Autor: Ulrich Halm

Eine prozessinhärente Dynamik in der Bewegung des dünnen Schmelzfilms beim oxidfreien Laserstrahlschmelzschneiden von Metallen in Form von Wellen führt zu einem ungleichmäßigen Erstarrungsmuster auf der Schnittflanke in Gestalt von Schmelzriefen. Wesentliche Qualitätsmerkmale einer Schnittflanke sind eine geringe gemittelte Rautiefe, eine geringe Neigungstoleranz und eine geringe Anhaftung von Bart an der Unterkante. Um das Verständnis des Einflusses der wichtigsten Prozessparameter Wellenlänge des Laserlichts, Vorschub, Laserleistung, Strahlform, Strahlkaustik und antreibende Kräfte aus der Prozessgasströmung auf die Dynamik der Schmelz- und Erstarrungsfront zu verbessern, wird ein hybrides Modell in eine dreidimensionale Prozesssimulation überführt und analysiert. Das Modell bildet dabei die Entwicklung der Temperatur in der festen Phase mit einer numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung und die Dynamik des dünnes Schmelzfilms mit einer integralen Beschreibung ab. Mit der heute verfügbaren Rechenleistung ist eine direkte numerische Lösung der Bewegungsgleichungen der flüssigen Phase aufgrund der Kopplung von zwei freien Rändern fest-flüssig und flüssig-gasförmig, den kleinen Längen- und Zeitskalen der Aufgabe und der unvollständigen Benetzung der Schmelzfront anspruchsvoll und mit Einschränkungen bei der räumlichen und zeitlichen Auflösung unterworfen. Um eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Beschreibung des Schmelzfilms bei gleichzeitig stark reduziertem Aufwand von Berechnungsleistung zu ermöglichen, werden die Bewegungsgleichungen in ein konturangepasstes Koordinatensystem transformiert und durch eine Analyse typischer Skalen störungstheoretisch nach Kleinheitsparametern entwickelt. Durch einen Ansatz für das Strömungsprofil im Schmelzfilm kann die räumliche Dimension der Aufgabe durch Integration von drei auf zwei reduziert werden. Die Gleichungen sind mit kontrollierbarem Fehler lösbar und die führende Ordnung der Entwicklung beschreibt bereits wesentliche Eigenschaften der Lösung. Die numerische Umsetzung in eine Prozesssimulation ermöglicht eine eingehende Untersuchung der Lösungsstruktur in Form von Parameterstudien. Ein wesentliches Ergebnis ist, dass der Anstieg des Strahlprofils auf der Seite einen direkten Einfluss auf die gemittelte Rautiefe und die Neigungstoleranz ausübt. Die Zusammenhänge sind dabei gegenläufig, was eine optimale Auslegung eines Strahlprofils erschwert.