CN105247426B - 生产过程的优化 - Google Patents

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Abstract

借助于生产过程(50)的模拟(2)、优化用积层制造生产组件(20、32)的生产过程的方法(1)，其中，固定地设定组件(20、32)的属性为模拟(2)的约束(9)，其中所述方法包含了下列工艺步骤(a、b、c、d)，所述步骤作为所述模拟的一部分：a)在生产空间内，确定一个根据流程优化标准(7)已优化的组件(20、32)的一个位置；b)计算由于生产过程(50)引起的组件(20、32)的位移和/或压力；c)抵消位移和/或压力的支撑结构(31)确定为已根据流程优化标准(7)优化；d)至少一部分组件(20、32)的设计确定为已根据组件优化标准(8)优化。

Description

生产过程的优化
技术领域
上述发明涉及积层制造技术领域，尤其是借助于生产过程的模拟而对使用积层制造进行生产的零件生产过程的优化。
背景技术
积层制造(AM)是日益重要的生产方法。用于生产符合工业标准的零件的机器，目前已经可以通过商业方式购得。预期在未来几年内，在许多领域，其将代替常规的生产过程。
与减材方法不同，基于AM的生产过程通过连续添加材料建立主体。在此过程中，逐层在生产室(也可称为生产空间、结构空间或空间)内应用非粘性材料，组成需生产零件的各个部件，被粘合组成整体。在球极平面法中应用合成树脂溶液，可以通过UV光束分层硬化，在激光烧结过程中，分层中磨碎的粉末焊接在一起。
图1说明了使用积层制造而生产零件的典型过程100。基于预先确定的几何设计102，可以在工艺步骤104中进行内部结构的设计改动。通常基于重新设计周期106，借助于分析、模拟与优化方法108，会出现周期性重复迭代。在这一产品设计过程101后，真正的生产过程110由生产方法112的设计开始，即如何为生产配置3D打印机，最终制作哪些设计(与任何支撑结构)。在工艺步骤114，设计支撑结构。通常基于重新设计周期115，借助于数据完整性检查118，出现周期性重复迭代。
AM机器过程120中，在工艺步骤116时进行分层生成(英语：Slice generation)，在工艺步骤119，确定AM过程参数。从生成的分层116和AM过程参数119，在工艺步骤122生成机器过程控制数据，根据这些数据，可以在3D打印机中生产AM产品130。
生产许多工业产品所需的高品质零件时，生产过程的规划会出现三个主要的挑战：第一，确定选择3D打印机的机器参数，如激光强度、零件质量、如耐久性。但是，机器参数的精确选择并不简单，很多时候要求大量的经验和多个重复迭代周期，用于识别最佳的机器参数。第二，粉末和需要生产的零件有不同的密度，因而必须额外插入支撑结构，从而确保所要求的零件精密度。此外，在复杂的几何结构中，经常发现仍然连续物体的局部区域，其在重力方向上并不是由物体本身支撑，而是在重力方向上负重在材料支架上(可以想象具有向下支架的支杆)。在形成截面时，这类物体中的区域会形成非连续截面，在粉末溶液中，首先不是通过原本几何形状的基础部分支撑，在生产时只是平放在非粘结粉末上。
这类情形在实践中也可以通过添加额外的支撑结构得以避免。这些额外的支撑结构会引起额外材料的使用以及其他必须移除这些材料的加工步骤。同时，支撑结构的选择以及准确布置需要生产的零件(最终隐含地确定所需支撑结构的数量)都要求大量的费用、经验和多个重复迭代周期。第三，支撑结构的不当选择会对零件的质量产生负面的影响，支撑结构中由生产引发的残余应力会流向实际零件，从而引起永久寄生变形。
目前，手动进行零件以及支撑结构的安置/定位。在生产后再对结果进行评估。
目前，通过手动的方法解决了这些挑战。在“通过热能分析和参数优化实现激光烧结硬件的最优空间与机械性能”(美国专利Patent US2009/0326706AI)中，建议最优化流程参数推导的自动化。
应对这三大挑战的手动方法，会在实际零件开发到生产过程中损失很多时间。然而，由于不必要的大型支撑结构，通过积层制造生产的物体也会变大很多，这本身也会减慢生产流程。
自动生成支撑结构的传统软件结构根据给定的标准识别支撑所需的面积，如平面角度。支撑材料本身并不会鉴于所用的材料而优化——基本上形成简单的柱子。
因为支撑结构需要后续处理(通过减材移除)，导致那些需要(很多)支撑结构的设计并不是很有利。尤其是需要支撑结构的区域往往很难进入、不易使用。
发明内容
因此，本发明的目的就是克服这些缺点。
这一目的通过在独立权利要求中描述的方案予以解决。本发明的优选实施例在其他权利要求中说明。
根据一个方面，本发明涉及的是用于优化借助于积层制造生产零件的生产流程的方法。该方法通过模拟生产过程实现。零件的固定的预先确定的必要属性被确定为模拟的边界条件。该方法包含以下在模拟中实施的工艺步骤：
在一个步骤中，在生产区域内确定根据流程优化标准所优化的零件位置。在另一个步骤中，计算由于生产过程可能引起的零件位移和/或压力。在另一步骤中，探测对这些位移和/或压力起抗力的支撑结构。在此过程中，按照流程优化标准优化支撑结构。在另一步骤中，按照组件优化优化标准优化确定至少一部分组件的设计。
根据另一方面，本发明涉及一种包括用于执行权利要求中包含的任意方法而改进的方法的系统。
附图说明
本发明的实施例参照附图做进一步的阐释。其中：
图1是使用3D打印机的零件生产的典型过程；
图2是通过旋转安装在空间中的一个零件，可以将重力影响下产生的位移减少到最小；
图3是由梁支撑自动生成的支撑结构的例子；
图4是独创系统及方法的实施例。
具体实施方式
图2显示了生产空间29中优化定位的组件20的示范性实施例，将重力21、22、23引起的位移减少到最小。可以通过传统的优化方法，如单纯形法(Nelder Mead method)，实现计算。然而，也适用其他非线性优化方法。图2展示了组件20，其在空间内通过旋转25从第一位置25a布置到第二位置25b，通过重力影响21、22、23将位移减少到最小。这样就能将支撑结构的额外材料使用减少到最小。
图3显示了作为自动生成的支撑结构31的另一个设计的支撑组件32的实施例。通过引入支撑结构31，可以通过焊接松动材料的密度不同而避免变形，并产生具备所要求精度的载体32。通过SIMP方法(各向正交惩罚材料密度法)进行计算。当然，也可以用其他方法(如水平体系方法)进行计算。
图3中显示的具体情况，按照如下步骤生成支撑结构31：
·在CAD程序中创建T-梁32的几何图
·定义安装空间(这种情况中为2D箱)和重力方向33。
·使用拓扑优化(SIMP方法)自动计算支撑结构31，用最少的材料制作支撑结构31。
此时，可以自动将该结构转化成合适的数据格式(如STL)，通过3D打印机打印。
图4显示了独创系统和方法的实施例。
图4显示了一个用于优化在生产空间内借助于积层制造生产的零件的生产过程50的系统40，如生产空间29中的组件20或32。该系统40包括了一个界面41和一个模拟装置42。模拟装置42用于进行所需生产零件的生产过程50的模拟2。系统40因此包括一个模拟装置42，其用于完成根据本发明实施例的方法。
在一个典型的初始情况中，需要规定组件必要的属性，如组件长度、固定组件的端口、或者组件所要求的承载度。规定的必需属性将作为模拟2的边界条件9，通过界面41输入到模拟装置42中。其他属性，尤其是组件设计的至少一部分，即组件拓扑的一部分，并非在开始时规定，而是可以选择。除了边界条件9外，还可以向模拟装置42发送输入信息6，例如流程优化标准7和/或组件优化标准8。当然，流程优化标准7和/或组件优化标准8也可以是模拟装置的固定组成部分，不能输入。
为了优化所需生产零件的生产过程50，或者为了自动确定组件已优化的支撑结构，在模拟装置42上执行方法1。该方法1包括了工艺步骤a、b、c、d。工艺步骤a、b、c、d在模拟2中进行。
在工艺步骤a中，确定生产空间内组件20、32根据流程优化标准7已优化的位置。
工艺步骤b中，计算生产过程50可能引起的组件20、32的位移和/或压力。这些位移和/或压力可以是通过重力21、22、23、33和/或通过由于温度引起的生产组件20、32所用材料的密度变化而引起的。
工艺步骤c中，确定支撑结构31。支撑结构31抵消位移和/或压力。
工艺步骤d中，至少一部分组件20、32的设计根据组件优化标准8优化确定。
组件20、32和组件的生产过程50的设计优选通过关联执行和/或共同和/或同时完成。
工艺步骤a、b、c和d不一定按照这个顺序执行，顺序可以是多样的，或者是同时、迭代和/或联系性进行。根据实施例的优选形式，反复任意选择工艺步骤a、b、c和d，和/或结合进行。优选地，该方法设计为在执行模拟期间，整个工艺步骤a、b、c和d反复及/或结合进行。
根据另一实施例，组件优化标准8和流程优化标准7是不同的。例如，根据优选实施例，组件优化标准8的目标是组件20、32的功能设计，而流程优化标准7追求的是生产过程50的低成本设计。
根据另一优选实施例，流程优化标准7追求的是生产过程50中位移的最小化。
根据其他优选实施例，流程优化标准7的目标是支撑结构31的质量的最小化，优选在需要生产的组件20、32的给定最大公差下。
根据另一优选实施例，流程优化目标7的目标是在给定的支撑结构31最大可允许质量下将误差最小化。其中，边界条件9之一优选包括只能在定义的部分区域内生产支撑结构31。误差最小化可以实现生产公差的减小。
根据另一优选实施例，流程优化标准7的目标是支撑结构31数量的最小化。
根据另一种实施例，组件优化标准8和流程优化标准7是加权的。由此就可以支持这两个标准的重要性。
根据另一实施例，方法1包括了组件20、32的设计对流程优化标准7的调整。其特点是，可以将组件设计成生产低成本，或者生产需要更少的支撑结构。
根据另一实施例，至少应对组件20、32的不同设计选择工艺步骤a、b、c和d。
根据另一实施例，方法1包括确定生产空间内已获得优化的组件20、32位置25b以及基于生产过程50已获得优化的支撑结构31的工艺步骤。
根据另一实施例，方法1包括了执行生产空间内已获得优化的组件20、32的位置25b，以及基于生产过程50已获得优化的支撑结构31的工艺步骤。为此，可以将系统40设计成3D打印机，或者是包含一个3D打印机。
根据另一实施例，系统40是一个电脑或者计算机可读介质，在其上可以执行方法1。为了生产组件，可以将借助于方法1优化的生产过程50传输到3D打印机上。
根据另一实施例，在执行生产过程50期间，借助于至少一个传感器探测组件20、32的当前状态。其中，生产过程50基于模拟2和/或基于其他模拟，根据所探测的状态，自动与组件优化标准8和/或流程优化标准7调整配适。
根据另一实施例，方法1包含了一个借助于数学优化方法自动定位和组件20、32的旋转。
根据本发明的优选实施例，建议3D打印机自动确定最优定位，并相应生成最优支撑结构31。为此，只向3D打印机移交所需制作的设计，生产过程的所有调整都将自动进行。
本发明的优选实施例基于以下技术特征：
·生产期间模拟需要制造组件的生产过程、或变形，及生产导致的压力，以及因此，获得预期的精密度。
·计算模拟期间由于重力21、22、23、33引起的组件位移。计算空间内可以实现位移最小化的最优位置。结果是生产流程期间额外支撑结构材料使用的最小化，见图2。
·优化生产流程/定位，基于模拟选择支撑结构。优化可以遵循不同的优化标准，如给定需要生产组件的最大公差下将额外支撑结构的质量最小化，或者在给定支撑结构的最大可允许质量及定义的允许生产支撑结构的部分区域内将公差最小化(注意支撑结构所需的可达到性，必须机械移除)。
·在机器操控单元或位于其中的一个自动化步骤中，用自动化模式实现两个零件步骤。
在有利的实施例中，传感器探测目前的状态，如已形成的几何形状/变形，并基于模拟和优化方法自动根据传感器信息调整生产过程。
根据发明的实施例，可以根据拓扑优化减少支撑结构所需的材料。这一点对于昂贵的材料而言尤其重要。此外，通过添加相应的预定断裂点，可以更简单地移除材料(由于更小的体积)。需要支撑的面积的选择，根据常规软件中相同的示意图进行。
根据发明的实施例，针对积层制造设计方法的优化，可以借助于拓扑优化实现带有最少支撑结构数量的设计。每个设计步骤后，都自动识别(根据现有技术的方法)支撑结构所需的面。优化方法自动在这些表面上施加力，这在拓扑优化步骤中使设计形成需要更少的支撑结构。设计者获得优化设计的反馈，这一优化设计需要更少的支撑结构，可以自己在原始设计上进行相应的修改，或者自动进行修改。设计和生产标准的设计同时优化——而不是像目前先优化设计，然后相应产生支撑结构。
此外，可以借助于数学优化方法提供组件的自动化定位和旋转。这样就可以确保给定的设计需要最少数量的支撑结构。优点是迭代的处理方法，并调整了设计，这样就可以形成需要最少数量支撑结构的组件组合。这一点不仅是对设计者而言，对生产费用而言也是最优的。
根据发明的实施例，该方法包含了制造轻易可清除的支撑结构。即使优化，支撑结构也是必不可少的，应通过简单可逆的方法获得这些支撑结构——例如通过在UV射线或化学制剂影响下分解的抗热粘合剂。这样就可以不用太大的费用移除支撑结构。
根据本发明的实施例，可以通过旋转制造平台避免支撑结构。同样可以用数学方法计算最优的旋转，同时必须考虑已经位于制造空间中微粒的状态。后者可以很好地通过微粒方法确定，这样就可能实现数学优化。
另一优点是也可以用简易可逆方法固定微粒。这样，通过灵活的制造平台提供支撑结构的优化(与建筑结构相反)。
自动化方法提供了很多优点，以及流程完全自动化的可能性，例如在3D打印机中自动生成支撑结构的方法。
根据发明的实施例，通过自动化方法自动产生支撑结构，并自动选择需要生产组件的最优位置。
根据本发明的实施例，使用自动拓扑优化，用于产生支撑结构，同时也自动优化需要生产组件的定位。
根据本发明的实施例，建议可以实现高价值零件(尤其是单独部件)生产流程完全自动化的模块。一方面，减少了开发环节，因为基于模拟已经从制造中预测出零件的质量，并进行了最优化调整。另一方面，通过自动化也可以简单地实现设计和生产的分离，因为自动调整设计，从而获得最优的质量和精度。

Claims (21)

1.借助于生产过程（50）的模拟（2）、优化用积层制造生产的组件（20、32）的生产过程的方法（1），其中，预先确定所述组件（20、32）的固定地预先确定的必要属性作为所述模拟（2）的边界条件（9），并且其中，所述方法包含了下列工艺步骤（a、b、c、d），所述工艺步骤在所述模拟的框架内实施：
a) 在生产空间内，确定所述组件（20、32）的一个根据流程优化标准（7）已优化的位置；
b) 计算所述组件（20、32）的由于所述生产过程（50）引起的位移和/或压力；
c) 确定根据流程优化标准（7）已优化的、抵消所述位移和/或压力的支撑结构（31）；
d) 确定所述组件（20、32）的设计的至少一个已根据组件优化标准（8）优化的部分。
2.根据权利要求1的方法（1），其中，结合地和/或共同地和/或同时地进行关于所述组件（20、32）的设计和所述组件的生产过程（50）的优化。
3.根据权利要求1的方法（1），其中，至少迭代和/或结合地选择工艺步骤a)、b)、c)和d)。
4.根据权利要求1的方法（1），其中，所述组件优化标准（8）和所述流程优化标准（7）不同。
5.根据权利要求1的方法（1），其中，所述组件优化标准（8）和所述流程优化标准（7）被加权。
6.根据权利要求1的方法（1），其中，所述组件优化标准（8）包含了所述组件（20、32）的功能性设计，并且所述流程优化标准（7）包含了所述生产过程（50）的低成本设计。
7.根据权利要求1的方法（1），包括将所述组件（20、32）的设计根据所述流程优化标准（7）调整。
8.根据权利要求1的方法（1），其中，所述流程优化标准（7）包含所述生产过程（50）期间位移的最小化。
9.根据权利要求1的方法（1），其中，所述流程优化标准（7）包含了所述支撑结构（31）的质量的最小化。
10.根据权利要求1的方法（1），其中，所述流程优化标准（7）包含了在所述支撑结构（31）的给定的最大可允许质量下误差的最小化。
11.根据权利要求1的方法（1），其中，所述流程优化标准（7）包含了所述支撑结构（31）的数量的最小化。
12.根据权利要求1的方法（1），其中，对于所述组件（20、32）的不同的设计至少选择工艺步骤a)、b)、c)和d)。
13.根据权利要求1的方法（1）， 包含了确定基于所述组件（20、32）在所述生产空间内的确定的已优化的位置（25b）和确定的已优化的支撑结构（31）的生产过程（50）的工艺步骤。
14.根据权利要求1的方法（1），包含了执行基于所述组件（20、32）在所述生产空间内的确定的已优化的位置（25b）和确定的已优化的支撑结构（31）的生产过程（50）的工艺步骤。
15.根据权利要求14的方法（1），其中，在进行所述生产过程（50）期间，通过至少一个传感器探测所述组件（20、32）的当前状态，并且所述生产过程（50）基于所述模拟（2）和/或其他模拟自动地相应于所探测的状态根据所述组件优化标准（8）和/或所述流程优化标准（7）调整。
16.根据权利要求1的方法（1），其中，由于所述生产过程（50）引起的位移和/或压力能够通过重力（21、22、23、33）和/或生产所述组件（20、32）所用材料的密度变化而引起。
17.根据权利要求1的方法（1），包含了借助于数学优化方法实现的所述组件（20、32)的自动定位和旋转。
18.根据权利要求9的方法（1），其中，所述流程优化标准（7）包含了在需要生产的组件（20、32）的给定的最大公差下所述支撑结构（31）的质量的最小化。
19.根据权利要求10的方法（1），其中，所述边界条件（9）之一包含只能在定义的部分区域内生产支撑结构（31）。
20.系统（40），包含用于执行上述权利要求中任意一个的方法（1）的装置（42）。
21.根据权利要求20的系统，所述系统（40）是一个3D打印机。
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