CN113118464A - 强度预测方法和存储介质 - Google Patents

Abstract

用于预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强度预测方法包括：在结构的增材制造中，考虑当形成第一层时施加的第一热输入和当在第一层上形成第二层时施加到第一层的第二热输入，预测结构的第一层的强度。

Description

强度预测方法和存储介质

技术领域

本发明涉及强度预测方法和存储介质。

背景技术

对使用三维(3D)打印机增材制造的结构的强度进行分析的技术已经在开发中。第2018-518394号日本未审查的专利申请公开(JP 2018-518394 A)(PCT申请的翻译)公开了一种技术，当使用3D打印机增材制造一结构时，将主模型的热历史与从在制造期间实际拍摄的图像获得的热历史进行比较，并根据热历史之间的差异来评估部件的质量。

发明内容

然而，JP 2018-518394A中公开的技术不能够精确地预测使用3D打印机增材制造的结构的强度。

本发明提供能够精确地预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强度预测方法。

根据本发明的第一方面的用于预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强度预 测方法包括：在结构的增材制造中，考虑当形成第一层时施加的第一热输入和当在第一层上 形成第二层时施加到第一层的第二热输入，预测结构的第一层的强度。

根据第一方面，考虑当形成第一层时施加的第一热输入和当在第一层上形成第二层时施加到第一层的第二热输入，预测第一层的强度。由于除了第一热输入之外还考虑了第 二热输入，因此在第二层的形成期间对第一层施加的影响也反映在预测中。因此可以精确地 预测结构的强度。

在第一方面中，第二热输入可以是基于第一层的温度等于或高于预定温度且低于结构的原材料的熔融温度的时段的长度计算的。根据该配置，通过考虑在形成第二层的时段 中第一层的强度受影响的时段(即，第一层的温度等于或高于预定温度且低于结构的熔融温 度的时段)中施加的热量来计算第二热输入，可以精确地预测第一层的强度。

在以上方面中，第二热输入可以是考虑时段中的温度变化计算的。根据以上配置，可以更精确地计算第二热输入。

在根据本发明第二方面的存储可由一个或多个处理器执行并且使一个或多个处理 器执行功能的指令的非暂时性存储介质中，该功能包括：在使用3D打印机进行的结构的增 材制造中，考虑当形成第一层时施加的第一热输入和当在第一层上形成第二层时施加到第一 层的第二热输入，预测结构的第一层的强度。

在第二方面中，第二热输入可以是基于第一层的温度等于或高于预定温度且低于结构的原材料的熔融温度的时段的长度计算的。

在以上方面中，第二热输入可以是考虑时段中的温度变化计算的。

在上述方面中，预定温度可以由用户设定。

预定温度需要考虑结构中包含的元素的析出温度、晶粒尺寸与温度之间的关系等实验地确定。根据以上配置，由于预定温度可以由用户设定，因此提高了便利性。

根据本发明的每个方面，可以精确地预测使用3D打印机增材制造的结构的强度。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业显著性， 其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是示出用于结构的增材制造的3D打印机的配置的示例的示意图；

图2是示出从结构的制造到装运的一系列步骤的流程图；

图3是示出在图2的步骤S102中的结构的增材制造期间当在特定层上形成另一层时对该 特定层施加的影响的示意图；

图4是示出在图2的步骤S102中的结构的增材制造期间当在特定层上形成另一层时对该 特定层施加的影响的示意图；

图5是示出使用3D打印机实际增材制造的结构的外形的示意图；

图6是示出使用3D打印机实际增材制造的结构的硬度的测量结果的图；

图7是示出根据实施例的用于预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强度预测方 法的流程的流程图；和

图8是示意性地示出图7的步骤S203中的第一热输入的计算和图7的步骤S204中的第 二热输入的计算的图。

具体实施方式

将借助本发明的实施例描述本发明。然而，根据权利要求的本发明不限于以下实施例。并非在实施例中描述的全部配置都必须是作为对该问题的解决方案所必不可少的。为 了解释的清楚，适当地省略或简化了以下描述和附图。在所有附图中，利用相同的附图标记 表示相同的元件，并且根据需要省略其重复描述。

在描述根据实施例的用于预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强度预测方 法之前，将描述用于增材制造一结构的3D打印机的配置以及用于使用3D打印机增材制造一 结构的方法。在下面描述的示例中，增材制造方法是选择性激光熔融(SelectiveLaser Melting， SLM)。

首先，将描述用于增材制造结构的3D打印机的配置。图1是示出用于增材制造一结构的3D打印机的配置的示例的示意图。如图1所示，3D打印机1包括腔室2、构建箱3、 基板4、激光光源5、粉末供应单元6、重涂器7和光束扫描机构8。

基板4是用作结构W的基底的板材料。基板4设置为在构建箱3内垂直地可移动。 供应金属粉末的粉末供应单元6设置在构建箱3的上方。金属粉末例如是铝合金粉末或钛合金粉末。重涂器7在基板4上散布从粉末供应单元6供应的金属粉末的层。构建箱3、基板4、粉末供应单元6和重涂器7容纳在腔室2中。诸如氮气或氩气的惰性气体可以被引入到腔室2中。腔室2可以被抽空。

激光光源5是用于发射激光束L的光源。光束扫描机构8是用于将激光束L转向 到金属粉末上的预定位置的机构。光束扫描机构8例如是检流计镜。激光光源5和光束扫描 机构8设置在腔室2的外部。激光束L通过腔室2的光透射部分9进入腔室2。

接下来，将参照图1描述使用3D打印机增材制造一结构的方法。在增材制造中， 光束扫描机构8将激光束L转向到金属粉末的预定部分以熔融并固化金属粉末的该部分。在形成一层之后，通过粉末供应单元6进一步供应金属粉末，并通过重涂器7将金属粉末散布在该层上。该金属粉末的预定部分然后通过激光束L熔融并固化以形成下一层。每层的厚度例如是50μm。因此，通过重复地将金属粉末散布在先前的层上并且熔融并固化金属粉末来形成期望的结构。在金属增材制造中，通常增加支撑悬垂部分的支撑构件Su，以防止下垂。

接下来，将描述从结构的制造到装运的一系列步骤。图2是示出从结构的制造到装运的一系列步骤的流程图。如图2所示，首先使用要构建的构建模型上的CAD数据以及分析条件作为输入数据来执行CAE分析(步骤S101)。使用能够执行诸如结构分析、强度(应 力和变形)的计算、固有频率的计算和拓扑优化的计算的常见的CAE软件执行CAE分析。 具体地，将在后面描述的根据实施例的用于预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强 度预测方法应用于该常见的CAE软件，并且使用该CAE软件执行CAE分析。

此后，增材制造一结构(步骤S102)。除了上述的选择性激光熔融(SLM)之外， 各种增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术(诸如电子束熔融(Electron Beam Melting，EBM))也可用于增材制造步骤。

在步骤S102中构建的结构随后经受热处理(步骤S103)。通常执行热处理以消除在结构的构建期间引起的变形并提供足够的强度特性。热处理不需要任何特殊的炉，并且可 以使用常见的间歇式或连续式炉。该结构有时未经热处理就被装运作为产品。

随后，移除用于结构的支撑(步骤S104)。如上所述，在金属增材制造中，通常对 悬垂部分增加支撑构件。然而，由于这种支撑构件对于最终结构不是必需的，因此使用尖嘴钳等移除该支撑构件。然后根据产品按需对结构进行加工(步骤S105)。因此完成了该结构。此后，检查完成的结构(步骤S106)。结构的检查包括X射线CT的外观检查、使用坐标测 量机器的尺寸测量等。然后将检查的产品装运(步骤S107)。

接下来，将描述在图2的步骤S102中的结构的增材制造期间当在特定层上形成另一层时对特定层施加的影响。图3和图4是示出在图2的步骤S102中的结构的增材制造期间在特定层上形成另一层时对该特定层施加的影响的示意图。图3和图4中的箭头q代表热的流。图3中的箭头P1和图4中的箭头P2代表结构中的层的堆叠方向。如图3所示，当在正 在构建的结构的特定层(第一层W1)上形成另一层(第二层W2)时，对应于第二层W2的 金属粉末的一部分被激光束L等熔融。随着金属粉末的这部分熔融，生成热。该热传递到第 一层W1。在第一层W1下方的层(第三层W3)的截面积与第一层W1的截面积大致相同的 情况下，在第二层W2的形成期间生成的热从第一层W1传递到第三层W3，并进一步从第三 层W3扩散到第三层W3下方的层。

然而，如图4所示，在第一层W1下方的层(第三层W3)的截面积显著地小于第 一层W1的截面积的情况下，在第二层W2的形成期间生成的热不太可能从第一层W1扩散 到第一层W1下方的各层。在第二层W2的形成期间，第一层W1因此被从第二层W2传递 的热过度老化。结果，降低了第一层W1的强度(诸如硬度)。

图5是示出使用3D打印机实际增材制造的结构WM的外形的示意图。图5中的 箭头P3代表堆叠方向。如图5所示，结构WM的截面积在位置WM1和位置WM2之间显著 地变化。即，结构WM的截面积在位置WM1和位置WM2之间从上层朝向下层减小。WM 结构由SLM构建，所使用的金属粉末为粒子尺寸约为100μm或更小的AlSi10Mg合金粉末。

图6示出了使用3D打印机实际增材制造的结构WM的硬度的测量结果。在该示 例中，硬度是维氏(Vickers)硬度，并且通过由JIS标准规定的方法执行测量。如图6所示， 结构WM的硬度在位置WM1和位置WM2之间减小。认为这种硬度减小的原因如下。由于 结构WM的模型的截面积在位置WM1和位置WM2之间从上层朝向下层减小，因此在上层 的形成期间生成的热没有扩散，并且紧挨在上层下方的层因该热而过度老化。结果，紧挨在 上层下方的层的强度降低。

接下来，将描述根据实施例的用于预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强度预测方法。

图7是示出根据实施例的用于预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强度预测方法的流程图。如图7所示，首先读取关于要构建的构建模型的CAD数据(步骤S201)。 然后读取诸如要使用的原材料的物理性质和激光输出的各种构建参数(步骤S202)。

在步骤S202之后，计算当形成第一层时施加的热输入(第一热输入)(步骤S203)。第一热输入是当形成第一层时由激光器等施加的热量。此后，计算当在第一层上形成第二层 时施加到第一层的热量(第二热输入)(步骤S204)。当在步骤S204中计算第二热输入时，可以将待堆叠在第一层上的所有层都考虑为是第二层，或者将紧挨在第一层上方的那层到位 于那层上方预定层数的一层考虑为是第二层。可以通过实验确定要考虑第一层上方的多少层， 以计算第二热输入。在将紧挨在第一层上方的那层到位于那层上方预定层数的一层考虑为是 第二层的情况下，对比将待堆叠在第一层上的所有层都考虑为是第二层的情况，可以以减少 的计算负荷来计算第二热输入。随后，在结构的增材制造中，考虑第一热输入和第二热输入 来预测第一层的强度(步骤S205)。

图8是示意性地示出图7的步骤S203中的第一热输入的计算和步骤S204中第二 热输入的计算的图。图8的图示出了结构中第一层的热历史，其中横坐标代表时间，纵坐标 代表温度。可以使用常见的热分析模拟来得出结构中第一层的热历史。在图8中，T1代表预 定温度，T2代表结构的原料的熔融温度。预定温度T1考虑结构中包含的元素的析出温度、 晶粒尺寸与温度之间的关系等来实验地确定。

如图8所示，时段M1是当形成第一层时通过激光等形成第一层的时段。时段N1、 N2是当在第一层的上方形成第二层时第一层的温度等于或高于预定温度T1并且低于结构的原材料的熔融温度T2的时段。即，在时段M1中施加到第一层的热量Q1是在图7的步骤S203中计算的第一热输入。在时段N1、N2中使第一层的温度增加到T1或更高的热量Q2是在图 7的步骤S204中计算出的第二热输入。可以通过在第一层的热历史中对时间和温度进行积分来计算第一热输入和第二热输入。具体地，通过将积分值乘以第一层的质量和第一层的比热 容来获得热量。

当在第一层上方的层的形成期间第一层的温度增加至该结构的原材料的熔融温度 T2或更高时(在图8中的时段M2的情况下)，第一层没有老化，但被重熔。在第一层的温度增加至该结构的原材料的熔融温度T2或更高并且第一层被重熔的情况下，第一层的强度与 第一层的初始强度几乎相同。因此，在第二热输入的计算中没有考虑时段M2中的热量。将 第二热输入计算为第一层的温度等于或高于预定温度T1且低于结构的原材料的熔融温度T2 的时段中的总热量。即，可以考虑第一层的温度等于或高于预定温度T1并且低于结构的原材 料的熔融温度T2的时段中的温度变化来计算第二热输入。

然而，可以仅基于第一层的温度等于或高于预定温度并且低于结构的原材料的熔融温度T2的时段的长度来计算第二热输入，而不考虑该时段中的温度变化。即，在第一层的温度等于或高于预定温度并且低于结构的原材料的熔融温度T2的时段中第一层的温度始终 恒定的假设下，近似地计算第二热输入。在这种情况下，与通过在第一层的温度等于或高于 预定温度并且低于结构的原料的熔融温度T2的时段中的时间与温度的积分来计算第二热输 入的情况相比，所计算的第二热输入稍微不那么精确。然而，减少了计算负荷。

如上所述，在根据实施例的强度预测方法中，考虑当形成第一层时施加的第一热输入和当在第一层上形成第二层时施加到第一层的第二热输入来预测第一层的强度。由于除 了第一热输入之外还考虑第二热输入，因此在第二层的形成期间对第一层施加的影响也反映 在预测中。因此可以精确地预测结构的强度。由于可以精确地预测结构的强度，因此可以确 定结构的堆叠方向是否合适。例如，对于图5中所示的结构WM，箭头P3代表堆叠方向。对 于该结构WM，预测结构WM的强度在位置WM1和位置WM2之间是不足的。因此得出应 当改变结构WM的堆叠方向的结论。

本发明不限于以上实施例，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下适当地修改。

上述实施例的强度预测方法中的每个处理也可以例如通过使计算机执行程序来实 现。更具体地，上述实施例的强度预测方法中的每个处理也可以通过将存储在存储单元(未 示出)中的控制程序加载到计算机的主存储装置(未示出)中并执行该主存储装置中的程序 来实现。

在也通过使计算机执行程序来实现上述实施例的强度预测方法中的每个处理的情 况下，程序可以被设计为预定温度可以由用户设定。预定温度需要考虑结构中包含的元素的 析出温度、晶粒尺寸与温度之间的关系等实验地确定。由于预定温度可以由用户设定，因此 提高了便利性。

可以通过使用各种类型的非暂时性计算机可读介质来存储程序并将其供应至计算 机。非暂时性计算机可读介质包括各种类型的有形存储介质。非暂时性计算机可读介质的示 例包括磁记录介质(例如，软盘、磁带和硬盘驱动器)、磁光记录介质(例如，磁光盘)、CD 只读存储器(CD-ROM)、可刻录光盘(CD-R)、可擦写光盘(CD-R/W)和半导体存储器(例如，掩模ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、闪存ROM和随机存取 存储器(RAM))。可以通过使用各种类型的暂时性计算机可读介质将程序供应至计算机。暂 时性计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波。暂时性计算机可读介质可以经由 诸如电线或光纤的有线通信路径或无线通信路径将程序供应至计算机。

Claims (7)

1.用于预测使用3D打印机增材制造的结构的强度的强度预测方法，其特征在于，包括：

在所述结构的增材制造中，考虑当形成第一层时施加的第一热输入和当在所述第一层上形成第二层时施加到所述第一层的第二热输入，预测所述结构的所述第一层的强度。

2.根据权利要求1所述的强度预测方法，其特征在于，所述第二热输入是基于所述第一层的温度等于或高于预定温度且低于所述结构的原材料的熔融温度的时段的长度计算的。

3.根据权利要求2所述的强度预测方法，其特征在于，所述第二热输入是考虑所述时段中的温度变化计算的。

4.非暂时性存储介质，其存储可由一个或多个处理器执行并且使所述一个或多个处理器执行功能的指令，其特征在于，所述功能包括：

在使用3D打印机进行的结构的增材制造中，考虑当形成第一层时施加的第一热输入和当在所述第一层上形成第二层时施加到所述第一层的第二热输入，预测所述结构的所述第一层的强度。

5.根据权利要求4所述的存储介质，其特征在于，所述第二热输入是基于所述第一层的温度等于或高于预定温度且低于所述结构的原材料的熔融温度的时段的长度计算的。

6.根据权利要求5所述的存储介质，其特征在于，所述第二热输入是考虑所述时段中的温度变化计算的。

7.根据权利要求5或6所述的存储介质，其特征在于，所述预定温度由用户设定。

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