Desarrollo de una novedosa unidad de desviación del haz para la compensación activa del desplazamiento del foco debido a la carga térmica provocada por el rayo láser.
Llevado a cabo por la empresa de ingeniería
Tobias Loose
El Dr. Loose ha trabajado en el siguiente subproyecto dentro del proyecto colaborativo SmartScan:
Registro, basado en simulaciones, de los cambios de estado de los elementos ópticos de un sistema de escáner para el mecanizado de metales con láser, provocados por factores térmicos
Socios del proyecto:
El proyecto ha sido subvencionado por AIF Projekt GmbH, ZIM —Proyectos de cooperación—, Tschaikowskistraße 49, D-13156 Berlín, en el marco del programa de ayudas «Programa Central de Innovación para las Pymes» del Ministerio Federal de Economía y Energía (BMWi) —módulo de ayudas «Proyectos de cooperación en I+D»—, con el número de referencia: VP3018202NT4.
Parámetros técnicos objetivo del proyecto
En la solicitud se definió el requisito de precisión del cálculo con una desviación de +/-10 % respecto a los valores experimentales medidos de forma fiable.
Cálculo del campo de temperatura:
La mayor desviación en la curva de temperatura en función del tiempo calculada
es del 6,5 %
La mayor parte de la desviación se sitúa en el rango < 2,5 %
Se ha alcanzado el valor objetivo.
Cálculo de la deformación:
Al comparar el cálculo de la deformación con la medición realizada en la Universidad Técnica de Ilmenau, se obtuvo una desviación del 5,6 % para la lente 1 y del 15 % para la lente 3. Esto puede justificarse por el hecho de que, además de la dilatación, también se produce una flexión de la lente. Esto da lugar a incertidumbres en las mediciones. Por lo tanto, el resultado se considera satisfactorio a pesar de que se ha superado el valor objetivo del 10 %.
Tiempo de cálculo:
Irradiación simple, temperatura, 1 núcleo: 3 min < 6 h
Irradiación simple, deformación, 1 núcleo: 20 min < 6 h
Campo de temperatura, un proceso de soldadura, 1 núcleo: 14 h > 6 h
Para procesos de irradiación complejos, debe respetarse el objetivo de 6 h con cálculo paralelizado (HPC); en el caso de los procesos de irradiación simples, el objetivo también se cumple con 1 núcleo.
Los ensayos de irradiación y las mediciones fueron realizados por la Universidad Técnica de Ilmenau y la Universidad Ernst Abbe de Jena.
El subproyecto «Registro basado en simulación de los cambios de estado debidos a factores térmicos en los elementos ópticos de un sistema de escáner para el mecanizado de materiales con láser» abarca la parte de simulación del proyecto global. Los resultados de este subproyecto demuestran que es posible realizar un cálculo realista en un sistema de lentes, tanto para el campo de temperaturas como para el comportamiento de deformación. Ambas magnitudes de estado pueden predecirse con precisión.
Para la elaboración del modelo de simulación se dispone de magnitudes conocidas o fácilmente determinables, como la geometría y las propiedades de los materiales. Además, hay parámetros que deben determinarse mediante ensayos de irradiación. Entre ellos se incluyen la determinación de la aportación de calor por parte del rayo láser y la evaluación de la transferencia de calor al entorno.
Para definir la aportación de calor se aplicó el método de la fuente de calor equivalente, conocido en la simulación de soldadura, y se adaptó a la situación del sistema de lentes ópticas. Para ello se desarrolló un procedimiento que permite un ajuste de la fuente de calor orientado a objetivos y transferible a situaciones similares. El método de la fuente de calor equivalente y su ajuste se han confirmado mediante ensayos de irradiación realizados por los socios del proyecto, la Universidad Técnica de Ilmenau y la Universidad de Ciencias Aplicadas de Jena.
A partir de los estudios sobre la fuente de calor se ha podido determinar que la entrada de calor en el sistema de lentes se produce principalmente en la superficie de los elementos ópticos.
La disipación de calor al entorno es un parámetro importante en el cálculo del campo de temperatura, ya que de ello depende el estado de equilibrio, es decir, el estado que se alcanza cuando la duración de la irradiación es infinita. Mediante ensayos de irradiación realizados por el socio del proyecto Optris, se pudo determinar un coeficiente de transferencia térmica para la situación en la sala sin movimiento de aire.
La malla representa un aspecto decisivo para el modelo numérico. Una densidad de malla demasiado baja conlleva tiempos de cálculo elevados, mientras que una densidad de malla demasiado alta provoca pérdidas en la calidad de los resultados. En el marco del proyecto se elaboró una propuesta de tamaño de malla que proporciona una calidad de resultados aceptable para el sistema de lentes irradiado por láser. Se analizó la dependencia entre la densidad de la malla y el diámetro del haz. Los cálculos del campo de temperatura realizados muestran una buena concordancia con los ensayos llevados a cabo por los socios del proyecto.
Los cálculos de deformación también pudieron confirmarse como correctos gracias a los ensayos realizados por el socio del proyecto, la Universidad Técnica de Ilmenau. La determinación de la curvatura local de la superficie de la lente es posible sin problemas mediante el análisis de los cálculos de deformación y puede utilizarse para determinar el desplazamiento del foco.
Con el desarrollo de un elemento equivalente se intenta representar un sistema óptico compuesto por varias lentes mediante una única lente con propiedades equivalentes. En el marco de este subproyecto se ha elaborado un método para transferir el cálculo del campo de temperatura y de la deformación del sistema de lentes real al elemento equivalente. Se han puesto de manifiesto las limitaciones que conlleva esta transferencia. Entre ellas se encuentra el hecho de que el calentamiento diferencial de las distintas lentes, debido a sus diferentes espesores, ya no puede resolverse en el elemento equivalente. No obstante, se ha podido demostrar la viabilidad básica del método.
Por último, se realizaron cálculos para el rayo láser que se desplaza a través del sistema de lentes. Además, se analiza a modo de ejemplo la situación de un escenario real para la soldadura de una puerta de coche. La simulación permitió poner de manifiesto las características esenciales del campo de temperatura y su evolución temporal. Entre ellas destaca la constatación de que, cuando el rayo láser está en movimiento, el calentamiento de las zonas internas de las lentes más gruesas se produce con un retraso considerable. El calentamiento de la lente se difumina a lo largo de la zona recorrida, dando lugar a un área con una temperatura casi uniforme. Solo el último punto por el que pasa el rayo láser presenta una temperatura más elevada.
En conclusión, se constata que el cálculo numérico puede contribuir, en el diseño del sistema de control, a determinar las zonas de carga en función de la aplicación y proporciona los conocimientos necesarios sobre el comportamiento térmico del sistema óptico.
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