Simulation der Materialdampfexpansion

Zusammenfassung

Nach bisherigem Prozeßverständnis führt die Expansion des Materialdampfs zu einer Kompression des umgebenden Gases und zur Bildung einer Stoßfront, die ungestörtes Umgebungsgas vom komprimierten Gas trennt. Eine weitere Unstetigkeitsfläche befindet sich zwischen dem Materialdampf und dem komprimierten Umgebungsgas, die als Kontaktfront bezeichnet wird. Zur Veranschaulichung der Lage der beiden Unstetigkeitsflächen zueinander ist in Abb. 4.1 eine Skizze dargestellt, welche auch andere physikalische Gegebenheiten und auftretende Phänomene bei der laserinduzierten Expansion aufzeigt. Die Grenzfläche zwischen dem flüssigen Material und dem Materialdampf wird als Verdampfungsfront bezeichnet. Oberhalb der Verdampfungsfront existiert eine als Knudsenschicht bezeichnete Zone, in der das im thermischen Nichtgleichgewicht befindliche abdampfende Material innerhalb einiger freier Weglängen in ein Translationsgleichgewicht überführt wird, sobald der Dampfdruck größer wird als der Umgebungsdruck. Diese Schicht stellt eine Verbindung zwischen dem abdampfenden Material und den gas- und thermodynamischen Gegebenheiten oberhalb der Knudsenschicht her, wie z.B. die Dampftemperatur T _g in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur T _L . Aufgrund der Expansion kommt es zu einer Abkühlung und damit zu einer Übersättigung des Dampfes, so daß ein Kon­densationsprozeß einsetzen kann Die entstehenden Cluster können die Laserstrahlung absorbieren und streuen. Des weiteren liegen im heißen Materialdampf freie Elektronen vor, die mit dem Strahlungsfeld des Lasers wechselwirken. Diese Wechselwirkungsprozes­se führen dazu, daß die einfallende Laserstrahlung zum Teil von der Werkstückoberfläche abgeschirmt und die Prozeßeffektivität herabgesetzt wird.