EP3417386A1 - Verfahren, computerlesbarer datenträger, computerprogramm und simulator zum ermitteln von spannungen und formabweichungen in einer additiv hergestellten baustruktur - Google Patents

Verfahren, computerlesbarer datenträger, computerprogramm und simulator zum ermitteln von spannungen und formabweichungen in einer additiv hergestellten baustruktur

Info

Publication number
EP3417386A1
EP3417386A1 EP16720388.4A EP16720388A EP3417386A1 EP 3417386 A1 EP3417386 A1 EP 3417386A1 EP 16720388 A EP16720388 A EP 16720388A EP 3417386 A1 EP3417386 A1 EP 3417386A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
processor
building structure
produced
stresses
superposition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP16720388.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Reznik
Darya KASTSIAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3417386A1 publication Critical patent/EP3417386A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/10—Formation of a green body
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/80—Data acquisition or data processing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/40—Structures for supporting workpieces or articles during manufacture and removed afterwards
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/60—Planarisation devices; Compression devices
    • B22F12/67—Blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2203/00—Controlling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/10—Additive manufacturing, e.g. 3D printing
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for determining production-related shape deviations and stresses in a construction structure produced using an additive manufacturing method. This is to be produced by melting of building material in successive layers.
  • a processor uses data describing the geometry of the building structure to create a mesh of finite elements. The processor arranges the finite elements in such a way that they are each completely in superpositions, the superpositions each consisting of several layers of the building structure to be produced. For each super layer, the cooling behavior is determined by the processor. From the cooling behavior, the processor calculates the stresses and form deviations in the building structure resulting from thermal shrinkage using a finite element method (abbreviated to FEM below).
  • FEM finite element method
  • the method is suitable for calculating building structures produced by additive manufacturing processes that are obtained layer by layer by melting or sintering (generally solidifying).
  • a building structure can be produced for example in a powder bed or by direct application of powder material to the building structure under construction.
  • the building structure comprises both the desired component and possibly auxiliary structures necessary for the production, such as support structures which engage the component and are removed after production.
  • the building structure may consist of several components which are manufactured in parallel on a building platform.
  • data describing the component CAD model
  • the data is converted into data of the component adapted to the production process for the production of instructions for the production plant, so that the suitable process steps for the successive production of the component can take place in the production plant.
  • the data are processed in such a way that the geometric data are available for the respective layers (slices) of the component to be produced, which is also referred to as slicing.
  • additive manufacturing examples include selective laser sintering (also known as SLS for selective laser sintering), selective laser melting (also SLM for Slective Laser
  • Electrone Beam Melting which are called laser powder deposition welding (also called LMD for Laser Metal Deposition). These methods are particularly suitable for the processing of metallic materials in the form of powders, with which
  • Construction components can be produced.
  • the components are produced in layers in a powder bed. These processes are therefore also referred to as powder bed-based additive manufacturing processes.
  • a layer of the powder is produced in the powder bed, which is then locally melted or sintered by the energy source (laser or electron beam) in those areas in which the component is to be formed.
  • the energy source laser or electron beam
  • the powder particles are fed directly to the surface on which a material application is to take place.
  • the powder particles are melted by a laser directly in the point of impact on the surface and thereby form a layer of the component to be produced.
  • SLS is also characterized in that the powder particles are not completely melted in these processes. With the SLS, care is taken when selecting the sintering temperature that this is below the melting temperature of the powder particles. In contrast, the SLM, EBM and LMD amount of the energy input deliberately so high that the powder particles are completely melted.
  • the aforementioned additive manufacturing processes are primarily intended for the processing of metals and metal alloys. This is carried out by fusion metallography, which means that a relatively small volume is melted by an energy beam, while the rest of the building structure under construction remains cold compared. After melting, a rapid cooling takes place, wherein the material solidifies again. Due to the associated thermal shrinkage strong local strain of the solidified material takes place, this process occurs repeatedly throughout the building structure. This creates stress and strain distributions in the building structure, which are difficult to predict due to their complexity. However, the stress and strain distribution in a manufactured building structure can disturb the dimensional stability and mechanical strength of the building structure so much that it must be discarded as broke. Possibly, several iterative modifications, in particular of a geometry describing the structure of the structure, and a repeated execution of the additive process are necessary in order to counteract a distortion of the building structure.
  • the invention further relates to the use of the above-described method for generating corrected data describing the geometry of the building structure, the data being corrected such that any strains that occur are compensated by a geometry deviating from the desired geometry of the building structure in the data describing the geometry.
  • the invention relates to a use of the method explained above to produce a building structure with the corrected data additively.
  • the invention relates to a computer-readable data carrier, a computer program and a simulator for determining production-related form deviations and stresses in the building structure to be produced additively, the computer program, which may also be stored on the computer-readable data carrier, performing the above-mentioned method.
  • the simulator for example, a computer, a processor may be programmed so that the above-mentioned method can be performed.
  • the object of the invention is to improve a method of the type specified at the beginning in such a way that it is connected with the least possible amount of computation during execution of the method, whereby the method can be used to calculate a calculation result for the stresses and shape deviations occurring in the building structure, which corresponds as closely as possible to the stresses and form deviations actually occurring during the implementation of the additive manufacturing process. It is another object of the invention to make this method accessible by uses in a method for generating corrected data describing the geometry of the building structure or a method for the additive production of the building structure with the above-mentioned properties. Finally, it is an object of the invention to provide a computer-readable data carrier, a computer program or a simulator for determining the production-related shape deviations and stresses in the building structure, in which said method is implemented.
  • the solution of the problem with the method specified at the outset succeeds in that the processor determines stresses and deviations in the structural structure caused by solidification by taking into account the superpositions in the order in which they are produced. This means that the
  • the processor determines from the cooling behavior of the respective superposition (ie, the superposition currently being produced in the simulation, which is always referred to below as the superposition in question), has an average temperature ⁇ of the superposition in question.
  • the processor calculates the thermal shrinkage in the relevant superposition by the processor takes into account an effective shrinkage factor a ⁇ or ⁇ , ⁇ for solidified building material. From this, the processor calculates a relative thermal shrinkage ⁇ or ⁇ , ⁇ in the respective superposition taking into account the
  • the processor calculates the resulting stresses and shape deviations in the relevant superposition, by the processor taking into account the stresses and shape deviations of already produced superpositions. These have an effect on the stresses and deviations in shape of the layer in question, since, due to the mechanical coupling, a transfer of stresses and resulting form deviations between the superpositions has to be taken into account in order to ensure a realistic simulation.
  • the production process must be taken into account in such a way that already produced super layers influence the super layer in question and the super layer in question influences future superpositions to be produced in the future. In this way, the consideration of the superpositions succeeds in the order of their creation. In other words, the real manufacturing process is simulated by the simulation and the computational effort is reduced by the fact that instead of the real layers of production, the much thicker super layers are based on the FEM calculations.
  • the first superstructure of the building structure is calculated, it must also be taken into account that it is located on a building platform.
  • the construction platform is to be considered as a boundary condition and behaves essentially like a previously created super layer.
  • a correction of the data describing the geometry of the building structure can be carried out so that a shape deviation in the building structure in the opposite direction to the calculated shape deviations is provided. Since the quantitative effects of a modification of the geometry of the building structure is not completely predictable, a further accounting run can then be carried out by means of the method in order to be able to assess the effect of the measure.
  • the cooling behavior of the respective superposition by the Processor can be determined as follows.
  • the processor takes into account for the cooling only already manufactured parts of the building structure under construction.
  • the energy input into the building structure that is being created is averaged over the time frame of the production of the superlayer in question and evenly distributed over the surface area of the superlayer. This means that a uniform energy input over the entire surface of the superposition is assumed, which is equivalent to the actual energy input.
  • a heat loss for the super layer in question during the period of production of this superposition is determined by the processor. Heat losses occur due to heat conduction within the building structure under construction, heat radiation from the building structure into the powder bed and the process chamber and by convection of the process gas.
  • the mean temperature i of the respective superposition is determined.
  • the processor when calculating the resulting voltages and shape deviations, to base a time-dependent continuous temperature profile Ti (t) in the relevant position, which runs from the melting temperature ⁇ ⁇ to the mean temperature i.
  • Ti time-dependent continuous temperature profile
  • This model advantageously simplifies the consideration of the time behavior of the temperature with sufficient approximation to the real conditions and therefore also simplifies the calculation with the consequence of reduced computing times.
  • a different cooling behavior for example exponentially
  • the shrinkage factor a ⁇ is determined by producing a sample from the building material used and measuring the sample produced and making it accessible to the processor.
  • This configuration of the method makes it possible to determine the shrinkage factor taking into account the real conditions (choice of the material of the building structure, conditions of the additive manufacturing plant, process parameters).
  • This shrinkage factor is then assumed for the entire building structure.
  • this shrinkage factor a ⁇ can also be calculated by mathematically determining the behavior of the sample to be produced. For this purpose, known FEM methods can be used.
  • the experimental determination of the shrinkage factor a ⁇ has the advantage that the real conditions can be taken into account without knowing exactly their interplay.
  • the calculation of a sample by means of FEM method has the advantage that this is compared to the building structure small volume is set, so that the computational effort can be kept within limits.
  • the processor or a processor corresponding to this processor has the shrinkage factor a ⁇ (as already mentioned above) or the shrinkage factor ⁇ , depending on the position in question, by calculating stresses and changes in shape in one calculated using the additive manufacturing process representative volume element (hereafter called RVE) with a FEM.
  • RVE additive manufacturing process representative volume element
  • a FEM additive manufacturing process representative volume element
  • the calculation of the shrinkage factor may be performed by the processor or a processor corresponding to that processor.
  • a processor in the context of this application, a computing unit is to be understood, which is suitable for carrying out the method. This has an electronic circuit, which may be structurally housed in one or more processor cores.
  • a computing unit is meant, which can perform calculations independently of the former processor, but can correspond to it for the purpose of exchanging data.
  • the method may be performed on one or more processors. If a "said processor” is referred to in the context of this application, this refers to one of these processors, the functional sequence of the method being ensured by corresponding multiple processors Corresponding processors are used, these are not mentioned individually, but all are referred to as corresponding processors.In this respect, the former processor in conjunction with other processors is a corresponding processor.
  • the processor or the processor corresponding to this processor composes the RVE from a multiplicity of irradiation tracks which are superimposed in several layers, the course of the irradiation tracks corresponding to is defined in accordance with an intended for the additive manufacturing process irradiation pattern.
  • the plurality of irradiation tracks produce a modeling of the actual planned exposure regime of the additive manufacturing process.
  • the RVE behaves essentially as a volume corresponding to the RVE of the real component, in which case a distinction between the individual superpositions can be made.
  • the effective shrinkage factor ⁇ , ⁇ can then be used for the entire superposition for calculating the stresses and strains.
  • the additive manufacturing process consists of a SLM or an EBM
  • the material is actually melted and thereby solidified.
  • the traces of irradiation consist of the traces of welding, the material solidifying again after melting.
  • the material is solidified by the laser beam by sintering, without resulting in a complete melting of the powder particles of the building material.
  • the procedure is comparable.
  • the irradiation coils in the respective layer can run in a straight line and parallel to one another. This is a frequently used exposure regime, and thus a realistic assumption in most cases.
  • the course of the irradiation coils are rotated from position to position at a certain angle. Again, this is a common irradiation strategy, in which there is a certain balance of stresses and strains in the component inside and thus in the RVE.
  • the processor or the processor corresponding to this processor calculates all the irradiation traces under the boundary conditions, that these are applied in a straight line to already solidified building material of an adjacent irradiation track.
  • the processor or the processor corresponding to this processor calculates all the irradiation traces under the boundary conditions, that these are applied in a straight line to already solidified building material of an adjacent irradiation track.
  • the irradiation traces lying on the edge of the RVE also have to be such that they behave like irradiation traces lying inside the component, in that adjacent irradiation traces are applied outside the RVE.
  • the influence of adjacent irradiation tracks not belonging to the RVE therefore advantageously represents a more realistic approach.
  • a further advantageous embodiment of the method is obtained if the processor or the processor corresponding to this processor at least one of the effective shrinkage factors a 1: ⁇ determined such that its determination is based on a solidification of the building material on a substrate with a stiffness C ⁇ .
  • the method for taking into account the building board is analogous to the method of taking into account the super-layer lying under the superposition in question, except that the boundary conditions are dictated by the material and the temperature of the building board.
  • the building board can be considered in particular in terms of their heat capacity in the subsequent calculations of the super layers, whereby also applied in this case the valid for the already produced super layers calculation methods analog can be.
  • this behavior can be computationally determined by the processor or the processor corresponding to this processor using the RVE with a height corresponding to the strength of the relevant superposition.
  • the processor generates a finite element describing the respective superposition, which has the connection to a base having a stiffness Ci_i, i the super layer lying under the respective superposition (or in the case of the first super layer with the rigidity of the build platform C ⁇ ). From this, the said processor calculates a relative tension of the building structure (or building platform) lying under the respective superposition, taking into account the
  • said processor determines the effective shrinkage factor ⁇ , ⁇ , in that said processor generates a homogeneously solidified volume element (hereafter HVE) of the same material and the same dimensions as the relevant RVE.
  • HVE homogeneously solidified volume element
  • said processor adapts a thermal shrinkage factor of the PDB that the previously calculated for the RVE stresses and deformations present in an interface between the PDB and the building structure lying under the relevant Super location and this shrinkage factor equal ⁇ , ⁇ puts.
  • the last-mentioned calculation step advantageously achieves that the calculation can be simplified by adopting the PDB.
  • the effective shrinkage factor ⁇ , ⁇ applies homogeneously, with the aid of which the stresses and strains can advantageously be determined with further reduced computational effort.
  • the super layers must be as thick as possible. In order to ensure the greatest possible accuracy of the calculation result, the super layers must be as thin as possible.
  • the power of the energy beam flows directly into the energy input Q.
  • the part of the power which is reflected by the building material must not be taken into account, which comes through the difference between 1 and the reflectivity of the building material for discharge.
  • the energy input is also reduced by the radiation breaks, in which no power of the energy beam is introduced into the building structure. This can be expressed by the quotient of a writing time, during which the power of the energy beam is introduced, in relation to the total processing time (including the writing pauses).
  • the processor or a processor corresponding to this processor calculates an additional thermal shrinkage of the building structure, due to a cooling down to a uniform temperature level, with a FEM.
  • the said processor takes into account the building structure with the determined solidified resulting stresses and shape deviations as a whole, ie after completion of their production.
  • the building structure is subjected to a temperature profile which is set for this building structure when the cooling behavior of the last super layer of the building structure was determined.
  • there is still residual heat in the finished building structure which leads to a further shrinkage of the building structure as a whole when the building structure cools to a lower temperature level.
  • the additional stresses and deviations in the form of the lowering of the temperature to the said temperature level are calculated by means of FEM and with the resulting stresses and shape deviations ascertained as a result of the production superimposed.
  • the result is advantageously an analysis directed to the subsequent use of the component.
  • the uniform temperature level can be at room temperature or a normal operating temperature for the operation of the building structure.
  • the processor or a processor corresponding to this processor subdivides at least one of the superpositions into volume segments, the volume segments together resulting in the volume of the superpositions.
  • said processor calculates the cooling behavior for each of the volume segments individually.
  • the volume segments in the respective superposition can also be provided either with a constant size or can be provided as needed in areas of the superposition in question in which a homogeneous behavior exists, for example in the peripheral regions of the superlage, a relatively large-volume segment, while in areas close to the edge In the superlayer, where the influence of cooling due to heat radiation from the building structure plays a greater role, volume segments with a smaller volume are provided.
  • the volume segments may have the same dimensions as the RVE.
  • the superposition can also be divided exclusively from volume segments in the size of the RVE, where can occur in the peripheral layer of the building structure due to the outer contour and volume segments with a different geometry.
  • the said processor calculates the thermal shrinkage in the respective superposition, by this processor individually determining an effective shrinkage factor ⁇ , ⁇ for solidified building material for each of the volume segments. For each of the volume segments, said processor individually calculates a relative thermal
  • the resulting stresses and shape deviations in each volume segment of the superpositions in question are then calculated by the processor by taking into account the stresses and shape deviations of already produced superpositions.
  • the volume segments are treated in the same way as the entire super layer, so the individual treatment of super layers and volume segments of a super layer can be selected as needed.
  • the object specified at the outset is also achieved by the use of the above-described method for generating corrected data describing the geometry of a building structure, wherein the building structure can be produced with an additive manufacturing method by solidification, in particular melting, of building material in successive layers.
  • the determined production-related shape deviations and voltages are taken into account by the processor or a processor corresponding to this processor when generating the corrected data describing the structure of the structure.
  • the result is thus a data set for the production of the building structure, which improves the performance of the additive manufacturing process. serten building structure and thus advantageously improves their quality.
  • the object stated at the outset also solves the use of the above-described method in a method for the additive production of a building structure, in which the building structure is produced by solidifying building material in successive layers, using the above-mentioned corrected data describing the building structure ,
  • the object is also achieved by a computer-readable medium having stored thereon a computer program which executes the method described above when it is executed in one processor or a plurality of corresponding processors.
  • This computer program which is processed in a processor and thereby executes the method described above, solves the problem as well.
  • the computer program or the computer-readable data carrier, on which this computer program is stored, represent here forms of expression of the invention, since the features of the method described above are implemented in the course of the program.
  • the object stated at the outset also solves a simulator for determining production-related shape deviations and stresses in a building structure produced by an additive manufacturing method, which is produced by solidifying building material in successive layers, this simulator having a processor which is programmed to execute the above Method, so that the features essential to the invention are performed by the simulator. Further details of the invention are described below with reference to the drawing. The same or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals and are only explained in detail insofar as There are differences between the individual figures. Show it
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention, implemented by a plurality of corresponding processors, which can run in a laser melting system.
  • FIG. 1 shows a turbine blade IIa as a building structure 11 to be produced, which has two support structures 11c parallel to a blade root IIb for the purpose of simplified manufacture.
  • the actual component consists of the turbine blade IIa with the blade root IIb, while the support structures 11c belong to the building structure 11, but are removed after manufacture.
  • the building structure 11 is composed as a CAD model of finite elements FE.
  • This description of the component is suitable for design purposes, but not for manufacturing the building structure 11, for example in a laser melting process (or other additive manufacturing process).
  • the building structure 11 in a manufacturing step V in a conventional manner must be divided by slicing, ie that the geometric description of the building structure contains layers 12, which correspond exactly to the produced during laser melting layers of the building structure.
  • this description of the component is too fine for the purposes of applying the method according to the invention, so that the computational effort too would lead to uneconomical computing times.
  • the building structure 11 is subdivided in a step W into superpositions 13 which have a greater thickness than the layers 12 to be produced.
  • the super layers may each contain exactly one specific number of layers, for example between 10 and 20 layers 12.
  • a coordinate system indicated in FIG. 1 is taken as a basis, the stacking sequence of the layers 12 or of the superpositions 13 taking place in the z-direction.
  • the layers are spatially aligned in the x-y plane respectively.
  • the super layers 13 are indicated in step W according to FIG. Their greater thickness compared to the layers 12 in step V can also be seen in FIG.
  • the superpositions 13 can in turn be subdivided into finite elements, preferably subdividing into representative volume elements RVE (shown in method step C).
  • the actual calculation procedure is performed by a program with four program modules A, B, C and D (optionally in step D additionally Dl and D.2).
  • This program sequence is shown in FIG. 1 on the one hand on the basis of the model formation for the building structure 11 and in FIG. 2 on the basis of program steps.
  • the four program modules allow a simplified view of the processes occurring in laser melts with sufficient accuracy and can be carried out independently of each other with suitable transfer of data, in which case the physical structure, ie the thermal and the mechanical problem of the considered the descriptive structure Continuum and the scaling of the consideration, ie a macro scale for the already established building structure and a mesoscale for the consideration of the processes in the molten bath or the newly melted track can be distinguished.
  • the thermal macro scale is calculated.
  • the already produced building structure 11 is considered as a whole, for which purpose the model with the superpositions 13 is used. From this model, the geometric data of the respective superposition L (z) can be used as input data.
  • R average reflectivity of the material at the selected laser wavelength
  • T L aser and T work can be calculated taking into account the process of laser melting.
  • T work can be calculated taking into account the process of laser melting.
  • time periods for applying the powder during which the laser remains switched off are also considers the time periods for applying the powder during which the laser remains switched off.
  • a representative layer 12 of the superstrate 13 can be considered. It is also possible to form the ratio of viewing all the layers 12 in the superstrate 13.
  • the calculation is performed on a comparatively small number of setup states of the building structure. At most as many setup states should be considered as are superpositions 13 in the building structure. For uniform building structures with a simple geometry, it is also possible to combine several superpositions, if the thermal behavior of the building structure in the relevant component area changes little. As a result, computational effort is saved.
  • the result of each calculation is a time-averaged temperature distribution in the relevant setup states. From this it is possible to determine a reference temperature ⁇ , which is an averaged temperature of the superstrate 13, against which a molten bath of the laser melting has to cool. For this purpose, the reference temperature i is transferred to the program module B. Thus, the reference temperature i of the macroscale temperature simulation determined in the program module A functions as a thermal boundary condition for the cooling from the melt pool. For the
  • Melting bath a corresponding calculation can be carried out, this calculation, for example, as in Keller et al. described can be performed.
  • different reference temperatures Ti for different superpositions 13 of the building structure are determined in program module A. calculates, so that the melt pool calculation in program step B for different reference temperatures ⁇ must be performed.
  • the calculation of the temperature distribution in the mesoscale, ie at the level of the molten bath takes place in program module B (see FIG. 2) and serves to determine the temperature distribution in the molten bath.
  • a small section of the workpiece is considered, in which a thin layer of powder lies on an already consolidated metal layer.
  • I 0 power density ß: Lambert-Beer attenuation factor of the radiation in the material
  • phase field variable "state” is introduced, which depends on x and y (coordinates of the position being produced), z (depth of the melt bath) and t (temporal behavior), which corresponds in each considered area of the powder bed the historical maximum of the temperature T max (optionally also the enthalpy) If this historical maximum lies above the
  • Phase field variable State (x, y, z, t) results as a result in a temperature distribution in the immediate vicinity of an irradiation track 14 as shown in Figure 1. This is referred to below as analytical fit function Ti oc (t).
  • Ti oc (t) is transferred to the program module C (see FIG. 2).
  • program module C a mesoscale-oriented structural mechanical simulation is carried out.
  • the analytical fit function Ti oc (t) is adapted to the temperature distribution for a representative irradiation track 14, as assumed in program module B.
  • a representative volume element, RVE for short is formed, which consists of a matrix of individual strips, as shown in FIG.
  • Each strip in the RVE represents an irradiation track for which the temperature behavior Ti oc (t) holds. At the beginning of the simulation, all strips are in the powdery state.
  • the fit function Ti oc (t) can be described as a temperature pulse that runs on the surface of the powder bed, for example in the x direction, and trailing a cooling irradiation track 14 behind it.
  • the equation (f) taking into account the equations (g), (h) gives as a solution, the self-adjusting stress distribution after the material solidifies when the temperature pulse of the considered subregion away.
  • the explained calculation according to equations (f), (g), (h) can be repeated for the matrix of strips of the RVE in an analogous manner, so to speak the individual strips successively with the same, temporally shifted fit function for the temperature are applied.
  • the resulting stress distribution in the RVE is calculated. This is a partial result of the mechanical
  • a transfer of the mesoscale calculation to the building structure has to succeed.
  • a mechanical macroscale calculation is carried out in the program module C, for which purpose a physically based model for the stress-strain distribution in the body produced by the laser melting, represented by the structure, must be formulated.
  • the known stress distribution ⁇ ( ⁇ , y, z), resulting from the Mesoscale calculation RVE on a rigid base 16 (see Figure 1) not suitable.
  • an effective shrinkage factor a ⁇ (c) is calculated, which is dependent on the rigidity of the pad 16.
  • a material with homogeneous layer properties is set with the volume of the RVE, which is referred to below as homogeneous volume element (abbreviated to HVE).
  • HVE homogeneous volume element
  • a calculation is carried out in which, instead of a matrix of individual vectors in the case of the RVE, the entire volume of the HVE cools from the melting temperature ⁇ ⁇ to the reference temperature ⁇ .
  • the equation (f) is calculated globally for the whole HVE taking into account the equations (g), (h) and taking into account the rigidity C of the support 16.
  • a value is used as the variation variable as an effective thermal shrinkage factor a ⁇ and the calculation is carried out therewith. If the value for a ⁇ is correctly selected, the mean tension of the base 16 or of the HVE at the boundary surface to the base is the same as the tension between the base and the RVE in the mesoscale calculation. In order to achieve this, several recursion loops with different o (i may be necessary If the correct effective shrinkage factor a ⁇ is found, this is forwarded to the program module D, which is shown in FIG.
  • the program module D is used for the mechanical calculation of the building structure at the macroscale level, whereby a physically based model for the stress-strain distribution can be applied here.
  • the macroscale model uses superpositions 13, which may have a thickness of 0.5 to 1 mm, which corresponds to a homogenization of 10 to 20 layers 12 each of a superposition.
  • the macroscale calculation assumes that the building structure to be examined in the z-direction, ie the construction direction, can be divided into a corresponding number of superpositions 13, as can be deduced from the step W according to FIG. When considering the individual super layers 13 of the already constructed part 17 of the building structure 11 is taken into account.
  • the superpositions are all in a state of melt at the beginning of the simulation.
  • a fictitious temperature is lowered from the lowest temperature to the highest in each super layer successively from the melting temperature to the reference temperature ti determined in the program module A, assuming a continuous function (for example, linear or exponential) for the temperature profile.
  • the thermal strain used in equation (h) is replaced by a ⁇ , since the thermal problem has already been solved in the mesoscale calculation and is assumed to be given in the context of the macroscale calculation.
  • a stiffness estimation can be made with the program module D1 (compare FIG. 4) as follows. The method is based on the assumption that the relevant stiffness of a structure with respect to the forces resulting from the thermal shrinkage of the overlying superposition is determined by the relationship between force and output. elongation, the force acting in the direction of the center of gravity of the layer. For each superposition the position of the center of gravity is determined. If the superlayer is made up of several islands isolated from each other, each of these islands is assigned its own center of gravity.
  • each point of the interface with the current superposition is loaded with a small test force F (eg 1 N) in the direction of the center of gravity S of the current superposition (see FIG.
  • F eg 1 N
  • the elastic equations (f) and (g) are solved, whereby an effective stiffness Ci can be determined for each superlayer by forming the ratio between test force F and average displacement.
  • This rigidity of the layer can be used to determine the effective thermal expansion ⁇ 1 or ⁇ 1, in the program module D, by means of the equations (f), (g), (h).
  • a locally differentiated consideration of the shrinkage behavior can be carried out in the calculation of the effective shrinkage factor.
  • the superposition 13 currently being considered is subdivided into volume segments 15 (see also L (z) from step W in step D.2 in FIG. 1).
  • These can have a uniform volume, in particular the volume of the RVE and HVE, at least in inner regions of the superposition, but can also have different sizes depending on the temperature distribution which occurs in the x-y plane.
  • the entire interior area can be defined as a volume segment and the complete edge area, which cools down more rapidly due to the heat radiation, than a second volume segment.
  • volume segments are denoted by Vi, i. As is indicated in FIG. 5, different effective shrinkage factors are therefore available for the different volume elements Vi, i. ren ⁇ , ⁇ , which can be considered individually in the calculation module D (compare Figure 3).
  • the calculated strains ⁇ or ⁇ , ⁇ from the program module D can be used in a program module E in order to determine the geometry 18 of the actually produced building structure, which, as indicated by dashed lines, does not correspond to the original geometry the building structure 11 corresponds.
  • the geometry 19 of the building structure 11 to be produced can be adapted such that the shape deviations of a subsequent calculation step D + 1 lead as far as possible to the desired geometry of the building structure (which is illustrated in step U). This can be checked by a subsequent iteration step of the simulation.
  • FIG. 6 shows a system 31 for laser melting, which has a process chamber 32 with a process window 33 for a laser beam 34.
  • This laser beam 34 is generated by a laser 35, whereby the building structure 11 can be produced in a powder bed 36.
  • the powder bed 36 is filled via a powder reservoir 37, for which purpose a doctor 38 is used. So that the laser beam 34 in the powder bed 36 can write the building structure 11, a deflection mirror 39 is also provided.
  • the processes described are controlled by a machine control, which can process data records which were generated in method step V according to FIG.
  • the machine control has a processor 40.
  • a further processor 41 is provided for producing the production data (slicen), ie for producing a model of the building structure 11 with layers 12.
  • This processor 41 can receive the data required for this purpose from a processor 42 with which CAD data of the building structure can be generated.
  • these CAD data may be processed by a processor 43 using the program modes described above. are implemented.
  • a calculation result for the strains ⁇ 1 , ⁇ that occur can be transmitted from the processor 43 to the processor 42, so that a modification of the geometry can be carried out as illustrated in FIG. 1 under step E.
  • the modified component can then be calculated by the processor 41, in order subsequently to carry out a division into super layers 13 by means of the processor 43 and, secondly, a production in the laser melting system 31 by the machine control 40.
  • processors 40, 41, 42, 43 The configuration of processors 40, 41, 42, 43 is shown here by way of example only. Functionalities can also be distributed to more than the processors shown in FIG. 6 or combined in fewer processors.
  • the processor 43 primarily has the task of carrying out the simulation method according to the invention, but in this case it can be supported by corresponding processors, wherein according to FIG. 6 these are the processors 41 and 42. In this sense, the processor 43 is also to be understood as a corresponding processor.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von herstellungsbedingten Formabweichungen (εl,i) und Spannungen in einer mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellten Baustruktur (11), die durch Verfestigen von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen (12) erzeugt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung dieses Verfahrens zur Erzeugung korrigierter Herstellungsdaten (19) sowie deren Anwendung in einer additiven Herstellungsanlage. Die Erfindung ist außerdem auf einen computerlesbaren Datenträger bzw. ein Computerprogramm zur Durchführung dieses Verfahrens gerichtet sowie auf einen Simulator, in dem ein solches Computerprogramm ablaufen kann. Bei dem Verfahren werden Superlagen (13) verwendet, um den Rechenaufwand bei der Simulation zu verringern. Um ein Simulationsergebnis genügender Genauigkeit bei vertretbarem Rechenaufwand zu gewährleisten, ist außerdem erfindungsgemäß vorgesehen, dass effektive Schrumpfungsfaktoren (αi oder αl,i) für das verfestigte Baumaterial ermittelt werden, um in jeder Superlage (13) die effektive thermische Schrumpfung (εl oder εl,i) zu berechnen.

Description

Beschreibung
VERFAHREN, COMPUTERLESBARER DATENTRÄGER, COMPUTERPROGRAMM UND SIMULATOR ZUM ERMITTELN VON SPANNUNGEN UND FORMABWEICHUNGEN IN EINER ADDITIV HERGESTELLTEN BAUSTRUKTUR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von herstellungsbedingten Formabweichungen und Spannungen in einer mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellten Bau- struktur. Diese soll durch Aufschmelzen von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen erzeugt werden. Hierbei verwendet ein Prozessor die Geometrie der Baustruktur beschreibende Daten, um ein Netz finiter Elemente zu erzeugen. Der Prozessor ordnet die finiten Elemente so an, dass diese jeweils voll- ständig in Superlagen liegen, wobei die Superlagen jeweils aus mehreren herzustellenden Lagen der Baustruktur bestehen. Für jede Superlage wird durch den Prozessor das Abkühlungs- verhalten bestimmt. Aus dem Abkühlungsverhalten berechnet der Prozessor die aus einer thermischen Schrumpfung resultieren- den Spannungen und Formabweichungen in der Baustruktur durch eine Finite-Elemente-Methode (im Folgenden mit FEM abgekürzt) .
Das Verfahren ist zum Berechnen von Baustrukturen geeignet, welche durch additive Fertigungsverfahren hergestellt werden, die lagenweise durch Aufschmelzen oder Sintern (allgemein Verfestigen) gewonnen werden. In diesem Zusammenhang sind beispielsweise das Laserschmelzen, das Lasersintern, das Elektronenstrahlschmelzen und das Laserauftragsschweißen zu nennen. Mit diesen Verfahren kann eine Baustruktur beispielsweise in einem Pulverbett oder durch direkten Auftrag von Pulvermaterial auf die in Herstellung befindliche Baustruktur erzeugt werden. Die Baustruktur umfasst dabei sowohl das gewünschte Bauteil als auch evtl. zur Herstellung notwendige Hilfsstrukturen wie beispielsweise Stützstrukturen, die an dem Bauteil angreifen und nach der Herstellung entfernt werden. Auch kann die Baustruktur aus mehreren Bauteilen bestehen, die parallel auf einer Bauplattform hergestellt werden. Um das Bauteil herstellen zu können, werden das Bauteil beschreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive Fertigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden zur Erstellung von Anweisungen für die Fertigungsanlage in an das Ferti- gungsverfahren angepasste Daten des Bauteils umgewandelt, damit in der Fertigungsanlage die geeigneten Prozessschritte zur sukzessiven Herstellung des Bauteils ablaufen können. Die Daten werden dafür so aufbereitet, dass die geometrischen Daten für die jeweils herzustellenden Lagen (Slices) des Bau- teils zur Verfügung stehen, was auch als Slicen bezeichnet wird .
Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering) , das Selektive Laserschmelzen (auch SLM für Slective Laser
Melting) , das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für
Electrone Beam Melting) , das Laserpulverauftragsschweißen (auch LMD für Laser Metal Deposition) genannt werden. Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von me- tallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen
Konstruktionsbauteile hergestellt werden können.
Beim SLM, SLS und EBM werden die Bauteile lagenweise in einem Pulverbett hergestellt. Diese Verfahren werden daher auch als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren bezeichnet. Es wird jeweils eine Lage des Pulvers in dem Pulverbett erzeugt, die durch die Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) anschließend in denjenigen Bereichen lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird, in denen das Bauteil entste- hen soll. So wird das Bauteil sukzessive lagenweise erzeugt und kann nach Fertigstellung dem Pulverbett entnommen werden.
Beim LMD werden die Pulverteilchen direkt der Oberfläche zugeführt, auf der ein Materialauftrag erfolgen soll. Beim LMD werden die Pulverpartikel durch einen Laser direkt in der Auftreffstelle auf der Oberfläche aufgeschmolzen und bilden dabei eine Lage des zu erzeugenden Bauteils. SLS ist überdies dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverteilchen bei diesen Verfahren nicht vollständig aufgeschmolzen werden. Beim SLS wird bei Wahl der Sintertemperatur darauf geachtet, dass diese unterhalb der Schmelztemperatur der Pul- verpartikel liegt. Demgegenüber liegt beim SLM, EBM und LMD der Energieeintrag betragsmäßig bewusst so hoch, dass die Pulverpartikel vollständig aufgeschmolzen werden.
Die genannten additiven Fertigungsverfahren sind vorrangig zur Verarbeitung von Metallen und Metalllegierungen vorgesehen. Hierbei wird schmelzmetalogisch gearbeitet, was bedeutet, dass ein verhältnismäßig kleines Volumen durch einen Energiestrahl aufgeschmolzen wird, während der Rest der in Entstehung befindlichen Baustruktur verglichen hierzu kalt bleibt. Nach dem Aufschmelzen findet eine rasche Abkühlung statt, wobei das Material wieder verfestigt. Durch den hiermit verbundenen thermischen Schrumpf findet eine starke lokale Verspannung des erstarrten Materials statt, wobei dieser Vorgang wiederholt in der ganzen Baustruktur auftritt. Hier- bei entstehen Spannungs- und Dehnungsverteilungen in der Baustruktur, die aufgrund ihrer Komplexität schwer vorhersagbar sind. Die Spannungs- und Dehnungsverteilung in einer hergestellten Baustruktur kann jedoch die Maßhaltigkeit und mechanische Belastbarkeit der Baustruktur so stark stören, dass diese als Ausschuss verworfen werden muss. Eventuell sind mehrere iterative Modifikationen insbesondere einer die Baustruktur beschreibenden Geometrie und eine wiederholte Durchführung des Additiven Verfahrens notwendig, um einem Verzug der Baustruktur entgegenzuwirken.
Insofern besteht der Wunsch, das Bauteilverhalten während des additiven Herstellungsprozesses zu simulieren, um Spannungen und Dehnungen in der Baustruktur vorhersagen zu können und bereits in der Generierung der die Baustruktur beschreibenden Datensätze zu berücksichtigen. Wie sich B. Schoinochoritis et al . , „Simulation of metallic powder bed additive manufactur- ing processes with the finite element method: A critical re- view" , Proc IMichE part B, J. Engineering Manufacture 1-22, 2015 entnehmen last, hat es hierzu bereits verschiedene
Ansätze gegeben. Diesen ist jedoch gemein, dass das Hauptproblem darin besteht, das eine FEM eine so große Datenmenge zu verarbeiten hätte, dass die erforderlichen Rechenzeiten unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht vertretbar wären. Daher müssen bei den FEM-Berechnungen vereinfachende Annahmen gemacht werden, die jedoch die Genauigkeit der berechneten Ergebnisse verschlechtern. Einen Ansatz entsprechend des Verfahrens der eingangs angegebenen Art schlagen N. Keller et al . in „New method for fast predictions of residual stress and distortion of AM parts", Solid Freefrom Fabrication, 2014, S. 1229-1237 vor. Um die Rechenzeiten zu verkürzen, besteht die Idee darin, dass an- stelle der einzelnen herzustellenden Lagen der Baustruktur mehrere Lagen jeweils zu Superlagen zusammengefasst werden, in denen sich das Baumaterial ähnlich verhält. Damit sind weniger Verfahrensschritte durchzurechnen, wobei hierdurch die Komplexität der Simulation verringert wird. Um die auftreten- den Spannungen in der Superlage zu berechnen, wird ein in der Superlage vorliegender Dehnungskoeffizient angenommen, der das Verhalten eines bestimmten Werkstoffs widerspiegelt. Die mit der Vereinfachung der Simulation einhergehende Vergrößerung der Rechenfehler wird im Interesse der verkürzten Re- chenzeiten in Kauf genommen.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des oben erläuterten Verfahrens zur Erzeugung von die Geometrie der Baustruktur beschreibenden korrigierten Daten, wobei die Daten dahingehend korrigiert werden, dass auftretende Dehnungen durch eine von der gewünschten Geometrie der Baustruktur abweichende Geometrie in den die Geometrie beschreibenden Daten kompensiert wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung des oben erläuterten Verfahrens, um eine Baustruktur mit den korrigierten Daten additiv herzustellen. Zuletzt betrifft die Erfindung einen computerlesbaren Datenträger, ein Computerprogramm und einen Simulator zum Ermitteln von herstellungsbedingten Formabweichungen und Spannungen in der additiv herzustellenden Baustruktur, wobei das Computerprogramm, welches auch auf dem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein kann, das oben genannte Verfahren ausführt. Im Simulator, beispielsweise einem Rechner, kann ein Prozessor so programmiert sein, dass das oben angegebene Verfahren ausgeführt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass mit einem möglichst geringem Rechenaufwand während der Durchführung des Verfahrens verbunden ist, wobei mit dem Verfahren ein Berechnungsergebnis für die in der Baustruktur auftretenden Spannungen und Formabweichungen berechnen werden kann, welches den real auftretenden Spannungen und Formabweichungen bei der Durchführung des additiven Fertigungsverfahrens möglichst weitgehend entspricht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, dieses Verfahren durch Verwendungen in einem Verfahren zum Erzeugen von die Geometrie der Baustruktur beschreibenden korrigierten Daten bzw. einem Verfahren zur additiven Herstellung der Baustruktur mit den oben gennannten Eigenschaften zugänglich zu machen. Zuletzt ist es Aufgabe der Erfindung, einen computerlesbaren Datenträger, ein Computerprogramm oder einen Simulator zum Ermitteln der herstellungsbedingten Formabweichungen und Spannungen in der Baustruktur anzugeben, in denen das genannte Verfahren implementiert ist.
Die Lösung der Aufgabe mit dem eingangs angegebenen Verfahren gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass der Prozessor verfestigungsbedingte Spannungen und Formabweichungen in der Baustruktur durch Berücksichtigung der Superlagen in der Reihen- folge ihrer Herstellung ermittelt. Dies bedeutet, dass die
Spannungen und Formabweichungen jeweils bereits hergestellter Superlagen bei der in Herstellung befindlichen Superlage berücksichtigt werden können. Der Prozessor bestimmt dabei aus dem Abkühlungsverhalten der betreffenden Superlage (d. h. der gerade in der Simulation in Herstellung befindlichen Superlage, die im Folgenden immer als die betreffende Superlage bezeichnet ist) eine mittlere Temperatur ΤΊ der betreffenden Superlage. Außerdem berechnet der Prozessor die thermische Schrumpfung in der betreffenden Superlage, indem der Prozessor einen effektiven Schrumpfungsfaktor a± oder ι, ι für verfestigtes Baumaterial berücksichtigt. Hieraus berechnet der Prozessor eine relative thermische Schrumpfung ει oder ει, ± in der betreffenden Superlage unter Berücksichtigung der
Schmelztemperatur ΤΞ des Baumaterials und ohne Berücksichtigung anderer Superlagen unter Anwendung einer der folgenden Formeln (je nachdem a± oder ι, ι zur Verfügung stehen) . ει = o(i (TB - Ti ) oder ει, ± = if i (TB - Ti )
Zuletzt berechnet der Prozessor erfindungsgemäß die resultierenden Spannungen und Formabweichungen in der betreffenden Superlage, indem der Prozessor die Spannungen und Formabwei- chungen bereits hergestellter Superlagen berücksichtigt. Diese beeinflussen nämlich die Spannungen und Formabweichungen der betreffenden Lage, da aufgrund der mechanischen Kopplung eine Übertragung von Spannungen und daraus resultierenden Formabweichungen zwischen den Superlagen berücksichtigt wer- den muss, um eine realitätsnahe Simulation zu gewährleisten. Erfindungsgemäß ist hierbei der Fertigungsablauf dahingehend zu berücksichtigen, dass bereits hergestellte Superlagen die betreffende Superlage beeinflussen und die betreffende Superlage zukünftig herzustellende Superlagen beeinflusst. Auf diesem Wege gelingt die Berücksichtigung der Superlagen in der Reihenfolge ihrer Entstehung. Mit anderen Worten wird die reale Fertigungsablauf durch die Simulation nachgebildet und der Rechenaufwand dadurch verringert, dass statt der realen Lagen der Fertigung die sehr viel dickeren Superlagen den FEM-Berechnungen zu Grunde gelegt werden.
Aus dem Ergebnis des beschriebenen Verfahrens kann vorteilhaft abgeleitet werden, wie sich das Bauteil voraussichtlich nach seiner Herstellung verformen wird. Liegen diese Verformungen und Spannungszustände außerhalb eines tolerierbaren Bereichs, so kann eine Modifikation der die Geometrie der Baustruktur beschreibenden Daten vorgenommen werden und die Berechnung nach dem beschriebenen Verfahren erneut durchgeführt werden. Hierdurch entsteht ein iterativer Prozess zur Optimierung der Geometrie der herzustellenden Baustruktur dahingehend, dass Spannungen und Formabweichungen ausgeglichen werden. Vorteilhaft geschieht dies in vertretbarer Rechen- zeit, so dass im Vergleich zum additiven Herstellen der realen Baustruktur Materialaufwand und Fertigungszeit in der Maschine zum additiven Herstellen eingespart werden kann.
Wird die erste hergestellte Superlage der Baustruktur berech- net, so ist überdies zu berücksichtigen, dass diese sich auf einer Bauplattform befindet. Die Bauplattform ist als Randbedingung zu berücksichtigen und verhält sich im Wesentlichen wie eine zuvor hergestellte Superlage. Die Berechnungsroutinen, die für die Berechnung nachfolgender Superlagen unter Berücksichtigung bereits hergestellter Superlagen angewendet werden können, finden also auch auf die Bauplattform Anwendung. Eventuell ist hierbei ein von der Superlage abweichender Elastizitätsmodul zu berücksichtigen, der sich in einer anderen Steifigkeit der Bauplattform auswirkt.
Nachdem als Ergebnis der Durchführung des Verfahrens die Formabweichungen der Baustruktur bekannt sind, kann eine Korrektur der die Geometrie der Baustruktur beschreibenden Daten so erfolgen, dass eine Formabweichung in der Baustruktur in entgegengesetzter Richtung zu den berechneten Formabweichungen vorgesehen wird. Da die quantitativen Effekte einer Modifikation der Geometrie der Baustruktur nicht vollständig vorhersagbar ist, kann anschließend mittels des Verfahrens ein weiterer Rechnungslauf durchgeführt werden, um den Effekt der Maßnahme beurteilen zu können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Abkühlungsverhalten der betreffenden Superlage durch den Prozessor wie folgt bestimmt werden. Der Prozessor berücksichtigt für die Abkühlung nur bereits hergestellte Teile der in Entstehung befindlichen Baustruktur. Der Energieeintrag in die in Entstehung befindliche Baustruktur wird über den Zeit- räum der Herstellung der betreffenden Superlage gemittelt und über den Flächeninhalt der Superlage gleichmäßig verteilt. Dies bedeutet, dass ein gleichmäßiger Energieeintrag über die gesamte Fläche der Superlage vorausgesetzt wird, die dem tatsächlichen Energieeintrag äquivalent ist. Weiterhin wird ein Wärmeverlust für die betreffende Superlage im Zeitraum der Herstellung dieser Superlage durch den Prozessor bestimmt. Wärmeverluste treten aufgrund von Wärmeleitung innerhalb der in Herstellung befindlichen Baustruktur, Wärmestrahlung aus der Baustruktur in das Pulverbett und die Prozesskammer und durch Konvektion des Prozessgases auf. Zuletzt wird unter Berücksichtigung von Energieeintrag und Wärmeverlust die mittlere Temperatur i der betreffenden Superlage bestimmt.
Die thermische Betrachtung der bereits hergestellten Bau- struktur als Ganzes vereinfacht vorteilhaft die thermische
Berechnung des Bauteils mittels FEM-Methode. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die thermischen Vorgänge in der Baustruktur (nach Erstarrung des Baumaterials) so träge ablaufen, dass eine Vereinfachung zu einem quasistatischen Verhalten hier keine großen Auswirkungen auf die Genauigkeit des Berechnungsergebnisses haben.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es daher vorteilhaft möglich, dass der Prozessor beim Berechnen der resultierenden Spannungen und Formabweichungen einen zeitabhängig kontinuierlichen Temperaturverlauf Ti(t) in der betreffenden Lage zugrundelegt, der von der Schmelztemperatur ΤΞ zur mittleren Temperatur i läuft. Die Temperaturdifferenz bedingt hierbei die Schrumpfung der Baustruktur und die da- raus resultierenden Spannungen und Formabweichungen. Dieses Modell vereinfacht vorteilhaft die Betrachtung des Zeitverhaltens der Temperatur bei ausreichender Näherung an die realen Gegebenheiten und vereinfacht daher auch die Berechnung mit der Konsequenz verringerter Rechenzeiten. Statt eines linearen Abkühlungsverhaltens kann selbstverständlich auch ein anderes Abkühlungsverhalten (beispielsweise exponentiell ) angenommen werden, wenn dies die realen Abkühlungsverhältnisse besser widerspiegelt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schrumpfungsfaktor a± durch Herstellen einer Probe aus dem verwendeten Baumaterial und Vermessen der her- gestellten Probe ermittelt und dem Prozessor zugänglich gemacht wird. Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, den Schrumpfungsfaktor unter Berücksichtigung der realen Gegebenheiten (Wahl des Materials der Baustruktur, Gegebenheiten der additiven Herstellungsanlage, Verfahrenspara- meter) zu bestimmen. Dieser Schrumpfungsfaktor wird dann für die gesamte Baustruktur angenommen. Alternativ kann dieser Schrumpfungsfaktor a± auch berechnet werden, indem hierfür das Verhalten der herzustellenden Probe rechnerisch ermittelt wird. Hierzu können bekannte FEM-Methoden eingesetzt werden.
Die experimentelle Bestimmung des Schrumpfungsfaktors a± hat den Vorteil, dass die realen Gegebenheiten berücksichtigt werden können, ohne deren Zusammenspiel genau zu kennen. Die Berechnung einer Probe mittels FEM-Methode hat den Vorteil, dass hierfür ein im Vergleich zur Baustruktur kleines Volumen angesetzt wird, so dass der Rechenaufwand in Grenzen gehalten werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorge- sehen, dass der Prozessor oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor den Schrumpfungsfaktor a± (wie oben bereits erwähnt) oder abhängig von der betreffenden Lage den Schrumpfungsfaktor ι,ι durch Berechnung von Spannungen und Formänderungen in einem mit dem additiven Fertigungsverfahren hergestellten repräsentativen Volumenelement (im Folgenden kurz RVE genannt) mit einer FEM berechnet. Bei der Berechnung des Schrumpfungsfaktors wird damit statt der Probe ein RVE angesetzt, welches eine bestimmte Geometrie aufweist. Das RVE kann dabei beispielsweise dieselbe Höhe aufweisen, wie die betreffende Superlage. Wird das RVE individuell für jede Su- perlage gesondert berechnet, so können vorteilhaft auch die Einflüsse bereits hergestellter Superlagen auf das Schrump- fungsverhalten mit berücksichtigt werden. Hierdurch wird vorteilhaft die Genauigkeit des Berechnungsergebnisses verbessert, wobei sich der damit verbundene Mehraufwand bei der Berechnung in vertretbaren Grenzen hält. Die Berechnung des Schrumpfungsfaktors kann durch den Prozessor oder einen mit diesem Prozessor korrespondierenden Prozessor durchgeführt werden. Als Prozessor im Zusammenhang dieser Anmeldung soll eine Recheneinheit verstanden werden, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Diese weist eine elektronische Schaltung auf, wobei diese baulich in einem oder mehreren Prozessorkernen untergebracht sein kann. Als korrespondierender Prozessor im Sinne dieser Anmeldung ist eine Recheneinheit gemeint, welche Berechnungen unabhängig von dem erstgenannten Prozessor ausführen kann, jedoch zwecks Austausch von Daten mit diesem korrespondieren kann.
Mit anderen Worten kann das Verfahren auf einem oder mehreren Prozessoren durchgeführt werden. Ist im Zusammenhang dieser Anmeldung von einem „besagten Prozessor" die Rede, so ist hiermit einer dieser Prozessoren gemeint, wobei der funktio- nelle Ablauf des Verfahrens durch ein Korrespondieren mehrerer Prozessoren gewährleistet ist. Im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch mehr als zwei korrespondierende Prozessoren zum Einsatz kommen, wobei diese nicht individuell erwähnt werden, sondern alle als korrespon- dierende Prozessoren bezeichnet werden. Insofern ist auch der erstgenannte Prozessor im Verbund mit anderen Prozessoren ein korrespondierender Prozessor.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge- sehen, dass der Prozessor oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor das RVE aus einer Vielzahl von Bestrahlungsspuren zusammensetzt, die in mehreren Lagen übereinanderlegen, wobei der Verlauf der Bestrahlungsspuren ent- sprechend eines für das additive Fertigungsverfahren geplanten Bestrahlungsmusters festgelegt ist. Mit anderen Worten stellt die Vielzahl von Bestrahlungsspuren eine Modellierung des tatsächlich geplanten Belichtungsregimes des additiven Fertigungsverfahrens her. Damit verhält sich das RVE im Wesentlichen so wie ein dem RVE entsprechendes Volumen des echten Bauteils, wobei hierbei eine Unterscheidung zwischen den einzelnen Superlagen getroffen werden kann. Der effektive Schrumpfungsfaktor ±,ι kann dann für die gesamte Superlage zur Berechnung der Spannungen und Dehnungen zugrundegelegt werden .
Besteht das additive Fertigungsverfahren aus einem SLM oder einem EBM, so wird das Material tatsächlich aufgeschmolzen und hierdurch verfestigt. In diesem Fall bestehen die Bestrahlungsspuren aus den Schweißspuren, wobei das Material nach dem Aufschmelzen wieder erstarrt. Im Falle von SLS wird das Material durch den Laserstrahl durch Sintern verfestigt, ohne dass es zu einem vollständigen Aufschmelzen der Pulver- partikel des Baumaterials kommt. Die Verfahrensführung ist jedoch vergleichbar. Vorteilhaft können die Bestrahlungsspulen in der jeweiligen Lage (die einen Teil der Superlage bildet) geradlinig und parallel zueinander verlaufen. Hierbei handelt es sich um ein häufig verwendetes Belichtungsregime und damit um eine in den meisten Fällen realitätsnahe Annahme. Weiterhin kann berücksichtigt werden, dass der Verlauf der Bestrahlungsspulen von Lage zu Lage in einem bestimmten Winkel gedreht werden. Auch hierbei handelt es sich um eine übliche Bestrahlungsstrategie, bei der es zu einem gewissen Ausgleich der Spannungen und Dehnungen im Bauteil inneren und damit auch im RVE kommt.
Gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Prozessor oder der mit diesem Prozessor kor- respondierende Prozessor alle Bestrahlungsspuren unter den Randbedingungen berechnet, dass diese geradlinig an bereits verfestigtes Baumaterial einer benachbarten Bestrahlungsspur angesetzt werden. Anders als die Herstellung einer realen würfelförmigen Probe kann bei dem RVE nämlich davon ausgegangen werden, dass dieses sich im Inneren der herzustellenden Baustruktur befindet. Hierbei gilt auch für die am Rand des RVE liegenden Bestrahlungsspuren, dass sich diese verhalten, wie im Bauteilinneren liegende Bestrahlungsspuren, indem benachbarte Bestrahlungsspuren außerhalb des RVE angesetzt werden. Der Einfluss benachbarter, nicht zum RVE gehöriger Bestrahlungsspuren stellt daher vorteilhaft einen realistischeren Ansatz dar.
Vorteilhaft ist es weiterhin, dass der Prozessor oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor eine Temperaturverteilung in den Bestrahlungsspuren durch eine finite
Elementemethode berechnet. Dies bedeutet, dass das Abküh- lungsverhalten insbesondere des Schmelzbades aber auch die der Erstarrung des Schmelzbades nachfolgende Abkühlung realitätsnahe modelliert werden kann. Dabei kann das Schmelzbad beispielsweise als sogenannte Goldak Wärmequelle modelliert werden, wobei dieses Verfahren bereits durch Keller et al . in der eingangs zitierten Quelle beschrieben wurde.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird erhalten, wenn der Prozessor oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor mindestens einen der effektiven Schrumpfungsfaktoren a1:± derart bestimmt, dass bei dessen Bestimmung eine Verfestigung des Baumaterials auf einer Unterlage mit einer Steifigkeit C± zugrundegelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Steifigkeit einer Bauplattform, auf der die Baustruktur aufgebaut wird, mitberücksichtigt werden kann. Das Verfahren zur Berücksichtigung der Bauplatte verläuft analog zum Verfahren der Berücksichtigung der unter der betreffenden Superlage liegenden Superlage, nur dass die Randbedingungen durch das Material und die Temperatur der Bauplatte vorgegeben werden. Vorteilhaft kann die Bauplatte insbesondere hinsichtlich ihrer Wärmekapazität auch bei den nachfolgenden Berechnungen der Superlagen Berücksichtigung finden, wobei auch hierbei die für die bereits hergestellten Superlagen geltenden Berechnungsmethoden analog angewendet werden können. Im weiteren Verlauf der Berechnungen wird dies erreicht, indem der Prozessor oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor für die betreffende Superlage ein für diese Lage geltenden effektiven Schrumpfungsfaktor ι, ι unter Berücksichtigung der Steifigkeit Ci_i , i der unter der betreffenden Superlage liegenden Superlagen (welche die bisher hergestellte Baustruktur bilden) bestimmt.
Die Steifigkeit der jeweils unter der betreffenden Superlage befindlichen Baustruktur spielt deswegen eine so bedeutende
Rolle, weil diese ein ungehindertes Schrumpfen der betreffenden Superlage verhindert . Vielmehr kommt es zu einer Verspannung zwischen der betreffenden Superlage und der darunterliegenden Superlage bzw. der Bauplattform oder Unterlage, so dass ein Teil der aufgrund des Schrumpfungsverhaltens erzeugten Formänderung unterbleibt und stattdessen eine Verspannung zwischen den benachbarten Superlagen aufgebaut wird.
Insbesondere kann dieses Verhalten rechnerisch dadurch be- stimmt werden, dass der Prozessor oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor das RVE mit einer Höhe entsprechend der Stärke der betreffenden Superlage verwendet. Dazu erzeugt der Prozessor ein die betreffende Superlage beschreibendes Netz finiter Elemente, welches die Anbindung an eine Unterlage mit einer Steifigkeit Ci_i , i der unter der betreffenden Superlage liegenden Superlage (oder im Falle der ersten Superlage mit der Steifigkeit der Bauplattform C±) aufweist. Daraus berechnet der besagte Prozessor eine relative Verspannung der unter der betreffenden Superlage liegenden Baustruktur (oder Bauplattform) unter Berücksichtigung der
Absenkung der Temperatur von der Schmelztemperatur ΤΞ auf die Temperatur der Lage Ti durch eine FEM. Für die betreffende Superlage ermittelt der besagte Prozessor anschließend den effektiven Schrumpfungsfaktor ι, ι , indem der besagte Prozes- sor ein homogen erstarrtes Volumenelement (im Folgenden HVE) gleichen Materials und gleicher Abmessungen wie das betreffende RVE generiert. Bei dem HVE handelt es sich damit um ein Ersatz -Volumenelement , welches keinen heterogenen Aufbau aus einzelnen Bestrahlungsspuren aufweist, sondern ein homogenes, idealisiertes Gefüge aus dem entsprechenden Material aufweist. Dieses wird dazu verwendet, dass der besagte Prozessor einen thermischen Schrumpfungsfaktor des HVE so anpasst, dass die für das RVE zuvor berechneten Spannungen und Formänderungen auch in einer Grenzfläche zwischen dem HVE und der unter der betreffenden Superlage liegenden Baustruktur vorliegen und diesen Schrumpfungsfaktor gleich ι,ι setzt. Durch den letztgenannten Berechnungsschritt wird vorteilhaft erreicht, dass über die Annahme des HVE die Berechnung vereinfacht werden kann. Innerhalb des HVE gilt homogen der effektive Schrumpfungsfaktor ι,ι, mit dessen Hilfe die Spannungen und Dehnungen vorteilhaft mit weiter verringertem Rechen- aufwand ermittelt werden können.
Um eine möglichst starke Verringerung des Rechenaufwands zu erreichen, müssen die Superlagen möglichst dick sein. Um eine möglichst große Genauigkeit des Rechenergebnisses zu gewähr- leisten, müssen die Superlagen möglichst dünn sein. Hierbei gilt es, einen Kompromiss zu finden, damit das Berechnungsergebnis in genügender Genauigkeit und gleichzeitig in vertretbarer Rechenzeit berechnet werden kann. Der Kompromiss wird vorteilhaft insbesondere dann erreicht, wenn die Superlagen jeweils aus mindestens 10 und höchstens 20 herzustellenden Lagen der Baustruktur bestehen.
Eine vorteilhaft gute Näherung für den Energieeintrag wird erhalten, wenn das Aufschmelzen von Baumaterial mit einem Energiestrahl erfolgt und der Prozessor oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor den Energieeintrag Q als Produkt
• der Leistung des Energiestrahls,
• der Differenz zwischen 1 und der Reflektivität des Bau- materials und
• dem Quotienten aus einer Schreibzeit, in der der Energiestrahl Baumaterial verfestigt und der gesamten Bearbeitungszeit der betreffenden Superlage berechnet. Hierbei sind alle wesentlichen Einflussgrößen für den Energietrag in vorteilhaft vergleichsweise einfacher Weise berücksichtigt, wobei es sich gezeigt hat, dass aufgrund des Zeitverhaltens der bereits hergestellten Baustruktur eine solche Näherung eine hinreichend genaue Beurteilung des Temperaturverhaltens der Baustruktur ermöglicht.
Die Leistung des Energiestrahls fließt selbstverständlich direkt in den Energieeintrag Q ein. Allerdings darf der Teil der Leistung, der von dem Baumaterial reflektiert wird, nicht berücksichtigt werden, was durch die Differenz zwischen 1 und der Reflektivität des Baumaterials zum Austrag kommt. Zuletzt wird der Energieeintrag auch durch die Bestrahlungspausen verringert, in der keine Leistung des Energiestrahls in die Baustruktur eingebracht wird. Dies lässt sich durch den Quotienten aus einer Schreibzeit, während der die Leistung des Energiestrahls eingebracht wird, im Verhältnis zur gesamten Bearbeitungszeit (inklusive der Schreibpausen) ausdrücken. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Prozessor oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor eine zusätzliche thermische Schrumpfung der Baustruktur, bedingt durch eine Abkühlung auf ein einheitliches Temperaturniveau, mit einer FEM berechnet. Da- bei berücksichtigt der besagte Prozessor die Baustruktur mit den ermittelten verfestigten resultierenden Spannungen und Formabweichungen als Ganzes, also nach Abschluss von deren Herstellung. Die Baustruktur wird dabei mit einem Temperaturprofil beaufschlagt, das sich für diese Baustruktur ein- stellt, wenn das Abkühlungsverhalten der letzten Superlage der Baustruktur bestimmt wurde. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich in der fertiggestellten Baustruktur noch Restwärme, die bei Abkühlung der Baustruktur auf ein tieferes Temperaturniveau zu einer weiteren Schrumpfung der Baustruktur als Ganzem führt. Die zusätzlichen Spannungen und Formabweichungen bei der Absenkung der Temperatur auf das besagte Temperaturniveau werden mittels FEM berechnet und mit den herstellungsbedingt ermittelten, resultierenden Spannungen und Formabweichungen überlagert. Das Ergebnis ist vorteilhaft eine auf die anschließende Verwendung des Bauteils gerichtete Analyse. Das einheitliche Temperaturniveau kann dabei bei Raumtemperatur oder einer für den Betrieb der Baustruktur gewöhnlichen Be- triebstemperatur liegen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Prozessor oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor mindestens eine der Superlagen in Volumensegmente unterteilt, wobei die Volumensegmente zusammen das Volumen der Superlagen ergeben. Für die betreffende Superlage berechnet der besagte Prozessor das Abkühlungs- verhalten für jedes der Volumensegmente individuell. Diese Verfeinerung des Verfahrens wird vorteilhaft bei vertretbarem Zuwachs an Rechenaufwand zu verfeinerten Ergebnissen der Simulationsberechnung in den Fällen führen, in denen das Abkühlungsverhalten in der betreffenden Superlage zu inhomogen ausfällt, um eine ausreichende Näherung der Simulationsberechnung zu bekommen. Die Verfeinerung des Verfahrens durch Unterteilung der betreffenden Superlage in Volumensegmente muss nicht für jede der Superlagen, aus denen die Baustruktur zusammengesetzt ist, durchgeführt werden. Um den Rechenaufwand möglichst gering zu halten, kann eine solche Berechnung nur für die kritischen Superlagen durchgeführt werden.
Auch können die Volumensegmente in der betreffenden Superlage entweder mit konstanter Größe vorgesehen werden oder bedarfsgerecht in Bereichen der betreffenden Superlage, in denen ein homogenes Verhalten vorliegt, beispielsweise in den randfer- nen Regionen der Superlage, ein verhältnismäßig großvolumiges Segment vorgesehen werden, während in randnahen Bereichen der Superlage, wo der Einfluss einer Abkühlung durch Wärmeab- strahlung aus der Baustruktur eine größere Rolle spielt, Volumensegmente mit einem kleineren Volumen vorgesehen werden. Beispielsweise können die Volumensegmente die gleichen Abmessungen wie die RVE aufweisen. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Superlage auch ausschließlich aus Volumensegmenten in der Größe der RVE aufgeteilt werden, wo- bei im Randschichtbereich der Baustruktur aufgrund der Außenkontur auch Volumensegmente mit einer abweichenden Geometrie auftreten können. In einem weiteren Schritt berechnet der besagte Prozessor die thermische Schrumpfung in der betreffenden Superlage, indem dieser Prozessor für jedes der Volumensegmente individuell einen effektiven Schrumpfungsfaktor ι,ι für verfestigtes Baumaterial bestimmt. Für jedes der Volumensegmente berechnet der besagte Prozessor individuell eine relative thermische
Schrumpfung ει,± in dem Volumensegment unter Berücksichtigung der Schmelztemperatur ΤΞ des Baumaterials und ohne Berücksichtigung anderer Superlagen und Volumensegmente zu ει,ι = o£ifi (TB - Ti) .
Die resultierenden Spannungen und Formabweichungen in jedem Volumensegment der betreffenden Superlagen berechnet der besagte Prozessor dann, indem die Spannungen und Formabweichun- gen bereits hergestellter Superlagen berücksichtigt werden. Die Volumensegmente werden insofern genauso behandelt, wie die gesamte Superlage, weswegen die individuelle Behandlung von Superlagen und Volumensegmenten einer Superlage nach Bedarf ausgesucht werden kann.
Die eingangs angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch die Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Erzeugen von die Geometrie einer Baustruktur beschreibenden korrigierten Daten gelöst, wobei die Baustruktur mit ei- nem additiven Herstellungsverfahren durch Verfestigen, insbesondere Aufschmelzen, von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen erzeugbar ist. Hierbei werden die ermittelten herstellungsbedingten Formenabweichungen und Spannungen durch den Prozessor oder einen mit diesem Prozessor korrespondierenden Prozessor beim Erzeugen der korrigierten, die Baustruktur beschreibenden Daten berücksichtigt. Das Ergebnis ist damit ein Datensatz zur Herstellung der Baustruktur, die bei der Durchführung des additiven Fertigungsverfahrens zu einer verbes- serten Baustruktur führt und damit vorteilhaft deren Qualität verbessert .
Erfindungsgemäß löst die eingangs angegebene Aufgabe auch ei- ne Verwendung des vorbeschriebenen Verfahrens in einem Verfahren zum additiven Herstellen einer Baustruktur, bei dem die Baustruktur durch Verfestigen von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen erzeugt wird, wobei die vorstehend aufgeführten korrigierten, die Baustruktur beschreibenden Daten zum Einsatz kommen.
Die Aufgabe wird auch durch einen computerlesbaren Datenträger gelöst, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches das vorstehend beschriebene Verfahren ausführt, wenn es in einem Prozessor oder mehreren korrespondierenden Prozessoren abgearbeitet wird. Dieses Computerprogramm, welches in einem Prozessor abgearbeitet wird und dabei das vorstehend beschriebene Verfahren ausführt, löst die Aufgabe ebenfalls. Das Computerprogramm bzw. der computerlesbare Datenträger, auf dem dieses Computerprogramm gespeichert ist, stellen hierbei Äußerungsformen der Erfindung dar, da die Merkmale des vorstehend beschriebenen Verfahrens beim Ablauf des Programms verwirklicht sind. Zuletzt löst die eingangs angegebene Aufgabe auch ein Simulator zum Ermitteln von herstellungsbedingten Formabweichungen und Spannungen in einer mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellten Baustruktur, die durch Verfestigen von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen erzeugt wird, wobei dieser Simulator einen Prozessor aufweist, welcher programmiert ist zur Ausführung des vorstehenden Verfahrens, so dass die erfindungswesentlichen Merkmale durch den Simulator ausgeführt werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit näher erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
Figur 1 den Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfin- dungsgemäßen Verfahrens anhand vereinfacht dargestellter Zwischenergebnisse des Berechnungsverfahrens, und
Figur 2 bis 5 ausgewählte Verfahrensschritte eines Ausfüh- rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als
Flussdiagramme und
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, implementiert durch mehrere korrespondie- rende Prozessoren, welches in einer Laserschmelzanlage ablaufen kann.
In Figur 1 ist als eine herzustellende Baustruktur 11 eine Turbinenschaufel IIa dargestellt, welches zwecks einer ver- einfachten Herstellung parallel zu einem Schaufelfuß IIb zwei Stützstrukturen 11c aufweist. Das eigentliche Bauteil besteht aus der Turbinenschaufel IIa mit dem Schaufelfuß IIb, während die Stützstrukturen 11c zwar zur Baustruktur 11 gehören, jedoch nach der Herstellung entfernt werden.
In dem in Figur 1 als U bezeichneten Fertigungsschritt ist die Baustruktur 11 als CAD-Modell aus finiten Elementen FE zusammengesetzt. Diese Beschreibung des Bauteils eignet sich zu Konstruktionszwecken, jedoch nicht für eine Fertigung der Baustruktur 11 beispielsweise in einem Laserschmelzverfahren (oder einem anderen additiven Fertigungsverfahren) . Zu diesem Zweck muss die Baustruktur 11 in einem Fertigungsschritt V in an sich bekannter Weise durch slicen zerlegt werden, d. h. dass die geometrische Beschreibung der Baustruktur Lagen 12 enthält, welche genau den beim Laserschmelzen herzustellenden Lagen der Baustruktur entsprechen. Diese Beschreibung des Bauteils ist jedoch für die Zwecke der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu fein, so dass der Rechenaufwand zu unwirtschaftlichen Rechenzeiten führen würde. Zum Zwecke der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass die Baustruktur 11 in einem Schritt W in Superlagen 13 unterteilt wird, welche eine größere Dicke als die herzu- stellenden Lagen 12 aufweisen. Vorzugsweise können die Superlagen jeweils genau eine bestimmte Lagenanzahl, beispielsweise zwischen 10 und 20 Lagen 12 enthalten.
Für die folgenden Betrachtungen wird ein in Figur 1 angedeu- tetes Koordinatensystem zugrundegelegt, wobei die Stapelfolge der Lagen 12 bzw. der Superlagen 13 in z -Richtung erfolgt. Damit sind die Lagen räumlich in der x-y-Ebene jeweils ausgerichtet. Die Superlagen 13 sind im Schritt W gemäß Figur 1 angedeutet. Ihre größere Dicke im Vergleich zu den Lagen 12 in Schritt V ist in Figur 1 ebenfalls erkennbar. Außerdem ist gezeigt, dass die Superlagen 13 wiederum in finite Elemente unterteilt werden können, wobei vorzugsweise eine Unterteilung in repräsentative Volumenelemente RVE erfolgt (in Verfahrensschritt C dargestellt) .
Das eigentliche Berechnungsverfahren wird durch ein Programm mit vier Programmmodulen A, B, C und D (optional in Schritt D zusätzlich D.l und D.2) durchgeführt. Dieser Programmablauf ist in Figur 1 einerseits anhand der Modellbildung für die Baustruktur 11 und in Figur 2 anhand von Programmschritten dargestellt. Die vier Programmmodule ermöglichen eine vereinfachte Betrachtung der bei Laserschmelzen auftretenden Vorgänge bei hinreichender Genauigkeit und können bei geeigneter Übergabe der Daten unabhängig voneinander durchgeführt wer- den, wobei hierbei nach der physikalischen Domäne, also dem zu lösenden thermischen und dem mechanischen Problem des betrachteten die Baustruktur beschreibenden Kontinuums und nach der Skaligkeit der Betrachtung, also einer Makroskala für die bereits hergestellte Baustruktur und einer Mesoskala für die Berücksichtigung der Vorgänge im Schmelzbad bzw. der frisch aufgeschmolzenen Spur unterschieden werden kann. Bei dem Programmmodul A wird die thermische Makroskala durchgerechnet. Hierbei wird jeweils die bereits hergestellte Baustruktur 11 als Ganzes betrachtet, wobei zu diesem Zweck das Modell mit den Superlagen 13 zugrundegelegt wird. Aus diesem Modell lassen sich die geometrischen Daten der jeweiligen Su- perlage L(z) als Eingangsdaten nutzen.
Die Rechnung der thermischen Mesoskala besteht aus einer quasistationären Lösung der Wärmeleitungsgleichung mit
p : Dichte des Material
cp: spezifische Wärmekapazität
K: Wärmeleitfähigkeit wie in Figur 2 dargestellt (a) . Hierbei wird von einer vollständig homogenisierten Heizleistung ausgegangen, die durch den oben bereits erläuterten Energieeintrag Q erfasst wird. Dabei geht man für die im Programmmodul A vorausgesetzten langen Zeiträume näherungsweise von der Annahme aus, dass der Energieeintrag Q im Mittel über die gesamte Fläche der in Herstellung befindlichen Superlage 13 verteilt wäre. Die Heizleistung berechnet sich dann gemäß der Beziehung
(b) Q = PLaser . (1-R) . (TLaser/Twork) mit
PLaser : Laserleistung
R: mittlere Reflektivität des Materials bei der gewählten Laserwellenlänge
TLaser : Laser-Schreibzeit
T„0rk : Gesamtzeit zur Bearbeitung
TLaser und Twork können unter Berücksichtigung des Verfahrensablaufs des Laserschmelzens berechnet werden. Hierbei werden auch die Zeitabschnitte zur Aufbringung des Pulvers berücksichtigt während der der Laser abgeschaltet bleibt. Zur Bestimmung des Verhältnisses kann eine repräsentative Lage 12 aus der Superlage 13 betrachtet werden. Es ist auch möglich, das Verhältnis aus der Betrachtung aller Lagen 12 in der Superlage 13 zu bilden.
Weiterhin werden die Wärmeverluste durch Wärmeleitung in der Baustruktur, Konvektion im Prozessgas und Wärmestrahlung be- rücksichtigt. Hierzu können übliche FEM-Berechnungsmodelle zur Anwendung kommen, die in der Fachwelt allgemein bekannt sind .
Die Berechnung wird an einer vergleichsweise geringen Anzahl von Aufbauzuständen der Baustruktur durchgeführt. Es sollen höchstens so viele Aufbauzustände betrachtet werden, wie Su- perlagen 13 in der Baustruktur vorgesehen sind. Bei gleichmäßigen Baustrukturen mit einer einfachen Geometrie können ggf. auch mehrere Superlagen zusammengefasst werden, wenn das thermische Verhalten der Baustruktur in den betreffenden Bauteilbereich sich wenig ändert. Hierdurch wird Rechenaufwand eingespart .
Als Ergebnis ergibt sich aus jeder Berechnung eine zeitlich gemittelte Temperaturverteilung in den betreffenden Aufbauzuständen. Hieraus lässt sich eine Referenztemperatur ΤΊ ermitteln, wobei es sich um eine gemittelte Temperatur der Superlage 13 handelt, gegen die sich ein Schmelzbad des Laserschmelzens abkühlen muss. Zu diesem Zweck wird die Referenz - temperatur i an das Programmmodul B übergeben. Damit fungiert die im Programmmodul A ermittelte Referenztemperatur i der Makroskalen-Temperatursimulation als thermische Randbedingung für die Abkühlung aus dem Schmelzbad. Für das
Schmelzbad kann eine entsprechende Berechnung durchgeführt werden, wobei diese Berechnung beispielsweise wie bei Keller et al . beschrieben durchgeführt werden kann. Gegebenenfalls werden im Programmmodul A unterschiedliche Referenztemperaturen Ti für unterschiedliche Superlagen 13 der Baustruktur be- rechnet, so dass auch die Schmelzbadberechnung im Programmschritt B für unterschiedliche Referenztemperaturen ΤΊ durchgeführt werden muss. Die Berechnung der Temperaturverteilung in der Mesoskala, also auf Ebene des Schmelzbads erfolgt im Programmmodul B (vergleiche Figur 2) und dient der Bestimmung der Temperaturverteilung im Schmelzbad. Dazu wird ein kleiner Ausschnitt des Werkstücks betrachtet, bei dem auf einer bereits konsolidier- ten Metallschicht eine dünne Schicht aus Pulver liegt. Im weiteren Verlauf der Verfestigung des Pulvers ist auch ein System zu berechnen, bei dem die obere Schicht aus teilweise schon konsolidiertem Metall und teilweise noch aus Pulver besteht, so dass eine Metallspur an eine Stufe konsolidierten Materials angeschmolzen wird. Die letztbeschriebene Konfiguration stellt den vorrangig vorliegenden Zustand beim Aufbau von neuen Lagen 12 dar. Zu deren Berechnung ist wieder die Wärmeleitungsgleichung (a) zu lösen, allerdings wird dieses Mal für die Heizleistung Q ein lokaler Energieeintrag Qi in das Pulverbett gewählt. Qi ergibt sich in einem vereinfachten Ansatz näherungsweise zu
(c) Qi = PLaser · (1- ) Es kann auch für einen genaueren Ansatz ein zeitlich und räumlich veränderliches Leistungsprofil des Lasers angenommen werden, wie z. B. ein Gaußsches Strahlprofil der Weite w mit einer Geschwindigkeit v in der x-Richtung und einer Lambert- Beer-Abschwächung im Material, d. h. z = 0.
mit
Q(r,t) : lokaler Energieeintrag
I0: Leistungsdichte ß: Lambert-Beerscher Abschwächungsfaktor der Strahlung im Material
x, y, z: siehe Koordinatensystem in Figur 1
Statt der Wärmeleitungsgleichung (a) kann in dem Programmmodul B in einer bevorzugten Ausführung auch eine äquivalente Differentialgleichung für die Enthalpie gelöst werden, die sich ergibt zu mit
Η: Entalpie des Materials Die Anwendung dieser Differentialgleichung ist vorteilhaft, wenn Schmelzvorgänge berechnet werden, da um den Schmelzpunkt die Temperatur bei kontinuierlicher Enthalpiezufuhr nahezu konstant bleibt. Gekoppelt mit der Lösung der Gleichung (a) oder (e) für Qi muss außerdem die Tatsache berücksichtigt werden, dass die physikalischen Eigenschaften von Pulver und konsolidierten Material sich stark ändern, da das Pulver eine irreversible Zustandsänderung erfährt. Mit anderen Worten findet bei einer Erhöhung der Pulvertemperatur über die
Schmelztemperatur hinaus eine Umwandlung von Pulver zur
Schmelze statt, während nach erfolgter Abkühlung das verfestigte Material die Eigenschaften eines Festkörpers aufweist. Zur Berücksichtigung dieses Umstands wird eine Phasenfeld- Variable „State" eingeführt, die von x und y (Koordinaten der in Herstellung befindlichen Lage) , z (Schmelzbadtiefe) und t (zeitliche Verfahrensführung) abhängig ist. Diese entspricht in dem betrachteten Bereich des Pulverbetts jeweils dem historischen Maximum der Temperatur Tmax (wahlweise auch der Enthalpie) . Liegt dieses historische Maximum oberhalb der
Schmelztemperatur ΤΞ des Pulvermaterials, dann entsprechen die physikalischen Eigenschaften denen des konsolidierten
Körpers und nicht mehr denen des Pulvers. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Wärmeabfuhr in den konsolidierten Körper einen weitaus höheren Betrag ausmacht als die Wärmeabfuhr in das Pulver, welches ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Wärmeabfuhr in das Pulver kann zur Vereinfachung des Ansatzes sogar vernachlässigt werden. Die Lösung der Gleichung (a) oder (e) unter Berücksichtigung der Gleichung für die
Phasenfeld-Variable State (x,y,z,t) ergibt als Ergebnis eine Temperaturverteilung in der unmittelbaren Umgebung einer Bestrahlungsspur 14 wie in Figur 1 dargestellt. Diese wird im Folgenden als analytische Fitfunktion Tioc(t) bezeichnet.
Tioc(t) wird in das Programmmodul C (vergleiche Figur 2) übergeben. Im Programmmodul C erfolgt eine mesoskalen-orientierte strukturmechanische Simulation. Zu diesem Zweck wird die analytische Fitfunktion Tioc(t) an die Temperaturverteilung für eine repräsentative Bestrahlungsspur 14, wie im Programmmodul B vorausgesetzt, angepasst. Als Simulationsgebiet wird ein repräsentatives Volumenelement, kurz RVE, gebildet, welches aus einer Matrix von einzelnen Streifen besteht, wie in Figur 1 dargestellt.
Jeder Streifen in dem RVE repräsentiert eine Bestrahlungsspur für die das Temperaturverhalten Tioc(t) gilt. Am Anfang der Simulation sind alle Streifen im pulverförmigen Zustand.
Nacheinander fährt die aus dem Programmmodul B übergebene analytische Fitfunktion Tioc(t) für die Temperatur über je einen Streifen, dessen Bearbeitung gerade simuliert wird. Dabei wandelt sich bei Erreichen der Schmelztemperatur der Zustand des Streifens von pulverförmigen in den schmelzflüssigen Zustand. Wenn die Temperatur nach dem Passieren des Schmelzba- des in dem Streifen wieder unterhalb der Schmelztemperatur liegt, liegt das Material als Festkörper vor bei der Berechnung der daraus resultierenden Spannungen und Dehnungen infolge des thermischen Schrumpfens erfolgt nach dem folgenden Gleichungssystem, bestehend aus der Bewegungsgleichung (f) für ein kontinuierliches Medium, dem Hookeschen Gesetz (g) und dem linearen thermischen Dehnungsgesetz (h) . d2u
(f) p --V a=F
dt2 mit
u: 3 -dimensionale Verschiebung
σ: Spannungstensor
F: Wirkende Kraft
C: Steifigkeits-Tensor
Die Fitfunktion Tioc(t) lässt sich beschreiben als ein Temperaturpuls, der auf der Fläche des Pulverbetts beispielsweise in x-Richtung läuft und eine sich abkühlende Bestrahlungsspur 14 hinter sich herzieht. Als Lösung der Gleichung (f) unter Berücksichtigung der Gleichungen (g) , (h) ergibt als Lösung die sich einstellende Spannungsverteilung, nachdem das Material erstarrt, wenn sich der Temperaturpuls von dem betrachteten Teilbereich entfernt. Wie in einer Rekursionsschleife 21 in Figur 2 angedeutet, kann die erläuterte Berechnung nach den Gleichungen (f) , (g) , (h) für die Matrix von Streifen des RVE in analoger Weise wiederholt werden, wobei sozusagen die einzelnen Streifen nacheinander mit derselben, zeitlich verschobenen Fitfunktion für die Temperatur beaufschlagt werden. Dabei wird die resultierende Spannungsverteilung im RVE be- rechnet. Diese ist ein Teilergebnis der mechanischen
Mesoskalen-Berechnung, die im Programmmodul C (vergleiche Figur 2) durchgeführt wird.
Im nächsten Schritt muss eine Übertragung der Mesoskalen- Berechnung auf die Baustruktur gelingen. Zu diesem Zweck wird im Programmmodul C eine mechanische Makroskalen-Berechnung durchgeführt, wobei hierfür ein physikalisch basiertes Modell für die Spannungs-Dehnungs-Verteilung in dem durch das Laserschmelzen hergestellten Körper, repräsentiert durch die Bau- struktur, formuliert werden muss. Hierfür ist jedoch die bekannte Spannungsverteilung σ(χ, y, z) , die sich aus der Mesoskalen-Berechnung RVE auf einer steifen Unterlage 16 (vergleiche Figur 1) ergibt, nicht geeignet. Stattdessen wird ein effektiver Schrumpfungsfaktor a±(c) berechnet, der von der Steifigkeit der Unterlage 16 abhängig ist. Zu diesem Zweck wird statt dem RVE, das vorzugsweise die Stärke der Su- perlage aufweist, ein Material mit homogenen Schichteigenschaften mit dem Volumen des RVE angesetzt, was im Folgenden als homogenes Volumenelement (kurz HVE) bezeichnet wird. Nun erfolgt eine Berechnung, bei der statt einer Matrix von Ein- zelvektoren im Falle des RVE das komplette Volumen des HVE von der Schmelztemperatur ΤΞ auf die Referenztemperatur ΤΊ abkühlt. Dabei wird in der bereits beschriebenen Weise die Gleichung (f ) unter Berücksichtigung der Gleichungen (g) , (h) und unter Berücksichtigung der Steifigkeit C der Unterlage 16 global für das ganze HVE berechnet. Als Variationsvariable wird anstelle thermai ein Wert als effektiver thermischer Schrumpfungsfaktor a± angesetzt und mit diesem die Berechnung durchgeführt. Bei richtig gewähltem Wert für a± ist die mittlere Verspannung der Unterlage 16 bzw. des HVE an der Grenz - fläche zur Unterlage genauso groß wie die Verspannung zwischen Unterlage und RVE in der Mesoskalen-Berechnung. Um dies zu erreichen, sind evtl. mehrere Rekursionsschleifen mit unterschiedlichen o(i notwendig. Ist der richtige effektive Schrumpfungsfaktor a± gefunden, wird dieser an das Programm- modul D weitergegeben, welches in Figur 3 dargestellt ist.
Das Programmmodul D dient der mechanischen Berechnung der Baustruktur auf Makroskalen-Ebene , wobei hier ein physikalisch basiertes Modell für die Spannungs-Dehnungs-Verteilung angesetzt werden kann. Das Makroskalen-Modell verwendet hierbei Superlagen 13, welche eine Stärke von 0,5 bis 1 mm haben können, was einer Homogenisierung von 10 bis 20 Lagen 12 zu je einer Superlage entspricht. Die Makroskalen-Berechnung geht davon aus, dass die zu untersuchende Baustruktur in z-Richtung, also der Baurichtung, in eine entsprechende Anzahl von Superlagen 13 aufgeteilt werden kann, wie sich dem Schritt W gemäß Figur 1 entnehmen lässt. Bei der Betrachtung der einzelnen Superlagen 13 wird der bereits aufgebaute Teil 17 der Baustruktur 11 berücksichtigt.
Bei der Makroskalen-Berechnung wird weiterhin davon ausgegan- gen, dass die Superlagen alle zu Beginn der Simulation in einem Zustand der Schmelze vorliegen. Im Rahmen der Simulation wird in jeder Superlage nacheinander von der untersten bis zur obersten eine fiktive Temperatur von der Schmelztemperatur auf die im Programmmodul A ermittelte Referenztemperatur ti abgesenkt, wobei eine kontinuierliche Funktion (beispielsweise linear oder exponentiell ) für den Temperaturverlauf angenommen wird. Die in der Gleichung (h) verwendete thermische Dehnung wird dabei durch a± ersetzt, da das thermische Problem bereits im Rahmen der Mesoskalen-Berechnung gelöst wurde und im Rahmen der Makroskalen-Berechnung als gegeben vorausgesetzt wird.
Unterschiedliche Steifigkeiten der Unterlage, also der bereits hergestellten Baustruktur bzw. der Bauplattform im Fal- le der ersten hergestellten Superlage, führen auch zu unterschiedlichen Werten der effektiven Wärmeausdehnung ει . In makroskopischen Körpern liegt die Ursache der unterschiedlichen Steifigkeit in deren geometrischen Aufbau. Somit kann die in Entstehung befindliche Baustruktur 11 in unterschied- liehen Höhen z auch unterschiedliche Steifigkeiten Ci aufweisen. Dies kann in einem Programmmodul D.l Berücksichtigung finden, bei dem eine Berechnung der Unterlagensteifigkeit Ci lagenweise vorgenommen wird. Dabei wird jeder Superlage der zu berechnenden Baustruktur eine effektive Steifigkeit Ci zu- geordnet. Zu diesem Zweck können alle bekannten Verfahren zur Steifigkeitsberechnung Anwendung finden.
Beispielsweise kann eine Steifigkeitsschätzung mit dem Programmmodul D.l (vergleichen Figur 4 ) wie folgt vorgenommen werden. Dem Verfahren liegt die Annahme zugrunde, dass die maßgebliche Steifigkeit einer Struktur bezüglich der bei dem thermischen Schrumpfen der darüber liegenden Superlage bedingten Kräfte durch das Verhältnis zwischen Kraft und Aus- dehnung gegeben ist, wobei die Kraft in Richtung des Schwerpunkts der Schicht wirkt. Dazu wird für jede Superlage die Lage des Schwerpunkts bestimmt. Wenn sich die Superlage aus mehreren voneinander isolierten Inseln zusammensetzt, wird jeder dieser Inseln ein eigener Schwerpunkt zugeordnet. In der unter der Superlage liegenden Struktur, d. h. der bereits hergestellten Baustruktur, wird jeder Punkt der Grenzfläche zur aktuellen Superlage mit einer kleinen Testkraft F (z. B. 1 N) in Richtung des Schwerpunkts S der aktuellen Superlage belastet (vergleiche Figur 1) . Hiermit werden die elastischen Gleichungen (f) und (g) gelöst, womit für jede Superlage durch Bildung des Verhältnisses zwischen Testkraft F und durchschnittlicher Verschiebung eine effektive Steifigkeit Ci bestimmt werden kann. Diese Steifigkeit der Schicht kann dazu genutzt werden, um mit Hilfe der Gleichungen (f) , (g) , (h) im Programmmodul D die effektive thermische Dehnung ε ι oder ε ι, ± zu bestimmen.
Um das Modell weiter zu verfeinern, kann statt einer einheit- liehen Temperatur in der Superlage bei der Berechnung des effektiven Schrumpfungsfaktors eine örtlich differenzierte Betrachtung des Schrumpfungsverhaltens durchgeführt werden. Hierzu ist in einem Programmmodul D.2 (vergleiche Figur 5) die gerade betrachtete Superlage 13 in Volumensegmente 15 zu unterteilen (siehe auch L(z) aus Schritt W in Schritt D.2 in Figur 1) . Diese können zumindest in inneren Bereichen der Superlage ein gleichmäßiges Volumen, insbesondere das Volumen der RVE und HVE, aufweisen, können aber auch in Abhängigkeit der sich in der x-y-Ebene einstellenden Temperaturverteilung unterschiedliche Größen aufweisen. Beispielsweise kann der komplette Innenbereich als ein Volumensegment und der komplette Randbereich, welcher sich aufgrund der Wärmeabstrah- lung schneller abkühlt, als ein zweites Volumensegment definiert werden.
Die Volumensegmente werden mit Vi, i bezeichnet. Für die unterschiedlichen Volumenelemente Vi, i sind damit, wie in Figur 5 angedeutet ist, unterschiedliche effektive Schrumpfungsfakto- ren ι,ι zu berechnen, die im Berechnungsmodul D (vergleichen Figur 3) individuell berücksichtigt werden können.
In Figur 1 ist außerdem zu erkennen, dass die berechneten Dehnungen ει oder ει,± aus dem Programmmodul D in einem Programmmodul E Verwendung finden können, um die Geometrie 18 der tatsächlich hergestellten Baustruktur zu ermitteln, die, wie gestrichelt angedeutet, nicht der ursprünglichen Geometrie der Baustruktur 11 entspricht. In einem ersten Rekursi- onsschritt U+l kann die Geometrie 19 der herzustellenden Baustruktur 11 so angepasst werden, dass die Formabweichungen eines nachfolgenden Berechnungsschritts D+l möglichst zur gewünschten Geometrie der Baustruktur (die in Schritt U dargestellt ist) führen. Dies kann durch einen nachfolgenden Iterationsschritt der Simulation überprüft werden.
In Figur 6 ist eine Anlage 31 zum Laserschmelzen dargestellt, die eine Prozesskammer 32 mit einem Prozessfenster 33 für einen Laserstrahl 34 aufweist. Dieser Laserstrahl 34 wird durch einen Laser 35 erzeugt, wodurch sich die Baustruktur 11 in einem Pulverbett 36 herstellen lässt. Das Pulverbett 36 wird über einen Pulvervorrat 37 befüllt, wobei hierzu eine Rakel 38 zum Einsatz kommt. Damit der Laserstrahl 34 in dem Pulverbett 36 die Baustruktur 11 schreiben kann, ist außerdem ein Umlenkspiegel 39 vorgesehen.
Die beschriebenen Prozesse werden durch eine Maschinensteuerung gesteuert, wobei diese Datensätze verarbeiten kann, die in dem Verfahrensschritt V gemäß Figur 1 erzeugt wurden.
Hierzu weist die Maschinensteuerung einen Prozessor 40 auf. Ein weiterer Prozessor 41 ist zur Erstellung der Fertigungsdaten (slicen) , d. h. zur Herstellung eines Modells der Baustruktur 11 mit Lagen 12 vorgesehen. Dieser Prozessor 41 kann die hierfür notwendigen Daten von einem Prozessor 42 erhal- ten, mit dem sich CAD-Daten der Baustruktur erzeugen lassen. Alternativ können diese CAD-Daten, wie in den Schritten W, A, B, C, D, Dl und D2 gezeigt, durch einen Prozessor 43 verarbeitet werden, indem die vorstehend beschriebenen Programmmo- dule implementiert sind. Ein Berechnungsergebnis für die auftretenden Dehnungen ει,± können von dem Prozessor 43 zum Prozessor 42 übertragen werden, damit, wie in Figur 1 unter Schritt E dargestellt, eine Modifikation der Geometrie vorge- nommen werden kann. Das modifizierte Bauteil kann dann durch den Prozessor 41 gerechnet werden, um anschließend einerseits einer Aufteilung in Superlagen 13 mittels des Prozessors 43 und andererseits eine Herstellung in der Laserschmelzanlage 31 durch die Maschinensteuerung 40 vorzunehmen.
Die Konfiguration der Prozessoren 40, 41, 42, 43 ist hier nur beispielhaft dargestellt. Funktionalitäten können auch auf mehr als die in Figur 6 dargestellten Prozessoren verteilt werden oder in weniger Prozessoren zusammengefasst werden. Der Prozessor 43 hat vorrangig die Aufgabe, das erfindungsgemäße Simulationsverfahren durchzuführen, kann hierbei jedoch durch korrespondierende Prozessoren unterstützt werden, wobei dies gemäß Figur 6 die Prozessoren 41 und 42 sind. In diesem Sinne ist der Prozessor 43 auch als korrespondierender Pro- zessor zu verstehen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln von herstellungsbedingten Formabweichungen und Spannungen in einer mit einem additiven Ferti- gungsverfahren hergestellten Baustruktur (11) , die durch Aufschmelzen von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen (12) erzeugt wird, bei dem ein Prozessor (41)
• die Geometrie der Baustruktur (11) beschreibende Daten verwendet, um ein Netz finiter Elemente zu erzeugen, wo- bei der Prozessor (41) die finiten Elemente so anordnet, dass diese jeweils vollständig in Superlagen (13) liegen, wobei die Superlagen (13) jeweils aus mehreren herzustellenden Lagen (12) der Baustruktur (11) bestehen,
• für jede Superlage (13) das Abkühlungsverhalten bestimmt und
• aus dem Abkühlungsverhalten die aus einer thermischen Schrumpfung resultierenden Spannungen und Formabweichungen in der Baustruktur (11) durch eine Finite-Elemente- Methode (FEM) berechnet,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) verfestigungsbedingte Spannungen und Formabweichungen in der Baustruktur durch Berücksichtigung der Superlagen (13) in der Reihenfolge ihrer Entstehung ermittelt, wobei
der Prozessor (41) aus dem Abkühlungsverhalten der betreffenden Superlage (13) eine mittlere Temperatur ΤΊ der betreffenden Superlage (13) bestimmt,
der Prozessor (41) die thermische Schrumpfung in der betreffenden Superlage (13) berechnet, indem der Prozessor (41)
· einen effektiven Schrumpfungsfaktor a± oder ι,ι für verfestigtes Baumaterial berücksichtigt und
• eine relative thermische Schrumpfung ει oder ει,± in der betreffenden Superlage (13) unter Berücksichtigung der Schmelztemperatur ΤΞ des Baumaterials und ohne Berück- sichtigung anderer Superlagen (13) berechnet zu
ι = od (TB - Ti) oder ει,± = ifi (TB - Ti) ,
der Prozessor (41) die resultierenden Spannungen und Formabweichungen in der betreffenden Superlage (13) berechnet, in- dem der Prozessor (41) die Spannungen und Formabweichungen bereits hergestellter Superlagen (13) berücksichtigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) das Abkühlungsverhalten der betreffenden Superlage (13) bestimmt, indem der Prozessor (41)
• für die Abkühlung nur bereits hergestellte Teile der in Entstehung befindlichen Baustruktur (11) berücksichtigt, · den Energieeintrag in die in Entstehung befindliche Baustruktur (11) über den Zeitraum der Herstellung der betreffenden Superlage (13) mittelt und über den Flächeninhalt der Superlage (13) gleichmäßig verteilt,
• einen Wärmeverlust für die betreffende Superlage (13) im Zeitraum der Herstellung dieser Superlage (13) bestimmt und
• unter Berücksichtigung von Energieeintrag und Wärmeverlust die mittlere Temperatur i der betreffenden Superlage (13) bestimmt.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) beim Berechnen der resultierenden Spannungen und Formabweichungen einen zeitabhängig kontinu- ierlichen Temperaturverlauf Ti(t) in der betreffenden Lage zugrunde legt, der von der Schmelztemperatur ΤΞ zur mittleren Temperatur i läuft .
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Schrumpfungsfaktor a± durch Herstellen einer Probe aus dem verwendeten Baumaterial und Vermessen der hergestellten Probe ermittelt und dem Prozessor (41) zugänglich gemacht wird .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Prozessor (41) oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor den Schrumpfungsfaktor a± oder ι,ι durch Berechnung von Spannungen und Formänderungen in einem mit dem additiven Fertigungsverfahren hergestellten repräsen- tativen Volumenelement (RVE) mit einer Finite-Elemente- Methode (FEM) berechnet.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor das repräsentative Volumenelement (RVE) aus einer Vielzahl von Bestrahlungsspuren (14) zusammensetzt, die in mehreren Lagen übereinanderliegen, wobei der Verlauf der Bestrahlungsspuren (14) entsprechend eines für das addi- tive Fertigungsverfahren geplanten Bestrahlungsmusters festgelegt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Bestrahlungsspuren (14) in der jeweiligen Lage geradlinig und parallel zueinander verlaufen.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor alle Bestrahlungspuren (14) unter den Randbedingungen berechnet, dass diese geradlinig an bereits verfestigtes Baumaterial einer benachbarten Bestrahlungsspur (14) angesetzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor eine Temperaturverteilung in den Be- Strahlungsspuren (14) durch eine Finite-Elemente-Methode berechnet .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor mindestens einen der effektiven
Schrumpfungsfaktoren a1:± derart bestimmt, dass bei dessen Be- Stimmung eine Verfestigung des Baumaterials auf einer Unterlage mit einer Steifigkeit C± zu Grunde gelegt ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) oder der mit diesem Prozessor korrespondierende Prozessor für die betreffende Superlage (13) einen für diese Lage geltenden effektiven Schrumpfungsfaktor oii, i unter Berücksichtigung der Steifigkeit Ci_i,i der unter der betreffenden Superlage (13) liegenden Baustruktur be- stimmt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) oder der mit diesem Prozessor korres- pondierende Prozessor
• das repräsentative Volumenelement (RVE) mit einer Höhe entsprechend der Stärke der betreffenden Superlage verwendet ,
• ein die betreffende Superlage beschreibendes Netz fini- ter Elemente erzeugt, welches eine Anbindung an eine Unterlage mit der Steifigkeit Ci_i,i der unter der betreffenden Superlage (13) liegenden Baustruktur (11) aufweist ,
• eine relative Verspannung der unter der betreffenden Su- perlage (13) liegenden Baustruktur (11) unter Berücksichtigung der Absenkung der Temperatur von der Schmelztemperatur ΤΞ auf die Temperatur der Lage Ti durch eine Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet und
• den für die betreffende Superlage (13) geltenden effek- tiven Schrumpfungsfaktor ι,ι emittelt,
indem der besagte Prozessor ein homogen erstarrtes Volumenelement (HVE) gleichen Materials und gleicher Abmes- sungen wie das betreffende repräsentative Volumenelement (RVE) generiert,
und indem der besagte Prozessor einen thermischen
Schrumpfungsfaktor des homogen erstarrten Volumenelemente (HVE) so angepasst, dass die für das repräsentative Volumenelement (RVE) zuvor berechneten Spannungen oder Formänderungen auch in einer Grenzfläche zwischen dem homogen erstarrten Volumenelement (HVE) und der unter der betreffenden Superlage (13) liegenden Baustruktur vorliegen.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Superlagen (13) jeweils aus mindestens 10 und höchstens 20 herzustellenden Lagen (12) der Baustruktur (11) bestehen .
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Verfestigen von Baumaterial mit einem Energiestrahl erfolgt und der Prozessor (41) oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor den Energieeintrag Q als Produkt
• der Leistung des Energiestrahls,
• der Differenz zwischen 1 und der Reflektivität des Baumaterials und dem Quotienten aus einer Schreibzeit, in der der Energiestrahl Baumaterial verfestigt, und
• der gesamten Bearbeitungszeit der betreffenden Superlage berechnet .
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor eine zusätzliche thermische Schrumpfung der Baustruktur, bedingt durch eine Abkühlung auf ein einheitliches Temperaturniveau, mit einer Finite-Elemente- Methode (FEM) berechnet, indem der besagte Prozessor • die Baustruktur (11) mit den ermittelten verfestigungsbedingten resultierenden Spannungen und Formabweichungen als Ganzes berücksichtigt,
• die Baustruktur (11) mit einem Temperaturprofil beauf- schlagt, das sich für die Baustruktur (11) ergibt, nachdem das Abkühlungsverhalten der letzten Superlage (13) der Baustruktur bestimmt wurde,
• die zusätzlichen Spannungen und Formabweichungen bei Absenkung der Temperatur auf das besagte Temperaturniveau berechnet und mit den herstellungsbedingt ermittelten, resultierenden Spannungen und Formabweichungen überlagert .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Prozessor (41) oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor
• mindestens eine der Superlagen (13) in Volumensegmente
(15) unterteilt, wobei die Volumensegmente (15) zusammen das Volumen der Superlage ergeben,
• für die betreffende Superlage (13) das Abkühlungsverhalten für jedes der Volumensegmente (15) individuell berechnet ,
und der besagte Prozessor die thermische Schrumpfung in der betreffenden Superlage (13) berechnet, indem der besagte Prozessor
• für jedes der Volumensegmente (15) individuell einen effektiven Schrumpfungsfaktor ι,ι für verfestigtes Baumaterial bestimmt und
· für jedes der Volumensegmente (15) individuell eine relative thermische Schrumpfung ει,± in dem Volumensegment (15) unter Berücksichtigung der Schmelztemperatur ΤΞ des Baumaterials und ohne Berücksichtigung anderer Superlagen (13) und Volumensegmente (15) berechnet zu
ει,ι = o£ifi (TB - Ti)
und der besagte Prozessor die resultierenden Spannungen und Formabweichungen in jedem Volumensegment der betreffenden Superlage (13) berechnet, indem die Spannungen und Formabwei- chungen bereits hergestellter Superlagen (13) berücksichtigt werden .
17. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Verfahren zum Erzeugen von die Geometrie einer Baustruktur (11) beschreibenden korrigierten Daten, wobei die Baustruktur (11) mit einem additiven Fertigungsverfahren durch Verfestigen von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen (12) erzeugbar ist und
wobei der Prozessor (41) oder ein mit diesem Prozessor korrespondierender Prozessor die ermittelten herstellungsbedingten Formabweichungen und Spannungen beim Erzeugen der korrigierten, die Baustruktur (11) beschreibenden Daten berücksichtigt .
18. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 17 in einem Verfahren zum additiven Herstellen einer Baustruktur, bei dem die Baustruktur durch Verfestigen von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen erzeugt wird,
wobei in dem Verfahren die korrigierten, die Baustruktur beschreibenden Daten zum Einsatz kommen.
19. Computerlesbarer Datenträger,
auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches das Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausführt, wenn es in einem Prozessor (41) abgearbeitet wird.
20. Computerprogramm,
welches in einem Prozessor (41) abgearbeitet wird und dabei das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 ausführt.
21. Simulator zum Ermitteln von herstellungsbedingten Formabweichungen und Spannungen in einer mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellten Baustruktur (11) , die durch Ver- festigen von Baumaterial in aufeinanderfolgenden Lagen (12) erzeugt wird, welcher einen Prozessor (41) aufweist, welcher programmiert ist zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
EP16720388.4A 2016-04-06 2016-04-25 Verfahren, computerlesbarer datenträger, computerprogramm und simulator zum ermitteln von spannungen und formabweichungen in einer additiv hergestellten baustruktur Pending EP3417386A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016205710 2016-04-06
PCT/EP2016/059186 WO2017174160A1 (de) 2016-04-06 2016-04-25 Verfahren, computerlesbarer datenträger, computerprogramm und simulator zum ermitteln von spannungen und formabweichungen in einer additiv hergestellten baustruktur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3417386A1 true EP3417386A1 (de) 2018-12-26

Family

ID=55910940

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP16720388.4A Pending EP3417386A1 (de) 2016-04-06 2016-04-25 Verfahren, computerlesbarer datenträger, computerprogramm und simulator zum ermitteln von spannungen und formabweichungen in einer additiv hergestellten baustruktur

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20200398379A1 (de)
EP (1) EP3417386A1 (de)
KR (1) KR101996933B1 (de)
CN (1) CN109074410B (de)
CA (1) CA3019409C (de)
RU (1) RU2694147C1 (de)
WO (1) WO2017174160A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017136206A1 (en) 2016-02-01 2017-08-10 Seurat Technologies, Inc. Additive manufacturing simulation system and method

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
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
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

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7941307B2 (en) * 2004-11-10 2011-05-10 Exxonmobil Upstream Research Company Method for calibrating a model of in-situ formation stress distribution
GB0807643D0 (en) * 2008-04-28 2008-06-04 Airbus Uk Ltd Method of designing a composite panel
CN104280155B (zh) * 2013-07-14 2019-03-12 付康 一种确定多层膜薄膜应力的系统与方法
US10664560B2 (en) * 2013-12-19 2020-05-26 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Multi-scale mesh modeling software products and controllers
CN106662439B (zh) * 2014-06-05 2019-04-09 联邦科学和工业研究组织 增材制造中变形的预测及最小化
US10409932B2 (en) * 2014-09-19 2019-09-10 Siemens Product Lifecyle Management Software Inc. Computer-aided simulation of multi-layer selective laser sintering and melting additive manufacturing processes
CN104959604B (zh) * 2015-07-23 2017-03-08 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

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017136206A1 (en) 2016-02-01 2017-08-10 Seurat Technologies, Inc. Additive manufacturing simulation system and method
EP3411233A4 (de) * 2016-02-01 2019-11-27 Seurat Technologies, Inc. System und verfahren zur simulation von generativer fertigung

Also Published As

Publication number Publication date
RU2694147C1 (ru) 2019-07-09
CA3019409A1 (en) 2017-10-12
CA3019409C (en) 2019-10-01
US20200398379A1 (en) 2020-12-24
WO2017174160A1 (de) 2017-10-12
KR101996933B1 (ko) 2019-07-05
CN109074410A (zh) 2018-12-21
KR20180126076A (ko) 2018-11-26
CN109074410B (zh) 2023-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3417386A1 (de) Verfahren, computerlesbarer datenträger, computerprogramm und simulator zum ermitteln von spannungen und formabweichungen in einer additiv hergestellten baustruktur
EP3225334B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum additiven herstellen zumindest eines bauteilbereichs eines bauteils
EP2785481B1 (de) Verfahren zur herstellung eines formkörpers durch schichtweises aufbauen aus werkstoffpulver
EP3099469B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur verbesserten steuerung des energieeintrags in einem generativen schichtbauverfahren
EP3542927A1 (de) Verfahren zum selektiven bestrahlen einer materialschicht, verfahren zum bereitstellen eines datensatzes, vorrichtung und computerprogrammprodukt
EP3283985A1 (de) Verfahren und steuerbefehls-generierungseinheit zur automatischen generierung von steuerbefehlen einer generativen schichtbauvorrichtung
DE102016120998A1 (de) Verfahren zur simulationsbasierten Erkennung thermisch kritischer Bauteilbereiche und Verfahren zur bauteilspezifischen Anpassung einer lokalen Wärmegenerierung bei der additiven Herstellung
EP3581297A1 (de) 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
EP3621758B1 (de) Verfahren für ein additiv herzustellendes bauteil mit vorbestimmter oberflächenstruktur
DE102018202506A1 (de) Additives Herstellverfahren mit kontrollierter Verfestigung und zugehörige Vorrichtung
EP3077180A1 (de) Verfahren zur beschleunigten herstellung von objekten mittels generativer fertigung
EP3520929A1 (de) Verfahren zum selektiven bestrahlen einer materialschicht, herstellungsverfahren und computerprogrammprodukt
DE102017207264A1 (de) Homogenisierung des Energieeintrags
DE102019211761A1 (de) System und verfahren zur additiven fertigung mittels pulverbettfusion mit dynamischer anpassung der walzendrehzahl
WO2018197506A1 (de) Erhöhung der oberflächenqualität
DE102019104839A1 (de) Steuerung der Mikrostruktur eines ausgewählten Bereichs von Schichten eines Objekts während der Additivherstellung
WO2020127462A1 (de) Verfahren zum bestimmen einer temperaturfunktion und eines werkzeugpfads für ein additives fertigungsverfahren
DE102022117935A1 (de) Generierung von optimierten Prozessgrößenwerten und Steuerdaten für einen additiven Aufbauprozess
DE102017122880A1 (de) Metallhülse zur Reduzierung von Verformungen bei der additiven Herstellung
EP3461571A1 (de) Verfahren zum bestrahlen einer pulverschicht in der additiven herstellung mit kontinuierlich definierten herstellungsparametern
WO2018206581A1 (de) Positionsspezifischer energieeintrag
WO2018188757A1 (de) Verfahren zum pulverbettbasierten additiven herstellen eines werkstücks, verfahren zum erstellen von korrekturparametern für das erstgenannte verfahren und computerprogrammprodukt für das zweitgenannte verfahren
WO2023083929A1 (de) Verfahren, planungsvorrichtung und computerprogrammprodukt zum planen einer lokal selektiven bestrahlung eines arbeitsbereichs mit einem energiestrahl, sowie verfahren, fertigungsvorrichtung und computerprogrammprodukt zum additiven fertigen von bauteilen aus einem pulvermaterial
DE102022117936A1 (de) Ermittlung von Eigenschaftswerten eines Segments eines aus mehreren Schichten eines Aufbaumaterials aufgebauten Fertigungsprodukts
DE102015214690A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes mittels eines generativen Schichtbauverfahrens

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20180918

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20190722

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R079

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G06F0017500000

Ipc: G06F0030170000

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: G06F 119/08 20200101ALN20200910BHEP

Ipc: G06F 113/10 20200101ALN20200910BHEP

Ipc: G06F 30/17 20200101AFI20200910BHEP

Ipc: B33Y 50/02 20150101ALI20200910BHEP

Ipc: G06F 111/10 20200101ALN20200910BHEP

Ipc: B22F 3/105 20060101ALI20200910BHEP

Ipc: G06F 30/23 20200101ALI20200910BHEP

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS