Transient, three-dimensional numerical model of laser cutting processes in ceramics with phase change consideration

Abstract

Physical problems involving moving heat sources can be encountered in many industrial applications during material processing, including cutting, drilling, welding, heat treatment, and surface alloying, to name a few. Among the fast growing techniques, it is worth mentioning the significant role that lasers have been recently playing. Evaporative cutting by means of a laser source is utilized in several manufacturing and material processing applications. Modeling an evaporative cutting process is computationally challenging since it requires solving the heat conduction equation together with a number of considerations: the necessary conditions to produce material vaporization, continuous variation of the heat source position, changes in thermophysical properties of material with temperature and physical shape of the domain. This research presents a numerical simulation of the temperature field and the removed material resulting from the impingement of a moving laser beam on a ceramic surface. A finite volume approach has been developed to predict the temperature field including phase changes generated during the process. The model considers heat losses by convection and radiation due to the high temperatures involved and uses a coordinate system affixed to the workpiece; therefore, contrary to most previous works, no quasisteady state conditions are assumed. Numerical predictions were compared with former three-dimensional numerical models considering a semi-infinite solid, with experimental data found in the literature and with analytical solutions for particular and simplified cases. This study gives insight into the interactions between the laser beam and a silicon nitride workpiece during the cutting process, being the most important feature the proper combination of power-velocity of the heat source to obtain the desired groove depth.

Se encuentran problemas físicos que involucran fuentes móviles de calor en numerosas aplicaciones industriales durante el procesamiento de materiales incluyendo corte, taladrado, soldadura, tratamientos térmicos y aleaciones superficiales, sólo por mencionar algunas. Entre las técnicas de mayor crecimiento, es importante mencionar el papel significativo que los lasers han estado desempeñando últimamente. El corte por evaporación del material a través de una fuente láser es utilizado en varias aplicaciones tanto en manufactura como en procesamiento de materiales. La modelación de un proceso de corte por evaporación es computacionalmente muy desafiante ya que es necesario resolver la ecuación de conducción de calor junto a un número de consideraciones: las condiciones necesarias para producir la ablación del material, la variación continua de la posición de la fuente de calor, cambios en las propiedades termofísicas del material con la temperatura y de la forma física del dominio. Esta investigación presenta una simulación numérica del campo de temperaturas y del material removido por la acción de un haz de láser móvil sobre una superficie cerámica. Se desarrolló un modelo de volumen finito a fin de predecir el campo de temperaturas incluyendo los cambios de fase producidos durante el proceso. El modelo considera las pérdidas de calor por convección y radiación debido a las altas temperaturas involucradas y usa un sistema de coordenadas fijo a la pieza; por lo tanto, contrario a la mayoría de los trabajos previos, no se consideran condiciones casi estacionarias. Las predicciones numéricas se compararon con modelos numéricos tridimensionales anteriores que consideran un sólido semi-infinito, con datos experimentales encontrados en la literatura y con soluciones analíticas para casos particulares y simplificados. Este estudio brinda una idea general de las interacciones entre el haz de láser y una pieza de nitruro de silicio durante el proceso de corte, siendo la característica más importante la adecuada combinación de potencia y velocidad de la fuente de calor para obtener la profundidad deseada de la ranura.