SmartScan

Simulationsbeispiel aus dem Forschungsprojekt

Die Bestrahlversuche und Messungen wurden von der Technischen Universität Ilmenau

und der Ernst-Abbe-Hochschule Jena durchgeführt.

Zusammenfassung

Das Teilprojekt Simulationsbasierte Erfassung thermisch bedingter Zustandsänderung der optischen Elemente eines Scannersystems zur Lasermaterialbearbeitung deckt den simulativen Part des Gesamtvorhabens ab. Mit den Ergebnissen des Teilprojektes wird aufgezeigt, daß eine realitätsnahe Berechnung an einem Linsensystem sowohl für das Temperaturfeld als auch für das Verformungsverhalten möglich ist. Beide Zustandsgrößen können zutreffend vorausbestimmt werden.

Zur Erstellung des Simulationsmodells gibt es bekannte oder einfach bestimmbare Größen, wie die Geometrie und die Werkstoffkennwerte. Und es gibt Kenngrößen, die über Bestrahlversuche ermittelt werden müssen. Dazu gehört die Bestimmung des Wärmeeintrages durch den Laserstrahl und die Ermittlung des Wärmeübergangs zur Umgebung.

Für die Definition des Wärmeeintrages wurde die aus der Schweißsimulation bekannte Methode der Äquivalenten Wärmequelle angewendet und auf die Situation Optisches Linsensystem angepaßt. Dabei wurde ein Vorgehen erarbeitet, daß einen zielorientierten Wärmequellenabgleich mit Übertragbarkeit auf ähnliche Zustände ermöglicht. Die Methode Äquivalente Wärmequelle und deren Abgleich wird durch Bestrahlversuche, die von den Projektpartnern TU Ilmenau und FH Jena durchgeführt wurden, bestätigt.

Aus den Untersuchungen zur Wärmequelle konnte erarbeitet werden, daß der Wärmeeintrag am Linsensystem überwiegend an der Oberfläche der optischen Elemente erfolgt.

Die Wärmeableitung an die Umgebung ist ein wichtiger Parameter in der Temperaturfeldberechnung, da hierüber der Gleichgewichszustand bestimmt wird, also der Zustand, der sich bei unendlich langer Bestrahldauer einstellt. Mithilfe von Bestrahlversuchen die vom Projektpartner Optris durchgeführt wurden konnt ein Wärmeübergangskoeffizient für die Situation im Raum ohne bewegte Luft ermittelt werden.

Die Vernetzung stellt einen entscheidenden Aspekt für das numerische Modell dar. Zu geringe Netzdichte führt zu hohen Berechnungszeiten, zu geringe Netzdichte zu Einbußen bei der Ergebnisqualität. Es wurde im Rahmen des Vorhabens ein Netzgrößenvorschlag erarbeitet, der für das laserdurchstrahlte Linsensystem eine akzeptable Ergebnisqualität liefert. Die Abhängigkeit von Netzdichte und Strahldurchmesser wurde herausgearbeitet. Die durchgeführten Temperaturfeldberechnungen zeigen gute Übereinstimmungen mit den bei den Projektpartnern durchgeführten Versuchen.

Die Verformungsberechnungen konnte ebenfalls mit den Versuchen des Projektpartners TU Ilmenau als zutreffend bestätigt werden. Die Bestimmung der lokalen Krümmung der Linsenoberfläche ist durch Auswertung der Verformungsberechnung problemlos möglich und kann zur Ermittlung des Fokus-Shifts verwendet werden.

Mit der Entwicklung eines Äquivalenten Elementes wird der Versuch unternommen ein optisches Linsensystem mit mehreren Linsen durch eine einzelne Linse mit äquivalenten Eigenschaften abzubilden. Im Rahmen dieses Teilprojektes wurde eine Methode erarbeitet die Teperaturfeld- und Verzugsberechnung vom realen Linsensystem auf das Äquivalente Element zu übertragen. Einschränkungen die diese Übertragung mit sich bringt wurden aufgezeigt. Dazu gehört daß die unterschiedliche Erwärmung einzelner Linsen aufgund unterschiedlicher Linsendicke beim Äquivalenten Element nicht mehr aufgelöst werden kann. Die grundsätzliche Machbarkeit konnte jedoch dargelegt werden.

Abschließend wurden Berechnungen für den über das Linsensystem bewegten Laserstrahl durchgeführt. Weiterhin wird die Situation eines Realszenairo für das Schweißen einer Autotür beispielhaft betrachtet. Wesentliche Merkmale des Temperaturfeldes und dessen zeitliche Entstehung konnten durch die Simulation aufgezeigt werden. Dazu gehört die Erkenntnis, daß bei bewegtem Laserstrahl die Aufwärmung der Linseninnenbereiche bei dickeren Linsen deutlich zeitverzögert erfolgt. Die Erwärmung der Linse verschmiert über den überfahrenen Bereich zu einem fast gleich erwärmten Gebiet. Lediglich der letze Aufenthaltsort des Laserstrahlts weist eine erhöhte Temperatur auf.

Abschließend wird festgestellt, daß die numerische Berechnung bei der Auslegung der Steuerung dazu beitragen kann die Belastungsbereiche anwendungsbezogen zu ermitteln und notwendige Erkenntnisse über das Temperaturverhalten des optischen Systems liefert.