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

Abstract

In the present thesis an experimentally confirmed finite element method (FEM) simulation model for nanosecond pulsed laser engraving process is developed. The main purpose of the simulation model is the prediction of the final engraving geometry and the optimization of the process by studying the effect of the process parameters on machining quality and productivity. A general heat transfer model was adopted where the incident laser beam causing the material ablation was modeled using a gaussian heat source. The effect of the laser beam inclination and convergence were taken into account. The laser map containing the positions of the laser beam pulses to be sent was generated according to the unidirectional cross hatching strategy. Τhe Q-switching mechanism was modeled to define the intensity of the laser beam over the time. The laser beam absorption was modeled considering the loses due to the material reflectivity and the plasma shielding by the interaction of the incident laser beam and the generated metal vapour plasma plume. The ablation mechanism was modeled using a moving mesh method to define the geometry shape changes caused by the evaporative removal of material. Laser engraving simulation tests were performed for materials such as stainless steel SAE304, pressure vessel steel P355GH, yellow brass C26000, aluminium Al7075-T6 for various combinations of basic process parameters: average power, scanning speed, repetition rate. From the simulations the engraving geometry was predicted in the same way as it would be formed if the process was performed in practice in real conditions in a laser machining center. In addition, removed material layer thickness and material removal rate values were predicted for each case. Furthermore, the imperfections-defects that appear in the engraved geometry due to kerf formation were predicted such as the slope that appears on the side walls by calculating the values of kerf taper angle, top kerf width and bottom kerf width. The simulations results were examined and conclusions were drawn about the effect of the process parameters on the laser engraving process outcome.To validate the simulation model laser engraving experiments were performed for the purpose of comparing the experimental with the simulation results. The experiments were conducted using the DMG MORI LASERTEC 40 nanosecond pulsed Q-switched 1064nm laser engraving machine and measured using the Bruker Contour GT-K 3D optical profilometer. The experimental results positively validated the simulation model.

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.