[發明專利]增材制造的可擴展有限元模擬

有效

• 申請號: 201710352391.7
• 申請日: 2017-05-18
• 公開（公告）號: CN107403026B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: V·G·翁西亞;J·A·H·奧爾蒂茲;B·恩格爾曼;W·J·格蘭姆斯
• 申請（專利權）人: 達索系統西姆利亞公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 劉瑜;王英

使用用于零件級模擬的數值方法提供準確、可擴展和可預測的3D打印模擬的方法和系統。復雜的零件可以使用獨立和任意的網格離散化成有限元。使用將有限元網格與打印機的工具路徑信息在幾何意義上組合在一起的相交模塊，對打印機的真實增材制造工具路徑和打印時間進行模擬并應用于有限元的網格。這允許非常精確地模擬局部加熱效應，并且允許在給定相交模塊在打印模擬中的任何給定時間對有限元的部分小面和體積的計算時精確地計算冷卻評估。

相關申請

本申請要求于2016年5月20日提交的第62/339,203號美國臨時申請的權益。上述申請的全部教導通過引用的方式被并入本文中。

背景技術

3D打印技術近年來的動力是顯著的。許多打印機制造商存在，并且新公司似乎一夜之間出現。盡管存在這種新的發展浪潮，但是在許多(如果不是大多數)情況下，技術的可靠性受到限制，并且打印或增材制造(“AM”)的零件在與使用傳統技術制造的零件比較時產生導致低于標準的強度和疲勞壽命的缺陷。這個不利的方面嚴重限制了技術的普及。尋求計算機模擬來提供對流程的洞察，從而可以在提高AM零件質量方面取得進展。

增材制造過程的許多物理相關方面類似于一些常規制造技術，例如鑄造和焊接。材料以熱和流體狀態加入，然后冷卻。在增材制造中，材料以熔融狀態逐漸增加，或者通過移動的熱源(例如，激光)使其處于熔融狀態，之后在連續演變的表面上發生冷卻。AM的額外挑戰，特別是與金屬制造相關的問題，與制造過程中必須處理的時間和長度尺度的巨大差距有關：在“行動”區域內的非常局部化和快速發展的物理現象，而整個零件的制造過程需要數小時或可能數天。

開發用于模擬增材制造過程的某些方面的數值技術的努力是眾多的，并且跨越從學術界到應用研究商業實體的多個個科學家和工程師社區。通過計算機模擬來捕獲/預測這些過程的困難很多，包括：(1)熔化/凝固物理現象的差異非常大的時間尺度(毫秒)和典型零件的整個制造時間(機器上打印的小時數)；(2)范圍廣泛的尺度長度，從與熔池相關的微米到對典型零件進行建模所需的數百毫米；(3)在“作用”區周圍快速演變高溫梯度，這導致高度各向異性材料的最終性能(在最終熱處理之前)；(4)假設采用足夠的模型，通常需要非常大的模擬時間來對這些過程建模，以便捕獲上述所有。

開發新的數值方案對于應對所有這些挑戰是必要的。以下是現有技術的示例，每種技術都不能解決上述困難：

3DSIM是聲稱它開發基于有限元的有效數值模擬技術的公司。3DSIM的方法似乎利用自適應網格細化/粗化技術，同時利用先進的金屬建模本構行為。參見www.3dsim.com和I.Gibson，D.Rosen，B.Stucker，Additive?manufacturing?technologies：Rapidprototyping?to?direct?digital?manufacturing，Springer，New?York，2009。該技術旨在用于激光熔融/燒結AM應用和在“動作”區域(例如，當前的激光位置)中采用自動網格細化技術。然而，它并沒有在整個零件中利用實際的激光路徑信息和重涂棒/邊接棒。因此，通過對整個零件進行對流和輻射實現的整體冷卻會導致丟失精度/預測性。此外，當分析在多個CPU(特別是大量的CPU)上并行運行時，網格的自動細化/粗化對整體計算性能具有負面影響。

PANCOMPUTING是利用基于有限元解決方案的公司的另一個例子。PANCOMPUTING的方法還包括自適應網格細化技術，并且能夠在打印過程中對不期望的失真進行預測。參見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。該技術與3DSIM相似，并且面臨著類似的限制。