專利名稱：制造系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及制造的物品，尤其涉及目標(biāo)物品的制造方法和設(shè)備，該物品具有對所需用途優(yōu)化的響應(yīng)特性。
本發(fā)明的背景和綜述歷來工程師所進(jìn)行的分析是在現(xiàn)實(shí)世界中為規(guī)劃制造產(chǎn)品使其達(dá)到預(yù)期效果而進(jìn)行的制作模型和校核的漫長過程中的一個步驟。包含諸如幾何對形狀、材料性能、負(fù)載和分析型式等信息的完整模型被引用到分析程序中，并計算出好位移等的基本結(jié)果。然后將這些計算值與材料的預(yù)定限度比較，不管材料是各向固性的、正交各向異性的、或各向異性的，在模型內(nèi)劃出臨界區(qū)域。如果模型的臨界區(qū)域超過規(guī)定限度，那就需要重新設(shè)計以便得到可靠的安全裕度，但在大多數(shù)時候，具有較高安全裕度的區(qū)域都被留下不再改變或不再優(yōu)化。采用逐步副近法如改變材料或構(gòu)件的尺寸形狀能減少安全裕度。這個過程不僅冗長而且在成本上不很有效。
一種被稱為體積控制制造(VCM)的方法能幫助減少成本、制造時間和安全裕度。VCM曾在美國專利5,796,617和5,594,651號中說明過，其內(nèi)容被本文引用。VCM例如可被應(yīng)用到被稱為THA(總髖部整形外科)的矯形程序內(nèi)。該程序包括用髖桿來更換病人的髖骨以資維持病人正常行走活動的生理能力。傳統(tǒng)的分析顯示有一對高應(yīng)力區(qū)域使各向同性的材料位移以周圍的骨上造成病人的疼痛和該相同的骨結(jié)構(gòu)在THA手術(shù)后不久便過早地失效。問題發(fā)生在所使用的形狀設(shè)計和材料要比被更換掉的堅硬得多。于是嘗試降低硬度包括使用復(fù)合材料。但這些嘗試都失敗了，這是因?yàn)閷娱g應(yīng)力造成分層，以致隨后基質(zhì)/纖維脫離粘結(jié)。發(fā)生失效是由于疊層的結(jié)構(gòu)設(shè)計不能承受負(fù)載環(huán)境及象髖骨那樣具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)功能。
對規(guī)劃制造的產(chǎn)品如髖桿，為了提供有效的分析來確定優(yōu)化的材料性能，有必要作出一條與傳統(tǒng)分析不同的途徑。VCM過程內(nèi)包含這條新的途徑。在使用傳統(tǒng)的分析方法時，首先確定位移及產(chǎn)品內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，然后通過現(xiàn)實(shí)世界的試驗(yàn)，將位移記錄下來并引用到分析內(nèi)。新的途徑不是這樣，而是將材料性能作為未知數(shù)而求解。
如同下面將要較詳細(xì)地說明，材料性能可用一反復(fù)迭代的分析過程來求解。分析可繼續(xù)到所有規(guī)定的元件顯示的位移都在規(guī)定的公差之內(nèi)為止。這樣，反復(fù)迭代的過程可繼續(xù)到收斂為止，從而可將整個模型就其特定環(huán)境和負(fù)載條件進(jìn)行優(yōu)化。其時采用復(fù)合材料能起很大作用，因?yàn)樗鼈兡苡枚喾N不同的方法改制來得到所需的材料性能，不象各向同性和金屬材料具有比復(fù)合材料差的改制能力。
優(yōu)化還可擴(kuò)展到控制從上術(shù)處理中得出的答案的型式。例如可將系統(tǒng)限制為在所找尋的答案中構(gòu)成目標(biāo)物品的有限體積元(“voxel”)具有一定的對稱性。為了說明起見，可將系統(tǒng)限制為在所找尋的答案中voxel為各向同性的或在橫向上各向同性的。將這種對稱性的要求加在答案上可提高可被制造的能力，這是因?yàn)樵谒械膙oxel中每一個voxel都是按照相同的或具有一定對稱性的性能(如泊松比、楊氏模數(shù))形成的。在某些實(shí)施例中系統(tǒng)可被設(shè)計成能產(chǎn)生各向同性的、在橫向上各向同性的、和各向異性的方案。實(shí)際采用來制造的方案可根據(jù)控制制造設(shè)備的比較容易程序來選定以便生產(chǎn)出所需的目標(biāo)物品。
如上所述，復(fù)合材料對VCM是有用的，因?yàn)樗鼈兡芤远喾N不同的方法被改制從而可得到所需的材料性能。復(fù)合材料為兩種或多種材料的組合，其中各該材料在低倍放大的水平上保持分離。一種構(gòu)造復(fù)合材料的方法是將與結(jié)構(gòu)纖維相容的基體分層疊合。如同下面較詳細(xì)地說明的那樣，引入纖維的基體可被修改使包含某些“雜質(zhì)”。在THA的情況下，雜質(zhì)例如可以是生物材料、骨、碎骨、協(xié)同因素、生物細(xì)胞、生物活性材料、藥劑、抗生素、放射性材料等。
附圖的簡要說明在結(jié)合附圖參閱下面關(guān)于目前較優(yōu)實(shí)施例的詳細(xì)說明當(dāng)可對本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)較好地和較完全地理解，其中

圖1示出按照本發(fā)明制造目標(biāo)物品的方法；圖2A和2B分別示出在一腿站立和從椅子上站起時作用在髖骨的股骨頭上的力；圖3A和3B分別示出作用在體內(nèi)髖骨上的力和造成的應(yīng)力；圖4示出一個假髖有的有限元模型；圖5A和5B示出材料性能數(shù)據(jù)庫；圖6示出可被用來實(shí)施本發(fā)明的功能模塊；圖7為可被用來實(shí)施圖6中一個或多個功能模塊的環(huán)境的方塊圖；圖8為控制制造機(jī)械用的控制計算機(jī)的略圖。
本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)說明圖1用來說明按照本發(fā)明制造一個目標(biāo)物品或部件的方法。本文所用目標(biāo)物品或部分(以后概稱“物品”)系指任何一個可用工藝過程或技術(shù)制造的物品，在該工藝過程中制造參數(shù)可被控制從而可改變物品內(nèi)的結(jié)構(gòu)性能或材料性能。按照本發(fā)明的制造物品的方法是根據(jù)下列方程式的求解得出的，{f}＝[k]{x}其中{f}代表按物品的預(yù)定用途施加在物品上的場，{x}代表相應(yīng)于所施加場的潛能，而[k]代表物品的材料性能。
本發(fā)明的方法可被用地任何一種制造參數(shù)可變的制造技術(shù)。例如使用編織機(jī)的編織過程可被用來制造纖維復(fù)合材料物品。纖維復(fù)合材料作為汽車車身板、飛行器、假體植入物、高爾夫球桿軸、網(wǎng)球球拍、自行車車架、和釣魚竿等構(gòu)件的構(gòu)造材料正日益被擴(kuò)大使用。這些復(fù)合材料能提供等于或高于金屬材料的強(qiáng)度，同時重量較輕并具有其他的提高的功能特性。各種參數(shù)如編織機(jī)床身及/或心軸的速率、纖維的粗細(xì)、和施加在纖維上的張力都被控制，因此可改變纖維復(fù)合材料的堅硬程度。能夠控制復(fù)合材料紡織的編織機(jī)床身設(shè)計的一例曾在授予Skelton的美國專利4,909,127號中示出。在授予Suto的美國專利4,975,262號中還述及三維織造織物。
復(fù)合材料還可用分層疊合的、在合適的基體內(nèi)包容的結(jié)構(gòu)纖維構(gòu)成，如同在授予Carver等的美國專利5,023,800號中所說明的那樣。纖維玻璃是一種廣泛使用的復(fù)合材料系統(tǒng)，其中玻璃纖維被引用到環(huán)氧樹脂基體內(nèi)。為了制造飛行器構(gòu)件，更多的具有改進(jìn)性能的外來復(fù)合材料系統(tǒng)值得采用。目前可供使用的外來無機(jī)材料如碳纖維、硼纖維、改進(jìn)的玻璃纖維、各種不同的材料的無機(jī)晶須和某些有機(jī)纖維如芳族聚酰胺和延伸鏈聚乙烯。這些纖維或晶須在采用時被制成線、織物、墊或類似物放置在合適的樹脂內(nèi)例如熱固性的環(huán)氧樹脂、聚酯、聚醚、聚酰亞胺、和比斯馬耳-酰亞胺，或熱塑性的聚酰胺-酰亞胺、聚醚砜、聚醚酮、對聚苯硫和其他類似的聚合物材料。復(fù)合材料物品可用模壓技術(shù)-或者用外部模型，該模型具有與物品互補(bǔ)的形狀，或者用內(nèi)部心軸式模型，在心軸上制成復(fù)合材料物品。用來形成并硬化復(fù)合材料物品的模型被稱作粘合工具，而硬化是在精密控制的溫度和壓力下進(jìn)行的。
按照本發(fā)明的一個方面，某些“雜質(zhì)”可被引入到包容纖維的基質(zhì)內(nèi)。在THA的情況下，雜質(zhì)例如可以是生物材料、骨、碎骨、協(xié)同因素、生物活性材料、藥劑、抗生素、放射性材料、和類似物。VCM提供的制造是在元件接元件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，外部表面元件能被制成在基質(zhì)材料內(nèi)包含一定百分比的上述雜質(zhì)。實(shí)際的百分比可隨離開表面的深度而變(例如濃度可隨表在的接近而增加)。在THA內(nèi)采用生物材料時，植入物本身的生物成長能被激勵。如果在THA內(nèi)采用藥劑或抗生素，藥劑能向外擴(kuò)散到周圍組織內(nèi)。
在車床上或銑床上使用仿形切削系統(tǒng)的仿形切削過程可被用來制造金屬物品。仿形切削為在應(yīng)用時如對渦輪葉片機(jī)加工時連續(xù)去除材料。參數(shù)如零件表面、驅(qū)動表面、和止動表面都是可以控制的，以資改變銑刀途徑，從而進(jìn)行仿形切削。零件表面為銑刀端騎跨在其上的表面，驅(qū)動表面為銑刀邊騎跨在其上的表面，而止動表面為目前的銑刀運(yùn)動停止時所遇到的表面。關(guān)于仿形切削系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，可參閱BedNorth等人的著《計算機(jī)集成的設(shè)計和制造》，美國Mc Graw-Hil公司出版(1991)。
當(dāng)然，本發(fā)明并不限于使用編織、模壓或仿形切削制成的物品，上面的論述只是可被在創(chuàng)造性方法中使用的制造技術(shù)的一些例子。舉例來說但不作限制，其他可以使用的過程和技術(shù)還可包括如聚合物制造過程、結(jié)晶技術(shù)、陶瓷件制造技術(shù)等等。
在流程的第21步，按照目標(biāo)物品預(yù)期的用途限定施加在物品上的場{f}以及對這些場希望得到的墊(潛能)或響應(yīng){x}。例如，物品可被施加機(jī)械力場、電流場、磁場、熱通量場、及/或流體速度場。其他場可用這些主要場推導(dǎo)出來。例如聲場可由機(jī)械力場和流體速度場結(jié)合而成，磁流體動力場可由流體速度場和磁場結(jié)合而成。每一個上述場都有相應(yīng)的勢。這些勢為相應(yīng)于機(jī)械力場的位移，相應(yīng)于電場的電壓，相應(yīng)于磁場的磁向量勢，相應(yīng)于熱能量場的溫度，和相應(yīng)于流體速度場的流體勢。
如上所述，在第21步限定的場為將按預(yù)定用途施加到物品上的一個或多個場。例如在假體髖骨的情況下該場可以是在植入到人體內(nèi)以后施加在假體髖骨上的機(jī)械力。例如在圖2A和2B中的箭頭分別代表在一腿站立(如在走路時)和從椅子上站起時施加在股骨頭上的力(方向和大小)。該力的分布和取向是根據(jù)對人體內(nèi)的研究而作的報告，例如Hodge等人所寫的“實(shí)測的人體髖關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力”，見美國國家科學(xué)院報告匯編83，2879-2883(1986)。這些力的合力約為2000牛頓(N)，從一腿站立到中等程度站起的負(fù)載，力的取向有所改變。作為另一個例子，在導(dǎo)熱元件的情況下，該場可以是按照預(yù)定用途施加在物品上的熱通量。當(dāng)然，在一個物品上可以施加多于一個的場，并且其中每一個場都可在第21步限定。對于一個導(dǎo)電線可按其預(yù)期目的施加電場、磁場和機(jī)械力場。
當(dāng)將限定的場{f}施加在物品上時，制造者希望該物品以如何方式作出響應(yīng)是由在第21步限定的勢{x}限定的。在假體髖骨的情況下，限定的勢為當(dāng)假體髖骨在走路和從椅上站起、受到圖2A和2B所示的機(jī)械力時希望在假體髖骨內(nèi)產(chǎn)生的位移(該位移在數(shù)學(xué)上與應(yīng)力有關(guān))。如果制造者希望假體髖骨對力作出與活體髖骨同樣的反應(yīng)，那么在假體髖骨內(nèi)“所希望的位移”例如可相當(dāng)于在走路和從椅子上站起時在活體髖骨內(nèi)產(chǎn)生的位移。圖3A示出一個施加著2000N的力的活體髖骨，圖3B則為一表列出圖3A中由于力的施加在標(biāo)有A、B、C、D、E和F各點(diǎn)產(chǎn)生的位移的測量結(jié)果。這樣，希望制出的假體髖骨對圖3A中所示的力能作出與活體髖骨同樣響應(yīng)的制造者可先將力{f}限定為圖3A中所示的力，然后將位移{x}限定為圖3B的表中所列出的位移。與此類似，在導(dǎo)熱元件的情況下，所施加的為熱通量場，所限定的響應(yīng)為在導(dǎo)熱元件各部分都具有所需的溫度。在導(dǎo)電線的情況下，所施加的為電場磁場，所限定的響應(yīng)為在導(dǎo)電線的各部分當(dāng)施加限定的機(jī)械力場時具有所需的位移，當(dāng)施加限定的磁場時具有所需的磁向量勢，當(dāng)施加限定的電場時具有所需的電壓。
在第22步，計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)被用來在幾何形狀尺寸上構(gòu)成要被制造的物品的模型。構(gòu)成幾何模型是使用計算幾何來限定物品幾何形狀尺寸的一種技術(shù)，其目的有幾個方面即物品的顯示，對物品進(jìn)行完整的限定以資進(jìn)行制造和其他用途如有限元分析；設(shè)計，允許使用者輸入和變換物品的幾何形狀尺寸規(guī)格；及體現(xiàn)，使用幾何學(xué)在計算機(jī)的圖像輸出裝置上畫出物品的實(shí)際圖像。物品或零件的最初幾何模型例如可根據(jù)設(shè)計工程師的經(jīng)驗(yàn)或由于物品或零件的預(yù)期用途而有所改變。例如，假體髖骨的初始幾何模型可根據(jù)活體髖骨。當(dāng)然，這個初始幾何模型隨后可被修改，以資適應(yīng)具有特有身高及/或體重的個人。又如高爾夫球桿軸的初始設(shè)計幾何形狀也是已知的，即一個具有預(yù)定長度和直徑的圓筒。同樣，這個初始設(shè)計幾何形狀可被修改，借以給具有特定高度的擊球手提供合適的軸，或者提供一根直徑有變化的軸，例如在球桿頭附近具有較窄的直徑。用來構(gòu)成這種幾何模型的合適的CAD軟件包包括I-DEAS、CATIA和ANVIL-5000。這些軟件包例如要在以UNIX為基的工作站上運(yùn)行，這種工作站如同SunMicrosystems或Silicon Graphics所供售的。當(dāng)然，計算機(jī)的選用將取決于所需計算機(jī)的能力，本發(fā)明對此并無限制。使用這種計算機(jī)輔助設(shè)計的軟件包允許用戶自己限定一個物品或零件的幾何模型并能快速修改，從而產(chǎn)生幾何數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)換成計算機(jī)輔助制造工步使用的格式及/或有限無法工步使用的格式。這些工步將在下面較詳細(xì)地論述。應(yīng)該注意到最初的幾何模型可以是對具有所需幾何形狀的物品掃描而產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)。例如，在假體髖骨的情況下，初始的幾何模型可使用例如西門子的Somatom DR3或GE的9800的CT掃描儀以X射線照射尸體的髖骨而產(chǎn)生。這個圖像數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)變成CAD軟件包使用的格式或者可被直接轉(zhuǎn)變成有限元法軟件包使用的格式(例如PATRON格式)，這些將在下面說明。
在第23步，使用有限元法產(chǎn)生物品的有限元模型。有限元法是根據(jù)這樣一個理論即形狀不規(guī)則的物品能品能被劃分成較小而規(guī)則的有限元。這樣每一個元件就可分開來處理，而總效果就是物體內(nèi)有限元的效果之和。有限元模型是由用戶使用合適的軟件包在工步22中研制的幾何模型上操作而造成的，因此有限元法軟件包一般要存取含有物品在工步21研制的幾何形狀的數(shù)據(jù)文檔。某些集成的軟件包如SDRC公司提供的I-DEAS將幾何建模和有限元分析的模塊連接在一起，因此用戶可毋需重新限定專為有限元分析使用的形狀。其他可用來產(chǎn)生有限元模型的合適軟件包包括NASTRAN、ABAQUS和ANSYS。
這樣，有限元模型是將物品的幾何模型劃分成許多元件，然后限定元件邊界上的節(jié)點(diǎn)而產(chǎn)生的。圖4中示出假體髖骨的一個示范的有限元模型。在物品的有限元模型內(nèi)可以使用多種元件形狀。元件的數(shù)目和型式一般根據(jù)場的型式和物品的幾何形狀尺寸來選用。上面認(rèn)定的各種有限元軟件包一般都包括元件和元件群集的庫使具有特定幾何形狀尺寸的面積能按用戶規(guī)定的準(zhǔn)確程序建模。這樣，便可利用具有預(yù)定元件尺寸值的元件或具有預(yù)定群集尺寸值的由可變元件組成的元件群集。如果利用元件群集，那么群集就可在整個有限元模型內(nèi)重復(fù)。一個群集可包括具有不同形狀的元件。例如，如果要被制造的物品受到剪力，那么形狀最適合對剪力建模的元件可被利用并適當(dāng)?shù)厝∠颉．?dāng)這些元件集結(jié)在一起，它們可能形成可被重復(fù)的群集，例如在具有相似幾何形狀尺寸的面積內(nèi)及/或被相似的力作用時。另外，對以差要求嚴(yán)格的物品部分可用尺寸不同的元件來建模。所謂超級元件可被用在公差要求不嚴(yán)格的地方。由于本發(fā)明的方法如在下面將述，是一個典型的反復(fù)迭代過程，因此在第一次重復(fù)時如果能確定物品的一部分或多個部分的節(jié)點(diǎn)值不會有多大變動，那么為了計算的目的，在第二次稍后的重復(fù)中產(chǎn)生的物品的有限元模型可在這些區(qū)域內(nèi)包括一個或多個超級元件為的是要簡化以后的計算。
有限元模型在完成時須規(guī)定在離散物品各個節(jié)點(diǎn)上的上面所說的場{f}和勢{x}的值及/或方向。另外，要加上任何合適的邊界條件。
在第24步，有限元軟件包被用來編程，利用{f}＝[k]{x}的關(guān)系求解材料性能矩陣[k]，即[k]{x}＝{f}[k]{x}{x}-1＝{x}-1{f}[k]＝{x}-1{f}因?yàn)閳鰗f}和勢{x}在工步21被限定，材料性能矩陣[k]可被計算出來。當(dāng){f}為機(jī)械力場而{x}為位移時，[k]為堅硬度矩陣。當(dāng){f}為熱通量場而{x}為溫度時，[k]為導(dǎo)熱率。當(dāng){f}為磁場而{x}為磁向量熱時，[k]為磁阻。當(dāng){f}為電流場而{x}為電壓時，[k]為導(dǎo)電率。當(dāng)場和勢在工步21如所說的被限定后，在工步24對矩陣[k]的計算便可確定最優(yōu)或接近最優(yōu)的材料性能矩陣，這樣制造者便可制造出對特定的施加如力具有所需反應(yīng)的物品。
用來產(chǎn)生該方程式之解的軟件可包括一個優(yōu)化器、一個標(biāo)準(zhǔn)的非線性的有限元分析(FEA)規(guī)范、和一個控制器用來控制在優(yōu)化器和FEA規(guī)范之間數(shù)據(jù)流動。一旦FEA完成分析，控制器便將數(shù)據(jù)送給優(yōu)化器，將從分析得到的數(shù)據(jù)與所需的模型參數(shù)和公差比較。如果比較結(jié)果有一些數(shù)據(jù)不在所需的公差范圍內(nèi)，那么優(yōu)化器可調(diào)節(jié)所選的參數(shù)，然后由控制器將重新調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)返回到FEA規(guī)范進(jìn)行另一輪分析。這個過程一直要繼續(xù)到用戶在模型內(nèi)規(guī)定的所有參數(shù)都在公差范圍內(nèi)為止，這樣優(yōu)化值才能收斂。
優(yōu)化方法可被用來返回計算材料性能，使在有限元模型內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)上的位移盡可能地與輸入目標(biāo)位移接近。這種問題被稱作逆向問題。目標(biāo)位移通常從實(shí)驗(yàn)中得出。因此在給出有限元(FE)模型時，方法必須能系統(tǒng)地調(diào)節(jié)材料性能使計算的(分析的)位移盡可能與實(shí)驗(yàn)的位移接近。
非線性編程(NLP)技術(shù)可被用來解出這個問題?？紤]到最優(yōu)設(shè)計問題可如下敘述求 (xi，i＝1，...，n)使成極小f(x)=(DjE-DjA)2,j=1,...,n]]>gk(x)=sk≤ska,k=1,...,m]]>條件為xiL≤xi≤xiU]]>其中xi第i次設(shè)計變數(shù)(如彈性模數(shù)、泊松比等) 從FE模型計算出的位移 目標(biāo)位移(如從實(shí)驗(yàn)得到的)sk從FE模型計算出的應(yīng)力不變值(如馮米塞斯的數(shù)據(jù)) 容許的(最大)應(yīng)力值 設(shè)計變數(shù)的下限 設(shè)計變數(shù)的上限最優(yōu)設(shè)計問題的最佳解(如果有的話)是在所有限制條件gk(x)都被滿足而目標(biāo)函數(shù)f(x)為零的時候。由于(a)輸入數(shù)據(jù)內(nèi)有噪聲、(b)FE分析的限制、和(c)數(shù)值優(yōu)化技術(shù)的限制，這個理論上為零的目標(biāo)函數(shù)一般是不能得到的。但本發(fā)明可采用與這個理論解接近的值為解。
可行方向法(一種著名的NLP技術(shù))可被實(shí)行并用作優(yōu)化器軟件系統(tǒng)。一個非線性FE計算機(jī)程序被用來解有限元模型?？刂破鞅挥脕碜x出問題輸入數(shù)據(jù)并管理優(yōu)化器和非線性FEA計算機(jī)程序。
優(yōu)化器還可用來控制從上述處理得出的解的型式。例如可將系統(tǒng)這樣限制以便找出一個有限體積元件(voxel)具有一定對稱性的解。例如系統(tǒng)可被這樣限制以便找出一個其中voxel為各向同性或在橫向上的為各向同性的解。例如骨便是在橫向上各向同性的。將這種對稱性添加在解上能提高其可制造性，因?yàn)槊恳粋€voxel都是根據(jù)相同的性能(如泊松比、楊氏模數(shù))限定的，或在整個voxel中具有一定的對稱性。在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)可被設(shè)計得能產(chǎn)生多種解，有各向同性的voxel，有在橫向上各向同性的voxel，還有各向異向的voxel。實(shí)際用來制造的解可根據(jù)控制制造設(shè)備的相對容易程度從其中選用以資用來生產(chǎn)所需的物品。
在第25步內(nèi)，有限元軟件包被用來從材料性能矩陣[k]中為有限元模型內(nèi)的每一個元件提取材料性能系數(shù)。具體地說，在工步24計算出的材料性能矩陣[k]是總的或組合的材料性能矩陣[k]。有限元模型具體元件的材料性能系數(shù)可用布爾定位函數(shù)或某些其他定位函數(shù)從這個總的或組合的矩陣中提取。例如，參閱圖4，在元件601的材料性能系數(shù)提取后，接下來就可提取元件602的材料性能系數(shù)，等等。這個程序?qū)δＰ蛢?nèi)的每一個元件重復(fù)進(jìn)行，為的是產(chǎn)生一個能代表假體髖骨的材料性能的。在小體積增量下的數(shù)據(jù)序列。
在第26步，將提取的材料性能系數(shù)與在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的已知的材料性能系數(shù)比較。圖5A示出一個材料數(shù)據(jù)庫700的組織。材料性能數(shù)據(jù)庫700的特征為具有多個按材料堅硬度值如楊氏模數(shù)(E)和泊松比(σ)排列的材料M1-1，M1-2，…，M1-n。例如材料M1-1可以是鋁，其楊氏模數(shù)為7.2×1010Pa，泊松比為0.32。材料M1-2可以是鋁，其楊氏模數(shù)為6.9×1010Pa，泊松比為0.35。材料M1-n可以是鑄鐵，其楊氏模數(shù)為8.8×1010Pa，泊松比為0.30。當(dāng)然，本發(fā)明并不限于這些具體材料。分別與這些材料M1-1，M1-2，…，M1-n中每一種關(guān)聯(lián)的為制造過程和該過程的特定參數(shù)(如溫度、壓力等)，采用該參數(shù)可生產(chǎn)出具有相應(yīng)堅硬度性能的材料。與此類似，如圖5B所示，材料性能數(shù)據(jù)庫701的特征為具有多個按導(dǎo)電率值(σ)排列的材料M2-1，M2-2，…，M2-n。同樣，分別與它們中每一種關(guān)聯(lián)的為制造過程和該過程的特定參數(shù)，采用該參數(shù)可生產(chǎn)出具有相應(yīng)導(dǎo)電率的材料。類似的材料數(shù)據(jù)庫可被用來表述材料的導(dǎo)熱率或磁阻抗的特征并確認(rèn)與每一種材料相關(guān)的制造過程和制造過程參數(shù)。
這樣，材料性能數(shù)據(jù)庫就是材料性能系數(shù)連同相應(yīng)的制造過程和制造過程控制參數(shù)的檔案。這種數(shù)據(jù)庫是由工業(yè)制造商、政府機(jī)構(gòu)和研究院造成并保持的。例如，當(dāng)一種材料如金屬、塑料或復(fù)合材料用特定的制造過程被造成后，其性能就可通過標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法如ASTM(美國材料試驗(yàn)學(xué)會)試驗(yàn)方法確定下來。當(dāng)這些性能被確定后，用來使材料具有這些性能的整套制造參數(shù)如溫度、壓力等就被關(guān)聯(lián)到該材料上為的是在將來能夠復(fù)制出該材料。
在工步26進(jìn)行的在提取的材料性能系數(shù)和材料性能數(shù)據(jù)庫之間的比較可被用來確定在數(shù)據(jù)庫內(nèi)哪一種材料的性能與提取的材料性能的系數(shù)所相應(yīng)的性能匹配或最為接近匹配。參閱圖4，這樣，經(jīng)過比較就能確認(rèn)第一組制造參數(shù)，用該參數(shù)可以生產(chǎn)出具有所需豎硬度性能的、相應(yīng)于元件601的部分假體髖骨，接下來可以確認(rèn)第二組制造參數(shù)，用該參數(shù)可以生產(chǎn)出相應(yīng)于元件602的部分假體髖骨，如此等等。上述比較例如可用一知識庫來進(jìn)行，在該庫內(nèi)有一事實(shí)庫用來存儲為每一個元件(如圖4中的元件601、602等)提取的材料性能系數(shù)數(shù)據(jù)和來自材料數(shù)據(jù)庫的材料性能數(shù)據(jù)，還有一個規(guī)則庫，其內(nèi)含有一些規(guī)則可用來比較和選配為每一個元件提取的材料性能數(shù)據(jù)和來自材料數(shù)據(jù)庫的材料性能數(shù)據(jù)。匹配的水平(如完全匹配、接近匹配)視用途而定，特別是關(guān)系到允許有多大的公差。如果要制造的物品為關(guān)鍵構(gòu)件，那么最好有十分接近的或完全的匹配。如果要制造的物品不是關(guān)鍵構(gòu)件，那么選配的判據(jù)就可放松。其他判據(jù)如費(fèi)用和可供的制造設(shè)備也可確定匹配水平。這樣，在完成工步26后，便可為每一個物品的每一個部分確定整套的制造過程控制參數(shù)。
在第27工步，所確定的整套制造過程控制參數(shù)被吩咐下去或順序安排以資形成制造該物品所必需的制造過程控制。制造控制參數(shù)可被用來對制造該物品的制造設(shè)備實(shí)行數(shù)字控制。數(shù)字控制涉及在制造設(shè)備的自動控制中使用編碼的數(shù)字信息。對于機(jī)床，這會涉及刀具的運(yùn)動或被加工零件對旋轉(zhuǎn)刀具的運(yùn)動。敷設(shè)復(fù)合材料來構(gòu)成機(jī)加工金屬零件的輕質(zhì)替代物的過程也可用數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)。這時可用一般目的的數(shù)字控制語言將制造物品所必需的關(guān)于幾何關(guān)系和運(yùn)動的語句進(jìn)行編程，從而找出制造控制數(shù)據(jù)。一種這樣的語言是APT-AC數(shù)字控制處理器程序(美國N.Y州Armonk的IBM公司有供售)。APT-AC處理器是一種計算機(jī)應(yīng)用程序，該程序能接受為說明所要完成的數(shù)字控制操作而輸入的用面向用戶的語言寫的語句。有一后處理器可進(jìn)一步處理制造控制數(shù)據(jù)將信息改編成專用的制造過程。在工步28，后處理數(shù)據(jù)被供應(yīng)到計算機(jī)化的制造裝置上并被用來控制物品的制造和合成，使該物品具有所需的具體計算的材料性能，例如假定使用一個編織機(jī)來制造復(fù)合材料，在織造過程中，由于計算機(jī)機(jī)能控制各個機(jī)械零件的速率，織物的緊密度能被控制?？椢镌骄o密，堅硬度越高(柔順度越低)。而在假體髖骨的情況下，高堅硬度和低堅硬度的區(qū)域都是需要的。使用幾何模型和提取的材料性能系數(shù)，制造過程具體地說是織物的緊密度能被這樣控制，使它既有高堅硬度的區(qū)域(如圖4中的元件601)，也有低堅硬度的區(qū)域(如圖4中的元件603)。按照本發(fā)明創(chuàng)新的方法，由于能適當(dāng)?shù)乜刂浦圃爝^程，因此所生產(chǎn)的假體髖骨對施加負(fù)載反應(yīng)方式能與人體髖骨在受到相同負(fù)載時的反應(yīng)方式基本相同。這種假體能為特定的個人提供特定的反應(yīng)特性。
上述方法通常是一個重復(fù)進(jìn)行的過程。例如，初始過程得到的結(jié)果可一般地指出在用編織機(jī)制造纖維復(fù)合材料時材料與按預(yù)期用途提取的材料性能系數(shù)最佳的匹配。而在第二個隨后的重復(fù)過程中，有限元模型就是因?yàn)榭紤]到計算機(jī)的編織機(jī)能夠有控制地編織最小的增量體積而會被修改。最好，在有限元模型內(nèi)的每一個元件都有不小于最小增量的體積能用制造物品的技術(shù)有控制地制造。例如對于使用編織機(jī)的編織過程而言，能被有控制地編織的最小體積約為一個立方毫米。換句話說，這樣在生產(chǎn)物品時我們便能改變編織的式樣使其材料性能或構(gòu)造性能大致隨著一個立方毫米的增量而變化。這個最小增量體積當(dāng)然會隨著所選的制造過程或技術(shù)而變化，另外，還可能與現(xiàn)有的制造設(shè)備有關(guān)。這樣，雖然現(xiàn)有技術(shù)的編織機(jī)能夠編織的最小增量體積是一個立方毫米，但不一定所有編織機(jī)都能這樣操作。因此，在這種情況下，最小增量體積是由現(xiàn)有編織機(jī)的能力來決定的。應(yīng)該知道，隨著制造技術(shù)的改進(jìn)，較小的增量體積將能有控制地被制造，而本發(fā)明的方法將可用于尺寸改變的或形狀不同的元件。
本發(fā)明創(chuàng)新方法的數(shù)學(xué)對復(fù)合材料以外的其他型式的制造過程如金屬、塑料、和陶瓷的制造同樣有效，對希望在熱流和電流下作出所需反應(yīng)的物品的制造也同樣有效。簡言之，這個創(chuàng)新方法能夠用于任何一種要求精密地在體積上控制制造的、計算機(jī)控制的制造過程。
當(dāng)要求提高物品的效率時，本發(fā)明的方法特別有用。在傳統(tǒng)的制造中，著重點(diǎn)放在精密制造一個物品的幾何形狀尺寸，即使有的話，也沒有很多控制構(gòu)成這種幾何形狀尺寸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而按照本發(fā)明創(chuàng)新的方法，材料矩陣為未知，可進(jìn)行重復(fù)的過程來使材料性能矩陣優(yōu)化同時使幾何形狀尺寸保持固定。
這樣，按照本發(fā)明，任何一種過程的輸入?yún)?shù)都可精細(xì)地變化，從而造成的物品可具有精密限定的材料性能矩陣。隨著制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，能被有控制地制造的最小增量體積的大小也會不斷縮小，但即使是這樣，上述方法仍可應(yīng)用。
圖6示出可被用來實(shí)行本發(fā)明方法的各種功能模塊。計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)模塊801是一個三維圖形的軟件程序可用來產(chǎn)生幾何模型的限定。這種幾何模型限定包括在一三維座標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)列出精密地使物品設(shè)計定位的各個座標(biāo)點(diǎn)。這一點(diǎn)可用圖形軟件包使用例如X、Y、和Z座標(biāo)點(diǎn)及在需要時的適當(dāng)?shù)亩ㄎ幌蛄縼碜龅?。三維圖形軟件包利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來限定圖形程序的數(shù)據(jù)庫內(nèi)各個具體點(diǎn)。利用圖形程序內(nèi)的算法能夠限定和產(chǎn)生物品內(nèi)的其他各點(diǎn)。圖形程序最好能利用適當(dāng)?shù)南蛄亢途仃嚨淖映绦蚴刮锲纺茉谟嬎銠C(jī)的存儲器內(nèi)旋轉(zhuǎn)或移動并制定尺寸，這樣任何一個點(diǎn)相對于其他點(diǎn)的座標(biāo)便都能被知道。如上所述，合適的CAD軟件包包括I-DEAS、CATIA、和ANVIL-5000。
有限元模塊802被用來根據(jù)存儲在圖形程序數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生出物品的有限元模型。有限元模塊802是一種軟件包可用來將使用計算機(jī)輔助設(shè)計模塊801設(shè)計的物品劃分成許多元件并在每一個元件內(nèi)以假定的近似的函數(shù)來表示一個或多個未知的場變數(shù)。有限元模塊802被編程以資為每一個元件計算出最優(yōu)的材料性能如上所述。用于有限元模塊802的合適的軟件包包括NASTRAN、ABAQUS和ANSYS。
材料數(shù)據(jù)庫模塊803為材料性能系數(shù)連同其相應(yīng)的制造過程和制造過程控制參數(shù)的檔案。這樣該檔案就將材料性能與制造過程和用來造成該材料的制造過程參數(shù)關(guān)聯(lián)起來。
比較模塊804將使用有限元模塊802確定的材料性能與材料數(shù)據(jù)庫模塊803內(nèi)的材料數(shù)據(jù)比較為的是確定(1)那一種材料具有的性能與使用有限元模塊802確定的材料性能匹配或最為接近匹配，及(2)與這選配的材料關(guān)聯(lián)的制造過程和制造過程參數(shù)。比較模塊804可這樣實(shí)施，例如用一知道庫，其內(nèi)有一事實(shí)庫用來存儲分別來自有限元模塊802和材料數(shù)據(jù)庫模塊803的材料性能數(shù)據(jù)，以及一個規(guī)則庫，其內(nèi)含有規(guī)則可用來比較和選配分別來自有限元模塊802和材料數(shù)據(jù)庫模塊803的材料性能數(shù)據(jù)。
制造模塊805將從比較模塊804導(dǎo)出的制造參數(shù)轉(zhuǎn)換并排序，從而將制造指令提供給制造機(jī)械以便制造由計算機(jī)輔助設(shè)計模塊801限定幾何形狀尺寸的物品。物品的制造可由對該具體材料合適的機(jī)械進(jìn)行。例如，金屬可通過復(fù)制表面的幾何形狀尺寸(空間內(nèi)的表面點(diǎn))來制造，復(fù)合材料可通過控制織物的構(gòu)造和纖維的選擇來制造，而聚合物可通過化學(xué)品的選擇、溫度和壓力來制造。計算機(jī)輔助制造使機(jī)械能迅速地被調(diào)節(jié)，制造過程可從一個物品變?yōu)橄乱粋€物品或在單個物品的各個區(qū)域內(nèi)變換。
上述這些模塊可分開提供或成為一個集成的軟件包。VCM系統(tǒng)和過程依靠用計算機(jī)處理來幫助制造工作。計算機(jī)處理在零件或組件的設(shè)計、分析和制造的整個過程中都被使用。在設(shè)計和分析階段，該系統(tǒng)最好被這樣設(shè)計使材料性能中的機(jī)械性能如應(yīng)力和應(yīng)變變化的靈敏度能被看到。要做到這一點(diǎn)，可反復(fù)解出材料性能，隨后解出機(jī)械性能，在每一次反復(fù)后接近實(shí)時地顯示這兩者解出的結(jié)果，然后用來確定每一元件或元件群的最優(yōu)材料性能。在制造時，該系統(tǒng)用來確定材料的構(gòu)成如纖維和復(fù)合材料的選擇、纖維體積和纖維方向。
在前處理和后處理時，該系統(tǒng)最好能提供一個觀看的窗口將三維的有限元模型顯示出來而將每一個元件的性能表現(xiàn)成不同的顏色。這個模型可被顯示成線框架、虛線或?qū)嵕€。還可能用體積來表現(xiàn)有限元分析的結(jié)果。每一個元件的結(jié)果如楊氏模數(shù)或泊松比被讀入到軟件內(nèi)。該系統(tǒng)然后將這些結(jié)果內(nèi)插到每一個三維元件內(nèi)并從頻譜上指定一個可代表所需材料性能數(shù)值范圍的顏色值。這個數(shù)據(jù)然后被表現(xiàn)在有限元模型的帶網(wǎng)絡(luò)的幾何圖形上。透明值可被指定給元件使內(nèi)部元件能被觀看。該系統(tǒng)有能力翻譯CAD/CAM和FEA工具中專利的文件格式如ABAQUS、NASTRAN、I-DEAS和Unigraphics以及標(biāo)準(zhǔn)的文件格式如IGES。在ACSII正文文件中有許多文件是從不同的包交換來的。翻譯程序?qū)⒉煌囊哉臑榛奈募囊粋€格式轉(zhuǎn)變成另一個格式，從而可不依靠用戶將這些包集成在一起。
在分析階段，該系統(tǒng)控制從FEA處理到優(yōu)化處理之間的數(shù)據(jù)交換。每一次迭代的結(jié)果可被送到后處理器并且?guī)缀蹩稍趯?shí)時看到。被交換的數(shù)據(jù)放在ASCII的格式中，軟件編碼分析正文文件并將文件格式轉(zhuǎn)換成分開的包所需的格式。該系統(tǒng)最好包括GUI使用戶能操縱數(shù)據(jù)。而且該系統(tǒng)最好有能力將每一次迭代的結(jié)果實(shí)時地輸出到電視機(jī)。這個特點(diǎn)使我們不僅能模擬“終端結(jié)果”，而且能模擬“中間的解”。
該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)庫用來存儲復(fù)合材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以SQL為基的數(shù)據(jù)庫包括定制的詢問程序使該系統(tǒng)能自動地為零件檢索最優(yōu)的材料性能值并推薦最優(yōu)的制造方法和參數(shù)。面向產(chǎn)品的方法造成的結(jié)構(gòu)可動態(tài)地分配存儲并允許大量數(shù)據(jù)的交流。這個方法能保證可量測性，同時保持高水平的效能。
圖7示出完成上述計算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)過程可使用的計算機(jī)設(shè)備。各個過程可在同一臺計算機(jī)上完成，也可在不同的計算機(jī)上完成。系統(tǒng)1201包括一個處理單元1203和一個系統(tǒng)存儲器1205。一條系統(tǒng)總線1207將包括系統(tǒng)存儲器1205在內(nèi)的各個系統(tǒng)組成部分連接到處理單元1203上。系統(tǒng)總線1207可以包括存儲器總線或存儲器控制線、外圍設(shè)備總線和局部總線數(shù)種總線結(jié)構(gòu)型式中的任何一種結(jié)構(gòu)，使用任何一種總線式樣。系統(tǒng)存儲器1205包括只讀存儲器(ROM)1252和隨機(jī)存取存儲器(RAM)1254。有一基本的輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS)1256存儲在ROM 1252內(nèi)，含有基本程序能在開始時幫助計算機(jī)系統(tǒng)1201內(nèi)的各個元件之間轉(zhuǎn)移信息。系統(tǒng)1201還包括各種驅(qū)動器和相關(guān)的計算機(jī)可讀媒體。有一硬盤驅(qū)動器1209從一(通常為固定的)硬磁盤1211上讀出并寫入該盤。還有一個另外的(能選用的)磁盤驅(qū)動器1213從一可取下的“軟盤”或其他磁盤1215上讀出并寫入該盤。有一光盤驅(qū)動器1217從一可取下的光盤1219如CD ROM或其他光媒體上讀出，并在某些設(shè)計中可寫入該盤。硬盤驅(qū)動器1209和光盤驅(qū)動器1217分別被硬盤驅(qū)動器界面1221和光盤驅(qū)動器界面1225連接到系統(tǒng)總線1207上。這些驅(qū)動器及其相關(guān)的計算機(jī)可讀媒體將計算機(jī)系統(tǒng)1201的計算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊和其他數(shù)據(jù)不易變失地存儲起來。在其他設(shè)計中，其他型式的、能夠存儲數(shù)據(jù)而被計算機(jī)存取的計算機(jī)可讀媒體(例如盒式磁帶、快速存儲卡、數(shù)字視盤、貝努里盒式磁帶、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和類似物)亦可使用。
多個程序模塊可被存儲在系統(tǒng)存儲器1205的硬盤1211、可取下的磁盤1215、光盤1219及/或ROM 1252及/或RAM 1254內(nèi)。這些程序模塊可包括提供圖像和聲音的操作系統(tǒng)API、一個或多個應(yīng)用程序、其他程序模塊和程序數(shù)據(jù)。用戶可通過輸入裝置如鍵盤1227、指示裝置1229、微音器、操縱桿、游戲控制器、衛(wèi)星盤、掃描儀、或類似物將指令和信息輸入到計算機(jī)系統(tǒng)1201內(nèi)。這些輸入裝置可通過偶聯(lián)到系統(tǒng)總線1207上的串行端口界面1231連接到處理單元1203上，但可用其他界面如并行端口、法爾總線或通用串行總線(USB)來連接。監(jiān)控器1233或其他型式的顯示裝置也可通過一個界面如視頻適配器1235連接到系統(tǒng)總線1207上。
系統(tǒng)1201還可包括一個調(diào)制解調(diào)器1154或其他網(wǎng)絡(luò)界面設(shè)施用來建立與網(wǎng)絡(luò)1152如互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通?？梢允莾?nèi)部的外部的調(diào)制解調(diào)器1154通過串行端口界面1231被連接到系統(tǒng)總線1207上。網(wǎng)絡(luò)界面1156還可這樣設(shè)置使系統(tǒng)1201能通過地方區(qū)域網(wǎng)絡(luò)1158(或廣闊區(qū)域網(wǎng)絡(luò)1152或其他通信途徑如撥號電話或其他通信設(shè)施)與遠(yuǎn)方計算機(jī)裝置1160(例如另一個系統(tǒng)1201)聯(lián)通。系統(tǒng)1201通常包括其他外圍輸出裝置如打印機(jī)和其他標(biāo)準(zhǔn)外圍裝置。
在有一個例子中，視頻適配器1235可包括一個3D圖像的管線芯片組，該芯片組能響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的3D圖像應(yīng)用程序裝置界面如微軟公司的Direct X 7.0或其他版本發(fā)出的3D圖像指令迅速地提供3D圖像。有一組立體揚(yáng)聲器1237也通過一個聲音產(chǎn)生界面如傳統(tǒng)的“聲卡”被連接到系統(tǒng)總線1207上，該“聲卡”設(shè)有硬件和埋入軟件的支承，可根據(jù)總線1207提供的聲音指令產(chǎn)生高質(zhì)量的立體聲。
圖8為一控制計算機(jī)950的略圖。該控制計算機(jī)將圖6中制造模塊805所產(chǎn)生的制造指令下載。信息如編織機(jī)床身的速率、纖維的張力、溫度、壓力等是從制造機(jī)械的傳感器952得來的，成為數(shù)字格式(開通/關(guān)斷、開啟/閉俁)或模擬格式(電壓)。模擬的輸入被控制計算機(jī)950的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器953轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)的格式。控制計算機(jī)950包括處理器960可用來分析來自傳感器952的信息，該信息被供應(yīng)到啟動器954，啟動器954按照下載的制造指令調(diào)節(jié)制造機(jī)械的設(shè)定。除了模擬的和數(shù)學(xué)的輸出外，還可提供脈沖的輸出以便用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，這種電機(jī)是機(jī)床和其他設(shè)備經(jīng)常使用的。當(dāng)然，控制計算機(jī)950的特性將取決于所使用的制造機(jī)。用于表面制造過程的控制計算機(jī)的細(xì)節(jié)例如可從上述Bedworth的文本中找到。
如上所述，VCM有能力在整個結(jié)構(gòu)內(nèi)控制所需的材料性能特性。實(shí)質(zhì)上，VCM能提高傳統(tǒng)復(fù)合材料的制作能力，除了用改變各層軸線方向來控制整個結(jié)構(gòu)在縱向和橫向上的性能外，VCM還可控制機(jī)械的、電磁的、和熱的特性并使這些特性在所有三個方向上變化，精確度可小到一個立方毫米。此外，制造過程得到的為一真正的三維結(jié)構(gòu)，而不是一個由兩維的層堆積而成的厚度。因此層與層間的分裂和被剪切不再是設(shè)計過程要對付的主要事項(xiàng)。
在整個結(jié)構(gòu)內(nèi)性能的變化可用多種方法來完成(例如，在各個層次上控制纖維的體積、控制基質(zhì)的體積、在制造時變化纖維/基質(zhì)的型式、變化纖維的取向、及在敷設(shè)時變化硬化的程度。
正如在傳統(tǒng)的復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)中那樣，改變纖維的體積能改變性能。VCM能用在一區(qū)域內(nèi)改變纖維的數(shù)目或基質(zhì)的數(shù)量來控制結(jié)構(gòu)內(nèi)各個纖維層的纖維體積。纖維可被添加或當(dāng)纖維束敷設(shè)在位時被切短后添加。
或者，與纖維束放置在一起的基質(zhì)材料的數(shù)量可被增加或減少。這種基質(zhì)控制可用兩種方法來完成。第一種方法包括敷設(shè)雙組分纖維。在雙組分纖維中纖維被包覆在基質(zhì)材料內(nèi)。當(dāng)纖維被敷設(shè)時包皮的厚度可被控制，這樣就可得到特定的纖維體積控制。第二種方法使用混合在一起的纖維束和基質(zhì)束，隨著纖維束的添加或減少，基質(zhì)束的數(shù)量就被控制。
另一種控制材料性能的方法是當(dāng)制造時在整個結(jié)構(gòu)內(nèi)改變纖維及/或基質(zhì)的選擇。這樣在同一結(jié)構(gòu)內(nèi)就允許有不同纖維的組合。增添和減少纖維束所產(chǎn)生的一個相當(dāng)連續(xù)的材料轉(zhuǎn)變可造成一個在材料性能上看上去連續(xù)的梯度。例如一個使用VCM過程來制造的結(jié)構(gòu)可能要用碳纖維來達(dá)到一個特定的機(jī)械性能，但是只有結(jié)構(gòu)的一端會受到高拉力負(fù)載。傳統(tǒng)的做法是使用高效能的碳預(yù)浸料坯來制造整個結(jié)構(gòu)，這樣就要把高效能高價的碳纖維用在整個結(jié)構(gòu)，但采用VCM法，就可使碳纖維的體積向不受負(fù)載的一端削減，甚至可使單位成本的效果更高，只在受負(fù)載的一端使用高效能的碳纖維，而在結(jié)構(gòu)的其余部分逐漸用具有相似機(jī)械性能的低效能碳纖維來替代。傳統(tǒng)的復(fù)合材料制法不能成本效果高的方式來完成這種無縫的替代。這種方法應(yīng)用的另一例如用復(fù)合材料制造的飛機(jī)機(jī)翼。機(jī)翼的外皮必須能容許損壞但要能承受小沖擊而層與層間不會分離。在翼盒內(nèi)并不要求有相同的能力。這樣，例如在制造機(jī)翼時我們在外皮上就可采用高的Kevlar(聚對苯二甲酰對苯二胺纖維)對碳纖維的比率來吸收沖擊。VCM法中的三維增強(qiáng)是整體的增強(qiáng)是整體的增強(qiáng)，這也有助于抑制沖擊后的脫層。而在翼盒的內(nèi)部截面被制造時Kevlar將逐漸被碳纖維代替。同樣，這個方法比目前用碳/Kevlar的組合來制造整個機(jī)翼的單位成本的效果更高。
如同傳統(tǒng)的復(fù)合材料制法那樣，VCM法也能在制造時變化結(jié)構(gòu)內(nèi)的纖維取向，但不同的是，這個纖維取向是為了優(yōu)化的材料性能而預(yù)先計算好的，并且纖維是按照獨(dú)特的有限體積來制造的。由于VCM法預(yù)先計算好精確的纖維取向，因此纖維取向?qū)⒕哂休^大的可重復(fù)性并可傳統(tǒng)的復(fù)合材料層壓件所使用的基本為0.90、+/-15、+/-60的取向更為準(zhǔn)確。
另一個定制基質(zhì)性能的方法是當(dāng)基質(zhì)被敷設(shè)時控制硬化的程度。但這涉及引用這樣一些工藝技術(shù)如電子束硬化、微波硬化及/或聚焦的紅外光能硬化。
一旦材料、纖維體積和硬化方法被確定后，VCM過程可用下列方法之一制造結(jié)構(gòu)。
一種方法是通過快速試制工藝技術(shù)來定型。目前，RP技術(shù)如熔融沉積物模制法(FDM)只是用來構(gòu)造證實(shí)概念的零件，并不用來生產(chǎn)零件。為此理由，這種設(shè)備所使用的材料限于蠟和非工程塑料。經(jīng)過一些修改，快速試制設(shè)備能被用來放置熱塑性塑料、增強(qiáng)纖維、環(huán)氧樹脂和類似物來制造生產(chǎn)零件而不只是試制的模型。
該設(shè)備也可被修改成可將數(shù)種材料一次放入、一直到單獨(dú)的纖維，并能制造雙組分纖維將它敷設(shè)在結(jié)構(gòu)內(nèi)。商業(yè)上供售的FDM設(shè)備已具有VCM所需的控制和準(zhǔn)確度能在一立方毫米的尺度上變化材料的性能。
另一種制造方法是編織。編織正開始侵入商業(yè)界。研究單位和工業(yè)的勘測曾說該過程僅限于編織于纖維，然后用樹脂浸漬。但若編織過程與雙組分纖維或共同混合的纖維結(jié)合起來，那么不能嚴(yán)格地始終如一的浸漬過程將不再需要。另外，浸漬過程不能做到纖維體積的特定控制，而編織基質(zhì)和纖維可做到這種控制。編織過程還很適合進(jìn)一步發(fā)展，因?yàn)樗苡脕懋a(chǎn)生真正的三維增強(qiáng)。
本文列舉珠申請、專利、技術(shù)文件、教科書或其他刊物部應(yīng)被解釋為因參照認(rèn)為對本公開內(nèi)容重要的任何主題而被引用的。
雖然本發(fā)明的各個實(shí)施例已被說明如上，但應(yīng)知道它們只是舉例而已，不能以此來限制本發(fā)明，本發(fā)明的廣度和范圍只能由下列權(quán)利要求書及其等同的內(nèi)容來限定。
權(quán)利要求
1.一種制造物品的方法，該物品能響應(yīng)施加在其上的場{f}而產(chǎn)生勢{x}，該方法包括下列步驟將物品的幾何模型分解成多個有限元，產(chǎn)生物品的計算機(jī)用數(shù)學(xué)模型，規(guī)定在各有限元上場{f}和勢{x}的值；規(guī)定有限元的材料性能有一特定的對稱性；根據(jù)關(guān)系{f}＝{k}{x}和規(guī)定的對稱性計算材料性能矩陣{k}；從材料性能矩陣{k}中為每一個在計算機(jī)用數(shù)字模型內(nèi)的有限元提取材料性能系數(shù)；將提取的材料性能系數(shù)與已知材料的材料性能系數(shù)比較，使提取的材料性能系數(shù)與已知材料的材料性能系數(shù)匹配；根據(jù)匹配的材料性能系數(shù)確定控制制造設(shè)備的制造參數(shù)；及按照確定的制造參數(shù)控制制造設(shè)備，從而制造物品。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于有限元的材料性能被規(guī)定為各向同性。
3.權(quán)利要求1的方法，其特征在于有限元的材料性能被規(guī)定為在橫向上各向同性。
4.權(quán)利要求1的方法，其特征在于產(chǎn)生物品的計算機(jī)用數(shù)學(xué)模型的步驟還包括確定能用復(fù)合材料制造設(shè)備制造的最小體積增量。
5.權(quán)利要求1的方法，其特征在于場{f}為機(jī)械力場而勢{x}為位移。
6.權(quán)利要求1的方法，其特征在于場{f}為電流場而勢{x}為電壓。
7.權(quán)利要求1的方法，其特征在于場{f}為磁場而勢{x}為磁向量勢。
8.權(quán)利要求1的方法，其特征在于場{f}為熱通量場而勢{x}為溫度。
9.權(quán)利要求1的方法，其特征在于場{f}為流體速度場而勢{x}為流體勢。
10.權(quán)利要求1的方法，其特征在于控制制造設(shè)備的步驟包括控制用來制造復(fù)合材料的復(fù)合材料制造設(shè)備。
11.權(quán)利要求10的方法，其特征在于復(fù)合材料含有疊層壓合在基質(zhì)內(nèi)的結(jié)構(gòu)纖維。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括生物材料。
13.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括骨。
14.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括破碎的骨。
15.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括協(xié)同因素。
16.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括生物細(xì)胞。
17.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括生物活性材料。
18.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括藥劑。
19.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括殺菌劑。
20.權(quán)利要求11的方法，其特征在于基質(zhì)包括放射性材料。
21.權(quán)利要求1的方法，其特征在于要被制造的物品是用來更換身體部件的假體植入物，而力{f}和位移{x}是根據(jù)在體內(nèi)施加在該要被更換的身體部件上的力以及當(dāng)該力施加在其上時在該要被更換的身體部件內(nèi)產(chǎn)生的在體內(nèi)的位移而規(guī)定的。
22.按照權(quán)利要求1的方法制造的物品，其特征在于該物品是從含有下列各項(xiàng)的組群中選取的汽車部件、飛機(jī)部件、假體植入物、高爾夫球桿軸、網(wǎng)球拍、自行車車架、和釣魚竿，并且其中物品的不同部分具有不同的材料性能，分別相應(yīng)于與已知材料匹配而提取的材料性能系數(shù)。
23.按照權(quán)利要求1的方法制造的假體植入物。
24.按照權(quán)利要求1的方法制造的高爾夫球桿。
25.一種用計算機(jī)實(shí)施的方法，用來確定制造一種物品的機(jī)械控制指令，該物品能響應(yīng)施加在其上的場{f}而產(chǎn)生勢{x}，該方法包括下列步驟將物品的幾何模型分解成多個有限元，產(chǎn)生物品的計算機(jī)用數(shù)學(xué)模型，規(guī)定在各有限元上場{f}和勢{x}的值；規(guī)定有限元的材料性能有一特定的對稱性；根據(jù)關(guān)系{f}＝{k}{x}和規(guī)定的對稱性計算材料性能矩陣[k]；從材料性能矩陣[k]中為每一個在計算機(jī)用數(shù)學(xué)模型內(nèi)的有限元提取材料性能系數(shù)；將提取的材料性能系數(shù)與已知材料的材料性能系數(shù)比較，使提取的材料性能系數(shù)與已知材料的材料性能系數(shù)匹配；根據(jù)匹配的材料性能系數(shù)確定控制制造設(shè)備的制造參數(shù)；及產(chǎn)生對機(jī)械的控制指令以資按照制造參數(shù)控制制造設(shè)備。
26.權(quán)利要求25的方法，其特征在于要被制造的物品是用來更換身體部件的假體植入物，而力{f}和位移{x}是根據(jù)在體內(nèi)施加在該要被更換的身體部件上的力以及當(dāng)該力施加在其上時在該要被更換的身體部件內(nèi)產(chǎn)生的在體內(nèi)的位移而規(guī)定的。
27.權(quán)利要求25的方法，其特征在于產(chǎn)生對機(jī)械控制指令的步驟包括為控制用業(yè)制造復(fù)合材料的復(fù)合材料制造設(shè)備而產(chǎn)生的對機(jī)械的控制指令。
28.權(quán)利要求27的方法，其特征在于復(fù)合材料含有疊層壓合在基質(zhì)內(nèi)的結(jié)構(gòu)纖維。
29.權(quán)利要求28的方法，其特征在于基質(zhì)包括生物材料。
30.權(quán)利要求28的方法，其特征在于基質(zhì)包括骨。
31.權(quán)利要求28的方法，其特征在于基質(zhì)包括破碎的骨。
32.權(quán)利要求28的方法，其特征在于基質(zhì)包括協(xié)同因素。
33.權(quán)利要求28的方法，其特征在于基質(zhì)包括生物細(xì)胞。
34.權(quán)利要求28的方法，其特征在于基質(zhì)包括生物活性材料。
35.權(quán)利要求28的方法，其特征在于基質(zhì)包括藥劑。
36.權(quán)利要求28的方法，其特征在于基質(zhì)包括殺菌劑。
37.權(quán)利要求2 8的方法，其特征在于基質(zhì)包括放射性材料。
38.一個被編程來實(shí)施權(quán)利要求25的方法的計算機(jī)系統(tǒng)。
39.一個編有機(jī)械控制指令的控制系統(tǒng)，這些指令用來控制復(fù)合材料制造設(shè)備，從而制造復(fù)合材料物品，其中機(jī)械控制指令是按照權(quán)利要求25的方法產(chǎn)生的。
40.復(fù)合材料制造設(shè)備，包括一個編有機(jī)械控制指令的控制系統(tǒng)，這些指令用來控制復(fù)合材料制造設(shè)備，從而制造復(fù)合材料物品，其中對機(jī)械控制指令是按照權(quán)利要求25的方法產(chǎn)生的。
41.一種制造物品的方法，該物品能響應(yīng)施加在其上的限定的場{f}而產(chǎn)生勢{x}，該方法包括下列步驟(1)將物品的幾何模型分解成多個有限元，產(chǎn)生物品的計算機(jī)用數(shù)學(xué)模型；(2)規(guī)定在各有限元上場{f}和勢{x}的值；(3)規(guī)定有限元的材料性能有一特定的對稱性；(4)根據(jù)關(guān)系{f}＝{k}{x}和規(guī)定的對稱性計算材料性能矩陣，其中材料性能矩陣[k]具有多個值分別對應(yīng)于一個或多個材料性能系數(shù)；(5)將材料性能矩陣[k]的多個值中的每一個值與已知材料的性能比較，使達(dá)到匹配的程度，選擇相應(yīng)的制造過程參數(shù)，其中如果匹配的已知材料性能為一復(fù)合材料的材料性能，所選擇的制造過程參數(shù)便可用來控制復(fù)合材料制造設(shè)備；及(6)按照所選擇的制造過程參數(shù)控制復(fù)合材料制造設(shè)備，從而制造物品。
42.權(quán)利要求41的方法，其特征在于要被制造的物品是用來更換身體部件的假體植入物，而力{f}和位移{x}是根據(jù)在體內(nèi)施加在該要被更換的身體部件上的力以及當(dāng)該力施加在其上時在該要被更換的身體部件內(nèi)產(chǎn)生的在體內(nèi)的位移而規(guī)定的。
全文摘要
一種制造物品的方法,該物品能響應(yīng)施加在其上的場{f}而產(chǎn)生勢{x}。將物品的幾何模型分解成多個有限元(802),產(chǎn)生物品的計算機(jī)用數(shù)學(xué)模型(801),規(guī)定在各有限元上場{f}和勢{x}的值。規(guī)定有限元(802)的材料性能(804)有一特定的對稱性,根據(jù)關(guān)系{f}=[k]{x}和規(guī)定的對稱性計算材料性能矩陣[k]。從材料性能(804)矩陣[k]中為每一個在計算機(jī)用數(shù)學(xué)模型(801)內(nèi)的有限元(802)提取材料性能(804)系數(shù),將提取的材料性能(804)系數(shù)與已知材料的材料性能(804)系數(shù)比較,使提取的材料性能(804)系數(shù)與已知材料的材料性能(804)系數(shù)匹配。根據(jù)匹配的材料性能(804)系數(shù)確定控制制造設(shè)備的制造參數(shù)(805),按照確定的制造參數(shù)(805)控制制造設(shè)備,從而制造物品。
文檔編號G06Q50/00GK1382284SQ00814630
公開日2002年11月27日 申請日期2000年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月23日
發(fā)明者詹姆斯A·St·維利 申請人:詹姆斯A·St·維利