Simulation von Laserprozessen: weniger Versuche für eine sichere Industrialisierung

Was wäre, wenn Sie kritische Konfigurationen erkennen könnten, noch bevor Sie Ihre ersten Versuche starten?

Wenn ein neuer Laserprozess entwickelt werden soll, sind physische Versuche unverzichtbar. Doch die Vervielfachung von Konfigurationen, Parametern und Iterationen kann schnell Maschinenzeit, Material und teils kostspielige Bauteile binden.

Überhitzung, übermäßige Verformungen, Beschädigung empfindlicher Komponenten, ungeeignete Auftragsstrategie … Einige dieser Schwierigkeiten lassen sich jedoch vorhersehen, bevor man an die Maschine geht.

Genau darin liegt der Nutzen der Simulation von Laserprozessen: das thermische und mechanische Verhalten des Prozesses verstehen und vorhersagen, um die physischen Versuche gezielter auszurichten.

Bei IREPA LASER ist die Simulation daher Teil eines ganzheitlichen Ansatzes, der Modellierung, Expertise in Laserprozessen, Versuche und experimentelle Validierung miteinander verbindet.

Die Auswirkungen des Wärmeeintrags vorhersehen

Ein Laserprozess beruht auf einem lokal begrenzten Energieeintrag. Je nach Verfahren, Bauteilgeometrie, Werkstoff und verwendeten Parametern kann diese Energie Phänomene hervorrufen, die unbedingt beherrscht werden müssen: Temperaturanstieg, Wärmestau, Entstehung von Wärmeeinflusszonen oder Verformungen.

Die Simulation hilft, diese Phänomene besser zu verstehen, bevor die Zahl der Versuche steigt.

Ausgehend von Bauteilgeometrie, Werkstoffen, Randbedingungen und Projektzielen lässt sich die thermische und mechanische Prozesshistorie modellieren und lassen sich verschiedene Szenarien untersuchen.

Die Ergebnisse ermöglichen es insbesondere, Folgendes vorherzusehen:

• Die erreichten Temperaturen;
• Die Bereiche, die einer starken Erwärmung ausgesetzt sind;
• Den Wärmestau;
• Die Bereiche, die durch den Prozess beeinflusst werden könnten;
• Die möglichen Verformungen;
• Den Einfluss verschiedener Strategien oder Konfigurationen.

Ziel ist es also nicht, auf Experimente zu verzichten, sondern gezielter die Konfigurationen auszuwählen, die es wert sind, getestet zu werden.

Unterschiedliche Herausforderungen je nach Verfahren und Branche

Je nach industrieller Anwendung kann die Simulation unterschiedliche Fragestellungen beantworten.

Additive Fertigung großformatiger Bauteile

In der additiven Fertigung können Wärmestau und Verformungen zu wichtigen Themen werden, insbesondere wenn die Abmessungen der Bauteile zunehmen.

Die Simulation ermöglicht es, verschiedene Auftragsstrategien zu untersuchen und das thermische Verhalten des Bauteils vorherzusehen, um die Fertigungsstrategie vor den ersten Versuchen auszurichten.

Die Herausforderung ist zweifach: den Prozess absichern sowie das Risiko von Ausschuss und Materialverschwendung begrenzen.

Laserschweißen

Beim Schweißen komplexer Bauteile oder elektrischer Komponenten ermöglicht die Simulation insbesondere, die Energie abzuschätzen, die für eine ausreichende Aufschmelzung erforderlich ist, während die Erwärmung der umliegenden Bereiche beherrscht wird.

Sie kann so dazu beitragen, Überhitzung, Verformung oder die Beschädigung empfindlicher Komponenten zu vermeiden.

Laserhärten

Beim Laserhärten ermöglicht die Simulation die Untersuchung des thermischen Zyklus, der Tiefe der gehärteten Zone und der Ausdehnung des behandelten Bereichs.

Sie trägt außerdem dazu bei, sicherzustellen, dass die Behandlung beherrscht bleibt, ohne ein oberflächliches Anschmelzen oder eine Beeinträchtigung von Bereichen zu verursachen, die nicht beeinflusst werden dürfen.

Bei jeder dieser Anwendungen bleibt das Ziel dasselbe: frühzeitig eine zuverlässige Vorhersage zu erhalten, um den Prozess vor den ersten physischen Versuchen abzusichern.

Eine in die Prozessexpertise von IREPA LASER integrierte Simulation

Der Wert der Simulation beruht nicht allein auf dem numerischen Modell. Er hängt auch davon ab, wie gut sie den realen Prozess abbildet.

Deshalb kommt die Simulation bei IREPA LASER bereits in den ersten Phasen der Begleitung zum Einsatz – als Ergänzung zu unserer Expertise in Laserprozessen.

Unser Vorgehen stützt sich auf ein thermomechanisches Modell, das unter COMSOL Multiphysics® entwickelt wurde und insbesondere gespeist wird durch:

• die reale oder repräsentative Geometrie des Bauteils;
• die Werkstoffeigenschaften;
• die Randbedingungen;
• die industriellen Zielsetzungen;
• die Prozessparameter und -bedingungen.

Mit dem Modell lassen sich anschließend verschiedene Szenarien untersuchen und insbesondere Temperaturen und Verformungen vorhersagen.

Die Ergebnisse können dann die Wahl der Bahnen, die Auftragsreihenfolge oder die einzubringende Energie bestimmen, bevor physische Versuche durchgeführt werden.

Simulation und Experiment: zwei sich ergänzende Ansätze

Die Simulation ersetzt keine Versuche.

Im Gegenteil: Der Abgleich zwischen Simulation und Experiment steht im Mittelpunkt des Vorgehens.

Die numerischen Ergebnisse können mit den in Versuchen gewonnenen Messwerten verglichen werden, um die Aussagekraft des Modells zu überprüfen und es bei Bedarf zu verfeinern.

Diese experimentelle Kalibrierung verbessert schrittweise die Zuverlässigkeit der Vorhersagen und sichert den endgültigen Prozess ab.

Der von IREPA LASER entwickelte Ansatz kombiniert somit:

Modellierung → Simulation → Laserversuche → Messungen → Korrelation → Optimierung

Dank dieser Komplementarität kann die Simulation während der gesamten Entwicklung – von der Machbarkeitsstudie bis zur Industrialisierung – als echtes Entscheidungsinstrument eingesetzt werden.

Wenn die Simulation zu einer echten numerischen Versuchsplanung wird

Ein Beispiel zum Laserschweißen elektrischer Relais veranschaulicht diesen Ansatz konkret.

Ziel war es, an der metallischen Grenzfläche eine ausreichende Aufschmelzung zu erreichen und gleichzeitig die Temperatur der empfindlichen Randbereiche unter 150 °C zu halten.

Unter COMSOL Multiphysics ® wurde auf Basis der realen Geometrie der Baugruppe und ihrer thermophysikalischen Eigenschaften ein transientes thermisches Modell erstellt. Der Laserstrahl wurde als bewegte Wärmequelle abgebildet, die insbesondere Leistung, Vorschubgeschwindigkeit, Spotdurchmesser, effektive Absorption und Schweißbahn berücksichtigt.

Anschließend wurden mehrere Szenarien simuliert, um die Konfigurationen zu ermitteln, die gleichzeitig ermöglichen:

• ausreichend Energie zur Bildung der Naht einzubringen;
• die Temperatur der empfindlichen Bereiche zu begrenzen;
• die Wärmeakkumulation zu beherrschen;
• einen Sicherheitsabstand zum Grenzwert von 150 °C einzuhalten.

So konnten Konfigurationen, die zu einer unzureichenden Aufschmelzung oder einer übermäßigen Wärmeakkumulation führen könnten, bereits im Vorfeld ausgeschlossen werden.

Nach der Korrelation der numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Messungen wurden die Laserparameter in einem Drittel der üblichen Zeit validiert.

In diesem Fall übernahm die Simulation die Rolle einer numerischen Versuchsplanung und ermöglichte es, die physischen Versuche auf die relevantesten Konfigurationen zu konzentrieren.

Welche Vorteile ergeben sich für Industrieunternehmen?

Indem sie die Zahl der erforderlichen experimentellen Iterationen reduziert, trägt die Simulation dazu bei, den Entwicklungszyklus zu verkürzen und die entscheidenden Projektphasen abzusichern.

Sie ermöglicht insbesondere:

• die Zahl physischer Versuche zu verringern;
• Ausschuss und Materialverbrauch zu begrenzen;
• die benötigte Maschinenzeit zu reduzieren;
• Überhitzungen und Verformungen vorherzusehen;
• die Entwicklung kostspieliger oder empfindlicher Bauteile abzusichern;
• die Wahl der Parameter besser zu begründen;
• die Einrichtzeiten zu verkürzen;
• technische Entscheidungen schneller zu treffen;
• die im Prozess wirkenden physikalischen Phänomene besser zu verstehen.

In einem industriellen Umfeld, in dem Entwicklungszeiten und die Einhaltung von Meilensteinen entscheidend sind, ermöglicht es die frühere Verfügbarkeit zuverlässiger Daten, Iterationen zu reduzieren und den Übergang von der Studie zur Produktion zu beschleunigen.

Simulieren, um besser zu experimentieren

Die Simulation von Laserprozessen eröffnet somit eine neue Dimension in der Prozessentwicklung: Sie ermöglicht es, verschiedene Konfigurationen virtuell zu untersuchen, bevor sie an der realen Maschine erprobt werden.

Ihr eigentlicher Wert liegt jedoch in ihrer Einbindung in eine umfassende Prozessexpertise.

Bei IREPA LASER ergänzen sich Simulation und Experiment: Die Modellierung hilft, besser zu verstehen und zu steuern, während der Versuch es ermöglicht, zu messen, abzugleichen und zu validieren.

Dieser Ansatz ermöglicht es Industrieunternehmen, Unsicherheiten zu verringern, ihre Versuche gezielt auszurichten und ihre Laserprozesse schrittweise abzusichern – von der Machbarkeitsstudie bis zur Industrialisierung.

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