[發(fā)明專(zhuān)利]增材制造的可擴(kuò)展有限元模擬

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710352391.7
• 申請(qǐng)日: 2017-05-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107403026B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 達(dá)索系統(tǒng)西姆利亞公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 代理公司: 永新專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 劉瑜;王英

使用用于零件級(jí)模擬的數(shù)值方法提供準(zhǔn)確、可擴(kuò)展和可預(yù)測(cè)的3D打印模擬的方法和系統(tǒng)。復(fù)雜的零件可以使用獨(dú)立和任意的網(wǎng)格離散化成有限元。使用將有限元網(wǎng)格與打印機(jī)的工具路徑信息在幾何意義上組合在一起的相交模塊，對(duì)打印機(jī)的真實(shí)增材制造工具路徑和打印時(shí)間進(jìn)行模擬并應(yīng)用于有限元的網(wǎng)格。這允許非常精確地模擬局部加熱效應(yīng)，并且允許在給定相交模塊在打印模擬中的任何給定時(shí)間對(duì)有限元的部分小面和體積的計(jì)算時(shí)精確地計(jì)算冷卻評(píng)估。

相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求于2016年5月20日提交的第62/339,203號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益。上述申請(qǐng)的全部教導(dǎo)通過(guò)引用的方式被并入本文中。

背景技術(shù)

3D打印技術(shù)近年來(lái)的動(dòng)力是顯著的。許多打印機(jī)制造商存在，并且新公司似乎一夜之間出現(xiàn)。盡管存在這種新的發(fā)展浪潮，但是在許多(如果不是大多數(shù))情況下，技術(shù)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(tǒng)技術(shù)制造的零件比較時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)致低于標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度和疲勞壽命的缺陷。這個(gè)不利的方面嚴(yán)重限制了技術(shù)的普及。尋求計(jì)算機(jī)模擬來(lái)提供對(duì)流程的洞察，從而可以在提高AM零件質(zhì)量方面取得進(jìn)展。

增材制造過(guò)程的許多物理相關(guān)方面類(lèi)似于一些常規(guī)制造技術(shù)，例如鑄造和焊接。材料以熱和流體狀態(tài)加入，然后冷卻。在增材制造中，材料以熔融狀態(tài)逐漸增加，或者通過(guò)移動(dòng)的熱源(例如，激光)使其處于熔融狀態(tài)，之后在連續(xù)演變的表面上發(fā)生冷卻。AM的額外挑戰(zhàn)，特別是與金屬制造相關(guān)的問(wèn)題，與制造過(guò)程中必須處理的時(shí)間和長(zhǎng)度尺度的巨大差距有關(guān)：在“行動(dòng)”區(qū)域內(nèi)的非常局部化和快速發(fā)展的物理現(xiàn)象，而整個(gè)零件的制造過(guò)程需要數(shù)小時(shí)或可能數(shù)天。

開(kāi)發(fā)用于模擬增材制造過(guò)程的某些方面的數(shù)值技術(shù)的努力是眾多的，并且跨越從學(xué)術(shù)界到應(yīng)用研究商業(yè)實(shí)體的多個(gè)個(gè)科學(xué)家和工程師社區(qū)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)捕獲/預(yù)測(cè)這些過(guò)程的困難很多，包括：(1)熔化/凝固物理現(xiàn)象的差異非常大的時(shí)間尺度(毫秒)和典型零件的整個(gè)制造時(shí)間(機(jī)器上打印的小時(shí)數(shù))；(2)范圍廣泛的尺度長(zhǎng)度，從與熔池相關(guān)的微米到對(duì)典型零件進(jìn)行建模所需的數(shù)百毫米；(3)在“作用”區(qū)周?chē)焖傺葑兏邷靥荻龋@導(dǎo)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(shè)采用足夠的模型，通常需要非常大的模擬時(shí)間來(lái)對(duì)這些過(guò)程建模，以便捕獲上述所有。

開(kāi)發(fā)新的數(shù)值方案對(duì)于應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)是必要的。以下是現(xiàn)有技術(shù)的示例，每種技術(shù)都不能解決上述困難：

3DSIM是聲稱(chēng)它開(kāi)發(fā)基于有限元的有效數(shù)值模擬技術(shù)的公司。3DSIM的方法似乎利用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化/粗化技術(shù)，同時(shí)利用先進(jìn)的金屬建模本構(gòu)行為。參見(jiàn)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(shù)旨在用于激光熔融/燒結(jié)AM應(yīng)用和在“動(dòng)作”區(qū)域(例如，當(dāng)前的激光位置)中采用自動(dòng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)。然而，它并沒(méi)有在整個(gè)零件中利用實(shí)際的激光路徑信息和重涂棒/邊接棒。因此，通過(guò)對(duì)整個(gè)零件進(jìn)行對(duì)流和輻射實(shí)現(xiàn)的整體冷卻會(huì)導(dǎo)致丟失精度/預(yù)測(cè)性。此外，當(dāng)分析在多個(gè)CPU(特別是大量的CPU)上并行運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)格的自動(dòng)細(xì)化/粗化對(duì)整體計(jì)算性能具有負(fù)面影響。

PANCOMPUTING是利用基于有限元解決方案的公司的另一個(gè)例子。PANCOMPUTING的方法還包括自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)，并且能夠在打印過(guò)程中對(duì)不期望的失真進(jìn)行預(yù)測(cè)。參見(jiàn)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(shù)與3DSIM相似，并且面臨著類(lèi)似的限制。