CN116890459A - 用于生成输出机器控制数据的计算机实现的方法 - Google Patents

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CN116890459A CN202310305290.XA CN202310305290A CN116890459A CN 116890459 A CN116890459 A CN 116890459A CN 202310305290 A CN202310305290 A CN 202310305290A CN 116890459 A CN116890459 A CN 116890459A
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康斯坦丁·舒伯特
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Abstract

为了改进增材制造、特别地关于热因素，提出了一种用于生成输出机器控制数据的计算机实现的方法、一种包括指令的计算机程序、一种数据载体或数据载体信号、一种数据处理设备、一种用于通过将挤压的材料层叠来增材制造物体的方法、一种增材制造设备。最初，由输入机器控制数据生成事件序列，该输入机器控制数据与也由输入机器控制数据生成的网状网格数据链接。因此，确定激活时间(t_act)，该激活时间(t_act)指示增材制造机器打印物体的由网格元素表示的部分的时间点。对网格元素运行完整的3D热模拟。每当元素温度(T_el)超过预定阈值时，激活时间(t_act)增加预定的时间增量，并且更新事件序列。最后，事件序列被转换回输出机器控制数据。

Description

用于生成输出机器控制数据的计算机实现的方法
技术领域
本发明涉及增材制造。具体地，本发明涉及用于为增材制造机器生成输出机器控制数据的计算机实现的方法。
背景技术
WO 2018/217 903A1公开了一种基于机器学习的方法，该方法用于使物体缺陷分类自动化以及对增材制造和/或焊接过程进行自适应实时控制。
WO 2019 070 644A1公开了一种方法，该方法在模拟增材制造中的各种参数时考虑到冲突的目标，利用多标准优化来生成用于增材制造机器的构建指令。
WO 2020/247 544A1公开了一种选择用于通过增材制造来构建物体的加工参数的方法。基于每层的2D有限差分模拟来修改用于构建的加工参数。
发明内容
本发明的目的是改进增材制造。该目的通过下面所述的主题来实现。有利的实施方式包括下面所述的主题。
本发明提供了一种用于生成输出机器控制数据的计算机实现的方法，所述输出机器控制数据适于使增材制造机器通过将挤出的材料层叠来打印物体，该方法包括：
a)由输入机器控制数据生成事件序列数据，其中，输入机器控制数据适于使增材制造机器通过将挤出的材料层叠来打印物体；
b)生成包括多个网格元素的网格数据，并且将网格数据与事件序列数据链接，以便确定用于每个网格元素的激活时间，其中，激活时间指示增材制造机器打印物体的由该网格元素表示的部分的时间点；
c)将在下一个时间步进间隔中待激活的网格元素确定为待被激活的网格元素；
d)在预定边界内确定待被激活的网格元素的相邻网格元素；
e)确定相邻网格元素的元素温度；
f)如果元素温度超过或低于预定的温度阈值，则增加或减少每个待被激活的网格元素的激活时间并且更新事件序列数据中的对应条目，否则保持每个待被激活的网格元素的激活时间不变；
g)重复步骤c)至f)，直到步骤c)不再有用于获得更新的事件序列数据的待被激活的网格元素；
h)将更新的事件序列数据转换成输出机器控制数据。
优选地，在步骤a)中，输入机器控制数据包括对运动的目标位置、打印速度和/或挤出的材料的量的指示，并且基于这些指示中的一个、一些或全部指示生成事件序列数据。
优选地，在步骤a)中，输入机器控制数据包括指示运动的目标位置、打印速度和/或挤出的材料的量的机器命令的序列，其中，事件序列数据从成对的后续机器命令中生成。
优选地，在步骤b)中，对于每个网格元素，生成取向数据并且将取向数据与网格元素相关联，其中，取向数据指示网格元素基于打印方向沿着三个主要方向的取向。
优选地，总打印时间被分成多个时间步进间隔，并且优选地，在步骤c)中，时间步进间隔的范围为从一定的步进时间到该步进时间加上预定的时间增量。
优选地，在步骤d)中，选择边界，使得至少一个相邻网格元素和至少一个待被激活的网格元素属于不同的打印层。
优选地，在步骤d)中，选择边界，使得相邻网格元素包括位于待被激活的网格元素下方的至少一个网格元素。
优选地，在步骤e)中，根据待避免的缺陷，将元素温度确定为平均温度、最低温度、最高温度、中间温度。
优选地，在步骤e)中，基于第一传导热来确定元素温度，在毗连的相邻网格元素之间由于经过时间而传递该第一传导热。
优选地，在步骤e)中，基于第二传导热来确定元素温度，该第二传导热由于待被激活的网格元素的激活而被引入到由相邻网格元素表示的材料中。
优选地，在步骤e)中，基于对流热来确定元素温度，该对流热由于对流而从由相邻网格元素表示的材料中移除。
优选地，在步骤e)中，基于辐射热来确定元素温度，该辐射热由于热辐射而从由相邻网格元素表示的材料中移除。
优选地，在步骤e)中，基于潜热来确定元素温度，该潜热由于相邻网格元素所表示的材料的相变而被引入到该材料中或者从该材料中移除。
优选地，在步骤f)中，如果元素温度超过预定的温度阈值，则增加每个待被激活的网格元素的激活时间并且更新事件序列数据中的对应条目，否则保持每个待被激活的网格元素的激活时间不变。
优选地，在步骤f)中，如果元素温度低于预定的温度阈值，则减少每个待被激活的网格元素的激活时间并且更新事件序列数据中的对应条目，否则保持每个待被被激活网格元素的激活时间不变。
优选地，在步骤h)中，将事件序列数据转换，使得根据事件序列数据的激活时间通过调整打印速度来实现。
优选地，在步骤h)中，增加打印速度，以减少激活时间。
优选地，在步骤h)中，降低打印速度，以增加激活时间。
优选地，在步骤h)中，将事件序列数据转换，使得根据事件序列数据的激活时间通过控制冲击物体的加压空气流来实现。
优选地，在步骤h)中，将事件序列数据转换，使得根据事件序列数据的激活时间通过将下述机器命令引入到输出机器控制数据中来实现：使增材制造机器中断打印预定的时间量，同时优选地使热端部移动而与物体脱离接触。
本发明涉及一种包括指令的计算机程序，该指令在该程序由计算机执行时使计算机执行优选方法的一个、一些或所有步骤。
本发明涉及一种数据载体或数据载体信号，该数据载体或数据载体信号包括计算机程序。
本发明涉及一种数据处理设备，该数据处理设备包括用于实施优选方法的装置。
本发明提供了一种用于通过将挤压的材料层叠来增材制造物体的方法，该方法包括：
a)执行优选方法，以便获得输出机器控制数据；
b)通过以由输出机器控制数据控制的方式将挤出的材料层叠来打印物体。
本发明提供了一种增材制造设备，该增材制造设备包括用于实施优选方法的装置。
本文中提出的构思涉及3D打印领域。该构思与高性能热塑性塑料加工技术比如材料挤出技术、熔融沉积成型(FDM)、熔融层成型(FLM)、熔丝制造(FFF)、熔融复合制造(FCM)以及粉末床熔融技术特别相关。
如现有技术中所示，热因素也与其他3D打印工艺、比如选择性激光烧结(SLS)、直接能量沉积(DED)和选择性激光熔化(SLM)有关。
相关技术的共同点是利用热逐层构建部件。热历史场通常决定部件的机械特性及其性能、以及打印结果的稳固性和质量。在设置不当的情况下打印件的一些典型缺陷包括：热点、卷曲拐角、分层、斑点、打印材料的退化、烧焦的表面和微小缺陷。
已知的解决方案包括生成热模拟、分析热行为以及使用多次迭代实验和模拟试验对几何形状、关键工艺参数或取向进行调整。
然而，目前的解决方案仅限于使用2D堆叠层，限制了真正三维打印的全部潜力。换句话说，当前的方案没有考虑打印取向不在平面内的情况。
与现有技术相比，本文中提出的构思能够应用于完整的3D能力，如由图1中的弯曲的层所示例的。还可以在单次模拟迭代期间确定打印工艺现场所需的关键工艺参数。
通过本文中尝试公开的措施，可以避免用于定义3D打印工艺的关键工艺参数的错误实验。关键工艺参数在工艺模拟期间能够原位变化，并且能够基本上实时地修改原始机器代码，从而允许减少设计和调整时间。此外，可以确保产生的机器代码避免热缺陷。还可以改善后续打印材料之间的层间粘合。总的来说，本发明允许在不损害可靠性的情况下减少部件的质量控制所需的努力。另外，可以减少所需的后处理量。
预处理器逐行读取原始机器代码，并且从打印作业中提取关键数据。基于运动的位置、打印速度和挤压的材料的量，每对数据线被转换成事件序列。使用事件系列的外部尺寸边界、打印过程的层高和线宽，围绕事件系列生成并构建体素网格。然后，通过将事件序列与网格对齐，计算元素中的每个元素的激活时间和取向，并且将激活时间和取向保存到数据文件中。
在热模拟中，如果模拟中的时间步进与元素激活时间(t_act)相对应，则读取数据文件并激活元素。对于每个时间步进，执行下述步骤：
识别“待”激活的元素的坐标。基于这些坐标，在边界框内定义搜索位置。边界框的大小、位置和几何形状可以适应实验的目的。时间步进也可以适应该实验。
在该示例中，边界框被定义为每个激活的元素正下方的元素。根据边界框中识别的元素的数目，计算并存储元素温度(或其他条件)。事件序列中的条目基于指定的条件被调整，在该示例中，该指定的条件是用步进时间(dtime)来增加元素的激活时间(t_act)。
每次条件为真时，相应的层、时间和时间增量被写入外部数据文件。然后，模拟的输出进入后处理器，该后处理器相应地调整原始机器代码，并且由此生成新的机器代码，该新的机器代码可以在不违反打印期间的阈值温度的情况下用于打印部件。
该方法将被描述为集中在3D打印工艺中热点的检测和避免的示例。然而，应当注意的是，该方法也适用于其他标准，比如，调整工艺参数，以用于改善的层间性能、增强的(和受控的)材料结晶度、降低的热变形以及其他性能相关的结果。一般而言，该构思可能被视为下述方法，该方法被实施到热工艺模拟工具中，以改变打印过程的关键工艺参数，从而稍稍调整部件的最终热行为，并且因此允许对部件的质量、机械性能、尺寸稳定性和/或过程稳定性进行控制。
附图说明
参照下面列出的随附示意性附图对本发明的实施方式进行更详细的描述。
图1部分地描绘了增材制造机器；
图2描绘了用于生成激活时间的步骤；
图3描绘了用于确定网格元素的热特性的步骤；以及
图4描述了用更新的机器控制数据进行打印的示例。
具体实施方式
参照图1，部分地描绘了增材制造机器10的实施方式。以已知的方式，增材制造机器10包括能够相对于构建板14移动的热端部12，以打印物体16。原料20、例如细丝被给送到热端部12中，并且随后被挤出以形成熔合在一起的层状线条22。另外，可以打印支承结构24，以支承物体16的另外不能被打印的部分。
通过机器控制数据对增材制造机器10进行控制，通常通过对物体的CAD模型进行切片来获得所述机器控制数据。切片尤其决定了增材制造机器10沉积挤出的原料20的位置、速度、挤出的材料的量，以及热端部12和构建板14的温度。
然而，到目前为止，切片还没有考虑热因素。换句话说，例如，如果物体16具有渐缩部分，则可能会产生某些缺陷、例如热点。在这种情况下，在打印渐缩部分期间产生的热会阻止挤出的原料材料充分冷却，使得沉积的下一层产生变形。其他后果可能是卷曲拐角、分层、斑点、打印材料的退化、烧焦的表面以及微小的缺陷，这些也可能是由于太大量的热进入物体16而引起的。
参照图2上部，输入机器控制数据被馈送到提取事件序列数据26的预处理器中。输入机器控制数据被组织在表示为Ni、Ni+1、Ni+2……的数据线中。数据线包括控制热端部12和/或构建板14的位置、打印速度和/或挤出的材料的量的机器命令。
事件序列数据26包括多个事件28，所述多个事件28被定义为两个连续数据线之间的过渡。
如图2中间所示，基于事件序列数据26的外部维度边界生成包括多个网格元素32的网格数据30。在示例中，网格数据30可以是网状网格数据，并且网格元素32可以是网状元素。事件序列数据26的其他参数、比如打印过程的层高和/或线宽也可以用于生成网格数据30。
通过将事件序列数据26与网格数据30对齐来确定用于每个网格元素32的激活时间t_act。激活时间t_act指示增材制造机器10打印物体16的由网格元素32表示的部分的时间点。
如图2下部所示，也可以基于打印方向确定网格元素32沿着三个主要方向x、y、z的分量的取向例如α、β的方向余弦。由此，可以考虑打印过程的正交各向异性，并且可以为每个网格元素32分配各向异性的材料特性。
在上述预处理步骤之后，经预处理的输出数据、即经预处理的事件序列数据26优选地包括索引值或计数值、网格元素数目、取向角度α、β、γ、激活时间t_act、网格元素32的xyz坐标和/或新的层标志。新的层标志指示新的打印层从该网格元素32开始，并且网格元素32的所有后续条目被认为是同一层的一部分，直到设置另一个新的层标志为止。
图3举例说明了在热模拟中对预处理的事件序列数据26的进一步处理。
在初始步骤S10中，基于先前确定的激活时间t_act来确定接下来将要被激活的那些网格元素32、即待被激活的网格元素34。还示出了已经激活的网格元素36。
换句话说，在该步骤中，确定在预定的时间间隔内接下来打印物体16的由待被激活的网格元素34表示的部分。时间间隔为从当前步进时间到当前步进时间加上预定的时间增量的范围。选择这些值，使得其适合于所使用的增材制造机器10。
在搜索步骤S12中，确定至少一个相邻网格元素38。在预定边界40内选择相邻网格元素38。在此，作为示例，边界由邻近待被激活的网格元素34下方的激活的网格元素36给出。应当注意的是，可以选择其他边界形状、例如所有相邻的网格元素。
在热模拟步骤S14中，确定相邻网格元素38的元素温度T_el。在确定元素温度T_el时，考虑影响元素温度T_el的不同的热贡献。
考虑了在毗连的相邻网格元素之间因经过时间而发生传递的第一传导热。这将是通常的平均值。
此外，可以考虑第二传导热q_cond(图1)。由于待被激活的网格元素34的激活，第二传导热q_cond被引入到由相邻网格元素38表示的材料中。换句话说，第二传导热q_cond考虑了由于沉积在现有层上的新挤出的材料而导致的温度增加。
同样，可以使用对流热q_conv(图1)。对流热q_conv由于对流从由相邻网格元素38表示的材料中移除。通常，对流热q_conv表示打印环境和进入环境的热流。对流热q_conv可以特别地例如基于主动冷却或温度受控的构建空间。
此外，辐射热q_rad(图1)可以用于确定元素温度T_el。辐射热q_rad由于热辐射从由相邻网格元素表示的材料中移除。辐射热q_rad也可以基于相邻网格元素的取向来确定，从而给出辐射的面积的更好的估计。
最后，潜热q_cryst(图1)可以用于确定元素温度T_el。潜热q_cryst由于相邻网格元素38所表示的材料的(一阶)相变被引入到该材料中或者从该材料中移除。例如，如果打印材料是至少部分地结晶的，则可以考虑微晶形成时释放的潜热或溶解时吸收的潜热。
在修改步骤S16中，将先前确定的元素温度T_el与预定的温度阈值进行比较。基于待避免的缺陷来选择温度阈值。在此，作为示例，选择温度阈值，以便避免过热，并且由此允许保持打印的物体16的几何尺寸。
如果确定元素温度T_el超过温度阈值，则增加待被激活的网格元素34的激活时间t_act、优选地增加预定的时间增量。
重复该过程，直到不再有待被激活的网格元素34。换句话说，重复该过程，直到整个物体16被热模拟一次且仅一次。
事件序列数据26在该过程期间不断更新、特别地在超过温度阈值的情况下以修改的激活时间t_act更新。
在最后的步骤中，更新的事件序列数据26被转换成包括机器命令的输出机器控制数据。
实现增加的激活时间t_act的一个选择是实施等待信号，在该选择中，热端部12移动远离物体16并且等待由激活时间t_act确定的一定量的时间。
另一种选择是降低打印速度，以确保热端部12将在原始时间(即会导致过热的时间)加上等待时间(即为避免所述过热而增加的时间)的时刻到达目标位置。
图4示出了热模拟的结果如何转化为输出机器控制数据。
图4a)示出了在其他规则层中的热点42。
图4b)示出了物体16的刚刚打印的部分，其包括下一层中的激活的网格元素36。
图4c)示出了五秒的等待时间之后的情况。热点42已经消散。
图4d)示出了完成下一层之后的情况。该层的网格元素32现在都是激活的网格元素36。
每次调用实用程序且条件为真时，相应的层、时间和时间增量被写入外部数据文件。
模拟中实施的等待信号允许材料冷却。
申请人用现成的Ultimaker S5作为验证平台进行了实验，在该实验中，边界条件被校准，忽略了过程中的未知参数。通过打印壁并且使用红外摄像机记录温度历史来进行验证，以确定最有效的选择(即最高冷却速率)。为此，以与模拟等待信号的打印单个壁相同的总打印时间连续打印两个壁。
结果表明，降低打印速度更有效，并且可能可以通过风扇直接对部件进行持续冷却来解释。考虑到没有行进运动和行进停止的打印过程，会产生更美观和更精确的结果，因此降低打印速度是更有利的选择。
为了改进增材制造、特别地关于热因素，提出了一种用于生成改进的机器控制数据的方法。最初，由输入机器控制数据生成事件序列(26)，其与也由输入机器控制数据生成的网状网格数据(30)链接。因此，确定激活时间(t_act)，该激活时间指示增材制造机器(10)打印物体(16)的由网格元素(32)表示的部分的时间点。对网格元素(32)运行完整的3D热模拟。每当元素温度(T_el)超过预定阈值时，激活时间(t_act)就增加预定的时间增量，并且更新事件序列(26)。最后，事件序列(26)被转换回输出机器控制数据。
附图标记列表
10 增材制造机器
12 热端部
14 构建板
16 物体
20 原料
22 层状线条
24 支承结构
26 事件序列数据
28 事件
30 网格数据
32 网格元素
34 待被激活的网格元素
36 激活的网格元素
38 相邻网格元素
40 边界
42 热点

Claims (15)

1.一种用于生成输出机器控制数据的计算机实现的方法，所述输出机器控制数据适于使增材制造机器(10)通过将挤出的材料层叠来打印物体(16)，所述方法包括：
a)由输入机器控制数据生成事件序列数据(26)，其中，所述输入机器控制数据适于使所述增材制造机器(10)通过将所述挤出的材料层叠来打印所述物体(16)；
b)生成包括多个网格元素(32)的网格数据(30)，并且将所述网格数据(30)与所述事件序列数据(26)链接，以便确定用于每个网格元素(32)的激活时间(t_act)，其中，所述激活时间(t_act)指示所述增材制造机器(10)打印所述物体(16)的由所述网格元素(32)表示的部分的时间点；
c)将在下一个时间步进间隔中将要被激活的网格元素(32)确定为待被激活的网格元素(34)；
d)在预定边界(40)内确定所述待被激活的网格元素(34)的相邻网格元素(38)；
e)确定所述相邻网格元素(38)的元素温度(T_el)；
f)如果所述元素温度超过或低于预定的温度阈值，则增加或减少每个待被激活的网格元素(34)的所述激活时间(t_act)并且更新所述事件序列数据(26)中的对应条目，否则保持每个待被激活的网格元素(34)的所述激活时间(t_act)不变；
g)重复步骤c)至f)，直到步骤c)不再有待被激活的网格元素(34)以获得更新的事件序列数据(26)；
h)将更新的事件序列数据(26)转换成所述输出机器控制数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中，所述输入机器控制数据包括对运动的目标位置、打印速度和/或挤出的材料的量的指示，并且基于这些指示中的一个、一些或全部指示生成所述事件序列数据(26)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤a)中，所述输入机器控制数据包括指示运动的目标位置、打印速度和/或挤出的材料的量的机器命令的序列，其中，所述事件序列数据(26)从成对的后续机器命令中生成。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤b)中，对于每个网格元素(32)，生成取向数据并且将所述取向数据与该网格元素(32)相关联，其中，所述取向数据指示该网格元素(32)基于打印方向沿着三个主要方向的取向。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，总打印时间被分成多个时间步进间隔，并且优选地，在步骤c)中，所述时间步进间隔的范围为从步进时间到所述步进时间加上预定的时间增量。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，选择所述边界(40)，使得至少一个相邻网格元素(38)和至少一个待被激活的网格元素(34)属于不同的打印层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤d)中，选择所述边界(40)，使得所述相邻网格元素(38)包括位于待被激活的网格元素(34)下方的至少一个网格元素(32)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤e)中，基于下述任一项来确定所述元素温度：
a)由于经过时间而在毗连的相邻网格元素(38)之间进行传递的第一传导热；和/或
b)由于所述待被激活的网格元素(34)的激活而被引入到由所述相邻网格元素(38)表示的材料中的第二传导热(q_cond)；和/或
c)由于对流而被引入到由所述相邻网格元素(38)表示的材料中或者从所述材料中移除的对流热(q_conv)；和/或
d)由于热辐射而从由所述相邻网格元素(38)表示的材料中移除的辐射热(q_rad)；和/或
e)由于所述相邻网格元素(38)所表示的材料的相变而被引入到所述材料中或者从所述材料中移除的潜热(q_cryst)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤h)中，将所述事件序列数据(26)转换，使得根据所述事件序列数据(26)的所述激活时间(t_act)通过调整所述打印速度并且/或者通过控制冲击所述物体(16)的加压空气流来实现。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤h)中，将所述事件序列数据(26)转换，使得根据所述事件序列数据(26)的所述激活时间(t_act)通过将下述机器命令引入到所述输出机器控制数据中来实现：使所述增材制造机器(10)中断打印预定的时间量，同时优选地使热端部(12)移动而与所述物体(16)脱离接触。
11.一种包括指令的计算机程序，所述指令在所述程序由计算机执行时使所述计算机执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法的一个、一些或所有步骤。
12.一种数据载体或数据载体信号，所述数据载体或数据载体信号包括权利要求11所述的计算机程序。
13.一种数据处理设备，所述数据处理设备包括用于实施前述权利要求中的任一项所述的方法的装置。
14.一种用于通过将挤压的材料层叠来增材制造物体的方法，所述方法包括：
a)执行根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，以便获得输出机器控制数据；
b)通过以由所述输出机器控制数据控制的方式将挤出的材料层叠来打印物体。
15.一种增材制造设备(10)，所述增材制造设备(10)包括用于执行权利要求14所述的方法的装置。
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