[发明专利]基于逐点叠加过程的缩放方法及其系统

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明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：

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；

图2示出了图1的模拟方法的详细流程图；