[发明专利]增材制造的可扩展有限元模拟

说明书

使用用于零件级模拟的数值方法提供准确、可扩展和可预测的3D打印模拟的方法和系统。复杂的零件可以使用独立和任意的网格离散化成有限元。使用将有限元网格与打印机的工具路径信息在几何意义上组合在一起的相交模块，对打印机的真实增材制造工具路径和打印时间进行模拟并应用于有限元的网格。这允许非常精确地模拟局部加热效应，并且允许在给定相交模块在打印模拟中的任何给定时间对有限元的部分小面和体积的计算时精确地计算冷却评估。

相关申请

本申请要求于2016年5月20日提交的第62/339,203号美国临时申请的权益。上述申请的全部教导通过引用的方式被并入本文中。

背景技术

3D打印技术近年来的动力是显著的。许多打印机制造商存在，并且新公司似乎一夜之间出现。尽管存在这种新的发展浪潮，但是在许多(如果不是大多数)情况下，技术的可靠性受到限制，并且打印或增材制造(“AM”)的零件在与使用传统技术制造的零件比较时产生导致低于标准的强度和疲劳寿命的缺陷。这个不利的方面严重限制了技术的普及。寻求计算机模拟来提供对流程的洞察，从而可以在提高AM零件质量方面取得进展。

增材制造过程的许多物理相关方面类似于一些常规制造技术，例如铸造和焊接。材料以热和流体状态加入，然后冷却。在增材制造中，材料以熔融状态逐渐增加，或者通过移动的热源(例如，激光)使其处于熔融状态，之后在连续演变的表面上发生冷却。AM的额外挑战，特别是与金属制造相关的问题，与制造过程中必须处理的时间和长度尺度的巨大差距有关：在“行动”区域内的非常局部化和快速发展的物理现象，而整个零件的制造过程需要数小时或可能数天。

开发用于模拟增材制造过程的某些方面的数值技术的努力是众多的，并且跨越从学术界到应用研究商业实体的多个个科学家和工程师社区。通过计算机模拟来捕获/预测这些过程的困难很多，包括：(1)熔化/凝固物理现象的差异非常大的时间尺度(毫秒)和典型零件的整个制造时间(机器上打印的小时数)；(2)范围广泛的尺度长度，从与熔池相关的微米到对典型零件进行建模所需的数百毫米；(3)在“作用”区周围快速演变高温梯度，这导致高度各向异性材料的最终性能(在最终热处理之前)；(4)假设采用足够的模型，通常需要非常大的模拟时间来对这些过程建模，以便捕获上述所有。

开发新的数值方案对于应对所有这些挑战是必要的。以下是现有技术的示例，每种技术都不能解决上述困难：

3DSIM是声称它开发基于有限元的有效数值模拟技术的公司。3DSIM的方法似乎利用自适应网格细化/粗化技术，同时利用先进的金属建模本构行为。参见www.3dsim.com和I.Gibson，D.Rosen，B.Stucker，Additive manufacturing technologies：Rapidprototyping to direct digital manufacturing，Springer，New York，2009。该技术旨在用于激光熔融/烧结AM应用和在“动作”区域(例如，当前的激光位置)中采用自动网格细化技术。然而，它并没有在整个零件中利用实际的激光路径信息和重涂棒/边接棒。因此，通过对整个零件进行对流和辐射实现的整体冷却会导致丢失精度/预测性。此外，当分析在多个CPU(特别是大量的CPU)上并行运行时，网格的自动细化/粗化对整体计算性能具有负面影响。

PANCOMPUTING是利用基于有限元解决方案的公司的另一个例子。PANCOMPUTING的方法还包括自适应网格细化技术，并且能够在打印过程中对不期望的失真进行预测。参见www.pancomputing.com和P.Michaleris，“Modeling metal deposition in heattransfer analyses of additive manufacturing processes In situ monitoring”。Finite Elements in Analysis and Design(2014)：51-60。该技术与3DSIM相似，并且面临着类似的限制。