CN107073818A - 多层选择性激光烧结和熔化增材制造过程的计算机辅助模拟 - Google Patents
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Abstract
用于多层选择性激光烧结和熔化增材制造过程的计算机辅助模拟的方法及对应系统（100）和计算机可读媒介（126）。一种方法包含接收（305）实体模型（402）。所述方法包含沿着建造方向对实体模型（402）进行切片（310），并创建表示制造层的3D网格（404）。所述方法包含模拟（315）3D网格（404）中的每个的制造以产生对应的变形3D网格（414）。所述方法包含按变形3D网格（414）建造（320）3D网格模型（412）。所述方法包含显示（325）3D网格模型（412）。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年9月9日提交的美国临时专利申请62/052,786的申请日的权益，该美国临时专利申请62/052,786由此通过引用被并入。
技术领域
本公开一般地涉及计算机辅助设计（“CAD”）、可视化、工程（“CAE”）和制造（“CAM”）系统，产品生命周期管理（“PLM”）系统，以及管理用于产品的数据和其他项的类似系统（共同地，称为“产品数据管理”系统或PDM系统）。
背景技术
PDM系统管理PLM和其他数据。改进的系统是期望的。
发明内容
各种公开的实施例包含用于多层选择性激光烧结和熔化增材制造过程的计算机辅助模拟的方法及对应系统和计算机可读媒介。一种方法包含接收实体模型；沿着建造方向对实体模型几何结构进行切片，并创建2D片体（sheet body）；利用片体来对3D实体模型进行切片；以及显示结果得到的3D层状体（layered body）。
另一方法包含接收实体模型；沿着建造方向对实体模型几何结构进行切片，并创建针对每个层的2D网格；向2D网格施加位移，并创建针对每个层的3D网格以匹配层厚度；向3D网格施加载荷、边界条件以及约束；以及显示结果得到的变形3D层网格。
另一方法包含接收实体模型。该方法包含沿着建造方向对实体模型几何结构进行切片，并创建表示制造层的3D网格；这可以包含基于薄片来创建片体和2D网格，并拉伸（extrude）2D网格以创建3D网格。所述方法包含模拟3D网格中的每个的制造以产生对应的变形3D网格。所述方法包含按每个层的变形3D网格建造整个零件的3D网格模型。所述方法可以包含对3D网格中的一个或多个施加热和结构载荷和约束。所述方法包含显示3D网格模型。
根据各种实施例，数据处理系统对每个3D网格施加位移以产生对应的变形3D网格。根据各种实施例，数据处理系统根据底层变形3D网格对每个3D网格施加位移。根据各种实施例，数据处理系统通过对所述3D网格施加模型载荷或模型约束来对3D网格中的至少一个施加位移。根据各种实施例，数据处理系统将结果得到的3D网格模型与实体模型相比较。根据各种实施例，模拟每个3D网格的制造以产生对应的变形3D网格包含模拟由制造过程引起的热或结构扭曲。根据各种实施例，数据处理系统通过施加建造参数或模拟参数来模拟3D网格中的每个的制造。
前述已相当宽地概括了本公开的特征和技术优点以便本领域中的技术人员可以更好理解下面的详细描述。形成权利要求的主题的本公开的附加特征和优点将在下文中描述。本领域中的技术人员将领会到他们可以容易地把公开的特定实施例和概念用作用于修改或设计其他结构以实现本公开的相同目的的基础。本领域中的技术人员还将认识到这样等同的构造不脱离本公开以其最宽形式的精神和范围。
在开始进行以下具体实施方式之前，阐述贯穿本专利文档使用的某些词或短语的限定可能是有益的：术语“包含”和“包括”以及其衍生物意在包含而不限制；术语“或”是包含的，意在和/或；短语“与…相关联”和“与之相关联”以及其衍生物可以意在包含、被包含在…内、与…互连、含有、被含有在…内、连接到…或与…连接、耦合到…或与…耦合、可与…通信、与…合作、交织、并列、与…接近、束缚于…或与…束缚在一起、具有、具有…的性质等；并且术语“控制器”意在控制至少一个操作的任何装置、系统或其部分，无论这样的装置以硬件、固件、软件或其中至少两个的某一组合来实施。应该注意到与任何特别的控制器相关联的功能性可以被集中或分布，无论是本地还是远程。贯穿本专利文档提供对于某些词和短语的限定，并且本领域中的普通技术人员将理解这样的限定在许多（如果不是最多）实例中应用到这样限定的词和短语的现有的以及将来的用途。虽然一些术语可以包含各种各样的实施例，但是所附权利要求可以清楚地把这些术语限制到特定的实施例。
附图说明
为了更完整地理解本公开以及其优点，现参考结合附图进行的下面的描述，在所述附图中相似的数字指定相似的对象，并且其中：
图1图示其中可以实施实施例的数据处理系统的框图；
图2图示根据公开的实施例的与原始规划几何结构相比较的层的数值上预测的变形；
图3图示根据公开的实施例的过程的流程图；以及
图4图示如在本文中描述的过程的各种元素，并用来图示图3的过程。
具体实施方式
用于在本专利文档中描述本公开的原理的各种实施例以及以下讨论的图1到4仅仅作为说明并且不应该以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域中的技术人员将理解本公开的原理可以被实施在任何适合地布置的装置中。将参考示例性非限制实施例描述本申请的许多创新的教导。
选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）是通过使用高功率激光来逐层选择性地烧结或熔化粉末材料来建造三维零件的增材制造技术。其与传统实体制造方法相比提供很大的优点，并且是实体无模成形制造（freeform fabrication）方法的常见选择中的两个。由于加热和冷却期间的热梯度的存在，已知激光烧结或激光熔化将引入残余应力，其可以在零件上引起变形（翘曲（wrap））和/或裂纹。这些缺陷的存在可以妨碍容限并影响机械强度。然而，这样的变形的位置和量值不总是可容易预测的，尤其是对于复杂的几何结构而言。
公开的实施例包含一种计算机辅助模拟工具，其可以帮助估计针对任何任意几何结构的翘曲的位置和量。基于模拟的结果，可以在制造零件之前导出并测试用以减小翘曲的策略。
某些计算机辅助工程分析软件系统缺少用以估计翘曲缺陷的功能。过去已经观察并调查研究由SLS和LSM产生的零件的翘曲，但到目前为止，详细的研究已限制于简化的几何结构，例如单个矩形层。已知外伸结构更易于发生翘曲。但是尚未调查研究更复杂的几何结构的翘曲，也未调查研究其如何能够被最小化。较早的研究显示在SLS中对底板预加热可以减小热梯度。但这未提供针对复杂形状的局部的热梯度减小。最近，支撑结构，其与零件附着在一起被印刷，被设计成在SLS和SLM过程期间充当用以减小热梯度的散热器和机械支撑外伸结构。然而，支撑结构设计的影响仍未被透彻理解。还不存在关于散热器关于任意形状零件的放置和设计的清楚指导方针。
公开的实施例包含可以在数值上预测零件在SLS或SLM期间的机械变形的系统和方法。公开的技术允许用户理解零件的什么位置更易于翘曲，并且还起试验台的作用，所述试验台用以找到用来减少针对任何任意形状零件的翘曲的最佳支撑结构设计。
图1图示数据处理系统的框图，在所述数据处理系统中实施例例如可以被实施为特别地由软件配置或者以其他方式配置以执行如在本文中描述的过程的PDM系统，并且特别地被实施为如在本文中描述的多个互连和通信系统中的每个。描绘的数据处理系统包含连接到二级高速缓冲存储器/桥104的处理器102，该二级高速缓冲存储器/桥104进而被连接到本地系统总线106。本地系统总线106例如可以是外设部件互连（PCI）架构总线。在描绘的示例中也连接到本地系统总线的是主存储器108和图形适配器110。图形适配器110可以被连接到显示器111。
其他外设，诸如局域网（LAN）/广域网/无线（例如，WiFi）适配器112也可以被连接到本地系统总线106。扩展总线接口114把本地系统总线106连接到输入/输出（I/O）总线116。I/O总线116被连接到键盘/鼠标适配器118、磁盘控制器120、和I/O适配器122。磁盘控制器120可以被连接到储存器126，所述储存器126可以是任何适合的机器可用或机器可读储存器媒介，包含但不限于非易失性、硬编码类型媒介诸如只读存储器（ROM）或可擦除可电编程只读存储器（EEPROM）、磁带储存器、以及用户可记录类型媒介，诸如软盘、硬盘驱动、和压缩盘只读存储器（CD-ROM）或数字多用盘（DVD）以及其他已知的光学、电、或磁储存器装置。I/O适配器122可以被连接到激光印刷系统150，诸如SLS或SLM系统，其能够执行如在本文中描述的基于激光的增材制造任务以产生物理零件。储存器126可以储存在本文中描述的任何数据，包含建造参数162、模拟参数164、模型载荷166以及模型约束168。
在示出的示例中也连接到I/O总线116的是音频适配器124，扬声器（未示出）可以被连接到所述音频适配器124用于播放声音。键盘/鼠标适配器118提供用于指示装置（未示出）诸如鼠标、跟踪球、跟踪指示器、触摸屏幕等的连接。
本领域中的普通技术人员将领会到在图1中描绘的硬件针对特别的实施方式可以变化。例如，除了描绘的硬件之外或者代替描绘的硬件，也可以使用其他外设装置，诸如光盘驱动等。描绘的示例仅仅为了解释的目的提供而不意在暗示关于本公开的架构限制。
根据本公开的实施例的数据处理系统包含采用图形用户接口的操作系统。操作系统准许多个显示窗口同时呈现在图形用户接口中，其中每个显示窗口提供与不同应用或者与相同应用的不同实例的接口。在图形用户接口中的光标可以由用户通过指示装置来操纵。光标的位置可以被改变和/或事件诸如点击鼠标按钮被生成以致动期望的响应。
各种商业操作系统中的一个，诸如微软WindowsTM版本（位于华盛顿州雷德蒙德的微软公司的产品），如果经适合地修改则可以被采用。根据如描述的本公开修改或创建操作系统。
LAN/WAN/无线适配器112可以被连接到网络130（不是数据处理器系统100的部分），所述网络130可以是如为本领域中的技术人员所知的任何公共或私有数据处理系统网络或网络的组合，包含因特网。数据处理系统100可以通过网络130与服务器系统140通信，所述服务器系统140也不是数据处理系统100的部分但是例如可以被实施为单独的数据处理系统100。
公开的实施例包含可以在数值上预测在选择性激光烧结期间由反复加热和冷却引起的零件的机械变形的系统和方法。可以模拟层的沉积以及加热和冷却。在SLS或SLM系统中，当正在制造零件时，向粉末床添加连续的粉末层。在特定点处对每个粉末层进行激光加热以使粉末在该点处固化并将其熔凝到前一粉末层中的任何实体部分。因为每个层是连续制造的，所以下层中的任何变形影响（一个或多个）上覆层。公开的实施例可以模拟并预测给定层的变形以及零件的许多或所有层的累积变形。
针对给定的任意形状，公开的实施例可以基于层厚度将该形状分裂成多个薄片。“层厚度”指的是将在制造过程中使用的每个粉末层的厚度。在将每个有限元网格层添加到域之后，可以执行经结合的热-结构分析以计算由于SLS或SLM期间的加热和冷却的温度和机械变形。对有限元网格施加位移并重复此过程直至所有层都被添加并熔凝在一起为止。然后可以对照最初规划的3D CAD模型来比较最终的几何结构以识别变形的位置。在本实施例中，由CAD系统的同一软件环境中的CAE系统来执行模拟。并且，可以分析加热和冷却阶段期间的温度和机械应力图以进一步理解某一区翘曲的原因。请注意，虽然本特定示例使用有限元分析，但是可以使用不同于有限元技术的模拟方法来实施其他实施例。
公开的实施例可以利用例如西门子产品生命周期管理软件公司（德克萨斯州Plano市）的NX软件产品中的结构和热解算器的能力来执行经结合的热-结构分析以预测翘曲。
热分析：使用热模拟，可以模拟由激光束的加热或冷却引起的温度梯度。用户可以规定用来加热层的激光功率、时间持续以及用于冷却的时间和在加热和冷却期间发生的热传导的边界条件。
结构分析：公开的实施例，使用结构模拟工具诸如西门子产品生命周期管理软件公司（德克萨斯州Plano市）的NX Nastran软件产品，可以计算与此温度改变相关联的机械应力。可以规定结构约束以指示零件是否在任何时间受到约束。如果必要的话，还可以规定结构载荷。根据结构模拟，计算零件的变形。而且，还可以估计由于热应变而引起的零件内的机械应力。此工具还具有在正确限定适当的材料性质时估计非弹性应变的能力。
经结合的热-结构分析：可以同时地执行热和结构分析过程，公开的实施例可以使两个模拟结合，并且使此经结合的热-结构分析自动化。空间和时间变化的温度将影响变形，并且同时，该变形（因此的用于热模拟的域的几何结构中的改变）还影响热分析中的温度梯度的预测。
图2图示与原始规划的几何结构（其可以是不同地着色的）相比较的层的数值上预测的变形（其可以是依据位移而以颜色分类的）。本图将模拟层202的示例示出为与未变形层204相比较具有变形的薄三维（3D）网格。在本示例中，在中心区域206中存在相对很少的变形，但是在边缘区域处诸如在边缘208处存在更大量的变形，并且在角落210处存在显著的变形。
公开的实施例提供若干技术优点。公开的实施例可以处理任何任意的几何结构，因为SLS和SLM零件可以采取非常复杂的形式。可以并入并测试散热器设计。
公开的实施例可以应用于任何材料的SLS或SLM，只要提供材料性质即可。
公开的实施例允许调整操作条件（例如，激光功率、粉末床温度、加热/冷却的持续时间、层厚度、冷却温度、基片底板温度、机械约束等）。
如在本文中描述的系统和方法可以帮助改善通过SLS和SLM制造的零件的质量。使用此工具，可以在印刷零件之前在数值上识别翘曲的位置。可以于未在物理上印刷所有不同配置的情况下测试各种支撑结构的设计。这节省材料成本。此工具可以接受任何任意形状以及散热器设计。还可以估计添加散热器的效果，使得可以使翘曲最小化。用此工具，用户可以添加不同配置的散热器并找到使针对给定零件的翘曲最小化的设计。
图3图示可以例如由PLM或PDM系统执行的根据公开的实施例的过程的流程图，不管其被实施为如以上描述的数据处理系统100、为“基于云”的数据处理系统，还是其他。图4图示如在本文中描述的过程的各种元素，并被用来图示图3的过程。
系统接收实体模型（305），诸如在图4中图示的实体模型402。如在本文中使用的，接收可以包含从储存器加载、从另一装置或过程接收、经由与用户的交互接收或者其他。此过程可以包含规定或接收建造参数162，所述建造参数162规定将如何制造由实体模型402表示的零件，以及规定或接收模拟参数164，所述模拟参数164规定实体模型402如何模拟零件或其制造。
系统沿着建造方向对实体模型几何结构进行切片并创建3D网格（310）。系统以从而产生与连续层对应的3D网格这样的方式来对实体模型几何结构进行切片，所述连续层将被用来使用SLS或SLM技术自下而上创建对应零件；在本文中还可以将针对每个层的3D网格称为3D层网格。在图4中，将实体模型402切成层以创建3D网格404（在图4中用虚线层来表示）。模拟层202是3D网格的示例。
在生成3D网格的过程中，系统可以首先生成层的顶面的2D网格，然后通过投影过程从2D网格生成层的3D网格。投影过程可以类似于节点式拉伸，其中，拉伸距离根据节点下面的变形3D网格的顶面位置而在2D网格的节点之间变化。
系统模拟每个3D网格的制造，其表示制造层，以产生对应的变形3D网格（315）。作为模拟的一部分，系统对现有3D网格中的一个或多个施加位移以产生对应的变形3D网格；可以根据任何底层变形3D网格（无论单独还是组合地）得到位移。可以通过对3D网格施加热或结构模型载荷（其可以包含边界条件）或模型约束来得到位移。可以具体地根据热-结构结合的制造模拟来得到位移；即，在模拟给定3D网格层的制造的同时，系统模拟由制造过程其本身引起的热或结构扭曲（distortion）（如在图2中示出的），并且将这些扭曲作为位移施加于变形3D网格。可以根据建造参数或模拟参数来执行模拟制造。
系统按变形3D网格建造3D网格模型（320）。3D网格模型是要制造的零件的模型，并且组合3D网格层表示包含通过模拟制造过程产生的变形的零件。步骤315和320可以作为重复的迭代过程而被执行，使得每个层3D网格在施加根据当前3D网格模型的位移之后被添加到零件的3D网格模型，并且模拟结果得到的变形3D网格以获得扭曲的累积效果。3D网格模型312图示按变形层3D网格414的层创建的3D网格模型。
系统显示结果得到的3D网格模型（325）。这可以包含将结果得到的3D网格模型412与实体模型402相比较以图示将由实际制造过程引起的预期变形。
系统可以制造3D网格模型或实体模型（330）。当然，当模拟是正确的时，使用如在本文中描述的SLS或SLM技术来印刷实体模型将产生更接近地类似3D网格模型的物理零件，因为3D网格模型反映从模拟产生层中的每个检测到的变形。
通过引用并入下面的专利公开和论文：WO2014/028879 A1, Feb 20, 2014；PCT/US2013/055422, Aug 16, 2013, Proceedings of Solid Freeform Symposium, 2001 /P.366-372；Proceedings of 17th, Solid Freeform Fabrication Symposium, 2006 /P. 709-720；Proceedings of Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings,2013；Proceedings of Solid Freeform Symposium, 2000 / P. 209-218；The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013 / Vol. 65 /P. 1471-1484；International Journal of Mechanical Sciences, 2002 / Vol. 44 /P. 57-77；International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002 / Vol. 42/ P. 61 -67；Optics and Lasers in Engineering, 2007 / Vol. 45 / P. 11 15-1130；Proceedings of 23rd Solid Freeform Fabrication Symposium, 2012 / P. 707-718；Physics Procedia, 2013 / Vol. 41 / P. 894-857；以及Procedia CIRP, 2013 /Vol. 12 / P. 169-174。
当然，本领域中的技术人员将认识到除非由操作的顺序具体指示或需要，否则以上描述的过程中的某些步骤可以被省略、同时或顺序地执行、或者以不同的次序执行。
本领域中的技术人员将认识到，为了简单和清楚，适合于供本公开使用的所有数据处理系统的完全的结构和操作没有在本文中描绘或描述。作为代替，仅仅如对于本公开是唯一的或者对于理解本公开是必要的那么多数据处理系统被描绘和描述。数据处理系统100的构造和操作的剩余部分可以与本领域中已知的任何各种当前实施方式和实践相符。
注意到以下是重要的：虽然本公开包含在全功能系统的上下文中的描述，但是本领域中的技术人员将领会到本公开的机构中的至少部分能够以用各种形式中的任一形式包含在机器可用、计算机可用、或计算机可读媒介内的指令的形式分布；并且不管用于实际实现该分布的特别类型的指令或信号承载媒介或储存器媒介，本公开同样适用。机器可用/可读或计算机可用/可读媒介的示例包含：非易失性、硬编码类型媒介诸如只读存储器（ROM）或可擦除、电可编程只读存储器（EEPROM）以及用户可记录类型媒介诸如软盘、硬盘驱动和压缩磁盘只读存储器（CD-ROM）或数字多用盘（DVD）。
尽管已详细描述本公开的示例性实施例，但是本领域中的技术人员将理解在不脱离本公开以其最广形式的精神和范围的情况下可以进行在本文中公开的各种改变、代替、变化和改进。
在本申请中没有任何描述应该被当作暗示任何特别的元件、步骤或功能是必须被包含在权利要求范围内的必需元素：受专利权保护的主题的范围仅仅由授权的权利要求限定。此外，这些权利要求没有一个旨在援引美国法典第35卷112（f）条，除非确切的词“用于…的装置”跟随有分词。
Claims (20)
1.一种由数据处理系统（100）执行的方法，并且其包括：
接收（305）实体模型（402）；
沿着建造方向对所述实体模型（402）进行切片（310），并创建表示制造层的3D网格（404）；
模拟（315）所述3D网格（404）中的每个的制造以产生对应的变形3D网格（414）；
按所述变形3D网格（414）建造（320）3D网格模型（412）；以及
显示（325）所述3D网格模型（412）。
2.权利要求1所述的方法，其中，所述数据处理系统（100）对每个3D网格（404）施加位移以产生所述对应的变形3D网格（414）。
3.权利要求1所述的方法，其中，所述数据处理系统（100）根据底层变形3D网格（414）对每个3D网格（404）施加位移。
4.权利要求1所述的方法，其中，所述数据处理系统（100）通过对所述3D网格（404）施加模型载荷或模型约束来对所述3D网格（404）中的至少一个施加位移。
5.权利要求1所述的方法，其中，所述数据处理系统（100）将结果得到的3D网格模型（412）与所述实体模型（402）相比较。
6.权利要求1所述的方法，其中，模拟每个3D网格（404）的制造以产生对应的变形3D网格（414）包含模拟由制造过程引起的热或结构扭曲。
7.权利要求1所述的方法，其中，所述数据处理系统（100）通过应用建造参数或模拟参数来模拟所述3D网格（404）中的每个的制造。
8.一种数据处理系统（100），包括：
处理器（102）；以及
可访问存储器（108），所述数据处理系统（100）特别地被配置成：
接收（305）实体模型（402）；
沿着建造方向对所述实体模型（402）进行切片（310），并创建表示制造层的3D网格（404）；
模拟（315）所述3D网格（404）中的每个的制造以产生对应的变形3D网格（414）；
按所述变形3D网格（414）建造（320）3D网格模型（412）；以及
显示（325）所述3D网格模型（412）。
9.权利要求8所述的数据处理系统，其中，所述数据处理系统（100）对每个3D网格（404）施加位移以产生所述对应的变形3D网格（414）。
10.权利要求8所述的数据处理系统，其中，所述数据处理系统（100）根据底层变形3D网格（414）对每个3D网格（404）施加位移。
11.权利要求8所述的数据处理系统，其中，所述数据处理系统（100）通过对所述3D网格（404）施加模型载荷或模型约束来对所述3D网格（404）中的至少一个施加位移。
12.权利要求8所述的数据处理系统，其中，所述数据处理系统（100）将结果得到的3D网格模型（412）与所述实体模型（402）相比较。
13.权利要求8所述的数据处理系统，其中，模拟每个3D网格（404）的制造以产生对应的变形3D网格（414）包含模拟由制造过程引起的热或结构扭曲。
14.权利要求8所述的数据处理系统，其中，所述数据处理系统（100）通过应用建造参数或模拟参数来模拟所述3D网格（404）中的每个的制造。
15.一种用可执行指令编码的非暂时性计算机可读媒介，所述可执行指令当被执行时使一个或多个数据处理系统：
接收（305）实体模型（402）；
沿着建造方向对所述实体模型（402）进行切片（310），并创建表示制造层的3D网格（404）；
模拟（315）所述3D网格（404）中的每个的制造以产生对应的变形3D网格（414）；
按所述变形3D网格（414）建造（320）3D网格模型（412）；以及
显示（325）所述3D网格模型（412）。
16.权利要求15所述的计算机可读媒介，其中，所述数据处理系统（100）对每个3D网格（404）施加位移以产生所述对应的变形3D网格（414）。
17.权利要求15所述的计算机可读媒介，其中，所述数据处理系统（100）根据底层变形3D网格（414）对每个3D网格（404）施加位移。
18.权利要求15所述的计算机可读媒介，其中，所述数据处理系统（100）通过对所述3D网格（404）施加模型载荷或模型约束来对所述3D网格（404）中的至少一个施加位移。
19.权利要求15所述的计算机可读媒介，其中，所述数据处理系统（100）将结果得到的3D网格模型（412）与所述实体模型（402）相比较。
20.权利要求15所述的计算机可读媒介，其中，模拟每个3D网格（404）的制造以产生对应的变形3D网格（414）包含模拟由制造过程引起的热或结构扭曲。
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