Αναλυτική περιγραφή

Η μελέτη των αλληλεπιδράσεων laser-ύλης αποτελεί θεμελιώδες ερευνητικό αντικείμενο με κρίσιμες εφαρμογές σε αεροδιαστημική, αυτοκινητοβιομηχανία και ηλεκτρονική για λειτουργική δόμηση επιφανειών και μικρο-κατεργασία ακριβείας. Η ερευνητική μας ομάδα αναπτύσσει και εφαρμόζει ολοκληρωμένη μεθοδολογία συνδυάζοντας πειράματα υψηλής ακρίβειας και προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα για τη μελέτη θερμομηχανικών φαινομένων.

Πειραματική Προσέγγιση

Χρησιμοποιούμε σύστημα laser συνεχούς κύματος (CW) υψηλής ισχύος (TRUMPF TruFiber 2000 P compact, 2 kW, 1075 nm) ενσωματωμένο σε CNC μηχανή 3 αξόνων. Για μελέτες παλμικού laser χρησιμοποιείται πηγή 6 ns στα 532 nm. Αναπτύξαμε πολυ-διαγνωστικές τεχνικές:

• Θερμική απεικόνιση (Optris PI-1M): Παρακολούθηση κατανομής θερμοκρασίας
• Θερμοστοιχεία (K-type): Τοπικές μετρήσεις θερμοκρασίας σε αποστάσεις 0.5-2 mm
• Συμβολομετρία λευκού φωτός (WLI): Χαρακτηρισμός επιφανειακής τοπογραφίας με ανάλυση nm
• Αισθητήρες παραμόρφωσης: Μέτρηση παραμόρφωσης επιφάνειας σε πραγματικό χρόνο

Υπολογιστική Προσέγγιση

Αναπτύσσουμε προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα για CW και παλμικά laser:

Τρισδιάστατο συζευγμένο θερμο-μηχανικό μοντέλο FEM που προσομοιώνει:

• Εξίσωση θερμικής αγωγιμότητας με κινούμενη πηγή θερμότητας Gaussian

• Μηχανική εξίσωση κίνησης με σύζευξη θερμικών τάσεων

• Καταστατικό μοντέλο για ελαστοπλαστική συμπεριφορά

• Μοντέλο θραύσης για αφαίρεση υλικού

• Θερμοεξαρτώμενες ιδιότητες υλικών

Εφαρμογές και Βασικά Ευρήματα

Κατεργασία με Laser CW:

Για το κράμα Al 1050 H14:

• Marking (200 W, 1200 mm/min): Μέγιστη θερμοκρασία ~600°C (κάτω από το σημείο τήξης), πλαστική παραμόρφωση 0,023, επιφανειακή μετατόπιση 0,25 μm

• Χάραξη (200 W, 75 mm/min): Θερμοκρασία υπερβαίνει τους 660°C, βάθος αυλακιού 10-20 μm, πλάτος 250 μm

• Κοπή (450-1000 W): Πλάτος τομής ~300 μm για φύλλα πάχους 1 mm

Μικρο-Κατεργασία με Παλμικό Laser

• Κατώφλι ροής ενέργειας για τήξη: 1,5 J/cm² για Al 6061

• Η υποκλιμακούμενη μοντελοποίηση FEM με προσέγγιση τραχύτητας βαθμιδωτής μορφής επιτρέπει τον ακριβή εντοπισμό ζωνών θραύσης

• Η τραχύτητα επιφάνειας επηρεάζει την απορροφητικότητα· τραχύτητα μεγαλύτερη από το μήκος κύματος του laser ενισχύει την απορρόφηση

Χαρακτηρισμός Θερμικά Επηρεαζόμενης Ζώνης (HAZ)

Για χάλυβα AISI H13, AISI 1045 και κράμα Ti6Al4V:

• Πλαστική περιοχή: Μέγιστη θερμοκρασία 980°C, πλάτος HAZ 120 μm, βάθος 50 μm

• Περιοχή τήξης: Μέγιστη θερμοκρασία 1476°C, πλάτος HAZ 170 μm, βάθος 70 μm

• Η τραχύτητα επιφάνειας μειώνεται μετά την ακτινοβόληση με laser στην πλαστική περιοχή

Κατεργασία με Υποβοήθηση Laser (LAM)

Για χάλυβα AISI H13:

• Μείωση δύναμης κοπής έως 7,7%, μείωση thrust δύναμης έως 15%

• Βέλτιστη θερμοκρασία για μείωση αντοχής: 850-900°C σε απόσταση 1 mm από το εργαλείο κοπής

• Βελτιωμένος σχηματισμός ρινισμάτων και ποιότητα επιφάνειας σε σύγκριση με συμβατική κατεργασία

Παραδείγματα