Diagnose und Simulation thermischer und fluidmechanischer Wirkungen der Gas- und Dampfphase beim Laserstrahlbohren
Final Report Abstract
Das Gesamtziel des Vorhabens bestand darin, vorhandene Modelle des Laserstrahlbohrens um die wesentlichen Mechanismen und Wirkungen der Dampf- und Gasphase zu erweitern. Hierzu wurden sowohl Methoden zur Diagnose als auch numerische Simulationen neu entwickelt sowie vorhandene modifiziert, erweitert und angewandt. Der Vergleich aus Diagnose und Simulation haben die Modellbildung geleitet. Durch die entwickelten Modelle für die Dampf- und Gasphase und die erweiterten Modelle für die kondensierte Phase beim Laserstrahlbohren wurden die Mechanismen und Wirkungen identifiziert und quantifiziert, die für einen effizienten Schmelzaustrieb relevant sind. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden basierend auf dem bisher entwickelten Prozessverständnis mehrere Teilziele verfolgt: Qualitative und quantitative Beschreibung der fluidmechanischen Wirkung: Antreibende Kräfte durch Druck und Geschwindigkeit der gasförmigen Phase an der Oberfläche der Schmelze; Räumliche und zeitliche Verteilung der Verdampfung in Abhängigkeit von Leistungsdichteverteilung und Pulsform der Laserstrahlung. Qualitative und quantitative Beschreibung der thermischen Wirkungen: Konvektive Kühlung der kondensierten Phase durch die Strömung eines Prozessgases bzw. Aufheizung der kondensierten Phase durch exotherme Reaktion von Sauerstoff mit dem Metalldampf; Energieübertrag auf die kondensierte Phase durch Rekondensation von Dampf und Rekombination von Plasma; Propagation von Strahlung innerhalb der Bohrung. Zum Erreichen dieser Ziele wurden die den genannten Wirkungen und Ursachen zugeordneten Mechanismen mit Werkzeugen der Modellierung und Simulation analysiert, welche durch experimentelle Untersuchungen und Diagnoseverfahren geleitet wurden. Beim Bohren mit Laserstrahlung findet in der Regel eine gleichzeitige Wirkung von Prozessgas, Dampf, Plasma und Laserstrahlung statt. Die Arbeiten zur Modellierung und Simulation zielten auf die Erweiterung eigener Simulationscodes. Dazu gehörte die Kopplung der Abtragssimulation mit der Gasströmungssimulation und einem Raytracer. Hierzu wurde die Simulation der Gasströmung auf Basis der Discontinuous- Galerkin-Methode erstellt und um die Beschreibung mehrerer Spezies bzw. Teilchensorten erweitert. Zur Analyse und Interpretation der Ergebnisse aus Simulation und Experiment wurden die Simulations-Ergebnisse visualisiert und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Durch iterative Verfeinerung von Ergebnissen aus Diagnoseverfahren , Modellbildung und Simulation wurde ein besseres Verständnis erarbeitet, mit dem eine Aufteilung des Raums der Verfahrensparameter in verschiedene Prozessdomänen erfolgt. Die Kenntnis der Prozessdomänen, die wesentlich von Einflüssen aus der Gas- und Dampfphase (Massen-, Impuls-, Energieübertrag) abhängen, erlaubt die gezielte Auswahl der Parameter des Bohrens, um die erreichbaren Kriterien der Qualität (z. B. Recast, Bohrungsform) und der Produktivität anzugeben.
Publications
- Hydrodynamics of Material Removal by Melt Expulsion: Perspectives of Laser Cutting and Drilling, Physics Procedia 5 (2010) 1–18
Reinhart Poprawe, Wolfgang Schulz, Robert Schmitt
- Laser ablation mechanism of transparent dielectrics with picosecond laser pulses, Proc. SPIE. 8530, Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2012 853007 (December 6, 2012)
Mingying Sun, Urs Eppelt, Simone Russ, Claudia Hartmann, Christof Siebert, Jianqiang Zhu, Wolfgang Schulz
(See online at https://doi.org/10.1117/12.976062) - Numerical analysis of laser ablation and damage in glass with multiple picosecond laser pulses, Optics Express, Vol. 21 Issue 7, pp.7858-7867 (2013)
Mingying Sun, Urs Eppelt, Simone Russ, Claudia Hartmann, Christof Siebert, Jianqiang Zhu, and Wolfgang Schulz
- Review on Laser Drilling Part I: Fundamentals, Modeling and Simulation, In: Journal of Laser Applications: JLA. - Woodbury, NY: LIA [u.a.]. ISSN: 1042-346X, 1938-1387. - 25 (2013) 1
Wolfgang Schulz, Urs Eppelt, Reinhart Poprawe
(See online at https://doi.org/10.2351/1.4773837)
