IT202000017164A1 - Metodo di scalabilità basato su una procedura di sovrapposizione punto per punto e relativo sistema - Google Patents

Description

Metodo di scalabilit? basato su una procedura di sovrapposizione punto per punto e relativo sistema

Descrizione

CAMPO TECNICO

[0001] La presente descrizione riguarda un metodo di simulazione basato su una sovrapposizione punto per punto applicabile a qualsiasi processo di fabbricazione impiegante una sorgente di calore mobile, per esempio saldatura e fusione a letto di polvere (PBF). Pi? precisamente, la presente descrizione riguarda una procedura di scalabilit? che collega un modello in meso-scala e un modello in macro-scala, come spiegato meglio di seguito.

STATO DELL'ARTE

[0002] Nel campo della stampa 3D sono disponibili varie tecnologie. Per esempio, la PBF comprende tutti i processi impieganti energia focalizzata per fondere o sinterizzare strati di polvere.

[0003] I principali problemi di fabbricazione associati a questi processi sono porosit?, crepe, delaminazione, tensioni residue, e distorsioni. In particolare, le tensioni residue possono ridurre la resistenza meccanica, mentre le distorsioni possono dar luogo a componenti fuori tolleranza o a collisioni tra la parte e l'applicatore di rivestimento (recoater).

[0004] Pertanto, sarebbe utile e bene accetta nel campo la disponibilit? di un metodo di simulazione affidabile e rapido, al fine di predire possibili difetti riducendo al minimo l'impatto delle procedure di prova e di errore.

[0005] In generale, i modelli in meso-scala e in macro-scala sono i pi? adatti per indagare l'effetto delle tensioni residue, mentre i modelli in micro-scala e in scala particellare si focalizzano principalmente su microstruttura, porosit?, e ruvidezza di superficie.

[0006] Pi? precisamente, i modelli in meso-scala sono adatti per valutare la storia termica locale e i campi di tensione residua e deformazione prodotti dal processo di scansione su volumi limitati. Tali modelli possono essere impiegati, in combinazione con simulazioni termodinamiche e procedure sperimentali, per ottimizzare parametri di processo e predire come una microstruttura del materiale pu? cambiare durante la fabbricazione additiva. Ci? ? particolarmente importante poich? la microstruttura influisce sulla resistenza statica e alla fatica del componente stampato.

[0007] Dall'altro lato, i modelli in macro-scala consistono in un'analisi termo-strutturale o puramente strutturale di elementi finiti (FE) che pu? essere impiegata per predire distorsioni di parti, valutare tensioni, e localizzare possibili difetti durante tutto il processo di fabbricazione.

[0008] La scarsa scalabilit? dei modelli in meso-scala attualmente limita il loro uso a piccoli volumi di scansione, principalmente a causa dei costi computazionali. Poich? le lunghezze di scansione dei processi PBF superano di solito di 10<? >volte il diametro del fascio, ? auspicabile che una procedura di scalabilit? superi tali limitazioni.

[0009] Pertanto, sarebbe bene accetto nel campo un metodo efficace basato sulla fisica per calcolare le condizioni iniziali di un modello FE finalizzato a predire tensioni residue e distorsioni di parti indotte dal processo di fabbricazione.

SOMMARIO

[0010] In un aspetto, la materia in oggetto descritta nel presente documento ? un metodo implementato al computer per simulare un processo di fabbricazione che impiega una sorgente di calore mobile, destinato a fondere o a sinterizzare un materiale. Il metodo comprende l'implementazione di un modello in meso-scala per calcolare le quantit? fisiche rappresentative della storia termica indotta dal processo e dei campi di tensione residua e deformazione per un insieme di parametri di processo impiegati per il dato materiale. Inoltre, definisce un modello FE in macro-scala di tutte le parti coinvolte nel processo di fabbricazione, comprendente una pluralit? di elementi. Quindi il metodo implementa una procedura di scalabilit? che collega i modelli in meso- e macro-scala. Pi? precisamente, viene descritto il metodo di sovrapposizione di deformazione punto per punto (PSS) come tale procedura di scalabilit?. Il metodo calcola la deformazione incompatibile (cio?, l'inverso additivo della deformazione elastica iniziale da applicare al modello in macro-scala) e lo stato iniziale del modello strutturale in macro-scala basato sui risultati ottenuti da una o pi? simulazioni termo-strutturali in meso-scala, riducendo cos? il costo computazionale complessivo necessario a valutare tensioni residue e distorsioni di parti indotte dal processo. In questo modo, si ottiene una previsione efficace sia delle tensioni residue che delle distorsioni di parti indotte, per esempio, da processi di fabbricazione additiva PBF. Inoltre, si ottiene anche una valutazione della producibilit? e della resistenza meccanica delle parti eventualmente prodotte.

[0011] Nella presente viene anche descritto un sistema per simulare un processo di fabbricazione comprendente un'unit? di elaborazione o un computer, con un processore azionabile per eseguire il metodo di simulazione implementato al computer. Il sistema pu? comprendere un database e un dispositivo per visualizzare, stampare, o memorizzare i risultati ottenuti.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0012] Una comprensione pi? completa delle forme di realizzazione descritte dell'invenzione e molti dei relativi vantaggi che ne conseguono si otterr? immediatamente non appena la stessa viene compresa meglio facendo riferimento alla seguente descrizione dettagliata quando considerata insieme ai disegni allegati, in cui:

la Fig.1 illustra un diagramma di flusso di un metodo di simulazione implementato al computer che incorpora una nuova procedura di scalabilit?;

la Fig. 2 illustra un diagramma di flusso dettagliato del metodo di simulazione della figura 1;

la Fig. 3 illustra una rappresentazione schematica di un modello in meso-scala secondo una prima forma di realizzazione;

la Fig. 4 illustra una sezione 3D del campo di tensione equivalente residua di von Mises risultante da una simulazione in meso-scala di una singola linea di scansione;

la Fig.5 illustra una sezione trasversale della componente trasversale del campo di tensione residua risultante dalla simulazione in meso-scala di una singola linea di scansione;

la Fig. 6 illustra una sezione trasversale della componente longitudinale del campo di tensione residua risultante dalla simulazione in meso-scala di una singola linea di scansione;

la Fig. 7 illustra la procedura di simulazione in macro-scala;

la Fig. 8A illustra il provino a forma di mensola impiegato per convalidare il metodo di simulazione, e il taglio a filo effettuato sui supporti dopo il processo di costruzione;

la Fig. 8B illustra una forma deformata del provino dopo che ? stato tagliato; la Fig. 9 illustra un confronto tra il profilo superiore simulato e misurato del provino dopo il taglio; e

la Fig.10 illustra un sistema configurato per effettuare la simulazione implementata al computer delle figure 1-2.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

[0013] ? stato concepito un metodo per simulare qualsiasi processo di fabbricazione che utilizza una sorgente di calore che si sposta lungo un percorso predeterminato, per esempio un processo di saldatura o un processo di fabbricazione additiva. Il metodo elabora un modello solido del pezzo da fabbricare o da saldare. La risposta meccanica e termica del materiale al processo di riscaldamento ? simulata da un modello in mesoscala adatto. Quindi, i risultati di tale modello vengono scalati per simulare il comportamento strutturale dell'intero pezzo da fabbricare (o da saldare), in modo da predire le tensioni residue e distorsioni generate durante l'intero processo.

[0014] In termini generali, il metodo di simulazione qui descritto comprende tre fasi principali: una simulazione in meso-scala, una procedura di scalabilit?, e una simulazione in macro-scala. La simulazione in meso-scala riproduce il processo di scansione su volumi limitati, anche una singola linea di scansione, e valuta le quantit? fisiche rappresentative del campo di tensione residua-deformazione indotto dal processo. Quindi, la procedura di scalabilit? trasferisce i risultati in meso-scala a un reticolo FE in macro-scala secondo il dato percorso di scansione. Infine, la simulazione in macroscala riproduce l'intero processo di fabbricazione valutando tensioni residue e distorsioni dell'intero pezzo. In questo modo, ? possibile simulare un intero processo con un costo computazionale molto limitato.

[0015] Nella seguente descrizione e nelle forme di realizzazione presentate di seguito, vengono considerati processi PBF, ma ? chiaro che il metodo qui descritto non ? limitato a questo uso specifico.

[0016] Il metodo di simulazione ? mostrato nella figura 1 e nella figura 2, ed ? interamente indicato con il numero di riferimento 100.

[0017] Riferendosi alla figura 1, vengono mostrate le suddette tre fasi principali del metodo di simulazione 100, insieme ai dati di immissione richiesti per eseguire lo stesso. I dati di immissione relativi al processo, indicati come strategia di scansione 140, comprendono i parametri di processo 141 e il percorso di scansione 142, come definito meglio di seguito. I dati di immissione relativi al materiale, indicati come propriet? del materiale 143, comprendono tutte le propriet? termo-fisiche e meccaniche richieste dal metodo di simulazione 100. Infine, i dati di immissione relativi alla discretizzazione, indicati come reticolo FE 144, comprendono la lista degli elementi e delle posizioni dei nodi ottenute discretizzando il modello solido del pezzo il cui processo di fabbricazione deve essere simulato.

[0018] Riferendosi ancora alla figura 1 e alla figura 2, la fase di simulazione in mesoscala 110 del metodo di simulazione 100 comprende la sottofase di calcolare la storia termica indotta dal processo e i campi di tensione residua e deformazione per ciascun insieme di parametri di processo 141 impiegati per il dato materiale 143. Inoltre, la simulazione in meso-scala 110 comprende la fase di memorizzare i risultati nella fase 112.

[0019] Pi? precisamente, la fase di simulazione in meso-scala 110 riceve come immissione i parametri di processo reperiti e letti precedentemente nella fase 141, come parte della strategia di scansione 140. Questi parametri sono le variabili di controllo del processo di fabbricazione o di saldatura da simulare, per esempio la potenza del fascio, la velocit? di scansione, il diametro del fascio, lo spessore dello strato, e la temperatura di preriscaldamento.

[0020] I risultati della fase di simulazione in meso-scala 110 (cio?, i campi di deformazione elastica residua, di deformazione plastica, e di temperatura massima) vengono campionati e usati per definire una o pi? funzioni di interpolazione. In particolare, in alcune forme di realizzazione, i risultati vengono campionati su un piano perpendicolare alla direzione di scansione e memorizzati nella fase 112 come funzioni di interpolazione bidimensionale tramite mezzi di memorizzazione adatti, che possono essere basati su hardware (memoria, disco rigido o qualsiasi altro mezzo di memorizzazione) e/o basati su software.

[0021] La fase di scalabilit? 120 comprende quattro sottofasi. La prima sottofase 121 ? la definizione dei punti di campionamento per ciascun elemento del reticolo FE in macro-scala 144. La seconda sottofase 122 ? l'inizializzazione delle quantit? fisiche selezionate in ogni punto di campionamento.

[0022] Quindi nella sottofase 123 vengono calcolati in ciascun punto di campionamento i valori delle quantit? fisiche (in questa forma di realizzazione le deformazioni incompatibili e la deformazione plastica equivalente iniziale). Questo calcolo viene eseguito seguendo un percorso definito 142, che, come detto, ? parte della strategia di scansione, ed ? impostato precedentemente. Quindi, i valori delle quantit? fisiche vengono trasferiti agli elementi del reticolo FE 144 nella sottofase di calcolo della media 124.

[0023] In questo modo, i risultati della simulazione in meso-scala 110 vengono scalati a ciascun elemento del reticolo FE in macro-scala 144, fornendo cos? lo stato iniziale 131 del modello in macro-scala 132.

[0024] La simulazione in macro-scala 130 legge lo stato iniziale 131 e valuta le tensioni residue e distorsioni generate durante l'intero processo di fabbricazione attraverso il modello in macro-scala 132.

[0025] In definitiva, la fase di scalabilit? 120, che costituisce la descrizione principale, collega due modelli di elementi finiti di lunghezza e scala temporale differenti. Calcola, in particolare, la deformazione incompatibile e lo stato iniziale di un modello strutturale in macro-scala in base ai risultati ottenuti da un modello termo-strutturale in meso-scala, riducendo cos?, come detto, il costo computazionale complessivo necessario per valutare tensioni residue e distorsioni di parti indotte dal processo.

[0026] In altre parole, la fase di scalabilit? 120 utilizza i risultati di un modello di simulazione pi? raffinato ma pi? lento, cio? il suddetto modello in meso-scala 111, per definire l'immissione di un modello di simulazione pi? grossolano ma pi? veloce, cio? il modello in macro-scala 132.

[0027] Il metodo di simulazione 100 ? inteso per essere eseguito da mezzi o apparecchiature di elaborazione, come un computer o qualsiasi altra apparecchiatura di elaborazione debitamente programmata per eseguire un software che implementa il metodo di simulazione 100. Un esempio di tale apparecchiatura ? mostrato nella figura 10 e sar? descritto pi? dettagliatamente di seguito.

[0028] Nel seguito, viene descritta in dettaglio una forma di realizzazione del metodo di simulazione 100 applicato a un processo PBF. Pi? precisamente, viene esposto un esempio del modello in meso-scala della fase 111 e del modello in macro-scala della fase 132, al fine di descrivere meglio il funzionamento della fase di scalabilit? 120.

1. Modello in meso-scala

[0029] Il modello in meso-scala della fase 111 della presente forma di realizzazione valuta i campi di temperatura, tensione, e deformazione prodotti da una singola linea di scansione (dal punto A al punto B della figura 3). Consiste in una simulazione termo-strutturale FE accoppiata unidirezionale.

[0030] Il dominio 200 del modello in meso-scala 111 comprende un substrato 203 e uno strato di polvere 204 come mostrato nella figura 3. Per facilit? di riferimento, viene fornito un sistema di coordinate cartesiane x, y, e z. In particolare, l'asse z ? allineato con la direzione di costruzione, cio? la direzione lungo la quale vengono aggiunti gli strati di polvere, e l'asse x ? allineato con la direzione di scansione, che ? perpendicolare al piano di campionamento 201, a sua volta parallelo al piano y-z. La singola linea di scansione 202, presa come detto tra i due punti A e B, ? parallela all'asse x. Nel dominio 200 del modello in meso-scala, sono mostrati anche il substrato 203 e lo strato di polvere 204.

[0031] Il dominio 200 ? simmetrico attorno al piano contenente le direzioni di scansione e di costruzione.

[0032] Nella presente forma di realizzazione, le equazioni FE termiche e strutturali del modello in meso-scala 111 sono le seguenti:

in cui:

? la matrice termica di calore specifico;

e sono il vettore di temperatura nodale e la sua derivata temporale;

? la matrice di conducibilit? termica;

? il vettore di forza termica del corpo (risultante dall'integrazione di una sorgente di calore volumetrica mobile);

? il vettore di forza del gradiente termico (che comprende gli effetti di evaporazione, radiazione, convezione, e il calore condotto attraverso tutte le superfici soggette alla condizione di confine di temperatura costante);

? la matrice di rigidit? strutturale;

? il vettore di spostamento nodale;

? il vettore di carichi nodali strutturali (derivante da condizioni di confine ipersta-

tiche);

? la matrice di rigidit? termoelastica; e

? la temperatura di riferimento adottata per calcolare le deformazioni termiche.

[0033] In altre forme di realizzazione possono essere usati altri processi o metodi di approssimazione, come altre soluzioni numeriche o, in casi particolari, anche soluzioni analitiche ogniqualvolta disponibili.

[0034] Una sorgente di calore volumetrica modella le interazioni fascio-materia e i fenomeni avvettivi che avvengono all'interno del bagno di fusione, che ? la regione del materiale fuso. La sorgente di calore si sposta dall'inizio (punto A) alla fine (punto B) della linea di scansione 202 con una velocit? definita dall'insieme considerato di parametri di processo reperiti nella fase 141, ed ? calibrata in modo da ridurre al minimo le differenze tra la zona fusa simulata e misurata.

[0035] In altre forme di realizzazione le interazioni fascio-materia possono essere modellate differentemente, a seconda delle circostanze nonch? delle condizioni di confine.

[0036] Nel modello di simulazione implementato al computer, la fusione e la solidificazione vengono simulate modificando la conducibilit? termica, per la simulazione termica, e la rigidit?, per la simulazione strutturale, degli elementi che subiscono le transizioni di fase.

[0037] La temperatura nodale, cio? la temperatura in corrispondenza di ciascun nodo del reticolo FE 144, viene inizializzata alla temperatura di preriscaldamento secondo l'insieme di parametri di processo reperiti e letti nella fase 141.

[0038] Durante la simulazione termica (si veda la figura 3), la superficie ? = 0 ? soggetta a evaporazione, radiazione, e convezione. La superficie ? = 0 ? adiabatica (per simmetria), mentre tutte le altre superfici di confine vengono mantenute alla temperatura di preriscaldamento.

[0039] Durante la simulazione strutturale (riferendosi sempre alla figura 3), la superficie ? priva di tensioni, la superficie ? soggetta al vincolo di simmetria in cui ? lo spostamento nella direzione y, mentre tutte le altre superfici di confine sono completamente vincolate secondo l'ipotesi di semi-infinito, cio? lo spostamento ? trascurabile a elevata distanza dalla regione di scansione.

[0040] Escludendo le regioni di dominio vicine ai punti finali, il problema termo-strutturale ? quasi stazionario. Pertanto, poich? il dominio considerato 200 si avvicina a uno stato di riposo quando il tempo tende all'infinito, i campi di tensione residua (si vedano le figure 4, 5, e 6) e di deformazione sono invarianti lungo la direzione di scansione x.

[0041] Il campo di tensione residua prodotto da una singola linea di scansione di solito presenta una componente idrostatica tensile sulla superficie. In risposta, le tensioni diventano compressive nella regione sottosuperficiale per assicurare l'auto-equilibrio.

[0042] La figura 4 mostra una sezione 3D di un campo di tensione equivalente residua di von Mises risultante dalla simulazione in meso-scala di una singola linea di scansione lungo l'asse x sulla lega a base di nichel Inconel<? >718 (Inconel ? un marchio registrato) secondo una prima forma di realizzazione. La tensione equivalente di von Mises ? definita nel modo seguente:

in cui sono le tensioni principali.

[0043] Inoltre, la figura 5 illustra una sezione trasversale della componente trasversale del campo di tensione residua risultante dalla simulazione in meso-scala di una singola linea di scansione lungo l'asse x su Inconel<? >718 secondo una prima forma di realizzazione (valori in MPa ? Mega Pascal).

[0044] La figura 6 illustra una sezione trasversale della componente longitudinale del campo di tensione residua risultante dalla simulazione in meso-scala di una singola linea di scansione lungo l'asse x su Inconel<? >718 secondo una prima forma di realizzazione (valori in MPa ? Mega Pascal).

2 Procedura di scalabilit?

[0045] La procedura di scalabilit? 120 collega i modelli in meso-scala 111 e in macroscala 132 definendo una deformazione incompatibile e uno stato iniziale 131 della simulazione in macro-scala 130 in base ai risultati in meso-scala.

[0046] La deformazione incompatibile ? l'inverso additivo della deformazione elastica iniziale da applicare al modello in macro-scala 132.

[0047] Una simulazione in meso-scala 110 di una singola linea di scansione 202 (riferendosi ancora alla figura 3) viene eseguita con ogni combinazione di parametri 141 (per esempio, potenza, velocit?, diametro del fascio, spessore dello strato) impiegati per elaborare il dato materiale 143.

[0048] I campi di deformazione elastica residua deformazione plastica

temperatura massima vengono campionati sul piano 201 perpendicolare alla direzione di scansione, che, nel sistema di coordinate cartesiane della figura 3, ? l'asse x. Questi risultati, che sono quantit? fisiche, sono memorizzati in un database 112 nella forma delle tre funzioni di interpolazione in cui / ? la posizione sul piano di campionamento 201. Tali funzioni di interpolazione possono essere richiamate tramite la corrispondente combinazione materiale-parametri.

[0049] La procedura di scalabilit? 120 inizia definendo i punti di campionamento 121 all'interno degli elementi del reticolo FE in macro-scala definito, riferendosi alla figura 2, nella fase 144.

[0050] La lista delle linee di scansione viene estratta dal percorso di scansione nella fase 142, e ciascuna linea ? associata al corrispondente insieme di parametri di processo 141 (si veda la figura 2). Questi dati sono memorizzati nei tre array (in cui 0) ? il numero totale di linee di scansione):

- che raccoglie le coordinate dei punti di partenza

- che raccoglie le coordinate dei punti finali

- che raccoglie il riferimento alle funzioni di interpolazione di ciascuna linea di scansione.

[0051] In questa forma di realizzazione, la procedura PSS 123 calcola la deformazione incompatibile e la deformazione plastica equivalente iniziale per ciascun punto di campionamento generato nella fase 121. In altre forme di realizzazione, possono essere considerate quantit? fisiche differenti.

[0052] Di seguito ? riportata in pseudocodice una forma di realizzazione sia della fase di inizializzazione 122 che dell'algoritmo di sovrapposizione 123.

[0053] Sia che sono inizializzate a zero (linee 1, 2) per ciascun punto di campionamento generato nella fase 121 e aggiornato se la proiezione del punto di campionamento sulla linea di scansione considerata giace tra e sotto i suoi punti di partenza e finali (linea 9).

[0054] In tal caso, il punto di campionamento viene proiettato sul piano perpendicolare alla direzione di scansione (linea 10). Quindi, la deformazione elastica la

deformazione plastica e la temperatura massima prodotte dalla linea di scansione considerata vengono reperite tramite la corrispondente funzione di interpolazione 112.

[0055] Un'approssimazione di primo ordine di si ottiene cambiando il segno della

con la traccia massima (linea 18) valutata dopo l'ultimo rilassamento (linee 14-17) ed espressa nel sistema di riferimento globale (linea 19).

[0056] La deformazione plastica equivalente iniziale ? approssimata (linea 21) dalla

massima calcolata dopo l'ultimo rilassamento (linee 14-17) come:

[0057] Le deformazioni incompatibile e plastica equivalente iniziale vengono trasferite agli elementi del reticolo in macro-scala 144 calcolando la media (fase 124) dei valori calcolati nei punti di campionamento all'interno di ciascun elemento del suddetto reticolo:

in cui 0? ? il numero dei punti di campionamento generati nella fase 121 appartenenti al dominio di elementi M?.

3. Modello in macro-scala

[0058] La simulazione in macro-scala 130, consistente in una simulazione FE strutturale, valuta il campo di spostamento e tutte le quantit? derivate durante l'intero processo di costruzione.

[0059] Il volume della parte viene tagliato in sezioni con piani perpendicolari alla direzione di costruzione.

[0060] Riferendosi alla figura 7, tutti gli elementi appartenenti alla parte fabbricata sono inizialmente disattivati, cio? la loro rigidit? viene resa trascurabile rispetto al suo valore originale. Quindi, le sezioni vengono attivate sequenzialmente ripristinando la rigidit? originale dei loro elementi.

[0061] Gli elementi attivati ricevono la deformazione elastica iniziale

e la deformazione plastica equivalente iniziale (si veda la fase 131) definita dalla procedura PSS 123 nella fase di scalabilit? 120.

[0062] Le equazioni FE strutturali da risolvere hanno la forma seguente

in cui:

? la matrice di rigidit? strutturale;

? il vettore di spostamento nodale;

? il vettore di carichi nodali strutturali (derivante da condizioni di confine iperstatiche);

? la matrice di rigidit? termoelastica;

? il vettore di temperatura nodale; e

? la temperatura di riferimento adottata per calcolare le deformazioni termiche.

[0063] La piastra basale ? vincolata, almeno isostaticamente, per impedire movimenti rigidi durante il processo di costruzione.

[0064] Tutti i nodi non appartenenti agli elementi attivi sono completamente vincolati (si veda la figura 7) per mantenere la superficie superiore di ciascuna sezione nella sua forma e dimensione nominale fino all'attivazione.

4. Convalida del metodo di simulazione

[0065] Il metodo di simulazione 100 ? stato testato sul provino a forma di mensola rappresentato nella figura 8A e nella figura 8B. Il provino ? stato fabbricato in Inconel<? >718 fuso al laser selettivo. I supporti sono stati tagliati a filo prima di misurare il profilo superiore con la scansione 3D.

[0066] Il taglio a filo fa s? che la mensola si pieghi (figura 8B) a causa dei gradienti di tensione x-z generati durante il processo di costruzione.

[0067] Il confronto tra il profilo superiore simulato e misurato ? mostrato nella figura 9. Complessivamente, la simulazione sovrastima lo spostamento verso l'alto con un errore assoluto massimo di 0,2 mm. Questa precisione ? paragonabile alla fluttuazione dei dati misurati tra diversi provini.

[0068] Poich? la distorsione della mensola dopo la rimozione del supporto ? azionata principalmente dal rilascio delle tensioni di piegatura accumulate durante il processo di costruzione, il metodo di simulazione sembra riprodurre correttamente il campo di tensione in tutta la flangia superiore del provino.

5. Conclusioni

[0069] Il metodo 100 pu? essere applicato per simulare qualsiasi processo di fabbricazione impiegante una sorgente di calore mobile, come saldatura, deposizione di energia diretta, deposizione di metalli mediante laser, modellazione a deposizione fusa, PBF, e altri processi di fabbricazione additiva.

[0070] La procedura PSS 123 ? equivalente o pi? efficace di strategie simili di scalabilit? strutturale. Infatti, richiede la fase del modello in meso-scala 111 di una singola linea di scansione 202, mentre altri metodi simulano uno o pi? strati 204. Inoltre, la procedura PSS 123 ? risultata pi? veloce di tutte le strategie di simulazione che eseguono un'analisi termica su scala completa. Ci? fa risparmiare risorse computazionali, aumentando anche la velocit? di elaborazione.

[0071] Riferendosi ora alla figura 10, viene illustrato un sistema 300 per eseguire il metodo 100. Il sistema 300 comprende un computer o un'unit? di elaborazione 301, dotata di un processore 301?, configurato per eseguire il metodo 100 e simulante, per esempio, un processo di produzione o di saldatura per mezzo di una sorgente di calore mobile, in cui la sorgente di calore ? guidata secondo un percorso di fabbricazione. Il computer 301 ? azionabile per eseguire un programma per computer che effettua il metodo di simulazione.

[0072] Il software che implementa il metodo di simulazione 100 pu? essere eseguito da differenti sistemi informatici. Per esempio, si pu? usare un comune computer portatile (HP<?>, ThinkPad<?>, Apple<?>, o simili) con un processore Intel<? >o AMD<?>, equipaggiato con un pacchetto di memoria RAM adatto, come, solo a scopo d'esempio, una RAM da 1 GB.

[0073] Inoltre, si pu? usare un server, che pu? essere installato sul posto oppure essere basato su cloud. Inoltre, grazie al fatto che sono richiesti mezzi di elaborazione, pu? essere impiegata una rete di computer, anche distanti rispetto al luogo in cui viene avviata l'elaborazione. Inoltre, in linea di principio, per eseguire il metodo di simulazione 100 si possono usare dispositivi portatili, come tablet o smartphone, debitamente programmati. In teoria, anche computer quantici o qualsiasi altro mezzo di elaborazione pu? essere programmato per elaborare il metodo di simulazione 100.

[0074] Per quanto riguarda il linguaggio software usato per implementare il metodo di simulazione, sarebbero preferibili linguaggi compilati, come C++, Fortran e simili, ma possono essere adatti anche linguaggi interpretati, come Python, Java e simili, a seconda del caso specifico.

[0075] Il sistema 300 comprende anche un database 302 configurato per memorizzare le funzioni di interpolazione 112. Il database 302 pu? essere basato su hardware (memoria, disco rigido o qualsiasi altro mezzo di memorizzazione) e/o basato su software, ed ? accoppiato al processore del computer. Le funzioni di interpolazione possono essere richiamate dal database 302 tramite la combinazione materiale-parametri corrispondente.

[0076] Il sistema 300 comprende anche dispositivi per un visualizzatore 303, una stampante 304, e mezzi di memorizzazione aggiuntivi 305 per memorizzare i risultati dei calcoli, tutti collegati al computer 301 e controllati da esso. Tali dispositivi sono configurati per mostrare i risultati della simulazione.

[0077] Un vantaggio della soluzione ? che consente una simulazione basata sulla fisica di volumi di scansione significativi con un costo computazionale ragionevole.

[0078] Inoltre, ? un vantaggio della soluzione descritta nella presente il fatto che viene ridotto al minimo il numero di configurazioni dipendenti dal percorso di scansione esplorate a livello di meso-scala.

[0079] ? anche un vantaggio del metodo di simulazione secondo la presente descrizione il fatto che consente di ridurre il numero di procedure di prova e di errore attualmente impiegate per lo sviluppo di prodotti.

[0080] Sebbene gli aspetti dell'invenzione siano stati descritti in termini di varie forme di realizzazione specifiche, risulter? evidente ai tecnici del ramo con competenze ordinarie che sono possibili molte modifiche, cambiamenti, e omissioni senza allontanarsi dallo spirito e dall'ambito delle rivendicazioni. Inoltre, a meno che non venga specificato diversamente nella presente, l'ordine o la sequenza di qualsiasi fase di processo o metodo pu? essere variato o ridisposto in sequenza secondo forme di realizzazione alternative.

[0081] Si ? fatto riferimento in dettaglio a forme di realizzazione della descrizione, uno o pi? esempi della quale sono illustrati nei disegni. Ciascun esempio ? fornito a scopo di spiegazione della descrizione, non a limitazione della descrizione. Infatti, risulter? evidente ai tecnici del ramo che nella presente descrizione si possono apportare varie modifiche e variazioni senza allontanarsi dall'ambito o spirito della descrizione. Il riferimento in tutta la specifica a ?una forma di realizzazione? o ad ?alcune forme di realizzazione? significa che il particolare aspetto, struttura o caratteristica descritta in relazione a una forma di realizzazione ? incluso in almeno una forma di realizzazione della materia in oggetto descritta. Pertanto, l'aspetto della frase ?in una forma di realizzazione? o ?in alcune forme di realizzazione? in vari punti di tutta la specifica non ? riferito necessariamente alla(e) stessa(e) forma(e) di realizzazione. Inoltre, i particolari aspetti, strutture o caratteristiche si possono combinare in qualsiasi modo adatto in una o pi? forme di realizzazione.

[0082] Quando vengono introdotti elementi di varie forme di realizzazione, gli articoli ?un?, ?uno?, ?una?, ?il/lo/la/i/gli/le?, e ?detto? intendono indicare che sono presenti uno o pi? degli elementi. I termini ?comprendente?, ?includente?, e ?avente? intendono essere inclusivi e indicano che vi possono essere elementi aggiuntivi diversi dagli elementi elencati.

Claims (14)

RIVENDICAZIONI

1. Metodo implementato al computer (100) per simulare un processo di fabbricazione impiegante una sorgente di calore mobile, destinato a fondere o a sinterizzare un materiale, in cui la sorgente di calore ? guidata secondo un percorso predefinito, in cui il metodo (100) comprende le fasi di:

leggere (141) una pluralit? di parametri di processo per eseguire il processo di fabbricazione;

leggere (143) le propriet? del materiale per simulare il processo di fabbricazione;

calcolare mediante un modello in meso-scala (111) le quantit? fisiche rappresentative della storia termica indotta dal processo e dei campi di tensione residua e deformazione per ciascun insieme di parametri di processo (141) impiegati per il dato materiale (143);

definire (144) un reticolo di elementi finiti (FE) in macro-scala di tutte le parti coinvolte nel processo di fabbricazione, comprendente una pluralit? di elementi; e scalare (120) i risultati in meso-scala al reticolo FE in macro-scala (144) in base al percorso definito (142), in cui la fase di scalabilit? (120) comprende anche le fasi di

calcolare (123) il valore delle quantit? fisiche in uno o pi? punti di campionamento di ciascun elemento del reticolo FE, in base al percorso definito (142), e

calcolare la media (124) dei valori delle quantit? fisiche calcolate all'interno di ciascun elemento del reticolo FE in macro-scala (144); e eseguire una simulazione in macro-scala (130), per determinare gli spostamenti e tutte le quantit? derivate durante l'intero processo di fabbricazione.

2. Metodo (100) secondo la rivendicazione precedente, in cui il modello in meso-scala (111) determina le quantit? fisiche su scale di lunghezza paragonabili alla dimensione della sorgente di calore.

3. Metodo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le quantit? fisiche sono ottenute dalla simulazione in meso-scala (110) di una singola linea di scansione (202).

4. Metodo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le quantit? fisiche sono campionate o calcolate su un piano (201) perpendicolare alla direzione di movimento della sorgente di calore.

5. Metodo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3 o 4, in cui le quantit? fisiche vengono impiegate per definire una o pi? funzioni di interpolazione (112).

6. Metodo (100) secondo la rivendicazione precedente, in cui le funzioni di interpolazione calcolano la deformazione elastica, la deformazione plastica, e la temperatura massima in base alla posizione rispetto alla linea di scansione (202).

7. Metodo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 o 6, comprendente la fase di memorizzare le funzioni di interpolazione (112) in mezzi di memorizzazione (302).

8. Metodo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, prima della fase di calcolare il valore delle quantit? fisiche (123) in ciascun punto di campionamento degli elementi del reticolo FE (144), la procedura di scalabilit? (120) comprende inoltre le fasi di:

definire uno o pi? punti di campionamento (121) per ciascun elemento del reticolo FE in macro-scala (144); e

inizializzare (122) il valore delle quantit? fisiche in ogni punto di campionamento, preferibilmente a zero.

9. Metodo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i punti di campionamento sono distribuiti casualmente o regolarmente.

10. Metodo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la sorgente di calore ? un fascio elettromagnetico, come un laser, o un fascio elettronico, e in cui il materiale ? una polvere da stratificare.

11. Metodo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i parametri di processo (141) comprendono uno o pi? dei seguenti parametri: un laser o un elettrone, una velocit? di scansione, un diametro del fascio, uno spessore di strato, una temperatura di preriscaldamento, e un'atmosfera della camera di costruzione.

12. Sistema (300) per simulare un processo di fabbricazione impiegante una sorgente di calore mobile, destinato a fondere o a sinterizzare un materiale, in cui la sorgente di calore ? guidata secondo un percorso predeterminato; il sistema (300) comprendendo:

un'unit? di elaborazione o un computer (301) comprendente almeno un processore (301?) azionabile per eseguire un programma per computer che effettua le fasi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti;

un database (302) configurato per memorizzare le funzioni di interpolazione (112); e

almeno un dispositivo (303, 304, 305) per visualizzare, stampare, o memorizzare i risultati della simulazione in macro-scala (130).

13. Programma per computer, comprendente istruzioni che, quando il programma ? eseguito da un computer (301), fanno s? che il computer (301) effettui le fasi del metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 1-11.

14. Supporto di memorizzazione leggibile da computer, comprendente le istruzioni che, quando eseguite da un computer, fanno s? che il computer effettui le fasi del metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-11.