TooLAM - Thermomechanische Modellierung eines laserunterstützten Fräsprozesses

Projekt: Foschungsprojekt

Beschreibung

Ziel dieses Projektes ist die systematische Modellierung
und Simulation eines hybriden Fräsprozesses durch Finite-Elemente-Analysen.

Die Arbeiten im Bereich der Simulation umfassen die rein thermischen Prozesse der Energieeinbringung
in das Werkstück sowie die Energieausbreitung im Bereich der Spanungszone in Form von Wärmeleitung
und dem resultierenden Temperaturprofil. Die Simulationen bilden die Grundlage für das
prozesstechnologische Verständnis des neuen Bearbeitungsprozesses und bieten die Möglichkeit, mit
deutlich reduziertem Aufwand schon im Vorfeld qualitative und quantitative Aussagen über die Parameterabhängigkeiten,
insbesondere die werkstoffspezifischen Abhängigkeiten zwischen Laserleistung,
Absorptionsgrad, Brennfleckgröße, Intensitätsverteilung und Schnittgeschwindigkeiten zu identifizieren.
Die Ergebnisse sind für die thermische Prozessauslegung in Bezug auf die von den Projektpartnern definierten Geometrien bzw. Anforderungen von großer Bedeutung. Auf der Basis erfolgreicher thermischer
Modellierung werden im Anschluss die thermischen Verteilungen bei der Bearbeitung der
festgelegten Demonstratorgeometrien analysiert. Parameterstudien und Einflussanalysen geben Aufschluss
über die zu erwartenden und im Rahmen der bahnflexiblen Fräsbearbeitung zu kompensierenden
Effekte lokal inhomogener Werkstofftemperierung im Bereich der Spanungszone.
In einem nächsten Schritt werden thermisch-mechanisch gekoppelte Simulationen etabliert, die eine
Kombination aus lokaler laserinduzierter Wärmeverteilung und hieraus resultierender mechanischer
Entfestigung ermöglichen. Zusätzlich kann so die bei der rein mechanisch bedingten plastischen Verformung
des Werkstoffs (Reibungswärme) im Rahmen des Materialabtrags entstehende zusätzliche
Wärmeeinbringung abgebildet werden. Ebenso erlauben die Simulationen Rückschlüsse auf die im
Bereich der Schneide zu erwartenden Belastungskollektive. Über entsprechende Parameterstudien
können so werkstoffspezifische thermische und mechanische Belastungszustände qualifiziert und minimiert
werden. Als determinierende Parameter und Kenngrößen während des laserunterstützten
Zerspanungsprozesses werden die plastischen Verformungen und lokal induzierten Eigenspannungen
im Bereich der Spanungszone sein, da diese die resultierenden Prozesskräfte, Oberflächenqualitäten
und Schneidenbelastungen bestimmen. Anhand der Simulationen können plastische Verformungen
und Eigenspannungsverteilungen werkstoff- und prozessparameterabhängig simuliert werden, was
durch rein experimentelle Spanungsversuche und messtechnische Ansätze nicht umsetzbar ist.
Ein wesentlicher Benefit der Simulationen besteht vor Allem in dem reduzierten Aufwand für prozesstechnologische
Grundlagenuntersuchungen und dem entsprechend hohen Ressourcenaufwand für
Versuche und Materialien, bis über die rein experimentelle Qualifizierung erste Prozessfenster identifiziert
sind. Die Simulation dient damit insbesondere der effizienten Prozessanalyse, -auslegung und
-optimierung. Das über die Modellierung und simulative Analysen erlangte Prozesswissen hinsichtlich
thermisch-mechanischer Wechselwirkungen wird im Rahmen einer Prozessdatenbank strukturiert dokumentiert
StatusAbschlussdatum
Tatsächlicher Beginn/ -es Ende1/09/1031/08/13