Analyse der nichtlinearen Kopplung von Gas- und Dampfströmungen mit der kondensierten Phase zur Diagnose von Laser- und Fertigungsverfahren
Final Report Abstract
Das Laserschneiden ist ein industriell eingeführtes thermisches Trennverfahren. Mit mehr als 80% des Marktes für Laseranlagen dominiert das Schneiden die anderen Anwendungen. Ungeachtet der bereits erreichten technischen Erfolge wird dem Laserschneiden ein großes, noch ungenutztes Potential zugeschrieben, das mit einer technischen Entwicklung allein noch nicht erreicht werden kann. Das noch zu erschließende Potential wird bei der Einführung neuer Strahlquellen (Faserlaser) und bei der Erprobung bekannter Strahlquellen mit verbesserten Eigenschaften offenkundig. Aufgrund des noch immer mangelnden Verständnisses der dynamischen Eigenschaften des Schneidens, insbesondere der Qualität des Schneidergebnisses, wird die weitere Entwicklung gehemmt. Die grundlegenden Arbeiten zielen deshalb auf ein physikalisches Modell und eine Beobachtung des Schneidens, mit dem die Eigenschaften des zeitlich veränderlichen Prozesses analysiert werden können. Insbesondere, steht die Analyse der Bildung von Riefen und anhaftendem Bart sowie die zugrundeliegende Strömung von Schneidgas und Schmelze entlang der zeitlich veränderlichen Form der Schneidfront im Vordergrund. Zum Zeitpunkt der Antragstellung reichten die Kenntnisse über die Lösungseigenschaften der vorliegenden Modelle des Schneidens und der numerischen Methoden zu deren Lösung nicht aus, um die Qualität der Kopplung der beteiligten Vorgänge über die freien Ränder zu beurteilen. Eine direkte numerische Lösung der Aufgabe und eine Diagnose mit Modell Werkstoffen (Legierung von Rose) werden zwar in der jüngsten Literatur diskutiert, die Ergebnisse sind jedoch nicht direkt in die technische Anwendung umsetzbar. Mit den vorliegenden Ergebnissen werden reduzierte Modellgleichungen genauer analysiert, Erweiterungen angegeben und deren Lösungsverhalten mit der numerischen Lösung verglichen sowie mit der Diagnose überprüft. Eine wesentliche Erweiterung zur Diagnose des Schneidens ist die erfolgreiche Kombination der Beobachtung von thermischer Emission von der Schneidfront um die reflektierte Strahlung einer Fremdbeleuchtung. Hierbei sind eine bessere räumliche Auflösung und die gleichzeitige Beobachtbarkeit und damit eine räumliche Zuordnung von geometrischen Merkmalen der Schneidfront und der Schmelzströmung erreicht worden. Ein weiteres Ergebnisse besteht darin, dass eine zeitlich aufgelöste Schlierendiagnose der Gasströmung eine deutlich bessere Übereinstimmung mit den theoretischen Ergebnissen liefert. Insbesondere das Auftreten einer Ablösung der Gasströmung von dem kondensierten Rand führt zu einer zeitlich veränderlichen Strömung. Im Ergebnis wird eine beherrschbare Anzahl prozeßrelevanter Merkmale ausgewählt und deren Abhängigkeit von zusätzlichen Verfahrensparamtern angegeben, mit denen die Gasströmung charakterisiert wird. Das Ergebnis wird auch in Form einer sogenannten Prozeßdomäne dargestellt, mit denen die Bereiche der Verfahrensparameter angegeben werden, in denen ein Schnitt bartfrei ist. Die unterschiedlichen Berandungen der Prozeßdomäne für den bartfreien Schnitt werden den Lösungseigenschaften des reduzierten und des numerischen Modells zugeordnet. So wird das gewonnene Verständnis besser überprüfbar. Das reduzierte Modell besteht aus mehreren Stufen der Verfeinerung, mit denen experimentell beobachtbare Eigenschaften des Schneidens indentifiziert werden. Die unterschiedliche Morphologie von Riefen und Bart wird klassifiziert und den Lösungseigenschaften der Modellgleichungen zugeordnet. Mindestens drei Arten von Riefen und zwei Arten von Bart werden beobachtet. Das Ein-Phasenmodell beschreibt die räumlich dreidimensionale Bewegung der Schmelzfront und reproduziert die U-förmige Struktur der Riefen 1. Art. Das Zwei-Phasenmodell berücksichtigt zusätzlich die Strömung der Schmelze und reproduziert die Bildung von anhaftendem Bart 1. Art durch Tropfenbildung und Bart 2. Art durch Verdampfung. Das Zwei-Phasenmodell enthält auch den Wärmetransport in der Schmelze und zeigt die Ausbildung von Riefen 2. Art Das Drei-Phasenmodell umfasst zusätzlich die kompressible Strömung des Schneidgases. Die Ergebnisse zu den Eigenschaften der Gasströmung und deren Einfluss auf die Lösungseigenschaften des Modells sind wesentlich für die weitere Entwicklung des Schneidens. Die antreibenden Kräfte der Gasströmung auf die Schmelze werden durch - den Druckgradienten und die Scherspannung - entlang der Oberfläche der flüssige Phase vermittelt. Eine detaillierte Analyse der Impulsgrenzschicht in der Gasströmung und der Vergleich mit numerischen Lösungen sowohl der kompressiblen Euler-Gleichungen als auch der Navier-Stokes-Gleichungen ergab, dass in weiten Bereichen der Verfahrensparameter eine Grenzschichtlösung der Navier-Stokes-Gleichungen quantitativ richtige Ergebnisse für die Scherspannung liefert. Die Ablenkung der Gasströmung durch einen schiefen Verdichtungsstoß zwischen Gasdüse und Materialoberfläche sowie die Ablösung der kompressiblen Strömung von der Schneidfront sind numerisch und durch Schlierendiagnose an Modellfugen aus transparentem Material untersucht. Durch Vergleich verschiedener Strömungssituationen in einer Schnittfuge beim Schneiden und in einer Bohrung beim Trepanieren ist das Auftreten und Fehlen von horizontalen Riefenstrukturen auf der Schnittkante der unterschiedlichen Ausbildung eines schiefen Verdichtungsstoßes zugeordnet worden. Die Wirkung des Düsendesigns (konisch, konisch-zylindrisch, Laval, Laval-Venturi) und der Positionierung von Düsen ist im Hinblick auf die Rückwirkung der Gasströmung in die Düse, die Ablenkung des Gasstrahls und dessen Ablösung von der Schneidfront zugeordnet. Im Ergebnis ist die Analyse der Riefen- und Bartbildung um den Einfluss der kompressiblen Gaströmung erweitert worden. 2.2 Ausblick Neben der Einführung neuer oder verbesserter Strahlquellen steht die Weiterentwicklung der gesamten Schneidmaschine in Richtung auf autonome Eigenschaften im Vordergrund. Die Vereinfachung des Einrichtens einer Schneidmaschine für den Bediener ist ein erklärtes Teilziel der Maschinenhersteller für die Zukunft. Ein Schritt auf dem Weg zu einer Maschine mit mehr autonomen Eigenschaften ist die Erweiterung der Prozeßdomänen, die von mehr Verfahre n s parameter n als den bisher untersuchten aufgespannt werden. Dazu ist eine Fortführung der Analyse und Verfeinerung der Modelle sowie eine ausführliche Diagnose der nicht direkt einstellbaren Parameter notwendig. Die Erweiterung der Prozeßdomänen setzt zusätzlich auch das Erfassen von Schwankungen der Verfahrensparameter und der Ergebnisgrößen voraus. Um die Genauigkeit bestimmen zu können, mit der die Verfahrensparameter einzustellen sind, zielen die zusätzlichen Arbeiten auch darauf, zwischen der Fluktuation von Verfahrensparametern, der Streuung von Ergebnisgrößen und der sensitiven Abhängigkeit der Ergebnisgrößen von den Verfahrensparametern besser unterscheiden zu können. Die bisher erreichten Ergebnisse geben Hinweise darauf, dass die Ausbreitung der Laserstrahlung über die freie Propagation und die geometrisch optische Berücksichtigung der Reflexion hinaus genauer zu untersuchen ist Um die Zuverlässigkeit der numerischen Lösungen besser einschätzen zu können und den Berechnungsaufwand zu verkleinern ist eine genauere Analyse der Lösungseigenschaften der numerischen Verfahren und die Anwendung modernder Verfahren erforderlich. Vielversprechende Ansätze sind Methoden, die Berechnungen auf kartesischen Gittern erlauben und mit denen die freien Ränder nicht diskretisiert werden müssen (z.B. Discontinuous Galerkin Methods). Diese Methoden sind nicht direkt in Berechnungsverfahren umsetzbar und deren Modifikation erfordert eine detaillierte mathematische Analyse.
Publications
- (2005) Herstellung von konturierten Bohrungen in Mehrschichtsystemen mit Nd:YAG-Laserstrahlung, Phd thesis, RWTH Aachen University, Shaker Verlag Aachen 2005
Willach J
- (2005) Numerische Modellierung freier Randwertaufgaben und Anwendung auf das Laserschneiden, Phd thesis, RWTH Aachen University, Shaker Verlag Aachen 2006
Nießen M
