CN108292325A - 基于对经由3d打印机生产的部件的热/结构模拟来优化工具路径的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种系统(100)和方法，其有利于基于对经由3D打印机(142)生产的部件(118)的热/结构模拟来优化工具路径。处理器(102)可执行对根据与可用于驱动3D打印机以生产部件的指令对应的第一组工具路径(110、120)以增材的方式生产的部件的第一模拟。第一模拟可包括：确定包括多个六面体元素(122)的部件的六面体网格(124)；确定网格的元素的沉积顺序从而基于第一组工具路径以增材的方式生产部件；和以元素被确定沉积的顺序模拟网格的元素(134)中每个的增量沉积。对于增加的相应元素的每次增量沉积，确定沉积元素的热特性(128)和结构变形特性(130)，其中一些元素具有体积变化以考虑先前沉积的相邻元素(146)的结构变形。

Description

基于对经由3D打印机生产的部件的热/结构模拟来优化工具 路径的系统和方法
技术领域
一般来说，本发明涉及用于创建、使用和管理用于产品和其他项目的数据的计算机辅助设计(CAD)，计算机辅助制造(CAM)，计算机辅助工程(CAE)，可视化、模拟和制造系统，产品数据管理(PDM)系统，产品生命周期管理(PLM)系统以及类似系统(在本文统称为产品系统)。
背景技术
产品系统可用于产生可用于驱动3D打印机以增材的方式生产部件的指令。这类产品系统可从改进中受益。
发明内容
各种公开的实施例包括数据处理系统和方法，所述系统和方法可用来促进基于对经由3D打印机生产的部件的热/结构模拟来优化3D打印机的激光的工具路径。在一个实例中，系统可包含至少一个处理器，所述处理器被配置成执行对根据第一组工具路径以增材的方式生产的部件的第一模拟，该第一组工具路径与可用于驱动3D打印机来移动激光以增材的方式生产部件的指令对应。
对于第一模拟，至少一个处理器可被配置成：确定将部件的空间划分成多个三维(3D)元素的部件的网格；基于第一组工具路径确定沉积网格元素的顺序从而以增材的方式生产该部件；并且以所确定的沉积元素的顺序来模拟网格的元素中每个的增量沉积。对于增加的相应元素的每次增量沉积，至少一个处理器可确定所沉积元素的热特性和结构变形特性，其中在确定相应元素的热变形特性和结构变形特性之前，对相应元素中的至少一个在结构上进行修改，从而将由通过先前确定的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素的结构变形引起的相应元素的体积变化计算在内。
在另一个实例中，用于基于对经由3D打印机生产的部件的热/结构模拟来优化工具路径的方法可包含：通过至少一个处理器的操作，执行对根据第一组工具路径以增材的方式生产的部件的第一模拟，该第一组工具路径与可用于驱动3D打印机以移动激光而以增材的方式生产部件的指令对应。这类第一模拟可包括：确定将部件的空间划分成多个3D元素的部件的网格；确定网格的元素沉积的顺序以基于第一组工具路径以增材的方式生产部件；以及以元素被确定沉积的顺序来模拟网格的元素中的每个的增量沉积。对于增加的相应元素的每次增量沉积，确定所沉积元素的热特性和结构变形特性，其中在确定相应元素的热特性和结构变形特性之前，对相应元素中的至少一个在结构上进行修改，从而把由从先前确定的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素的结构变形引起的相应元素的体积变化计算在内。
另一实例可包括编有可执行指令(诸如存储装置上的软件组件)的非暂态计算机可读介质，在执行该可执行指令时，其使得至少一个处理器执行在此描述的方法。
前述内容已经相当概括地概述了本发明的技术特征，使得本领域技术人员可更好地理解下面的详细描述。将在下文中描述形成权利要求的主题的本发明的附加特征和优点。本领域技术人员将认识到，他们可容易地将所公开的概念和具体实施例用作修改或设计用于执行本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还将认识到，这类等同构型不会偏离最宽形式的本发明的精神和范围。
另外，在进行下面的具体实施方式之前，应该理解贯穿此专利文件提供了用于某些词语和短语的各种定义，并且本领域的普通技术人员将理解，这类定义在许多情况下(如果不是在多数情况下)应用在了这类所定义单词和短语的现在和将来的使用中。尽管一些术语可包括各种各样的实施例，但是所附权利要求可明确地将这些术语限制于特定实施例。
附图示出
图1示出实例系统的功能框图，该系统有利于基于经由3D打印机生产的部件的热/结构模拟来优化3D打印机的激光的工具路径。
图2示出了具有圆柱形孔的部件的几何形状的实例，示出用于3D打印机在构建部件时待遵循的实例工具路径。
图3示出了对于对元素经沉积构建成部件进行的模拟的不同时间点所确定的温度特性的图形图像。
图4示出了对于对元素经沉积构建成部件进行的模拟的不同时间点所确定的结构变形特性的图形图像。
图5示出了在接近模拟结束时的两个不同时间点的结构变形特性的图形图像。
图6示出了对于包含由模拟生产的最终部件的元素的所确定的应力特性的图形图像。
图7示出实例方法的流程图，该方法有助于基于经由3D打印机生产的部件的热/结构模拟来优化3D打印机的激光的工具路径。
图8示出了数据处理系统的框图，在其中可实现实施例。
具体实施方式
现在将参考附图来描述与系统和方法有关的各种技术，该系统和方法有利于基于对经由3D打印机生产的部件的热/结构的模拟来优化3D打印机的激光的工具路径，其中，贯穿全文同一附图标记始终表示同一元件。以下讨论的用于描述本专利文件中的本发明原理的附图和各种实施例仅是示出性的，并且不应以任何方式解释为限制本发明的范围。本领域的技术人员将会理解本发明的原理可在任何适当设置的设备中实现。应该理解，被描述为由某些系统元件执行的功能可由多个元件执行。类似地，例如，元件可被配置成执行被描述为由多个元件执行的功能。将参照示例性非限制性实施例描述本申请的许多创新教导。
参照图1，示出了数据处理系统100的实例，其有助于基于对经由3D打印机生产的部件的热/结构的模拟来优化3D打印机142的激光144的工具路径。系统100可包括至少一个处理器102，其被配置成执行来自由处理器访问的存储器104的至少一个应用软件组件106。应用软件组件可被配置(即编程)成使得处理器执行本文描述的各种行为和功能。例如，所描述的应用软件组件106可包括和/或对应于PLM软件应用的一个或多个组件，该PLM软件应用程序被配置成检索、生成和存储产品数据到数据存储件108中，诸如数据库、硬盘驱动器、SSD、存储卡或其他类型的存储非易失性数据的装置。
可适用于执行本文描述的特征和功能的PLM软件应用的实例可包括CAD、CAE和CAM软件，诸如NX应用套件和Solid Edge软件，其由德克萨斯州普莱诺的西门子产品生命周期管理软件有限公司生产(Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.,ofPlano,Texas)。然而，应该理解，本文描述的系统和方法可用于其他产品系统(例如，模拟系统)和/或产生和在数据库中存储产品数据的任何其他类型的系统。另外，可用作本文描述的一个或多个数据存储件的数据库的实例包括数据库服务器应用诸如Oracle、MicrosoftSQL Server，或者可用于存储数据记录的任何其他类型的数据存储件。
应理解，3D打印机对应于能够通过将结合在一起形成制品的物理结构的材料沉积来以增材的方式制造(即，生产)三维(3D)制品(即，部件)的机器。
由3D打印机采用以使用高功率激光来选择性地烧结或熔化粉末材料(通常为金属的)来构建3D部件的增材制造过程的实例包括：选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔融(SLM)和定向能量沉积(DED)。然而，由于在加热和冷却过程中存在热梯度，这些过程可引起残余应力，这会在部件冷却时导致部件变形(翘曲)和/或裂纹。这些缺陷的存在可妨碍耐受性并且影响机械强度。然而，并不总是基于部件的形状可预测这类变形的位置和量级，特别是对于复杂的几何形状和复杂的熔化路径(即，激光工具路径)。本文描述的实施例的实例对应于计算机辅助模拟工具，在借助3D打印机制造部件之前，该计算机辅助模拟工具可评估任意几何形状的翘曲的位置和量，并且能够基于模拟的结果提供减少翘曲的策略(例如，修改的工具路径和/或对结构的修改)。
这类被修改的工具路径可包括对激光移动到的位置的修改，以确保在新材料被烧结或熔化在下层材料上之前，该下层材料已经充分冷却。还可生成使得支撑结构被附加地构建的经修改的工具路径，该支撑结构使得部件上的所识别位置处的翘曲最小化并且在部件完成之后可被容易地移除。另外，由应用软件组件确定或识别的对部件的有用的修改可包括增厚部件的一部分以补偿在初始工具路径组中识别出的材料的不期望翘曲。识别和/或自动生成这类部件的经修改的工具路径或经修改的设计可使部件中的缺陷最小化，并且可减少制造成本和在实验设置中执行这类分析的时间。
为了执行这些特征，所描述的处理器102可被配置(经由应用软件组件106)用于执行对根据对应于指令(诸如GCode)的第一组工具路径110以增材的方式生产部件进行的第一模拟，该指令可用于驱动3D打印机142以增材的方式生产该部件。例如，指令可用于驱动3D打印机来移动产生激光束的激光通过烧结/熔化粉末材料(或以其他方式沉积材料)的一组路径(或其他类型的沉积头)从而构建部件。
在一些实施例中，这类模拟可以可视的方式输出给用户。例如，系统100可包括用户界面，该用户界面包括至少一个输入装置112和显示装置114。处理器可使得显示装置输出包括模拟的可视化表示116的图形用户界面(GUI)。这类可视化的模拟可包括随着3D打印机的工具(例如激光和/或沉积头)根据第一组工具路径110的移动，增量构建成部件118的动画。图1示出第一组工具路径110的部分的实例的示意性可视虚线表示120，激光144将遵循该工具路径来构建部件118以形成块形状。
在此实例中，处理器可被配置成确定将部件的空间划分成多个3D元素(即，单元或区域)的部件的网格124(即，具有顶点/节点及其连接处的笛卡儿六面体网格)。可视表示116以图形方式示出网格的已经沉积以构建出部件118的下部的元素122的一部分。
在实施例的实例中，构成网格的六面体形状的元素可具有基于用于期望用以生产该部件的3D打印机的配置数据的尺寸。例如，用于网格的六面体元素的高度可对应于一个或多个3D打印机能够沉积的材料层的厚度。同样例如，六面体元素的宽度可对应于3D打印机的工具能够沉积的材料的宽度。对于使用激光的3D打印机，六面体元素的这类宽度可对应于激光束直径，其对应于激光沿着工具路径移动时该激光能够烧结/熔化的粉末的宽度。在一些实施例中，六面体元素的宽度或高度还可被在更靠近部件表面的区域处的几何形状所限制。
在实施例的实例中，处理器可被配置用于确定网格的元素122沉积的顺序，以模拟基于第一组工具路径110以增材的方式生产(即，构建)部件118。例如，元素沉积的顺序可基于以下的确定结果：在工具为了添加材料(例如，通过烧结或熔化粉末)来形成部件而跟随该组工具路径110时，六面体网格的哪个六面体与3D打印机的工具的输出(例如，激光束输出)相交。
如本文所使用，术语“沉积(deposit/depositing)”是指沉积到构建板上的增加材料和部件的增加部分的生成。因此，输出和熔化粉末的DED 3D打印机的沉积头应被理解为执行使熔化的粉末沉积在特定位置处的过程。类似地，对于严格地涂覆粉末层、然后选择性地烧结或熔化部分粉末的两种SLS和SLM 3D打印机来说，材料的沉积对应于在特定位置处烧结或熔化粉末。另外，应注意本文描述的许多实例是关于SLS型3D打印机的。然而，应理解通过修改所提供输入参数和边界条件，所描述的框架也可适用于其他类型的增材制造过程和3D打印机。
在实施例的实例中，所确定的工具路径110和网格124可存储在存储器104或数据存储件108中，以供与本文描述的功能一起使用。另外，关于部件形状的数据可存储在存储器和/或数据存储件中，该数据可由处理器使用来确定工具路径和网格。
例如，应用软件组件可包括一个或多个能够基于由CAD数据126定义的部件的3D模型数据生成工具路径和网格的组件。这类CAD数据可对应于用于存储定义了部件形状的几何曲线的诸如JT或STEP等格式的CAD文件。此外，还应理解，可从对现有物理部件的3D扫描来生成确定了工具路径和网格的3D模型数据。
所描述的应用软件组件可包括一个或多个能够生成3D模型、网格和工具路径中全部三个的CAD/CAM/CAE组件。然而，还应理解CAD数据126、网格124和/或工具路径指令(例如，定义工具路径110的GCode)中的一个或多个可由不同的系统/软件生成并且保存到可由执行所描述模拟的至少一个处理器102访问的一个或多个数据存储件108中。
为了执行第一模拟，处理器102可以元素被确定沉积的顺序来模拟网格的元素122中每个的增量沉积。对于增加的相应元素的每次增量沉积，至少一个处理器确定所沉积的元素的热特性128和结构变形特性130。
例如，图1中用附图标记134标示的元素对应于沿着路径120最后沉积的元素。在部件118的生成中的每个增量阶段，处理器可被配置成至少为最后沉积的元素确定新的/修正的热特性(即，温度和/或温度梯度)。随着每个元素的沉积，先前沉积的元素中的一些可随着时间推移而冷却。另外，与最后沉积的元素相邻的一些元素(或其部分)可随着来自激光和/或最后沉积的元素的热量的传递而升高温度。为了获取对元素(和/或其部分)的温度随时间的这些变化的模拟，可利用模拟的每个增加的元素的增量沉积来确定新的/修正的一组热特性。
另外，在部件118的生成中的每个增量阶段，处理器可被配置用于评估一个或多个最后沉积的元素的结构变形(例如，翘曲)来确定新的/修正的组的结构变形特性。这类翘曲可根据每个元素的六面体形状的顶点/节点的偏移的量级来量化。在实施例的实例中，结构变形特性可至少部分地基于所确定的热特性。
例如，相比于元素的为部件的最终期望形状而最初确定的六面体形状，新近沉积的元素通常会更热并且因此具有更大的尺寸。随着元素冷却，元素的形状通常会变得接近于在最初网格中所指明的元素的预期形状。然而，在一些情况下，元素的形状在网格已经冷却或未完全冷却后可能不会收缩至网格的预期的六面体形状。因此，所描述的结构变形特性可量化元素的形状偏离其在网格中最初确定的形状的程度。为了获取在部件冷却时随着时间推移元素的结构变形的这些变化，可利用每个增加的元素的模拟的增量沉积来确定新的/修正的一组结构变形特性。
为了准确地模拟在随着时间推移而构建成部件时这类结构变形对结构的影响，可在确定相应元素的热特性和结构变形特性之前对相应的模拟的新近沉积的元素中的一个或多个进行结构上的修改，从而把由预先已确定的结构变形特性所确定的一定数量相邻元素146的结构变形引起的相应元素的体积变化计算在内。因此，处理器102可被配置成修改所描述网格以基于先前沉积的相邻元素146的所确定的变形来改变每个新近沉积元素的一个或多个的体积(例如，尺寸/形状)。
另外，处理器可被配置成基于所确定的热特性和/或结构变形特性来确定部件上的应力特性132(例如，范式等效应力)。可在模拟中每次沉积增加的元素之后确定这类应力特性。或者，也可在模拟中已经沉积多组元素(例如层)之后确定应力特性。此外，在可选的实施例中，可在对整个部件的模拟完成之后确定应力特性。
在实施例的实例中，处理器102可被配置成将表示所确定的热特性128、结构变形特性130和/或应力特性的数据存储到数据存储件108中。因为可针对每个块递增地确定这类数据，所以存储在数据存储件中的数据可包括随着每个元素沉积以用于模拟，对于部件的相应形状(或其部分)的对应的所确定的热特性128和/或结构变形特性130(和可选的应力特性132)。另外，为每次增量沉积所确定的数据可与时间数据相关联，该时间数据反映了3D打印机被模拟来沉积最后的元素(或其一部分)的时间。
在一些实施例的实例中，应用软件组件可被配置成使得显示装置114显示模拟的动画，该动画以可视方式(经由不同的颜色、阴影、点密度、虚线)突显随着每个元素沉积以用于模拟时温度随时间的变化、变形程度和应力特性。显示装置还可输出关于针对每个元素计算的在其中添加元素以构建部件的每个增量步骤中温度、结构变形和/或应力特性的定量数据。
基于通过输出装置提供的这类可视和/或定量数据，用户可手动修改部件的3D模型和/或工具路径的图案，从而生产第二(即，不同的)组的工具路径，其在成品部件中实现较少翘曲和/或应力特性。然而，还应理解在一些实施例中应用软件组件106可自动生成第二组工具路径136、140且/或修改用于部件的3D模型的CAD数据126，从而尝试生产具有较少翘曲和/或应力特性的部件。对于这类实施例，基于针对元素122中的一个或多个确定的热特性128、结构变形特性130和/或应力特性132中的至少一个，至少一个处理器可被配置成进行以下中的一个：选择第二组工具路径和/或生成第二组工具路径，所述第二组工具路径可用于驱动3D打印机以不同于第一组工具路径110的方式以增材的方式生产部件。
例如，应用软件组件可用于生成具有不同图案(诸如Z字形(来回)图案、螺旋图案(向内或向外螺旋)和/或任何其他图案的工具路径，以构建部件的每一层。图1中的可视表示116示出对应于Z字形图案的工具路径120。然而，如果这类图案生成不可接受的热特性、结构变形和/或应力特性，则应用软件组件可经操作以选择不同的工具路径方案诸如螺旋图案来构建部件。
图1示出使用与螺旋图案工具路径方案对应的第二组工具路径136构建的部件的模拟的附加可视表示138。此可视表示示出了第二组工具路径136(具有螺旋图案)的部分的实例的示意性可视虚线表示140，激光144将遵循该第二组工具路径136来构建所模拟的部件118从而形成经由第一组工具路径110生产(使用Z字形图案)的相同块形状。
在一些实例中，应用软件组件可被配置用于对这些不同图案中的若干个执行本文描述的模拟，从而识别和选择哪组工具路径生产最佳热、结构和/或应力特性(相对于测试的其他组工具路径；和/或相对于关于热特性、结构特性和/或应力特性的预定阈值)。然后，所确定的最佳工具路径可被存储在数据存储件中并且随后被访问且用于指示3D打印机来构建物理部件。例如，所选择的最佳工具路径可与状态相关联和/或以指明其可用于生成部件的方式保存在数据存储件中，然而非最佳工具路径可从数据存储件中删除且/或与指明其相对于所选择的工具路径的较低合意性的状态相关联。
还应理解应用软件组件可被配置成自动地更改第一组工具路径和/或3D模型本身的选择性部分从而生产可量化的更好的模拟结果的第二组工具路径。这类所选择部分可从模拟结果中的特定元素来确定，该特定元素与高于预定阈值的结构变形和应力特性相关联。
这类变化可包括改变沉积元素的一部分的顺序。这类变化还可包括向部件的3D模型添加附加结构支撑件以加强经历变形的部件部分。这类结构支撑件可包括保留为部件的永久构件的内部肋或支柱。然而，这类结构支撑件可包括临时外部结构支撑件，其在生产部件时使结构变形最小化，并且该结构支撑件在部件完成后将从部件上切除。
在另一个实例中，应用软件组件可被配置用于从模拟结果中确定：为至少一个元素确定的热特性在3D打印机被确定为沉积与该元素相邻的至少一个元素的时间内未经充分冷却(低于预定温度阈值)。实施例的实例还可被配置成从模拟结果来识别何时冷却部件的结构变形和/或应力特性高于对于一个或多个元素和/或部件整体的预定阈值。
为了生产避免这些问题的部件，应用软件组件可被配置成使用不同的工具路径方案(相比于用于生成第一组工具路径的方案)以便尝试生成第二组工具路径，其生成定量地更好的对结构偏移的模拟结果和/或较低的范式等效应力。
例如，可生成如下的第二组工具路径，即，当执行模拟时，其中所有元素在后续元素被确定为与其相邻地沉积时已充分冷却。在另一个实例中，可生成如下的第二组工具路径，即，当执行模拟时，其中结构变形和/或应力特性低于预定阈值和/或相对于为第一组工具路径所确定的那些更低。
在下面的实例中，可执行先前描述的模拟从而于生产可用于为利用3D打印机生产部件而优化工具路径的定量数据。在此实例中，应用软件组件可对应于CAM组件，并且可被配置成从CAM环境获得待制造部件的CAD 3D模型，对其限定的增材制造参数(包括用于工具路径位置的指令(例如，GCode))和环境条件(例如环境的热特性，诸如基板或其中沉积部件的其他结构)。
通过3D模型，应用软件组件可被配置用于计算部件的边界框。对于SLS型3D打印机，边界框可对应粉末床的体积。另外，可相对于部件的实际尺寸计算膨胀的边界框，以模拟工具路径中存在突出物。
在此实例中，应用软件组件可生成边界框的笛卡尔六面体网格。在可选择的实施例中，可使用四面体网格。需注意，与四面体栅格相比，使用结构化笛卡尔六面体栅格可允许在执行期间相对更快地浏览网格，以识别由工具路径接触的元素并且识别激光运动方向上或在底层中的邻近物。
接下来，应用软件组件可浏览网格并且基于工具路径位置来识别元素沉积的顺序。为了进行此功能，可插入从部件的3D模型(例如GCode文件)生成的原始工具路径，以获得每对连续“前往”指令之间的中间位置。这可使用通过查找落入现有元素内的点(例如，对于线性路径)进行的二分法或通过使用关于路径形状的附加信息(例如，对于圆形路径)来进行。
此模拟实例可包括在已经检查并且补偿由一个或多个下层元素的变形导致的元素的潜在的初始体积变化之后，模拟在构建板上和先前沉积的元素上沉积单个元素。对于一个元素的这类体积补偿可通过变化定义了元素位置和大小的在用于六面体的在网格中的坐标中的一些来执行。
如前所述，对于元素的每次增加的沉积，增量地执行模拟，其也对应于3D打印机的激光的移动到例如与待沉积的当前元素相邻的位置处。因此，对于每个有元素在沉积的增量步骤，应用软件组件可基于网格的几何形状的变化和激光位置的变化来更新瞬态热模拟的边界条件。
然后，应用软件组件可对输入进行计算以运行瞬态热模拟，并且借助在待沉积的当前元素的上表面上规定的热通量和与构建板(或其他结构)接触的已知温度进行对到目前为止所沉积的几何形状的热模拟(当前元素为最后沉积的元素)。
接下来，应用软件组件可基于网格的几何形状的变化和到目前为止所确定的部件的热变化的变化来更新用于结构变形模拟的边界条件。
另外，应用软件组件可对输入进行计算以运行结构模拟，并且执行对到目前为止所沉积的几何形状的结构模拟，所述结构模拟包括翘曲并且是在有由对在沉积中的当前元素的瞬态热模拟的结果所定义的温度负载的情况下进行的。还应注意实施例的实例可可选地在对相同几何形状进行的热模拟和结构模拟之间迭代，以实现对完全联接的热结构问题的解决方案的收敛。
对于被模拟进行沉积的每个元素，由应用软件组件确定的输出变量可包括每个元素、元素组和/或整个部件的温度值、偏移值和应力值。
如前所述，可更新网格中当前沉积的元素的体积以补偿先前沉积的下层的元素或横向相邻的元素的位置的变化。例如，在增材制造过程中，由于温度梯度对部件的结构变形的影响，所沉积元素的体积随时间而变化。因此，如果利用六面体网格的初始配置来识别待“沉积”到现有网格的新元素的坐标，则当激光到达所述位置时，在待沉积元素和先前沉积的且变形的元素之间可能有元素的重叠发生。另一方面，通过简单地调整新元素的重叠节点，从而使它们与变形的元素重合，这将导致在下一个激光位置添加到固体部件的材料体积中的非真实变化。因此，实施例的实例被配置用于修改网格以反映当前想要沉积到先前所沉积的元素上的元素的新体积。
为了以这种方式执行对网格的更新，在每个新元素沉积之前，已经针为所沉积的元素计算出(如先前描述的)的变形被应用于新元素的与所沉积的元素共用的节点。对所得新元素的体积进行计算，并且如果其偏离未变形元素的体积，则执行几个附加操作。
这些操作包括应用软件组件识别不与“自由”(即可用于调整)的所沉积的元素共享的新元素的面和它们的对应节点。其他面被认为是固定的并且不由此程序调整的。
自由节点的偏移可通过应用软件组件通过求解以下用于经由下文更详细描述的规则填入的偏移变量(xi，yi，zi)的方程来计算，使得所沉积元素的体积等于其未变形配置中的体积：
在涉及新元素的任何模拟开始之前，可将此变形应用于该新元素，从而将其体积调整为表示熔池尺寸(vLD)的用户定义的参数。
将新的已调整的元素添加到网格中，并且对目前为止所沉积的几何形状的全部或部分(包括具有调整后的体积的当前元素)进行瞬态热量和结构模拟。
所述的算法将六面体的8个顶点(即，节点)的坐标和关于哪些顶点不可移动的信息作为输入，因为它们属于已经沉积和模拟的网格部分。对于DED类型的3D打印机，可对构建方向上的自由顶点进行调整。但是，对于在SLS 3D打印机的情况中的自由顶点，在构建方向上可能没有对移动调整是可行的。这是因为即使发生变形的邻近元素占据了最初计划用于当前元素的体积的一些，在SLS过程中的粉末顶层也不因此而得到调整，并且保持在原始计划的层上(例如，模拟的参考框架中的高度)。另一方面，来自激光的热量可在正交于构建方向的平面中扩散，从而熔化周围的粉末并且增加元素在横向方向上体积。
在这些描述的实例中，顶点在适用的自由方向上的偏移可选取为相同的，从而固定规划中所需的自由度并且获得真实变形图案。一旦已经计算出对自由顶点的调整，就可更新网格，并且可基于更新后的网格执行先前描述的瞬态热和结构变形模拟。
为了获得对于找到满足所需体积约束条件的自由顶点的偏移的问题的解决方案，为未知坐标求解上面提到的方程。然而，根据自由顶点的数量以及它们是哪一个，可能需要求解不同的三阶方程。
在实施例的实例中，为了有效地找到自由顶点的偏移，可将上述方程展开为总共144项的并且保存在可评估的独立变量中。每次为元素接收新的一组未知/已知坐标，应用软件组件可被配置成将元素转换为具有坐标0的质心(并且原始质心被保存)。然后可计算所有144个项，从而向已知坐标值给予值1并且向未知坐标给予值2。然后可根据144个项的值对144个项进行分类：值为8的项表示3阶项，值为4的项表示2阶项，值为2的项表示1阶项，并且值为0的项表示已知项。
然后可使用用于已知/固定坐标的原始坐标值并且使用用于未知数的1或-1来重新评估144个项，遵循以下这些规则：如果体积的对称扩大将导致顶点i的坐标j增加其值，则将+1分配给顶点i的坐标j；如果体积的对称扩大将导致顶点i的坐标j降低其值，则将-1分配给顶点i的坐标j。
基于先前确定的144个项的分类，将这些项相加以形成1阶系数、2阶系数、3阶系数和已知项。另外的，术语6*target_volume从已知项中减去。根据非零的最高阶系数，调用可适用公式来求解方程。然后将获得的偏移应用于所有未知顶点，并且将元素转换回其原始质心，从而为元素生成修改的体积和相应更新的网格。
对于先前描述的模拟，应用软件组件可被配置用于确定用于与执行模拟一起使用的多个边界和初始条件。对于对SLS 3D打印机执行的瞬态热模拟来说，对于沉积的每个新元素，如果元素的任何节点位于基板上，则粉末的初始温度可初始化为对应于板预热温度的值。这类板预热温度可为经由应用软件组件的GUI提供的用户可配置设定。对于用作基础的其他结构，可将粉末的温度初始化为环境温度(其可由用户通过GUI指明)。
在每个新近沉积的元素的上表面上，可由应用软件组件计算热通量。此计算可包括作为输入(例如，经由GUI)获得的激光功率值(该值除以表面积)，并且可基于除以通过工具在元素上横越过的距离长度(由激光束参数的宽度表示)和进料速率(也经由GUI作为输入获得)来计算热通量应用的时间。在沉积模型的外表面上(排除当前被加热的元素的底面和顶部)，应用对流条件。为应用这类条件，可在沉积期间维持和调整外表面的列表(即，所有未与其他沉积元素接触的沉积元素的表面)、面的动态列表。
尽管更真实的模拟可能会把在该表面的一部分上存在的未熔化的粉末计算在内，但是模拟整个粉末块将大大增加计算时间。该实例中为瞬态热模拟提供的简化形式仍然把通过非加热表面的热交换计算在内了，而并没有增加计算成本。应用软件组件可让用户能够输入期望的对流系数，并且通过调整此值，可实现传导边界条件的真实表示。
对于为SLS 3D打印机执行的结构变形模拟来说，为了得到适定的结构模型，第一个沉积的元素的前2个底部节点可被完全约束。可约束底表面的所有其他节点以允许它们仅在沉积平面中移动。就载荷而言，除了从对相同几何形状的瞬态热模拟获得的温度场外，还可以上面指明的条件将重力应用于模拟。在实施例的实例中，这些所描述的条件和它们所应用到的元素/节点/表面可在每个元素沉积并且用作热和结构模拟的输入之后被计算。
如先前所讨论的，在上文，热模拟和结构模拟可包括由用户经由输入装置(经由GUI)提供的和/或从数据存储件或其他参数源确定的若干不同输入。可用于进行所描述的模拟的这类输入可包括先前描述的工具路径位置(例如，“去”指令)和激光运动的类型(线性、弯曲)，该工具路径位置和激光运动的类型可用于计算内插工具路径并且识别在模拟的每个步骤中待沉积的元素。另外，这类输入可包括先前描述的部件的固体几何形状的3D模型，其用于生成待制造部件的边界框。另外，如前所述，实施例的实例可基于部件的3D模型来确定工具路径位置和运动类型。
另外，这类输入可包括3D打印机参数诸如激光束直径/宽度(其用于设定在正交与构建取向的平面中的元素尺寸)和层厚度(用于在构建取向方向上设定元素尺寸)。基于为所描述的元素提供尺寸的这些输入，并且基于通过部件的3D模型确定的边界框，可确定先前描述的六面体网格。
用作所描述模拟的输入的附加3D打印机参数可包括进料速率和激光功率。激光束宽度和进料速率输入可用于计算激光在给定元素的上表面上所花费的时间。所计算的表面时间和激光功率输入然后可用于通过将功率除以涂覆的表面来计算待应用在给定元素顶部上的热通量。由于一些模拟可不自动地把材料相变所需的潜热计算在内，所以可基于相变已经发生后的净热量来计算热通量。
如前所述，输入还可包括环境(外界)温度和可用于确定对流边界条件的对流系数。另外的，输入可包括基板温度，为了开始热模拟而将被模拟部件的底部初始化到的该基板温度。另外，输入可包括影响热模拟和结构模拟的材料性质。
图2示出了具有穿过其的柱形孔204的块202的几何形状200的实例，在其中可执行先前描述的模拟。图2还示出了可通过几何形状的实例确定的一组工具路径206的实例，从而创建可用于驱动3D打印机来生产物理块的指令(诸如GCode)。如前所述，这类工具路径用于确定部件的六面体网格的元素为了构建成部件的可被模拟沉积的顺序。
图3至6以图形方式示出了这样的模拟。如先前所讨论，应用软件组件可被配置成使得显示装置输出与这些图中示出的热、结构和应力特性的增量变化对应的图像和/或动画。
例如，图3示出了在第一元素层沉积时，以在模拟的不同时间点302、304、306、308、310、312的横贯元素的温度图(以摄氏度为单位)展示的所确定的温度特性300。元素314、316、318、320、322、324对应于每个相应时间点中最后沉积的元素。在这些图像中，白色区域描绘了最低温度，而逐渐变暗的区域表明逐渐升高的温度。
图4示出了以在不同时间点402、404、406、408、410、412沉积的六面体元素的节点/顶点的节状偏移的量级(以毫米为单位)展示的所确定的结构变形特性400。元素414、416、418、420、422、424对应于在每个相应时间点最后沉积的元素。图5示出了结构变形特性500，其是以在两个不同时间点502、504邻接对材料构建成部件的模拟的结束的节状偏移(以毫米为单位)展示的。在图4和5中的这些图像中，白色区域描绘了对于所使用材料的类型而言，没有元素离网格的原始形状的偏移或最小量的元素的(节点的)偏离网格的原始形状的偏移，而逐渐变暗的区域则表明逐渐变大的(节点)偏离由期望的部件的网格定义的元素的原始形状的偏移。因此，在这些实例中，最后沉积的元素被显示为具有较大的其节点的偏移量级，因为这些元素尚未冷却到其预期的冷却六面体形状
此外，图6从示出部件的底部602的等角视角示出了所确定的包含由模拟生成的最终部件的元素的应力特性600(例如，以MPa计的范式等效应力)的实例。在此实例中，白色区域描绘了最低的范式等效应力，而逐渐变暗的区域表明逐渐变大的范式等效应力。
现在参考图7，示出和描述了各种方法的实例。尽管方法被描述为一系列连续进行的动作，但应理解方法可不受顺序的限制。例如，一些动作可能以不同于本文描述的顺序进行。另外，一个动作可与另一动作同时进行。此外，在某些情况下，可能并不需要所有动作都来实施本文所述的方法。
重要的是注意到，尽管本发明包括在完全可使用的系统和/或一系列动作的背景下的描述，但本领域技术人员将理解本发明的机制和/或所描述的动作的至少部分能够在以包含在以各种形式中的任一个的非暂态机器可用、计算机可用或计算机可读介质内的计算机可执行指令的形式分布，并且本发明同样适用，而无论用于实际上执行分布的指令或数据承载介质或存储介质的特定类型。非暂态机器可用/可读或计算机可用/可读介质的实例包括：ROM、EPROM、磁带、软盘、硬盘驱动器、SSD、闪存、CD、DVD和蓝光盘。计算机可执行指令可包括例程、子例程、程序、应用程序、模块、库、执行线程等。此外，方法的动作的结果可存储在计算机可读介质中、显示在显示装置上等。
现在参考图7，方法700有助于基于对经由3D打印机生产的部件进行的热/结构模拟来优化3D打印机的激光的工具路径。方法可在702开始，并且该方法可包括通过至少一个处理器的操作来执行的几个动作。
这些动作可包括通过至少一个处理器的操作的动作704：执行对根据第一组工具路径以增材的方式生产的部件的第一模拟，该第一组工具路径与可用于驱动3D打印机以移动激光而以增材的方式生产部件的指令对应。这类第一模拟可包括动作、诸如动作706：确定将部件的空间划分成多个三维(3D)元素的部件的网格。另外，第一模拟可包括动作708：确定用于基于第一组工具路径以增材的方式生产部件的网格的元素的沉淀顺序。另外，第一模拟可包括动作710：以元素被确定沉积的顺序来模拟网格的元素中的每个的增量沉积，包括为增加的相应元素的每次增量沉积确定沉积的元素的热特性和结构变形特性。对于动作710，可在确定相应元素的热特性和结构变形特性之前对相应元素中的至少一个进行结构上修改，从而把由通过先前确定的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素的结构变形引起的相应元素的体积变化计算在内。在712，方法可结束。
应理解，方法700可包括先前讨论的关于处理系统100的其他动作和特征。例如，网格可对应于由为六面体的元素组成的六面体网格。另外，方法可包含通过至少一个处理器的操作进行的：基于与3D打印机的激光宽度和层厚度对应的数据来确定元素尺寸的动作；和接收定义了部件的3D模型的CAD数据的动作。如之前所讨论的，可基于所确定的元素尺寸和部件的3D模型来确定网格。另外，元素沉积的顺序可基于如下确定结果来确定：在3D打印机操作以基于第一组工具路径使材料沉积到部件上时，网格的哪些元素与3D打印机的激光的激光束相交。
如前所述，所确定的热特性包括指明沉积的元素的温度变化的数据。另外，所确定的结构变形特性包括指明沉积的元素的结构变化(即，形状变化)的数据，这些数据是至少部分地基于指明沉积的元素的温度变化的数据被确定的。另外，方法还可包含至少部分地基于热特性或结构变形特性或它们的组合中的至少一个来确定与部件的全部或一部分相关联的应力特性。
在一些实施例的实例中，方法可包括使得显示装置输出可视动画，其描绘了每个元素连续沉积以构建成该部件，其中，动画包括基于为元素的每次相应沉积所确定的热特性或结构变形特性，元素随着元素的每次相应沉积可视地变化的一部分。
另外，在一些实施例的实例中，方法可包括，基于为相应元素中的一个或多个所确定的热特性、结构变形特性、应力特性或它们的组合中的至少一个，进行以下中的至少一个：选择第二组工具路径、生成第二组工具路径或它们的组合。在此实例中，第二组工具路径还可用于驱动3D打印机以增材的方式生产部件并且其不同于第一组工具路径。
另外，在一些实施例的实例中，方法可包括执行对根据第二组工具路径以增材的方式生产的部件的第二模拟。这类第二模拟可包括动作，诸如确定网格的元素的修正的沉积顺序以基于第二组工具路径以增材的方式生产部件。此外，第二模拟可包括以元素被确定沉积的修正顺序模拟网格的元素中每个的增量沉积，包括为增加的相应元素的每次增量沉积来确定所沉积的元素的另外的热特性和另外的结构变形特性。对于此动作，在确定相应元素的另外的热特性和结构变形特性之前，对相应元素中的至少一个进行在结构上的修改，从而把由通过先前确定另外的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素的结构变形引起的相应元素的体积变化计算在内。
在此实例中，方法还可包括至少部分地基于另外的热特性、另外的结构变形特性或其组合中的至少一个来确定与部件的全部或一部分相关联的另外的应力特性。另外，此实例可包括以下动作：基于用于第一和第二模拟的热特性、另外的热特性、结构变形特性、另外的结构变形特性、应力特性、另外的应力特性或者它们的组合中的至少一个来选择用于借助3D打印机来生产部件的第一和第二组工具路径中的哪一个。
另外，所描述的方法的实施例的实例可包括生成与可用于驱动3D打印机的操作以增材的方式制造部件的第一组工具路径或第二组工具路径对应的指令。3D打印机然后可基于对应于第一组工具路径或第二组工具路径的指令，使用3D打印机的配置来执行生产部件的动作。
如前所述，与这些方法相关联的动作(而非任何所描述的手动动作)可由一个或多个处理器执行。一个或多个这类处理器可被包括在例如执行软件组件(诸如所描述的应用软件组件)的一个或多个数据处理系统中，该软件组件可操作以使得这些动作由一个或多个处理器执行。在实施例的实例中，这类软件组件可包含对应于例程、子例程、程序、应用、模块、库、执行线程等的计算机可执行指令。另外，应理解软件组件可以如下地编写且/或由以下方式产生：软件环境/语言/框架(诸如Java、JavaScript、Python、C、C#、C++)或能够生成被配置用于执行本文描述的动作和特征的组件和图形用户界面的任何其他软件工具。
图8示出数据处理系统800(也称为计算机系统)的框图，例如，实施例可在其中实施为：产品系统的一部分和/或可操作地由软件或以其他方式配置用于执行如本文所述的过程的其他系统。所描绘的数据处理系统包括可连接到一个或多个桥/控制器/总线804(例如，北桥、南桥)的至少一个处理器802(例如，CPU)。例如，总线804中的一个可包括一个或多个I/O总线、诸如PCI Express总线。在所描绘的实例中还可包括连接到各种总线的主存储器806(RAM)和图形控制器808。图形控制器808可连接到一个或多个显示装置810。还应注意，在一些实施例中，一个或多个控制器(例如图形控制器、南桥)可与CPU集成(在同一芯片/模板(chip/die)上)。CPU架构的实例包括IA-32、x86-64和ARM处理器架构。
连接到一个或多个总线的其他外设可包括可操作以连接到局域网(LAN)、广域网(WAN)、蜂窝网络的通信控制器812(以太网控制器、WiFi控制器、蜂窝控制器)和/或其他有线或无线网络814或通信设施。
连接到各种总线的另外的组件可包括一个或多个I/O控制器816，诸如USB控制器、蓝牙控制器和/或专用音频控制器(连接到扬声器和/或麦克风)。还应理解，各种外设可连接到一个或多个I/O控制器(经由各种端口和连接件)，包括输入装置818(例如，键盘、鼠标、指针、触摸屏、触摸板、绘图板、轨迹球、按钮、数字键盘、游戏控制器、游戏手柄、相机、麦克风、扫描仪、捕获运动手势的运动感测装置)，输出装置820(例如打印机、扬声器)或经操作而向数据处理系统提供输入或从其接收输出的任何其他类型的装置。另外，应理解，被称为输入装置或输出装置的许多装置可既提供与数据处理系统的通信的输入又接收与数据处理系统的通信的输出。例如，处理器802可被集成到包括充当输入和显示装置两者的触摸屏的外壳(例如平板电脑)中。此外，应理解，一些输入装置(诸如笔记本电脑)可包括多种不同类型的输入装置(例如，触摸屏、触摸板和键盘)。另外，应该理解，连接到I/O控制器816的其他外围硬件822可包括被配置成与数据处理系统通信的任何类型的装置、机器或组件。
连接到各种总线的附加组件可包括一个或多个存储控制器824(例如，SATA)。存储控制器可连接到存储装置826，诸如一个或多个存储驱动器和/或任何相关联的可移除介质，其可为任何合适的非暂态机器可用或机器可读存储介质。实例包括非易失性装置、易失性装置、只读装置、可写装置、ROM、EPROM、磁带存储件、软盘驱动器、硬盘驱动器、固态驱动器(SSD)、闪存、光盘驱动器(CD、DVD、蓝光)和其他已知的光学、电子或磁性存储装置驱动器和/或计算机介质。另外，在一些实例中，存储装置诸如SSD可直接连接到I/O总线804、诸如PCI Express总线。
根据本发明的实施例的数据处理系统可包括操作系统828、软件/固件830和数据存储件832(其可存储在存储装置826和/或存储器806上)。这类操作系统可采用命令行界面(CLI)壳和/或图形用户界面(GUI)壳。GUI壳允许多个显示窗口同时呈现在图形用户界面中，其中每个显示窗口提供到一个不同的应用程序的界面或到相同应用程序的不同实例的界面。图形用户界面中的光标或指针可由用户通过点击诸如鼠标或触摸屏的装置来操纵。可改变光标/指针的位置和/或可生成事件(诸如点击鼠标按钮或触控触摸屏)以启动期望的响应。可在数据处理系统中使用的操作系统的实例可包括Microsoft Windows、Linux、UNIX、iOS和Android操作系统。另外，数据存储件的实例包括数据文件、数据表、相关的数据库(例如，Oracle、Microsoft SQL Server)、数据库服务器或能够存储可由处理器检索的数据的任何其他结构和/或装置。
如本领域技术人员已知的，通信控制器812可连接到网络814(不是数据处理系统800的一部分)，其可为任何公共或私人数据处理系统网络或网络的组合，包括互联网。数据处理系统800可通过网络814与一个或多个其他数据处理系统诸如服务器834(也非数据处理系统800的一部分)进行通信。然而，一个可选择的数据处理系统可对应于实施成分布式系统的一部分的多个数据处理系统，其中与多个数据处理系统相关联的处理器可通过一个或多个网络连接进行通信并且可共同执行描述为正由单个数据处理系统执行的任务。因此，应理解，当提及数据处理系统时，可跨越以分布式系统形式组织的彼此经由网络通信的几个数据处理系统实施这类系统。
另外，术语“控制器”意指控制至少一个操作的任何装置、系统或其部分，无论这类装置是以硬件、固件、软件还是其中至少两个的某种组合来实现。应注意，与任何特定控制器相关联的功能可为集中式的或分布式的(无论是以本地方式还是以远程方式)。
另外，应该认识到，数据处理系统可被实施为虚拟机架构或云环境中的虚拟机。例如，处理器802和相关联的组件可对应于在一个或多个服务器的虚拟机环境中执行的虚拟机。虚拟机架构的实例包括VMware ESCi、Microsoft Hyper-V、Xen和KVM。
本领域的普通技术人员将理解，针对数据处理系统描绘的硬件可针对特定实施方式而变化。例如，此实例中的数据处理系统800可对应于经操作以处理数据和执行与本文讨论的数据处理系统、计算机、处理器和/或控制器的操作相关联的功能和特征的计算机、工作站、服务器、PC、笔记本计算机、平板电脑、移动电话和/或任何其他类型的设备/系统。所描述的实例仅提供用于解释的目的，并不意旨暗示关于本发明的架构限制。
另外，应注意，本文描述的处理器可位于远离本文描述的显示和输入装置的服务器中。在这类实例中，所描述显示装置和输入装置可包括在通过有线或无线网络(其可包括因特网)与服务器(和/或在服务器上执行的虚拟机)通信的客户端装置中。在一些实施例中，这类客户端装置例如可执行远程桌面应用或者可对应于端口装置，其与服务器一起执行远程桌面协议从而通过显示装置将来自输入装置的输入发送到服务器并且接收来自服务器的可视信息。这类远程桌面协议的实例包括Teradici的PCoIP、微软的RDP和RFB协议。在这类实例中，本文描述的处理器可对应于在服务器的物理处理器中执行的虚拟机的虚拟处理器。
如本文所使用，术语“组件”和“系统”旨在涵盖硬件、软件或硬件和软件的组合。因此，例如，系统或组件可为进程，在处理器上执行的进程，或处理器。此外，组件或系统可位于单个装置上或分布在几个装置上。
另外，如本文所使用，处理器对应于经由硬件电路、软件和/或固件配置以处理数据的任何电子装置。例如，本文描述的处理器可对应于中的一个或多个(或组合)：微处理器、CPU、FPGA、ASIC或任何其他集成电路(IC)或能够处理在数据处理系统中的数据的其他类型电路，其可具有控制器板、计算机、服务器、移动电话和/或任何其他类型电子装置的形式。
本领域技术人员将认识到，为了简单和清楚起见，适合与本发明一起使用的所有数据处理系统的完整结构和操作在本文中未被描绘或描述。相反，仅描绘且描述对于本发明为唯一的或者对于理解本发明为必需的如此多的数据处理系统。数据处理系统800的构造和操作的剩余部分可符合本领域已知的各种当前实施方式和实践中的任一种。
另外，应理解，除非在一些实例中明确地限制，否则本文使用的单词或短语应该被广泛地理解。例如，术语“包括”和“包含”及其派生词意指包括但不限于。除非上下文另有明确指明，否则单数形式“一(a/an)”和“该(the)”旨在另外的包括复数形式。另外，本文使用的术语“和/或”是指并且涵盖所列相关项目中的一个或多个中的任一个和所有可能组合。除非上下文另有明确指明，否则术语“或”是包含性的，意指和/或。短语“与......相关联”、“与其相关联”以及其派生词可意旨包括、包括在...内、与……互连、含有、含有在……内、连接到或与……连接、联接到或与...联接、与......通信、与...合作、交织、并置、接近、绑定到或与...绑定、具有、具有...的属性等。
另外，尽管在本文可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元素、功能或动作，但是这些元素、功能或动作不应该被这些术语限制。相反，这些数字形容词用于区分不同的元素、功能或动作。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元素、功能或动作可被称为第二元素、功能或动作，并且类似地，第二元素，功能或动作可被称为第一元素、功能或动作。
另外的，短语诸如“处理器被配置成”执行一个或多个功能或过程可意指处理器在操作上被配置成或可操作地配置成经由软件、固件和/或有线电路来执行功能或过程。例如，被配置成执行功能/过程的处理器可对应于正在执行软件/固件的处理器，其被编程为使得处理器执行功能/处理和/或可对应于处理器，该处理器具有可由处理器执行以执行该功能/过程的在存储器或存储装置中的软件/固件。还应注意，“被配置成”执行一个或多个功能或过程的处理器还可对应于特别制造或“经有线”以执行功能或过程的处理器电路(例如，ASIC或FPGA设计)。另外的，在被配置成执行多于一个功能的元素(例如，处理器)之前的短语“至少一个”可对应于每个执行这些功能的一个或多个元素(例如，处理器)并且还可对应于两个或更多个分别执行一个或多个不同功能中的不同功能的元素(例如，处理器)。
另外的，除非上下文另有明确指明，否则术语“与...相邻”可意指：元素相对接近但不与另一个元素接触；或者元素与另外的部分接触。
尽管已经详细描述本发明的实例性实施例，但是本领域技术人员将理解，可在不背离以其最广泛形式的本发明精神和范围的情况下可进行本文公开的各种变化、替换、变型和改进。
本申请中的任何描述都不应被理解为解读为任何特定的元素、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的基本要素：专利主题的范围由请求的权利要求仅限定。此外，这些权利要求均不旨在援引装置加功能权利要求解释，除非确切的词语“用于...的装置”后面跟有分词。
本申请要求于2015年10月28日提交的美国临时申请第62/247,241号的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

Claims (15)

1.一种用于基于对经由三维打印机(3D打印机)生产的部件的热/结构模拟来优化工具路径的系统(100)，所述系统包含：
至少一个处理器(102)，被配置成执行对根据第一组工具路径(110,120)以增材的方式生产所述部件(118)的第一模拟，所述第一组工具路径与可用于驱动3D打印机(142)来移动激光(144)以增材的方式生产所述部件的指令对应，其中所述至少一个处理器被配置成：
确定将所述部件的空间划分成多个三维(3D)元素(122)的所述部件的网格(124)；
确定所述网格的元素沉积的顺序从而基于所述第一组工具路径以增材的方式生产所述部件；
以所述元素被确定沉积的顺序模拟所述网格的所述元素(134)中的每个的增量沉积，其中，对于增加的相应元素的每次增量沉积，所述至少一个处理器确定所沉积的元素的热特性(128)和结构变形特性(130)，其中在确定所述相应元素的热特性和结构变形特性之前，对所述相应元素中的至少一个进行结构上的修改，从而将由通过先前确定的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素(146)的结构变形引起的所述相应元素的体积变化计算在内。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述网格对应于包含六面体元素的六面体网格，其中，所述至少一个处理器被配置成基于对应于所述3D打印机的激光宽度和层厚度的数据来确定元素尺寸，其中，所述至少一个处理器被配置用于接收定义所述部件的3D模型的计算机辅助设计(CAD)数据(126)，其中，所述至少一个处理器被配置成基于所确定的元素尺寸和所述部件的所述3D模型来确定网格，其中，所述至少一个处理器被配置成基于以下确定结果来确定所述元素沉积的顺序：在所述3D打印机操作以基于所述第一组工具路径使材料沉积到所述部件上时，所述网格的哪些元素与所述3D打印机的所述激光的激光束相交。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所确定的热特性包括指明所沉积的元素的温度变化的数据，其中，所确定的结构变形特性包括指明所沉积的元素的结构变化的数据，所述结构变化的数据是至少部分地基于指明所沉积的元素的温度变化的数据来确定的，其中，所述至少一个处理器被配置成至少部分地基于所述热特性、所述结构变形特性或他们的组合中的至少一个来确定与所述部件的全部或一部分相关联的应力特性(132)。
4.根据权利要求3所述的系统，所述系统还包含显示装置(114)，其中，所述至少一个处理器被配置成使得所述显示装置输出表示每个元素连续地沉积以构建成所述部件的可视动画，其中，所述动画包括基于为元素的每次相应沉积所确定的所述热特性或所述结构变形特性，至少一部分元素随着元素的每次相应沉积的可视的变化。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的系统，其中，基于为所述相应元素中的一个或多个所确定的热特性、结构变形特性、应力特性或它们的组合中的至少一个，所述至少一个处理器被配置成进行以下中的至少一种：选择第二组工具路径(136、140)、生成所述第二组工具路径或它们的组合，其中，所述第二组工具路径可用于驱动所述3D打印机以增材的方式生产所述部件并且所述第二组工具路径与所述第一组工具路径不同。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置成执行对根据所述第二组工具路径以增材的方式生产所述部件的第二模拟，其中所述至少一个处理器被配置成：
确定所述网格的所述元素沉积的修正顺序从而基于所述第二组工具路径以增材的方式生产所述部件；
以所述元素被确定沉积的所述修正顺序模拟所述网格的所述元素中的每个的增量沉积，其中，对于增加的相应元素的每次增量沉积，所述至少一个处理器确定所沉积的元素的另外的热特性和另外的结构变形特性，其中在确定所述相应元素的所述另外的热特性和所述另外的结构变形特性之前，对所述相应元素中的至少一个进行结构上的修改，从而将由通过先前确定的另外的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素的结构变形引起的所述相应元素的体积变化计算在内；
至少部分地基于所述另外的热特性、所述另外的结构变形特性或它们的组合中的至少一个来确定与所述部件的全部或一部分相关联的另外的应力特性，
其中，所述至少一个处理器被配置成基于用于所述第一模拟和所述第二模拟的所述热特性、所述另外的热特性、所述结构变形特性、所述另外的结构变形特性、所述应力特性、所述另外的应力特性或者它们的组合中的至少一个来选择使用第一组工具路径和第二组工具路径中的哪一个来用于借助所述3D打印机生产所述部件。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的系统，所述系统还包含所述3D打印机，其中，所述至少一个处理器被配置成将对应于所述第一组工具路径或所述第二组工具路径的指令存储到至少一个数据存储件(108)，其中，所述指令可用于驱动所述3D打印机的操作以增材的方式制造所述部件。
8.一种基于对经由三维打印机(3D打印机)生产的部件的热/结构模拟来优化工具路径的方法，包含：
通过至少一个处理器(102)的操作，执行对根据第一组工具路径(110、120)以增材的方式生产所述部件(118)的第一模拟，所述第一组工具路径与可用于驱动3D打印机(142)来移动激光(144)以增材的方式生产部件的指令对应，所述第一模拟包括：
确定将所述部件的空间划分成多个三维(3D)元素(122)的所述部件的网格(124)；
确定所述网格的所述元素沉积的顺序从而基于所述第一组工具路径以增材的方式来生产所述部件；
以所述元素被确定沉积的顺序来模拟所述网格的所述元素(134)中的每个的增量沉积，包括对于增加的相应元素的每次增量沉积，确定所述所沉积的元素的热特性(128)和结构变形特性(130)，其中在确定所述相应元素的热特性和结构变形特性之前，对所述相应元素中的至少一个进行结构上的修改，从而将由通过先前确定的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素(146)的结构变形引起的所述相应元素的体积变化计算在内。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述网格对应于包含六面体的元素的六面体网格，所述方法还包含通过所述至少一个处理器的操作：
基于对应于所述3D打印机的激光宽度和层厚度的数据确定元素尺寸；以及
接收定义所述部件的3D模型的计算机辅助设计(CAD)数据(126)，
其中，基于所确定的元素尺寸和所述部件的所述3D模型来确定网格，其中，基于以下确定结果来确定所述元素的沉积顺序：所述确定结果是关于在所述3D打印机操作以基于所述第一组工具路径使材料沉积到所述部件上时，所述网格的哪些元素与所述3D打印机的激光的激光束相交。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所确定的热特性包括指明所沉积的元素的温度变化的数据，其中，所确定的结构变形特性包括指明所沉积的元素的结构变化的数据，所述结构变化的数据是至少部分地基于指明所沉积的元素的温度变化的数据来确定的，所述方法还包含：
至少部分地基于所述热特性、所述结构变形特性或它们的组合中的至少一个来确定与所述部件的全部或一部分相关联的应力特性(132)。
11.根据权利要求10所述的方法，还包含通过所述至少一个处理器的操作：
使得显示装置(14)输出表示每个元素连续地沉积以构建成所述部件的可视动画，其中，所述动画包括基于为元素的每次相应沉积所确定的所述热特性或所述结构变形特性，至少一部分元素随着元素的每次相应沉积的可视的变化。
12.根据权利要求10或4中任一项所述的方法，所述方法还包含：
基于为所述相应元素中的一个或多个所确定的热特性、结构变形特性、应力特性或它们的组合中的至少一个，进行以下中的至少一种：选择第二组工具路径(136、140)、生成所述第二组工具路径、或它们的组合，其中，所述第二组工具路径可用于驱动所述3D打印机以增材的方式生产所述部件并且所述第二组工具路径与所述第一组工具路径不同。
13.根据权利要求12所述的方法，通过所述至少一个处理器的操作还包含：
执行对根据所述第二组工具路径以增材的方式生产所述部件的第二模拟，所述第二模拟包括：
确定所述网格的所述元素沉积的修正顺序从而基于所述第二组工具路径以增材的方式生产所述部件；
对于所述网格的所述元素中的每个，以元素被确定沉积的所述修正顺序来确定所述沉积元素中的至少一些的另外的热特性和另外的结构变形特性，其中在确定所述相应元素的所述另外热特性和结构变形特性之前，对所述相应元素中的至少一个进行结构上的修改，从而将由通过先前确定的另外的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素的结构变形引起的所述相应元素的体积变化计算在内；
至少部分地基于所述另外的热特性、所述另外的结构变形特性或它们的组合中的至少一个来确定与所述部件的全部或一部分相关联的另外的应力特性，
基于用于所述第一模拟和所述第二模拟的所述热特性、所述另外的热特性、所述结构变形特性、所述另外的结构变形特性、所述应力特性、所述另外的应力特性或者它们的组合中的至少一个来选择第一工具路径和第二组工具路径中的哪一个来用于借助所述3D打印机生产所述部件。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，所述方法还包含：
通过所述至少一个处理器的操作，生成对应于所述第一组工具路径或所述第二组工具路径的指令，所述指令可用于驱动所述3D打印机的操作而以增材的方式制造所述部件，
通过所述3D打印机的操作，使用所述3D打印机的基于对应于所述第一组工具路径或所述第二组工具路径的指令的配置来生产所述部件。
15.一种编码有可执行指令(1130)的非暂态计算机可读介质(1126)，在执行所述可执行指令时，所述可执行指令使得至少一个处理器(102、1102)执行用于基于对经由三维打印机(3D打印机)生产的部件的热/结构模拟来优化工具路径的方法，所述方法包含：
执行对根据第一组工具路径(110、120)以增材的方式生产部件(118)的第一模拟，所述第一组工具路径与可用于驱动3D打印机(142)来移动激光(144)以增材的方式生产所述部件的指令对应，所述第一模拟包括：
确定包括多个三维(3D)元素(122)的所述部件的网格(124)；
确定所述网格的元素沉积的顺序从而基于所述第一组工具路径以增材的方式生产所述部件；
以所述元素被确定沉积的顺序模拟所述网格中的所述元素(134)中的每个的增量沉积，所述模拟包括为增加的相应元素的每次增量沉积确定所沉积的元素的热特性(128)和结构变形特性(130)，其中在确定所述相应元素的所述热特性和所述结构变形特性之前，对所述相应元素中的至少一个进行结构上的修改，从而将由通过先前确定的结构变形特性所确定的至少一个相邻元素(146)的结构变形引起的所述相应元素的体积变化计算在内。
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