Wärmebehandlung, Härten
Der Laserstrahl ist ein ausgezeichnetes Werkzeug für Aufgaben der lokalen Wärmebehandlung oder Härtung, bei denen es auf hohe Präzision und niedrigen Energieeintrag ankommt. Die Berechnung von lasergenerierten Temperaturverteilungen, Wärmeeinflusszonen, Phasenumwandlungen und daraus resultierenden Härteänderungen mit FEM ist Stand der Technik. Schwieriger, aber wichtiger ist die schnelle Lösung inverser Probleme wie die Ermittlung derjenigen Prozessparameterwerte, die für ein gegebenes Bauteil ein bestimmtes Bearbeitungsergebnis liefern, und ihre Optimierung bezüglich verschiedener Zielstellungen (Einhärttiefe, Flächenrate usw.). Im IOF und IWS wird dieses Problem - abhängig von der Bauteilgeometrie - in mehreren Schritten gelöst.
Planparallele Platte und
rechtwinklige Kante
Für einfache Geometriemodelle enthält eine entwickelte
Datenbank die vorausberechneten Beziehungen zwischen
Prozessparametern und Bearbeitungsergebnissen beim
Laserstrahlhärten in normierter und damit werkstoffunabhängiger
Form. Das Softwaretool GEOPT wertet diese
Beziehungen in wenigen Zehntelsekunden mit Hilfe eines
Optimierungsalgorithmus aus und berücksichtigt dabei die
Eigenschaften des aktuellen Werkstoffs, wobei eine integrierte
Werkstoffdatenbank hilfreich ist. GEOPT kann
somit nicht nur die Behandlungsergebnisse voraussagen, die bei
bekannten Prozessparametern zu erwarten sind, sondern umgekehrt
auch die zur Erzielung eines bestimmten Bearbeitungsergebnisses
notwendigen Prozessparameterwerte bestimmen sowie
Prozessparametersätze bzgl. bestimmter Zielstellungen unter
Einhaltung vorzugebender Nebenbedingungen optimieren (z.B.
Erzielung der maximalen Härtespurbreite bei gegebener
Laserleistung unter Einhaltung von Mindestwerten der
Einhärttiefe und Härte). Darüber hinaus kann
GEOPT dazu verwendet werden, Zusammenhänge
zwischen den gespeicherten Größen grafisch
darstellen:
Abb.1: Mit GEOPT für den Stahl C45 berechnete charakteristische Kenngrößen beim Laserstrahlhärten als Funktionen des Abstandes des Strahlzentrums von einer rechtwinkligen Kante (bei konstanten Werten von Laserleistung, Strahlradius und Vorschubgeschwindigkeit)
Kontakt:
Dr. Dietrich Lepski
Tel.: +49 (0) 351 463 31993
PrOFeT - System zur Simulation der Wärmeverteilung oder
zur Optimierung der Prozessgeschwindigkeit für das Härten von
Kurvenscheiben
Häufig wird von Anwendern des Laserstrahlhärtens
eine konstante Härtetiefe gewünscht. Die optimale
Oberflächentemperatur für den Prozess ist durch den Werkstoff
gegeben und wird üblicherweise von einem Regler während des
Prozesses konstant gehalten. Das IWS und das IOF haben dazu das
Produkt »LompocPro« entwickelt. Wenn die Strahlfleckgröße des
Lasers durch die verwendet Optik vorgegeben ist, bleibt als zu
optimierende Größe die Vorschubgeschwindigkeit. Hat man lokal
unterschiedliche Wärmeableitungsbedingungen, kann man eine
konstante Härtetiefe erreichen, indem man die
Vorschubgeschwindigkeit lokal anpasst. Eine Simulations- und
Optimierungssoftware, die dies für den zweidimensionalen Fall,
wie er zum Beispiel beim Härten von Kurvenscheiben
näherungsweise vorliegt, leistet ist das Produkt
»PrOFeT«. Mit der Methode der finiten
Differenzen wird ausreichend genau und sehr schnell die
zeitabhängige Wärmeverteilung im Bauteil errechnet und eine
Optimierung, z.B. mit dem Ziel einer konstanten Härtetiefe,
kann durchgeführt werden. Dabei werden Werkstoffdaten und die
Leistungsverteilung im Laserstrahlfleck berücksichtigt.
Bedienoberfläche von PrOFeT:
- Beispielquerschnitt
- Eigenschaften des Bauteils wie aktuelle Temperatur,
Maximaltemperatur, Härtezone
- grafische Darstellung derDaten
- Start
- Start Optimierung
- Einstellungen, z.B. Werkstoffdaten
Musterteil
- berechnete tγ (Zeit oberhalb
TAC1)
- simulierte Temperaturregelung
- konstante Vorschubgeschwindigkeit
Musterteil
- berechnete tγ (Zeit oberhalb
TAC1)
- simulierte Temperaturregelung
- Vorschubgeschwindigkeit optimiert mit
PrOFeT
Musterteil
- Querschliff nach Härteprozess
- Oberflächentemperatur konstant geregelt
- Vorschubgeschwindigkeit optimiert mit
PrOFeT