Modelación y simulación inicial del proceso de corte láser aplicado a un cable de acero inoxidable, mediante el uso del software COMSOL Multiphysics

Abstract

En este trabajo se desarrolla un trabajo de modelación preliminar y su sucesiva simulación computacional, utilizando el programa computacional COMSOL Multiphysics, para analizar el proceso de corte láser de un cable de acero inoxidable. Se revisa la literatura científica para describir los fenómenos físicos que intervienen en este proceso, como la transferencia de calor y la mecánica de fluidos, junto con su aplicación a la modelación computacional. A partir de esta revisión, se estudian algunos modelos específicos que representan computacionalmente los mecanismos físicos anteriores. Inicialmente se elaboran diferentes modelos bidimensionales del proceso de corte láser y se analizan los resultados computacionales obtenidos. Esto permite desarrollar tres versiones finales de la modelación de este proceso térmico, que pueden ser integrados y usados como una base válida para su descripción y análisis. Los tres modelos computacionales finales, que incorporan datos reales como geometría y propiedades de los materiales empleados en la industria, brindan valores de la temperatura y de las modificaciones geométricas del material, a medida que se aplica el proceso térmico de corte láser. En este último caso, se recurre a la modelación del cambio de fase que se produce en el material cuando se alcanzan los valores de temperatura del equilibrio sólido-líquido. Finalmente, se lleva a cabo una estimación simple de los costos asociados a la incorporación del software COMSOL Multiphysics en la industria, para la modelación computacional del proceso de corte láser.

This work involves the development of a preliminary modeling and its subsequent computer simulation, using the COMSOL Multiphysics software, to analyze the laser cutting process of a stainless-steel cable. The scientific literature is reviewed to describe the physical phenomena involved in this process, such as heat transfer and fluid mechanics, along with their application to computational modeling. Based on this review, some specific models that computationally represent the aforementioned physical mechanisms are studied. Initially, two-dimensional models of the laser cutting process are developed and the resulting computational data is analyzed. This allows for the development of three final versions of the thermal process modeling, which can be integrated and used as a valid foundation for its description and analysis. The three final computational models, which incorporate real-world data such as geometry and material properties used in the industry, provide temperature values and geometric modifications of the material as the thermal laser cutting process is applied. In the latter case, phase change modeling is used to represent the transformation that occurs in the material when the solid-liquid equilibrium temperature is reached. Finally, a simple cost estimation is carried out for the incorporation of COMSOL Multiphysics software in the industry for the computational modeling of the laser cutting process.