FEMTOLAS

Durch die Entwicklung der Femtosekundenlaser wurde eine neue Ära für die Lasermaterialbearbeitung eröffnet. Eine Vielzahl von Errungenschaften wurde in der Medizintechnik und Oberflächenbearbeitung erzielt. Die vielfach gekoppelten Phänomene, die beim Laserstrahlabtragen mit ultrakurzen Laserpulsen auftraten, erschwerten eine Prozessauslegung deutlich. Deshalb sollte ein dreidimensionales multiphysikalisches Simulationsmodell erstellt werden, das eine präzise Vorhersage der Prozessergebnisse bei der Materialbearbeitung mit FS-Lasern erlaubte.

 

Voraussetzung hierfür war ein umfassendes Verständnis der physikalischen Vorgänge bei Strahl-Stoff-Wechselwirkung sowie die Abbildung dieser Vorgänge in mathematischen Modellen. Bei der Entwicklung des Simulationsmodells sollte auf bereits am Institut entwickelte Modelle für die Lasermaterialbearbeitung zurückgegriffen werden. Die zugrunde liegende Software OpenFOAM wurde dabei modifiziert und erweitert. Dies ermöglichte es, das Laserstrahlabtragen erfolgreich bis zu 1ns-Pulsen zu simulieren. Im bestehenden Modell wurden bereits Phasenumwandlungen, Benetzung, Fluiddynamik, Strahlausbreitung usw. integriert. Um die Absorption ultrakurzer Laserpulse in Metallen abzubilden, sollte das sogenannte Zwei-Temperatur-Modell implementiert werden. Zusätzlich sollte die Gasphase mithilfe der kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen berechnet werden, um Schockwellen der explosionsartigen Verdampfungen erfassen zu können.

 

Die zeitliche und räumliche Multiskalenproblematik bei der Simulation von FS-Lasern führte durch feine zeitliche und räumliche Diskretisierung zu erheblichen Datenmengen. Deren Umfang erreicht kritische Größen für Speicherplatzbedarf und führt zu hohen Rechenzeiten.

 

Die Schüler/innen der Projektschulen sollten einerseits das wissenschaftliche Herangehen an eine Problemstellung kennenlernen und andererseits der Vorgehensweise folgend einen für diesen speziellen Anwendungsfall optimierten Kompressionsalgorithmus entwickeln, um diese Datenmengen unter Berücksichtigung von statistischen Nachbarschaftsbeziehungen zu reduzieren. Die zu entwickelnden Routinen wurden anschließend in die Simulation integriert.