Prozessanalytik und Simulation

Abb. 1 Verfahrensprinzip zur temperaturgeregelten Lasermaterialbearbeitung
Fig. 1: Principle of temperature-controlled laser material processing
Die gezielte Optimierung von Verfahren der Lasermaterialbearbeitung erfordert ein fundiertes Verständnis der Prozessabläufe. Das Prozessverständnis wird durch experimentelle (Prozessbeobachtung) und rechnerische (Simulation) Methoden erarbeitet. Die stetig steigende Rechnerleistung verbunden mit zunehmender Anwenderfreundlichkeit bei Simulationssoftware stellt eine Verbreiterung des Anwendungsspektrums und eine Senkung des Rechen- und Kostenaufwandes für Finite-Elemente-Berechnungen dar.
Abb. 2: Simulation des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens laserstrahlgeschweißter Schweißnähte
Fig. 2: Simulation of stress-strain behavior of laser welded seams
Gleichzeitig eröffnen sich in der Prozessanalytik mittels konventioneller und neuer Messtechniken Möglichkeiten zur genaueren Erfassung von realen Verhältnissen im Prozess.

Die Kopplung von Simulation und Analytik führt dabei zu einer Verkürzung der Prozessentwicklungszeiten. Ziel ist die bei der Simulation anfallende Anzahl von Annahmen durch detailliertere Randbedingungen zu ersetzen, die aus experimentellen Daten der Prozessanalytik resultieren.

Am LZH wird die Simulation in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt:

  • Thermische Simulation (Prozessanalytik mittels Pyrometrie, Thermokamera, HDRC-Kamera [exponentielle optische Empfindlichkeit])
  • Mechanische Simulation (Prozessanalytik mittels mechanisch-technologischer Eigenschaftsmessungen [z. B. Zugmaschine] mit ESPI-Feindehnungsmessung)
  • Simulation von Stofftransportvorgängen in laserinduzierten Schmelzen (Prozessanalytik mittels Hochgeschwindigkeitskamera und Röntgenmikrofokusdurchstrahlung)
  • Gefügesimulation (Prozessanalytik durch metallographische Methoden wie Mikroskopie, REM, TEM)

Die Prozesstechnik zum temperaturgeregelten Laserstrahlhärten mittels pyrometrischer Temperaturmessung wird mit einer thermischen Simulation nachgebildet. Das Ergebnis der Berechnung ist derart exakt, dass die Bearbeitungsstrategie in der Praxis nicht weiter optimiert werden muss und der reale Prozess direkt gestartet werden kann.

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