CN109074410A - 用于确定加性地建造的建筑结构中的应力和形状偏差的方法、计算机可读的数据载体、计算机程序和模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定利用加性建造方法建造的建筑结构(11)中的与建造有关的形状偏差(εl,i)和应力的方法，所述建筑结构通过使连续的层(12)中的建筑材料凝固来产生。此外，本发明涉及这种方法用于产生校正后的建造数据(19)的应用以及其在加性建造设备中的应用。此外，本发明面向用于执行这种方法的计算机可读的数据载体或计算机程序以及面向模拟器，这种计算机程序可以在模拟器中运行。在所述方法中，使用超级层(13)来减小进行模拟时的计算开销。为了在可接受的计算开销下保证具有足够精度的模拟结果，根据本发明还设置为，确定凝固的建筑材料的有效收缩因子(αi或者αl,i)，以便在每个超级层(13)中计算有效热收缩(εl或者εl,i)。

Description

用于确定加性地建造的建筑结构中的应力和形状偏差的方 法、计算机可读的数据载体、计算机程序和模拟器
本发明涉及一种用于确定利用加性制造方法建造的建筑结构中的、与建造有关的形状偏差和应力的方法。该建筑结构通过熔化连续的层中的建筑材料而产生。在此，处理器使用描述建筑结构的几何结构的数据来产生有限元的网络。处理器布置有限元，使得其分别完全处于超级层中，其中，超级层分别由建筑结构的多个要建造的层构成。处理器针对每个超级层确定冷却行为。处理器根据冷却行为通过有限元法(Finite-Elemente-Methode，下面简称为FEM)计算建筑结构中由于热收缩而产生的应力和形状偏差。
所述方法适合用于计算通过加性制造方法建造的建筑结构，其逐层地通过进行熔化或者烧结(一般来说，凝固)获得。关于此，例如可以列举激光熔化、激光烧结、电子束熔化和激光涂层焊接。利用这些方法，例如可以在粉末床中或者通过直接在处于建造中的建筑结构上涂覆粉末材料来产生建筑结构。在此，建筑结构不仅包括希望的建筑部分，而且可能包括建造所需的辅助结构、例如支持结构，其与建筑部分接合并且将在建造之后去除。建筑结构也可以由在建筑平台上并行建造的多个建筑部分构成。
为了能够建造建筑部分，针对所选择的加性制造方法准备描述建筑部分的数据(CAD模型)。将这些数据转换为与制造方法匹配的建筑部分的数据，以创建针对制造设备的指令，由此能够在制造设备中进行用于连续地建造建筑部分的合适的处理步骤。为此准备数据，使得针对相应地要建造的建筑部分的层(片)提供几何数据，这也称为分层。
作为加性制造的示例，可以列举选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，也缩写为SLS)、选择性激光熔化(Slective Laser Melting，也缩写为SLM)、电子束熔化(Electrone Beam Melting，也缩写为EBM)、激光粉末涂层焊接(Laser Metal Deposition(激光金属沉积)，也缩写为LMD)。这些方法特别适合用于处理可以用来建造结构建筑部分的粉末形式的金属材料。
在SLM、SLS和EBM中，逐层地在粉末床中建造建筑部分。因此，这些方法也称为基于粉末床的加性制造方法。相应地在粉末床中产生粉末层，随后通过能量源(激光或者电子束)在要形成建筑部分的区域中局部熔化或者烧结该粉末层。因此，连续逐层地产生建筑部分，并且可以在完成之后取出粉末床。
在LMD中，直接向要进行材料涂覆的表面施加粉末微粒。在LMD中，通过激光直接在该表面上的击中位置熔化粉末颗粒，并且在此形成要产生的建筑部分的层。
此外，SLS的特征在于，在这种方法中粉末微粒不完全熔化。在SLS中，在选择烧结温度时，注意使其处于粉末颗粒的熔化温度以下。与此相对，在SLM、EBM和LMD中，有意使能量投入的大小如此之高，使得粉末颗粒完全熔化。
所提及的加性制造方法被设置为优先用于处理金属和金属合金。在此，以熔化金属的方式工作，这意味着，通过能量束熔化相对小的体积，同时与此相比，保持处于形成中的建筑结构的其余部分冷却。在熔化之后，进行快速冷却，其中，材料又凝固。由于与此相关联的热收缩，固化的材料产生强烈的局部张力，其中，该过程在整个建筑结构中重复出现。在此，在建筑结构中形成应力和应变分布，其由于其复杂性而难以预测。然而，所建造的建筑结构中的应力和应变分布可能强烈地干扰建筑结构的尺寸稳定性和机械负荷能力，使得其必须作为废品被丢弃。可能需要多次迭代地修正特别是描述建筑结构的几何结构并且重复执行加性方法，以抵消建筑结构的变形。
就这点而言，希望模拟加性建造过程期间的建筑部分行为，以便能够预测建筑结构中的应力和应变并且在产生描述建筑结构的数据组时已经考虑。如在B.Schoinochoritis等的“Simulation of metallic powder bed additivemanufacturing processes with the finite element method:A critical review”,Proc IMichE part B,J.Engineering Manufacture 1-22,2015中可以看到的，对此已经给出了不同的方案。然而，对于这些方案共同的是，主要问题在于，FEM必须处理如此大的数据量，使得从经济角度来看，所需要的计算时间是不可接受的。因此，必须在FEM计算中进行简化假设，然而，其使计算结果的精度变差。
N.Keller等在“New method for fast predictions of residual stress anddistortion of AM parts”,Solid Freefrom Fabrication,2014,S.1229-1237中提出了一种对应于开头给出的类型的方法的方案。为了缩短计算时间，思路在于，代替建筑结构的各个要建造的层，分别将建筑材料的行为类似的多个层综合成超级层。由此可以执行更少的方法步骤，其中，由此降低模拟的复杂性。为了计算在超级层中出现的应力，假设存在于超级层中的、反映特定材料的行为的应变系数(Dehnungskoeffizient)。为了缩短计算时间，忍受伴随着模拟的简化的计算误差的增大。
此外，本发明涉及上面说明的用于产生描述建筑结构的几何结构的校正后的数据的方法的应用，其中，对数据进行校正，使得在描述几何结构的数据中对由于与所希望的建筑结构的几何结构有偏差的几何结构而发生的应变进行补偿。
此外，本发明涉及上面说明的方法用于利用校正后的数据加性地建造建筑结构的应用。
最后，本发明涉及一种用于确定要加性地建造的建筑结构中的与建造有关的形状偏差和应力的计算机可读的数据载体、计算机程序和模拟器，其中，也可以存储在计算机可读的数据载体上的计算机程序执行上面提到的方法。在模拟器、例如计算机中，可以对处理器进行编程，使得能够执行上面给出的方法。
本发明要解决的技术问题是，改善开头给出的类型的方法，使得在执行所述方法期间与尽可能小的计算开销相关联，其中，利用所述方法，可以计算尽可能对应于在执行加性制造方法时实际出现的应力和形状偏差的、在建筑结构中出现的应力和形状偏差的计算结果。此外，本发明要解决的技术问题是，使得这种方法能够由在用于产生描述建筑结构的几何结构的校正后的数据的方法或者用于利用上面提到的特征加性地建造建筑结构的方法中的应用使用。最后，本发明要解决的技术问题是，给出一种用于确定建筑结构中与建造有关的形状偏差和应力的计算机可读的数据载体、计算机程序或者模拟器，在其中实现所述方法。
根据本发明，利用开头给出的方法的上述技术问题的解决方案通过如下方式来实现：处理器通过按照建造超级层的顺序考虑超级层，来确定建筑结构中由于凝固而产生的应力和形状偏差。这意味着，在处于建造中的超级层中，可以考虑相应地已经建造的超级层的应力和形状偏差。在此，处理器根据相关超级层(即目前处于建造的模拟中的超级层，下面始终将其称为相关超级层)的冷却行为确定相关超级层的平均温度T1。此外，通过处理器考虑凝固的建筑材料的有效收缩因子αi或者αl,i，处理器计算相关超级层中的热收缩。根据其，处理器在考虑建筑材料的熔化温度Ts并且不考虑其它超级层的情况下，使用下面的公式中的一个(根据可以使用αi或者αl,i)，来计算相关超级层中的相对热收缩εl或者εl,i：
ε1＝αi(Ts-T1)或者ε1，i＝α1，i(Ts-T1)。
最后，根据本发明，通过处理器考虑已经建造的超级层的应力和形状偏差，处理器计算在相关超级层中产生的应力和形状偏差。也就是说，已经建造的超级层的应力和形状偏差影响相关层的应力和形状偏差，因为由于机械耦合，必须考虑应力和由此产生的形状偏差在超级层之间的传输，以保证模拟接近现实。在此，根据本发明，以已经建造的超级层影响相关超级层，并且相关超级层影响未来要建造的超级层的方式，来考虑制造流程。以这种方式，按照形成超级层的顺序来考虑超级层。换句话说，通过模拟来模仿实际的制造流程，并且通过FEM计算基于厚得多的超级层，而不是制造的实际的层，来减小计算开销。
从所描述的方法的结果中可以有利地推导出建筑部分在其建造之后可能如何变形。如果这些变形和应力状态处于可容忍的范围之外，则可以对描述建筑结构的几何结构的数据进行修正，并且根据所描述的方法重新进行计算。由此形成用于优化要建造的建筑结构的几何结构的迭代处理，从而平衡应力和形状偏差。这有利地在可接受的计算时间内进行，从而与实际建筑结构的加性建造相比，可以节省用于加性建造的设备中的材料开销和制造时间。
如果计算所建造的建筑结构的第一个超级层，则还要考虑其处于建筑平台上。建筑平台可以作为边界条件来考虑，并且其行为基本上与先前建造的超级层相同。因此，可以用于在考虑已经建造的超级层的情况下计算之后的超级层的计算例程也应用于建筑平台。在此，可能需要考虑与超级层有偏差的杨氏模量其导致建筑平台的另一个刚度(Steifigkeit)。
在作为执行所述方法的结果知道建筑结构的形状偏差之后，可以对描述建筑结构的几何形状的数据进行校正，使得提供与所计算的形状偏差相反的方向上的建筑结构中的形状偏差。因为对建筑结构的几何形状的修正的定量效果不是完全可预测的，因此随后可以借助所述方法执行另一个计算流程，以便能够评估措施的效果。
根据本发明的有利设计方案，处理器可以如下确定相关超级层的冷却行为。对于冷却，处理器仅考虑处于形成中的建筑结构的已经建造的部分。关于建造相关超级层的时间段，对处于形成中的建筑结构中的能量投入求平均，并且使其均匀地分布在超级层的表面积上。这意味着，假定超级层的整个面积上的均匀的能量投入等同于实际能量投入。此外，处理器确定在建造相关超级层的时间段内该超级层的热损耗。由于处于建造中的建筑结构内部的热传导、从建筑结构向粉末床和处理室的热辐射以及由于处理气体的对流而产生热损耗。最后，在考虑能量投入和热损耗的情况下，确定相关超级层的平均温度T1。
作为整体对已经建造的建筑结构的热考虑有利地简化了借助FEM方法对建筑部分的热计算。也就是说，已经证明，(在建筑材料固化之后)建筑结构中的热过程缓慢地进行，使得这里简化为准静态行为对计算结果的精度没有大的影响。
因此，根据本发明的另一个设计方案，处理器可以有利地在计算产生的应力和形状偏差时，基于相关层中的与时间有关的连续的温度曲线Tl(t)，该温度曲线从熔化温度Ts运行到平均温度Tl。在此，温度差导致建筑结构的收缩以及由此产生的应力和形状偏差。这种模型通过充分地近似实际情况而有利地简化了对温度的时间行为的考虑，因此也简化了计算，其结果是计算时间减少。代替线性的冷却行为，当然也可以假设另一种冷却行为(例如以指数的方式)，如果这更好地反映实际冷却行为。
根据本发明的另一个设计方案设置为，通过由所使用的建筑材料建造样品并且对所建造的样品进行测量来确定收缩因子αi，并且使得处理器可以使用收缩因子。通过所述方法的这种设计方案，可以在考虑实际情况(建筑结构的材料的选择、加性建造设备的情况、方法参数)的情况下确定收缩因子。然后，针对整个建筑结构假设该收缩因子。替换地，也可以通过为此以计算的方式确定要建造的样品的行为，来计算该收缩因子αi。为此，可以使用已知的FEM方法。
通过实验确定收缩因子αi具有如下优点：可以考虑实际情况，而不需要准确地知道其相互作用。借助FEM方法计算样品具有如下优点：为此设置与建筑结构相比小的体积，从而可以保持计算开销在限度内。
根据所述方法的另一个设计方案设置为，处理器或者与该处理器对应的处理器通过利用FEM计算利用加性制造方法建造的代表性体积元素(下面简称为RVE)中的应力和形状偏差，计算收缩因子αi(如上面已经提到的)或者与相关层有关地计算收缩因子αl,i。由此，在计算收缩因子时，代替样品，设置具有特定几何结构的RVE。在此，RVE例如可以具有与相关超级层相同的高度。如果单独针对每个超级层特别地计算RVE，则也可以有利地一起考虑已经建造的超级层对收缩行为的影响。由此有利地提高计算结果的精度，其中，计算中的与此相关联的额外开销保持在可接受的限度内。
收缩因子的计算可以通过处理器或者与该处理器对应的处理器执行。在本申请的情境下，适合用于执行所述方法的计算单元应当理解为处理器。该计算单元具有电子电路，其中，其在结构上可以布置在一个或多个处理器核心中。作为本申请的意义上的对应的处理器，意为可以独立于首次提到的处理器地执行计算，然而为了交换数据可以与首次提到的处理器对应的计算单元。换句话说，所述方法可以在一个或多个处理器上执行。如果在本申请的情境下提到“所述处理器”，则其意为这些处理器中的一个，其中，通过多个处理器的对应来保证所述方法的功能流程。在执行根据本发明的方法的过程中，也可以使用多于两个的对应的处理器，其中，其不单独提及，而是所有对应的处理器都称为对应的处理器。就此而言，首次提到的处理器联合其它处理器也是对应的处理器。
根据本发明的特别的设计方案设置为，处理器或者与该处理器对应的处理器由在多个层中相互重叠的多个照射迹线组成RVE，其中，与针对加性制造方法规划的照射模式对应地确定照射迹线的走向。换句话说，多个照射迹线产生实际规划的加性制造方法的曝光机制的模型化。由此，RVE的行为基本上与真正的建筑部分的对应于RVE的体积相同，其中，在此可以在各个超级层之间进行区分。然后，对于整个超级层，可以基于有效收缩因子αi,l来计算应力和应变。
如果加性制造方法由SLM或者EBM构成，则材料实际熔化并且由此凝固。在这种情况下，照射迹线由焊接迹线构成，其中，材料在熔化之后又固化。在SLS的情况下，材料由于激光束通过烧结而凝固，而建筑材料的粉末颗粒不完全熔化。然而，方法进程类似。有利地，照射线圈在相应的层(其形成超级层的一部分)中可以以直线彼此平行地延伸。在此涉及经常使用的曝光机制，由此涉及在通常情况下接近现实的假设。此外，可以考虑照射线圈从层到层的走向旋转特定角度。在此也涉及在建筑部分内部、由此也在RVE内部产生应力和应变的一定的平衡的常见照射策略。
根据本发明的特殊的设计方案设置为，处理器或者与该处理器对应的处理器在边界条件下，计算所有照射迹线，使得其以直线设置在相邻照射迹线的已经凝固的建筑材料上。也就是说，与建造实际的立方体形状的样品不同，对于RVE可以假设其位于要建造的建筑结构内部。通过在RVE外部设置相邻的照射迹线，这也适用于处于RVE边缘处的照射迹线，使得其行为与处于建筑部分内部的照射迹线相同。不属于RVE的相邻的照射迹线的影响因此有利地是更现实的方案。
此外有利的是，处理器或者与该处理器对应的处理器通过有限元法计算照射迹线中的温度分布。这意味着，可以更接近现实地将特别是熔池的冷却行为模型化，但是也可以更接近现实地将在熔池固化之后的冷却模型化。在此，例如可以将熔池模型化为所谓的Goldak热源，其中，Keller等已经在开头引用的资料中描述了这种方法。
当处理器或者与该处理器对应的处理器以在确定有效收缩因子时基于具有刚度Ci的基材上的建筑材料的凝固的方式，确定有效收缩因子αl,i中的至少一个时，得到所述方法的另一个有利的设计方案。这具有如下优点：可以一起考虑在其上建造建筑结构的建筑平台的刚度。考虑建筑板的方法与考虑处于相关超级层下方的超级层的方法类似地进行，区别仅在于，通过建筑板的材料和温度预先给定边界条件。有利地，也可以在之后计算超级层时考虑特别是建筑板的热容量，其中，在此也可以类似地应用适用于已经建造的超级层的计算方法。在进一步的计算过程中，通过处理器或者与该处理器对应的处理器在考虑处于相关超级层下方的超级层(其形成迄今为止建造的建筑结构)的刚度Cl-1,i的情况下，针对相关超级层确定适用于该层的有效收缩因子αl,i，来实现这一点。
因此，相应地处于相关超级层下方的建筑结构的刚度扮演如此重要的角色，因为其防止相关超级层的没有阻碍的收缩。相反，在相关超级层和处于其下的超级层或建筑平台或者基材之间存在张力，从而由于收缩行为产生的形状变化的一部分停止，而替代地在相邻的超级层之间建立张力。
特别是，可以以计算的方式通过处理器或者与该处理器对应的处理器使用具有与相关超级层的强度对应的高度的RVE，来确定这种行为。为此，处理器产生描述相关超级层的有限元的网络，其与处于相关超级层下方的超级层的具有刚度Cl-1,i(或者在第一个超级层的情况下，具有建筑平台的刚度Ci)的基材具有连接。根据其，所述处理器在考虑从熔化温度Ts到层的温度Tl的温度下降的情况下，通过FEM计算处于相关超级层下方的建筑结构(或者建筑平台)的相对张力。对于相关超级层，随后通过所述处理器生成与相关RVE的材料和尺寸相同的均匀固化的体积元素(下面称为HVE)，所述处理器确定有效收缩因子αl,i。HVE由此是替代体积元素，其没有由各个照射迹线构成的异构结构，而是具有由对应的材料构成的均匀的理想化的构造。其用于由所述处理器调整HVE的热收缩因子α，使得在HVE和处于相关超级层下方的建筑结构之间的界面中也存在先前针对RVE计算的应力和形状变化，并且将该收缩因子α设置为等于αl,i。
通过最后提到的计算步骤，有利地实现了通过假设HVE计算可以得到简化。在HVE内部均匀地适用有效收缩因子αl,i，借助其可以有利地以进一步降低的计算开销确定应力和应变。
为了实现计算开销的尽可能大程度的减小，超级层必须尽可能厚。为了保证计算结果尽可能高的精度，超级层必须尽可能薄。在此，为了能够以足够的精度、同时以可接受的计算时间得到计算结果，找到折衷方案非常重要。特别是当超级层分别由至少10个、最多20个要建造的建筑结构的层构成时，有利地实现折衷方案。
当利用能量束熔化建筑材料，并且处理器或者与该处理器对应的处理器作为如下参量的乘积计算能量投入Q时，得到对于能量投入的有利地很好的近似：
·能量束的功率，
·1和建筑材料的反射率之间的差，以及
·能量束使建筑材料凝固的写入时间与相关超级层的总处理时间的商。在此，以有利地相对简单的方式考虑能量投入的所要主要的影响参量，其中，已经证明，基于已经建造的建筑结构的时间行为，这种近似使得能够对建筑结构的温度行为进行足够准确的评估。
能量束的功率当然直接包含在能量投入Q中。然而，应当不考虑被建筑材料反射的部分功率，这通过1和建筑材料的反射率之间的差来排除。最后，还通过不向建筑结构中输入能量束的功率的照射暂停来减小能量投入。这可以通过输入能量束的功率的写入时间相对于总处理时间(包括写入暂停)的商来表示。
根据本发明的另一个设计方案设置为，处理器或者与该处理器对应的处理器利用FEM计算由于冷却到统一的温度水平而产生的建筑结构的附加热收缩。在此，所述处理器作为整体，也就是说在建筑结构的建造结束之后，考虑具有所确定的与凝固相关的产生的应力和形状偏差的建筑结构。在此，对建筑结构应用在确定建筑结构的最后的超级层的冷却行为时针对该建筑结构产生的温度曲线。在该时间点，在完成的建筑结构中仍然存在余热，其在将建筑结构冷却到更低的温度水平时导致建筑结构作为整体进一步收缩。借助FEM计算温度降低到所述温度水平时的附加应力和形状偏差，并且与所确定的与建造相关的产生的应力和形状偏差叠加。结果有利地是面向随后建筑部分的使用的分析。在此，统一的温度水平可以处于室温或者对于建筑结构的工作通常的工作温度。
根据所述方法的特别的设计方案设置为，处理器或者与该处理器对应的处理器将超级层中的至少一个划分为体积片段，其中，体积片段一起产生超级层的体积。对于相关超级层，所述处理器单独针对每一个体积片段计算冷却行为。在计算开销的增加可接受的情况下，在相关超级层中的冷却行为太不均匀，不能够得到模拟结果的足够的近似的情况下，所述方法的这种细化将有利地使得模拟计算的结果细化。不需要针对组成建筑结构的每个超级层执行所述方法通过将相关超级层划分为体积片段的细化。为了保持计算开销尽可能小，可以仅针对关键超级层执行这种计算。
也可以对相关超级层中的体积片段设置恒定的大小，或者根据需要在存在均匀的行为的相关超级层的区域中、例如在超级层的远离边缘的区域中设置相对大体积的片段，而在来自建筑结构的热辐射对冷却的影响扮演更重要的角色的超级层的靠近边缘的区域中，设置具有较小体积的体积片段。例如，体积片段可以具有与RVE相同的尺寸。在本发明的特别的设计方案中，也可以将超级层仅划分为RVE大小的体积片段，其中，在建筑结构的边缘层区域中，由于外部轮廓也可能出现具有不同的几何结构的体积片段。
在另一个步骤中，通过所述处理器针对每一个体积片段单独确定凝固的建筑材料的有效收缩因子αl,i，该处理器计算相关超级层中的热收缩。所述处理器在考虑建筑材料的熔化温度Ts并且不考虑其它超级层和体积片段的情况下，如下单独针对每一个体积片段计算体积片段中的相对热收缩εl,i：
ε1，i＝α1，i(Ts-T1)。
然后，通过考虑已经建造的超级层的应力和形状偏差，所述处理器计算相关超级层的每个体积片段中的产生的应力和形状偏差。就此而言，就像对整个超级层一样对体积片段进行处理，因此可以根据需要选择对超级层和超级层的体积片段的单独的处理。
根据本发明，开头给出的技术问题还通过前面描述的用于产生描述建筑结构的几何结构的校正后的数据的方法的使用来解决，其中，建筑结构可以利用加性建造方法通过使连续的层中的建筑材料凝固、特别是熔化来产生。在此，在产生描述建筑结构的校正后的数据时，处理器或者与该处理器对应的处理器考虑所确定的与建造有关的形状偏差和应力。结果由此是用于建造建筑结构的数据组，其在执行加性制造方法时产生改善的建筑结构，由此有利地改善其质量。
根据本发明，开头给出的技术问题还通过在用于建筑结构的加性建造的方法中使用前面描述的方法来解决，其中，建筑结构通过使连续的层中的建筑材料凝固来产生，其中，使用前面列举的描述建筑结构的校正后的数据。
上述技术问题还通过存储有计算机程序的计算机可读的数据载体来解决，当在处理器或者多个对应的处理中运行计算机程序时，计算机程序执行前面描述的方法。在处理器中运行并且在此执行前面描述的方法的该计算机程序同样解决上述技术问题。计算机程序或存储有该计算机程序的计算机可读的数据载体在此是本发明的表现形式，因为在运行程序时实现前面描述的方法的特征。
最后，开头给出的技术问题还通过用于确定利用加性制造方法建造的建筑结构中的与建造有关的形状偏差和应力的模拟器来解决，建筑结构通过使连续的层中的建筑材料凝固来产生，其中，该模拟器具有处理器，处理器被编程为执行前面的方法，从而通过模拟器执行对于本发明必不可少的特征。
下面，根据附图描述本发明的其它细节。对相同或者对应的绘图元素相应地设置相同的附图标记，并且仅在得到各个附图之间的不同之处的范围内，对绘图元素进行详细说明。
图1借助以简化的方式示出的计算方法的中间结果示出了根据本发明的方法的实施例的流程，以及
图2至图5作为流程图示出了根据本发明的方法的实施例的选择的方法步骤，以及
图6示出了可以在激光熔化设备中运行的、通过多个对应的处理器实现的根据本发明的方法的实施例。
在图1中，作为要建造的建筑结构11，示出了涡轮叶片11a，为了以简化的方式建造，涡轮叶片11a具有与叶片基部11b平行的两个支持结构11c。实际的建筑部分由涡轮叶片11a与叶片基部11b构成，同时虽然支持结构11c属于建筑结构11，但是在建造之后被去除。
在图1中作为U表示的制造步骤中，作为CAD模型由有限元FE组成建筑结构11。对建筑部分的这种描述适合用于建造目的，然而不适合于例如利用激光熔化方法(或者其它加性制造方法)制造建筑结构11。为此，必须在制造步骤V中以本身已知的方式通过分层将建筑结构11分解，即，对建筑结构的几何描述包含层12，层12正好对应于要通过激光熔化建造的建筑结构的层。然而，对建筑部分的这种描述对于使用根据本发明的方法的目的来说太精细，从而计算开销将导致不经济的计算时间。因此，为了使用根据本发明的方法设置为，在步骤W中将建筑结构11划分为超级层13，超级层13具有比要建造的层12大的厚度。优选超级层可以分别正好包含特定的层数量、例如10和20之间的层12。
下面的考虑基于在图1中示出的坐标系，其中，在z方向上实现层12或超级层13的堆叠顺序。由此，层在空间上分别定向在x-y平面上。在根据图1的步骤W中示出了超级层13。在图1中同样可以看到其厚度相对于步骤V中的层12更大。此外，示出了超级层13又可以划分为有限元，其中，优选划分为代表性体积元素RVE(在方法步骤C中示出)。
实际的计算方法通过具有4个程序模块A、B、C和D的程序(可选地在步骤D中附加地具有D.l和D.2)来执行。该程序流程在图1中一方面借助针对建筑结构11的模型形成示出，并且在图2中借助程序步骤示出。4个程序模块使得能够以简化的方式在足够的精度下考虑在进行激光熔化时发生的过程，并且4个程序模块可以通过合适地传输数据彼此独立地执行，其中，在此可以根据物理域、即所观察的描述建筑结构的连续体的要解决的热和机械问题并且根据观察的尺度、即针对已经建造的建筑结构的宏观尺度以及针对对熔池或新熔化的迹线中的过程的考虑的介观尺度(Mesoskala)进行区分。
在程序模块A中，计算热宏观尺度。在此，相应地作为整体来考虑已经建造的建筑结构11，其中，为此基于具有超级层13的模型。根据该模型，可以使用相应的超级层L(z)的几何数据作为输入数据。
热介观尺度的计算由热传导方程的准静态解构成：
其中，
ρ：材料的密度
cp：比热容
κ：热导率
如在图2中示出的(a)。在此假设完全均匀化的加热功率，其通过上面已经说明的能量投入Q采集。在此，对于在程序模块A中假定的长的时间段，近似地假设能量投入Q平均地分布在处于建造中的超级层13的整个面积上。然后，根据如下关系来计算加热功率：
(b) Q＝PLaser·(1-R)·(TLaser/Twork)
其中，
PLaser：激光功率
R：材料在所选择的激光波长下的平均反射率
TLaser：激光写入时间
Twork：处理的总时间
TLaser和Twork可以在考虑激光熔化的方法流程的情况下计算。在此，还考虑施加粉末的时间段，在该时间段期间激光保持关闭。为了确定比率，可以考虑超级层13中的代表层12。也可以通过考虑超级层13中的所有层12来求得比率。
此外，考虑由于建筑结构中的热传导、处理气体的对流以及热辐射产生的热损耗。为此，可以使用常见的FEM计算模型，其在本领域中一般是已知的。
针对建筑结构的相对小数量的建造状态进行计算。应当最多考虑与在建筑结构中设置的超级层13一样多的建造状态。对于具有简单的几何结构的均匀的建筑结构，当建筑结构的热行为在相关建筑部分区域中很少变化时，在需要时也可以综合多个超级层。由此节省计算开销。
作为结果，从每一次计算中得到相关建造状态下的在时间上平均的温度分布。由此可以确定基准温度Tl，其中，其是超级层13的平均温度，必须相对于其对激光熔化的熔池进行冷却。为此，将基准温度Tl传输到程序模块B。由此，在程序模块A中确定的宏观尺度温度模拟的基准温度Tl用作来自熔池的冷却的热边界条件。对于熔池，可以进行对应的计算，其中，该计算例如可以像Keller等所描述的那样进行。在需要时在程序模块A中针对建筑结构的不同的超级层13计算不同的基准温度Tl，从而在程序步骤B中也必须针对不同的基准温度Tl进行熔池计算。
在程序模块B中对介观尺度、即熔池层面的温度分布进行计算(参考图2)，其用于确定熔池中的温度分布。为此，考虑构件的小的片段，在该片段中，在已经固结的金属层上存在薄的粉末层。在进一步的使粉末凝固的过程中，还计算上面的层由部分已经固结的金属构成并且部分仍然由粉末构成、从而金属迹线被熔化为固结的材料级别的系统。最后描述的配置是在建造新的层12时主要存在的状态。为了计算其，又可以对热传导方程(a)进行求解，但是这一次对于加热功率Q，选择到粉末床中的局部能量投入Ql。在简化的方案中，Ql近似地由下式得到：
(c)Ql＝PLaser·(1-R)。
对于更准确的方案，也可以假设在时间上并且在空间上变化的激光的功率曲线，例如在材料中具有x方向上的速度v和朗伯-比尔衰减的宽度w的高斯辐射曲线，即，z＝0。
其中，
Q(r,t)：局部能量投入
I0：功率密度
β：辐射在材料中的朗伯-比尔衰减因子
x,y,z：参见图1中的坐标系
代替热传导方程(a)，在一个优选实施方式中，也可以在程序模块B中对焓的等价微分方程进行求解，其由下式给出：
其中，
H：材料的焓
在计算熔化过程时，使用该微分方程是有利的，因为在进行连续焓馈送的情况下，温度在熔点周围几乎保持恒定。此外，与对方程(a)或者(e)的求解耦联，对于Ql，必须考虑粉末和固结的材料的物理特性剧烈地发生变化的事实，因为粉末经历不可逆的状态变化。换句话说，在粉末温度升高到超过熔化温度时，粉末发生到熔化的转变，而在进行冷却之后，凝固的材料具有固体的特性。为了考虑这种情况，引入相场变量(Phasenfeld-Variable)“state”，其与x和y(处于建造中的层的坐标)、z(熔池深度)以及t(方法在时间上的进程)有关。在所考虑的粉末床的区域中，其相应地对应于温度的历史最大值Tmax(选择性地也对应于焓)。如果该历史最大值处于粉末材料的熔化温度Ts以上，则物理特性对应于固结体的物理特性，而不再对应于粉末的物理特性。在此应当考虑到向固结体中散热的量值比向作为不良热导体的粉末中散热总计大得多。为了简化方案，甚至可以忽略向粉末中的散热。在考虑针对相场变量state(x,y,z,t)的方程的情况下对方程(a)或者(e)求解，作为结果得到如在图1中示出的照射迹线14的附近的温度分布。下面，将其称为分析拟合函数Tloc(t)。
将Tloc(t)传输到程序模块C中(参见图2)。在程序模块C中进行面向介观尺度的结构-机械模拟。为此，如在程序模块B中所假定的，使分析拟合函数Tloc(t)匹配于代表性照射迹线14的温度分布。作为模拟区域，形成代表性体积元素、缩写为RVE，其由单个条带的矩阵构成，如在图1中所示。
RVE中的每个条带表示一个照射迹线，其适用温度行为Tloc(t)。在模拟开始时，所有条带处于粉末状状态。从程序模块B传输的针对温度的分析拟合函数Tloc(t)依次地经历通过每一个条带，现在对其处理进行模拟。在此，在达到熔化温度时，条带的状态从粉末状状态转变为熔融状态。当温度在通过熔池之后在条带中又处于熔化温度以下时，材料作为固体存在。在计算由此由于热收缩产生的应力和应变时，根据下面由连续介质的运动方程(f)、胡克定律(Hookeschen Gesetz)(g)和线性热膨胀定律(h)构成的方程组来进行。
(h) εthermal＝αthermal(T-Tref)
其中，
u：三维位移
σ：应力张量
F：作用力
C：刚度张量
拟合函数Tloc(t)可以描述为在粉末床的面积上例如在x方向上运行并且在其后面拉出冷却照射迹线14的温度脉冲。作为考虑方程(g)、(h)的方程(f)的解，作为解得到当温度脉冲从所考虑的部分区域离开时在材料固化之后产生的应力分布。如在图2中的递归环21中所示出的，可以以类似的方式针对RVE的条带的矩阵重复所说明的根据方程(f)、(g)、(h)的计算，其中，可以说，依次地对各个条带施加相同的、在时间上移位的关于温度的拟合函数。在此，计算在RVE中产生的应力分布。其是在程序模块C(参见图2)中进行的机械介观尺度计算的部分结果。
在接下来的步骤中，必须将介观尺度计算成功地传输到建筑结构上。为此，在程序模块C中进行机械宏观尺度计算，其中，对此必须针对由建筑结构表示的、通过激光熔化产生的主体中的应力-应变分布制定基于物理的模型。然而，对此，通过针对坚硬的基材16(参见图1)进行介观尺度计算RVE而获得的已知的应力分布σ(x,y,z)不适合。替代地，计算与基材16的刚度有关的有效收缩因子αi(c)。为此，代替优选具有超级层的强度的RVE，设置具有RVE的体积的具有均匀的层特性的材料，下面将其称为均匀体积元素(缩写为HVE)。现在，进行计算，其中，代替在RVE的情况下的单个矢量的矩阵，将HVE的整体体积从熔化温度Ts冷却到基准温度Tl。在此，以已经描述的方式在考虑方程(g)、(h)的情况下并且在考虑基材16的刚度C的情况下全局地针对整个HVE计算方程(f)。作为变型变量，代替αthermal，设置作为有效热收缩因子αi的值并且利用其进行计算。在正确地选择针对αi的值的情况下，基材16或HVE在与基材的界面处的平均张力与介观尺度计算中的基材和RVE之间的张力一样大。为了实现这一点，可能需要具有不同的αi的多个递归环。如果找到正确的有效收缩因子αi，则将其传输到程序模块D，其在图3中示出。
程序模块D用于宏观尺度层面上的建筑结构的机械计算，其中，这里可以设置基于物理的针对应力-应变分布的模型。在此，宏观尺度模型使用超级层13，其可以具有0.5至1mm的强度，这对应于对于每一个超级层10到20个层的均匀化。
宏观尺度计算假设可以将要检查的建筑结构在z方向、即建筑方向上划分为对应数量的超级层13，如在根据图1的步骤W中可以看到的。在考虑单个超级层13时，考虑建筑结构11的已经构建的部分17。
此外，在宏观尺度计算中假设所有超级层在模拟开始时以熔化的状态存在。在模拟过程中，在每一个超级层中依据地从最下面到最上面将虚拟温度从熔化温度降低到在程序模块A中确定的基准温度tl，其中，对于温度变化假设连续的函数(例如线性或指数型)。在此，用αi代替在方程(h)中使用的热应变，因为热问题已经在介观尺度计算的过程中解决并且在宏观尺度计算的过程中假定是给定的。
基材、即已经建造的建筑结构或在建造第一个超级层的情况下建筑平台的不同的刚度也导致有效热膨胀εl的值不同。在宏观主体中，刚度不同的原因在于其几何结构。由此，处于形成中的建筑结构11在不同的高度z下也可能具有不同的刚度Cl。这可以在程序模块D.1中考虑，其中逐层地进行基材刚度Cl的计算。在此，对要计算的建筑结构的每一个超级层分配有效刚度Cl。为此，可以使用用于刚度计算的所有已知方法。
例如，可以利用程序模块D.1(参考图4)如下进行刚度估计。该方法基于如下假设：结构相对于在位于其上方的超级层热收缩时产生的力的决定性刚度通过力和膨胀之间的比率给出，其中，力作用在层的重心方向上。为此，对于每个超级层，确定重心的位置。当超级层由多个彼此隔离的岛组成时，将这些岛中的每一个与自己的重心相关联。在位于超级层下方的结构、即已经建造的建筑结构中，在当前超级层的重心S的方向上对与当前超级层的界面的每一个点施加小的测试力F(例如1N)(参见图1)。由此对弹性方程(f)和(g)求解，由此对于每一个超级层，通过求得测试力F和平均位移之间的比率，可以确定有效刚度Cl。层的该刚度可以用于在程序模块D中借助方程(f)、(g)、(h)确定有效热应变εl或者εl,i。
为了进一步细化模型，在计算有效收缩因子时，代替超级层中的统一的温度，可以对收缩行为进行局部差异化的考虑。为此，在程序模块D.2(参见图5)中将当前考虑的超级层13划分为体积片段15(也参见图1中的步骤D.2中的步骤W中的L(z))。其可以至少在超级层的内部区域中具有均匀的体积、特别是RVE和HVE的体积，但是也可以依据在x-y平面中产生的温度分布而具有不同的大小。例如，可以将整个内部区域定义为一个体积片段，而将由于热辐射而更快地冷却的整个边缘区域定义为第二体积片段。
体积片段用Vl,i表示。由此，对于不同的体积片段Vl,i，如在图5中所示出的，计算不同的有效收缩因子αl,i，其可以在计算模块D(参见图3)中单独考虑。
此外，在图1中可以看到，可以在程序模块E中使用来自程序模块D的计算的应变εl或者εl,i，以确定实际建造的建筑结构的几何结构18，如通过虚线所示出的，其不对应于建筑结构11的原始几何结构。在第一递归步骤U+1中，可以调整要建造的建筑结构11的几何结构19，使得之后的计算步骤D+1的形状偏差εl,i尽可能产生建筑结构的希望的几何结构(其在步骤U中示出)。这可以通过模拟的之后的迭代步骤来检查。
在图6中示出了用于进行激光熔化的设备31，其具有处理室32，处理室32具有用于激光束34的处理窗口33。该激光束34由激光器35产生，由此可以在粉末床36中建造建筑结构11。粉末床36通过粉末库37来填充，其中，为此使用刮板38。因此激光束34可以在粉末床36中写入建筑结构11，此外还设置转向镜39。
通过设备控制器对所描述的处理进行控制，其中，该设备控制器可以对在根据图1的方法步骤V中产生的数据组进行处理。为此，设备控制器具有处理器40。设置另一个处理器41，用于创建制造数据(分层)，即用于产生具有层12的建筑结构11的模型。该处理器41可以从处理器42获得为此所需的数据，利用处理器42可以产生建筑结构的CAD数据。替换地，如在步骤W、A、B、C、D、Dl和D2中所示出的，这些CAD数据可以通过处理器43通过实现前面描述的程序模块来处理。可以将针对发生的应变εl,i的计算结果从处理器43传输到处理器42，以便可以对几何结构进行修正，如在图1中在下方的步骤E中所示出的。然后，可以通过处理器41计算修正后的建筑部分，以便随后一方面借助处理器43划分为超级层13，另一方面通过设备控制器40在激光熔化设备31中进行建造。
这里仅示例性地示出了处理器40、41、42、43的配置。功能也可以分布在比在图6中示出的处理器更多的处理器上或者综合到更少的处理器中。处理器43主要具有执行根据本发明的模拟方法的任务，然而在此其可以得到对应的处理器的支持，其中，根据图6，这是处理器41和42。在这种意义上，处理器43也可以理解为对应的处理器。

Claims (21)

1.一种用于确定利用加性制造方法建造的建筑结构(11)中的与建造有关的形状偏差和应力的方法，所述建筑结构通过熔化连续的层(12)中的建筑材料产生，在所述方法中，处理器(41)
·使用描述所述建筑结构(11)的几何结构的数据来产生有限元的网络，其中，所述处理器(41)布置所述有限元，使得所述有限元分别完全位于超级层(13)中，其中，所述超级层(13)分别由所述建筑结构(11)的多个要建造的层(12)构成，
·对于每个超级层(13)，确定冷却行为，并且
·根据所述冷却行为通过有限元法(FEM)计算所述建筑结构(11)中的由于热收缩而产生的应力和形状偏差，
其特征在于，
所述处理器(41)通过按照形成超级层(13)的顺序考虑超级层(13)来确定所述建筑结构中的与凝固有关的应力和形状偏差，其中，
所述处理器(41)根据相关超级层(13)的冷却行为确定所述相关超级层(13)的平均温度Tl，
所述处理器(41)计算所述相关超级层(13)中的热收缩，方式是，所述处理器(41)
·考虑凝固的建筑材料的有效收缩因子αi或者αl,i，并且
·在考虑建筑材料的熔化温度Ts并且不考虑其它超级层(13)的情况下，作为εl＝αi(Ts-Tl)或者εl，i＝αl，i(Ts-Tl)计算所述相关超级层(13)中的相对热收缩εl或者εl,i，
所述处理器(41)计算所述相关超级层(13)中的产生的应力和形状偏差，方式是，所述处理器(41)考虑已经建造的超级层(13)的应力和形状偏差。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)确定所述相关超级层(13)的冷却行为，方式是，所述处理器(41)
·对于冷却，仅考虑处于形成中的建筑结构(11)的已经建造的部分，
·关于建造所述相关超级层(13)的时间段，对到处于形成中的建筑结构(11)中的能量投入求平均，并且将所述能量投入均匀地分布在超级层(13)的面积上，
·确定在建造所述相关超级层(13)的时间段内该超级层(13)的热损耗，并且
·在考虑能量投入和热损耗的情况下，确定所述相关超级层(13)的平均温度Tl。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在计算产生的应力和形状偏差时，所述处理器(41)基于相关层中的与时间有关的连续的温度变化Tl(t)，所述温度变化从熔化温度Ts运行到平均温度Tl。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
通过用所使用的建筑材料建造样品并且对所建造的样品进行测量来确定收缩因子αi，并且使所述处理器(41)能够使用收缩因子αi。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器通过利用有限元法(FEM)计算利用所述加性制造方法建造的代表性体积元素(RVE)中的应力和形状变化，来计算收缩因子αi或者αl,i。
6.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器由在多个层中重叠的多个照射迹线(14)组成所述代表性体积元素(RVE)，其中，与针对所述加性制造方法规划的照射模式对应地确定所述照射迹线(14)的走向。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
所述照射迹线(14)在相应的层中以直线彼此平行地延伸。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器在照射迹线以直线在相邻的照射迹线(14)的已经凝固的建筑材料上设置的边界条件下，计算所有照射迹线(14)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器通过有限元法计算照射迹线(14)中的温度分布。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器以在确定有效收缩因子时基于建筑材料在具有刚度Ci的基材上的凝固的方式，来确定有效收缩因子αl,i中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器在考虑处于所述相关超级层(13)下方的建筑结构的刚度Cl-1,i的情况下，针对所述相关超级层(13)确定适用于该层的有效收缩因子αl,i。
12.根据权利要求11所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器
·使用具有与所述相关超级层的强度对应的高度的代表性体积元素(RVE)，
·产生描述所述相关超级层的有限元的网络，所述有限元的网络具有到具有处于所述相关超级层(13)下方的建筑结构(11)的刚度Cl-1,i的基材的连接，
·在考虑温度从熔化温度Ts到层的温度Tl的下降的情况下，通过有限元法(FEM)计算处于所述相关超级层(13)下方的建筑结构(11)的相对张力，并且
·确定适用于所述相关超级层(13)的有效收缩因子αl,i，
方式是，所述处理器生成与相关代表性体积元素(RVE)相同的材料和相同的尺寸的均匀固化的体积元素(HVE)，
并且方式是，所述处理器调整所述均匀固化的体积元素(HVE)的热收缩因子α，使得在所述均匀固化的体积元素(HVE)和处于所述相关超级层(13)下方的建筑结构之间的界面中，也存在先前针对代表性体积元素(RVE)计算的应力或者形状变化。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述超级层(13)分别由建筑结构(11)的至少10个并且最多20个要建造的层(12)构成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
利用能量束使建筑材料凝固，并且所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器作为如下参量的乘积来计算能量投入Q：
·能量束的功率，
·1和建筑材料的反射率之间的差，以及
·能量束使建筑材料凝固的写入时间与所述相关超级层的总处理时间的商。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器利用有限元法(FEM)计算由于冷却到统一温度水平而产生的建筑结构的附加热收缩，方式是，所述处理器
·作为整体考虑具有所确定的由于凝固而产生的应力和形状偏差的建筑结构(11)，
·对建筑结构(11)施加温度曲线，所述温度曲线是在确定建筑结构的最后的超级层(13)的冷却行为之后针对建筑结构(11)得到的，
·计算温度下降到所述温度水平时的附加应力和形状偏差，并且与所确定的与建造有关的产生的应力和形状偏差叠加。
16.根据权利要求5至15中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器
·将超级层(13)中的至少一个划分为体积片段(15)，其中，所述体积片段(15)一起产生超级层的体积，
·对于所述相关超级层(13)，单独计算每一个体积片段(15)的冷却行为，
并且所述处理器计算所述相关超级层(13)中的热收缩，方式是，所述处理器
·对于每一个体积片段(15)，单独确定凝固的建筑材料的有效收缩因子αl,i，并且
·在考虑建筑材料的熔化温度Ts并且不考虑其它超级层(13)和体积片段(15)的情况下，作为εl,i＝αl,i(Ts-Tl)针对每一个体积片段(15)单独计算体积片段(15)中的相对热收缩εl,i，
并且所述处理器通过考虑已经建造的超级层(13)的应力和形状偏差，来计算所述相关超级层(13)的每一个体积片段中的产生的应力和形状偏差。
17.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法在用于产生描述建筑结构(11)的几何结构的校正后的数据的方法中的应用，其中，所述建筑结构(11)能够利用加性制造方法通过使连续的层(12)中的建筑材料凝固来产生，以及
其中，所述处理器(41)或者与该处理器对应的处理器在产生校正后的、描述所述建筑结构(11)的数据时，考虑所确定的与建造有关的形状偏差和应力。
18.一种根据权利要求17所述的方法在用于加性地建造建筑结构的方法中的应用，其中，所述建筑结构通过使连续的层中的建筑材料凝固来产生，
其中，在所述方法中使用校正后的、描述所述建筑结构的数据。
19.一种计算机可读的数据载体，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在处理器(41)中运行时，所述计算机程序执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
20.一种计算机程序，所述计算机程序在处理器(41)中运行，并且在此执行根据权利要求1至18中任一项所述的方法。
21.一种用于确定利用加性制造方法建造的建筑结构(11)中的与建造有关的形状偏差和应力的模拟器，所述建筑结构通过使连续的层(12)中的建筑材料凝固来产生，
所述模拟器具有处理器(41)，所述处理器被编程为执行根据权利要求1至18中任一项所述的方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116422903A (zh) * 2023-06-08 2023-07-14 四川工程职业技术学院 一种航空发动机涡轮导向器激光选区熔化制造方法

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3411233A4 (en) * 2016-02-01 2019-11-27 Seurat Technologies, Inc. SYSTEM AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING
JP7046193B2 (ja) 2018-04-10 2022-04-01 ヒューレット－パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． ３ｄ印刷における寸法変動補償
EP3581297A1 (de) 2018-06-12 2019-12-18 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum bestimmen von bauvorschriften für ein additives fertigungsverfahren, verfahren zum erstellen einer datenbank mit korrekturmassnahmen für die prozessführung eines additiven fertigungsverfahrens, speicherformat für bauanweisungen und computer-programmprodukt
US11328107B2 (en) * 2018-08-31 2022-05-10 General Electric Company Hybrid measurement and simulation based distortion compensation system for additive manufacturing processes
EP3671489A1 (de) 2018-12-20 2020-06-24 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum bestimmen von bauvorschriften für ein additives fertigungsverfahren, verfahren zum erstellen einer datenbank mit korrekturmassnahmen für die prozessführung eines additiven fertigungsverfahrens und computer-programmprodukt
WO2020228962A1 (en) * 2019-05-16 2020-11-19 Siemens Industry Software Nv Determining a spatial distribution of phases in a product to be manufactured by additive manufacturing
WO2021097248A1 (en) * 2019-11-14 2021-05-20 University Of Washington Closed-loop feedback for additive manufacturing simulation
US11519655B2 (en) 2020-07-31 2022-12-06 Photon Vault, Llc Thermal energy storage and retrieval systems and methods
US11428476B2 (en) 2020-09-04 2022-08-30 Photon Vault, Llc Thermal energy storage and retrieval system
EP4005706A1 (de) * 2020-11-26 2022-06-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum schichtweisen herstellen eines objekts
WO2022233991A2 (de) 2021-05-06 2022-11-10 Fronius International Gmbh Wärmequellenmodell für ein lichtbogenschmelzschweissverfahren
DE102022206024A1 (de) 2022-06-14 2023-12-14 Fronius International Gmbh Schweißschulungsanordnung zur Durchführung eines virtuellen Handschweißvorganges
CN116604171A (zh) * 2023-07-11 2023-08-18 南昌航空大学 大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060100837A1 (en) * 2004-11-10 2006-05-11 Symington William A Method for calibrating a model of in-situ formation stress distribution
CN104280155A (zh) * 2013-07-14 2015-01-14 付康 一种确定多层膜薄膜应力的系统与方法
CN104959604A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 华中科技大学 一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备
US20150352794A1 (en) * 2014-06-05 2015-12-10 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Distortion prediction and minimisation in additive manufacturing
US20160086376A1 (en) * 2014-09-19 2016-03-24 Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. Computer-Aided Simulation of Multi-Layer Selective Laser Sintering and Melting Additive Manufacturing Processes

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0807643D0 (en) * 2008-04-28 2008-06-04 Airbus Uk Ltd Method of designing a composite panel
US10664560B2 (en) * 2013-12-19 2020-05-26 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Multi-scale mesh modeling software products and controllers

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060100837A1 (en) * 2004-11-10 2006-05-11 Symington William A Method for calibrating a model of in-situ formation stress distribution
CN104280155A (zh) * 2013-07-14 2015-01-14 付康 一种确定多层膜薄膜应力的系统与方法
US20150352794A1 (en) * 2014-06-05 2015-12-10 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Distortion prediction and minimisation in additive manufacturing
US20160086376A1 (en) * 2014-09-19 2016-03-24 Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. Computer-Aided Simulation of Multi-Layer Selective Laser Sintering and Melting Additive Manufacturing Processes
CN104959604A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 华中科技大学 一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
N. KELLER,等: "Thermo-mechanical Simulation of Additive Layer Manufacturing of Titanium Aerospace structures", 《LIGHTMAT》 *
李伟等: "分层多尺度建模-计算方法", 《甘肃科技》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116422903A (zh) * 2023-06-08 2023-07-14 四川工程职业技术学院 一种航空发动机涡轮导向器激光选区熔化制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
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