Temperatufeldberechnung

Berechnung stationärer und transienter Temperaturverteilungen in Werkstücken und Bauteilen zur Ermittlung resultierender Temperatur-Zeit-Zyklen für Verfahren der Lasermaterialbearbeitung

Simulierte Temperaturverteilungen (längs und quer zur Bearbeitungsrichtung) und -profile bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (250 m/min) von Feinstahlblech der Dicke 0.3 mm
© Fraunhofer IWS Dresden
Simulierte Temperaturverteilungen (längs und quer zur Bearbeitungsrichtung) und -profile bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (250 m/min) von Feinstahlblech der Dicke 0.3 mm
Untersuchung des Einflusses von Einspannbedingungen beim Laserstrahlschweißen auf die lokale Verteilung des Schweißtemperaturfeldes
© Fraunhofer IWS Dresden
Untersuchung des Einflusses von Einspannbedingungen beim Laserstrahlschweißen auf die lokale Verteilung des Schweißtemperaturfeldes

Typische Lasermaterialbearbeitungsprozesse sind mit einer thermischen Zustandsänderung einschließlich verfahrensbedingter Phasenumwandlungen (insbesondere des Schmelzens und Verdampfens) verbunden. Diese sind notwendig, um ein gewünschtes Bearbeitungsergebnis, beispielsweise die Generierung eines Schnittspaltes bei trennenden Verfahren oder die Generierung einer Schweißverbindung im Falle von Fügetechnologien, zu erreichen. Hierbei ist für das Bearbeitungsergebnis die zeitliche und räumliche Entwicklung des Temperaturfeldes von entscheidender Bedeutung. Dies trifft sowohl für die unmittelbare Prozesszone (der Bereich der technisch notwendigen Zustandsänderung) als auch für die angrenzenden Werkstoffbereiche zu, die infolge der stimulierten Aufheiz- und Abkühlvorgänge eine thermisch bedingte Schädigung erfahren können. Daher liegt es im Interesse der Anwender von Lasertechnologien, die infolge eines Bearbeitungsprozesses induzierten Temperaturverteilungen möglichst genau zu kennen.

Die Simulation stellt ein effektives Werkzeug zur Ermittlung von Temperaturverteilungen in ihrer räumlichen und zeitlichen Entwicklung dar. Beispielgebend sind in Abbildung 1 die Temperaturverteilung in einem Stahlfeinblech während einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mittels Laserstrahlung und in Abbildung 2 das Temperaturfeld eines Laserstrahlschweißprozesses unter Berücksichtigung des Einflusses einer Spannvorrichtung dargestellt. In Auswertung dieser Simulationsrechnungen können sehr genaue Aussagen über die lokale und globale thermische Belastung der bearbeiteten Bauteile abgeleitet werden. Zusätzlich eröffnet die Simulation vielfältige Möglichkeiten zur Durchführung von Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen unter der Zielsetzung einer Prozessoptimierung.