I materiali fragili come il silicio e la ceramica sono ampiamente utilizzati nell'industria dei semiconduttori per realizzare componenti. I materiali tagliati per avere una superficie a specchio offrono le migliori prestazioni, ma la precisione richiesta è difficile da ottenere su una scala così piccola.

Xinquan Zhang al Singapore Institute of Manufacturing Technology di A*STAR, insieme ai collaboratori dello stesso istituto e della National University of Singapore, ha sviluppato un modello computerizzato che consente agli ingegneri di prevedere il modo migliore per tagliare materiali diversi utilizzando la lavorazione assistita da vibrazioni (VAM). Questa tecnica interrompe periodicamente il processo di taglio applicando all'utensile da taglio uno spostamento di piccola ampiezza e alta frequenza.

"Molti ricercatori hanno osservato che l'utilizzo di VAM invece delle tecniche di taglio convenzionali consente loro di rendere più pulito, tagli senza rotture sulla maggior parte dei materiali fragili, " spiega Zhang. "Poiché non esiste alcuna teoria o modello per spiegare o prevedere questo fenomeno, abbiamo deciso di indagare".

Alla nanoscala, i materiali fragili mostrano un certo grado di plasticità. Ogni materiale ha una particolare profondità di taglio che consente un taglio netto senza scheggiature o rotture, o sotto, la sua superficie. Questo punto, noto come spessore critico indeformato del truciolo, è direttamente correlato alle proprietà del materiale e alle condizioni di lavorazione.

Zhang e il suo team hanno studiato il comportamento di diversi materiali fragili tagliati con VAM, durante il quale si verificano due modalità di taglio. Nella modalità duttile, la deformazione plastica causata dal taglio è seguita dal rimbalzo elastico e dal recupero della struttura del materiale tra le vibrazioni. La modalità fragile, d'altra parte, rimuove il materiale mediante la propagazione incontrollata della cricca. È quindi desiderabile eseguire un taglio netto durante la modalità duttile, prima che prevalga la modalità fragile.

I ricercatori hanno modellato il consumo energetico di ciascuna modalità in termini di rimozione del materiale durante il movimento dello strumento vibrante, tenendo conto della geometria dell'utensile, proprietà del materiale e velocità di taglio.

"Esaminando il consumo di energia e la deformazione del materiale siamo stati in grado di descrivere la meccanica quando VAM è passato dalla modalità duttile a quella fragile, " spiega Zhang. "Abbiamo quindi stabilito un modello per prevedere [gli] spessori critici del truciolo non deformato trovando il punto di transizione tra le due modalità".

Attraverso una serie di esperimenti, il team ha verificato che il modello prevede con precisione gli spessori critici del chip indeformato del silicio monocristallino quando viene tagliato a varie velocità VAM.

"Il nostro modello aiuterà gli ingegneri a selezionare parametri di lavorazione ottimizzati in base al materiale desiderato, " afferma Zhang. "I vantaggi potrebbero includere una maggiore produttività, costi inferiori, e una migliore qualità del prodotto per le parti dei semiconduttori e altre tecnologie su scala nanometrica."