Simulation und Modellierung

Die Simulation von Fertigungsprozessen ist in den letzten Jahren zu einem immer wichtigeren Werkzeug für Wissenschaft und Industrie geworden. Im wissenschaftlichen Bereich dient sie heute insbesondere dazu, ein verbessertes Verständnis der Vorgänge während eines Prozesses zu erarbeiten, da sie es erlaubt, den Einfluss einzelner Parameter gezielt zu analysieren. Im industriellen Umfeld hingegen werden Simulationen vor allem zur Planung, Auslegung und Optimierung von Fertigungsprozessen eingesetzt.

Die Abteilung „Simulation und Modellierung“ am Lehrstuhl für Photonische Technologien entwickelt Werkzeuge für die Simulation von Lasermaterialbearbeitungsprozessen, die sowohl im wissenschaftlichen als auch im industriellen Umfeld genutzt werden können. Das Kernstück der Gruppe bildet dabei ein innerhalb der letzten Jahre stetig weiterentwickeltes Prozessmodell, das unabhängig vom jeweils zu simulierenden Prozess lediglich auf der Basis der Materialkennwerte, der verwendeten Prozessparameter und der den Prozess beeinflussenden physikalischen Gleichungen den Prozess abbildet. So kann das Modell nicht nur Bearbeitungsergebnisse vorhersagen, sondern auch Größen, die experimentell nicht zugänglich sind, wie Temperaturen und Drücke im Material bzw. Dampf, Geschwindigkeiten im Schmelzbad und ortsaufgelöste Leistungsbilanzen. Voraussetzung hierfür ist ein tiefgreifendes Verständnis der physikalischen Vorgänge bei der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Materie sowie die Abbildung dieser Vorgänge in mathematischen Modellen und deren numerische Umsetzung.

Im Bereich der Additiven Fertigung spielen neben der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Material sowie der Schmelzbaddynamik auch äußere Einflüsse wie die Schutzgasströmung oder das Pulverbett eine Rolle. Um diese Einflüsse abbilden und untersuchen zu können wurde eine Kette von Simulationswerkzeugen entwickelt, die es erlaubt erlaubt den Prozess vom Pulverauftrag bis hin zum gesamten Bauteil zu untersuchen.

Weitere aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit fluiddynamischen und thermodynamischen Effekten des Laserstrahlschweißens mit Strahloszillation und der Ablation mit zeitlich geformten kurzen Laserpulsen. Darüber hinaus bildet die Betrachtung der Strahlausbreitung und der Strahl-Stoff-Wechselwirkung bei der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen einen weiteren Schwerpunkt in der wissenschaftlichen Arbeit der Gruppe. Vorangegangene Projekte haben sich unter anderem mit dem thermomechanischen und fluiddynamischen Vorgängen beim Laserstrahlschweißen, dem Laserstrahlschweißen verzinkter Stahlbleche, dem gasunterstützten Laserstrahlschneiden, und dem Elektronenstrahlbohren beschäftigt.

Ansprechpartner: Markus Döring, M.Sc.