Overzicht werkzaamheden laserlassen
Door Rowshni Jabeen
Het doel van de werktaken van IMT Lille Douai en ARMINES is de numerieke modellering van het lasertransmissie-lasproces (LTW) voor met vezels versterkte thermoplastische composieten van biologische oorsprong.
Van twee samengestelde delen die door LTW moeten worden gelast, moet de ene (semi-) transparant zijn voor lasertransmissie en de andere ondoorzichtig (absorberend) voor hetzelfde. Tijdens het lassen worden de twee delen tegen elkaar geklemd en wordt een laserstraal uitgezonden op het grensvlak van de twee delen, die door het transparante deel gaat (zie figuur 1). Bij het grensvlak wordt de laserenergie geabsorbeerd door het absorberende deel en wordt het materiaal lokaal verhit en gesmolten. De warmte wordt door geleiding naar het transparante deel overgedragen. Dit resulteert in een voeg na stollen. Materiaaleigenschappen, laserkarakteristieken en lastijd beïnvloeden de hechtsterkte van het grensvlak die wordt bepaald door het laserlasproces. Het semi-transparante deel dat in dit project wordt gebruikt, bevat korte vlasvezels (minder transparant voor lasertransmissie) die de laserstralen verstrooien, waardoor energieverlies het lasgrensvlak bereikt.
Het belangrijkste onderwerp bij de numerieke modellering van het LTW-proces is het voorspellen van het temperatuurveld op het lasgrensvlak, vooral na laserstraalverstrooiing en energieabsorptie in het semi-transparante deel. Daarom zijn de lasertransmissie en straalverstrooiing afhankelijk van de morfologie van vezels, zoals hun vorm, grootte, oriëntatie en volumefractie, evenals van de optische eigenschappen van vezels en matrix.
De morfologie van met vlasvezels versterkte thermoplastische composieten is geanalyseerd en er is een numeriek algoritme ontwikkeld om een periodiek Representative Volume Element (RVE) te genereren dat de microstructuur van het composietmateriaal vertegenwoordigt (zie figuren 2 en 3) met niet-overlappende insluitsels (dwz korte vezels) met behulp van MATLAB en COMSOL. Het ontwikkelde algoritme kan insluitsels genereren met elke regelmatige vorm. Een ander algoritme om de vezeloriëntatietoestand te beschrijven door middel van de vezeloriëntatietensor en oriëntatiedistributiefunctie is ontwikkeld en geverifieerd. De tensorgegevens van de vezeloriëntatie worden aangeleverd door de KU Leuven, gegenereerd uit spuitgietsimulatiesoftware MoldFlow.
De ontwikkelde microstructuur wordt gediscretiseerd in een numerieke mesh en ray tracing simulatie wordt uitgevoerd. Tijdens de ray tracing-simulatie wordt het pad van een straal gevolgd in de microstructuur op basis van de verhouding van de brekingsindex van de vezel en de matrix. Fig. 4 laat zien dat een laserstraal met een initiële straal van 1E3 m wordt verdeeld over het lasgrensvlak. Deze distributiegegevens worden gebruikt om warmteoverdrachtssimulaties uit te voeren op de lasinterface.
