Simulation hochdynamischer Vorgänge in der Schmelze beim Laserstrahlschneiden zur Reduktion der Riefen- und Bartbildung

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Beim oxidfreien Laserstrahlschmelzschneiden von metallischen Werkstoffen führen Unregelmäßigkeiten in der Bewegung von Schmelzwellen zu unerwünschten Qualitätsminderungen in Form von Schmelzriefen. Zur Aufdeckung von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen zwischen der Dynamik des wenige 10 µm dünnen Schmelzfilms und der Ausbildung der Schmelzriefen sowie das Ableiten geeigneter Maßnahmen zur Stabilisierung der Schmelzfilmdynamik durch Modellierung und Simulation wird ein 3D-Modell mit feiner räumlicher und zeitlicher Auflösung verwendet. Neben der grundlegenden mathematischen Modellierung wurde das umgesetzte Prozessmodell verfeinert und um die Berücksichtigung gemessener Laserstrahleigenschaften und die Abbildung gängiger Kompensationsmaßnahmen wie der örtlichen und zeitlichen Leistungsmodulation ergänzt.

Die Zielsetzung besteht in der Beherrschung der Schmelzbaddynamik zur Unterdrückung unerwünschter Unregelmäßigkeiten in der Bewegung der Schmelze. Folgende Punkte werden eingehend im Modell untersucht:

  • Die Dynamik der Schmelzwellenentstehung und ihre Wirkung auf die Oberflächenstruktur der Schnittflanke.

  • Typische Wellenfrequenzen und Amplituden sowie die Möglichkeit die harmonische Anregung dieser Wellen durch Modulation der Laserleistung oder des Gasstrahls zu erzwingen.

  • Die Untersuchung weiterer Kompensationsmaßnahmen, wie der örtlichen Leistungsmodulation auf langsameren, also größeren Zeitskalen oder die Regelung der Laserleistung und des Gasstrahls.

Durch einen möglichst gleichmäßigen Schmelzaustrieb mit möglichst konstanter Schmelzwellenfrequenz und -amplitude soll die gemittelte Rautiefe auf die Größenordnung 10 µm vermindert werden. Weitere Qualitätskriterien wie die Rechtwinkligkeit der Schnittflanke oder die Anhaftung von Bart werden nachfolgend durch eine Anpassung der Strahlform oder der Gasströmung optimiert.

 
  Simulation der Schmelzfilmdynamik beim Laserstrahlschneiden von Edelstahl. Ein reduziertes Modell für den Schmelzfilm ermöglicht eine hochaufgelöste 3D-Simulation und eine Aufzeichnung des Riefenprofils mit beliebig feiner Auflösung in horizontaler Richt
 
  Untersuchung der örtlichen Strahlmodulation in Vorschubrichtung und Vergleich mit einem unmodulierten Strahl. Die Qualität des Riefenbilds ändert sich deutlich, die mittlere Rautiefe wird jedoch kaum reduziert.
 
 

3D Gasströmungssimulation

Untersuchung der örtlichen Strahlmodulation in Vorschubrichtung und Vergleich mit einem unmodulierten Strahl. Die Qualität des Riefenbilds ändert sich deutlich, die mittlere Rautiefe wird jedoch kaum reduziert. Urheberrecht: © SFB 1120 Untersuchung der örtlichen Strahlmodulation in Vorschubrichtung und Vergleich mit einem unmodulierten Strahl. Die Qualität des Riefenbilds ändert sich deutlich, die mittlere Rautiefe wird jedoch kaum reduziert.
 
 
Gemessene Strahlverteilung für eine Strahlrekonstruktion aus linear polarisierten Moden eines fasergeführten, fokussierten Laserstrahls. Urheberrecht: © SFB 1120 Gemessene Strahlverteilung für eine Strahlrekonstruktion aus linear polarisierten Moden eines fasergeführten, fokussierten Laserstrahls.

 
 
Gemessene und rekonstruierte Intensitätsverteilung eines fokussierten Laserstrahls mit Hilfe einer zeitlich inkohärenten Überlagerung räumlich kohärenter Fasermoden. Urheberrecht: © SFB 1120 Gemessene und rekonstruierte Intensitätsverteilung eines fokussierten Laserstrahls mit Hilfe einer zeitlich inkohärenten Überlagerung räumlich kohärenter Fasermoden.
 
  Rekonstruierte Intensitätsverteilung eines fokussierten Laserstrahls mit Hilfe einer zeitlich inkohärenten Überlagerung räumlich kohärenter Fasermoden anhand von Schnitten senkrecht zur Strahlachse Urheberrecht: © SFB 1120 Rekonstruierte Intensitätsverteilung eines fokussierten Laserstrahls mit Hilfe einer zeitlich inkohärenten Überlagerung räumlich kohärenter Fasermoden anhand von Schnitten senkrecht zur Strahlachse
 
  Inferenzmodell für die Beziehung zwischen Schmelzwellen und Riefenfrequenz aus einer Zeitreihenanalyse eines Convolutional Neural Networks. Urheberrecht: © SFB 1120 Inferenzmodell für die Beziehung zwischen Schmelzwellen und Riefenfrequenz aus einer Zeitreihenanalyse eines Convolutional Neural Networks.
 
  Bayes’sche Optimierung in multi-dimensionalen Parameterräumen anhand eines Zielfunktionals und eines gesonderten Modells zur Vorhersage des Gültigkeitsbereichs. Gauß’sche Prozesse erlauben dabei die Abbildung von Wahrscheinlichkeiten und damit die Verwen Urheberrecht: © SFB 1120

Bayes’sche Optimierung in multi-dimensionalen Parameterräumen anhand eines Zielfunktionals und eines gesonderten Modells zur Vorhersage des Gültigkeitsbereichs. Gauß’sche Prozesse erlauben dabei die Abbildung von Wahrscheinlichkeiten und damit die Verwendung von verrauschten Daten.