مدل‌سازی فرآیند برش لیزر (Laser Cutting)

برش‌های لیزری از یک پرتوی لیزر نازک و متمرکز برای سوراخ کردن و برش مواد با الگوها و هندسه‌های مشخص استفاده می‌کنند.

تکنولوژی برش لیزر، یکی از ابزارهای پرکاربرد در فرآیند برشکاری قطعات است که عمدتا توسط مهندسان، طراحان و هنرمندان برای برش و حکاکی مواد، در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، هوافضا، الکترونیک، نیمه‌رساناها و پزشکی استفاده می‌شود.  ناحیه موثر حرارتی در این روش بسیار کوچک است و سطحی از قطعه که تحت تاثیر پرتو لیزر قرار می‌گیرد، به علت بالا بودن دما در آن نقطه، ذوب یا تصعید می‌شود و به علت فشار گاز حاصل، از روی قطعه پاک می‌شود. برش لیزر در واقع یک نوع دستگاه CNC است و کنترل آن از طریق کامپیوتر انجام می‌شود. به طور کلی، انتقال انرژی از پرتو لیزر به ماده از دو طریق انجام می‌شود: در توان‌های کم، انرژی پرتو لیزر در یک منطقه سطحی از مواد (ضخامت کمتر از۲-۱۰ mm) جذب می‌شود و گرما از طریق هدایت به مواد انتقال می‌یابد. در توان‌های بالایی که مواد تبخیر می‌شوند (برای مثال توان‌های بزرگتر از ۱۰ MW/cm۲)، یک ستون بخار توسط مواد ذوب شده احاطه می‌شود و انرژی از طریق کل ضخامت قطعه‌کار جذب می‌شود و بسیار کارآمدتر از مکانیزم انتقال حرارت هدایتی است.

در میان تکنیک‌های غیر متداول پردازش، برش لیزر به عنوان ابزاری موثر در ماشین‌کاری فلزات شناخته می‌شود. در این روش، سطوح برش‌خورده کیفیت بالایی دارند و هیچ نیرویی روی قطعه کار ایجاد نمی‌شود. همه این جنبه‌ها بیانگر استفاده جالب از این فناوری برای مواد کامپوزیتی است. با این حال، واکنش کامپوزیت‌ها در برابر تابش لیزر با فلزات بسیار متفاوت است. قطعات کامپوزیتی معمولا در شکل نهایی خود ساخته می‌شوند تا عملیات ماشین‌کاری به حداقل برسد. در حقیقت عملیات ماشین‌کاری مواد کامپوزیتی با ابزارهای معمول، به دلیل ویژگی‌های خاص این مواد از جمله ناهمگنی، ناهمسانگردی و قابلیت هدایت حرارتی، نیازمند تنظیمات ویژه و بهینه‌سازی دقیق پارامترهای ماشین‌کاری است. ویژگی‌هایی از جمله برشهای واضح، عدم نیاز به چسب و مواد تثبیت کننده، پردازش بدون تماس و بدون تنش، عدم نیاز به آماده‌سازی ابزار یا تغییر ابزار، استفاده از برش لیزر در قطعات کامپوزیتی را نیز مورد توجه قرار داده است.

مشاهدات نشان می‌دهند که عملکرد برش و کیفیت لبه‌ها به شدت تحت تاثیر خصوصیات حرارتی کامپوزیت و ساختار ماده قرار دارد. تاثیرات پرتو لیزر روی مواد به طور کلی وابسته به چگالی توان، طول موج انتشار، زمان برهم‌کنش و قطبش پرتو است. خواص حرارتی مواد کامپوزیتی به گونه‌ای است که فرآیند نفوذ عمیق در توان‌های بسیار کمتری نسبت به فلزات (۱۰۰-۱۰۰۰ MW/cm۲) رخ می‌دهد. به طور کلی، انرژی مورد نیاز برای تبخیر الیاف بیشتر از تبخیر ماتریس است. بنابراین قدرت لیزر مورد نیاز برای برش کامپوزیت‌ها و مکانیزم تولید ستون بخار به شدت به نوع الیاف و کسر حجمی آنها بستگی خواهد داشت. ناهمسانگردی معمولا، شیب‌های حرارتی مختلفی را در داخل لایه‌ها با جهت‌گیری‌های مختلف ایجاد می‌کند وسبب تغییر غیریکنواخت لایه‌ها می‌شود که ماهیت این تغییرات هم به پارامترهای برش و هم به خصوصیات مواد بستگی خواهد داشت. امکان شیبه‌سازی فرآیند برش لیزر در نرم‌افزارهای اجزا محدود، شرایط بهینه‌سازی پارامترهای برش و پیش‌بینی خطاهای احتمالی در حین آزمایش را فراهم می‌کند و سبب صرفه‌جویی در زمان و کاهش هزینه‌ها می‌شود. نرم‌افزار تجاری ANSYS از جمله نرم‌افزارهای اجزا محدود است که به طور گسترده در زمینه‌های مختلف مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای شبیه‌سازی فرآیند برش لیزر در ANSYS، توزیع انرژی پرتو لیزر روی ماده، با استفاده از توابع ریاضیاتی مدل‌سازی می‌شود. مکان منبع حرارت در برش لیزر با زمان متفاوت است و با سرعت مشخصی در طول قطعه حرکت می‌کند. جریان حرارتی پرتو لیزر به سطح قطعه اعمال شده و دمای ماده به تدریج افزایش می‌یابد. در واقع، دمای هر نقطه وابسته به خواص حرارتی ماده و ناحیه موثر حرارتی پرتو لیزر است. در نهایت، فرآیند حذف ماده از روی قطعه بر اثر افزایش دما، شبیه‌سازی می‌شود. در این شبیه‌سازی می‌توان تاثیر پارامترهای مهم از جمله توزیع حرارتی و سرعت حرکت پرتو لیزر، چیدمان و درصد حجمی الیاف بر نتیجه نهایی را مورد بررسی قرار داد.

کلمات کلیدی: نرم‌افزار انسیس ورک‌بنچ، تحلیل حرارتی گذرا، برش لیزر، تولد و مرگ المان

Keywords: ANSYS Workbench, Transient Thermal Analysis, Laser Cutting, Element Birth & death

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

این فیلد را پر کنید
این فیلد را پر کنید
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.
شما برای ادامه باید با شرایط موافقت کنید