基于逐点叠加过程的缩放方法及其系统技术方案

公开了一种用于模拟采用移动热源的任何制造过程的缩放方法。该方法旨在熔化或烧结材料，其中热源根据定义路径被驱动。该方法需要中尺度模型，该中尺度模型评估表示用于给定材料的每组过程参数的过程诱导的热历史和残余应力和应变场的物理量。通过对一条或多条扫描线建模而获得的中尺度结果基于定义路径被传送到宏观尺度有限元网格的元素。逐点执行缩放，并且随后对在宏观尺度有限元网格的每个元素内计算的物理量的值进行平均运算。最后，执行宏观尺度模拟，用于评估在整个制造过程中产生的残余应力和变形。生的残余应力和变形。生的残余应力和变形。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于逐点叠加过程的缩放方法及其系统


[0001]本公开涉及基于逐点叠加的模拟方法，该方法适用于采用移动热源的任何制造过程，例如焊接和粉末床熔化(PBF)。更具体地，本公开涉及链接中尺度模型和宏观尺度模型的缩放过程，如下文更好地解释的。

技术介绍

[0002]在3D打印领域中，有几种技术可用。例如，PBF包括使用聚焦能量来熔化或烧结粉末层的所有过程。
[0003]与这些过程相关的主要制造问题是多孔性、裂纹、分层、残余应力和变形。特别是，残余应力可能会降低机械强度，而变形可能会导致超差部件或零件与重新涂覆器之间的碰撞。
[0004]因此，可靠且快速的模拟方法的可用性在该领域将是有用且受欢迎的，以便预测可能的故障，从而最小化试错程序的影响。
[0005]一般而言，中尺度模型和宏观尺度模型最适于研究残余应力的影响，而微观尺度模型和颗粒尺度模型主要专注于微观结构、孔隙率和表面粗糙度。
[0006]更具体地，中尺度模型适合于评估由扫描过程在有限体积上产生的局部热历史以及残余应力和应变场。此类模型可与热力学模拟和实验程序组合使用，以优化过程参数并预测材料的微观结构在增材制造期间可能如何变化。这是特别重要的，因为微观结构影响印刷部件的静态和疲劳强度。
[0007]另一方面，宏观尺度模型由热结构或纯结构有限元(FE)分析组成，该分析可用于预测零件变形、评估应力以及在整个制造过程中定位可能的故障。
[0008]中尺度模型的不良可扩展性当前将其使用限制到小的扫描体积，这主要是由于计算成本。由于PBF过程的扫描长度通常超过109乘以光束直径，因此需要缩放过程来克服此类限制。
[0009]因此，在该领域欢迎一种有效的基于物理学的方法来计算FE模型的初始条件，该FE模型旨在预测由制造过程引起的残余应力和零件变形。

技术实现思路

[0010]在一个方面，本文公开的主题是用于模拟使用移动热源的制造过程的计算机实现的方法，该移动热源旨在熔化或烧结材料。该方法包括实现中尺度模型，以计算表示用于给定材料的一组过程参数的过程诱导的热历史和残余应力和应变场的物理量。此外，它定义了制造过程中涉及的所有零件的宏观尺度FE模型，该模型包括多个元素。然后，该方法实现链接中尺度和宏观尺度模型的缩放过程。更具体地，公开了逐点应变叠加(PSS)方法作为此类缩放过程。该方法基于从一个或多个中尺度热结构模拟获得的结果来计算宏观尺度结构模型的不相容应变(即，待施加到宏观尺度模型的初始弹性应变的加法逆元)和初始状态，因此减少了评估过程引起的残余应力和零件变形所需的总计算成本。以此方式，实现了对
例如由PBF增材制造过程引起的残余应力和零件变形两者的有效预测。此外，还实现了对可能产生的零件的可制造性和机械强度的评估。
[0011]本文还公开了一种用于模拟制造过程的系统，该系统包括处理单元或计算机，该处理单元或计算机具有可操作用于执行计算机实现的模拟方法的处理器。该系统可包括数据库和用于显示、打印或存储所获得结果的设备。
附图说明
[0012]当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本专利技术所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
[0013]图1示出了结合新的缩放过程的计算机实现的模拟方法的流程图；
[0014]图2示出了图1的模拟方法的详细流程图；
[0015]图3示出了根据第一实施方案的中尺度模型的示意性表示；
[0016]图4示出由单个扫描线的中尺度模拟产生的残余冯米塞斯等效应力场的3D截面；
[0017]图5示出了由单个扫描线的中尺度模拟产生的残余应力场的横向分量的横截面；
[0018]图6示出了由单个扫描线的中尺度模拟产生的残余应力场的纵向分量的横截面；
[0019]图7示出了宏观尺度模拟过程；
[0020]图8A示出了用于验证模拟方法的悬臂形样本，以及在构建过程之后在支撑件上进行的线切割；
[0021]图8B示出了切割后样本的变形形状；
[0022]图9示出了在切割之后样本的模拟顶部轮廓和测量顶部轮廓之间的比较；并且
[0023]图10示出了被配置为执行图1和图2的计算机实现的模拟的系统。
具体实施方式
[0024]已经构思了一种用于模拟使用沿着预定路径移动的热源的任何制造过程(例如焊接过程或增材制造过程)的方法。该方法处理待制造或待焊接的工件的实体模型。通过合适的中尺度模型模拟材料对加热过程的机械和热响应。然后，此类模型的结果被缩放以模拟待制造(或焊接)的整个工件的结构行为，以便预测在整个过程中产生的残余应力和变形。
[0025]一般而言，本文公开的模拟方法包括三个主要步骤：中尺度模拟、缩放过程和宏观尺度模拟。中尺度模拟再现了有限体积(甚至是单个扫描线)上的扫描过程，并且评估表示过程诱发的残余应力
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应变场的物理量。然后，缩放过程根据给定扫描路径将中尺度结果传送到宏观尺度FE网格。最后，宏观尺度模拟再现了评估整个工件的残余应力和变形的整个制造过程。以这种方式，可以以非常有限的计算成本模拟整个过程。
[0026]在下面的描述和下文给出的实施方案中，考虑了PBF过程，但是清楚的是，本文描述的方法不限于这种特定用途。
[0027]模拟方法在图1和图2中示出，并且其整体用附图标号100表示。
[0028]参照图1，示出了模拟方法100的上述三个主要步骤以及执行这些步骤所需的输入数据。被称为扫描策略140的过程相关输入数据包括过程参数141和扫描路径142，如下文更好地定义的。被称为材料特性143的材料相关输入数据包括模拟方法100所需的所有热物理特性和机械特性。最后，被称为FE网格144的离散化相关输入数据包括通过离散化其制造过
程必须被模拟的工件的实体模型而获得的元素和节点位置的列表。
[0029]仍然参照图1和图2，模拟方法100的中尺度模拟步骤110包括计算用于给定材料143的每组过程参数141的过程诱导的热历史和残余应力和应变场的子步骤。此外，中尺度模拟110包括在步骤112中存储结果的步骤。
[0030]更具体地，作为扫描策略140的一部分，中尺度模拟步骤110接收先前在步骤141中检索和读取的过程参数作为输入。这些参数是待模拟的制造或焊接过程的控制变量，例如射束功率、扫描速度、射束直径、层厚度和预热温度。
[0031]中尺度模拟步骤110的结果(即，残余弹性应变、塑性应变和最大温度场)被采样并用于定义一个或多个插值函数。特别地，在一些实施方案中，结果在垂直于扫描方向的平面上被采样，并且在步骤112中通过合适的存储装置作为二维插值函数被存储，该存储装置可以是基于硬件的存储装置(存储器、硬盘或任何其他存储装置)和/或基于软件的存储装置。
[0032]缩放步骤120包括四个子步骤。第一子步骤121是为宏观尺度FE网格144的每个元素定义采样点。第二子步骤122是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.计算机实现的方法(100)，所述计算机实现的方法用于模拟使用旨在熔化或烧结材料的移动热源的制造过程，其中所述热源根据预定路径被驱动，其中所述方法(100)包括以下步骤：读取(141)用于执行所述制造过程的多个过程参数；读取(143)用于模拟所述制造过程的材料特性；通过中尺度模型(111)计算表示用于给定材料(143)的每组过程参数(141)的过程诱导的热历史和残余应力和应变场的物理量；定义(144)在所述制造过程中涉及的所有零件的宏观尺度有限元(FE)网格，所述网格包括多个元素；以及基于定义路径(142)将中尺度结果缩放(120)到所述宏观尺度FE网格(144)，其中所述缩放步骤(120)还包括以下步骤：基于所述定义路径(142)计算(123)所述FE网格的每个元素的一个或多个采样点处的所述物理量的值，以及对在所述宏观尺度FE网格(144)的每个元素内计算的所述物理量的值进行平均(124)；以及执行宏观尺度模拟(130)，用于确定整个所述制造过程中的位移和所有导出量。2.根据前述权利要求所述的方法(100)，其中所述中尺度模型(111)确定与所述热源的尺寸相当的长度尺度上的所述物理量。3.根据前述权利要求中任一项的方法(100)，其中所述物理量是从单个扫描线(202)的中尺度模拟(110)获得的。4.根据前述权利要求中任一项的方法(100)，其中在垂直于所述热源的移动方向的平面(201)上采样或计算所述物理量。5.根据权利要求3或4中任一项所述的方法(100)，其中采用所述物理量来定义一个或多个插值函数(112)。6.根据前述权利要求所述的方法(100)，其中所述插值函数基于相对于所述扫描线(202)的位置计算弹性应变、塑性应变和最大温度。7.根据权利要求5或6中任一项所述的方法(100)，包括将所述插值函数(112)存储在存储装置(302)中的步骤。8.根据前...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：诺沃皮尼奥内技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：