TooLAM - Thermomechanische Modellierung eines laserunterstützten Fräsprozesses

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