Numerische Analyse und Berechnung von Gasströmungen im Umfeld von Lasermaterialbearbeitungsprozessen

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.