Als Ultrakurzpuls-Laser werden Strahlquellen bezeichnet, die Laserlicht mit Pulsdauern im Bereich von Piko- oder Femtosekunden aussenden. Die Firma High Q Laser ist Zulieferer solcher Systeme und muss heute immer schneller auf die Wünsche seiner Kunden reagieren. Die fordern immer kleinere und kompaktere Lösungen inklusive Ansteuerelektronik und Wasserkühlung. Für diese Miniaturisierung, muss sowohl die thermische als auch mechanische Stabilität der Produkte sichergestellt und verifiziert werden. Dabei unterstützen moderne CAD- und Simulations-Software die Entwicklung und Konstruktion.Beim Laseranbieter kommt seit vielen Jahren die 3D-Konstruktionslösung von SolidWorks in der Standard- und Premium-Version zum Einsatz . So konnten die Entwicklungszeiten verkürzt sowie Prototypen und Entwicklungsiterationen reduziert werden. Dazu Konstrukteur Lukas Spohn: „Ich hatte bereits während des Studiums mit SolidWorks gearbeitet und auch im Unternehmen hat sich das CAD-System bewährt.“ Neben den Funktionen für die Konstruktion bietet es auch ein integriertes PDM-System, das Daten zuverlässig verwaltet. Zudem lassen sich aus den Modellen 3D-Renderings in hoher Qualität für Produktdatenblätter erstellen. „Da wir als Zulieferer arbeiten, ist es für uns zudem wichtig, verschiedene 3D-Formate aus unseren Daten zu generieren“, so Spohn weiter. „Genauso wie die Möglichkeit, 2D-Zeichnungen aus Modellen abzuleiten oder die Montagefreundlichkeit im 3D-Design zu verifizieren.“
Nahtlose Einbindung
High Q Laser hat zusätzlich zur CAD-Software die SolidWorks Simulation und Flow Simulation Software angeschafft, um die Produktentwicklung zu verbessern. Konstruktionsleiter Roland Huber ergänzt: „Die nahtlose Einbindung der Simulations-Software in das bestehende 3D-System ist ein eindeutiger Vorteil.“ Wichtig sei zum Beispiel, dass sich Laserstrahlengänge aus den Simulationen entnehmen lassen. „Früher haben wir viele Tests mit externen Analyseanbietern durchgeführt, das können wir jetzt selbst erledigen“, so Huber weiter. „Zudem ist die Simulationslösung so intuitiv zu bedienen, dass es mit FEM-Wissen zu meistern ist. Für die Flow Simulation Software werden wir noch eine hausinterne Schulung durchführen.“
Mit Simulation zur Stabilität
Die Entwickler beim Laserspezialisten nutzen die Simulations-Software überwiegend für Festigkeitsprüfungen, um Materialeinsparungen und Miniaturisierung zu realisieren und gleichzeitig die Stabilität der Lasersysteme zu gewährleisten. Dabei werden auf den Gehäusen Optikhalter montiert, die nicht verrutschen sollen. Es darf zu keinerlei Winkeländerungen zwischen der Ebene, auf der die Halterung montiert ist, und der Oberfläche der Optik kommen. Das heißt, empfindliche Teile müssen dort platziert werden, wo keine Verschiebungen im Material stattfinden. Hierzu berechnet die Simulation thermische Auswirkung des Lasers, die unmittelbar auch mit der mechanischen Auswirkung verknüpft sind. Dabei wird die vorab berechnete Temperaturverteilung in die Festigkeitsberechnung eingebunden. Neben Aluminium, Kupfer, Stahl und Messing werden unter anderem auch Viton, Teflon oder Laserkristalle untersucht. Anschaulich wird das anhand eines Oszillators der fs-Pulse mit sehr genauer Repetitionsrate, Wellenlänge und Pulslänge erzeugt, welche anschließend in einem Verstärkermodul auf hohe Pulsenergien verstärkt werden. Es handelte sich dabei um ein bestehendes Modul, das von High Q Laser hinsichtlich der thermischen Auswirkung verifiziert werden sollte. Grund: der Kunde hatte den Verdacht, dass die Wärmeausdehnung durch den Laser zu Stabilitätsproblemen des Moduls führte. Huber versuchte, die Probleme mithilfe von Flow Simulation und anschließender statischer Analyse zu beschreiben und zu lösen. Das wassergekühlte Modul besteht zum Großteil aus Aluminium und hat eine Größe von 202�?150mm. Roland Huber simulierte mit Flow Simulation die Strömung mit einer Anfangstemperatur von 25°C, brachte die Wärmequelle auf, eine Laserdiode mit 10W und Laserkristalle mit 15W, und untersuchte per transienter Analyse die Durchwärmung des Gehäuses, um die Verformung über die Zeit zu ermitteln. Sobald der statische Zustand der Erwärmung erreicht wurde, führte er in 60s-Schritten statische Analysen durch. Die Ergebnisse der Simulation zeigten, dass das Modul stabil war und keinerlei Verformungen auftraten. Viele Kunden des Laserspezialisten sind im europäischen Raum an die gesetzlichen Richtlinien gebunden. Präsentiert werden die Simulationsresultate anhand des von SolidWorks Simulation und Flow Simulation ausgegebenen und an Kundenwünsche anpassbaren Standardreports in PowerPoint-Format. Zudem werden Bilder und Videos der transienten Analyse geliefert.
Systeme bestmöglich auslegen
„Durch die enge Integration zwischen CAD und Analyse können wir die zu untersuchenden Teile direkt aus dem Tresor des PDM-Systems in die Simulationssoftware laden. Eine zusätzliche Schnittstelle ist nicht nötig“, erklärt Spohn. „Über die API-Schnittstelle können wir zudem aus Matlab-Simulationen Skizzen als Laserstrahlengang erzeugen, damit die Physiker ihre Laserlayouts hinsichtlich der Analyseergebnisse aktualisieren können.“ Das beschleunige die Entwicklung und verschaffe mehr Spielraum, die Systeme bestmöglich auszulegen.
