Modellierung von Größeneffekten auf die Zeitkonstante beim skalierten Laserstrahlumformen
Final Report Abstract
Dieses Forschungsvorhaben wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Modellierung von Größeneinflüssen bei Fertigungsprozessen“ gefördert. Zwei zu klärende Fragestellungen limitieren den effektiven Einsatz des thermischen Umformens. Zum einen ist unklar, bei welchen Prozessparametern für welche Bauteilgröße ein wirtschaftliches Umformen möglich ist. Daher sind keine allgemeingültigen Auslegungsregeln z.B. für Brückenaktuatoren aufstellbar. Zum anderen ist der Einsatz insbesondere des inkrementellen thermischen Umformens aufgrund der langen Abkühlzeiten wirtschaftlich nur in eingeschränktem Maße bedeutend. Ziel des Forschungsvorhabens war es daher, am Beispiel des für das Mikrojustieren verwendete Brückenaktuators Skalierungsregeln für das Aufstauchen zu erarbeiten und Größeneffekte insbesondere auf die Prozesszeiten zu identifizieren. Da der Prozess des thermischen Aufstauchens die Ausbildung der von der Laserleistung und Bestrahldauer abhängigen Temperaturausbreitung und die plastische Formänderung koppelt, wurde zunächst versucht, die Temperaturfelder geometrisch zu skalieren. Da insbesondere die Maximaltemperaturen das Aufstauchen begrenzen, wurde der Einfluss der Strahlungsverluste in die Skalierung des Wärmeeintrages übernommen, wohingegen die Energieverluste infolge Konvektion vernachlässigt wurden. Die Skalierung der Bestrahldauer erfolgte nach der ebenen Wärmeleitung quadratisch, die Skalierung der Laserleistung die Strahlungsverluste berücksichtigend mit dem Exponenten 2/3. Es konnte gezeigt werden, dass mithilfe dieser Skalierungsregeln für unterschiedliche Skalierungen gleiche Maximaltemperaturen erzeugt werden können. Die Anwendung dieser Skalierungsregeln ergab jedoch sowohl in experimentellen Untersuchungen als auch im FEM Modell mit zunehmendem Skalierungsfaktor kleinere Reaktionswinkel. Ein lineares Skalieren der Laserleistung und damit ein kubisches Skalieren der Energie mit dem Volumen kann zwar für einen kleinen Skalierungsbereich gleiche Reaktionswinkeln erzeugen, führt aber bei größeren Skalierungsbereichen zu einem Überschreiten der Prozessgrenzen und damit zu einem Ausbeulen oder Aufschmelzen; bei kleineren Skalierungen werden keine ausreichend hohen Temperaturen erreicht, so dass kein Aufstauchen möglich ist. Weiter wurden mithilfe der die Strahlungsverluste berücksichtigenden Skalierungsregeln die Prozesszeiten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass bei kleineren Aktuatoren ein Temperaturausgleich aufgrund der nur linear skalierenden Brückenabstände bereits bei höheren Temperaturen um 100°C erreicht wird und damit schon auf das endgültige Umformergebnis geschlossen werden kann, bevor beide Brücken vollständig abgekühlt sind. Das kann für die untersuchten geometrischen Skalierungen (beispielsweise für die kleinere untersuchte Skalierung 4) ein Halbieren der Prozesszeiten bedeuten. Bei größeren Aktuatoren (beispielsweise der Skalierung 40) wird der endgültige Reaktionswinkel erst erreicht, wenn der erwärmte Steg fast vollständig abgekühlt ist. Es konnte gezeigt werden, das diese Bewertungskriterien nicht nur von der geometrischen Skalierung, sondern auch erheblich von den Prozessparametern abhängen.
Publications
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Modelling of Size Effects for Scaled Laser Beam Forming. In Proc. 2nd International Conference on New Forming Technology. Vollertsen, F. und Yuan, S. (Eds.), Bremen (2007), 645- 652
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Größeneffekte beim Stauchmechanismus am Beispiel geometrisch skalierter Brückenaktuatoren. In Proc. Größeneinflüsse bei Fertigungsprozessen. Vollertsen, F. (Ed.), Bremen (2009), 97-116
Sakkiettibutra, J. und Vollertsen, F.
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Größeneffekte – eine systematische Einordnung. In Proc. Größeneinflüsse bei Fertigungsprozessen. Vollertsen, F. (Ed.), Bremen (2009), 1-9
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