对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的制作方法

实施例涉及用于对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的系统和方法。

背景技术：

选择性激光熔化（“slm”）是一种制造技术，其能够以几乎全密度构建复杂的部件。slm的关键特征是复杂形状的逐层制造，所述复杂形状难以使用诸如铸造和机械加工之类的传统制造方法来被制成。在slm过程中，诸如计算机辅助设计（“cad”）模型之类的期望零件的数字信息被切分成许多层。激光束以cad模型定义的方式扫描金属粉末床层，以形成正在被制造的零件的层。激光束照射粉末床的顶表面，从而局部熔化粉末并创建熔池。利用重复的加热和冷却以及固化循环，零件得以制造。

在使用slm制造过程中存在重大挑战。使用slm制造的零件频繁地遇到构建缺陷，诸如局部多孔性和层剥离（delamination）。公知的是，熔池特性和粉末层厚度对零件质量和制造过程期间创建的任何缺陷具有重大影响。在正常制造过程期间，粉末层厚度是恒定值，在零件制造初始之前预先选择该恒定值。调整粉末层厚度可能具有挑战性，这是因为粉末层厚度影响熔池特性。

技术实现要素：

因此，需要一种系统用于模拟熔池特性，以通过调整期望粉末层厚度来更好地控制slm制造。当模拟粉末层时，可以确定熔池特性，这允许对slm制造的更好控制。

一个实施例提供了一种用于对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的系统。该系统包括选择性激光熔化装置和电子控制器，电子控制器被配置成：获得使用选择性激光熔化装置被制造的部件的先前层的表面几何结构，基于先前层的表面几何结构来模拟向部件对具有期望粉末层厚度的粉末层的添加，基于模拟的粉末层的几何信息和期望粉末层厚度来确定熔池特性，基于熔池特性来确定对模拟的粉末层的调整，以及基于模拟的粉末层和确定的调整来驱动选择性激光熔化装置。

另一个实施例提供了一种用于对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的方法。该方法包括：利用电子控制器获得使用选择性激光熔化装置被制造的部件的先前层的表面几何结构；利用电子控制器、基于先前层的表面几何结构来模拟向部件对具有期望粉末层厚度的新粉末层的添加；利用电子控制器、基于模拟的新粉末层的几何信息和期望粉末层厚度来确定熔池特性；利用电子控制器、基于熔池特性来确定对模拟的新粉末层的调整；以及利用电子控制器、基于模拟的新粉末层和确定的调整来驱动选择性激光熔化装置。

通过考虑详细描述和附图，其他方面、特征和实施例将变得清楚。

附图说明

该专利或申请文件包含至少一个以彩色制成的绘图。美国专利商标局将在请求并支付必要的费用后提供具有（一个或多个）彩色绘图的该专利或专利申请公布物的副本。

图1是图示了根据一个实施例的用于对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的系统的示意图。

图2是图示了根据一个实施例的电子控制器的示意图。

图3是图示了根据一个实施例的用于对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的方法的流程图。

图4a是图示了根据一个实施例的被制造的部件的先前固化层的绘图。

图4b是图示了根据一个实施例的被制造的部件的先前固化层降低的绘图。

图5a是图示了根据一个实施例的模拟的粉末层铺展（spread）的绘图。

图5b是图示了根据一个实施例的一旦铺展已发生的模拟的粉末层的绘图。

图5c是图示了根据一个实施例的在铺展已经发生之后在先前固化层之上铺展的模拟粉末的绘图。

图6a是图示了根据一个实施例的利用薄粉末层创建的熔池的绘图。

图6b是图示了根据一个实施例的利用厚粉末层创建的熔池的绘图。

图7是图示了用于各种层的熔池容积的条形图。

具体实施方式

在详细解释任何实施例之前，要理解的是，本公开不意图在其应用方面限于在以下描述中阐明的或在以下绘图中图示的部件的构造和布置细节。实施例能够具有其他配置并且能够以各种方式被实践或实施。

可以使用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同结构的部件来实现各种实施例。此外，实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，出于讨论的目的，可以将所述电子部件或模块图示并且描述为如同大多数部件仅在硬件中被实现那样。然而，本领域普通技术人员并且基于对本详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，可以在可由一个或多个处理器执行的（例如，存储在非暂时性计算机可读介质上的）软件中实现本发明的基于电子的方面。例如，说明书中描述的“控制单元”和“控制器”可以包括一个或多个电子处理器、包括非暂时性计算机可读介质的一个或多个存储器模块、一个或多个输入/输出接口、一个或多个专用集成电路（asic）以及连接各种部件的各种连接（例如，系统总线）。

图1是图示了根据一个实施例的用于对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的系统100的示意图。系统100包括选择性激光熔化装置105，选择性激光熔化装置105包括粉末输送系统110、制造区域115、推板120、激光器125和激光扫描系统130。

粉末输送系统110通过使用推板（blade）120将金属粉末层以期望的层厚度从粉末输送系统110推送到制造区域115来将金属粉末层输送到制造区域115。在一些实施例中，通过将推板120升高或降低到期望的高度来控制期望的层厚度。制造区域115允许借助于机械元件（诸如活塞）使金属粉末层（以及任何熔化的部分，如下面讨论的）降低。

金属粉末可以包括但不限于h13钢、钢、因科耐尔合金（inconel）718和ti-6al-4v及其组合的粉末。

一旦金属粉末层在制造区域115内，激光器125就向激光扫描系统130提供高功率激光束（通常是具有数百瓦、激光速度和激光直径的激光束），激光扫描系统130利用扫描镜在x和y方向上引导激光器125熔化金属粉末的所选部分。基于在激光扫描系统处接收的扫描路径来确定被熔化的金属粉末的所选部分。典型地，扫描路径作为计算机辅助设计（“cad”）模型被接收并且被划分成层，所述层图示了对于每个层而言金属粉末的哪些部分应当被熔化。针对每个层熔化的部分基于金属粉末的层厚度（例如，cad模型中的每个层具有与当前金属粉末层相同的厚度，以确保金属粉末的正确部分被熔化，从而创建正确的扫描路径）。

系统100还包括电子连接到选择性激光熔化装置105的电子控制器150。在图2中图示了电子控制器150的示例。

电子控制器150包括电子处理器205、输入/输出接口210和存储器215。电子处理器205执行指令以——除了其他事物之外——还执行如本文中描述的方法，并且可以是微处理器、专用集成电路等。电子处理器205电子连接到输入/输出接口210和存储器215。输入/输出接口210允许电子控制器150与系统100的其他电子部件（诸如选择性激光熔化装置105）通信。存储器215是存储可由电子处理器205执行的数据和指令的非暂时性计算机可读存储介质。

在一些实施例中，电子控制器150集成到选择性激光熔化装置105中。在其他实施例中，电子控制器150是系统100的单独的部件。要理解的是，可以在多个电子处理器、输入/输出接口和存储器之间划分电子控制器150的功能性。

现在返回到图1，系统100还可以包括传感器160。传感器160被配置成捕获固化的金属层和新的金属粉末层的数据，并且将该数据传输到电子控制器150。在一些实施例中，由激光扫描系统130的部件执行传感器160的功能性。传感器160可以将数据捕获为图像或者其他信号（诸如激光雷达、红外等）。

图3图示了根据一个实施例的对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的方法300。

方法300包括在电子控制器150处获得由选择性激光熔化装置105制造的部件的先前固化层的表面几何结构（在框305处）。例如，电子控制器150从传感器106接收指示先前固化层的表面几何结构的数据。图4a图示了被制造的部件的先前固化层405。图4b图示出：一旦确定了先前固化层405的表面几何结构，就可以（通过制造区域的机械元件，诸如活塞）使先前固化层405在制造区域115中降低，以允许新粉末层铺展在先前固化层405之上。

方法300还包括利用电子控制器150、基于先前固化层405的表面几何结构，来模拟向被制造的部件对具有期望粉末层厚度的新粉末层的添加（在框310处）。使用离散元方法（“dem”）模型对新粉末层的添加进行模拟，该离散元方法模型是用于计算大量小颗粒（诸如新粉末层）的运动和效果的数值方法族。期望粉末层厚度是出于模拟目的而给予新粉末层的粉末层厚度的初始值。

图5a图示了在先前固化层405之上铺展新粉末层505的推板120。推板120以给定的平移速度移动并且被设置在给定的高度，从而以期望粉末层厚度（例如，20微米）铺展新粉末层505。

图5b图示了在铺展已经发生之后在先前固化层405之上铺展的新粉末层505。一旦粉末层铺展已发生，电子控制器150就被配置成使用例如传感器160收集关于新粉末层505的几何数据。

图5c图示了在铺展已发生之后在先前固化层405之上铺展的新粉末505的不同视图。

方法300包括利用电子控制器150、基于模拟的新粉末层505的几何信息和期望粉末层厚度来确定熔池特性（在框315处）。熔池特性可以是熔池尺寸，诸如长度、宽度、深度或容积。

电子控制器150使用复杂的热流体（“cfd”）模型来确定熔池特性。cfd模型使用移动高斯热量源、材料相变信息、表面张力、蒸发压力和热流体属性。新粉末层505的粉末层厚度（例如，期望粉末层厚度）显著影响粉末床热量传递，粉末床热量传递管控slm过程中的熔池演变。

例如，图6a图示了在先前固化层405的顶部上利用薄粉末层610制成的熔池605。在激光器125（经由激光扫描系统130）经过薄粉末层610时，形成熔池605。

图6b图示了在先前固化层405的顶部上利用厚粉末层625制成的第二熔池620。如所示的，利用越厚的粉末层，形成越大的熔池。

图7图示了图表700，其示出了基于粉末层厚度的熔池容积的示例。第一条710示出了先前固化层405的熔池容积。如果新粉末层505具有与先前固化层405相同的粉末层厚度，则熔池容积中的改变可忽略，尽管由于公差和误差，一些改变是可能的（见第二条720）。相比之下，如果新粉末层505具有更大的粉末层厚度，则创建的熔池的容积大得多（见第三条730）。通过控制粉末层厚度，可以控制熔池的容积。

电子控制器150可以进一步基于激光器125的参数（诸如激光功率、激光速度和激光直径）来确定熔池特性。

方法300还包括利用电子控制器150、基于熔池特性确定对模拟的新粉末层505的调整（在框320处）。例如，如果对于较小的层而言需要较小的熔池容积（根据来自cad模型的扫描计划），则电子控制器150确定需要较小的期望粉末层厚度。相比之下，如果较大的熔池容积是必要的，则电子控制器150确定需要较大的期望粉末层厚度。

方法300包括利用电子控制器150、基于模拟的新粉末层505和确定的调整来驱动选择性激光熔化装置105（在框325处）。例如，如果确定的调整是模拟的新粉末层505需要具有较小的期望粉末层厚度，则电子控制器150驱动选择性激光熔化装置105，以将具有经调整的期望粉末层厚度的新粉末层505施加到被制造的部件。如果确定没有改变是必要的，则电子控制器150驱动选择性激光熔化装置105，以将具有初始期望粉末层厚度的新粉末层505施加到被制造的部件。如上面关于模拟的粉末层所描述的，推板120以给定的高度和给定的平移速度移动，以施加新粉末层505。通过这样做，可以更好地制造部件的各个层，这是因为基于粉末层厚度来动态调整由粉末创建层所需的熔池，从而允许对部件制造的更好控制。

因此，本文中的实施例提供了一种用于对用于选择性激光熔化增材制造的熔池特性进行模拟的系统和方法。

在所附权利要求中阐明了各种特征、优点和实施例。