< Terug naar vorige pagina

Project

Hybride laser-elektrochemische micro-bewerkingstechniek: Machine-ontwerp en procesonderzoek gebaseerd op simulaties en experimenten

Deze dissertatie stelt een nieuw gereedschaps-gebaseerd hybride laser-elektrochemisch (laser-ECM) microproductieproces voor dat gebruik maakt van de wisselwerking tussen de laser- en elektrochemische procesenergieën in éénzelfde bewerkings-as. Deze aanpak verhoogt de toepasbaarheid van beide processen, en compenseert en minimaliseert hun respectievelijke beperkingen. Het laser-ECM-proces combineert de kenmerken van zowel het jet-elektrochemisch bewerkingsproces (jet-ECM) als waterstraal-geleide laserprocessen, resulterend in een snelle en krachteloze procestechniek die in staat is moeilijk te snijden multi-materialen met geleidingsvariaties te bewerken. Bijkomende voordelen zijn het versnelde oplossen van het materiaal, het verzwakken van de oxidelaag en verbeterde oppervlaktekwaliteit. In het laser-ECM proces ondersteunt de laser de elektrochemische ontbinding, of verwijdert het materiaal, afhankelijk van de beschikbare laserenergieconcentratie op het werkstukoppervlak.

Om deze gereedschaps-gebaseerde hybride laser-ECM technologie experimenteel te realiseren werd een prototype hybride werktuigmachine ontwikkeld die gebruik maakt van een nanosecondepuls laser en een microsecondepuls spanningsbron voor precisie microbewerking. Voor deze nieuwe laser-ECM proces methode werd een hybride gereedschapsconcept uitgewerkt. Dit gereedschap vervult zowel de functie van ECM-elektrode als een multimodale golfgeleider voor de laser, en levert homogeen de laserenergie en het elektrolyt op het werkstukoppervlak, zonder de nood om de laser op het oppervlak te focussen.

Hierna werden experimentele onderzoeken op de procesmechanismes en wisselwerkingseffecten uitgevoerd met Inconel IN718 als werkstukmateriaal. Hieruit bleek dat hoewel de procesrespons zowel materiaal- als ECM parameterafhankelijk is, de eigenlijke laserpulsenergie die het werkstuk bereikt de belangrijkste factor in het bepalen van de oppervlaktekarakteristieken is. Bovendien beïnvloedt elektrolytdebiet zowel de materiaalverwijdering als de laserkoppeling in de gereedschapselektrode. Volgend uit experimentele resultaten wordt een materiaalverwijdering in de grootteorde van 0,6 mm³/min bereikt. Verder onthullen metallografische onderzoeken op de bewerkte oppervlakken de aanwezigheid van meerdere verwijderingsmechanismes, zoals laser-, laserondersteunde elektrochemische – en elektrochemische materiaalverwijdering, afhankelijk van de gebruikte laserpulsenergie.

Een multidisciplinaire simulatietechniek, die gebruik maakt van een globale modelleringsbenadering en waarbij het model verscheidene microscopische fysieke en elektrochemische fenomenen gerelateerd aan het nieuwe hybride laser-ECM proces nabootst, is voorgesteld. Dit model houdt rekening met verschillende fysische verschijnselen inherent aan het proces, waaronder elektrische stromen, fluïdumdynamica, de laserbron, waterstof- en zuurstofgasgeneratie en warmteoverdracht in vloeistoffen en vaste stoffen. Het model is bovendien in staat om de invloed van temperatuur op deze fysische verschijnselen vast te leggen. Materiaalverwijdering wordt gesimuleerd, en een automatische herdiscretisatie creëert nieuwe grenzen voor de volgende oplossingsstap na elke verwijdering. Dit model biedt ook inzicht in verscheidene fenomenen die plaatsvinden in de werkspleet. Deze fenomenen zijn typisch moeilijk experimenteel te karakteriseren, waardoor het model als een virtuele sensor kan optreden.

Bij het hybride laser-ECM proces is een hiërarchische holtestructuur in de bewerkte zone op te merken, waarbij de centrale regio overheersend is blootgesteld aan de laser-ECM interactie, terwijl de randen vooral door het elektrochemische proces worden bewerkt. Een gradiënt in de oppervlakteruwheid is dus aanwezig in de bewerkte holte, te verklaren door de toepassing van verschillende soorten en magnitudes van procesenergieën. Deze uiteenzetting stelt een methodologie en de resultaten van oppervlakteruwheidmetingen (Sa, Sz, Sq en Sdq) in verschillende zones in de holte voor. Om deze informatie te verwerken, werd Matlab® code geschreven voor het filteren en de extractie van de gewenste zones. Deze methodes worden in de tekst beschreven.

Realtime observaties van de werkspleet gedurende het laser-ECM proces werden uitgevoerd. Een combinatie van een hoge-snelheidscamera en Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) werd gebruikt om het nieuwe gereedschaps-gebaseerde hybride laser-ECM proces te visualiseren. Bovendien liet deze opstelling toe experimentele onderzoeken naar het bijproduct en bubbelgeneratie, wat qua nauwkeurigheid en efficiëntie een onmiddellijke invloed heeft op de procesuitvoering, uit te voeren.

Datum:7 jun 2016 →  9 okt 2020
Trefwoorden:Manufacturing, Micromachining
Disciplines:Controlesystemen, robotica en automatisatie, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechatronica en robotica, Computertheorie
Project type:PhD project