CN112512729A - 用于确定针对增材制造方法的构造规范的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定构造规范的方法，该构造规范描述了过程控制，该构造规范可以针对增材制造方法在用于进行增材制造的设备(11)中使用。在此，创建制造数据组PAR，以便制造层(25)中的构造结构。考虑了总体热发展以及局部热发展。根据本发明规定，依据总体热发展从数据库F加载校正参数，其中，该校正参数作为过程控制的校正措施可以局部地与刀具路径的各个向量相关联。刀具路径定义了能量束(17)在粉末床(13)的表面上采取的路径。此外，本发明涉及一种用于确定针对增材制造设备(11)中过程控制的校正参数PAR的方法。根据本发明，这通过计算能量束(17)的热输入的环境中的局部热发展来实现。根据热发展，导出校正措施并且存储在数据库F中。应用这两种方法的优点在于，仅在中尺度范围内需要准确的模拟，并且还可以在针对构件(19)的制造准备的准备阶段便已经进行。如果已知构件(19)的几何形状，则仅需执行宏观尺度模拟以定义总体热发展。由此显著减少了模拟的计算开销，从而可以轻松找到经修改的方法参数PAR1。本发明还涉及一种针对经修改的数据的存储格式以及一种用于存储程序的计算机程序产品。

Description

用于确定针对增材制造方法的构造规范的方法
本发明涉及一种用于基于对构造结构的制造的模拟来确定构造规范的方法，该构造规范用于对构造结构的增材制造并且该构造规范描述了过程控制。在此，针对模拟执行以下步骤。提供针对构造结构的制造数据组，制造数据组描述了待制造的层中的构造结构。在考虑构造结构的构造历史和通过能量束引起的热输入的情况下，计算在构造结构的已经制造的层中的总体热发展。确定通过能量束引起的热输入的环境中的局部热发展；在考虑总体热发展和局部热发展的情况下确定过程控制。
应当将为了对构造结构进行增材制造而向机器所提供的数据理解为构造规范。针对能量束(例如激光束)的过程参数以及对刀具路径的定义属于此。能量束在制造技术的意义上用作刀具，使得刀具路径与能量束的照射路径对应。刀具路径通常由多个彼此排列在一起的、由能量束遍历的向量组成。因此，构造规范定义了通过机器处理以进行增材制造的过程控制。
此外，本发明涉及一种用于基于模拟来确定用于对构造结构进行增材制造的方法的过程控制的校正措施的方法。在该模拟时，以增材制造方法的制造参数的形式规定过程控制，以便能够执行模拟。此外，提供了针对构造结构的制造数据组。该制造数据组描述了待制造的层中的构造结构，因为应当以连续的层来制造构造结构。构造结构可以由待制造的构件构成。然而，支撑结构通常也属于构造结构，这些支撑结构由于制造原因与构件一起制造，并且在制造构造结构之后从构件中移除这些支撑结构。此外，在模拟时考虑了正在制造的构件中的、以参考温度Tr的形式的总体热发展。此外，计算通过能量束、例如激光束引起的热输入的环境中的局部热发展。如已经提到的，能量束遍历了特定的刀具路径，该刀具路径通过过程控制以及同样通过已经提到的过程参数来预先给定。
通过定义由多个向量组成的刀具路径，也可以与针对构造指令的存储格式一起使用本发明，这些构造指令用于增材制造方法。存储格式应当被理解为存储器的配置，其中该配置使得能够存储特定的所期望的数据。这其中包括定义了刀具路径的向量。如已经提到的，这些向量定义了在能量束所需要的运动方面的过程控制。
最后，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有用于执行上述方法的程序命令，以及本发明涉及一种用于所述计算机程序产品的提供设备。
在本申请的意义上，应当将在产生期间将应当用其来制造构件的材料添加到构件中的方法理解为增材制造方法。在此，构件已经以其最终形状或至少近似地以这种形状出现。
为了能够制造构件，针对所选择的增材制造方法对描述构件的数据(CAD模型)进行了编辑。为了创建用于制造设备的指令，将数据转换成待制造的工件的数据，该数据与制造方法匹配，由此可以在制造设备中进行用于逐步制造该工件的合适的处理步骤。为此，对数据进行编辑，使得提供了针对工件的各个待制造的层(片，Slice)的几何数据，这也被称为切片。工件可以具有偏离构件的形状。例如，可以考虑由于制造原因的构件翘曲，该构件翘曲通过偏差的工件几何形状来补偿。工件还通常具有支撑结构，在对构件的后续处理时必须再次去除这些支撑结构。
对于执行增材制造方法的出发点是以几何数据组(例如作为STL文件，STL代表标准镶嵌细分语言，Standard Tessellation Language)来描述工件。STL文件包含用于编辑的三维数据，编辑的目的是以通过增材制造方法进行制造。从STL文件生成制造数据组、例如CLI文件(CLI代表通用层接口，Common Layer Interface)，该制造数据组包含以层或薄片(所谓的片，Slice)的形式的工件几何形状的编辑，该编辑适合于增材制造。数据的转换被称为切片。此外，机器需要另外的针对制造的预给定参数，例如待制造的层的高度、写向量的取向(即，在粉末床的表面上由能量束描绘的路径的方向和长度)以及将待生成的工件层划分为扇区，在这些扇区中适合特定的方法参数。此外，应当规定所使用的能量束的聚焦直径和功率。CLI文件和制造数据共同确定了流程图，按照该流程图，可以在制造设备中逐层地增材制造STL文件中所描述的工件。
如上面所阐述的，计算机支持地执行增材制造方法，以便能够基于描述了待制造的构件的数据组制造真实的组件。除非在以下描述中另外说明，否则术语“创建”、“计算”、“演算”、“确定”、“生成”、“配置”、“修改”等优选地涉及行为和/或过程和/或处理步骤，其改变和/或生成了数据，和/或其将数据转换成另外的数据，其中，特别地可以将数据表示为物理参量(例如，表示为电脉冲)或者数据可以作为物理参量(例如，作为电脉冲)存在。特别地，表述“计算机”应当被广义地解释，以便覆盖具有数据处理特性的所有电子设备。因此，计算机例如可以是个人计算机、服务器，手持计算机系统、掌上PC设备、移动无线电设备和其他可以计算机支持地处理数据的通信设备、处理器和其他用于数据处理的电子设备，它们还可以优选地联合成网络。
结合本发明，“计算机支持”例如可以被理解为对方法的实施，在该方法中一个计算机或多个计算机实施该方法的至少一个方法步骤。
结合本发明，“处理器”例如可以被理解为机器或电子电路。处理器尤其可以是中央处理单元(英语：Central Processing Unit，CPU)、微处理器或微控制器，例如专用集成电路或数字信号处理器，其可能与用于存储程序命令的存储单元结合，等等。处理器例如也可以是IC(集成电路，英语：Integrated Circuit)，特别是FPGA(现场可编程门阵列，英语：Field Programmable Gate Array)或ASIC(专用集成电路，英语：Application-SpecificIntegrated Circuit)，或者是DSP(数字信号处理器，英语：Digital Signal Processor)。处理器也可以被理解为虚拟处理器或软CPU。例如，其也可以是可编程处理器，其配备有用于实施所提到的根据本发明的方法的配置。
结合本发明，“存储单元”例如可以被理解为以主存储器(随机存取存储器，英语：Random-Access Memory，RAM)或硬盘的形式的计算机可读的存储器。
作为针对增材制造的示例，可以列举选择性激光烧结(也称为SLS，SlectiveLaser Melting)、选择性激光熔炼(也称为SLM，Slective Laser Melting)和电子束熔炼(也成为EBM，Electron Beam Melting)。这些方法特别适合于对粉末形式的金属材料的处理，利用这些粉末可以制造结构构件。
在SLM、SLS和EBM的情况下，在粉末床中逐层地制造构件。因此，这些方法也被称为基于粉末床的增材制造方法。在粉末床中分别生成一层粉末，随后在其中应当产生构件的那些区域中通过能量源(激光或电子束)局部地熔炼或烧结这层粉末。由此，逐步地逐层地生成构件，并且可以在完成之后从粉末床取出该构件。
例如在WO 2017/174160 A1中描述了开头所说明的类型的方法。根据该文件，通过执行模拟来确定利用增材制造方法所制造的构造结构中的由于制造原因的形状偏差和应力。在此，生成所谓的超级层，超级层具有多个待制造的层并且由此降低了模拟时的计算开销。为了在这种情况下仍以足够的准确度来获得模拟结果，确定针对固化后的材料的收缩系数，以便在相应的超级层中计算出有效收缩。
收缩受到在制造构造结构期间普遍存在的温度的决定性影响。因此，在根据WO2017/174160 A1的方法中，既总体地计算了迄今所制造的构造结构的热学特性，又局部地计算了在刚才所制造的层中的熔池的直接冷却特性。利用该方法，尽管可以减少模拟时的开销，但是在制造构造结构的准备阶段中进行的模拟始终与相当大的计算开销相关联。模拟的最终结果是构造结构，在该构造结构中通过制造借助模拟方法修改的构造结构的几何形状，考虑了造型时的收缩和组织应力的构建，该几何形状由于应力和收缩而呈现出所期望的构造结构的几何形状。本发明要解决的技术问题是，扩展开头所说明的方法，使得能够以相对低的计算开销来尽可能准确地模拟增材制造方法。为此目的，用于对构造结构进行增材制造的方法应当确定过程控制。此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于确定用于制造构造结构的过程控制的校正措施的方法，其中基于模拟来确定校正措施。最后，本发明要解决的技术问题是，还提供一种存储格式，利用该存储格式可以灵活地存储针对增材制造方法的构造指令，并且由此可以灵活地存储增材制造方法的过程控制。最后，本发明要解决的技术问题是，提供计算机程序产品，利用该计算机程序产品可以执行上述方法。
根据本发明，上述技术问题利用开头所说明的用于确定构造规范的方法通过依据总体热发展和局部热发展从数据库加载过程控制的校正措施来解决，该构造规范用于对构造结构的增材制造并且该构造规范描述了过程控制。然后，过程控制的这些校正措施局部地与能量束的刀具路径的各个向量相关联。下面应当更详细的阐述的不同的措施都适合作为由构造规范得出的过程控制的校正措施。根据本发明的设计方案，可以使用以下校正措施中的至少一种以进行校正：
-减小能量束的功率，从而减少到正在产生的构件的表面中的热输入。
-延长各个向量的照射时间之间的暂停时间，从而减少每单位时间的能量输入，并且由此减少所输入的能量的功率密度。
-提高能量束的移动速度，从而减少了每单位面积的功率输入，这是因为能量束更短地照射表面的特定面积元。
-增大向量之间的影线距离(Hatch-Abstand)，即平行延伸的照射线之间的距离，由此，通过在单位面积中延伸的向量更少，减少了每单位面积的能量密度。
-改变向量顺序，由此例如可以实现关键的热发展区域中的向量不被直接依次照射，而是以更大的时间间隔来照射。在此，不增加暂停时间，而是在此期间例如曝光另外的非关键的向量。
-改变向量长度，其中，在关键的热发展区域中例如设置了更短的向量，由此局部地实现更早地转换到待曝光的面的另外的子区域。
-改变向量取向，其中例如可以改变向量取向，使得更大部分的向量在如下待曝光的面的区域中延伸：这些区域与原始走向相比在过度的热发展方面关键性更低。
以上校正措施的共同之处在于，通过这些措施减少了到构造结构中的功率输入。即，通过增材制造方法来制造构件中的显著问题在于正在产生的构造结构的过热。通常，例如，在标准物体、诸如实心立方体上实验针对能量束的过程参数，并且随后确定针对能量束的过程参数。然而，真实的待制造的构造结构通常包括薄壁结构或突出结构。在这些区域中，构造结构的已经制造的部分体在局部提供了明显更低的热容，使得在这些位置处在使用标准化的过程参数的情况下使所制造的结构局部过热。这导致了不期望的大熔池，并且由此导致完成制造的构件中的应力和应变的增高。此外，在对构造结构的进一步构造中，由于形成了大的熔珠，可能出现构件缺陷。如果增大的熔珠与涂覆设备之间的碰撞损坏了工件或涂覆设备，则这些熔珠可能严重干扰后续粉末层的施加，并且甚至有必要进行过程终止。
如果在待制造的构造结构的识别出的区域中减少了到已经制造的构造结构的表面中的功率输入，则可以防止该问题。根据本发明的一种有利的设计方案，可以确定过程控制的校正措施，使得通过能量束产生的熔池具有在所规定的间隔内的尺寸。该间隔考虑到在制造技术上不可能准确设置熔池尺寸。必须允许某些公差，其中允许的公差确定了间隔。例如可以(通过实验)测量熔池尺寸的哪些偏差仍然可以接受，而不会出现对构件的不可接受的质量损失。由此规定了间隔。
如果在持续的方法中熔池过大，则必须降低功率。在此，熔池的尺寸可以通过其所熔炼的材料的体积来定义。也可以将径向延伸和/或深度延伸用作针对尺寸的度量。由此，创建了目标尺寸，其中通过与目标尺寸的允许的公差偏差来定义间隔。
有利地，通过由模拟来计算熔池尺寸，更容易找到结果。该模拟时考虑了构件的构造历史，即先前的构件是如何产生的。在此，构件的几何形状、特别是材料的体积、热容，以及能量输入的历史都有意义。以下，应当将对已经制造的构件中的热分布的计算称为宏观尺度模拟，因为在此考虑了已经制造的整个构件的几何形状。
为了保持计算开销较低并同时获得近似良好的模拟结果，根据本发明使用不完整的过程模拟，以获得用于校正过程控制的数据。不完整的过程模拟被理解为如下计算：该计算在整个工件中要么在经简化的假设下要么以现实的假设但以大大减少的计算量，来执行温度分布以及应力应变特性。该措施使得能够利用当前可用的计算机，在增材制造方法的过程模拟时完全获得经济上有吸引力的计算时间。根据本发明，在用于确定过程控制的方法中，在简化的假设下单独针对每个构造结构计算在构造结构的已经制造的层中的热发展。由于与熔池的冷却相比，已经制造的构造结构中的热分布变化缓慢，因此在简化的条件下进行计算原理上就足够了。因此，例如可以假定，在所制造的层的整个面上输入了能量束的所累积的能量输入。
针对熔池中温度分布的计算需要更高的开销，以便能够预测复杂的过程。在本发明的范围内，在上下文中，将用于计算熔池或新近熔炼的轨迹的量级称为中尺度模拟。在此，可以依据直接的构件环境来计算通过能量束引起的热输入(更多信息请参见下文)。
根据本发明，应当通过为所计算的中尺度热分布创建数据库，来降低与中尺度模拟相关的计算开销，在该数据库中提供了过程控制的校正措施。根据本发明，可以通过在几何上分析构件环境来选择这些校正措施，而无需对熔池区域内的温度分布进行高成本的计算。由此有利地，显著地降低了计算开销，这就是为什么根据本发明可以将单独的校正措施局部地与能量束的刀具路径的各个向量相关联的原因。这能够在能量束穿过刀具路径期间实现修改过程控制。特别地，在具有严重过热趋势的区域中，可以通过校正措施来分别减少热输入。由此，在低的计算开销的情况下，不仅改善了所制造的构件的质量(避免了诸如焊缝的缺陷)。还可以有利地减少所制造的构造结构中应力和应变的形成。
为了能够评估熔池的局部环境的几何形状，根据本发明的一种有利的设计方案，可以针对刀具路径的各个向量计算至少一个质量积分。在此，在所定义的体积上进行积分(更多信息请参见下文)。积分体积还包含正在产生的构造结构的面向能量束的表面的一部分。因此，每个向量的点可能位于积分体积中。有利地，中心对称地构建积分体积，使得向量的所观察的点位于该积分体积的中心。当然，向量的另外的点于是同时也位于积分体积中。然而，定义了参考点，该参考点优选地位于积分体积的中心。在构造结构的表面的平面中出现中心对称。
质量积分的计算已被有利地证明为易于计算的、但却有说服力的措施，以用于评估熔池环境中构造结构的热特性。质量积分与熔池的直接环境中的热容成比例，并且因此代表了用于评估正在产生的构造结构的局部热学特性的良好度量。有利地，校正措施与相关联的质量积分一起存储在数据库中，使得可以在考虑质量积分的相似性的情况下选择合适的校正措施(更多信息请参见下文)。在此，还可以基于计算出的质量积分与存储在数据库中的质量积分的比较来确定合适的校正措施。在此，关于相似性度量可以确定相似性。例如，通过所确定的质量积分与存储在数据库中的质量积分的差异度量。
沿刀具路径，在某些点(例如，每个向量一个)处形成以函数w(x，y，z)来加权的质量积分：
M＝∫∫∫Vρ(x,y,z)*w(x,y,z)
其中，积分体积V优选为半椭球体，该半椭球体具有在x-y平面上延伸的半轴δr，并且具有在负z方向上延伸的半轴δz，其中，δr和δz是适当选择的参数。
针对每个向量，必须计算至少一个质量积分，然后可以代表性地为向量使用该质量积分。在向量的长度较短的情况下，可以忽略经由针对质量积分的向量的长度而出现的偏差，而不必接受过大的偏差。然而，特别是在向量较长的情况下，也可以为该向量计算多个质量积分。
因此，根据本发明的一种有利的设计方案，可以针对向量计算在向量的开始处的至少一个质量积分和在向量的结束处的至少一个质量积分。优选地，可以在向量的中心计算另外的质量积分。替换地，也可以以规则的间隔在向量上定义支撑点，为这些支撑点计算质量积分。根据本发明的一种设计方案，然后可以从对每个向量计算出的质量积分中为向量选择出具有最低值的那个质量积分。由此，通过能量束引起的热输入在任何情况下都被抑制在不能够发生过热的程度。由于考虑了最小的质量积分，因此热输入的减少反而显得过高。
另一种可能性在于，根据对每个向量计算出的质量积分，计算出与质量积分的平均值对应的值。由此，力求一种折衷方案，一方面，为了防止过热，对于涉及的向量的能量输入的减少一方面显得足够高，并且另一方面，为了防止材料不再被完全熔炼或者至少防止熔池变得过小，对于涉及的向量的能量输入的减少不显得过大。
优选地，基于沿着向量的质量积分M的最小值(替换地，M的平均值)并且基于所期望的参考温度T(z)，根据数据库中所存储的规则，为刀具路径的每个向量计算过程参数的校正，这些规则优选地具备解析函数f的形式，诸如在使用最小值的情况下
激光功率＝f(M_min(向量),向量长度,T)，
或者在使用平均值的情况下
激光功率＝f(M_med(向量),向量长度,T)，
或者还具备适合于插值的表格的形式。替换地，可以调整从向量的出发点到终点的激光功率，或者(在质量积分展开得过大的情况下)将扫描向量拆分为分别具有经调整的功率的子向量。该实现需要定义作业文件格式，该作业文件格式相对于现有技术进行了扩展，该作业文件格式能够实现用于改变扫描向量内部的功率的可能性，并且能够实现对当前的SLM机器控制的扩展，SLM机器控制当前尚未被设计为用于处理这种经扩展的作业文件格式(更多信息请参见下文)。
根据本发明的一种特别的设计方案，可以应用不同的方法以确定针对所观察的向量的校正措施。在此，可以将计算出的构造结构的环境的质量积分与存储在数据库中的质量积分进行比较。然后，从数据库中选择与计算出的质量积分最相似的那个所存储的质量积分。然后，为所观察的向量选择存储有所选择的质量积分的过程控制的校正措施，并且由此定义可能需要的热输入的减少。在此，还考虑根据本发明的方法已经计算出的总体热发展。例如，可以将该热发展考虑为总体温度Tg。例如，可以添加总体热发展和局部热发展，以便计算熔池位置处的总热负荷。另外的可能性在于，使用总体热发展，以便在数据库中选择合适的质量积分。在这种情况下，在特定的参考温度Tr下进行质量积分的模拟，该特定的参考温度描述了构件的总体温度水平。
本发明的另外的设计方案规定，为了确定在该情况下具有校正值的形式的校正措施，将计算出的质量积分与存储在数据库中的质量积分进行比较。从数据库中选择与计算出的质量积分最相似的那些所存储的质量积分。在此，可以是多个(特别是两个)质量积分，其两者均位于计算出的质量积分附近。然后，为所观察的向量选择针对过程控制的过程参数的校正值，这些校正值与所选择的质量积分一起存储，其中，对这些校正值执行插值。然后，将该插值的结果用作所形成的校正值，以用于校正过程控制。
如果存储了用于不同参考温度的质量积分，则所选择的与计算出的质量积分最相似的质量积分也可以是具有与总体温度相似但温度不相同的参考温度的质量积分。在此，也可以对校正值进行插值。
在该情况下，校正措施必须以校正值的形式存在，因为这是针对插值的先决条件。换言之，例如在减少激光功率或增大影线距离或延长暂停时间方面，校正措施必须能够被表示为数值。通过插值，实现了在数据库中元素储备有限的情况下，仍然可以对过程控制进行相对准确的校正。与节省的模拟开销相比，与此相关的插值的计算开销非常低，从而有利地改善了方法的经济性。
根据本发明的一种有利的设计方案，质量积分可以具有椭球体或半椭球体的形状，其中，半轴δr位于待制造的层的x-y平面中，并且椭球体的主轴δz位于z方向上。特别地，椭球体也可以是球形的。所述质量积分的形状是中心对称的，并且在形状方面类似于熔池的几何形状。以该方式，可以在所有方向上以相同的权重来评估熔池的环境，这就是为什么质量积分的结果可以有利地很好地与现实匹配的原因。
此外，根据本发明，上面所说明的技术问题通过开头所说明的用于确定过程控制的校正措施的方法通过在方法中执行以下步骤来解决，该过程控制针对用于增材制造的方法。对于具有预先给定的几何形状的代表性体积元，计算通过能量束引起的热输入的环境中的局部热发展。在计算出的热发展过大的情况下，将过程控制的校正措施局部地与能量束的刀具路径的各个向量相关联。在代表性体积元的子体积上计算质量积分，其中，在该子体积中需要校正措施。然后，将校正措施与相关联的质量积分一起存储在数据库中。作为另外的预给定参数，也可以考虑温度，通过包含代表性体积元的工件的总体热发展来预先给定该温度。由于对于额外观察的代表性体积元该总体热发展是未知的，因此可以针对一个参考温度或多个不同的参考温度计算代表性体积元。此外，在模拟时必须考虑经处理的粉末材料的材料特性。特别地，应当提及熔化温度和热容，其影响熔池在不同温度下的特性。当然，还必须为模拟确定刀具路径。
该方法具有如下优点：对于代表性体积元，可以以相对高的计算开销来模拟热发展。在此，代表性体积元反映了局部的构件结构，其在制造中至关重要。在此，其例如可以是具有水平壁取向的突出部或薄壁结构。然后，在代表性体积元中，在如同为制造真实构造结构而预先给定的预给定参数的条件下，确定温度发展，使得可以评估代表性体积元的关键几何形状是否会导致实际制造的构造结构的严重过热。随后，可以计算出不同的校正措施。如果为代表性体积元找到了令人满意地解决了过热问题的校正措施，则可以将该校正措施与相关联的代表性体积元上的质量积分一起存储在数据库中。因此，通过将为真实构造结构而计算出的质量积分与存储在数据库中的质量积分进行比较，可以选择适合于制造真实构造结构的校正措施。
沿针对所涉及的代表性体积元的刀具路径，在某些点(例如，每个向量一个)处形成以函数w(x，y，z)来加权的质量积分：
M＝∫∫∫Vρ(x,y,z)*w(x,y,z)
其中，积分体积V优选为半椭球体，该半椭球体具有在x-y平面上延伸的半轴δr，并且具有在负z方向上延伸的半轴δz，其中，δr和δz是适当选择的参数。由于两种方法中的质量积分必须是彼此可比较的，因此可以以与(如以上已经阐述的)用于确定针对待制造的构造结构的构造规范的方法相同的方式进行计算。
同样可以将代表性体积元理解为构造结构，其几何形状在特定的关键几何特征方面诱发过热。因此，这些构造结构可以通过确定与随后制造的真实构造结构的几何相似性来对构造工作的校正，而不必通过真实构造结构中的熔池来模拟局部热发展。在此，根据本发明，在模拟开销方面存在巨大的节省潜力，其中，根据本发明，通过质量积分建立了所模拟的代表性体积元与待制造的构造结构的所涉及的局部的子区域的相似性。因为已经表明质量积分代表了用于评估局部可用的热容的足够近似，因此能够有利地通过简单地比较质量积分以及可能通过校正措施(或校正值，如上面所描述的那样)的插值来实现对校正措施的选择。
根据本发明的一种有利的设计方案可以规定，代表性体积元具有长方体的形状，特别是立方体和/或棱柱体(这些棱柱体具有两个与层平行地延伸的侧面，并且具有至少一个与层倾斜地延伸并且连接了平行的侧面的侧面)和/或三棱柱(这些三棱柱具有与层平行地延伸的侧面)。换言之，这意味着，棱柱体以其倾斜的面来模拟待制造的突出部，其中，在真实构造结构中，这些突出部可以以不同的角度出现。因此，以棱柱体可以有利地检查最常出现的过热源中的一个，即构造结构中的突出部或底切。长方体可以被构建为使得这些长方体模拟了薄壁结构，粉末材料位于这些薄壁结构下方，使得散热基本上被限制在长方体的材料上。由此，可以模拟薄壁结构，其中可以在粉末床中任意地定向这些薄壁结构。倾斜表面相对于层的平面的>0°至<90°的角度被理解为倾斜。特别地，倾斜可以具有>0°并且<30°的角度，因为该倾斜面可以被视为对于待制造的构造结构中的热发展至关重要。
根据本发明的另外的设计方案规定，代表性体积元被用于针对过程控制确定参考值，该代表性体积元特别是长方体状的并且该代表性体积元的边界周围被构造结构的材料围绕，其中，校正参数旨在减少通过能量束引起的能量输入。因此，长方体状的代表性体积元代表了待制造的构造结构的非关键子区域，在该非关键子区域中可以使热输入最大化。为此，当然也需要能够向下以及向边界外部进行热排出。替换于如下地超然于代表性体积元地定义边界条件，即，代表性体积元周围和下方的边界被构造结构的材料包围，也可以使用具有足够大体积的代表性体积元，其中然后仅观察在该代表性体积元的中心的对新层的制造。在使用代表性体积元来确定参考值的情况下，可以模拟并彼此比较用于制造构造结构的不同参数组。替换地，也可以对于参考值遵循文献值或设备制造商的推荐。
根据该方法的一种有利的设计方案规定，为了计算熔池尺寸，计算在代表性体积元的子体积上的质量积分。该质量积分包含代表性体积元的面向能量束的表面的一部分。此外，该质量积分被定位在刀具路径的多个点上，其中对于这些点，在考虑局部热发展和参考温度Tr的情况下计算熔池尺寸。以该方式，可以有利地创建质量积分，如上面所描述的，该质量积分也可以应用在用于确定校正措施的方法中。这使得为真实构造结构确定的质量积分与存储在数据库中的那些质量积分的比较变得容易。特别地，根据一种有利的设计方案，质量积分可以具有椭球体或半椭球体的形状，椭球体或半椭球体具有待制造的层的x-y平面中的半轴δr，并且具有z方向上的半轴δz。以上已经阐述了质量积分的这种构造的优点。
此外，该技术问题通过一种存储格式来解决，该存储格式针对描述了过程控制的构造指令，其中，在该存储格式中，对于刀具路径的每个向量存在用于增材制造方法的制造参数和/或针对这些制造参数的校正参数的存储空间。因此，该存储格式有利地适合于存储针对每个向量的单独的制造参数。这些单独的制造参数可以是已经以上面所说明的方法校正了的制造参数。对于存储格式的这种应用情况，不再需要附加地存储校正参数，并且仅须提供用于制造参数的存储空间。通过在过程控制中假定如按照现有技术中惯常的那样为该方法确定特定的标准化制造参数，给出了另外的可能性。但是，然后可以以存储格式存储针对这些标准参数的校正参数。在该应用情况下，仅需要为每个向量的校正参数设置存储空间。但是也可能既为制造参数又为校正参数设置存储空间。这使得即使在多个递归循环中也可以改变制造参数。即使如果已经为每个向量单独确定了制造参数，也可以在另外的方法流程中通过校正参数来调整这些制造参数，对于这些校正参数，同样已经向量单独地设置了存储空间。因此，该应用情况有利地适合于可以灵活地使用存储格式。特别地，通过最后提到的存储格式，同样覆盖了两个先前提及的应用情况。
根据一种有利的存储格式的设计方案规定，存在用于附加的向量的存储空间，其中，可以与如下信息一起存储附加的向量：该信息在于，这些附加的向量应当替代已经存在的向量中的哪些。该存储格式使得还可以改变刀具路径的走向。如果由于刀具路径的改变总体上应当设置更多的向量，则该存储空间有利地可供用于存储这些向量。此外，需要能够存储关于应当在哪里插入附加的向量的信息。由于插入，必须在整体上再次产生由向量链组成的刀具路径。只有这样，才能确保无中断地定义利用以存储格式存储的数据对能量束的控制。但是，如果仅存储其中已经插入了或代替了向量的经修改的文件，则不需要针对附加的向量的单独格式。
所提到的存储格式有利地适合于使得能够有效地存储经修改的数据，这些经修改的数据考虑了以上所说明的方法的校正措施。有利地，由此实现了先决条件，即，可以利用根据本发明的存储格式来快速调用经修改的数据，以执行增材制造方法。
下面根据附图描述本发明的进一步的细节。相同或相互对应的附图元件分别设置有相同的附图标记，并且仅在各附图之间出现差异之处重复阐述。
下面阐述的实施例是本发明的优选实施方式。在该实施例中，所描述的实施方式的部件分别表示本发明的各个要彼此独立地考虑的特征，这些特征也分别彼此独立地扩展本发明，并且由此也应当单独地或与所示出的组合不同地被视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式还可以通过本发明的已经描述的特征中的另外的特征来补充。
附图中：
图1以截面图示出了用于对构件进行增材制造的设备，该设备具有用于计算机支持地执行根据本发明的方法的实施例的配置，其中，配置被示为不同程序模块的框图；
图2以流程图示出了根据本发明的用于确定校正措施的方法的实施例；
图3示出了按照根据图2的方法可以用来确定校正措施的代表性体积元的实施例；
图4以流程图示出了根据本发明的用于确定构造规范的方法的实施例。
图1中示意性地示出了用于激光熔炼的设备11。该设备具有带有窗口12a的处理腔12，在该处理腔中可以制造粉末床13。为了制造粉末床13的相应的层，将刮板14形式的分配装置在粉末供应源15上方移动，并且随后在粉末床13上方移动，由此在粉末床13中产生粉末的薄层，该薄层形成粉末床的最顶层25。然后，激光器16产生激光束17，该激光束17借助具有镜子18的光学偏转设备穿过窗口12a进入处理腔12中并且在粉末床13的表面上移动。在此，粉末在能量束17的撞击点处被熔炼，由此形成工件或构造结构19。
粉末床13形成在构造平台20上，该构造平台可以通过致动器21在罐状壳体22中逐步相应地降低了粉末层厚度。在壳体22以及构造平台20中设置有电阻加热形式的加热装置23a(替换地也可以是感应线圈，未示出)，该加热装置23a可以预热正在产生的工件19以及粉末床13的颗粒。替换地或附加地，也可以在处理腔12中布置红外照射器作为加热装置23b，以便照射并由此加热粉末床13的表面。为了限制预热的能量需求，具有低导热率的绝缘体24位于壳体22的外部。粉末13表面处的温度可以通过热成像照相机27确定，以便在需要的情况下调整加热装置23a、23b的加热功率。替换于热成像照相机27，也可以在粉末床处使用温度传感器(未示出)。
由控制装置CRL经由第一接口S1控制用于激光熔炼的设备11，该控制装置必须事先被提供以适当的过程数据。
为了生成过程数据PAR，设置了一个或多个处理器，利用其设置了用于执行计算机辅助设计的程序模块CAD、用于模拟能够利用制造设备来执行制造方法的程序模块CAE、以及用于通过生成过程数据PAR1来准备构件19的制造方法的程序模块CAM。
具有程序CAD、CAE和CAM的硬件基础设施适合于执行根据图2的根据本发明的用于确定校正方法的方法的实施例，并且还适合于执行根据图4的根据本发明的用于确定针对制造构件19的过程控制的方法的实施例。在对根据图2和图4的方法流程的阐述中，同时参考了根据图1的功能结构。图1中的各个程序模块以大写字母A至H标识。根据图2和图4的方法步骤以小写字母a至m标识。只要根据图2和图4的方法步骤在图1中的程序模块中执行，则根据图2和图4所选择的小写字母分别与根据图1所选择的大写字母一致。
用于确定校正措施的方法(图1结合图2)始于通过程序模块A中的程序CAD来创建3-D结构数据，其中，在方法步骤a中确定了代表性体积元的几何形状(以下简称RVE)。在程序CAM中，方法步骤b在程序模块B中执行，根据该方法步骤，将RVE定位在构造平台20m上。由此，根据水平取向的构造平台20m的表面来定义RVE的取向。在此，构造平台20m表示用于增材制造的制造设备的构造平台20的假想图像(模型)。
在下一方法步骤c中，在程序模块C中执行所谓的切片和划影线(Hatchen)的操作。在切片时，RVE被划分为待制造的层25。在划影线时，规定刀具路径，其中在此已经以标准化的方法参数PAR为基础。为了选择标准化的方法参数PAR，还必须考虑所使用的由粉末构成的材料MAT。
现在可以在程序模块E中执行方法步骤e，根据该方法步骤执行中尺度模拟SIMmeso。在此，考虑参考温度Tr，该参考温度描述了在所模拟的对当前层的制造中RVE所位于的温度水平。中尺度模拟还可以实现评估熔池32的尺寸(参见图3)。如果熔池尺寸没有离开该间隔，则可以在步骤f中将所选择的一组方法参数PAR存储在存储单元F中，即，存储针对所涉及的方法的规则RULE。然而，如果熔池尺寸超出所允许的间隔，则必须使用改变的方法参数PAR来执行修改步骤m。利用该修改步骤，再次进入程序步骤c，并且在程序步骤e中重新对方法进行中尺度模拟。重复这些步骤，直到熔池32的熔池尺寸位于允许的间隔内。
对于计算出的RVE，还必须计算适用于刀具路径31的向量30的质量积分M。为此，考虑了根据图3的积分体积V，该积分体积在向量30中的一个的截面图中示出。该积分体积具有椭球体的形状，该椭球体在RVE表面上的x-y平面中具有半径δr，并且在z方向上具有深度z。将质量积分M与相关联的方法参数PAR一起存储在存储单元F的规则数据库RULE中，这些相关联的方法参数适合于所观察的向量。
根据图1的校正模块COR可以用于计算质量积分M以及在方法步骤m中修改方法参数PAR的步骤的方法。在此，其是程序模块，该程序模块可以按照特定的规则执行对数据的修改。
如果现在对于制造准备了根据图4的特定的构件19m，则同样可以使用根据图1的硬件环境和软件环境。构件19m是根据图1的待制造的构件19的模型，其中该模型可以通过程序模块A在方法步骤a中创建。如针对图2对于RVE所描述的，通过程序模块B在方法步骤b中进行随后的定位，并且通过程序模块C在方法步骤c中进行切片和划影线，因此，在此不会再次额外阐述该过程。
在方法步骤c中，首先使用标准化的参数PAR，该标准化的参数PAR已经依据待使用的材料MAT进行了选择。依据对到构造结构19m中的能量输入产生影响的所选择的方法参数PAR，随后可以在方法步骤d中通过程序模块D执行宏观尺度模拟SIMmacro。在此，模拟整个所制造的构造结构中的温度发展，由此可以计算在待制造的层25中占优势的温度Tg。在宏观尺度模拟时，可以要么选择根据方法步骤b所定位的构造结构19m作为基础，要么选择根据方法步骤c已切片的构造结构19m作为基础。
依据所选择的过程参数PAR，即，还依据刀具路径31和经切片的模型19m的层25中的向量30的走向，现在可以计算针对各个向量的质量积分。这在方法步骤g中通过校正模块G进行。在已知质量积分M之后，可以在方法步骤g中从规则数据库F中选择一组经校正的方法参数PAR1，其中，由于来自数据库的质量积分与待制造的构件的一致性，可以在步骤h中向控制装置H提供修改后的一组方法参数。然后，利用其可以制造构件。
可以以至少500mm/s且至多2000mm/s、优选地至少800mm/s且至多1200mm/s的激光束扫描速度，以至少125W且至多250W、优选地至少150W且至多250W的激光功率，以至少60且至多130μm、优选地至少80且至多120μm的轨迹间距，并且以至少20μm且至多50μm的粉末层的层厚度来进行工作。
为了进行激光熔炼，可以使用具有至少10μm且至多45μm的粒度的粉末，其中，粒度分布D50(即，50％的颗粒小于该值)至少为17μm且至多为27μm。利用基于粉末床的增材制造方法，可以有利地良好地制造具有这种粒度分布的粉末，因为可以在粉末床中可靠地配料这些具有这种粒度分布的粉末。

Claims (17)

1.一种基于对构造结构(19)的制造的模拟来确定构造规范的方法，所述构造规范用于对构造结构(19)的增材制造并且所述构造规范描述了过程控制(PAR)，其中，针对所述模拟
·提供针对构造结构(19)的制造数据组，所述制造数据组描述了待制造的层(25)中的构造结构(19)，
·在考虑构造结构(19)的构造历史和通过能量束(17)引起的热输入的情况下，计算在构造结构(19)的已经制造的层(25)中的总体热发展，
·确定通过所述能量束(17)引起的热输入的环境中的局部热发展，
·在考虑所述总体热发展和所述局部热发展的情况下确定所述过程控制(PAR)，
·依据所述总体热发展和所述局部热发展从数据库(RULE)加载过程控制(PAR)的校正措施，
·将过程控制(PAR)的校正措施局部地与能量束(17)的刀具路径(31)的各个向量(30)相关联，其中，
·针对刀具路径(31)的各个向量(30)计算至少一个质量积分，以及
·基于计算出的质量积分与存储在数据库(RULE)中的质量积分的比较，确定合适的校正措施。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定过程控制(PAR)的校正措施，使得通过能量束(17)产生的熔池(32)具有在所规定的间隔内的尺寸。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对刀具路径(31)的各个向量(30)计算至少一个质量积分，
·其中，在所定义的积分体积上进行积分，
·其中，积分体积包含构造结构的面向能量束(17)的表面的一部分，
·其中，所观察的向量(30)的点位于所述积分体积中。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中，针对向量(30)计算在向量的开始处的至少一个质量积分和在向量的结束处的至少一个质量积分。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中，从对每个向量(30)计算出的质量积分中为向量选择出具有最低值的那个质量积分。
6.根据权利要求4所述的方法，
其中，根据对每个向量(30)计算出的质量积分，计算与质量积分的平均值对应的值。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，
其中，为了确定针对所观察的向量(30)的校正措施
·将计算出的质量积分与存储在数据库(RULE)中的质量积分进行比较，
·从数据库中选择与计算出的质量积分最相似的那个所存储的质量积分，
·为所观察的向量选择存储有所选择的质量积分的过程控制(PAR)的校正措施。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，
其中，为了确定针对所观察的向量(30)的以校正值的形式的校正措施(PAR)
·将计算出的质量积分与存储在数据库(RULE)中的质量积分进行比较，
·从数据库中选择与计算出的质量积分最相似的那些所存储的质量积分，
·为所观察的向量(30)选择针对过程控制(PAR)的过程参数的校正值，所述校正值存储有所选择的质量积分，并且对所述校正值执行插值，其中，将插值的结果用作所形成的校正值，以用于进行校正。
9.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，
其中，所述质量积分具有椭球体或半椭球体的形状，椭球体或半椭球体具有待制造的层的x-y平面中的半轴δr，并且具有z方向上的半轴δz。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中，所述校正措施包含减小能量束的功率，和/或延长各个向量(30)的照射时间之间的暂停时间，和/或提高能量束(17)的移动速度，和/或增大向量(39)之间的影线距离，和/或改变向量顺序，和/或改变向量长度，和/或改变向量取向。
11.一种基于模拟来确定构造规范的校正措施的方法，所述构造规范针对用于对构造结构(19)进行增材制造的方法并且所述构造规范描述了过程控制(PAR)，其中，针对模拟
·确定针对过程控制的过程参数，
·提供针对构造结构的制造数据组，所述制造数据组描述了待制造的层(25)中的构造结构(19)，
·考虑了以参考温度Tr的形式的总体热发展，
·计算通过能量束(17)引起的热输入的环境中的局部热发展，
·对于具有预先给定的几何形状的代表性体积元(RVE)，计算通过能量束(17)引起的热输入的环境中的局部热发展，
·在计算出的热发展过大的情况下，将过程控制的校正措施局部地与能量束的刀具路径(31)的各个向量(30)相关联，
·在代表性体积元(RVE)的子体积上计算质量积分，在所述子体积中需要所述校正措施，
·将所述校正措施与相关联的质量积分一起存储在数据库(RULE)中。
12.根据权利要求11所述的方法，
其中，所述代表性体积元(RVE)具有如下形状：
·长方体、特别是立方体，和/或
·棱柱体，所述棱柱体具有两个与层(25)平行地延伸的侧面并且具有至少一个与层倾斜地延伸并且连接了平行的侧面的侧面，和/或
·三棱柱，所述三棱柱具有与层(25)平行地延伸的侧面。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，
其中，代表性体积元(RVE)被用于针对过程控制确定参考值，所述代表性体积元特别是长方体状的并且所述代表性体积元的边界周围被构造结构(19)的材料围绕，其中，所述校正参数旨在减少通过能量束(17)引起的能量输入。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，
其中，为了计算熔池尺寸，计算在代表性体积元(RVE)的子体积上的质量积分，
·所述质量积分包含代表性体积元(RVE)的面向能量束(17)的表面的一部分，
·所述质量积分被定位在刀具路径(31)的多个点上，其中对于所述点，在考虑局部热发展和参考温度Tr的情况下计算所述熔池尺寸。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，
其中，所述质量积分具有椭球体或半椭球体的形状，椭球体或半椭球体具有待制造的层的x-y平面中的半轴δr，并且具有z方向上的半轴δz。
16.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有用于执行根据权利要求11至15中任一项所述的方法的程序命令。
17.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有针对制造设备的程序命令，借助所述程序命令配置所述制造设备，以按照权利要求1至10中任一项所述地生产工件。
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