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Hallo Cad.de Mitglieder,
Ich soll im Rahmen meines Praxissemster die max. mögliche Temperatur von einem Laserstrahl simulieren.
Also, ich habe einen Strahl mit einem Durchmesser von 25µm. Das Modell ist ein einfacher Quader mit Abmaßen von 4x4x3mm.
Das ganze soll für verschiedene Materialien simuliert werden. Edelstahl, Kupfer, Silizium, PMMA und Al2O3. Bis auf Kupfer ist keines dieser Materialien standardmäßig in der von mir verwendeten Studentenversion von Ansys 7.1 Workbench enthalten.
Deshalb habe ich mir neue Materialdateien angelegt.
Als Ergebniss kommen immer Temperaturwerte heraus, die wesentlich zu groß sind. So zwischen 51000 und 75000°C. Das kann nicht stimmen.
Dieser offensichtliche Fehler tritt auch bei den bereits in Ansys vorhanden Materialdaten auf, abgesehen von Kupfer.
Die hohen Temperaturen entstehen durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, habe ich festgestellt. Es muss also irgendwo anders der Fehler liegen.
Kennt jemand so ein Problem. Kann mir jemand helfen?

Danke
smm
 

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Hallo,
ich selbst hab mit Temperaturproblemen bis jetzt recht wenig zu tun, trotzdem kann ich vieleicht ein paar Denkanstöße geben:
Ist der Laser gepulst (ist die Regel), so sollte auf jeden Fall der Zeitfaktor beachtet werden, oft sind die Pulslängen nur wenige ms. Innerhalb eines Laserpulses wird eine große Energiemenge auf eine sehr lokale Stelle des Materials eingebracht, dadurch erwärmt sich diese Stelle sehr stark innerhalb kurzer Zeit (Dauer des Pulses). Ist die Energie ausreichend, verdampft das Material schlagartig, während die Peripherie völlig unbeeindruckt bleibt (thermische Trägheit, keine nenneswerte Temperaturerhöhung). Dadurch ist es z.b möglich Materialschohnend zu gravieren.
Deine lokale Erwärmung erfolgt auf einem Punkt mit Durchmesser 25µ, während dein Klotz im Verhältnis dazu 4 x 4 x3 mm ! ist, meiner Meinung nach sollte hier, auch schön aus Gründen der Modellgröße, die Relationen angepasst werden.
Dein Klotzmaterial rechnet stur jegliche Temperaturen mit, d.h. obwohl Kupfer bei 75000°c schon längst verdampft ist, kümmert sich dein FEM-Modell nicht im geringsten darum. Daher würde ich dein Problem nicht am Material festmachen.
Für das Temperaturverhalten deines Materials gegenüber des Strahls ist vor allem die Absorptions und Reflexionsfähigkeit, d.h. wieviel Energie wird aufgenommen, entscheidend. Vergleiche PMMA (transparenter Kunststoff) mit Kupfer.
Vieleicht könntest Du deine Aufgabe und dein Modell etwas genauer erläutern um die Wärme-Gurus dieses Boardes zu fordern ;-) .
Gruß
Frank

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Mit Humor geht alles besser.......

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@Zapfonator: Ein paar gute Gedanken.

Ich habe vereinfachende Annahmen getroffen:
30W durchschnittliche Laserleistung. Also quasikontinuierlicher Laser.
Desweiteren nehme ich eine 100%ige Energiebasorbtion seitens des Materials an. Ich will eine statische Analyse mit der Annahme es würde nichts schmelzen oder verdampfen.
Das Ziel ist eine grobe Abschätzung der maximal möglichen Temperatur nach dem Einstellen des Gleichgewichtszustandes.

Am Ende will ich dann alles mittles eines Pyrometers vergleichen.

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welche Materialdaten ergeben den sinnvolle Werte, nur Kupfer unter Workbench - oder keiner der verfuegbaren Werkstoffe?

Bereitgestellte Stoffwerte in Workbench 71 sind als MKS Daten (SI auf Laengendimension Meter bezogen) verfuegbar.
Die unter ANSYS 'Classic' wahlweise in MKS und englischen Einheitensystemen.

Generell gilt - wenn das Model keine Moeglichkeit hat ueber Randbedingungen Waerme abzufuehren, wird sich eine zeitlich
unbefristete Waermezufuhr darin aeussern, dass die Koerpertemperatur gegen unendlich geht.

D.h. Waermeabfuhrmoeglichkeit ins Model einbauen. Konvektions/Radiations- o.ae. Oberflaechen-
Randbedingung definieren die dies ermoeglichen/simulieren, und ggf ANTYPE,4 verwenden.

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Gruss,
Frank Exius
IFE Deutschland
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unklar ist - ob Strahl auf eine Stelle gerichtet bleibt, oder ob 
Schneidvorgang (oder Grafur wie von Zapfonator genannt) d.h. ein
bewegter Strahl betrachtet wird.

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Frank Exius
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Der Strahl ist ortsfest und als Randbedingung wird die Unterseite des Werkstücks mit 20°C definiert.
Welche Werkstoffe wirklich den richtigen Wert ergeben kann ich mangels realer Versuche leider nicht sagen. Aber Kupfer und Silizium scheinen zu stimmen. Obwohl die Temperatur nur von der Wärmeleitfähigkeit abhängt. D.h. sinkt die Leitfähigkeit, steigt die Temperatur.
Kann es sein, da ich ja die Schmelz- undVerdampfungsenergie nicht mit betrachte, dass dadurch die Temperatur falsch berechnet (in diesem Fall besser gesagt: Žrichtig berechnet` wird)?

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Zwei Dinge sind unendlich. Das Universum und die Dummheit der Menschen. Aber beim Universum bin ich mir nicht sicher.
Albert Einstein

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Stoffwerte - einfach mit Physikbuchwerten vergleichen.

Randbedingung - eine feste Temperatur am Rand zu erzwingen ist hier, als wuerde man eine 'geregelte Kuehl/Heizeinrichtung' an diesem Ort plazieren. Wenn Laser Hitze zufuehrt steigt allg. T im Model, muss u.a. Rand fester Temperatur diese abfuehren um T zu halten, muss 'kuehlen' - mehr Waerme(ab)fluss. Wenn Hitze durch Laser 'entzogen' wuerde fiele T allg. es muesste u.a. an T Randbedingung Hitze zugefuehrt, 'geheizt' werden, um die aufgezwungene Temperatur zu halten. Wenn ueberhaupt Randbedingung (siehe Bemerkung Zapfonator - thermische Traegheit und Abstaende Waermequelle zum Rand) dann besser Konvektion (bei entsprechendem Temperaturlevel auch Radiation relevant).

Schmelz/Verdampfungswaerme - die latente Waerme zur Umwandlung fest/fluessig/gasfoermig kann als Stoffwert mittels MPTEMP und MPDATA,ENTH (statt C fuer spez.Waereme) ueber der Temperatur definiert werden. Uebergang fest/fluessig kann dabei noch halbwegs sinnvoll bestimmt, dargestellt/sichtbar gemacht werden (Indikator Schmelztemperatur in /POST als Auswertekriterium). Fluessig/gasfoermig entsprechend als Fortsetzung des Vorgangs, man kann dabei etwa sagen ob/wo/wann Verdampfungs/Siedetemperatur erreicht wird, darueber hinaus geht erst einmal nichts mehr - die Materialverdampfung ( von Zapfonator angesprochen, d.h. Material- und Waermetransport) als Stroemungsvorgang ist so nicht erfasst. Ob bis hier Waermezufuhr Strahl ueber die drei Aggregatzustaende quantitativ vergleichbar bleibt/ist, ist zu investigieren.

Stationaer - Nein. Instationaerer Vorgang, transient rechnen um Aussagen zu finden.

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Gruss,
Frank Exius
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