[发明专利]增材制造中变形的预测及最小化

说明书

描述了一种使工件的变形最小化的方法，该方法包括利用计算机系统对所述工件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的变形。

技术领域

本公开通常涉及增材制造，在增材制造中将连续的金属材料层放铺于基板上，尤其涉及预测以及最小化增材制造处理中的变形。方便的描述与用电子束自由成形制造(EBFFF)所制备的定制金属部件的示范应用相关的变形的预测以及最小化，但是应该理解的是，说明书不仅限于该示范应用，而是具有对其他形式的增材制造的普遍应用性。

背景技术

增材制造已经成为用于制造定制金属部件的一个重要工业处理。EBFFF还称为电子束增材制造(EBAM)，是一种有效利用各种可焊接合金进行作业的快速金属沉积处理。开始于要建构的部件的CAD程序的3D模型，EBFFF处理是通过将金属丝原料引入在真空环境中使用聚焦的电子束所创建及维持的熔池而在金属的基板上逐层构建该部件。真空中的操作确保干净的处理环境并且不需要可消耗保护气体。

已经示出的EBFFF处理是一个领先的选择，用于生成大量近终形的预制件。经证明，当相比于常规处理时，使用该处理能够实现显著成本节约，这是由于原材料使用的减少以及最小化了前置时间。

残余应力和形状变形是增材制造的固有特征，尤其在高沉积率下需要高热量输入至基板以及先前沉积层，这导致较大热梯度。在大多数情形下，在沉积之后对所制造的部件进行热处理以有助于减轻应力。结果，对导致服务期间过早故障的高应力存在的担忧不像对沉积期间及沉积之后的应力和应力引发的变形的担忧多。目前通过在建构期间的频繁应力减轻步骤来解决与EBFFF处理相关的残余应力和变形。但是，这些步骤是麻烦、耗时的，并且增加了使用EBFFF处理所制备的对象的生产成本。

期望最小化增材制造期间所需的应力减轻步骤。还期望提供一种提高增材制造处理的效率的方式，尤其更好地管理与增材制造相关的变形以及残余应力。还期望提供一种用于预测增材制造处理中的变形的工具，使得能够采取措施来补偿该变形。

发明内容

在一个方案中，提供了一种使工件的变形最小化的方法，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(FEA)，以预测工件的形状变形以及残余应力发展，其中，所述制造包括如下制造步骤：在基板上沉积材料的连续层，每个层通过沿着沉积路径逐步形成熔池材料而形成，所述熔池材料在沉积时固化；以及

在制造之前或制造期间将引入对所述工件的更改以补偿预测的变形。

在一个或多个实施例中，所述制造进一步包括以下多个制造步骤中的一个：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。

所述热源能够包括以下中的一种或多种：电子束、焊弧、等离子弧和激光束。

在一个或多个实施例中，对所述基板的几何形状以及所述沉积路径中的一个或者多个进行更改。

在一个或多个实施例中，所述模型包括热传导单元，用于将基板、沉积材料以及支撑基板的工作台中的一个或多个中的热传导模型化。

在一个或多个实施例中，所述模型包括用于将向所述工件外部的热传递模型化的热传递单元。

所述热传递单元能够根据工件的热辐射将热传递模型化。

例如，上述热传递单元能够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。