Προσομοίωση της κατεργασίας χάραξης με laser με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός πειραματικά επιβεβαιωμένου μοντέλου προσομοίωσης της κατεργασίας χάραξης με παλμούς δέσμης Laser διάρκειας νανοδευτερολέπτων κάνοντας χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Στόχος είναι η πρόβλεψη της τελικής γεωμετρίας χάραξης και η βελτιστοποίηση της κατεργασίας μελετώντας την επίδραση των συνθηκών κατεργασίας στην ποιότητα του κατεργασμένου τεμαχίου και την παραγωγικότητα της διαδικασίας. Χρησιμοποιήθηκε ένα γενικευμένο μοντέλο μετάδοσης θερμότητας στο οποίο η προσπίπτουσα δέσμη Laser που είναι υπεύθυνη για την αφαίρεση του υλικού, μοντελοποιήθηκε ως μια πηγή με κατανομή Gauss λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβολές από την κλίση αλλά και τη σύγκλησή της. Ο χάρτης σάρωσης που εμπεριέχει τις θέσεις στις οποίες πρόκειται να σταλούν οι παλμοί της δέσμης δημιουργήθηκε σύμφωνα με την μονοκατευθυντική διασταυρούμενη στρατηγική σάρωσης. Μοντελοποιήθηκε η παλμική συμπεριφορά της δέσμης λόγω της τεχνικής μεταγόμενου Q για τον ορισμό της πυκνότητας ισχύος συναρτήσει του χρόνου. Μοντελοποιήθηκε ο μηχανισμός απορρόφησης της δέσμης λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες λόγω της ανακλαστικότητας του υλικού, τις απώλειες λόγω της θωράκισης της δέσμης κατά τη διέλευσή της από το πλούμιο πλάσματος ατμών μετάλλου και τη ροή θερμότητας που επιστρέφει στο τεμάχιο λόγω της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το πλάσμα. Ο μηχανισμός αφαίρεσης υλικού μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια τεχνική μετακίνησης πλέγματος για τον προσδιορισμό των αλλαγών της γεωμετρίας που προκαλούνται από την ατμοποίηση του υλικού. Προσομοιώσεις χαράξεων πραγματοποιήθηκαν για υλικά όπως ανοξείδωτος χάλυβας SAE304, χάλυβας κατασκευής δοχείων πίεσης P355GH, ορείχαλκος C26000 και κράμα αλουμινίου Al7075-T6 για διάφορους συνδυασμούς των βασικών συνθηκών κατεργασίας: μέση ισχύς, ταχύτητα δέσμης και συχνότητα επανάληψης παλμών. Από τις προσομοιώσεις προβλέφθηκε η γεωμετρία χάραξης με τον ίδιο τρόπο όπως αυτή θα σχηματιζόταν εάν η κατεργασία πραγματοποιείτο στην πράξη, σε πραγματικές συνθήκες σε ένα κέντρο κατεργασιών Laser χάραξης. Επιπλέον, για κάθε περίπτωση, υπολογίστηκαν οι τιμές του πάχους στρώματος αφαίρεσης υλικού και του ρυθμού αποβολής υλικού. Επιπλέον έγινε μια εκτίμηση των ατελειών που εμφανίζονται στη γεωμετρία χάραξης λόγω λοξοποίησης (kerf), όπως η κλίση που εμφανίζεται στα πλευρικά τοιχώματα υπολογίζοντας τις τιμές της γωνίας κλίσης των τοιχωμάτων αυτών καθώς και του άνω πλάτους χάραξης και του κάτω πλάτους χάραξης. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μελετήθηκαν διεξοδικά και εξήχθησαν συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση των συνθηκών κατεργασίας στο τελικό αποτέλεσμα της κατεργασίας χάραξης. Για την επιβεβαίωση του προσομοιωτικού μοντέλου ένας μεγάλος αριθμός από πειραματικές χαράξεις πραγματοποιήθηκαν με σκοπό τη σύγκριση μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων και αυτών από τις προσομοιώσεις. Οι χαράξεις υλοποιήθηκαν με τη χρήση του κέντρου κατεργασιών Laser χάραξης DMG MORI LASERTEC 40 και μετρήθηκαν με τη χρήση του τρισδιάστατου οπτικού προφιλόμετρου Bruker Contour GT-K. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την ορθή λειτουργία και την υψηλή ακρίβεια του προσομοιωτικού μοντέλου.