CN107403026B - 增材制造的可扩展有限元模拟 - Google Patents

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Abstract

使用用于零件级模拟的数值方法提供准确、可扩展和可预测的3D打印模拟的方法和系统。复杂的零件可以使用独立和任意的网格离散化成有限元。使用将有限元网格与打印机的工具路径信息在几何意义上组合在一起的相交模块，对打印机的真实增材制造工具路径和打印时间进行模拟并应用于有限元的网格。这允许非常精确地模拟局部加热效应，并且允许在给定相交模块在打印模拟中的任何给定时间对有限元的部分小面和体积的计算时精确地计算冷却评估。

Description

增材制造的可扩展有限元模拟
相关申请
本申请要求于2016年5月20日提交的第62/339,203号美国临时申请的权益。上述申请的全部教导通过引用的方式被并入本文中。
背景技术
3D打印技术近年来的动力是显著的。许多打印机制造商存在，并且新公司似乎一夜之间出现。尽管存在这种新的发展浪潮，但是在许多(如果不是大多数)情况下，技术的可靠性受到限制，并且打印或增材制造(“AM”)的零件在与使用传统技术制造的零件比较时产生导致低于标准的强度和疲劳寿命的缺陷。这个不利的方面严重限制了技术的普及。寻求计算机模拟来提供对流程的洞察，从而可以在提高AM零件质量方面取得进展。
增材制造过程的许多物理相关方面类似于一些常规制造技术，例如铸造和焊接。材料以热和流体状态加入，然后冷却。在增材制造中，材料以熔融状态逐渐增加，或者通过移动的热源(例如，激光)使其处于熔融状态，之后在连续演变的表面上发生冷却。AM的额外挑战，特别是与金属制造相关的问题，与制造过程中必须处理的时间和长度尺度的巨大差距有关：在“行动”区域内的非常局部化和快速发展的物理现象，而整个零件的制造过程需要数小时或可能数天。
开发用于模拟增材制造过程的某些方面的数值技术的努力是众多的，并且跨越从学术界到应用研究商业实体的多个个科学家和工程师社区。通过计算机模拟来捕获/预测这些过程的困难很多，包括：(1)熔化/凝固物理现象的差异非常大的时间尺度(毫秒)和典型零件的整个制造时间(机器上打印的小时数)；(2)范围广泛的尺度长度，从与熔池相关的微米到对典型零件进行建模所需的数百毫米；(3)在“作用”区周围快速演变高温梯度，这导致高度各向异性材料的最终性能(在最终热处理之前)；(4)假设采用足够的模型，通常需要非常大的模拟时间来对这些过程建模，以便捕获上述所有。
开发新的数值方案对于应对所有这些挑战是必要的。以下是现有技术的示例，每种技术都不能解决上述困难：
3DSIM是声称它开发基于有限元的有效数值模拟技术的公司。3DSIM的方法似乎利用自适应网格细化/粗化技术，同时利用先进的金属建模本构行为。参见www.3dsim.com和I.Gibson，D.Rosen，B.Stucker，Additive manufacturing technologies：Rapidprototyping to direct digital manufacturing，Springer，New York，2009。该技术旨在用于激光熔融/烧结AM应用和在“动作”区域(例如，当前的激光位置)中采用自动网格细化技术。然而，它并没有在整个零件中利用实际的激光路径信息和重涂棒/边接棒。因此，通过对整个零件进行对流和辐射实现的整体冷却会导致丢失精度/预测性。此外，当分析在多个CPU(特别是大量的CPU)上并行运行时，网格的自动细化/粗化对整体计算性能具有负面影响。
PANCOMPUTING是利用基于有限元解决方案的公司的另一个例子。PANCOMPUTING的方法还包括自适应网格细化技术，并且能够在打印过程中对不期望的失真进行预测。参见www.pancomputing.com和P.Michaleris，“Modeling metal deposition in heattransfer analyses of additive manufacturing processes In situ monitoring”。Finite Elements in Analysis and Design(2014)：51-60。该技术与3DSIM相似，并且面临着类似的限制。
美国国家实验室也一直在与洛斯阿拉莫斯和劳伦斯利弗莫尔引领该努力的主题进行投资。在洛斯阿拉莫斯，长期以来，现有的铸造模拟软件正在适应/重新设计以研究数值化地AM过程(参见www.lanl.gov的Truchas铸造软件)。在劳伦斯利弗莫尔，正在开发综合模拟技术，以微观尺度解决从粉末到液体到固体的相变的复杂物理学，并试图预测极小零件的残余应力。参见N.E.Hodge，R.M.Ferencz，J.M.Solberg，“Implementation of athermomechanical model for the simulation of selective laser melting”ComputMech(2014)54：33-51)。美国国家实验室似乎并不关注零件级别模拟的准确预测。相反，他们似乎在理解非常小尺度模型的基本行为方面付出了很大的努力，对整体行为没有给予足够的重视，而对实际零件而言，也没有重视。
研究该主题的学者太多，无法以全面的方式在此列出。许多学者利用原来的用于焊接或铸造的现有的旧型号，例如JB Leblond，“Mathematical Modeling ofTransformation Plasticity in Steels”，国际可塑性杂志(International Journal ofplasticity)，第5卷，573-591,1989中所述。最近的工作(如Xipeng Tan，Yihong Kok等人，“An experimental and simulation study on build thickness dependentmicrostructure for electron beam melted Tie6Ale4V，合金和化合物杂志646(Journalof Alloys and Compounds 646)(2015)303-309)着重于非常有价值且实用的或多或少复杂的材料本构行为模型。各种类似国家实验室的学术机构也不关注可扩展预测解决方案的零件级模拟。当包含零件级的演示文稿时，与形状相关联的几何体被严格简化以适应处理现实零件的技术方面的缺乏。
热处理相关应用的数值模拟在金属的情况下在建模整个零件中的冶金转化的建模中具有显著的相关性。参见www.dante-solutions.com和B.Lynn Ferguson和ZhichaoLi，“Using Simulation for Heat Treat Process Design:Matching the QuenchingProcess”，ICTPMCS-2010，2010年5月31日至6月2日，中国上海。热处理软件包虽然从各种角度与AM过程模拟非常相关，但受到严重限制：它们缺乏模拟局部热方面(如激光加热)和管理增材制造过程的演变表面的能力。
因此，尽管开发各种数值模拟技术的众多先前努力，但是仍然存在与这些发展相关联的许多相当显著的局限性。
发明内容
本发明的实施例使用用于零件级模拟的数值方法来提供准确的、可扩展的和可预测的3D打印模拟。本发明的一个示例性实施例是模拟现实世界对象的增材制造的方法。根据该方法，处理器使用任意密度的任意网格将现实世界对象的表示离散化成多个有限元，其中有限元是现实世界对象的几何部分的表示，并且有限元存储在存储器中。由现实世界增材制造设备用于制造现实世界对象的现实世界增材制造序列被确定，其中增材制造序列包括多个时间步骤并且表示其中制造由有限元表示的现实世界对象的部分的顺序。对于增材制造序列的每个时间步骤，处理器(i)根据增材制造序列模拟有限元中的有限元的任意几何层的制造，(ii)根据增材制造序列确定在层的相应位置处的模拟的热通量的序列，其中模拟的热通量说明在模拟层的制造时层内模拟的增材制造设备的热源的路径和强度，(iii)在存储器中与对应于层的有限元相关联地存储模拟的热通量的表示，以及(iv)对于具有模拟制造层的每个有限元，确定有限元的当前暴露的部分表面区域，基于该有限元的当前暴露的部分表面区域来模拟有限元的冷却，并且基于有限元的模拟冷却在存储器中更新与有限元相关联的模拟的热通量的表示。
本发明的另一个示例性实施例也是一种模拟现实世界对象的增材制造的方法，其涉及处理器与存储现实世界对象的多个有限元作为表示的存储器通信。该方法获得现实世界增材制造设备使用来制造现实世界对象的现实世界增材制造序列，其中增材制造序列包括多个时间步骤。对于增材制造序列的每个时间步骤，处理器(i)根据增材制造序列模拟制造多个有限元中的有限元的任意几何层，(ii)根据增材制造序列确定在层的相应位置处的一个或多个模拟的热通量，其中模拟的热通量说明在模拟层的制造时，层内模拟的增材制造设备的热源的路径和强度，(iii)在存储器中与对应于层的有限元相关联地存储模拟的热通量的表示，以及(iv)对于具有模拟制造层的每个有限元，确定有限元的当前暴露的部分表面区域，基于有限元的当前暴露的部分表面区域来模拟有限元的冷却，并基于有限元模拟的冷却在存储器中更新有限元的热通量的表示。
在上述方法的一些实施例中，确定有限元的当前暴露的部分表面区域可以包括基于存储在存储器中的有限元来确定有限元的不位于邻近另一活动元件表面小面的表面小面。
在上述方法的一些实施例中，确定在层的相应位置处的模拟的热通量的序列可以包括根据增材制造序列来分析相对于层的模拟的增材制造工具的路径，并且确定模拟的热通量序列可以包括，对于给定的模拟的热通量，确定在相应层的一部分处的热源的强度和持续时间。
在上述方法的一些实施例中，更新与有限元相关联的模拟的热通量的表示可以包括确定和在存储器中存储有限元的部分体积和有限元的部分小面区域。在这样的实施例中，更新有限元的热通量的表示可以包括基于有限元的模拟冷却、所确定的有限元的部分体积以及有限元的部分小面区域来确定用于制造有限元的模拟基底的状态，或者可以进一步包括，对于每个有限元，在所述存储器中存储任何相邻有限元的列表以及这些相邻有限元的部分体积和部分小面区域。
本发明的另一个示例性实施例是一种用于模拟现实世界对象的增材制造的系统，其包括数据存储、硬件处理器和相交模块。数据存储存储现实世界对象的多个有限元，其中有限元是根据任意密度的任意网格的现实世界对象的几何部分的表示。硬件处理器与数据存储通信，并且被配置为根据包括多个时间步骤的增材制造序列来模拟制造现实世界对象的现实世界增材制造设备。相交模块与硬件处理器和数据存储通信，并且被配置为：给定增材制造序列的特定时间步骤，(i)在增材制造序列的特定时间步骤处确定受模拟的增材制造设备影响的有限元的增加的体积和部分小面区域，和(ii)在增材制造序列的特定时间步骤处确定有限元的热通量事件和位置。硬件处理器被配置为在模拟现实世界增材制造设备时，对于增材制造序列的每个时间步骤，(i)向相交模块提供时间步骤，(ii)在增材制造序列的特定时间步骤处从相交模块接收受模拟的增材制造设备影响的有限元的增加的体积和部分小面区域，(iii)对于受影响的有限元的每个有限元，利用有限元的增加的体积和部分小面区域对存储在数据存储中的有限元进行更新，并基于有限元的增加的体积和部分小面区域确定有限元的当前暴露的部分表面区域，(iv)从相交模块接收有限元的热通量事件和相关联的位置，(v)对于每个接收的热通量事件，基于相关联的位置更新与存储在数据存储中的相应的有限元相关联的节点热通量，(vi)基于有限元的当前暴露的部分表面区域来确定每个有限元的冷却，以及(vii)基于所确定的对应于节点热通量的有限元的冷却来更新每个节点热通量。
在一些实施例中，数据存储可以包括，存储在数据存储中的每个有限元的相邻有限元的列表，并且处理器可以被配置为基于给定的有限元的相邻有限元的列表来确定给定有限元的当前暴露的部分表面区域。在这样的实施例中，数据存储还可以包括，对于每个相邻有限元的列表中的每个相邻有限元，关于相邻有限元是否是活动的指示，并且处理器可以被配置为基于给定有限元的相邻有限元的列表以及每个相邻有限元是否是活动的相关指示来确定给定有限元的当前暴露的部分表面区域。
在一些实施例中，硬件处理器可以被进一步配置成将模拟的增材制造设备的节点坐标提供给相交模块，或者还可以被配置为基于有限元的模拟冷却和热通量事件确定且在数据存储中存储用于制造有限元的模拟基底的状态。
在一些实施例中，相交模块可以被配置为在增材制造序列的给定时间步骤处基于模拟的增材制造设备的模拟热源的强度和路径来确定热通量事件。
附图说明
从以下附图中所示的本发明的示例性实施例的更具体的描述中，前述将是显而易见的，其中相同的附图标记在不同的视图中是指相同的部件。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的实施例上。
图1是示出了使用增材制造过程制造的复杂形状的任意网格化的示意图。
图2是示出了根据本发明的示例性实施例的示出沿着有限元的两层的两个示例平面的示例性有限元的示意图。
图3是示出了根据本发明的示例性实施例的用于制造如图2的有限元的有限元的示例层的示例性增材制造工具路径的示意图。
图4是示出了根据本发明的示例性实施例的两个示例性相邻有限元、添加到有限元之一的层和有限元的部分表面区域的示意图。
图5是示出了示例的总体增材制造工作流程的框图。
图6是示出了根据本发明的示例性实施例的增材制造过程的模拟的流程图。
图7是根据本发明的示例性实施例的用于模拟增材制造过程的计算机(或数字处理)系统的框图。
图8是可以实现本发明的实施例的示例性计算机网络环境的示意图。
具体实施方式
以下描述本发明的示例性实施例。
本发明的实施例使用用于零件级模拟的数值方法提供准确的、可扩展的和可预测的3D打印模拟，并涉及以下方法。
网格划分：3D打印过程要对其进行建模的零件的几何形状首先用有限元离散化。任意网格可以用于任意网格密度。使用这样的网格大大改进了分析过程的流线化，因为典型的AM制造零件具有非常复杂的形状，其中均匀的网格实际上不可能。具有任意网格化的这种复杂形状的示例在图1中示出。
机器信息：与制造零件的3D打印机(例如，粉末重涂序列、激光扫描路径、打印头的材料存放等)相关的信息被预处理，而不会从物理机使用的实际数据有精度损失。就建模过程而言，通过简化打印机实际使用的信息，不会有精度损失。
相交：被称为“相交模块”的部件用于以几何意义的方式将有限元网格与打印机的工具路径信息相交。例如，可以使用粉末床重涂器的当前表面高度的信息来计算在任何给定时间相交的元件的部分元件体积。图2示出了有限元200，并且显示了在模拟期间在两个不同的时间处两个不同的部分体积。Pd示出了增材制造方向。平面Pi是层Li的有限元200的填充水平。平面Pj是层Lj处的有限元200的填充水平，层Lj在时间上晚于Li。此外，计算相交的元件的小面上的部分区域。例如，当有限元被填充到层Li时，多边形A、B、C的部分区域为I1、I2、B、C。相交可以基于零件的原始形状或在分析期间零件的预测的变形/扭曲形状的当前形状。在许多实施例中，相交模块可以使用软件来实现。
渐进元件激活：基于上述部分元件体积，在模拟期间的任何给定点处，任何特定的有限元完全用物质填充、部分用物质填充或完全为空。相交模块以精确的方式跟踪这种演变。采用部分体积集成技术来说明这些部分体积中的每一种中的各种材料相或状态(例如，粉末、熔融液态、固态)。允许任意时间递增序列。例如，在图2中，有限元200的I1、I2、I3、I4多边形(Pi)周围的薄片将是原始状态的材料(例如，粉末或液体)，下面将是固体(或部分液体)，并且以上将是空隙。渐进激活技术允许准确地指定可以将原始状态的材料(例如，粉末)添加到给定元件的初始温度。这是通过基于元件的集成点的当前温度和期望的初始温度之间的差来应用自动计算的等效潜热通量来实现的。
渐进加热计算：在任何时间点，通过考虑热源的实际路径来计算特定的热脉冲串，如图3所例示的用于基于激光扫描的AM过程。图3描绘了与上表面相交平面(例如，从上方观察的图2中的Pj)相关联的横截面视图。对于每个元件每层计算任意数量的加热事件(在给定位置处表征为热通量的序列，如图3中的圆圈305所示)，以便在时间和空间上精确地表示加热源。在图3中，路径310表示激光器根据机器信息所取的路径。在图3的特定实施例中，基于通过激光器在三角形层上的每次所覆盖的区域和激光的强度来计算热通量。允许任意时间递增序列。
通过对流和辐射进行的渐进冷却：上述部分小面区域集成允许在任何给定的有限元离散化方面对冷却相关的热通量进行非常精确的评估。如图4所示，可以在任何时间点计算多边形I1、I2、I3、I4和侧面多边形B、I2、I1、C的位置和表面区域，以非常精确地考虑当前暴露于外面的正在制造的零件的区域。然后可以在精确计算的区域上对辐射和对流冷却进行建模。
本发明的实施例针对多种增材制造工艺的零件级模拟提供了高度可扩展的解决方案。这包括但不限于SLM、DLM、Polyjet、喷墨和FDM技术。一些特别的优点包括：
(1)允许独立和任意的网格化。可以使用优选的有限元(FE)网格扫描器像往常一样使复杂的零件进行网格化，而不必使用与机器相关联的层(或任何其他)信息对复杂几何形状进行分区。对于非常复杂的零件，这种方法允许更好地近似正在制造的零件的形状，而无需开发专门的网格化技术或采用基于体素的方法，这些方法遭受固有的人造应力集中器。
(2)如果真实的机器中使用这些路径，则说明真实的工具路径和实际打印时间(激光、电子束、存放头、重涂棒等)。这包括具有数千层的工具路径、数百万个分段、随后是实际生产零件的复杂几何形状。用户不需要对机器信息的近似进行实验。
(3)在计算性能和精度之间减轻可扩展性。人们可以简单地使用非常精细的网格用于非常精确的参考解决方案(通常用于小零件)，或者可以使用较粗的网格用于计算高效的解决方案(通常用于较大的零件)。可以使用全范围的FE网格。适用于隐式和显式的时间集成方案以受益于每种技术的固有优点，如时间步骤大小、瞬态行为、数值收敛和计算性能。
(4)对于给定的FE网格，“相交”技术为任何数量的基于体积的集成产生了可能最佳的结果(任何FE软件中的典型操作)，因为精确地说明了不同材料的体积(原始状态，例如作为粉末，熔融液态和固态)。如果需要，该解决方案可以与附加的自动网格细化技术结合使用。
(5)非常好地捕获了局部加热效果。这种热事件的位置、它们的强度和持续时间被非常精确地捕获，而不是由于热源(诸如快速行进的激光点)与网格的“相交”计算而直接依赖于网格选择。
(6)在精确计算的表面区域上评估对流和辐射热损失，对于任何给定的网格选择，它将是精确的，因为它可能得到。通过精确地计算大部分冷却发生的顶表面，并且如上所述通过将活动/非活动相邻元件的列表与部分小面计算一起保持，冷却发生的表面区域的精度远远超过网格离散化选择。
总体增材制造工作流程包括更多数量的构建块，如图5所示。在此上下文中，本文描述的方面与图5中圈出的两个构建块相关联。更详细地，两个带圆圈的块可以遵循图6所示的流程图600。该图包括建筑细节，并且基于用于时间瞬时热传递解决方案的拉格朗日FE代码。时间步进式序列遵循通常在时间瞬变解决方案中遇到的典型增量序列。
图6的流程图600包括执行其功能的四个主要构建块，具体如下：
(1)每个分析功能605一次，其建立与“相交”机器信息和有限元网格相关联的有效数据结构。
(2)与机器数据和FE网格之间的几何交点相关联的数据被存储在数据库中，数据库可以是相交模块610的一部分。可以提供多个应用编程接口(API)来触发数据存储、实际计算，如粉床相交顶面与FE网格，以及激光加热脉冲串，如上所述。
(3)在610、615、620和625中描绘跨越打印零件所需时间的时间递增循环。这些是每增量触发一次的计算，无论与隐式时间集成解决方案中的非线性FE建模相关联的普通牛顿-拉夫逊循环可能需要进行多少次迭代。机器数据和FE网格之间的实际交点的计算发生在此处，并且可以使用网格的原始配置或(在耦合的传热-应力分析的情况下)当前变形的配置。根据需要从数据库存储、计算和最终提取必要的数据。
(4)最后，通过从专门的数据库检索必要的信息，在FE代码中如往常一样，在迭代期间进行多次计算，以应用外部热通量(加热和冷却，如上所述)。这些计算在610和630中描述。
用于实现上述组件的一些示例数据结构可以包括有限元数据结构，其存储要被模拟的对象的有限元，(1)与该元件相关联的节点号，(2)3D中该元件的节点坐标，(3)和节点位移(用于计算元件的变形配置)。这样的数据结构可用于在存储器中表示要制造的零件的元件的集合。这样的数据结构也可用于在存储器中表示在打印过程期间用于锚固零件的支撑件的元件的集合。
用于实施上述组件的示例数据结构还可以包括机器处理信息，其存储表示原材料到达信息的数据和表示移动热源信息的数据(例如，激光器，UV灯等)。表示原材料到达的数据可以包括例如(1)原料存放实体的几何形状(例如喷嘴、边接棒、喷墨打印组等)，(2)材料存放实体开始存放材料时的时间和位置坐标，(3)材料存放实体停止存放材料时的时间和位置坐标。表示移动热源的数据可以包括例如(1)热源的几何形状，(2)当热源接通时的时间和位置坐标，以及(3)热源关断时的时间和位置坐标。
使用上述示例数据结构，根据本发明的示例性实施例的相交模块可以在模拟的每个增量处计算并存储机器处理信息和有限元之间的相交。这种相交可以通过以下方法计算：(1)对于每个有限元，计算材料存放轨迹和有限元之间的交点，(2)将轨迹的交点的坐标与有限元的边缘一起存储，(3)计算在增量的相应有限元中所增加的原料的质心，(4)对于每个有限元，计算每个移动热源的轨迹与有限元的边缘之间的交点，以及(5)存储在相应元件中每个移动热源所花费的时间的持续时间以及在相应元件中由热源覆盖的区域的中心的位置。
尽管图6的图表600与用于传热解决方案的隐式时间集成解决方案相关联，但是非常相似的工作流程可以与显式时间集成传热解决方案相关联。
计算性能：虽然很自然地假设典型的工作流程将使用隐式时间集成方案，因为可以采用更大的时间增量(给定增量越小，建模所需的物理时间越大)，显式集成解决方案提供能够捕获动作区域中更快的瞬变的固有优势。当结合显式时间集成FE代码通常比大量内核上的隐式时间集成对等缩放得更好这一事实的时候，显式时间集成解决方案变得非常有吸引力。实际零件的基准测试表明了这一点。如果零件扭曲和残余应力是有意义的，则类似的工作流程图适用于结构分析。
上面的讨论集中于顺序工作流程：首先解决传热问题，然后在随后的应力分析中应用计算温度历史。这是可能的，因为通常，温度演变强烈地影响应力(例如，通过热膨胀和温度驱动的相变)，但是机械应力和应变很大程度上不影响温度演变，尽管同时耦合的温度-应力解决方案容易获得。
数字处理环境
图7是可以用于根据本发明的示例性实施例模拟增材制造过程的基于计算机的系统720的简化框图。系统720包括总线725。总线725用作系统720的各种组件之间的互连器。连接到总线725的是输入/输出设备接口728，用于连接各种输入和输出设备到系统720，例如键盘、鼠标、显示器、触摸屏幕覆盖、扬声器、照相机、传感器馈送、控制器等等。中央处理单元(CPU)722连接到总线725并提供计算机指令的执行。存储器727为用于执行计算机指令的数据提供易失性存储。存储装置726为诸如操作系统(未示出)的软件指令提供非易失性存储。特别地，存储器727和/或存储装置726被配置有实现用于模拟增材制造过程的方法和/或模块600、605、610、615、620、625和630的程序指令，如结合图6详细描述的。系统720还包括用于连接到本领域已知的各种网络的网络接口721，包括云、广域网(WAN)和局域网(LAN)。
应当理解，本文描述的示例实施例可以以许多不同的方式来实现。在一些情况下，本文描述的各种方法、系统和设备可以各自由物理、虚拟或混合通用计算机来实现。计算机系统720可以被变换成执行本文描述的方法的机器，例如通过将软件指令加载到存储器727或非易失性存储装置726中以供CPU 722执行。
图8示出了其中可以实现本发明的实施例的计算机网络环境860。在计算机网络环境860中，服务器831通过通信网络832链接到客户端833a-n。环境860可以用于允许客户端833a-n单独地或与服务器831组合执行上文描述的任何模块和/或方法(例如，方法和/或模块600、605、610、615、620、625和630，例如，与图6相关联地详细描述)。应当理解，上述示例实施例可以以许多不同的方式来实现。在一些情况下，本文描述的各种方法和机器可以各自由物理、虚拟或混合通用计算机，或诸如计算机环境860的计算机网络环境来实现。
实施例或其方面可以以硬件、固件或软件的形式实现。如果以软件实现，则软件可以存储在被配置为使得处理器能够加载软件或其指令的子集的任何非暂时性计算机可读介质上。然后处理器执行指令，并且被配置为操作或使装置以如本文所述的方式操作。
此外，固件、软件、例程或指令可以在此被描述为执行数据处理器的某些动作和/或功能。然而，应当理解，这里包含的这些描述仅仅是为了方便起见，并且这些动作实际上来自计算设备、处理器、控制器或执行固件、软件、例程、指令等的其它设备。
应当理解，流程图、框图和网络图可以包括更多或更少的元件，不同地布置或不同地表示。但是还应当理解，某些实现方式可以规定框图和网络图，以及以特定方式实现示出实施例的执行的框图和网络图的数量。
因此，另外的实施例还可以在各种计算机体系结构、物理、虚拟、云计算机和/或其某些组合中实现，并且因此，本文所描述的数据处理器仅用于说明目的，而不是作为实施例的限制。
本文引用的所有专利、公开的申请和参考文献的教导通过引用其全部内容被并入本文中。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求所涵盖的本发明的范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (18)

1.一种模拟现实世界对象的增材制造的方法，所述方法包括：
通过与存储器通信的处理器使用任意密度的任意网格将所述现实世界对象的表示离散化为多个有限元，所述有限元是所述现实世界对象的几何部分的表示；
将所述有限元存储在所述存储器中；
由所述处理器依据时间来确定现实世界增材制造序列以由现实世界增材制造设备用于制造所述现实世界对象，所述增材制造序列包括多个时间步骤并且指示制造由所述有限元表示的现实世界对象的部分的顺序；以及
对于所述增材制造序列的每个时间步骤：
由所述处理器模拟根据所述增材制造序列制造所述有限元中的有限元的任意几何层；
由所述处理器根据所述增材制造序列分析相对于所述层的模拟的增材制造工具的路径来确定层的相对应的位置处的模拟的热通量的序列，所述模拟的热通量说明当模拟所述层的制造时所述层内的模拟的增材制造设备的热源的路径和强度；
在所述存储器中与对应于所述层的有限元相关联地存储所述模拟的热通量的表示；以及
对于具有模拟制造层的每个有限元：
由所述处理器确定所述有限元的当前暴露的部分表面区域；
通过所述处理器基于所述有限元的当前暴露的部分表面区域来模拟所述有限元的冷却；以及
在所述存储器中，基于所述有限元的模拟的冷却来更新与所述有限元相关联的模拟的热通量的表示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述有限元的当前暴露的部分表面区域包括由所述处理器基于存储在所述存储器中的有限元来确定所述有限元的未位于邻近另一活动有限元表面小面的表面小面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述模拟的热通量的序列包括对于给定的模拟的热通量，由所述处理器确定在相对应的层的部分处的热源的强度和持续时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，更新与所述有限元相关联的所述模拟的热通量的表示包括由所述处理器确定并且在所述存储器中存储所述有限元的部分体积和所述有限元的部分小面区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，更新所述有限元的热通量的表示包括由所述处理器基于所述有限元的模拟的冷却、所述有限元的确定的部分体积以及所述有限元的部分小面区域来确定用于制造所述有限元的模拟基底的状态。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括对于每个有限元，在所述存储器中存储相邻有限元的列表以及所述相邻有限元的所述部分体积和所述部分小面区域。
7.一种模拟现实世界对象的增材制造的方法，所述方法包括：
通过与存储器进行通信的处理器获得现实世界增材制造序列，其中，所述存储器将所述现实世界对象的多个有限元存储作为表示，所述现实世界增材制造序列由现实世界增材制造设备用于制造所述现实世界对象，所述增材制造序列包括多个时间步骤；以及
对于所述增材制造序列的每个时间步骤：
由所述处理器模拟根据所述增材制造序列制造多个有限元中的有限元的任意几何层；
由所述处理器根据所述增材制造序列分析相对于所述层的模拟的增材制造工具的路径来确定层的相对应的位置处的一个或多个模拟的热通量，所述模拟的热通量说明当模拟所述层的制造时所述层内的模拟的增材制造设备的热源的路径和强度；
在所述存储器中与对应于所述层的有限元相关联地存储所述模拟的热通量的表示；以及
对于具有模拟制造层的每个有限元：
由所述处理器确定所述有限元的当前暴露的部分表面区域；
由所述处理器基于所述有限元的当前暴露的部分表面区域来模拟所述有限元的冷却；以及
在所述存储器中基于所述有限元的模拟冷却来更新所述有限元的热通量的表示。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述有限元的当前暴露的部分表面区域包括由所述处理器基于存储在所述存储器中的有限元来确定所述有限元的未位于邻近另一活动有限元表面小面的表面小面。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述模拟的热通量包括：对于给定的热通量，由所述处理器确定在所述相应层的部分处所述热源的强度和持续时间。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，更新与所述有限元相关联的所述模拟的热通量的表示包括由所述处理器确定并且在所述存储器中存储所述有限元的部分体积和所述有限元的部分小面区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，更新所述有限元的热通量的表示包括由所述处理器基于所述有限元的模拟的冷却、所述有限元的确定的部分体积以及所述有限元的部分小面区域来确定用于制造所述有限元的模拟基底的状态。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括对于每个有限元，在所述存储器中存储相邻有限元的列表以及所述相邻有限元的部分体积和部分小面区域。
13.一种用于模拟现实世界对象的增材制造的系统，所述系统包括：
数据存储，其存储所述现实世界对象的多个有限元，所述有限元是根据任意密度的任意网格的所述现实世界对象的几何部分的表示；
硬件处理器，其与所述数据存储通信并且被配置为根据包括多个时间步骤的增材制造序列来模拟制造所述现实世界对象的现实世界增材制造设备；以及
相交模块，其与所述硬件处理器和所述数据存储通信，并且被配置为：给定所述增材制造序列的特定时间步骤，(i)在所述增材制造序列的特定时间步骤处确定受模拟的增材制造设备影响的有限元的增加的体积和部分小面区域，以及(ii)在所述增材制造序列的特定时间步骤处确定所述有限元的热通量事件和位置；
所述硬件处理器被配置为，在模拟所述现实世界增材制造设备中，对于所述增材制造序列的每个时间步骤：
向所述相交模块提供所述时间步骤；
从所述相交模块接收在所述增材制造序列的特定时间步骤处受所述模拟的增材制造设备影响的有限元的增加的体积和部分小面区域；
对于受影响的有限元中的每个有限元，利用所述有限元的增加的体积和部分小面区域更新存储在所述数据存储中的有限元，并且基于所述有限元的增加的体积和部分小面区域来确定所述有限元的当前暴露的部分表面区域；
从所述相交模块接收所述有限元的热通量事件和相关联的位置；
对于接收的热通量事件的每个热通量事件，基于所述相关联的位置来更新存储在数据存储中的与相对应的有限元相关联的节点热通量；
基于所述有限元的当前暴露的部分表面区域来确定每个有限元的冷却；以及
基于对应于节点热通量的有限元的确定的冷却来更新每个节点热通量。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述数据存储还包括存储在所述数据存储中的每个有限元的相邻有限元的列表，并且其中，所述处理器被配置为基于给定有限元的相邻有限元的列表来确定所述给定有限元的当前暴露的部分表面区域。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述数据存储还包括对于每个相邻有限元的列表中的每个相邻有限元，所述相邻有限元是否是活动的指示，并且其中，所述处理器被配置为基于所述给定有限元的相邻有限元的列表以及每个相邻有限元是否活动的相关联的指示来确定所述给定有限元的所述当前暴露的部分表面区域。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述硬件处理器还被配置为向所述相交模块提供所述模拟的增材制造设备的节点坐标。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述相交模块被配置为在所述增材制造序列的给定时间步骤处基于所述模拟的增材制造设备的模拟热源的强度和路径来确定热通量事件。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述硬件处理器还被配置为基于所述有限元的模拟冷却和所述热通量事件确定并且在所述数据存储中存储用于制造所述有限元的模拟基底的状态。
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