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2021 | OriginalPaper | Chapter

Modellierung und Evaluation thermischer Effekte für die laserbasierte Additive Fertigung von funktionalen Glaswellenleitern

Authors : Tobias Grabe, Katharina Rettschlag, Song Wang, Roland Lachmayer

Published in: Konstruktion für die Additive Fertigung 2020

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

In weitreichenden Einsatzgebieten der Hochleistungslasertechnik werden Quarzglasfasern aufgrund ihrer hohen optischen Leitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit eingesetzt.

Beim Laser Glass Deposition Prozess (LGD) werden mit einem CO₂-Laser lokal Temperaturen von über 1500 °C ins Glas eingebracht. Dieses Verfahren ermöglicht die additive Fertigung und das Rapid Prototyping von Glas durch das Anschmelzen und schichtweise Ablegen von Fasern. Die Forschung und Entwicklung des LGD-Prozesses ist derzeit in einem frühen Stadium, wodurch die Temperaturfelder, die während des Herstellungsprozesses im Glas entstehen, weitgehend unbekannt sind. Die lokalen Verarbeitungstemperaturen und Temperaturgradienten haben jedoch großen Einfluss auf die Fertigungsqualität.

Im Rahmen dieses Beitrages wird ein Simulationsmodell zur Beschreibung der thermischen Vorgänge in einer Glasfaser während des Fertigungsprozesses erstellt und auf Basis von experimentellen Daten evaluiert. Ziel ist die Vorhersage der lokal auftretenden Prozesstemperaturen unter Berücksichtigung der temperatur-abhängigen Absorption der Laserstrahlung im Glasvolumen. Basierend auf diesem Simulationsmodell werden Fertigungsparameter wie die Leistung des Lasers und die Materialzufuhr rechnerisch evaluiert.

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Heinrich, A., Rank, M.: 3D Printing Of Optics. SPIE, Bellingham (2018)CrossRef

Lachmayer, R., Bode, B., Grabe, T., Rettschlag, K.: Integration spezifischer Effekte in Strukturbauteilen mittels Additiver Fertigungsverfahren. In: Lachmayer, R., Rettschlag, K., Kaierle, S. (Hrsg.) Konstruktion für die Additive Fertigung 2019, S. 1–10. Springer Vieweg, Berlin/Heidelberg (2020)CrossRef

VDI Gesellschaft Produktion und Logistik: VDI 3405-Additive manufacturing processes, rapid manufacturing – basics, definitions, processes. VDI Handbuch, Berlin (2014)

Grabe, T., Li, Y., Krauss, H., Wolf, A., Wu, J., Yao, C., Wang, Q., Lachmayer, R., Ren, W.: Freeform optics design for Raman spectroscopy. In: Soskind, Y., Busse, L.E. (Hrsg.) Photonic Instrumentation Engineering VII. Photonic Instrumentation Engineering VII. SPIE, San Francisco (2020). https://doi.org/10.1117/12.2544708CrossRef

Grabe, T., Biermann, T., Bayerl, M., Lachmayer, R.: Anisotropic characteristics analysis of 3D-printed optical components. In: DGaO-Proceedings 2020. Bremen (2020). ISSN: 1614-8436

Biermann, T., Grabe, T., Ley, P.-P., Lachmayer, R.: Potentials and challenges of additive manufacturing using highly transparent silicone materials. In: DGaO Proceedings 2020. Bremen (2020). ISSN: 1614-8436

Witzendorff, P., Pohl, L., Suttmann, O., Heinrich, P., Heinrich, A., Zander, J., Bragard, H., Kaierle, S., et al.: Additive manufacturing of glass: CO2-laser glass deposition printing. Proc. CIRP. (2018). https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.109

Rettschlag, K., Kranert, F., Hohnholz, A., Wienke, A., Suttmann, O., Neumann, J., Kracht, D., Lachmayer, R.: Laser deposition of fused silica coreless fibers to generate functional waveguides. In: Lasers in Manufacturing Conference 2019. München (2019)

Kranert, F., Rettschlag, K., Wienke, A., Hohnholz, A., Neumann, J., Jäschke, P., Kracht, D., Lachmayer, R.: Generation of functional curved waveguides by CO2-laser based deposition of coreless fused silica fibers. SPIE Photonics Europe. (2020). https://doi.org/10.1117/12.2554516

10.

Luo, J., Gilbert, L.J., Qu, C., Landers, R.G., Bristow, D.A., Kinzel, E.C.: Additive manufacturing of transparent soda-lime glass using a filament-fed process. J. Manuf. Sci. Eng. (2017). https://doi.org/10.1115/1.4035182

11.

Kotz, F., Arnold, K., Bauer, W., Schild, D., Keller, N., Sachsenheimer, K., Nargang, T.M., Richter, C., Helmer, D., Rapp, B.E.: Three-dimensional printing of transparent fused silica glass. Nature. (2017). https://doi.org/10.1038/nature22061

12.

Rapp, B.E., Kotz, F., Arnold, K., Risch, P.: Next-generation 3D printing of glass: the emergence of enabling materials. In: Camposeo, A., Dzenis, Y., Farsari, M., Persano, L. (Hrsg.) Advanced Manufacturing Technologies for Micro- and Nanosystems in Security and Defence.; Berlin, Germany. SPIE, Bellingham (2018). https://doi.org/10.1117/12.2323095CrossRef

13.

Klein, J., Stern, M., Franchin, G., Kayser, M., Inamura, C., Dave, S., Weaver, J.C., Houk, P., Colombo, P., Yang, M., Oxman, N.: Additive manufacturing of optically transparent glass. 3D Print. Addit. Manuf. (2015). https://doi.org/10.1089/3dp.2015.0021

14.

Pohl, L.; Witzendorff, P; Chatzizyrli, E.; Suttmann, O.; Overmeyer, L.: CO2 laser welding of glass: numerical simulation and experimental study. Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2017). https://doi.org/10.1007/s00170-016-9314-9

15.

Doualle, T., Gallais, L., Cormont, P., Hébert, D., Combis, P., Rullier, J.-L.: Thermo-mechanical simulations of CO 2 laser–fused silica interactions. J. Appl. Phys. (2016). https://doi.org/10.1063/1.4944435

16.

McLachlan, A.D., Meyer, F.P.: Temperature dependence of the extinction coefficient of fused silica for CO(2) laser wavelengths. Appl. Opt. (1987). https://doi.org/10.1364/AO.26.001728

17.

Abitan, H., Bohr, H., Buchhave, P.: Correction to the Beer-Lambert-Bouguer law for optical absorption. Appl. Opt. (2008). https://doi.org/10.1364/ao.47.005354

18.

Hildebrand, J., Hecht, K., Bliedtner, J., Müller, H.: Laser Beam polishing of quartz glass surfaces. Phys. Procedia. (2011). https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.03.056

19.

Mazurin, O.V., Streltsina, M.V., Shvaiko-Shvaikovskaya, T.P.: Handbook of Glass Data Silica Glass And Binary Silicate Glasses, Part A. Elsevier Science, Amsterdam, New York (1983)

20.

Luo, J., Gilbert, L.J., Bristow, D.A., Landers, R.G., Goldstein, J.T., Urbas, A.M., Kinzel, E.C.: Additive manufacturing of glass for optical applications. In: Gu, B., Helvajian, H., Piqué, A. (Hrsg.) Laser 3D Manufacturing III. SPIE LASE. SPIE, San Francisco (2016). https://doi.org/10.1117/12.2218137CrossRef

21.

Pilon, L., Zhao, G., Viskanta, R.: Three-dimensional flow and thermal structure in glass melting furnaces. Part I: effect of the net heat flux distribution. Glas. Sci. Technol. 75(3), 55–68 (2002)

22.

Pilon, L., Zhao, G., Viskanta, R.: Three-dimensional flow and thermal structure in glass melting furnaces. Part II: effect of batch and bubbles. Glas. Sci. Technol. 75(3), 115–124 (2002)

23.

Lienhard, J.H.: A Heat Transfer Textbook Dover books on engineering, 4 Aufl. Dover Publ, Mineola (2011)

24.

Teixeira, P.R.d.F., Araújo, D.B., da Cunha, L.A.B.: Study of the gaussian distribution heat source model applied to numerical thermal simulations of TIG welding processes. Cieng. (2014). https://doi.org/10.14393/19834071.2014.26140

25.

Dvurechensky, A.V., Petrov, V.A., Yu Reznik, V.: Spectral emissivity and absorption coefficient of silica glass at extremely high temperatures in the semitransparent region. Infrared Phys. (1979). https://doi.org/10.1016/0020-0891(79)90060-5

26.

Mixon, D.G., Roach, W. P. (Hrsg.): A thermal model of laser absorption. In: Conference on Optical Interactions with Tissue and Cells [18th]. California (2007)

Title: Modellierung und Evaluation thermischer Effekte für die laserbasierte Additive Fertigung von funktionalen Glaswellenleitern
Authors: Tobias Grabe
Katharina Rettschlag
Song Wang
Roland Lachmayer
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Book: Konstruktion für die Additive Fertigung 2020
Print ISBN: 978-3-662-63029-7

Electronic ISBN: 978-3-662-63030-3

Copyright Year: 2021
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-63030-3_7

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