1.一种使工件的变形最小化的方法,所述方法包括如下步骤:
在计算机系统中,对所述工件的在通过增材制造进行制造期间及制造之后的有限元热机械模型进行有限元分析以预测工件的形状变形以及残余应力发展,其中,所述制造包括将通过热源熔化的多层材料沿着沉积路径沉积在基板上的制造步骤;以及
在制造之前或制造期间将更改引入所述工件以补偿预测到的变形。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述制造进一步包括以下制造步骤中的一个或者多个:预热所述基板,冷却所述工件,以及后续解除所述工件上的机械约束。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述热源包括以下中的一种或多种:电子束、焊弧、等离子弧和激光束。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,对所述基板的几何形状以及所述沉积路径中的一者或者多者进行更改。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述模型包括用于将所述基板和所述沉积材料中的热传导模型化的热传导单元。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述模型包括用于将从所述工件向外部的热传递模型化的热传递单元。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述热传递单元根据所述工件的热辐射将热传递模型化。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述热传递单元根据以下公式将热传递模型化:
其中,q是热通量,T是温度,Tamb是环境温度,ε是表面辐射,σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其中,所述热传递单元额外地根据所述工件的热传导将热传递模型化。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述热传递单元根据以下公式将热传递模型化:
q=h(T-T=Tamb)
其中,q是所述热通量,T是所述温度,Tamb是所述环境温度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述模型包括使用胡克定律、所述材料的杨氏模量、泊松比和热膨胀系数的弹性变形单元。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述模型包括遵循冯·米塞斯屈服准则的屈服行为单元。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述模型包括屈服行为单元,所述屈服行为单元遵循凭经验推导的依赖温度的流动应力数据。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述模型包括材料沉积单元,其中,在液相线温度或者稍微高于所述液相线温度利用少量过热将所述材料的沉积模型化。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述模型包括凝固单元。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的方法,其中,所述模型包括材料沉积单元,其中,将通过施加能量/热源以熔化所述材料而进行的材料沉积模型化。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法进一步包括如下步骤:使用来自所述有限元分析的应力分析信息来识别局部应力增加,在使用所述热源的一个或多个制造阶段期间需要减轻所述局部应力增加。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法进一步包括如下步骤:通过在材料的连续层的沉积之间不冷却所述工件,使在一个或多个制造阶段期间来自所述基板和所述沉积材料的热损失最小化。
19.根据权利要求18所述的方法,其中,在材料的连续层的沉积之间防止所述工件的平均温度下降10%。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法进一步包括如下步骤:通过在制造期间及制造之后使所述工件绝热,使在一个或多个制造阶段期间来自所述基板和所述沉积材料的热损失最小化。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法进一步包括如下步骤:通过向所述工件施加辐射反射,使在一个或多个制造阶段期间来自所述基板和所述沉积材料的热损失最小化。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法进一步包括如下步骤:通过在沉积所述材料之前预热所述基板,使所述工件和所述基板之间的热梯度最小化。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法进一步包括如下步骤:通过根据随着部件冷却而变化的临界应力控制夹紧力的降低来控制在一个或多个制造阶段期间的机械边界条件,以最小化或者避免裂纹形成或者其它制造缺陷。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述材料是金属或者金属合金。
25.根据权利要求24所述的方法,其中,所述金属合金包括钛、铝、镍、钒、钽、铜、钪、硼和镁中的任何一种或多种。
26.根据权利要求25所述的方法,其中,所述金属合金是钛合金Ti-6Al-4V。
27.一种预测工件的变形的计算机实施方法,所述方法包括如下步骤:
在计算机系统中,对所述工件的在通过增材制造进行制造期间及制造之后的有限元热机械模型进行有限元分析以预测工件的形状变形以及残余应力发展,其中,所述制造包括将通过热源熔化的材料的多个层沿着沉积路径沉积在基板上的制造步骤。
28.根据权利要求27所述的计算机实施方法,其中,所述制造进一步包括以下制造步骤中的一个或者多个:预热所述基板,冷却所述工件,以及后续解除所述工件上的机械约束。
29.根据权利要求27至28中任一项所述的计算机实施方法,其中,所述模型包括热传导单元,所述热传导单元用于将所述基板和所述沉积材料中的热传导模型化。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的计算机实施方法,其中,所述模型包括热传递单元,所述热传递单元用于将从所述工件向外部的热传递模型化。
31.根据权利要求30所述的计算机实施方法,其中,所述热传递单元根据所述工件的热辐射将热传递模型化。
32.根据权利要求31所述的计算机实施方法,其中,所述热传递单元根据以下公式将热传递模型化:
其中,q是热通量,T是温度,T_amb是环境温度,ε是表面辐射,σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数。
33.根据权利要求31或32所述的计算机实施方法,其中,所述热传递单元额外地根据所述工件的热传导将热传递模型化。
34.根据权利要求33所述的计算机实施方法,其中,所述热传递单元根据以下公式将热传递模型化:
q=h(T-Tamb)
其中,q是所述热通量,T是所述温度,Tamb是环境温度。
35.根据权利要求27至34中任一项所述的计算机实施方法,其中,所述模型包括使用胡克定律、所述材料的杨氏模量、泊松比和热膨胀系数的弹性变形单元。
36.根据权利要求27至35中任一项所述的计算机实施方法,其中,所述模型包括遵循冯·米塞斯屈服准则的屈服行为单元。
37.根据权利要求27至36中任一项所述的计算机实施方法,其中,所述模型包括屈服行为单元,所述屈服行为单元遵循凭经验推导的依赖温度的流动应力数据。
38.根据权利要求27至37中任一项所述的计算机实施方法,其中,所述模型包括材料沉积单元,其中,在所述液相线温度或者稍微高于所述液相线温度利用少量过热将所述材料的沉积模型化。
39.根据权利要求27至38中任一项所述的计算机实施方法,其中,所述模型包括凝固单元。
40.根据权利要求27至37中任一项所述的计算机实施方法,其中,所述模型包括材料沉积单元,其中,将通过施加能量/热源以熔化所述材料而进行的材料沉积模型化。
41.一种非瞬时性计算机可读介质,所述非瞬时性计算机可读介质对一系列指令进行编码以使处理器执行根据权利要求27至40中任一项所述的方法。
42.一种增材制造装置,所述增材制造装置包括:
热源;送丝器;工作台,所述工作台用于支撑基板,在所述基板上进行材料沉积;移动机构,所述移动机构用于提供所述热源、送丝器以及工作台的相对移动;以及真空室,所述真空室封闭所述热源、送丝器、工作台以及移动机构;
控制设备,所述控制设备用于控制所述热源、送丝器、工作台以及移动机构的操作;以及
计算机系统,所述计算机系统包括:
主存储器,所述主存储器用于存储用于有限元分析应用模块的计算机可读代码;
至少一个处理器,所述至少一个处理器联接至所述主存储器,所述至少一个处理器执行所述主存储器中的所述计算机可读代码,以使所述应用模块对所述工件在制造之前及制造期间的有限元热机械模型进行有限元分析以预测工件的形状变形和/或残余应力发展,并且所述至少一个处理器用于执行根据权利要求1至26中任一项所述的方法。
43.一种用于预测通过增材制造所制造的工件的变形的系统,其中,所述制造包括将通过热源熔化的材料沿着沉积路径沉积在基板上,所述系统包括:
主存储器,所述主存储器用于存储用于有限元分析应用模块的计算机可读代码;
至少一个处理器,所述至少一个处理器联接至所述主存储器,所述至少一个处理器执行所述主存储器中的所述计算机可读代码,以使所述应用模块对所述工件在制造之前及制造期间的有限元热机械模型进行有限元分析,以预测工件的形状变形和/或残余应力发展。