Jacek Widłaszewski, Ph.D., Eng.

Department of Experimental Mechanics (ZMD)
Division of Strength of Materials (PWM)
position: senior specialist
telephone: (+48) 22 826 12 81 ext.: 320
room: 032
e-mail: jwidl

Doctoral thesis
2009-09-24Modelowanie i badania doświadczalne termo-plastycznych deformacji aktuatora dwumostkowego 
supervisor -- Prof. Lech Dietrich, Ph.D., Dr. Habil., Eng., IPPT PAN
633
 
Recent publications
1.Widłaszewski J., Nowak M., Nowak Z., Kurp P., Laser-assisted forming of thin-walled profiles, Metal Forming, ISSN: 0867-2628, Vol.XXVIII, No.3, pp.183-198, 2017
Abstract:

Forming processes assisted by localised laser heating are studied in recent years. Heating is used to make it possible or facilitate forming of materials, which exhibit such adverse properties as: brittleness, effects of high work-hardening or a high elastic springback. The hereby presented investigations concern the hybrid thermo-mechanical forming of thin-walled parts using local heating of the material by the laser beam. The research is aimed at forming of parts from materials used in the aviation industry, such as the nickel-base super-alloys Inconel 625, Inconel 718, and also martensitic superalloys AISI 410 and AISI 325. Preliminary investigations are conducted using X5CrNil8-10 (1.4301) stainless steel. Experimental study and numerical simulations cover the behaviour of thin beams 1 mm thick, subjected to mechanical load in the cantilever arrangement and heated by the CO2 laser beam moving from the free end of the sample towards its fixture. The possibility of obtaining large bending deformations relatively easily due to the application of laser beam is demonstrated experimentally. Experimentally verified finite element numerical simulations show the intense plastic flow of the material layer heated by the laser beam. It is accompanied by a shift of the cross-section neutral axis of the beam. Bending of thin-walled tubes in a specially designed device is studied in the next step. It allows introducing mechanical loading in a controlled manner, heating the material by a moving laser beam and forcing the required deformation according to the kinematic scheme of the device.

Keywords:

laser-assisted forming, finite element method, thin-walled structure

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
Nowak M.-IPPT PAN
Nowak Z.-IPPT PAN
Kurp P.-Kielce University of Technology (PL)
2.Widłaszewski J., Dwukierunkowe mikrogięcie laserowe dla układów MOEMS, MECHANIK, ISSN: 0025-6552, DOI: 10.17814/mechanik.2016.12.572, Vol.89, No.12, pp.1824-1830, 2016
Abstract:

Bezdotykowa laserowa metoda mikropozycjonowania pozwala omijać ograniczenia tradycyjnych technik mechanicznych stosowanych przy montażu mikroukładów elektromechanicznych (micro-electro-mechanical systems, MEMS) oraz optoelektromechanicznych (micro-opto-electro-mechanical systems, MOEMS). Przedstawiono badania doświadczalne i symulacje numeryczne mechanizmu termicznego mikrogięcia, który pozwala uzyskiwać deformacje dwukierunkowe, to jest w kierunku do lub od padającej wiązki laserowej, w zależności od przyjętych parametrów obróbki. Zweryfikowany doświadczalnie model numeryczny umożliwił wyjaśnienie zachowania małych belek wysięgnikowych wykonanych ze stali nierdzewnej, poddawanych nagrzewaniu impulsem lasera Nd:YAG. Przy ustalonej długości impulsu kierunek gięcia zależy od mocy wiązki laserowej. Ujawniony mechanizm gięcia charakteryzuje się występowaniem znacznego dodatniego plastycznego odkształcenia wzdłużnego w obszarach brzegowych nagrzewanej belki. Deformacja wynika z dużego gradientu temperatury na szerokości belki, z pewnym udziałem gradientu na kierunku grubości. Zastosowanie tego mechanizmu otwiera nowe możliwości przed laserową technologią mikropozycjonowania, zwłaszcza gdy obrabiany element jest dostępny tylko z jednej strony.

Keywords:

kształtowanie laserowe, gięcie laserowe, laserowe mikropozycjonowanie, mikroukłady optoelektromechaniczne

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
3.Radziejewska J., Widłaszewski J., Wpływ strategii powierzchniowej obróbki laserowej na jej efektywność, MECHANIK, ISSN: 0025-6552, Vol.1, pp.23-28, 2015
Abstract:

Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych procesu hartowania laserowego stali 45. Do badań wykorzystano laser Nd:YAG pracujący w trybie ciągłym. Przeprowadzono analizę wpływu strategii obróbki na jej efektywność. Energochłonność procesu analizowano na podstawie wielkości strefy zahartowaniej uzyskanej w wyniku zastosowania pojedynczego przejścia wiązki laserowej, skanowania powierzchni i obróbki z oscylacyjnym ruchem wiązki względem materiału. Stwierdzono znaczące zwiększenie efektywności procesu w warunkach nagrzewania oscylacyjnego.

Keywords:

obróbka laserowa, hartowanie powierzchniowe, oscylacje

Affiliations:
Radziejewska J.-other affiliation
Widłaszewski J.-IPPT PAN
4.Mucha Z., Widłaszewski J., Laserowe formowanie powłok o zadanym kształcie powierzchni rozwijalnej, MECHANIK, ISSN: 0025-6552, Vol.2, pp.85-90, 2015
Abstract:

Przedstawiono metodę laserowego kształtowania powłok o powierzchniach rozwijalnych. Materiałem wyjściowym była blacha lub płyta bez naprężeń własnych. W pracy omówiono wyznaczanie rozkładu ścieżek laserowych na powierzchni materiału w ten sposób, aby po jednej sekwencji skanowania płyta przyjęła pożądany kształt. Opisano przykłady planowania dla powłok o powierzchniach rozwijalnych z kierownicami: paraboliczną, eliptyczną, kołową i wielomianową. Dobór parametrów laserowej obróbki zapewnia spełnienie warunku nieprzekraczania zadanej temperatury materiału, np. unikanie nadtapiania powierzchni

Keywords:

kształtowanie laserowe, gięcie laserowe, gięcie termiczne, powierzchnia rozwijalna, kształtowanie powłok

Affiliations:
Mucha Z.-Kielce University of Technology (PL)
Widłaszewski J.-IPPT PAN
5.Widłaszewski J., The effects of design parameters on the laser-induced in-plane deformation of two-bridge actuators, International Journal of Machine Tools and Manufacture, ISSN: 0890-6955, DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2014.03.001, Vol.80-81, pp.30-38, 2014
Abstract:

Laser-based non-contact micro-adjustment method is a way of going beyond limits of traditional mechanical techniques applied for precise alignment during assembly of miniature opto-electro-mechanical devices. The two-bridge actuator is an on-board structure that allows for adjustments with micrometer, sub-micrometer or sub-miliradian accuracy. Successful industrial application of the method requires a thorough understanding of mechanics of the laser-induced deformation process. The effects of two fundamental design parameters, i.e., the width and the distance between the bridges, on in-plane plastic deformation of the actuator are examined in this work. Experimentally validated theoretical model explains how design parameters, material data and laser pulse parameters affect the final deformation angle of the actuator. The derived mathematical formulae show dependence of the constraint ratio, thermal stresses and thermally-induced plastic deformation on the design parameters of the structure. The proposed solution can be used for optimization of two-bridge actuators.

Keywords:

Laser forming, Two-bridge actuator, Non-contact adjustment, Laser thermal adjustment, Thermo-mechanical constraint ratio, Analytical modeling

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
6.Widłaszewski J., Analiza laserowo indukowanych deformacji plastycznych siłownika dwumostkowego, PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ, SERIA: MECHANIKA, ISSN: 0137-2335, Vol.217, pp.475-480, 2006
Abstract:

Two-bridge actuators are applied in precise positioning during assembly of micro-opto-electro-mechanic systems (MOEMS). Numerical simulation with the Finite Element Method and experimental measurements of laser-induced plastic deformation of the two-bridge actuator model are presented. Results give insight into mechanism of deformation of the structure. In particular, simulation reveals influence of thermally generated bending moment in the heated segment on stress and strain fields. Described modeling procedure can be applied in analysis of other thermal actuators.

Keywords:

laser forming, microadjustment, MOEMS, two-bridge actuator, numerical modelling

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN

List of chapters in recent monographs
1.
551
Mucha Z., Widłaszewski J., MONOGRAFIE, STUDIA, ROZPRAWY, rozdział: Badania kształtowania laserowego w CLTM PSk i PAN, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2017, pp.1-225, 2017
2.
28
Mucha Z., Widłaszewski J., Gradoń R., Trela P., Inżynieria powierzchni. Wybrane zagadnienia., rozdział: Kształtowanie laserowe powłok o powierzchniach rozwijalnych, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Bogdan Antoszewski (Ed.), 1, pp.81-90, 2011
3.
36
Widłaszewski J., Selected Problems of Modeling and Control in Mechanics, rozdział: Applications of laser forming in micro technologies, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, M19, pp.96-106, 2011
4.
58
Antoszewski B., Widłaszewski J., Monografie, studia, rozprawy. Inżynieria powierzchni. Wybrane zagadnienia, rozdział: Laserowe teksturowanie powierzchni pierścieni z węglika krzemu, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Bogdan Antoszewski (Ed.), M17, pp.60-69, 2011
5.
186
Widłaszewski J., Proceedings of the IWOTE'08, International Workshop on Thermal Forming and Welding Distortion, rozdział: Analysis of deformations induced by a laser beam pulse, Bremer Institute für angewandte Strahltechnik GmbH (BIAS), Strahltechnik Volume 31, BIAS Verlag, Bremen, Vollertsen F., Sakkiettibutra J. (Eds.), 31, pp.365-374, 2008
6.
187
Widłaszewski J., Proceedings of the LANE 2007 (Laser Assisted Net Shape Engineering 5, International Conference, rozdział: Numerical modeling of the thermal upsetting mechanism in a two-bridge actuator, Meisenbach-Verlag Bamberg, Geiger M., Otto A., Schmidt M. (Eds.), pp.631-644, 2007
7.
185
Widłaszewski J., Proceedings of the IWOTE'05, 1st International Workshop on Thermal Forming, rozdział: Micro Adjustment by Thermal Upsetting. Thermal Forming, Bremer Institute für angewandte Strahltechnik GmbH (BIAS), Vollertsen F., Seefeld T. (Eds.), pp.93-109, 2005
8.
234
Widłaszewski J., Seminarium Szkoleniowe "Oceny stopnia degradacji materiałów i laserowe obróbki materiałów", rozdział: Modelowanie termo-sprężysto-plastycznych deformacji termicznego siłownika dwumostkowego, IPPT PAN, Centrum Doskonałości LAPROMAT, pp.279-310, 2005
Editor of monographs
1.
338
Kowalewski Z.L., Ranachowski Z., Widłaszewski J., 39th Solid Mechanics Conference SolMech 2014, Book of Abstracts, Institute of Fundamental Technological Research PAS, 1, pp.1-336, 2014

Conference papers
1.Mucha Z., Widłaszewski J., Kurp P., Mulczyk K., Mechanically assisted laser forming of thin beams, Proceedings of SPIE, ISSN: 0277-786X, DOI: 10.1117/12.2262114, Vol.10159, pp.10159 0U-1-10, 2016
Abstract:

Laser-assisted forming techniques have been developed in recent years to aid plastic working of materials, which are difficult in processing at normal temperatures due to a high brittleness, effects of high work-hardening or a high spring-back phenomenon. This paper reports initial experimental investigations and numerical simulations of a mechanically-assisted laser forming process. The research is aimed at facilitating plastic shaping of thin-walled parts made of high temperature resistant alloys. Stainless steel plate, 1 mm thick, 20 mm wide, was mounted in the cantilever arrangement and a gravitational load was applied to its free end. A CO2 laser beam with rectangular cross-section traversed along the plate, towards the fixed edge. Laser spot covered the whole width of the plate. Experiments and simulations using the finite element method were performed for different values of mechanical load and with constant laser processing parameters. Experimentally validated numerical model allowed analysis of plastic deformation mechanism under the hybrid thermo-mechanical processing. The revealed mechanism of deformation consists in intense material plastic flow near the laser heated surface. This behavior results mainly from the tension state close to the heated surface and the decrease of material yield stress at elevated temperature. Stress state near the side edges of the processed plate favored more intense plastic deformation and the involved residual stress in this region. © (2016) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.

Keywords:

laser forming, laser-assisted forming, FEA, thin-walled structure

Affiliations:
Mucha Z.-Kielce University of Technology (PL)
Widłaszewski J.-IPPT PAN
Kurp P.-Kielce University of Technology (PL)
Mulczyk K.-other affiliation
2.Widłaszewski J., Modelowanie laserowego indukowania deformacji plastycznych stosowanych w mikropozycjonowaniu, 9. Sympozjum Techniki Laserowej, 2009-09-21/09-25, Świnoujście (PL), pp.1-5, 2009
Abstract:

Postępująca miniaturyzacja i rozwój technologii układów mikro-opto-elektro-mechanicznych (MOEMS) wymaga stosowania nowych metod wytwarzania, które pozwalają przezwyciężać ograniczenia związane z manipulacjami mechanicznymi przy produkcji mikroelementów. Wytwarzanie nowoczesnych podzespołów optoelektronicznych i elektromechanicznych wymaga zachowywania wąskich tolerancji wykonawczych, szczególnie podczas montażu i pozycjonowania. Przy stosowaniu tradycyjnych metod kształtowania mechanicznego występuje zjawisko nawrotu sprężystego, które utrudnia proces precyzyjnego pozycjonowania elementów, zwiększa jego czasochłonność i pogarsza dokładność. Konieczne jest używanie kosztownego oprzyrządowania.
Od niedawna w Europie Zachodniej i w Japonii w produkcji przemysłowej stosowana jest metoda bezdotykowego mikropozycjonowania z wykorzystaniem deformacji plastycznych wywoływanych przez lokalne ogrzewanie elementów pozycjonujących wiązką laserową. Zastosowanie techniki laserowej pozwala na doprowadzanie energii do elementów obrabianych w sposób dobrze kontrolowany i w miejscach trudnodostępnych dla operacji mechanicznych. Wysoką dokładność pozycjonowania uzyskuje się przez zastosowanie sterowania w pętli ze sprzężeniem zwrotnym, a stabilność wymiarową poprzez wykonywanie międzyoperacyjnego wygrzewania odprężającego. Projektowanie konstrukcji przeznaczonych do pozycjonowania i dobór parametrów oddziaływania wiązką laserową jest realizowany doświadczalnie i z wykorzystaniem symulacji numerycznych.
Prezentowana praca przedstawia opis teoretyczny wywoływania deformacji plastycznych miniaturowej konstrukcji ramowej, która jest modelem aktuatora wykorzystywanego w laserowym mikropozycjonowaniu. Pole temperatury jest wyznaczane na podstawie rozwiązania zagadnienia jednowymiarowego przewodzenia ciepła. Do określenia obszaru występowania odkształceń plastycznych zastosowano koncepcję temperatury krytycznej. Na podstawie statycznej analizy konstrukcji ramowej wyprowadzono zależności na siły wewnętrzne, przejściową i trwałą deformację kątową aktuatora pod wpływem impulsowego i lokalnego nagrzania wiązką laserową. Przedstawione rozwiązanie ma charakter niemal wyłącznie analityczny. Jedynie zasięg temperatury krytycznej jest wyznaczany numerycznie. Zaprezentowany opis plastycznej deformacji miniaturowej konstrukcji ramowej może być wykorzystywany do projektowania i optymalizacji aktuatorów stosowanych w bezdotykowym mikropozycjonowaniu.

Keywords:

MOEMS, aktuator dwumostkowy, mikropozycjonowanie, laserowe kształtowanie, modelowanie analityczne

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
3.Mucha Z., Widłaszewski J., Badanie wpływu początkowej temperatury materiału na proces gięcia laserowego, 9. Sympozjum Techniki Laserowej, 2009-09-21/09-25, Świnoujście (PL), pp.1-10, 2009
Abstract:

Kształtowaniem termicznym nazywamy procesy prowadzące do celowej zmiany kształtu przedmiotu z wykorzystaniem zjawiska rozszerzalności termicznej. Poprzez lokalne ogrzewanie materiału wykazującego rozszerzalność termiczną i zdolnego do deformacji plastycznej można w sposób bezdotykowy realizować proces obróbki plastycznej, bez użycia sił zewnętrznych. Precyzyjnym i łatwym do sterowania nośnikiem ciepła dla procesów kształtowania termicznego jest wiązka laserowa, skąd wywodzi się nazwa kształtowanie laserowe. W przypadku deformacji giętnej zachodzącej w jednej płaszczyźnie stosuje się termin gięcie laserowe. W literaturze przedmiotu znane są dwa mechanizmy gięcia laserowego (gradientowy i wyboczeniowy) oraz jeden mechanizm termicznego spęczania blach i płyt.
W pracy przedstawiono wyniki modelowania analitycznego gięcia z wykorzystaniem silnego gradientu temperatury na grubości materiału. Analiza teoretyczna wykazała, że kąt zgięcia płyty otrzymywany po jednym przejściu wiązki można wyrazić za pomocą trzech parametrów bezwymiarowych: liczby Fouriera, średnicy wiązki odniesionej do grubości płyty i temperatury powierzchni pod wiązką odniesionej do temperatury, przy której materiał traci własności sprężyste. Parametry te są liczbami podobieństwa procesu gięcia termicznego i charakteryzują parametry obróbki i własności materiału.
Szczególny nacisk w tej pracy położono na zbadanie wpływu początkowej temperatury materiału na wielkość otrzymywanego kąta zgięcia. Wyniki teoretyczne potwierdzone wstępnymi badaniami doświadczalnymi wykazały, że przy ustalonych parametrach obróbki zależność kąta gięcia od temperatury początkowej posiada maksimum, które w przypadku stali niskowęglowej ma wartość około 225oC. Sformułowano parametr efektywności gięcia termicznego. Przy jego użyciu przeprowadzono analizę wpływu parametrów obróbki na efektywność procesu. Przedstawiono dyskusję dotyczącą głębokości strefy uplastycznienia materiału i jej znaczenia dla wielkości otrzymywanego kąta zgięcia. Wyniki prezentowanych badań dają podstawę do optymalizacji procesu gięcia laserowego.

Keywords:

kształtowanie laserowe, modelowanie analityczne, temperatura krytyczna

Affiliations:
Mucha Z.-Kielce University of Technology (PL)
Widłaszewski J.-IPPT PAN
4.Mucha Z., Widłaszewski J., Kształtowanie laserowe materiałów w podwyższonych tempetraturach, IX Konferencja Naukowo-Techniczna TEROTECHNOLOGIA, 2015-10-15/10-16, Kielce (PL), pp.302-309, 2009
Abstract:

W artykule zaprezentowano badania nad bezdotykowym kształtowaniem blach i płyt poprzez ogrzewanie wiązką laserową. Przedstawiono model analityczny gięcia z wykorzystaniem gradientu temperatury na grubości materiału. Kąt zgięcia został wyrażony za pomocą trzech parametrów bezwymiarowych: liczby Fouriera, średnicy wiązki odniesionej do grubości materiału i temperatury powierzchni pod wiązką odniesionej do temperatury, przy której materiał traci własności sprężyste. Zbadano wpływ początkowej temperatury materiału na wielkość otrzymywanego kąta zgięcia. Wyniki teoretyczne potwierdzone badaniami doświadczalnymi wykazały, że przy ustalonych parametrach obróbki zależność kąta zgięcia od temperatury początkowej posiada maksimum.

Keywords:

kształtowanie laserowe, gięcie laserowe, modelowanie analityczne

Affiliations:
Mucha Z.-Kielce University of Technology (PL)
Widłaszewski J.-IPPT PAN
5.Widłaszewski J., Analysis of deformations induced by a laser beam pulse, IWOTE, International Workshop on Thermal Forming and Welding Distortion, 2008-04-22/04-23, Bremen (GE), Vol.31, pp.365-374, 2008
Abstract:

Pulsed laser heating is industrially applied in manufacturing processes to produce precise deformation of metal objects. Research on deformations resulting from heating the metal with a stationary heat source is of fundamental importance to comprehend and control thermal forming with a moving heat source. Deformations of a cantilever beam due to pulsed laser heating are experimentally and numerically analyzed in the paper. Samples made of 18-8 type stainless steel were heated with Nd:YAG laser beam. Transient and permanent angular deformation of samples was measured optically with a laser scan micrometer. Uncoupled thermal-mechanical analysis was performed using a three-dimensional finite element method model. Experimentally validated simulations revealed mixed mechanism of deformation consisting of the upsetting mechanism with a contribution of the temperature gradient mechanism.

Keywords:

laser forming, laser bending, micropositioning, numerical modelling, thermo-elastic-plastic deformation

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
6.Widłaszewski J., Numerical modelling of the thermal upsetting mechanism in a two-bridge actuator, LANE 2007, 5th Laser Assisted Net Shape Engineering, 2007-09-25/09-28, Erlangen (GE), pp.631-644, 2007
Abstract:

Angular deformation of the two-bridge actuator heated by a single laser pulse is analysed using finite element method. Experimentally validated numerical model allows deeper understanding of deformation mechanism, in particular the role of thermally generated bending load in the actuator. Prediction of laser-induced micro deformations requires determination of energy absorption and dissipation parameters with high accuracy. Experimental-numerical procedure was applied to find emissivity and coefficients of absorption and convection, using two-colour pyrometer and FEM simulations. The need for precise thermoplastic material data is demonstrated by means of a series of numerical simulations and the critical temperature concept.

Keywords:

laser forming, two-bridge actuator, numerical modelling

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
7.Widłaszewski J., Badania doświadczalne i modelowanie siłownika termicznego dwumostkowego, X Krajowa Konferencja Wytrzymałości i Badania Materiałów, 2006-09-20/09-22, Kudowa Zdrój (PL), pp.154-161, 2006
Abstract:

Two-bridge actuators are applied in micro-opto-electro-mechanic systems (MOEMS). The paper presents experimental investigation results and numerical modeling of actuators with the Finite Element Method. Precise measurements of laser-induced deformations allow establishing threshold processing parameters to produce required deformation of the structure. Numerical modeling of such small deformations necessitates the application of adequately accurate material data.

Keywords:

MOEMS, laser forming, micropositioning, two-bridge actuator, numerical modelling, thermo-elastic-plastic deformation

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
8.Widłaszewski J., Micro adjustment by thermal upsetting, International Workshop on Thermal Forming, 2005-04-13/04-14, Bremen (GE), Vol.1, pp.1-28, 2005
Abstract:

Thermal strain produced by local heating of miniature metal components is already applied for adjustment in mass production in the electronic industry. Non-contact and forceless adjustment, alignment or trimming of sub-assemblies by use of a well-defined heat source, like the laser beam, allows for product miniaturisation and automation of manufacturing. However, the implemented procedures of adjustment by thermal forming are based on experimental investigations and numerical simulations, what makes it difficult to perform optimisation of the component design and processing parameters. The paper presents analytical-numerical modelling of thermal deformations induced to small metal frame structure. Experimental verification was performed using Nd:YAG laser beam. Theoretical model is based on one-dimensional heat flow solution. Thermo-elastic and thermo-plastic deformations are described. Derived formulae allow for optimisation of the considered structure and of the adjustment process.

Keywords:

micropositioning, touch-less positioning, laser forming, analytical modelling, two-bridge actuator

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
9.Widłaszewski J., Modelowanie termo-sprężysto-plastycznych deformacji termicznego siłownika dwumostkowego, Seminarium szkoleniowe LAPROMAT, 2005-12-05/12-08, Zakopane (PL), Vol.3, pp.279-310, 2005
Abstract:

Constrained thermal deformation of the material is applied in thermal forming processes. Touch-less precise positioning is performed in industry using the laser beam as a heat source. Experimental and theoretical investigation of laser-induced deformations of the two-bridge actuators made of a low-carbon steel and 18/8 type stainless steel is presented. The described model is based on the one-dimensional heat conduction model. Thermo-elastic-plastic deformations of the structure under consideration are calculated using thermal deformation and stress analysis, as well as conditions of material yield. Deformations are calculated in dependence on thermal processing, geometry and material parameters. Modelling methods of thermoplastic behavior of metals are presented as tools to achieve possibly accurate description of plastic deformation.

Keywords:

thermal forming, laser forming, two-bridge actuator, analytical modelling

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN

Conference abstracts
1.Nowak Z., Nowak M., Widłaszewski J., Kurp P., Experimental and numerical investigation on laser-assisted bending of pre-loaded metal plate, CMM-2017, 22nd International Conference on Computer Methods in Mechanics, 2017-09-13/09-16, Lublin (PL), No.MS13, pp.37-38, 2017
Abstract:

The laser forming technique has an important disadvantage, which is the limitation of plastic deformation generated by a single laser beam pass. In order to increase the plastic deformation one has to repeat the process several times or use the alternative method. To increase the plastic deformation it is possible to add external forces during the laser forming process. In this paper, we investigate the influence of external pre-loads on the laser bending of steel plate. The pre-loads investigated generate bending towards the laser beam. The thermal, elastic-plastic analysis is performed using the commercial nonlinear finite element analysis package ABAQUS. The focus of the paper is to identify how this pattern of the pre-load influence the final bend angle of the plate.

Keywords:

laser forming, force-assisted laser bending, thermo-mechanical simulations, FEA

Affiliations:
Nowak Z.-IPPT PAN
Nowak M.-IPPT PAN
Widłaszewski J.-IPPT PAN
Kurp P.-Kielce University of Technology (PL)
2.Mucha Z., Widłaszewski J., Kurp P., Mulczyk K., Laserowe kształtowanie cienkościennych płaskowników wspomagane mechanicznie, STL 2016, XI Sympozjum Techniki Laserowej, 2016-09-27/09-30, Jastarnia (PL), pp.41, 2016
3.Widłaszewski J., Mechanism of bi-direction laser bending for micro systems, PCM-CMM 2015, 3rd Polish Congress of Mechanics and 21st Computer Methods in Mechanics, 2015-09-08/09-11, Gdańsk (PL), pp.819-820, 2015
Abstract:

Laser-based non-contact micro-adjustment method is a way of going beyond limits of traditional mechanical techniques applied for precise alignment during assembly of miniature opto-electro-mechanical devices. This paper presents experimental and numerical investigation of thermal micro-bending mechanism, which enables bi-directional deformation, i.e. either towards or away from the laser beam, dependent on the applied processing parameters. Experimentally validated numerical model explains behaviour of a stainless steel cantilever beam subject to the Nd:YAG laser pulse. With constant pulse duration, direction of bending depends on the laser beam power. The revealed mechanism of bending involves significant positive longitudinal plastic strain in certain material regions. The deformation results from a considerable temperature gradient across the width of the cantilever beam, with some contribution of the temperature gradient in the thickness direction. Application of the mechanism opens up new opportunities for the laser-based micro-adjustment technology.

Keywords:

laser forming, laser bending, laser micro-adjustment, thermo-elastic-plastic deformation

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN
4.Widłaszewski J., Application of the inherent strain method in modeling of laser thermal forming, SolMech 2014, 39th Solid Mechanics Conference, 2014-09-01/09-05, Zakopane (PL), pp.147-148, 2014
Abstract:

Processes of controlled producing plastic deformation of metal and non-metal objects by local heating are considered in the paper. Even with the current performance of computer systems and commercially available software packages, the full 3D Finite Element Analysis (FEA) of industry-relevant thermo-elastic-plastic problems often requires too much time and cost. Therefore, simplified modeling methods are needed, that would enable effective process analysis, planning and optimisation. The inherent strain method basically consists in estimation of thermoplastic deformation of a structure using the solution of the elastic problem with imposed plastic strain, which is produced in the heated zone (the inherent strain). A short review of applications of the inherent strain approach for estimation of welding distortions, flame forming by line heating and laser bending is presented in the article. Almost entirely analytical solution for laser adjustment using the twobridge actuator is described. The formulae derived due to the application of the inherent strain approach explicitly show the role of actuator design parameters, processing parameters (laser power and heating duration) and material data in thermo-elastic-plastic response of the structure to the laser pulse.

Keywords:

inherent strain, critical temperature, flame forming, line heating, laser bending, laser forming, analytical modelling, two-bridge actuator

Affiliations:
Widłaszewski J.-IPPT PAN

Patents
Numer/data zgłoszenia patentowego
Ogłoszenie o zgłoszeniu patentowym
Twórca / twórcy
Tytuł
Kraj i Nazwa uprawnionego z patentu
Numer patentu
Ogłoszenie o udzieleniu patentu
pdf
394452
2011-04-05
BUP 22/11
2011-10-24
Mucha Z., Widłaszewski J., Gradoń R., Trela P.
Sposób i układ do kształtowania laserowego płyt lub blach zgodnie z zadanym kształtem powierzchni rozwijalnej o tworzących równoległych
PL, Politechnika Świętokrzyska, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
214214
WUP 06/13
2013-06-28