WO2016082810A1 - Simulationsverfahren zur entwicklung eines herstellungsverfahrens - Google Patents

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computer
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melting
temperature field
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Thomas GÖHLER
Tobias Maiwald-Immer
Andreas Fischersworring-Bunk
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MTU Aero Engines AG
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for developing a production method in which a component is built up in layers by melting powder material by means of a jet source and subsequent solidification of the molten powder material.
  • the invention further relates to a system for the additive production of components.
  • Generative manufacturing processes also known as “rapid prototyping” or “additive manufacturing” allow complex components to be created directly from a computer model.
  • a widely used generative manufacturing process is beam melting.
  • the component is built up in layers by melting powder material by means of a beam source and then solidifying the molten powder material.
  • the powder material is metal-based and a laser or an electron beam is used as the beam source.
  • Manufacturing parameters and final properties of the respective component are determined empirically. However, the empirical determination is time-consuming and expensive. Effects of deviations of individual parameters in one step of the production chain on subsequent steps are not quantifiable. This makes deviation evaluations difficult and restricts
  • the method includes performing a production run that generates output components, comparing the output components with the set of input data to generate a resulting data set, the resulting data set including discrepancies between the set of input data and the output components, Integrate the resulting dataset into the information set and customize the dataset
  • the starting components comprise a combination of at least one production part with at least one iterative improvement test body, the iterative
  • Enhancement Probes include Z-strain arrangements, density cubes, dimension pyramids, bend samples, or combinations.
  • the object of the invention is to provide a technique / methods by means of which a generative production of a component can be developed quickly and reliably.
  • material-specific properties of a material are detached from a component geometry in a multiscale in a first process section depending on process parameters Simulation chain determined.
  • a second process section taking into account the process parameters and the material-specific properties, an additive construction of the component with this material is simulated.
  • a storage medium according to the invention or a plurality of storage media according to the invention contains / contains computer-readable instructions which, when executed by a computer, comprise a method according to the invention according to one of the methods disclosed in this document
  • a plant according to the invention for the additive production of components comprises a
  • the simulation method according to the invention provides a holistic view of the production chain and in particular a multiscale interdisciplinary physical one
  • a manufacturing process or a process chain can be reliably developed.
  • a physically based modeling takes place in the first method section and a phenomenological modeling takes place in the second method section. It can be determined before the actual generative production of the component, whether the components have their computer-defined load-oriented target requirements or if there are deviations from the target requirements. Scope for time- and cost-intensive experiments and trials of the finished component can be significantly reduced.
  • a process development takes place by staking out possible meaningful ones
  • Parameters / parameter windows for new plant generations, plant parameters, materials, and the like. It defines and optimizes a specific component geometry and scan strategy for additively manufactured components for near net shape production. As part of a sensitivity and deviation assessment, an analysis and evaluation of
  • Deviations from the defined manufacturing process are preferably at least partially automatically detected by a computer.
  • Consequences on the component properties and component quality due to the deviations can be shown, for example on a display device such as in particular a screen.
  • the simulation of the additive structure in the second method step preferably comprises generating a computer model of the additive structure of the component with at least one computer.
  • a method of manufacturing a component according to the invention comprises performing a method of developing a manufacturing method according to any one of the embodiments disclosed herein, wherein simulating comprises generating the additive structure of the component in a computer. Such a method further comprises a third process section, in which a layer-by-layer melting of powder material takes place by means of a jet source and subsequent solidification of the molten powder material according to the generated computer model.
  • Simulation chain means at this point the coupling of conditional or consecutive simulation methods.
  • Multiscale means at this point that, as a result of the physical approach, the models or methods must describe individual effects on corresponding and different size and time scales. Only through the coupling of the individual methods can the process-relevant effects be described holistically for the generative process and the influence of process and process parameters on the material properties and the resulting local
  • the first step involves this multiscale, physically based simulation chain consisting of the following 5 steps to link the manufacturing process with microstructure and local material strength.
  • the first part of the process comprises linking the following five steps to a simulation chain:
  • Grain structure and the precipitation structure are Grain structure and the precipitation structure.
  • step a for example, an energy input and the respective material are specified and then taking into account the energy input and the selected
  • Material calculates a molten bath dynamics and molten bath solidification.
  • the temperature field is based on such predetermined and / or calculated data (for the
  • Temperature field / temperature gradient from the first step a) determined.
  • Temperature field / temperature gradient determined.
  • the respective calculation takes place only for different small sections from the first step a) with the phase field method.
  • a grain structure (morphology such as grain size and
  • a precipitation kinetics is calculated under the influence of the parameter window and temperature field from the first step a), the grain structure from the third step c) and the heat treatment downstream of a production process.
  • a suitable method here is a CALPHAD based approach, for example implemented by a
  • the second method section preferably comprises a sixth step f), with which an internal stress and / or deformation simulation is carried out in the component to be manufactured.
  • An abstracted calculation of the additive manufacturing process with abstracted stratified heat coupling and simplified material details for the description of strength and deformation of the component to be manufactured takes place.
  • Process parameters to the first part of the process and thus to the user of the respective system or to a design department can be optimized in terms of modified scan parameters and / or scanning strategy to achieve minimum residual stresses and distortions.
  • a viewing plane may be smaller than a respective one at the second step b)
  • Viewing level two steps a) and c) be.
  • a good result is achieved with a reasonable computing effort.
  • a larger viewing plane is conceivable, for example, in the mm 2 or mm 3 range, but correspondingly high-performance computer systems are necessary for this.
  • the viewing planes in the first and third steps a), c) are the same size.
  • a viewing plane at the sixth step f) may be larger than the previous steps a) to e). Due to the larger viewing plane, for example in the cm 3 range, and the models used, the size of the component can be taken into account so that the simulation can be run much faster.
  • a method according to the invention is preferably carried out at least partially by a computer. In particular, some or all of the calculations in steps a) -f) are preferably done by a computer. Other advantageous embodiments of the invention are the subject of further
  • Figure 2 a schematic representation of a system according to the invention.
  • FIG. 1 shows the method 1 according to the invention on the basis of a greatly simplified one
  • a component is to be generated generatively in layers by melting powder material by means of a jet source and subsequent solidification of the molten powder material.
  • the powder material is, for example, metal-based and a laser is used as the beam source.
  • Strength properties are developed. For this purpose, in a first method section 2, depending on process parameters, specific properties of a material are determined detached from a component geometry. Then, in a second process section 4, taking into account the process parameters and the specific properties, a component is constructed with this material.
  • the first stage of the procedure involves multiscale physical based modeling. In the exemplary embodiment shown here, it comprises the following five steps:
  • process parameter and material optimization for optimum properties of the base material as required are derived from the requirements of the macroscopic component or individual component zones.
  • a component geometry and scan / manufacturing strategy of additive manufacturing are optimized to minimize residual stress and distortion in order to produce close to final contour.
  • parameters such as energy, scanning speed, layer thickness are derived and identified, by means of which a high component density in the volume and in the edge contour low roughness can be achieved or ensured.
  • Viewing level is preferably about 1 mm 2 .
  • step b material-specific dendritic solidification rates as a function of the thermal conditions such as temperature and temperature gradient field from the first step a), segregation coefficients and the like for the individual elements are determined on the basis of the calculation results from step a) mentioned in the preceding section.
  • the phase field method can be used here.
  • a viewing plane moves here preferably in nm 2 to ⁇ 2 or nm 3 to ⁇ 3 range.
  • a local rapid solidification on the basis of the temperature field / temperature gradient from the first step a) is determined.
  • a segregation or chemical inhomogeneity on Basis of the temperature field / temperature gradient determined. The respective calculation preferably takes place only for different small sections from the first step a).
  • step c) it is determined which grain structure (morphology such as grain size and aspect ratio, as well as texture) can be achieved with the respectively specific energy source and the selected / possible parameters or in the possible
  • Parameter window can be achieved. Examples are a collumnar or rod-like grain structure or a globulitic or a grain structure which is the same in all directions. Further examples are graded transitions between the two grain structures, which can be adjusted selectively in different zones of the component to the respective
  • the third step c) is preferably under
  • a viewing plane is preferably about 1 mm 2 and thus in the range of the preferred viewing plane of the first step a).
  • Basis are the ones mentioned in the previous section
  • step d) it is determined which particle sizes and volume fraction and which phases are present after the process and which influence the heat treatment has on their development.
  • a suitable method here is a CALPHAD-based method for the description of thermokinetic precipitation reactions. This method allows viewing planes in the preferred range of nm 3 to 1 mm 2 . However, one too
  • a precipitation kinetics is calculated under the influence of the parameter window and temperature field from step a), the grain structure from step c) and the heat treatment downstream of a production process.
  • the fifth step e) local strengths are derived from the grain structure (morphology and texture) and precipitation state (particle size, phase volume fraction and the like) for different component regions.
  • the fifth step e) can be achieved by a
  • a viewing plane is preferably in the mm 3 range.
  • the second method section 4 relates to the modeling of the component level. It comprises a sixth step f), with which a residual stress simulation and deformation in the component to be manufactured is carried out on the basis of material models.
  • the input from the scan strategy stored in the construction order is used to calculate residual stresses and delays resulting from the process.
  • Optimization measures for the component geometry, scan strategy, and the like are derived in order to reduce residual stresses and distortions and to enable near-net-shape production.
  • a viewing plane at the sixth step f) is in the cm 3 range and is thus larger than in the preceding steps a) to e).
  • the second method section 4 here has an interface to the first step a); namely, the abstracted heat coupling or used replacement heat source from method step 4 with the data from the high-resolution physically based melt pool simulation from step a) can be calibrated and optimized without further experimental effort.
  • the second method section has an interface to the fifth step e); namely, the calibration of the simplified material laws stored or used in process section 4 on the basis of the high-resolution physically-based local strength calculation from step e).
  • the goal of the interface is to improve the abstracted, simplified models through steps a) and e).
  • a feedback 8 of parameters can be made from the second method section 4 to the first method section 1 and thus to the user of the respective system or to a design department. This allows the process development to be constantly optimized.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a system 100 according to the invention for the additive production of components.
  • the system shown comprises a device 10 for layer-wise melting of powder material by means of a beam source 1 1, so as to produce a component 20.
  • the system 100 furthermore comprises a computer unit (or a computer) 30 which is set up to carry out a method according to the invention for developing a production method according to one of the embodiments disclosed in this document, and in particular to simulate an additive construction of the component.
  • the illustrated computer unit 30 comprises a screen 31, on which a in the context of Simulation generated computer model 21 of the component 20 is displayed. Via input means 32, parameters such as the respective material and / or a
  • the computer unit 30 is adapted to determine before the production of the component 20, whether the computer model 21 meets defined load-oriented target requirements or if there are deviations from such target requirements, and possibly resulting consequences on the component properties and component quality due to Show deviations, for example on the screen 31.
  • the generated computer model-determining data are stored on a mobile data carrier 50 and thus transferred to a computer unit 40 belonging to the device 10.
  • the data could be wireless
  • the computer unit 40 is configured to control the device 10 for layer-by-layer melting of powder material on the basis of the generated computer model 21.
  • this is a method according to the invention
  • Instructions for carrying out the method according to the invention can be stored, for example, on a computer-readable medium and made available to such a computer unit connected to the device 10.
  • Disclosed is a method for developing a manufacturing method in which a component layer by layer of powder material by means of a beam source and
  • Process section is simulated taking into account the process parameters and the material-specific properties an additive structure of the component with this material, which ensures minimal distortion and clamping.
  • a device for manufacturing a component which comprises a computer unit which is adapted to carry out a method for developing a manufacturing method and to control a device for layer-wise melting of powder material by means of a beam source on the basis of a computer model generated in the context of the method.

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Entwicklung eines Herstellungsverfahren, bei dem ein Bauteil schichtweise durch Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle und anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials aufgebaut wird, wobei in einem ersten Verfahrensabschnitt in Abhängigkeit von Prozessparametern werkstoffspezifische Eigenschaften eines Werkstoffs losgelöst von einer Bauteilgeometrie in einer multiskaligen, physikalisch basierten Simulationskette ermittelten werden und in einem zweiten Verfahrensabschnitt unter Berücksichtigung der Prozessparameter und der werkstoffspezifischen Eigenschaften ein additiver Aufbau des Bauteils mit diesem Werkstoff simuliert wird, welcher minimale Verzüge und Einspannungen sicher stellt. Offenbart ist ferner eine Anlage (100) zur generativen Fertigung von Bauteilen, die eine Rechnereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Entwicklung eines Herstellungsverfahren durchzuführen.

Description

Simulationsverfahren zur Entwicklung eines Herstellungsverfahrens
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entwicklung eines Herstellungsverfahrens, bei dem ein Bauteil schichtweise durch Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle und anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials aufgebaut wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen. Durch generative Fertigungsverfahren, auch bekannt als„Rapid Prototyping" oder„Additive Fertigung", lassen sich komplexe Bauteile direkt aus einem Computermodell erstellen. Ein weit verbreitetes generatives Fertigungsverfahren ist das Strahlschmelzen. Beim Strahlschmelzen wird das Bauteil schichtweise durch Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle und anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials aufgebaut. Gewöhnlich ist das Pulvermaterial metallbasiert und als Strahlquelle wird ein Laser bzw. ein Elektronenstrahl verwendet.
Wechselwirkungen zwischen chemischen Zusammensetzungen des Pulvermaterials,
Fertigungsparametern und finalen Eigenschaften des jeweiligen Bauteils werden empirisch ermittelt. Die empirische Ermittlung ist jedoch zeit- und kostenaufwendig. Auswirkungen von Abweichungen einzelner Parameter in einem Schritt der Fertigungskette auf Folgeschritte sind nicht quantifizierbar. Dies erschwert Abweichungsbewertungen und schränkt
Weiterentwicklungen wie zum Beispiel die Verwendung von alternativen Werkstoffen und andere Prozessparameter ein.
In der US 20100174392 AI ist ein Verfahren zum Verbessern von Fertigungsteilen gezeigt, die mittels Rapid-Prototyping hergestellt werden. Hierzu wird entsprechendes Material verwendet und es wird auf einen Satz Eingabedaten und einen Informationssatz zugegriffen, der
Informationen zu Herstellfaktoren enthält, die in einen vorangegangenen Produktionslauf eines Fertigungsteils enthalten sind. Das Verfahren beinhaltet ein Durchführen eines Produktionslaufs, der Ausgabekomponenten erzeugt, ein Vergleichen der Ausgabekomponenten mit dem Satz Eingabedaten zum Erzeugen eines resultierenden Datensatzes, wobei der resultierende Datensatz Abweichungen zwischen dem Satz Eingabedaten und den Ausgabekomponenten enthält, Integrieren des resultierenden Datensatzes in den Informationssatz und Anpassen des
Informationssatzes zum Verringern der Abweichungen zwischen dem Satz Eingabedaten und den Ausgabekomponenten im Vergleich zu mindestens einem vorangegangenen Produktionslauf. Die Ausgangskomponenten umfassen eine Kombination mindestens eines Fertigungsteils mit mindestens einem iterativen Verbesserungsprüfkörper, wobei die iterativen
Verbesserungsprüfkörper Z-Dehnungsanordnungen, Dichtewürfel, Dimensionspyramiden, Biegeproben oder Kombinationen beinhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Technik/Methoden zu schaffen, mittels der sich eine generative Herstellung eines Bauteils schnell und zuverlässig entwickeln lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , ein oder mehrere Speichermedien gemäß Patentanspruch 10 und eine Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 1 . Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung offenbart.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Entwicklung eines Herstellungsverfahren, bei dem ein Bauteil schichtweise durch Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle und anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials aufgebaut wird, werden in einem ersten Verfahrensabschnitt in Abhängigkeit von Prozessparametern werkstoffspezifische Eigenschaften eines Werkstoffs losgelöst von einer Bauteilgeometrie in einer multiskaligen Simulationskette ermittelt. In einem zweiten Verfahrensabschnitt wird unter Berücksichtigung der Prozessparameter und der werkstoffspezifischen Eigenschaften ein additiver Aufbau des Bauteils mit diesem Werkstoff simuliert.
Ein erfindungsgemäßes Speichermedium bzw. mehrere erfindungsgemäße Speichermedien enthält/ enthalten computerlesbare Instruktionen, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten
Ausführungsformen durchführen.
Eine erfindungsgemäße Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen umfasst eine
Vorrichtung zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle sowie eine Rechnereinheit (bzw. einen Computer), die dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen durchzuführen, dabei im zweiten Verfahrensabschnitt ein Computermodell für ein jeweils zu fertigendes Bauteil zu generieren und die Vorrichtung zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial auf Grundlage des generierten Computermodells zu steuern.
Durch das erfindungsgemäße Simulationsverfahren erfolgt eine ganzheitliche Betrachtung der Fertigungskette und insbesondere eine multiskalige interdisziplinäre physikalische
Betrachtungsweise. Hierdurch kann ein Herstellungsprozess bzw. eine Prozesskette zuverlässig entwickelt werden. Dabei findet im ersten Verfahrensabschnitt eine physikalisch basierte Modellierung und im zweiten Verfahrensabschnitt eine phänomenologische Modellierung statt. Es kann vor der eigentlichen generativen Herstellung des Bauteils festgestellt werden, ob die Bauteile ihre im Computermodell definierten belastungsorientierten Soll-Anforderungen aufweisen oder ob es Abweichungen zu den Soll-Anforderungen gibt. Umfange für zeit- und kostenintensive Versuche und Erprobungen des gefertigten Bauteils können deutlich reduziert werden. Mit anderen Worten, durch das erfindungsgemäße Simulationsverfahren erfolgt eine Prozessentwicklung durch ein Abstecken von möglichen sinnvollen
Parametern/Parameterfenstern für neue Anlagengenerationen, Anlagenparameter, Materialien, und dergleichen. Es wird eine spezifische Bauteilgeometrie und Scanstrategie für additiv gefertigte Bauteile für eine endkonturnahe Fertigung definiert und optimiert. Im Rahmen einer Sensitivitäts- und Abweichungsbewertung erfolgt eine Analyse und Bewertung von
Abweichungen vom definierten Herstellungsprozess; derartige Abweichungen werden vorzugsweise mindestens teilweise automatisch von einem/dem Computer erkannt.
Konsequenzen auf die Bauteileigenschaften und Bauteilqualität aufgrund der Abweichungen können aufgezeigt werden, beispielsweise an einem Anzeigegerät wie insbesondere einem Bildschirm. Durch zielgerichtete Experimente, welche durch umfangreiche
Simulationsergebnisse ermöglicht werden, wird der Aufwand für die Prozessentwicklung und Sensitivitätsstudien sowie für Abweichungsbewertungen reduziert. Weiterhin werden schwer aufschlüsselbare Größen und Effekte bewertbar bzw. zugänglich gemacht. Das Simulieren des additiven Aufbaus im zweiten Verfahrensabschritt umfasst vorzugsweise ein Generieren eines Computermodells des additiven Aufbaus des Bauteils mit mindestens einem Computer. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils umfasst ein Durchfuhrens eines Verfahrens zur Entwicklung eines Herstellungsverfahrens gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen, wobei das Simulieren ein Generieren des additiven Aufbaus des Bauteils in einem Computer umfasst. Ein derartiges Verfahren umfasst weiterhin einen dritten Verfahrensabschnitt, in dem ein schichtweises Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle und anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials gemäß dem generierten Computermodell erfolgt.
Um die oben beschriebene Prozessentwicklung sowie Sensitivitäts- und Abweichungsbewertung korrekt und fundiert durchführen zu können, ist eine multiskalige physikalisch basierte
Simulationskette zwingend erforderlich.
Simulationskette bedeutet an dieser Stelle die Kopplung sich bedingender bzw. aufeinander aufbauender Simulationsmethoden.
Physikalisch basiert bedeutet an dieser Stelle, dass die einzelnen Modelle bzw. Methoden oder die Kopplung dieser Modelle bzw. Methoden die dominierenden prozessrelevanten
physikalischen Effekte mittels passenden Ansätzen, basierend auf werkstoff-physikalischen Eingangsdaten, korrekt beschreiben.
Multiskalig bedeutet an dieser Stelle, dass, resultierend aus den physikalischen Ansatz heraus, die Modelle bzw. Methoden einzelne Effekte auf entsprechenden und unterschiedlichen Größen- und Zeitskalen beschreiben müssen. Erst durch die Kopplung der einzelnen Methoden können die prozessrelevanten Effekte ganzheitlich für das generative Verfahren beschrieben und der Einfluss von Prozess und Prozessparametern auf die Werkstoffeigenschaften und die resultierende lokale
Materialfestigkeit dargestellt werden. Der erste Verfahrensschritt beinhaltet diese multiskalige, physikalisch basierte Simulationskette bestehend aus folgenden 5 Schritten zur Verknüpfung von Fertigungsprozess mit Mikrostruktur und lokaler Materialfestigkeit. Der erste Verfahrensabschnitt umfasst die Verknüpfung der folgenden fünf Schritte zu einer Simulationskette:
a) - Ermitteln eines Temperaturfeldes auf Basis einer Schmelzbadbewegung und eines
Schmelzbaderstarrungsverlaufs,
b) - Ermitteln einer lokalen Erstarrungsgeschwindigkeit auf Basis des Temperaturfeldes und resultierenden Seigerungen,
c) - Ermitteln einer werkstofflichen Kornstruktur auf Basis des Temperaturfeldes und der Erstarrungsgeschwindigkeit,
d) - Ermitteln einer werkstofflichen Ausscheidungsstruktur auf Basis des Temperaturfeldes, der Kornstruktur und einer Wärmebehandlung, und
e) - Ermitteln lokaler, mechanischer Eigenschaften auf Basis des Temperaturfeldes, der
Kornstruktur und der Ausscheidungsstruktur.
Im ersten Schritt a) werden beispielsweise eine Energieeinkopplung und das jeweilige Material vorgegeben und dann unter Berücksichtigung der Energieeinkopplung und des gewählten
Materials ein Schmelzbaddynamik und Schmelzbaderstarrung berechnet. Vorzugsweise wird das Temperaturfeld auf Grundlage derart vorgegebener und/oder berechneter Daten (für die
Energieeinkopplung und das jeweilige Material) numerisch von einem Computer berechnet. Bevorzugterweise wird eine Lattice Boltzmann Methode angewendet; damit sind unter anderem Betrachtungsebenen von ca. 1 mm2 möglich.
Im zweiten Schritt b) wird eine lokale dendritische Rascherstarrung auf Basis des
Temperaturfeldes/Temperaturgradienten aus dem ersten Schritt a) ermittelt. Zudem wird eine Seigerung bzw. chemische Inhomogentität auf Basis des
Temperaturfeldes/Temperaturgradienten ermittelt. Bevorzugterweise erfolgt die jeweilige Berechnung nur für unterschiedliche kleine Ausschnitte aus dem ersten Schritt a) mit der Phasenfeld-Methode.
Im dritten Schritt c) wird eine Kornstruktur (Morphologie wie Korngröße und
Streckungsverhältnis, sowie Textur) resultierend aus den im ersten Schritt a) als sinnvoll identifizierten Parametern und Temperaturfeldern, sowie aus den Erstarrungsgeschwindigkeiten aus dem Schritt b) mit einem zellulären Automaten (CA) berechnet. Im vierten Schritt d) wird eine Ausscheidungskinetik unter dem Einfluss des Parameterfensters und Temperaturfelds aus dem ersten Schritt a), der Kornstruktur aus dem dritten Schritt c) und der einem Herstellungsprozess nachgeschalteten Wärmebehandlung berechnet. Eine geeignete Methode ist hier ein CALPHAD basierter Ansatz, beispielsweise umgesetzt durch einen
Kampmann-Wagner-Algorithmus.
Im fünften Schritt e) erfolgt eine kristallphysikalische Berechnung der lokalen Festigkeit für sinnvoll identifizierte Parameter aus den Schritten a) bis d). Der zweite Verfahrensabschnitt umfasst bevorzugterweise einen sechsten Schritt f), mit dem eine Eigenspannungs- und/oder Verformungssimulation im zu fertigenden Bauteil durchgeführt wird. Es erfolgt eine abstrahierte Berechnung des additiven Herstellungsprozesses mit abstrahierter schichtweiser Wärmeeinkopplung und vereinfachten Werkstoffgesetzten zur Beschreibung von Festigkeit und Verformung des zu fertigenden Bauteils.
Es erfolgt vorzugsweise eine Rückführung der im sechsten Schritt f) optimierten
Prozessparameter an den ersten Verfahrensabschnitt und somit an den Anwender der jeweiligen Anlage bzw. an eine Konstruktionsabteilung. Durch die Rückführung bzw. Rückkopplung kann die Prozessentwicklung bzw. Bauteilfertigung im Sinne veränderter Scanparameter und/oder Scanstrategie zur Erzielung minimaler Eigenspannungen und Verzüge optimiert werden.
Eine Betrachtungsebene kann bei dem zweiten Schritt b) kleiner als eine jeweilige
Betrachtungsebene beiden Schritten a) und c) sein. Hierdurch wird bei einem vertretbaren Rechneraufwand ein gutes Ergebnis erzielt. Grundsätzlich ist beim zweiten Schritt b) auch eine größere Betrachtungsebene vorstellbar, beispielsweise im mm2 bzw. mm3-Bereich, allerdings sind hierfür entsprechend leistungsstarke Rechnersysteme notwendig. Bevorzugterweise sind die Betrachtungsebenen im ersten und dritten Schritt a), c) gleich groß.
Eine Betrachtungsebene beim sechsten Schritt f) kann größer als bei den vorhergehenden Schritten a) bis e) sein. Durch die größere Betrachtungsebene, beispielsweise im cm3 Bereich, und die verwendeten Modelle kann die Größe des Bauteils berücksichtigt werden, so dass die Simulation deutlich schneller durchlaufen werden kann. Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird vorzugsweise mindestens teilweise von einem Computer durchgeführt. Insbesondere erfolgen einige oder alle Berechnungen in den Schritten a) - f) vorzugsweise durch einen Computer. Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die schematisch dargestellten einzelnen Elemente und Komponenten auch anders kombiniert und/oder ausgebildet sein können als gezeigt und dass die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsvarianten beschränkt ist.
Es zeigen schematisch: Figur 1 : ein stark vereinfachtes Ablaufdiagramm eines exemplarischen erfindungsgemäßen
Verfahrens; und
Figur 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage.
Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren 1 anhand eines stark vereinfachten
Ablaufdiagramms. Ein Bauteil soll schichtweise durch Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle und anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials generativ hergestellt werden. Das Pulvermaterial ist beispielsweise metallbasiert und als Strahlquelle wird ein Laser verwendet. Vor der physischen Herstellung des Bauteils soll ein Herstellungsprozess zur generativen Herstellung des Bauteils mit optimalen
Festigkeitseigenschaften entwickelt werden. Hierzu werden in einem ersten Verfahrensabschnitt 2 in Abhängigkeit von Prozessparametern spezifische Eigenschaften eines Werkstoffs losgelöst von einer Bauteilgeometrie ermittelt. Dann wird in einem zweiten Verfahrensabschnitt 4 unter Berücksichtigung der Prozessparameter und der spezifischen Eigenschaften ein Bauteil mit diesem Werkstoff aufgebaut.
Der erste Verfahrensabschnitt umfasst eine multiskalige physikalisch basierte Modellierung. Er umfasst in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die folgenden fünf Schritte:
a) - Ermitteln eines Temperaturfeldes auf Basis einer Schmelzbadbewegung und eines Schmelzbaderstarrungsverlaufs,
b) - Ermitteln einer lokalen dendritischen Erstarrungsgeschwindigkeit auf Basis des
Temperaturfe 1 des,
c) - Ermitteln einer werkstofflichen Kornstruktur auf Basis des Temperaturfeldes und der Erstarrungsgeschwindigkeit,
d) - Ermitteln einer werkstofflichen Ausscheidungsstruktur auf Basis des Temperaturfeldes, der Kornstruktur und einer Wärmebehandlung, und
e) - Ermitteln lokaler, mechanischer Eigenschaften auf Basis des Temperaturfeldes, der Kornstruktur und der Ausscheidungsstruktur.
Mittels der fünf Schritte a) bis e) werden Prozessparameter- und Werkstoffoptimierung für bedarfsgerechte optimale Festigkeiten des Grundwerkstoffes aus den Anforderungen an das makroskopische Bauteil bzw. an einzelne Bauteilzonen abgeleitet. Eine Bauteilgeometrie und Scan- / Herstellstrategie der additiven Fertigung werden optimiert, um Eigenspannungen und Verzüge zu minimieren, um endkonturnah fertigen zu können.
Im ersten Schritt a) werden Parameter wie Energie, Scangeschwindigkeit, Schichtstärke hergeleitet und identifiziert, mittels welchen eine hohe Bauteildichte im Volumen und in der Randkontur eine geringe Rauheit erreicht bzw. gewährleistet werden kann. Eine
Betrachtungsebene beläuft sich bevorzugterweise auf ca. 1 mm2.
Im zweiten Schritt b) werden werkstoffspezifische dendritische Erstarrungsgeschwindigkeiten als Funktion der thermischen Bedingungen wie Temperatur- und Temperaturgradientenfeld aus dem ersten Schritt a), Seigerungskoeffizienten und dergleichen für die einzelnen Elemente auf Grundlage von den im vorergehenden Abschnitt genannten Berechnungsergebnissen aus Schritt a) ermittelt. Hier kann beispielsweise die Phasenfeld Methode Anwendung finden. Eine Betrachtungsebene bewegt sich hier bevorzugterweise im nm2 bis μιη2 bzw. nm3 bis μπι3 Bereich.
Es wird eine lokale Rascherstarrung auf Basis des Temperaturfeldes/Temperaturgradienten aus dem ersten Schritt a) ermittelt. Zudem wird eine Seigerung bzw. chemische Inhomogentität auf Basis des Temperaturfeldes/Temperaturgradienten ermittelt. Bevorzugterweise erfolgt die jeweilige Berechnung nur für unterschiedliche kleine Ausschnitte aus dem ersten Schritt a).
Im dritten Schritt c) wird ermittelt, welche Kornstruktur (Morphologie wie Korngröße und Streckungsverhältnis, sowie Textur) mit der jeweils spezifischen Energiequelle und den gewählten/ möglichen Parametern erreicht werden kann bzw. in dem möglichen
Parameterfenster erzielt werden kann. Beispiele sind eine kollumnare bzw. stangenartige Kornstruktur oder eine globulitische bzw. eine in alle Richtungen gleich gerichtete Kornstruktur. Weitere Beispiele sind gradierte Übergänge zwischen beiden Kornstrukturen, welche gezielt in unterschiedlichen Zonen des Bauteils eingestellt werden können, um die jeweiligen
Festigkeitsanforderungen zu erfüllen. Der dritte Schritt c) wird bevorzugterweise unter
Verwendung der Methode Zellulärer Automat erreicht. Eine Betrachtungsebene liegt bevorzugterweise bei ca. 1 mm2 und somit im Bereich der bevorzugten Betrachtungsebene des ersten Schritts a). Grundlage bilden die im vorhergehenden Abschnitt genannten
Berechnungsergebnissen aus dem ersten Schritt a) und dem zweiten Schritt b).
Im vierten Schritt d) wird ermittelt, welche Teilchengrößen und Volumenanteil und welche Phasen überhaupt nach dem Prozess vorliegen und welchen Einfluss die Wärmebehandlung auf deren Entwicklung hat. Eine geeignete Methode ist hier eine CALPHAD basierte Methode zur Beschreibung von thermokinetischen Ausscheidungsreaktionen. Diese Methode erlaubt eine Betrachtungsebenen im bevorzugten Bereich von nm3 bis 1 mm2. Jedoch ist auch eine
Betrachtungsebene größer als 1 mm2 vorstellbar. Es wird eine Ausscheidungskinetik unter dem Einfluss des Parameterfensters und Temperaturfelds aus dem Schritt a), der Kornstruktur aus dem Schritt c) und der einem Herstellungsprozess nachgeschalteten Wärmebehandlung berechnet.
Im fünften Schritt e) werden lokale Festigkeiten aus der Kornstruktur (Morphologie und Textur) und Ausscheidungszustand (Teilchengröße, Phasenvolumenanteil und dergleichen) für unterschiedliche Bauteilbereiche abgeleitet. Der fünfte Schritt e) lässt sich durch eine
Kristallplastizitätsmethode modellieren. Eine Betrachtungsebene liegt bevorzugterweise im mm3-Bereich. Es erfolgt eine kristallphysikalische Berechnung der lokalen Festigkeit für alle möglichen und sinnvollen Kombinationen aus den vorhergehenden vier Schritten a) bis d). Der zweite Verfahrensabschnitt 4 betrifft die Modellierung der Bauteilebene. Er umfasst einen sechsten Schritt f), mit dem auf Basis von Werkstoffmodellen eine Eigenspannungssimulation und Verformung im zu fertigenden Bauteil durchgeführt wird. Mittels des sechsten Schritts f) werden mit dem Input aus der im Bauauftrag hinterlegten Scanstrategie Eigenspannungen und Verzüge aus dem Prozess resultierend errechnet. Es werden Optimierungsmaßnahmen für die Bauteilgeometrie, Scanstrategie, und dergleichen abgeleitet, um Eigenspannungen und Verzüge zu reduzieren und um eine endkonturnahe Fertigung zu ermöglichen. Bevorzugterweise befindet sich eine Betrachtungsebene beim sechsten Schritt f) im cm3 Bereich und ist somit größer als bei den vorhergehenden Schritten a) bis e).
Der zweite Verfahrensabschnitt 4 hat hier eine Schnittstelle zum ersten Schritt a); und zwar kann die abstrahierte Wärmekopplung bzw. verwendete Ersatzwärmequelle aus Verfahrensschritt 4 mit den Daten aus der hochaufgelösten physikalisch basierten Schmelzpoolsimulation aus Schritt a) kalibriert und optimiert werden, ohne weiteren experimentellen Aufwand. Zudem hat der zweite Verfahrensabschnitt eine Schnittstelle zum fünften Schritt e); und zwar die Kalibrierung der im Verfahrensabschnitt 4 hinterlegten bzw. verwendeten vereinfachten Werkstoffgesetze anhand der hochaufgelösten physikalisch basierten lokalen Festigkeitsberechnung aus Schritt e). Mit anderen Worten, Ziel der Schnittstelle ist die Verbesserung der abstrahierten, vereinfachten Modelle durch die Schritte a) und e).
Über eine Sensitivitätsenscheidung bzw. eine Abweichungsbewertung 6 kann eine Rückführung 8 von Parametern von dem zweiten Verfahrensabschnitt 4 an den ersten Verfahrensabschnitt 1 und somit an den Anwender der jeweiligen Anlage bzw. an eine Konstruktionsabteilung erfolgen. Hierdurch kann die Prozessentwicklung ständig optimiert werden.
In Figur 2 ist eine exemplarische Ausführungsform einer erfindungsgemäße Anlage 100 zur generativen Fertigung von Bauteilen dargestellt. Die gezeigte Anlage umfasst eine Vorrichtung 10 zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle 1 1 , um so ein Bauteil 20 herzustellen. Die Anlage 100 umfasst weiterhin eine Rechnereinheit (bzw. einen Computer) 30, die dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Entwicklung eines Herstellungsverfahrens gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen durchzuführen und dabei insbesondere einen additiven Aufbau des Bauteils zu simulieren. Die dargestellte Rechnereinheit 30 umfasst einen Bildschirm 31 , auf dem ein im Rahmen der Simulation generiertes Computermodell 21 des Bauteils 20 angezeigt wird. Über Eingabemittel 32 können dabei Parameter wie beispielsweise das jeweilige Material und/oder eine
Energieeinkopplung vorgegeben werden. Vorzugsweise ist die Rechnereinheit 30 dazu eingerichtet, vor der Herstellung des Bauteils 20 festzustellen, ob das Computermodell 21 definierten belastungsorientierten Soll-Anforderungen genügt oder ob es Abweichungen zu derartigen Soll-Anforderungen gibt, sowie ggf. daraus resultierende Konsequenzen auf die Bauteileigenschaften und Bauteilqualität aufgrund der Abweichungen aufzuzeigen, beispielsweise am Bildschirm 31.
Das generierte Computermodell determinierende Daten werden im dargestellten Beispiel auf einem mobilen Datenträger 50 gespeichert und damit auf eine zur Vorrichtung 10 gehörige Rechnereinheit 40 übertragen. Alternativ könnten die Daten über eine kabellose
Kommunikationsverbindung oder mittels eines Datenübertragungskabels von der Rechnereinheit 30 auf die Rechnereinheit 40 übermittelt werden. Die Rechnereinheit 40 ist dazu eingerichtet, die Vorrichtung 10 zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial auf Grundlage des generierten Computermodells 21 zu steuern.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die ein erfindungsgemäßes Verfahren
durchführende (insbesondere den additiven Aufbau des Bauteils zu simulierende) Rechnereinheit 30 an die Vorrichtung 10 zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial (kabellos oder mittels eines Datenübertragungskabels) angeschlossen und dazu eingerichtet, das Aufschmelzen des Pulvermaterials auf Grundlage des generierten Computermodells 21 zu steuern. Gemäß dieser Ausführungsform kann somit auf eine zweite, externe Rechnereinheit verzichtet werden.
Instruktionen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein und einer derartigen, an die Vorrichtung 10 angeschlossenen Rechnereinheit zur Verfügung gestellt werden. Offenbart ist ein Verfahren zur Entwicklung eines Herstellungsverfahren, bei dem ein Bauteil schichtweise durch Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle und
anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials aufgebaut wird, wobei in einem ersten Verfahrensabschnitt in Abhängigkeit von Prozessparametern werkstoffspezifische Eigenschaften eines Werkstoffs losgelöst von einer Bauteilgeometrie in einer multiskaligen, physikalisch basierten Simulationskette ermittelt werden und in einem zweiten
Verfahrensabschnitt unter Berücksichtigung der Prozessparameter und der werkstoffspezifischen Eigenschaften ein additiver Aufbau des Bauteils mit diesem Werkstoff simuliert wird, welcher minimale Verzüge und Einspannungen sicher stellt. Offenbart ist ferner eine Anlage zur Herstellung eines Bauteils, die eine Rechnereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Entwicklung eines Herstellungsverfahren durchzuführen und eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle auf Grundlage eines im Rahmen des Verfahrens generierten Computermodells zu steuern.
Bezugszeichenliste
Verfahren
2 erster Verfahrensabschnitt
4 zweiter Verfahrensabschnitt
6 Sensitivitätsenscheidung bzw. Abweichungsbewertung
8 Rückführung
a) Schritt
b) Schritt
c) Schritt
d) Schritt
e) Schritt
f) Schritt
10 Vorrichtung zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial
1 1 Strahlquelle
20 Bauteil
21 Computermodell
30 Rechnereinheit
31 Bildschirm
32 Eingabemittel
40 Rechnereinheit
50 Datenträger
100 Anlage zur generativen Fertigung von Bauteilen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (1) zur Entwicklung eines Herstellungsverfahrens, bei dem ein Bauteil schichtweise durch Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle und anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials aufgebaut wird, wobei in einem ersten
Verfahrensabschnitt (2) in Abhängigkeit von Prozessparametern werkstoffspezifische
Eigenschaften eines Werkstoffs losgelöst von einer Bauteilgeometrie in einer multiskaligen Simulationskette ermittelt werden und in einem zweiten Verfahrensabschnitt (4) unter
Berücksichtigung der Prozessparameter und der werkstoffspezifischen Eigenschaften ein additiver Aufbau des Bauteils mit diesem Werkstoff simuliert wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , das mindestens teilweise von einem Computer durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der erste Verfahrensabschnitt die Schritte umfasst:
a) - Ermitteln eines Temperaturfeldes auf Basis einer Schmelzbadbewegung und eines
Schmelzbaderstarrungsverlaufs,
b) - Ermitteln einer lokalen Erstarrungsgeschwindigkeit auf Basis des Temperaturfeldes und Seigerungen,
c) - Ermitteln einer werkstofflichen Kornstruktur auf Basis des Temperaturfeldes und der Erstarrungsgeschwindigkeit,
d) - Ermitteln einer werkstofflichen Ausscheidungsstruktur auf Basis des Temperaturfeldes, der Kornstruktur und einer Wärmebehandlung, und
e) - Ermitteln lokaler, mechanischer Eigenschaften auf Basis des Temperaturfeldes, der
Kornstruktur und der Ausscheidungsstruktur.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der zweite
Verfahrensabschnitt einen sechsten Schritt (f) umfasst, mit dem auf Basis von den
Werkstoffmodellen eine Eigenspannungssimulation bzw. Verzug- bzw. Verformungssimulation im zu fertigenden Bauteil durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei eine Rückführung der im sechsten Schritt (f) optimierten Prozessparameter an den ersten Verfahrensabschnitt erfolgt.
6. Verfahren nach Patentanspruch 3, 4 oder 5, wobei eine Betrachtungsebene bei dem zweiten Schritten (b) kleiner als eine Betrachtungsebene bei dem ersten Schritten (a) und bei dem dritten Schritt (c) ist.
7. Verfahren nach Patentanspruch 4, 5 oder 6, wobei eine Betrachtungsebene beim sechsten Schritt (f) größer als bei den vorhergehenden Schritten (a) bis (e) ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Simulieren des additiven Aufbaus im zweiten Verfahrensabschritt (4) ein Generieren eines Computermodells (21 ) des additiven Aufbaus des Bauteils mit mindestens einem Computer (30) umfasst.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (20), das umfasst:
ein Entwickeln eines Herstellungsverfahrens mittels Durchführens eines Verfahrens gemäß Anspruch 8; und
in einem dritten Verfahrensabschnitt, ein schichtweises Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle (1 1) und anschließendem Erstarren des aufgeschmolzenen
Pulvermaterials gemäß dem generierten Computermodell (21).
10. Ein oder mehrere Speichermedien mit computerlesbaren Instruktionen, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen durchzuführen.
1 1. Anlage (100) zur generativen Fertigung von Bauteilen, die umfasst:
eine Vorrichtung (10) zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial mittels einer Strahlquelle (1 1 ); und
eine Rechnereinheit (30), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß Anspruch 8
durchzuführen.
12. Anlage gemäß Anspruch 1 1 , die weiterhin eine Rechnereinheit (40) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung (10) zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial auf Grundlage des generierten Computermodells (21) zu steuern.
13. Anlage gemäß Anspruch 1 1 , wobei die Rechnereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung (10) zum schichtweisen Aufschmelzen von Pulvermaterial auf Grundlage des generierten Computermodells (21 ) zu steuern.
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US15/528,810 US20180071868A1 (en) 2014-11-27 2015-10-31 Simulation method for developing a production process
US17/176,943 US20210162541A1 (en) 2014-11-27 2021-02-16 Simulation method for developing a production process

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018234331A1 (de) * 2017-06-20 2018-12-27 Carl Zeiss Ag Verfahren und vorrichtung zur additiven fertigung
CN110434443A (zh) * 2019-07-29 2019-11-12 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种电阻点焊仿真方法及系统
WO2021099451A1 (de) * 2019-11-19 2021-05-27 Ktm E-Technologies Gmbh Verfahren zum erstellen eines virtuellen dreidimensionalen struktur-modells
US20240091808A1 (en) * 2022-09-16 2024-03-21 Lawrence Livermore National Security, Llc High throughput materials screening
US20240096454A1 (en) * 2022-09-16 2024-03-21 Lawrence Livermore National Security, Llc High Throughput Materials Screening

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110570512B (zh) 2018-06-06 2024-02-02 哈米尔顿森德斯特兰德公司 包括利用形状变换的补偿建模方法的增材制造
US11328107B2 (en) 2018-08-31 2022-05-10 General Electric Company Hybrid measurement and simulation based distortion compensation system for additive manufacturing processes
CN111235564A (zh) * 2018-11-29 2020-06-05 中国科学院金属研究所 一种增材制造专用高温合金成分设计方法
CN114026510B (zh) * 2019-03-29 2024-02-13 西门子能源全球有限两合公司 用于优化增材制造工艺中的工艺参数的方法和系统
US11487271B2 (en) * 2019-04-23 2022-11-01 Dassault Systemes Simulia Corp. Machine learning with fast feature generation for selective laser melting print parameter optimization
US11256239B2 (en) * 2019-08-13 2022-02-22 Ansys, Inc. Methods and systems for numerical prediction and correction of processes using sensor data
CN111992716B (zh) * 2020-08-27 2022-06-21 上海材料研究所 一种选区激光熔化工艺参数开发方法
CN112949225A (zh) * 2021-03-24 2021-06-11 苏州大学 金属增材制造熔池的数值模拟方法
CN117001014B (zh) * 2023-10-07 2024-01-05 苏州倍丰智能科技有限公司 一种无开裂3d打印用金属材料快速开发方法
CN118313197A (zh) * 2024-04-15 2024-07-09 南京工业大学 一种确定激光粉末床熔融单晶奥氏体不锈钢打印工艺的模拟方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100174392A1 (en) 2003-06-10 2010-07-08 Fink Jeffrey E Optimal dimensional and mechanical properties of laser sintered hardware by thermal analysis and parameter optimization
EP2778992A1 (de) * 2013-03-15 2014-09-17 Sikorsky Aircraft Corporation Optimierte Additivtypologieherstellung für multifunktionale Komponenten

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8655476B2 (en) * 2011-03-09 2014-02-18 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for computationally developing manufacturable and durable cast components
KR101192335B1 (ko) * 2011-05-16 2012-10-26 한국과학기술연구원 유체 유동 시뮬레이션 방법 및 이를 수행하기 위한 기록 매체
WO2014028879A1 (en) * 2012-08-17 2014-02-20 Carnegie Mellon University Process mapping of cooling rates and thermal gradients
US20140067333A1 (en) * 2012-09-04 2014-03-06 Belcan Corporation CAD-Based System for Product Definition, Inspection and Validation
GB201302743D0 (en) * 2013-02-18 2013-04-03 Rolls Royce Plc Method and system for designing a material
WO2015095785A1 (en) * 2013-12-19 2015-06-25 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Multi-scale mesh modeling software products and controllers
AU2015271638A1 (en) * 2014-06-05 2017-01-19 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Distortion prediction and minimisation in additive manufacturing

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100174392A1 (en) 2003-06-10 2010-07-08 Fink Jeffrey E Optimal dimensional and mechanical properties of laser sintered hardware by thermal analysis and parameter optimization
EP2778992A1 (de) * 2013-03-15 2014-09-17 Sikorsky Aircraft Corporation Optimierte Additivtypologieherstellung für multifunktionale Komponenten

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LOUCAS PAPADAKIS ET AL: "Numerical Modeling of Heat Effects during Thermal Manufacturing of Aero Engine Components", PROCEEDINGS OF THE WORLD CONGRESS ON ENGINEERING 2012 VOL III, 6 July 2012 (2012-07-06), London, UK, pages 1 - 6, XP055259905, ISBN: 978-988-1925-22-0, Retrieved from the Internet <URL:http://www.iaeng.org/publication/WCE2012/WCE2012_pp1518-1523.pdf> [retrieved on 20160321] *
NACHIKET PATIL: "A novel numerical framework for simulation of multiscale spatio-temporally non-linear systems in additive manufacturing processes.", ELECTRONIC THESES AND DISSERTATIONS. PAPER 1099, 1 May 2014 (2014-05-01), Louisville, Kentucky, US, pages 1 - 201, XP055260594, Retrieved from the Internet <URL:http://dx.doi.org/10.18297/etd/1099> [retrieved on 20160323] *
PATRICE TURCHI: "Modeling the properties of 3D-printed metals at the microstructure scale", 16 August 2014 (2014-08-16), Livermore, CA, USA, pages 1 - 4, XP055260939, Retrieved from the Internet <URL:http://web.archive.org/web/20140816230814/https://manufacturing.llnl.gov/additive-manufacturing/accelerated-certification/microstructure-model> [retrieved on 20160324] *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018234331A1 (de) * 2017-06-20 2018-12-27 Carl Zeiss Ag Verfahren und vorrichtung zur additiven fertigung
CN110799286A (zh) * 2017-06-20 2020-02-14 卡尔蔡司工业测量技术有限公司 用于增材制造的方法和设备
JP2020533481A (ja) * 2017-06-20 2020-11-19 カール・ツアイス・インダストリーエレ・メステクニク・ゲーエムベーハー 付加製造方法及び装置
CN110799286B (zh) * 2017-06-20 2023-02-28 卡尔蔡司工业测量技术有限公司 用于增材制造的方法和设备
US11633918B2 (en) 2017-06-20 2023-04-25 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Method and device for additive manufacturing utilizing simulation test results of a workpiece
CN110434443A (zh) * 2019-07-29 2019-11-12 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种电阻点焊仿真方法及系统
CN110434443B (zh) * 2019-07-29 2021-05-11 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种电阻点焊仿真方法及系统
WO2021099451A1 (de) * 2019-11-19 2021-05-27 Ktm E-Technologies Gmbh Verfahren zum erstellen eines virtuellen dreidimensionalen struktur-modells
US20240091808A1 (en) * 2022-09-16 2024-03-21 Lawrence Livermore National Security, Llc High throughput materials screening
US20240096454A1 (en) * 2022-09-16 2024-03-21 Lawrence Livermore National Security, Llc High Throughput Materials Screening
US12474238B2 (en) * 2022-09-16 2025-11-18 Lawrence Livermore National Security, Llc High throughput materials screening

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