Les matériaux fragiles tels que le silicium et la céramique sont largement utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs pour fabriquer des composants. Les matériaux coupés pour avoir une surface semblable à un miroir donnent les meilleures performances, mais la précision requise est difficile à atteindre à une si petite échelle.

Xinquan Zhang de l'Institut de technologie de fabrication d'A*STAR à Singapour, avec des collègues du même institut et de l'Université nationale de Singapour, a développé un modèle informatique qui permet aux ingénieurs de prédire la meilleure façon de couper différents matériaux en utilisant l'usinage assisté par vibration (VAM). Cette technique interrompt périodiquement le processus de coupe via l'application d'un déplacement de faible amplitude et à haute fréquence à l'outil de coupe.

"De nombreux chercheurs ont observé que l'utilisation du VAM au lieu des techniques de coupe conventionnelles leur permet de faire plus propre, coupes sans rupture sur la plupart des matériaux cassants, " explique Zhang. " Parce qu'aucune théorie ou modèle n'existe pour expliquer ou prédire ce phénomène, nous avons décidé d'enquêter."

A l'échelle nanométrique, les matériaux fragiles présentent un certain degré de plasticité. Chaque matériau a une profondeur de coupe particulière qui permet un cisaillement propre sans écaillage ni fracture, ou en dessous, sa superficie. Ce point, connue sous le nom d'épaisseur critique de copeau non déformé, est directement corrélée aux propriétés du matériau et aux conditions d'usinage.

Zhang et son équipe ont étudié le comportement de différents matériaux cassants découpés au VAM, au cours de laquelle deux modes de coupe se produisent. En mode ductile, la déformation plastique causée par la coupe est suivie d'un rebond élastique et d'une récupération de la structure du matériau entre les vibrations. Le mode fragile, d'autre part, élimine le matériau par propagation incontrôlée des fissures. Faire une coupe nette en mode ductile - avant que le mode fragile ne domine - est donc souhaitable.

Les chercheurs ont modélisé la consommation d'énergie de chaque mode en termes d'enlèvement de matière lors du déplacement de l'outil vibrant, prise en compte de la géométrie de l'outil, propriétés du matériau et la vitesse de coupe.

"En examinant la consommation d'énergie et la déformation du matériau, nous avons pu décrire la mécanique lorsque VAM est passé du mode ductile au mode fragile, " explique Zhang. " Nous avons ensuite établi un modèle pour prédire [les] épaisseurs critiques de copeaux non déformés en trouvant le point de transition entre les deux modes. "

Grâce à une série d'expériences, l'équipe a vérifié que le modèle prédit avec précision les épaisseurs critiques de puces non déformées de silicium monocristallin lorsqu'elles sont coupées à différentes vitesses VAM.

"Notre modèle aidera les ingénieurs à sélectionner des paramètres d'usinage optimisés en fonction de leur matière souhaitée, " dit Zhang. " Les avantages pourraient inclure une productivité plus élevée, des coûts inférieurs, et l'amélioration de la qualité des produits pour les pièces semi-conductrices et d'autres technologies à l'échelle nanométrique. »