Modelagem e simulação do processo de corte por fio diamantado de silício cristalino

Abstract

Desde sua primeira introdução em 1984, o processo de corte por fio diamantado de lingotes de silício em wafers têm recebido atenção, sendo relevante, particularmente na usinagem de materiais duro-frágeis, tornando-se uma área significativa de pesquisa no campo das energias renováveis, particularmente na indústria fotovoltaica, que parte do princípio da conversão da energia solar em energia elétrica. Seguindo a transição na indústria de semicondutores de silício, estima-se que as células fotovoltaicas hoje representam cerca de 90% do mercado de silício convencional. A tendência de redução de preços sobre o substrato de silício também sugere uma maior viabilidade para a fabricação de tecnologias solares, o que impulsiona ainda mais a inovação tecnológica no setor fotovoltaico. Portanto, a redução de custos associada à crescente demanda de energia por fontes renováveis retrata a necessidade de desenvolver técnicas avançadas de otimização de fabricação para melhorar a acessibilidade e a viabilidade econômica neste campo que evolui rapidamente. Sob esta perspectiva, o trabalho propõe uma abordagem de modelagem numérica e computacional através da linguagem Python do processo de corte do silício, incluindo o modelamento da geometria da ferramenta assim como a cinemática de corte a fim de avaliar a influência de parâmetros de corte na qualidade superficial do silício. A ferramenta é modelada por meio de uma malha cilíndrica e a utilização de um sistema de coordenadas polares com a disposição aleatória de abrasivos nos nós conforme a densidade de abrasivos. Os grãos abrasivos de diamante são modelados com base em uma geometria definida de formato cônico com características dimensionais que variam e seguem uma distribuição Gaussiana. O intervalo de diâmetro é definido entre 30 µm e 45 µm e meio ângulo de gume é estabelecido entre 55o e 75o . Na simulação, foram variadas as entradas de velocidade de corte (Vs) e a velocidade de avanço (Vf) para correlacionar seus efeitos no perfil, topografia e acabamento da superfície usinada. Empregando conceitos da mecânica da fratura, foram identificados os regimes de remoção de material dúctil e frágil no processo, em que observou-se maior predominânica do modo de remoção frágil no perfil devido à formação e propagação de trincas laterais. Foram obtidos perfis de topografia de superfície tridimensional com uma variação total de cerca 4 µm, concordante com resultados experimentais. A velocidade de corte se mostrou mais influente tanto para as métricas de acabamento e qualidade superficial quanto para volume de material removido. Desconsiderando efeitos dinâmicos e de vibrações, um aumento da velocidade de corte resultou em uma redução da rugosidade média (Ra), com um mínimo de 0,50 µm para o nível de corte de maior intensidade, e no aumento do modo de remoção dúctil no material enquanto a velocidade de avanço mostrou pouca influência, apesar de variar.