SmartScan - Simulation optischer Elemente


SmartScan
Entwicklung einer neuartigen Strahlablenkeinheit zur aktiven Kompensation des Fokusshifts aufgrund der thermischen Belastung durch den Laserstrahl

Durchgeführt von Ingenieurbüro Tobias Loose

Das Ingenieurbüro Tobias Loose hat innerhalb des Verbundprojektes SmartScan folgendes Teilprojekt bearbeitet:
Simulationsbasierte Erfassung thermisch bedingter Zusandsänderung der optischen Elemente eines Scannersystems zur Lasermetallbearbeitung

Projektpartner:
LASERVORM GmbH laservorm.com
PRIMES GmbH primes.de
Optris GmbH optris.de
Ernst-Abbe-Hochschule Jena, Fachbereich SciTec,
Arbeitsgruppe Fertigungstechnik und -automatisierung ag-bliedtner.de
Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Fertigungstechnik tu-ilmenau.de/fertigungstechnik

Das Projekt wird gefördert von der AIF Projekt GmbH, ZIM - Kooperationsprojekte, Tschalkowskistraße 49, D-13156 Berlin im Rahmen des Förderprogramms Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) - Fördermodul FuE-Kooperationsprojekte Förderkennzeichen: VP3018202NT4

Simulationsbeispiel aus dem Forschungsprojekt:
Erwärmung eines Linsensystems

Vergleich berechneter Linsenerwärmung und gemessener Linsenerwärmung aus Bestrahlversuch:
Linsenerwärmung-Abgleich
Die Bestrahlversuche und Messungen wurden von der Technischen Universität Ilmenau und der Ernst-Abbe-Hochschule Jena durchgeführt.

Technische Zielparameter des Projektes

Die Genauigkeitsanforderung and die Berechnung wurde im Antrag mit einer Abweichung von +/-10 % zu vertrauenswürdig gemessenen Versuchswerten definiert.

Temperaturfeldberechnung:
Die größte Abweichung im berechneten Temperatur-Zeit-Verlauf liegt bei 6,5 %
Die überwiegende Abweichung liegt im Bereich < 2,5 %
Der Zielwert wurde erreicht.

Verformungsberechnung:
Beim Abgleich der Verformungsberechnung mit der an der TU Ilmenau durchgeführten messung wurde für Linse 1 eine Abweichung von 5,6 % erzielt, bei Linse 3 eine Abweichung von 15%. Dies kann damit begründet werden, dass neben der Ausdehnung auch eine Verbiegung der Linse vorliegt. Dies führt zu Unsicherheiten bei den Messungen. Daher wird das Ergebnis trotz Überschreitung der Zielgröße von 10% als befriedigend eingestuft.

Berechnungszeit:
Einfache Bestrahlung, Temperatur 1 core: 3 min < 6 h
Einfache Bestrahlung, Verformung 1 core: 20 min < 6 h
Temperaturfeld ein Schweißvorgang 1 core: 14 h > 6 h


Für komplexe Bestrahlvorgänge ist die Zielvorgabe 6 h mit parallelisierter Berechnung (HPC) einzuhalten, bei einfachen Bestrahlvorgängen ist die Zielvorgabe auch auf 1 core erfüllt.

Zusammenfassung

Das Teilprojekt Simulationsbasierte Erfassung thermisch bedingter Zustandsänderung der optischen Elemente eines Scannersystems zur Lasermaterialbearbeitung deckt den simulativen Part des Gesamtvorhabens ab. Mit den Ergebnissen des Teilprojektes wird aufgezeigt, daß eine realitätsnahe Berechnung an einem Linsensystem sowohl für das Temperaturfeld als auch für das Verformungsverhalten möglich ist. Beide Zustandsgrößen können zutreffend vorausbestimmt werden.

Zur Erstellung des Simulationsmodells gibt es bekannte oder einfach bestimmbare Größen, wie die Geometrie und die Werkstoffkennwerte. Und es gibt Kenngrößen, die über Bestrahlversuche ermittelt werden müssen. Dazu gehört die Bestimmung des Wärmeeintrages durch den Laserstrahl und die Ermittlung des Wärmeübergangs zur Umgebung.

Für die Definition des Wärmeeintrages wurde die aus der Schweißsimulation bekannte Methode der Äquivalenten Wärmequelle angewendet und auf die Situation Optisches Linsensystem angepaßt. Dabei wurde ein Vorgehen erarbeitet, daß einen zielorientierten Wärmequellenabgleich mit Übertragbarkeit auf ähnliche Zustände ermöglicht. Die Methode Äquivalente Wärmequelle und deren Abgleich wird durch Bestrahlversuche, die von den Projektpartnern TU Ilmenau und FH Jena durchgeführt wurden, bestätigt.

Aus den Untersuchungen zur Wärmequelle konnte erarbeitet werden, daß der Wärmeeintrag am Linsensystem überwiegend an der Oberfläche der optischen Elemente erfolgt.

Die Wärmeableitung an die Umgebung ist ein wichtiger Parameter in der Temperaturfeldberechnung, da hierüber der Gleichgewichszustand bestimmt wird, also der Zustand, der sich bei unendlich langer Bestrahldauer einstellt. Mithilfe von Bestrahlversuchen die vom Projektpartner Optris durchgeführt wurden konnt ein Wärmeübergangskoeffizient für die Situation im Raum ohne bewegte Luft ermittelt werden.

Die Vernetzung stellt einen entscheidenden Aspekt für das numerische Modell dar. Zu geringe Netzdichte führt zu hohen Berechnungszeiten, zu geringe Netzdichte zu Einbußen bei der Ergebnisqualität. Es wurde im Rahmen des Vorhabens ein Netzgrößenvorschlag erarbeitet, der für das laserdurchstrahlte Linsensystem eine akzeptable Ergebnisqualität liefert. Die Abhängigkeit von Netzdichte und Strahldurchmesser wurde herausgearbeitet. Die durchgeführten Temperaturfeldberechnungen zeigen gute Übereinstimmungen mit den bei den Projektpartnern durchgeführten Versuchen.

Die Verformungsberechnungen konnte ebenfalls mit den Versuchen des Projektpartners TU Ilmenau als zutreffend bestätigt werden. Die Bestimmung der lokalen Krümmung der Linsenoberfläche ist durch Auswertung der Verformungsberechnung problemlos möglich und kann zur Ermittlung des Fokus-Shifts verwendet werden.

Mit der Entwicklung eines Äquivalenten Elementes wird der Versuch unternommen ein optisches Linsensystem mit mehreren Linsen durch eine einzelne Linse mit äquivalenten Eigenschaften abzubilden. Im Rahmen dieses Teilprojektes wurde eine Methode erarbeitet die Teperaturfeld- und Verzugsberechnung vom realen Linsensystem auf das Äquivalente Element zu übertragen. Einschränkungen die diese Übertragung mit sich bringt wurden aufgezeigt. Dazu gehört daß die unterschiedliche Erwärmung einzelner Linsen aufgund unterschiedlicher Linsendicke beim Äquivalenten Element nicht mehr aufgelöst werden kann. Die grundsätzliche Machbarkeit konnte jedoch dargelegt werden.

Abschließend wurden Berechnungen für den über das Linsensystem bewegten Laserstrahl durchgeführt. Weiterhin wird die Situation eines Realszenairo für das Schweißen einer Autotür beispielhaft betrachtet. Wesentliche Merkmale des Temperaturfeldes und dessen zeitliche Entstehung konnten durch die Simulation aufgezeigt werden. Dazu gehört die Erkenntnis, daß bei bewegtem Laserstrahl die Aufwärmung der Linseninnenbereiche bei dickeren Linsen deutlich zeitverzögert erfolgt. Die Erwärmung der Linse verschmiert über den überfahrenen Bereich zu einem fast gleich erwärmten Gebiet. Lediglich der letze Aufenthaltsort des Laserstrahlts weist eine erhöhte Temperatur auf.

Abschließend wird festgestellt, daß die numerische Berechnung bei der Auslegung der Steuerung dazu beitragen kann die Belastungsbereiche anwendungsbezogen zu ermitteln und notwendige Erkenntnisse über das Temperaturverhalten des optischen Systems liefert.