Počítačové modelování tepelného namáhání skleněné tabule při gravírování laserem

Mgr. Tomáš ZOUBEK

Master's thesis

Abstract:

Počítačové modelování se v mnoha případech používá pro pochopení podstaty či chování fyzikálních jevů. V rámci této práce byl vytvořen trojrozměrný počítačový model skleněné tabule o rozměrech 25x30x4 mm (šířka x výška x tloušťka), na níž bylo pomocí procesu laserového gravírování vypáleno dvacet bodů, o poloměru 371,54 ?m. Rozteč mezi jednotlivými body byla 1,25 mm. Na tomto modelu byla realizována počítačová simulace tepelného namáhání při povrchové úpravě gravírováním pomocí laseru. Použitými vstupními parametry byly doba posunu laseru mezi jednotlivými body (0,5 s^(-1)), doba trvání laserového výboje (0,5 s^(-1)), výkon laseru (30 W), intenzita a hustota laseru na dané ploše (daná soustavou rovnic 5.6-5.11), koeficient tepelného toku skleněné tabule (5,7 Wm^(-2)K^(-1)) a funkce řídící spuštění laserového paprsku v konkrétních bodech a časech (rovnice 5.4 a 5.5). Simulace byla provedena pro dvě varianty, které se lišily pořadím vypalovaných bodů. Při první variantě byly body vypalovány chronologicky zleva doprava po jednotlivých řadách, kdežto u druhé varianty byly body vypáleny v pořadí 1, 3, 5, 11, 13, 15, 7, 9, 17, 19, 2, 4, 12, 14, 6, 8, 10, 16, 8 a 20. Druhá varianta se pro zkoumanou geometrii a daný materiál ukázalo jako optimálnější. Docházelo při ní k menšímu tepelnému namáhání, neboť bylo dosahováno nižších teplot při definovaném působení laserového paprsku a zároveň mezi jednotlivými procesy namáhající tatáž místa byly větší časové prodlevy.

Abstract:

Computer modelling is often used to understand the nature or behaviour of physical phenomena. In this work, a three-dimensional computer model was created from a 25x30x4 mm (width x height x thickness) glass plate on which twenty dots with a radius of 371.54 ?m were burned using a laser engraving process. The distance between the dots was 1.25 mm. A computer simulation of the thermal stress of the laser engraving process was carried out on this model. The input parameters used were the laser travel time between points (0,5 s^(-1)), the duration of the laser discharge (0,5 s^(-1)), the laser power (30 W), the laser intensity and the laser density over a given area (given by equation 11), the heat flux coefficient of the glass sheet (5,7 Wm^(-2)K^(-1)) and the function controlling the firing of the laser beam at specific points and times (equations 5.4 and 5.5). The simulation was carried out for two variants that differed in the order of the fired points. For the first variant, the points were fired chronologically from left to right in rows, whereas for the second variant the points were fired in the order 1, 3, 5, 11, 13, 15, 7, 9, 17, 19, 2, 4, 12, 14, 6, 8, 10, 16 and 20. The second variant proved to be more optimal for the geometry and material studied. It resulted in less thermal stress, as lower temperatures were achieved with a defined laser beam, and at the same time there was a greater time delay between processes stressing the same locations.

Keywords

Metoda konečných prvků, COMSOL Multiphysics, Přenos tepla, Počítačová simulace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 4. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Marie Šístková, CSc.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Agriculture and Technology

Master programme / field:
Agriculture Engineering / Agricultural and handling technology