CN109501271B - 增材制造工艺计划的优化方法及优化器，增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种优化工艺计划的方法，其中，该工艺计划用于通过逐层累加材料的方式来制造工件。该方法包括：建立一个预测模型，该预测模型用于预测该工件的至少一部分的温度变化情况；基于该预测模型和该工艺计划，预测在给定时间段内将被制造的部分的期望温度变化情况；及如果该部分的期望温度变化情况不满足一预设条件，调整该工艺计划以使该部分的期望温度变化情况满足该预设条件。

Description

增材制造工艺计划的优化方法及优化器，增材制造方法
技术领域
本发明的实施例涉及增材制造工艺计划的优化方法及优化器，及增材制造方法。
背景技术
在增材制造加工过程中，对于工件的温度控制是最重要的环节之一。工件在制作过程中过热会导致其产生开裂、变形、晶体结构不均等问题。甚至，在更严重的情况下，工件的过热会导致整个制造过程的被迫中断。
现有技术中，一般只基于工件的几何参数来制定工艺计划，执行这样的工艺计划可能会造成在制造过程中工件的某部分产生过热的现象，工件的温度难以得到有效控制。
另外，现有技术中，一旦工艺计划制定完成后，在增材制造过程中，无法对工艺计划进行适时地改变和调整，使得制造的成品率难以提升。
因此，有必要提供新的增材制造工艺计划的优化方法、优化器，及增材制造方法来解决至少一个上述问题。
发明内容
本发明的实施例一方面涉及一种优化工艺计划的方法，其中，该工艺计划用于通过逐层累加材料的方式来制造工件。该方法包括：建立一个预测模型，该预测模型用于预测该工件的至少一部分的温度变化情况；基于该预测模型和该工艺计划，预测在给定时间段内将被制造的部分的期望温度变化情况；及如果该部分的期望温度变化情况不满足一预设条件，调整该工艺计划以使该部分的期望温度变化情况满足该预设条件。
本发明的实施例另一方面涉及一种用于优化工艺计划的优化器，其中，该工艺计划用于通过逐层累加材料的方式来制造工件。该优化器包括建模器、预测器及修正器。该建模器用于建立一个预测模型，其用于预测该工件的至少一部分的温度变化情况。该预测器用于基于该预测模型和该工艺计划，预测在给定时间段内将被制造的部分的期望温度变化情况。该修正器用于在该部分的期望温度变化情况不满足一预设条件的情况下，调整该工艺计划以使该部分的期望温度变化情况满足该预设条件。
本发明的实施例另一方面涉及一种用于制造工件的增材制造方法。该方法包括逐层累加材料来形成该工件。其中，在一时间段内累加该工件的每一层的步骤包括：基于工艺计划和预测模型，预测在该时间段内将被制造的该层的期望温度变化情况；如果该层的期望温度变化情况不符合一预设条件，调整所述工艺计划以使该期望温度变化情况符合该预设条件，然后根据该调整后的工艺计划制造该层；如果该层的期望温度变化情况符合该预设条件，则根据该工艺计划制造该层。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1为根据本发明一具体实施例的用于优化增材制造工艺计划的优化方法的流程示意图；
图2为根据本发明另一具体实施例的用于优化增材制造工艺计划的优化方法的流程示意图；
图3为根据本发明的一具体实施例的增材制造方法的流程示意图；及
图4为根据本发明的一具体实施例的用于优化增材制造工艺计划的优化器的示意图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
本发明的实施例涉及的方法以功能模块的形式图示，值得注意的是，图1至图3中所示的模块的先后顺序和模块中动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个或多个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。
本发明的实施例涉及一种工艺计划的优化方法，其可被广泛应用于增材制造的工艺流程中，可对增材制造的工艺计划进行优化，从而改善成品的质量和性能。
图1为根据本发明一具体实施例的优化工艺计划的方法100的流程示意图；其中，该工艺计划是增材制造的工艺计划，在该工艺计划中，待制造的工件是通过逐层累加材料的方式来制造或形成的。在一些实施例中，未经优化的工艺计划包括能量源的功率和打印头的扫描路径，其是根据工件的几何参数来制定的。
参见图1，方法100包括建模步骤110、预测步骤120、判断步骤130及调整步骤140。
首先，如步骤110所示，建立一个预测模型，该预测模型可用于预测该工件的至少一部分的温度变化情况。这里所说的“温度变化情况”包括该工件的待测部分的温度分布在一时间段内的变化情况。在一些实施例中，可基于该工件的几何参数、边界条件和工件材料的属性来建立该预测模型。这里提到的“几何参数”包括待制造的工件的目标尺寸、形状等；“边界条件”是指工件周围的能与工件发生热交换的元件或物质对工件温度产生的影响的总和；“材料属性”包括材料的化学属性、材料的物理属性或其组合，其中，该物理属性包括材料的颗粒尺寸等。
在步骤120中，基于预测模型和工艺计划，预测在给定时间段内将被制造的工件部分的期望温度变化情况。在一些实施例中，该给定时间段可能为5秒左右到60秒左右，例如，该给定时间段为10秒左右。在一些实施例中，该将被制造的部分为工件中的某一层中的一部分、某一层、或某几层。该期望温度变化情况包括：在该给定时间段内的每一时刻的该部分工件的温度分布情况。
然后，如步骤130所示，将该部分的期望温度变化情况与一预设条件进行比较，以判断该部分的期望温度变化情况是否符合该预设条件。
如果该部分的期望温度变化情况不满足该预设条件，则执行步骤140，即：调整该工艺计划以使该部分的期望温度变化情况满足该预设条件。调整后的工艺计划可包括打印头的扫描路径、打印头的扫描速率计划、能量源的能量输入计划，或其任意组合。其中，该扫描速率计划包括该打印头的扫描速率随时间的变化情况、该打印头的扫描速率随空间的变化情况，或其组合；该能量输入计划包括该能量源的功率随时间的变化情况、该能量源的功率随空间的变化情况，或其组合。
在一些实施例中，该工件包括多个单元部，该多个单元部分别对应于该工件的数字表示中的多个体素(voxel)。该预测的步骤包括预测在所述给定时间段内的将被制造的每个单元部的期望温度变化范围。然后，将每个单元部的期望温度变化范围与一预设的温度范围进行比较；该当该期望温度变化范围不在该预设的温度范围内时，调整该工艺计划，以使该期望温度变化范围落入该预设的温度范围。更具体地，该预测的步骤包括预测在所述给定时间段内的将被制造的每个单元部的最高温度值和最低温度值，当该最高温度值或该最低温度值中的至少一个超出该预设温度范围时，该工艺计划将被调整。在一些实施例中，该工件中的多个单元部可对应于同一个预设的温度范围。在其他实施例中，该工件中的多个单元部也可分别对应多个不同的预设温度范围。
基于工件的几何参数、边界条件和工件材料的属性建立的预测模型难免会存在误差，因而在一些实施例中进一步包括对预测模型进行校正的步骤，以提高预测模型的准确度。参见图2，方法300包括建模步骤310、校正步骤320-340、预测步骤350、判断步骤360及调整步骤370。
与步骤110相类似，在步骤310中，基于工件的几何参数、边界条件和材料属性来建立一个预测模型。
在步骤320中，检测工件的一给定单元部在一给定时刻的实时温度，以作为校正的依据。在步骤330中，至少部分地基于未经校正的预测模型和工艺计划，获得所述给定单元部在该给定时刻的期望温度。
然后，基于测得的该单元部的实时温度和计算而得的该单元部的期望温度来校正该预测模型，如步骤340所示。具体地，该校正的步骤包括校正该工件的材料属性和边界条件的至少其中之一。
步骤350至370分别与图1所示的步骤120-140相类似，此处不再赘述。
值得注意的，校正步骤不一定在预测步骤之前，其可能位于方法300中任何适当的其他位置。
本申请的另一方面涉及一种用于制造工件的增材制造方法，该方法包括逐层累加材料来形成该工件，直到工件被制造完成；其中，在一时间段内累加该工件的每一层的步骤包括：基于该层的工艺计划和预测模型，预测在该时间段内将被制造的该层的期望温度变化情况；如果该层的期望温度变化情况不符合一预设条件，调整所述工艺计划以使该期望温度变化情况符合该预设条件，然后根据该调整后的工艺计划制造该层；如果该层的期望温度变化情况符合该预设条件，则根据该工艺计划制造该层。
参见图3，增材制造方法500大致包括工艺计划的制定步骤510、预测模型的建立步骤520、制造第一层的步骤531-534和制造第二层的步骤541-544。
具体地，在步骤510中，制定用于制造该工件的初始的工艺计划。一般来说，该工艺计划可基于设计好的工件的几何参数和/或制造工件的材料来制定，该工艺计划的参数可包括能量源的功率和打印头的扫描路径。在步骤520中，基于该工件的几何参数、边界条件和该材料的属性来建立预测模型，与步骤110及310相类似的，该预测模型可用于预测该工件的至少一部分的温度变化情况，具体地，该温度变化情况指工件的待预测部分的温度分布随时间的变化情况。
然后，一层一层地累加材料，直至工件被制造完成。
具体来说，在步骤531中，基于在步骤510和步骤520中得到的工艺计划和预测模型，预测将被制造的第一层的期望温度变化情况。第一层的期望温度变化情况包括工件的第一层在其被制造的时间段内的温度分布随时间的变化情况。然后，如步骤532所示，将第一层的期望温度变化情况与预设条件进行比较，判断第一层的期望温度变化情况是否符合预设条件。
如果第一层的期望温度变化情况符合预设条件，说明按照目前的工艺计划来制造第一层已经能够符合要求；因此，在这样的情况下，直接根据初始的工艺计划累加第一层，如步骤533所示。
如果第一层的期望温度变化情况不符合预设条件，则执行步骤534，调整该工艺计划使第一层的期望温度变化情况满足该预设条件。此后，再返回步骤531，基于预测模型和调整后的工艺计划，对第一层的期望温度变化情况再次进行预测。然后接着执行步骤532，对期望温度变化情况是否符合预设条件进行判断，若还不满足该预设条件，则再次执行步骤534对工艺计划进行再次调整。步骤531、532、534可被重复执行，直至第一层的期望温度变化情况满足预设条件，然后根据经过优化后的工艺计划来制造第一层，以保证第一层在制造的过程中不会产生过热的现象。
步骤541-544为对工件的第二层进行预测、判断和制造的步骤，步骤541-544分别与步骤531-534相类似，不再赘述。第二层可以是与第一层相邻的、直接累加在第一层之上的层；或者可以是不与第一层相邻的层。
假设工件包括N层，即：工件是通过将N层材料逐层累加而形成的。以此类推，方法500可进一步包括制造第三层的步骤、制造第四层的步骤…及制造第N层的步骤，制造该每层的步骤与上述制造第一或第二层的步骤相似。在累加每层之前，都对该层的温度变化情况进行预测，然后，在有必要的情况下，对工艺计划进行调整。可见在本发明的揭露中，与现有的增材制造方法不同的是，增材制造的工艺计划可根据工艺流程的实时情况进行实时的、灵活的调整和优化，从而能够有效管理工件在制造过程中的温度分布，防止产生局部过热的现象，有助于提高制造的成品率，改善成品质量。
本申请还涉及一种用于优化工艺计划的优化器，其用于对增材制造的工艺计划进行优化。
图4为根据本揭露的一具体实施例的工艺计划优化器700的示意图。参见图4，优化器700包括建模器710、预测器750、优化比较器760和修正器770。
建模器710用于建立一个预测模型810，该预测模型810被用于预测该工件的至少一部分的温度变化情况。
预测器750用于基于预测模型810和工艺计划870，预测在给定时间段内将被制造的部分的期望温度变化情况830。
优化比较器760将该部分的期望温度变化情况830与预设条件880进行比较，判断期望温度变化情况830是否符合预设条件880。
修正器770，用于在该部分的期望温度变化情况不满足一预设条件的情况下，调整工艺计划以使该部分的期望温度变化情况满足该预设条件。具体地，在一些实施例中，优化比较器760在判断期望温度变化情况830不符合预设条件880时，向修正器770发出修正信号840，修正器770在收到修正信号840后，对工艺计划进行调整。
在一些实施例中，优化器700进一步包括用于对预测模型进行校正的校正装置，校正装置包括计算器720、检测器730和校正器740。计算器720用于至少部分地基于预测模型810和工艺计划，获得一给定单元部在一给定时刻的期望温度850，其中，该单元部对应于该工件的数字表示中的一个体素。检测器730用于检测该工件的该给定单元部在该给定时刻的实时温度860。在一些实施例中，检测器730被设置于承载该工件的平台上和/或围绕该工件的竖立面上，检测器可包括接触式检测器、非接触式检测器或其组合。校正器740用于基于实时温度860和预测温度850校正预测模型810，以得到校正后的预测模型820，然后，预测器750基于校正后的预测模型820和工艺计划870来预测在给定时间段内将被制造的部分的期望温度变化情况830。
在一些实施例中，校正装置进一步包括校正比较器(未示出)，其用于将实时温度860和预期温度850进行比较，以得到它们之间的差值，校正器740基于该差值校正预测模型810。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (17)

1.一种优化工艺计划的方法，其中，该工艺计划用于通过逐层累加材料的方式来制造工件，该方法包括：
建立一个预测模型，该预测模型用于预测该工件的至少一部分的温度变化情况；
基于该预测模型和该工艺计划，预测在给定时间段内将被制造的工件的该部分的期望温度变化情况；及
如果该部分的期望温度变化情况不满足一预设条件，调整该工艺计划以使该部分的期望温度变化情况满足该预设条件；
其中，所述方法进一步包括：
检测该工件的至少一单元部在一给定时刻的实时温度，其中，该工件包括多个单元部，该多个单元部分别对应于该工件的数字表示中的多个体素；
至少部分地基于该预测模型和该工艺计划，获得所述至少一单元部在该给定时刻的期望温度；及
基于该实时温度和该期望温度校正该预测模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该工件包括多个单元部，该多个单元部分别对应于该工件的数字表示中的多个体素，所述预测该部分的期望温度变化情况的步骤包括预测在所述给定时间段内的将被制造的每个单元部的最高温度值和最低温度值，所述调整工艺计划的步骤包括：当该最高温度值或该最低温度值超出一预设温度范围时，调整该工艺计划。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，该建立预测模型的步骤包括:基于该工件的几何参数、边界条件和该材料的属性来建立该预测模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，该校正预测模型的步骤包括校正该工件的材料属性和边界条件的至少其中之一。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，该工艺计划包括打印头的扫描路径、该打印头的扫描速率计划、能量源的能量输入计划，或其任意组合。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，该扫描速率计划包括该打印头的扫描速率随时间的变化情况、该打印头的扫描速率随空间的变化情况，或其组合。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，该能量输入计划包括该能量源的功率随时间的变化情况、该能量源的功率随空间的变化情况，或其组合。
8.一种用于优化工艺计划的优化器，其中，该工艺计划用于通过逐层累加材料的方式来制造工件，该优化器包括：
建模器，用于建立一个预测模型，其用于预测该工件的至少一部分的温度变化情况；
预测器，用于基于该预测模型和该工艺计划，预测在给定时间段内将被制造的工件的该部分的期望温度变化情况；
修正器，用于在该部分的期望温度变化情况不满足一预设条件的情况下，调整该工艺计划以使该部分的期望温度变化情况满足该预设条件；
检测器，用于检测该工件的至少一单元部在一给定时刻的实时温度，其中，该工件包括多个单元部，该多个单元部分别对应于该工件的数字表示中的多个体素；
计算器，用于至少部分地基于该预测模型和该工艺计划，获得该至少一单元部在该给定时刻的期望温度；及
校正器，基于该实时温度和该期望温度校正该预测模型。
9.根据权利要求8所述的优化器，进一步包括比较器，其用于将所述实时温度和所述期望温度进行比较，以得到它们之间的差值，其中，该校正器用于基于该差值校正该预测模型。
10.根据权利要求8所述的优化器，其中，该检测器被设置于承载该工件的平台上和/或围绕该工件的竖立面上。
11.根据权利要求8所述的优化器，其中，该检测器包括接触式检测器、非接触式检测器或其组合。
12.一种用于制造工件的增材制造方法，包括：
逐层累加材料来形成该工件；
其中，在一时间段内累加该工件的每一层的步骤包括：
基于工艺计划和预测模型，预测在该时间段内将被制造的该层的期望温度变化情况；
如果该层的期望温度变化情况不符合一预设条件，调整所述工艺计划以使该期望温度变化情况符合该预设条件，及根据该调整后的工艺计划制造该层；
如果该层的期望温度变化情况符合该预设条件，根据该工艺计划制造该层；
其中，所述方法进一步包括：
检测该工件的至少一单元部在一给定时刻的实时温度，其中，该工件包括多个单元部，该多个单元部分别对应于该工件的数字表示中的多个体素；
至少部分地基于该预测模型和该工艺计划，获得所述至少一单元部在该给定时刻的期望温度；及
基于该实时温度和该期望温度校正该预测模型。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，该工件包括多个单元部，该多个单元部分别对应于该工件的数字表示中的多个体素；预测该层的期望温度变化情况的步骤包括预测该层中的每个单元部在该时间段内的最高温度值和最低温度值，及该调整工艺计划的步骤包括如果该最高温度值或最低温度值超出一预设的温度范围，调整该工艺计划。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：基于该工件的几何参数、边界条件和该材料的属性来建立该预测模型。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：在累加材料之前制作该工艺计划，该工艺计划包括打印头的扫描路径、该打印头的扫描速率计划、能量源的能量输入计划，或其组合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，该扫描速率计划包括该打印头的扫描速率随时间的变化情况、该打印头的扫描速率随空间的变化情况，或其组合。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，该能量输入计划包括该能量源的功率随时间的变化情况、该能量源的功率随空间的变化情况，或其组合。
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