本發(fā)明涉及用于使用模型來確定層的溫度曲線的方法、為模型確定參數(shù)函數(shù)的方法、證實暴露向量的方法以及用于制造對象的層的方法。

背景技術(shù)：

1、例如，這種方法被使用在基于粉末的、利用激光或電子束的增材制造工藝中。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的基于改善在生產(chǎn)之前或生產(chǎn)期間各個層的熱模擬。

2、該目的通過具有權(quán)利要求1所述的特征的方法來實現(xiàn)。

3、為了確定是對象的橫截面的層的溫度曲線以用于借助于激光束或電子束為基于粉末的增材制造工藝有選擇地固化層，該方法包括下述步驟：

4、-提供用于層的暴露向量，

5、-提供層的模型，并且

6、-使用模型通過具有暴露向量的層的掃描的熱模擬來確定熱曲線。

7、模型以橫截面的形式呈現(xiàn)層和位于層之下的對象部分。橫截面具有層的形狀并且以位置相關(guān)的特定的熱容量和位置相關(guān)的熱阻的形式考慮位于層下的對象部分。這能夠?qū)崿F(xiàn)的是，在簡化的模型中呈示3d模型的熱模擬的復(fù)雜性，其中，模型不具有z依賴并且二維中的三維度通過位置相關(guān)的特定的熱容量和位置相關(guān)的熱阻來考慮。該情況具有的巨大的優(yōu)點，不必在三維中計算，而是能夠在二維中計算。層能夠作為固體被建模，即粉末狀能被忽略。在此，位于層下的部分的溫度能夠作為建造面板溫度近似或準靜態(tài)地計算以確定環(huán)境溫度地計算。

8、假設(shè)具有要構(gòu)建的對象的材料參數(shù)的模型被建立，即，對象由材料建造。

9、暴露向量包含關(guān)于束的功率、束的寬度和束以哪個速度在層的哪個位置運動。該情況能夠經(jīng)由具有開始點和結(jié)束點的速度或者經(jīng)由具有時間坐標的位置坐標進行。因此，層的向量數(shù)據(jù)組能夠包含所有的暴露向量，其用于層的掃描并且因此完整地描述進入層中的功率輸入。這樣的暴露向量能夠使用作為輸入?yún)?shù)用于標準的3d打印系統(tǒng)中用作為機器參數(shù)。優(yōu)選地，對象的技術(shù)信息在對象的3d-cad模型中被提供。3d-cad模型此外包含對象的材料、對象的密度、對象的物理尺寸和對象的層。這樣的3d-cad模型通常在對象的構(gòu)造期間被創(chuàng)建。由于熱容量和熱阻的位置相關(guān)也能夠在二維的情況下實現(xiàn)高精度，正如在三維的情況下模擬，在計算時間上可觀的節(jié)省。直接在生產(chǎn)之前或甚至在生產(chǎn)期間使用該方法是可行的，例如為隨后的層的暴露。

10、在另外的實施例中，位置相關(guān)的熱阻作為取決于局部深度的第一參數(shù)函數(shù)被確定和/或位置相關(guān)的特定的熱容量作為取決于局部深度的第二參數(shù)函數(shù)被確定。由于局部深度的依賴，三維的問題的特性能夠以改善的方式映影到二維的模型上。局部深度能夠在每種情況下垂直地在考慮的點的下方被考慮作為在層下的對象的z維度。也能夠考慮體積、例如橢圓體的體積，其呈現(xiàn)在點的下方的有效的體積。為此目的，能夠圍繞著考慮的點執(zhí)行關(guān)于在層的下方的半球和/或關(guān)于圓柱體的積分。相應(yīng)的極限情況(如開頭所述)是實際的局部深度。局部深度能夠從3d?cad模型中被提取出來。根據(jù)對象的設(shè)計，其能夠被證明有利的是，使用垂直的維度或者在對象下方的體積維度。如果使用體積，則在對象中的矩形的結(jié)構(gòu)的情況下就能夠避免局部深度處的躍遷，這能夠幫助計算(和函數(shù)的微分)。位置相關(guān)的熱阻(rth)通過第一參數(shù)函數(shù)(f1)考慮并且位置相關(guān)的熱容量(cth)通過第二參數(shù)函數(shù)(fd)考慮。阻值和容量也能夠被描述為位置相關(guān)的表層。

11、在另外的實施例中，模型通過在時間相關(guān)和位置相關(guān)的熱傳導(dǎo)方程中的第一熱源項來考慮進入位于層之下的部分中的熱損耗。特別是負的源項能夠被使用以排除模型中的z依賴并且因此執(zhí)行二維的計算。其能夠被假設(shè)為熱損耗通過擴散、即熱傳導(dǎo)被表達。

12、在另外的實施例中，第一源項通過第一參數(shù)函數(shù)考慮熱阻的位置相關(guān)的表層。補充地或替換地，源項通過第二參數(shù)函數(shù)考慮熱容量的位置相關(guān)的表層。參數(shù)函數(shù)的使用使熱阻和熱容量從三維的情況到層或到層的模型的足夠準確的映射成為可能。總結(jié)為表面相關(guān)的熱特性被稱為熱表層。

13、在另外的實施例中，為了特定的熱容量的位置相關(guān)的定義和熱阻的位置相關(guān)的定義，第一參數(shù)函數(shù)是實數(shù)部分并且第二參數(shù)函數(shù)是位置相關(guān)的、復(fù)數(shù)的熱阻表層的虛數(shù)部分。其被證明特別有利的是為了熱特性使用這樣的復(fù)數(shù)的阻抗表層，因為當(dāng)2d模型與3d模型相比時使用更簡單的可計算性其提供更高的精度。第一參數(shù)函數(shù)代表作為實數(shù)部分的熱阻并且第二參數(shù)函數(shù)代表作為位置相關(guān)的復(fù)數(shù)的熱阻表層的虛數(shù)部分的特定的熱容量。

14、在另外的實施例中，模型通過在時間相關(guān)和位置相關(guān)的熱傳導(dǎo)方程中的第二源項來考慮由進入層的激光束或電子束的熱耦合。熱耦合在暴露向量的基礎(chǔ)上被計算。因此，第一源項和第二源項能被用于穿過在層之下的部分描述散熱并且描述熱耦合。

15、在另外的實施例中，位置相關(guān)的特定的熱容量和/或位置相關(guān)的熱阻分別限定為在能限定的節(jié)點上的離散值和/或在橫截面上的連續(xù)的函數(shù)。限定用于連續(xù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)是可行的，該連續(xù)結(jié)構(gòu)在深度剖面上基本沒變。在非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的情況下使用合適的離散化逐段地指定在能限定的節(jié)點處的值。在此，使用的模擬方法也能夠具有影響。連續(xù)的函數(shù)能夠被使用于有限元法并且用于有限體積或有限差分方法的離散表達。

16、該目的還通過用于確定用于模型的參數(shù)函數(shù)的方法來實現(xiàn)。參數(shù)函數(shù)取決于局部深度并且適用于根據(jù)本發(fā)明的用于確定溫度曲線的方法。如開頭所述，模型具有對象的橫截面的形狀，其中，橫截面表現(xiàn)了層并且以位置相關(guān)的特定的熱容量和位置相關(guān)的熱阻的形式考慮位于層之下的對象的部分。在該情況下，該方法包括以下步驟。

17、當(dāng)被暴露向量照射時由測試物體的熱模擬來確定第一溫度曲線，暴露向量離測試物體的邊界如此遠以至于測試物體相對于溫度曲線表現(xiàn)為無限的半空間。換言之，暴露向量在適當(dāng)?shù)木S度的物體上布置為使得，由照射的表面上的暴露向量生成的加熱達不到物體的剩下的邊界，而是在物體中生成加熱，但是該加熱達不到邊界。

18、在另外的步驟中，從該第一溫度曲線中確定用于模型的開始參數(shù)。也就是說，用于熱阻的第一開始參數(shù)和用于特定的熱容量的第二開始參數(shù)被確定用于大的物體。因為，測試物體在該情況下表現(xiàn)為無限的半空間，則參數(shù)函數(shù)朝向開始參數(shù)的值收斂。

19、在一個步驟中，至少一個第二溫度曲線被第二測試物體的熱模擬來確定。暴露向量在第二測試物體上布置使得，測試物體具有關(guān)于溫度曲線的有限空間的屬性。換句話說，在暴露向量之下的局部深度限制使得，加熱發(fā)生直到物體的邊界。其允許模型的行為被建模用于有限的物體。

20、在另外的步驟中，確定用于特定的熱容量和熱阻的參數(shù)函數(shù)，使得使用模型確定的溫度曲線適用于測試物體的第一溫度曲線和第二溫度曲線。特別地，在每種情況下，基于開始參數(shù)來確定參數(shù)函數(shù)，除了無限的邊界情況之外，其也通過局部深度的相關(guān)性映射受限的物體。

21、在另外的實施例中，參數(shù)函數(shù)從足夠大的局部深度朝向開始參數(shù)收斂。溫度分布在那里表現(xiàn)為如在無限大的半空間中，在此能夠相應(yīng)地使用開始參數(shù)。

22、在另外的實施例中，如果局部深度非常小，第二參數(shù)函數(shù)朝向比第二開始參數(shù)更小的值收斂。如果在當(dāng)前的層之下仍然存在幾個層，例如，其能夠直接地在制造過程開始時是該情況。

23、第一參數(shù)函數(shù)朝向比第一開始參數(shù)更大的值收斂。第一參數(shù)函數(shù)為位置相關(guān)的熱阻建模并且第二參數(shù)函數(shù)為位置相關(guān)的熱容量建模。

24、在另外的實施例中，參數(shù)函數(shù)是單調(diào)的。不需要參數(shù)函數(shù)的連續(xù)可微性。

25、一般而言，下文被證明對于參數(shù)函數(shù)是有利的：

26、·對于局部深度的足夠大的值，函數(shù)應(yīng)當(dāng)朝向開始值收斂。

27、·對于接近0的局部深度，第一參數(shù)函數(shù)(fl，熱阻)應(yīng)當(dāng)朝向大的值(不/幾乎沒有有效的向下散熱)收斂。

28、·對于接近0的局部深度，第二參數(shù)函數(shù)(fd，代表特定的熱容量)應(yīng)該朝向小的值(小的厚度)移動。

29、·能夠假設(shè)參數(shù)函數(shù)是單調(diào)的。

30、·可行的方法是用于第一參數(shù)函數(shù)(fl，熱阻，rth)的減少的指數(shù)函數(shù)和

31、·用于第二參數(shù)函數(shù)(fd，代表特定的熱容量，cth)的分段的線性函數(shù)。

32、第一參數(shù)函數(shù)代表熱阻作為實數(shù)部分，并且第二參數(shù)函數(shù)代表特定的熱容量作為位置相關(guān)的復(fù)值的熱阻表層的虛數(shù)部分。

33、該目的還通過用于驗證暴露向量的方法實現(xiàn)。在此，驗證應(yīng)當(dāng)理解為，暴露向量不經(jīng)過過長的時間引起層的過熱或過高的溫度。換句話說，驗證的暴露向量能夠沒有任何問題地被用于固化層，而不出現(xiàn)溫度相關(guān)的問題。為了驗證暴露向量，使用激光束或電子束為基于粉末的增材制造工藝來選擇性地固化對象的層，下述步驟被提出：

34、-提供用于層的暴露向量，

35、-通過根據(jù)本發(fā)明的開頭所述的方法確定層的溫度曲線，并且

36、-使用一個或多個標準來驗證溫度曲線。

37、在另外的實施例中，高于極限溫度的溫度的持續(xù)時間被用作標準。如果溫度維持在高于極限溫度過長，則層的質(zhì)量就顯著惡化并且甚至能夠?qū)е轮圃旃に嚥坏貌槐蝗∠?/p>

38、在另外的實施例中，絕對最大溫度被作為標準。如果溫度曲線超過絕對最大溫度，絕度最大溫度例如材料的蒸發(fā)溫度，則使用的暴露向量是不合適的并且必須被丟棄。

39、在另外的實施例中，在溫度上方的最大面積被用作為標準。因為溫度曲線被二維地確定，表面也能夠被考慮。特別感興趣的是熔融池的最大尺寸，即，具有在使用的材料的熔化溫度上方的溫度的面積。如果超過熔融池的最大表面積，則其能夠?qū)е虏痪鶆虻墓袒＞?，這同樣對對象的質(zhì)量有負面的影響。

40、因此，應(yīng)當(dāng)未超過提到的標準。另外的優(yōu)化標準的能夠是暴露向量的總的持續(xù)時間，即，為了暴露整個層掃描所選的暴露向量圖需要多長時間。當(dāng)相互比較多個暴露向量或者暴露向量集時能夠使用常規(guī)的優(yōu)化方法。

41、該目的還通過用于選擇性地固化層的方法實現(xiàn)。層是對象的部分，其應(yīng)當(dāng)通過激光束或電子束使用基于粉末的增材制造工藝來制造。該方法包括提供暴露向量的步驟，其通過用于驗證暴露向量的方法被驗證并且通過具有暴露向量的能量束來掃描層。

42、一般而言并且換句話說，局部熱阻抗用作第三緯度的代表并且能夠限定為離散值的云(熱阻僅在節(jié)點上限定)或者限定為位置的連續(xù)的(經(jīng)過空間變化的阻抗表層)函數(shù)。

43、節(jié)點阻抗或阻抗表層函數(shù)的使用的值適應(yīng)于在模擬的平面下方的材料的幾何分布。在相對于暴露向量的大的物體的情況下，所注意的平面之下的質(zhì)量分布是相同的，并且阻抗表層函數(shù)在空間上是恒定的。

44、如果質(zhì)量分布(幾何形狀)是不均勻，則阻抗表層函數(shù)的值必須在合適的部段中、例如在楔形的突出部分的下方局部地被調(diào)整(電阻分量應(yīng)該上升，電容分量應(yīng)該下降)。

45、沒有z依賴但是考慮在層之下的部分的熱傳導(dǎo)方程能夠被設(shè)計如下：

46、

47、tref參考溫度

48、h[w/(m2k)]熱傳遞系數(shù)

49、ρ?密度

50、cp?熱容量

51、κ?熱導(dǎo)率

52、jth?熱流密度

53、ql?激光束或電子束的源項，例如，能夠被考慮作為高斯輻射源

54、qn?代表進入位于層之下的對象的部分的熱損耗的源項

55、fl?第一參數(shù)函數(shù)；代表熱阻，能夠限定作為特征長度并且是熱阻表層

56、fd第二參數(shù)函數(shù)；代表特定的熱容量，能夠限定作為特征厚度并且因此是熱容量表層