CFD-Simulation bei Zeeko Ltd

Zeeko Ltd. ist ein britisches Technologieunternehmen, das Maschinen zur Polierkorrektur herstellt. Seine hochpräzisen Polierverfahren werden unter anderem in der Entwicklung des European Extremely Large Telescope (E-ELT) und des Thirty Meter Telescope (TMT) eingesetzt. Dr. Anthony Beaucamp von Zeeko war mit der Aufgabe betraut worden, eine neue Technologie zu entwickeln, die eine höhere Qualität als die manuelle Endbearbeitung bietet. „Wir haben von Anfang an großes Potenzial in der Nutzung des Fluid-Jet-Polishing-Verfahrens gesehen. Dabei wird eine Mischung aus Wasser und Schleifpartikeln durch eine Düse auf das Werkstück gepumpt. Das Verfahren bietet signifikante Vorteile, da es auch für sehr kleine Flächen und viele verschiedene Materialien funktioniert. Darüber hinaus können Bearbeitungsspuren aus vorangegangenen Arbeitsschritten beseitigt werden, ohne das Bauteil abzunutzen.“

Alternativen gefragt – die Suche nach einer effizienteren Methode

Beim Einsatz von FJP in der Bearbeitung optischer Komponenten weist die Oberfläche im Endergebnis jedoch meist signifikante Wellenformen auf. „Ein geringes Maß an Welligkeit ist im Allgemeinen akzeptabel, mittlere und höhere Ortsfrequenzen können jedoch zu Lichtstreuung, optischer Verformung oder sogar Diffraktion führen“, erläutert Beaucamp. „Unglücklicherweise haben Oberflächen, die mit dem FJP-Verfahren behandelt wurden, mit über 10 nm Ra einen viel zu hohen mittleren Rauheitswert.“

Im Jahr 2010 gründete Zeeko an der Chubu Universität in Japan ein Forschungszentrum und stattete dieses mit einer CNC-Maschine auf Basis der FJP-Technologie aus (Bild 1). Mit anfänglicher Unterstützung von Kesco Engineering, Tokio, begannen Dr. Beaucamp und das Universitätsteam damit, ein Computational Fluid Dynamics- (CFD-) Modell zu entwickeln, um die Eigenschaften des FJP-Verfahrens zu untersuchen. Dabei sollten insbesondere der Phasenübergang zwischen Flüssigkeit und Luft sowie die Partikelbahnen der einzelnen Schleifpartikel simuliert werden. Dafür setzten die Forscher COMSOL Multiphysics ein. Die Ergebnisse aus der Simulation mit COMSOL Multiphysics wurden dann mit den tatsächlichen Werten der Maschine verglichen. Das gesetzte Ziel war ein Rauheitswert von nur 1 nm Ra.

Multiphasen-Modellierung

„Beim FJP-Verfahren formt der Strahl eine kleine Zone, die sich auf der Oberfläche bewegt“, erklärt Dr. Beaucamp. „Die Zone folgt einem sehr engen, den optischen Bereich abdeckenden Rasterpfad. Während dieser Bewegung beeinflusst das Pumpensystem den Strahldruck. Die entstehende Welligkeit ist das Ergebnis der Kombination aus Pumpe und Nachführbewegung. Was die zu definierenden Randbedingungen anging, war es wichtig, die Resonanzfrequenzen innerhalb der aufprallenden Flüssigkeit aus der Düse zu verstehen und wie eine Änderung dieser Frequenzen den weiteren Bearbeitungsvorgang beeinflusst. “

Im ersten Schritt wurde eine zeitabhängige Simulation der Flüssigkeit durchgeführt: vom Strömungsaustritt aus der Düse über den Aufprall auf die Oberfläche bis zum anschließenden Abfließen. Dafür wurde das k-ω-Turbulenzmodell zusammen mit Level-Set- und Phase-Field-Methoden eingesetzt, um die Grenzfläche zwischen Fluid und Luft zu modellieren. Die Simulation erzeugte so eine Reihe chronologischer Momentaufnahmen (Bild 3). Darüber hinaus wollte das Team nicht von der Annahme ausgehen, dass die Partikel innerhalb der Suspension „mitgerissen“ werden oder nur den Stromlinien folgen; daher wurden auch die tatsächlichen Partikelbahnen simuliert (Bild 4). Dafür wurde das Particle-Tracing-Modul mit newtonscher Formulierung zur Berücksichtigung von Kräften auf die Partikel, etwa dem Strömungswiderstand, verwendet. Das Modell zeigte eine Grenzschicht, die nur von Partikeln größer als 100 nm durchdrungen werden konnte. Zudem deuteten die Ergebnisse auf ein elastisches Abtragungsverhalten hin, da die Partikelenergie schnell auf sehr kleine Bereiche der Oberfläche verteilt wurde. Dies konnte auch experimentell nachgewiesen werden, da keine Anzeichen dauerhafter Schädigung wie Kratzer oder Schleifspuren zu Tage traten. Nachdem Dr. Beaucamp auf diese Weise Vertrauen in das Simulationsmodell gewonnen hatte, nutzte er es, um die Welligkeit, die in erster Linie aufgrund von Druckschwankungen und Instabilitäten der Suspensionsversorgung auftritt, zu optimieren. Die Düseneinheit bestand ursprünglich aus einer Hochdruck-Membranpumpe und einem Pulsationsdämpfer. Da dies zu einer progressiven Druckverlagerung (Bild 5, blaue Kurve) führte, fügte das Team dem System eine Niederdruck-Förderpumpe hinzu und schloss am antreibenden Umwandler der Pumpe eine Druckanzeige an. Dadurch konnte ein Rückkopplungsmechanismus zum Steuern des Einlassdrucks etabliert werden, der die gesamte Druckstabilität verbesserte und die mittlere Druckverlagerung korrigierte (Bild 5, rote Kurve).

Aus diesen Ergebnissen konnte Dr. Beaucamp das zugrundeliegende Muster der Druckvariationen der Pumpe mittels einer Fourier-Transformationsanalyse vorhersagen. Das Team konnte das Suspensionssystem in verschiedenen Zuständen beschreiben und die Druckmuster im COMSOL-Modell berücksichtigen. Anschließend wurden die optimalen Bedingungen für das gesamte Suspensionssystem bei verschiedenen Düsengrößen, Düsenabständen und Suspensionsarten berechnet. Dazu wurden parametrische Studien durchgeführt und Variationen der Abtragzone abgeleitet und analysiert. Die Tendenzen dieser Variationen sowie weitere Ergebnisse des Modells ermöglichten es Dr. Beaucamp, in Abhängigkeit von Werkstück und Material eine Reihe optimaler Betriebsbedingungen zu empfehlen.

Vom Modell zur Realität

Nachdem sich in der Simulation bestimmte Betriebsbedingungen als optimal erwiesen hatten, wurden experimentelle Vergleiche zur Validierung der Methode angestellt. Dafür polierte das Team optisch hochwertige Quarzglasfenster, sowohl mit den ursprünglichen als auch mit den optimierten Einstellungen des Suspensionssystems. Die Oberflächenrauheit wurde mit einem optischen Profilometer und einem Weißlicht-Interferometer gemessen. Mit der Software der Zygo Corporation wurden danach die Diagramme der Rauheit und seiner Intensität sowie die Ra-Werte (Bild 6, 7) dargestellt. „Wie vorhergesagt, zeigte das nicht optimierte System in einem 5 x 5 mm großen Bereich eine starke Welligkeit (12,5 nm), wohingegen das optimierte System eine deutliche Verbesserung aufwies (1,2 nm)“, berichtet Beaucamp.

Von einem Tag zu zehn Minuten

Aus den vorliegenden Ergebnissen wurde eine industrielle Anwendung (Bild 8) erstellt. Heute setzen viele japanische und koreanische Unternehmen die Zeeko-Technologie in der Endbearbeitung optischer Formteile ein. „Ein manueller Prozess, der über einen Tag in Anspruch nahm, kann nun in zehn Minuten durchgeführt werden“, erklärt Dr. Beaucamp. „Dies bietet unseren Kunden einen großen Vorteil, denn sie können nun bessere Produkte in kürzerer Zeit herstellen und so die Produktionskosten senken. Bis zur Einführung der neuen Methode mussten die Unternehmen die Gerätschaften per Hand polieren lassen. Nun können sie diese Aufgabe automatisiert bewerkstelligen.“ (anm)