extérieurs et intérieurs un angle de 2 à 15 avec le plan passant par les axes des cylindres guide-fils (1 à4).