Gasströmungen

Numerische Analyse und Berechnung von Gasströmungen im Umfeld von Lasermaterialbearbeitungsprozessen

Validierung des Simulationsmodells durch Vergleich der berechneten Gasströmung (rechts) mit einer schlierenoptischen Aufnahme (links)
© Fraunhofer IWS Dresden
Validierung des Simulationsmodells durch Vergleich der berechneten Gasströmung (rechts) mit einer schlierenoptischen Aufnahme (links)

In der Lasermaterialbearbeitung werden Gase sowohl als Schutzgase zur Abschirmung der Prozesszone vor atmosphärischen Einflüssen, als Prozess- und Arbeitsgase für die technische Durchführung von Prozessen als auch als Sekundärgase für die Absaugung von Prozessemissionen und die Reinhaltung der Raumluft im Bereich von Bearbeitungsstationen eingesetzt. Der numerischen Analyse und Berechnung von solchen Gasströmungen kommt zugute, dass das Zustandsverhalten von Gasen und Gasmischungen in den relevanten Druck- und Temperaturbereichen sehr gut über die Zustandsgleichung idealer Gase abgebildet werden kann. Zusätzlich stehen für die Beschreibung hinreichend genaue Turbulenzmodelle zur Verfügung, die auch bei hohen Gasgeschwindigkeiten eine realitätsnahe Beschreibung von Gasströmungen ermöglichen. Beispielgebend zeigt die Abbildung einen Vergleich der simulierten turbulenten Strömung im Überschallbereich am Austritt einer Gasdüse für Schneidanwendungen im Vergleich zu einer schlierenoptischen Aufnahme der Dichteverteilung eines solchen Freistrahls.

Folglich kann die Simulation im Rahmen von Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen gezielt als sehr zuverlässiges und effektives Werkzeug für eine Auslegung und Optimierung strömungstechnischer Prozess- oder Anlagenkomponenten eingesetzt werden. Für die Bearbeitung und Lösung von Aufgabenstellungen aus dem Bereich der Simulation von Gasströmungen steht am Fraunhofer IWS die kommerzielle Softwarelösung ANSYS CFD zur Verfügung. Aktuelle Modellentwicklungen betreffen u.a. Untersuchungen zur Schneidgascharakteristik des Laserstrahl-Inertgasschneidens sowie die Raumlufttechnische Optimierung von Bearbeitungsstationen der Lasermaterialbearbeitung.

Untersuchungen zur Schneidgascharakteristik beim Laserstrahlschneiden

Vergleich von experimentell (Schlierenanalyse) und numerisch erfassten Gasströmungen anhand eines Schnittspaltmodells
© Fraunhofer IWS Dresden
Vergleich von experimentell (Schlierenanalyse) und numerisch erfassten Gasströmungen anhand eines Schnittspaltmodells
Gasverbrauch und fluiddynamischer Nutzungsgrad als Funktion des Schneidgasdruckes unter den Bedingungen des Inertgas-Laserstrahlschneidens, Parameter: Düsentyp = konisch, Düsendurchmesser = 2 mm, Düsenabstand = 0.75, Schnittspaltform = parallel, Schnittspaltbreite = 0.4 mm, Blechdicke = 6 mm
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Gasverbrauch und fluiddynamischer Nutzungsgrad als Funktion des Schneidgasdruckes unter den Bedingungen des Inertgas-Laserstrahlschneidens, Parameter: Düsentyp = konisch, Düsendurchmesser = 2 mm, Düsenabstand = 0.75, Schnittspaltform = parallel, Schnittspaltbreite = 0.4 mm, Blechdicke = 6 mm

Die erreichbaren Schneidgeschwindigkeiten und Schnittkantenqualitäten beim Schmelzschneiden von Metallen mittels Laserstrahlung werden insbesondere im Dickblechbereich > 6 mm entscheidend durch die Effizienz des Materialaustriebes aus der Schneidfuge in Wechselwirkung mit einem Schneidgasstrahl bestimmt. Eine detaillierte Kenntnis der Strömungscharakteristik des Gasstrahls bildet eine theoretisch fundierte Basis für mögliche prozesstechnische Verbesserungen. Hierbei kann die Nutzung von Simulationsmodellen als probates Mittel angesehen werden, um die Schneidgasströmung realitätsnah zu beschreiben. Dies zeigt der Vergleich von experimentell visualisierten und numerisch berechneten Gasströmungen unter Nutzung eines transparenten Schnittspaltmodells nach Abbildung 1. Sowohl die Lage als auch die Ausdehnung und Position charakteristischer Strömungsphänomene (Überschall- und Unterschallgebiete, gerader und schräger Verdichtungsstoß, Strömungsabriss an der Schneidfront) werden durch das Simulationsmodell sehr präzise erfasst.

Entsprechende Simulationsmodelle lassen sich folglich als zuverlässiges Werkzeug zur Überprüfung oder Findung neuer Lösungsansätze zur Optimierung des Schneidgasstrahls einsetzen. So lassen sich beispielsweise neue und alternative Düsenkonzepte auf ihre mögliche Praxistauglichkeit bereits im Vorfeld einer Fertigung testen bzw. können bezüglich vorhandener geometrischer Freiheitsgrade (Form, Größe) optimiert werden. Hierbei lassen sich auch abgeleitete Größen wie der Ausnutzungsgrad in Wechselwirkung mit einem Schnittspalt, d.h. der Teil des Gases, der tatsächlich in den Schnittspalt eingekoppelt wird, bestimmen. Exemplarisch berechnete Werte für den Fall einer Standarddüse nach Abbildung 2 demonstrieren, dass ein großes Optimierungspotenzial bezüglich des Nutzungsgrades und damit des Gasverbrauchs insbesondere im Bereich höherer Drücke besteht.

Raumlufttechnische Optimierung von Bearbeitungsstationen der Lasermaterialbearbeitung

Geometrie und Vernetzung einer räumlich geschlossenen Bearbeitungsstation zum Remote-Laserstrahlschweißen unter Berücksichtigung verschiedener raumlufttechnischer Vorrichtungen zur Strömungsführung
© Fraunhofer IWS Dresden
Geometrie und Vernetzung einer räumlich geschlossenen Bearbeitungsstation zum Remote-Laserstrahlschweißen unter Berücksichtigung verschiedener raumlufttechnischer Vorrichtungen zur Strömungsführung
Berechnete Geschwindigkeitsverteilung der Raumluftströmung innerhalb einer räumlich geschlossenen Bearbeitungsstation zum Remote-Laserstrahlschweißen
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Berechnete Geschwindigkeitsverteilung der Raumluftströmung innerhalb einer räumlich geschlossenen Bearbeitungsstation zum Remote-Laserstrahlschweißen

Das Interesse der Anwender an Untersuchungen von Gasströmungen ist nicht ausschließlich auf die Wirkung von primären Prozessgasen (u.a. Schneidgasströmung beim Laserstrahlschneiden, Schutzgasströmung beim Laserstrahlschweißen) beschränkt. Gase werden auch als Sekundärströmungen eingesetzt, um Einfluss auf die Prozesscharakteristik und laserinduzierte Prozessemissionen nehmen zu können oder die zur Bearbeitung eingesetzten optischen Komponenten vor Verunreinigungen zu schützen. Beispielgebend können Remote-Schweißanwendungen unter Nutzung von Hochleistungs-Laserstrahlquellen (insbesondere Faser- und Scheibenlaser) angeführt werden, bei denen Prozessemissionen aufgrund von Absorptions- und Streueffekten in Wechselwirkung mit dem eingesetzten Laserstrahl in vielen Anwendungsfällen zu reduzierten Einschweißtiefen und Nahtqualitäten führen. Abhilfe ermöglichen lokale und globale Zuluft- und Absaugvorrichtungen, wenn es gelingt, die anfallenden Emissionen aus der Prozesszone zu verdrängen. Die Simulation der Raumluftströmung unter den gegebenen Bedingungen ermöglicht eine Auslegung (Dimensionierung) und Optimierung der eingesetzten raumlufttechnischen Komponenten.

Exemplarisch zeigt Abbildung 1 ein numerisches Modell einer Bearbeitungskabine zum Remoteschweißen. Berechnete Verteilungen der Raumluft unter Nutzung verschiedener Konfigurationen sind in Abbildung 2 gezeigt. Lokale Zuluftströme sind insbesondere effektiv in der Verdrängung der lokalen Emissionen aus der unmittelbaren Prozesszone, um robuste und qualitätsgerechte Bearbeitungsergebnisse erzielen zu können. Globale Zu- und Abluftkonzepte sind notwendig, um die Reinhaltung der Raumluft in den Bearbeitungskabinen mittels Erfassung der Schadstoffemissionen zu gewährleisten. Anhand der Simulationsrechnungen können existente oder geplante Raumluftkonzepte bezüglich ihrer Wirksamkeit bewertet bzw. neue Anlagenkonzepte entwickelt und optimiert werden. Neben der Reinhaltung der Prozesszone und der Kabinenatmosphäre können hierbei auch Aspekte des Gasverbrauchs und damit der Betriebskosten von solchen Anlagen im Fokus der Untersuchungen stehen.