FLUENCE: An integrated python framework for FFT-based surface topography simulation and analysis in ultrashort pulse laser processing

Abstract

O avanço da fabricação a laser de alta precisão depende fortemente da tecnologia de laser depulsos ultracurtos (USP), porém sua otimização industrial permanece limitada por interaçõescomplexas e não lineares entre laser e matéria e por estratégias experimentais dispendiosas detentativa e erro. Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e validação do FLUENCE, umframework integrado baseado em Python, projetado para a simulação e análise de topografiasde superfície 3D em ablação a laser de USP. Utilizando uma abordagem de modelagemfenomenológica, o software caracteriza a "impressão" de ablação de pulsos de laser individuaise prevê a morfologia resultante de trajetórias de usinagem complexas. A caracterização do açoferramenta AISI H13 sob irradiação de laser de picossegundos forneceu a base empíricanecessária para o modelo, com dados topográficos adquiridos via interferometria de luz brancade alta resolução. Esses dados fundamentaram a implementação de um kernel matemático querepresenta o perfil de ablação, considerando distribuições de energia Gaussianas e Super-Gaussianas. Uma inovação central deste trabalho é a implementação de uma abordagem inéditabaseada na Transformada Rápida de Fourier (FFT) para a convolução de trilhas usinadas a laser.Ao tratar a varredura a laser como uma tarefa de processamento de sinais contínuos, esteframework alcançou uma redução significativa no tempo de processamento para realização daconvolução em comparação com os métodos tradicionais de somatória direta. Para o testeespecífico de alta densidade de pulsos realizado neste estudo, envolvendo 26,4 milhões depulsos, o motor de FFT resolveu a simulação aproximadamente 44 vezes mais rápido do que aabordagem no domínio espacial. A validação frente a dados experimentais em uma faixa develocidade de 200 mm/s a 2000 mm/s confirmou a precisão do modelo, com resíduos absolutosmantidos na escala submicrométrica e erros relativos entre 10% e 12% para regimes de ablaçãoprofunda. Além disso, o framework integra módulos analíticos para o cálculo de Taxas deRemoção de Material (MRR) e visualização de tendências paramétricas, fornecendo umaferramenta versátil de tomada de decisão para a otimização do processo. Os resultadosdemonstram que o sistema FLUENCE funciona efetivamente como um ambiente virtual paramicro usinagem a laser, reduzindo a ocupação de máquina e o desperdício de material, aomesmo tempo em que fornece informações de aspectos preditivos confiáveis para a engenhariade superfícies industrial.