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

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Das Laserschneiden ist ein thermisches Trennverfahren mit weit verbreiteter Anwendung im industriellen Umfeld und hoher Bedeutung für gesellschaftsrelevante Fragstellungen aus beispielsweise der Medizin, der Energietechnologie und nachhaltiger Produktion. Der Schneidprozess stellt eine Multiskalenaufgabe dar, bei der die beteiligten physikalischen Prozesse Längen- und Zeitskalen aufweisen, die sich um mehrere Größenordnungen voneinander unterscheiden. Beteiligte physikalische Teilprozesse wie Wärmeleitung, Schmelz- und Gasströmung sind durch Phasenübergänge an den freien Rändern -- Phasengrenzen fest/flüssig und flüssig/gasförmig -- gekoppelt. Die Bewegung dieser freien Ränder kann nicht vorgegeben werden, sondern ergibt sich als ein Teil der Lösung und ist eine der größten Herausforderungen bei der Modellierung und Simulation des dynamischen Prozesses.

Vorrangiges Ziel dieses Teilprojekts ist die Vertiefung des Prozessverständnisses beim Laserstrahlschmelzschneiden durch die modell- und simulationsgestützte Analyse der hochdynamischen Vorgänge in der Schmelze. Zur Fertigung eines bartfreien, hochpräzisen Qualitätsschnitts mit reduzierter Schnittkantenrautiefe sind mögliche Maßnahmen genauer zu untersuchen, mit denen eine Stabilisierung der Schmelzströmung und eine Homogenisierung der nachfolgenden Erstarrung von Teilen der strömenden Schmelze auf den Schnittkanten erreicht werden kann. Eine besondere Herausforderung besteht darin, auf der Schnittkante eine vorbestimmte Morphologie einzustellen und die dazu benötigten denkbaren Ansätze zu analysieren.

Die grundlegende physikalische Aufgabe besteht darin, die Dynamik mehrerer räumlich verteilter und gekoppelter Teilprozesse in einem Modell zu erfassen, das die Strömung von Schmelze und Schneidgas, die Verdampfung von Schmelze, die Bewegung einer Schmelzfront und die Strahlungspropagation beschreibt. Die Modellierung der Schneidgasströmung erfordert die Berücksichtigung der geometrischen Form von Schneidgasdüse und entstehender Schneidfuge, für die insbesondere das wellenförmige Ausströmen der Schmelze wesentlich ist.

Aufgrund der hohen Anforderungen an eine numerische Simulation ist bisher jedoch eine geschlossene Simulation des dynamischen dreidimensionalen Schneidprozesses, mit der eine quantitative Beschreibung des Prozesses möglich wird, noch nicht vorhanden. Aus diesem Grund werden in diesem Teilprojekt vorhandene 2D und 3D Teilmodelle für das Schmelzschneiden weiterentwickelt und gekoppelt. Dieses gekoppelte 3D Modell nutzt neue und effiziente numerische Methoden um erstmalig eine quantitative Berechnung der Erstarrungsriefen und der Bartbildung zu ermöglichen. Das entwickelte Modelle dient zur Erweiterung des Prozessverständnisses, um den Zusammenhang zwischen dynamischem Prozesszustand, Messsignalen und den Qualitätsmerkmalen des Bearbeitungsergebnisses zu erfassen. Durch das Verständnis des Zusammenwirkens von Laser- und Gasstrahl und den dynamischen Vorgängen in der Schmelze werden erstmalig Wege zur präzisen Herstellung einer definierten Morphologie (kleine Rauheit, vorbestimmte Textur) auf der Schnittkante aufgezeigt.

Mit den Teilprojekten A3, B2 und B5 ist ein intensiver Erfahrungsaustauch geplant. In diesen Teilprojekten werden gemeinsame oder verwandte numerische Methoden zur Berechnung bewegter Phasengrenzen eingesetzt. Weiterhin ist eine enge Zusammenarbeit mit Teilprojekt A8 geplant. Dort wird die zur Modellierung notwendige Diagnose durchgeführt und die Maßnahmen zur gezielten Einstellung der Präzision experimentell umgesetzt. Modulationskonzepte aus Teilprojekt A1, makroskopische Modelle zur Beschreibung der Erstarrung auf der Schnittflanke aus B7 sowie Kontaktalgorithmen aus Teilprojekt B6 helfen das Modell für das Schmelzschneiden weiter zu verfeinern.

 

3D Gasströmungssimulation

3D Gasströmungssimulation Urheberrecht: SFB 1120

Berechnung der antreibenden Kräfte in der Schnittfuge mit einer 3D Gasströmungssimulation.
Damit die Scherkraft, die im vorderen Bereich der Schnittfuge auf den flüssigen Schmelzfilm wirkt, hinreichend genau berechnet werden kann, muss die wenige 10 Mikrometer breite Gasgrenzschicht numerisch aufgelöst werden. Dazu werden die zugrundeliegenden kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen mit einem explizitem Discontinuous Galerkin mit lokaler Zeitschrittweite und lokal veränderlichem Polynomgrad zeitabhängig gelöst.

 
 

Mehrfachreflexion in der Schneidfuge

Mehrfachreflexion in der Schneidfuge Urheberrecht: SFB 1120

Die durch den Laserstrahl eingebrachte absorbierte Energiestromdichte wirkt auf der Absorptionsfront und sorgt für ein Aufschmelzen des Materials, das anschließend durch einen Gasstrahl ausgetrieben wird. Insbesondere bei Strahlquellen mit 1 µm Wellenlänge sorgt die Mehrfachreflexion der Strahlung für eine lokal stark vom mittleren Wert abweichende absorbierte Energiestromdichte. Daher ist eine Berücksichtigung der Mehrfachreflexion maßgeblich für eine numerische Beschreibung des Laserstrahlschmelzschneidens.

 
 

Skalen beim Laserstrahlschmelzschneiden

Mehrfachreflexion in der Schneidfuge Urheberrecht: SFB 1120

Das Laserstrahlschmelzschneiden ist ein sogenanntes Multiskalenproblem und stellt als solches eine besondere Herausforderung für die numerische Lösung der zugrundeliegenden mathematischen Aufgabenstellung dar. Das Werkstück wird mit einer Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Sekunde relativ zur Laserstrahlachse verfahren, im wenige 10 Mikrometer dünnen Schmelzfilm werden Geschwindigkeiten von bis bis zu 10 Metern pro Sekunde erreicht, in der ebenfalls wenige 10 Mikrometer dünnen Gassgrenzschicht liegt Schallgeschwindigkeit von mehreren hundert Metern pro Sekunde vor. Zur numerischen Lösung des Laserstrahlschmelzschneidens werden spezielle mathematische Reduktionsverfahren verknüpft und die mathematische Aufgabenstellung mit großer räumlicher und zeitlicher Auflösung berechnet.

 
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