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Dynamik beim Schneiden mit Laserstrahlung

Abstract
Verbundprojekt mit dem Titel Dynamik beim Schneiden mit Laserstrahlung, das von der Volkswagenstiftung gefördert wird. Durch Modellreduktion, Simulation und experimentelle Überwachung des Schneidvorgangs mit Laserstrahlung wird die Erreichbarkeit der technischen Ziele eines sicheren Durchschneidens nahe der Trennbarkeitsgrenze und der Vermeidung der Bartbildung (anhaftende, rekristallisierte Schmelze) bei konturierten Schnitten untersucht.

Projektbeschreibung
Thermische Trennverfahren wie z.B. Laserstrahlschneiden und Plasmaschneiden sind etablierte technische Prozesse, die im industriellen Maßstab Anwendung finden. Diese technischen Verfahren haben einen dynamischen Prozeßverlauf, da die Verfahrensparameter nicht ideal konstant gehalten werden können oder z.B. beim Bearbeiten von Konturen gesteuert werden müssen.

In interdisziplinärer Zusammenarbeit wird ein mathematisches Modell entwickelt, das die wesentlichen dynamischen Eigenschaften des Prozesses und die Rückkopplung der physikalischen Teilprozesse über die freien Ränder berücksichtigt. Das Modell basiert auf einer kontinuumsphysikalischen Beschreibung der beteiligten Teilprozesse.

Die vielfältige und komplexe Erscheinungsform des Schneidvorgangs muß nicht an eine große Anzahl von Freiheitsgraden gebunden sein, sondern kann schon durch ein nichtlineares Verhalten weniger Systemgrößen bewirkt werden. Die Dynamik der nicht-linearen partiellen Differentialgleichungen wird durch Analyse eines schrittweise zu verbessernden räumlich verteilten, dynamischen Systems mit reduzierter Dimension durchgeführt, bis die erforderliche Qualität erreicht ist. Das Vorgehen einer schrittweisen Verfeinerung soll verhindern, daß für die Anwendungen unerhebliche Freiheitsgrade das Modell vergrößern und damit die Komplexität unnötig erhöhen.

Die technische Relevanz des Vorhabens resultiert aus den folgenden Fragestellungen:

Experimentelle Überwachung: Technische Ziele sind die Überwachung des Schneidens durch koaxiale Beobachtung der optischen Sekundäremission mit einer CCD-Kamera, um das sichere Durchschneiden zu gewährleisten und die Bartanhaftung zu vermeiden. Die experimentell ermittelten Wärmestrahlungssignale von der Schneidfront ändern sich in signifikanter Weise bei Annäherung an die Trenngrenze und bei dem Einsetzen einer Bartanhaftung.

Erkennen der Trennbarkeitsgrenze: Für den wirtschaftlichen Einsatz der teuren Laserschneidanlage ist es erwünscht, möglichst nahe an der maximal möglichen Schneidgeschwindigkeit zu bleiben und gleichzeitig noch eine ausreichende Schnittqualität zu erzielen. Die maximal mögliche Schneidgeschwindigkeit darf andererseits in keinem Fall überschritten werden, da dies zur Unbrauchbarkeit des Werkstückes und im Extremfall sogar zur Beschädigung von Anlagenkomponenten führen würde.

Vermeiden der Bartanhaftung: Die Ausbildung von Schmelztropfen und deren Erstarren an der Unterseite des zu bearbeitenden Werkstücks wird als Bartanhaftung bezeichnet. Anhaftender Bart erfordert eine teure mechanische Nachbearbeitung.

Gefördet durch VolkswagenStiftung
Projektpartner IRAM Institut für Reine und Angewandte Mathematik
Projektleiter Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schulz