DE69637362T2

DE69637362T2 - Verfahren und apparat zum herstellen von objekten mit optimierten verhaltens-kennlinien

Info

Publication number: DE69637362T2
Application number: DE69637362T
Authority: DE
Inventors: James A. Phoenix St. Ville
Original assignee: Aztec IP Co LLC
Current assignee: Aztec IP Co LLC
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: US6560500B2; US20040002783A1; HK1069227A1; PT811199E; JPH11500245A; US20020042663A1; CA2213496A1; US6263252B1; CA2614861A1; US20120165967A1; CN1154950C; US5594651A; MX9706230A; US5796617A; KR19980702232A; CN100334590C; KR100340148B1; JP2003067445A; ES2300104T3; CN1523524A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein gefertigte Objekte bzw. Gegenstände und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fertigen von Gegenständen mit für eine Sollanwendung optimiertem Verhalten.
2. Verwandte Technik
Ein für eine Sollanwendung konstruierter und gefertigter Gegenstand aus einem oder mehr Werkstoffen muss den Belastungen widerstehen können, denen er im Einsatz ausgesetzt ist. Beispielsweise muss eine Brücke, die einen Fußweg oder eine Straße über eine Geländevertiefung oder ein Hindernis wie beispielsweise ein Gewässer führt, in der Lage sein, den von Fußgänger- oder Fahrzeugverkehr, Temperaturschwankungen, Windlasten, Erdbeben oder geologischen Bewegungen hervorgerufenen Verschiebungen der Erdoberfläche usw. erzeugten Belastungen zu widerstehen. Entsprechend müssen die Teile von Luftfahrzeugen fest genug sein, um auf sie einwirkende Biege-, Scher-, Torsions- und andere Kräfte auszuhalten. Entsprechend erfolgt in einem herkömmlichen Kon struktionsprozess eine Belastungs- bzw. Spannungsanalyse ("stress analysis"). Die Spannungsanalyse erfordert eine Bestimmung der Kräfte (bzw. des "Spannungsfeldes"), die im Einsatz des Gegenstandes auf ihm lasten – beispielsweise Wärme-, mechanische und elektromagnetische Kräfte. Kennt man das Spannungsfeld, kann man ermitteln, ob eine versuchsweise Konstruktion und der bzw. die gewählten Werkstoffe den im Einsatz des Gegenstandes in der geplanten Anwendung erzeugten Spannungen widerstehen können. Ist dies für eine bestimmte Kombination von Entwurf und Werkstoffen nicht der Fall, kann man den Gegenstand umkonstruieren und/oder neue Werkstoffe wählen.
Der oben beschriebene herkömmliche Konstruktionsprozess sei an Hand der 1 diskutiert. Im Schritt 11 werden die Ausgangs-Entwurfsgeometrie sowie die Werkstoffe definiert, aus denen der Gegenstand bestehen soll. Die Geometrie beinhaltet u. a. die Abmessungen, die Toleranzen, die Beschaffenheit der Oberflächen, die Flächen- und Kantendefinitionen sowie – in einigen Fällen – auch die Passung zwischen zwei gefügten Teilen. Die Ausgangs-Entwurfsgeometrie lässt sich mit bekannten CAD-Techniken vorgeben. Alle im Einsatz auf den Gegenstand wirkenden Kräfte sowie deren Ansatzpunkte und Wirkrichtungen werden im Schritt 12 vorgegeben.
Im Schritt 13 erfolgt die Spannungsanalyse. Eine Technik zum Durchführen derselben ist das Erzeugen eines Modells des Gegenstandes aus finiten Elementen und das Ansetzen der Methode der finiten Elemente, um die Eignung des Gegenstandes für die geplante Anwendung zu ermitteln. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine numerische Analysetechnik, mit der sich Näherungslösungen für eine breite Vielfalt von technischen Problemen erreichen lassen, indem man ein komplexes Werkstück bzw. einen solchen Gegenstand zu Teilen unterteilt, die man dann für sich analysiert. Dieses Verfahren hat verbreitete Anwendung gefunden; hierzu und für das Folgende sei auf Huebner et al., The Finite Element Method for Engineers, 3. Auflage, John Wiley and Sons, Inc. (1995) verwiesen. In einem Kontinuumsproblem hat eine Feldvariable wie Druck, Temperatur, Weg oder Spannung unendlich viele Werte, da sie eine Funktion jedes Punktes im Körper ist. Das Modell der finiten Elemente reduziert das Problem auf eines einer endlichen Anzahl Unbekannter, indem man den Lösungsbereich zu Elementen unterteilt und die unbekannte Feldvariable an Hand angenommener Näherungsfunktionen innerhalb jedes Elementes ausdrückt. Die Näherungsfunktionen sind an Hand der Werte der Feldvariablen an bestimmten Punkten definiert, die man als Knotenpunkte bezeichnet. Knotenpunkte liegen gewöhnlich auf den Elementgrenzen, wo benachbarte Elemente miteinander verbunden sind. Für die Darstellung der Methode der finiten Elemente eines Problems werden die Knotenwerte der Feldvariablen zu den Unbekannten. Sind diese gefunden, definieren die Näherungsfunktionen die Feldvariable in den zusammengesetzten Elementen insgesamt. Eine wichtige Besonderheit der Methode der finiten Elemente ist es, Lösungen für einzelne Elemente formulieren zu können, bevor man diese zum Darstellen des Gesamtproblems zusammenfügt. Die Eigenschaften jedes einzelnen Elements lassen sich also auffinden und die Elemente dann zusammenfügen, um die Eigenschaften der Struktur insgesamt zu bestimmen. Die Methode der finiten Elemente lässt sich mit den folgenden Schritten zusammenfassen.
Zunächst wird das Kontinuum zu Elementen diskretisiert. Es lässt sich eine Vielzahl verschiedener Elementformen verwenden und unterschiedliche Elementformen lassen sich im gleichen Lösungsbereich verwenden. Die Anzahl und Art der Elemente in einem gegebenen Problem sind generell eine Sache des technischen Urteils. Beispielsweise funktionieren dreidimensionale Elemente am besten, wenn sie entweder tetraeder- oder hexaederförmig sind. Weiterhin haben die genauesten Elemente das Seitenverhältnis 1. Der nächste Schritt ist, jedem Element Knoten zuzuweisen und dann die Interpolationsfunktion zu wählen, die die Veränderung der Feldvariablen über das Element darstellen soll. Liegt das Modell der finiten Elemente fest, lassen sich die Matrixgleichungen bestimmen, die die Eigenschaften der einzelnen Elemente ausdrücken. Hierzu sind mehrere verschiedene Ansätze verwendbar – u. a. ein direkter, ein variationaler oder ein gewichteter Ansatz der Restwerte. Die Elementeigenschaften werden dann zu den Systemgleichungen zusammengesetzt. Es werden also die Matrixgleichungen, die das Verhalten der Elemente darstellen, zu Matrixgleichungen zusammengefasst, die das Verhalten des Systems insgesamt ausdrücken. An diesem Punkt werden die Systemgleichungen modifiziert, um Randbedingungen des Problems zu berücksichtigen. Es werden also bekannte Knotenpunktwerte der abhängigen Variablen oder Knotenbelastungen angesetzt. Das resultierende Gleichungssystem lässt sich dann lösen, um die unbekannten Knotenpunktwerte des Problems zu erhalten. Die Lösung der Gleichungen kann zum Berechnen anderer wichtiger Parameter dienen. Bei einem Eigenfestigkeitsproblem sind beispielsweise die Knotenpunkt-Unbekannten Auslenkungen bzw. Weggrößen. Aus diesen Auslenkungen lassen sich dann die Verformungen und Spannungen der Elemente berechnen.
Ein Beispiel der Methode der finiten Elemente des Textes von Huebner sei hier als Hilfe zum Verständnis der in dieser Anmeldung verwendeten Terminologie diskutiert. Die 2 zeigt ein lineares Federsystem. Für ein typisches Federelement sind die Beziehungen, die seine Formsteifigkeit ausdrücken,
mit k₁₁ = k₁₂ = k₂₁ = k₂₂ = k.
In einem gegebenen Belastungszustand müssen sich alle Elemente einzeln sowie das System aus ihnen im Gleichgewicht befinden. Wird diese Gleichgewichtsbedingung für einen bestimmten Knoten i angesetzt, erhält man die Beziehung ΣFi (e) = Fi (1) + Fi (2) + Fi (3) + ... = Ri (1)die aussagt, dass die Summe aller Knotenpunktkräfte in einer bestimmten Richtung im Knotenpunkt i gleich der in diesem aufgebrachten resultierenden Last ist. In üblicher Tensornotation wird jedem Koeffizienten in einer Formsteifigkeitsmatrix der Methode der finiten Elemente ein Doppelindex zugewiesen, beispielsweise ij; dabei ist i der Index, der die Kraft bezeichnet, die von einer Auslenkung der Größe F_i mit dem Index j hervorgerufen wird. Die Kraft F_i ist diejenige, die wirkt, wenn δ_j = 1 gilt und alle anderen Auslenkungen festliegen. Eine Auslenkung und eine resultierende Kraft in deren Richtung weisen den gleichen Index auf. Wertet man die Gleichung (1) an jedem Knotenpunkt im linearen Federsystem der 2 aus, lässt sich zeigen, dass
im Knotenpunkt 1 k11 (1)δ1 + k12 (1)δ2 = R1 im Knotenpunkt 2 k21 (1)δ1 + (k22 (1) + k22 (2) + k22 (3))δ2 + (k23 (2) + k23 (3))δ3 = 0im Knotenpunkt 3 (k32 (2) + k32 (3))δ2 + (k33 (2) + k33 (3) + k33 (4))δ3 + k34 (4)δ4 = 0 und im Knotenpunkt 4 k43 (4)δ3 + k43 (4)δ4 = Fgelten.
In Matrixnotation lassen sich die Gleichgewichtsgleichungen dieses Systems schreiben als
oder [k]{δ} = {F}. (2)
Diese Gleichungen sind die zusammengefassten Eigenschaften der Kraftauslenkung des gesamten Systems, [k] ist die zusammengefasste Matrix der Formsteifigkeit. Sie lassen sich für die Auslenkungen der Knotenpunkt erst lösen, wenn man die Randbedingungen berücksichtigt.
Wie ersichtlich, ist die Matrix der Formsteifigkeit der Methode der finiten Elemente die Summe der folgenden Matrices, die jeweils den Beitrag eines der entsprechenden Elemente darstellen:
Wie ersichtlich, lässt sich also die zusammengefasste bzw. globale Matrix der Formsteifigkeit der Methode der finiten Elemente erreichen, indem man die Beiträge aller Elemente addiert. Entsprechend lässt sich mittels der Boole'schen oder anderer Lokalisierungsfunktionen der Betrag jedes Elements aus der zusammengefassten bzw. globalen Matrix der Formsteifigkeit Methode der finiten Elemente ermitteln.
So werden zur Spannungsanalyse der bzw. die Werkstoffe, aus denen der Gegenstand gemäß Anfangsentwurf besteht, die an den Gegenstand gelegten Kräfte (vergleiche Schritt 12) und ggf. vorliegende Einschränkungen bzw. Randbedingungen in das Modell der finiten Elemente eingegeben. Da die Kräfte {f} und die Matrix [k] der Werkstoffeigenschaften bekannt sind, dient die Methode der finiten Elemente dazu, mittels der Gleichung (2) die zugehörigen Auslenkungen {δ} zu bestimmen. Es sei beispielsweise angenommen, dass die im Schritt 12 bestimmten Kräfte auf den Gegenstand wirkende Lasten sind. Da dann die Matrix der Werkstoffeigenschaften von der Anfangsauswahl des bzw. der Werkstoffe abhängt, lassen sich die Auslenkungen bestimmen, die sich beim Einwirken der Lasten ergeben. Wie bereits festgestellt, kann man aus diesen Auslenkungen dann die Spannungen und Verformungen berechnen. Die Berechnungen zum Lösen der durch die finiten Elemente generierten Matrixgleichungen erfolgen gemeinhin unter Anwendung eines geeigneten Softwarepakets der Methode der finiten Elemente.
Die Nachbearbeitung (vergleiche Schritt 14) erfolgt, um zu bestimmen, ob der Entwurf einwandfrei arbeitet. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Vergleich der Spannungen im Material mit den erlaubten Höchstwerten des eingesetzten Werkstoffs handeln. Sind die Spannungen zu hoch, kehrt der Prozess zum Schritt 11 zurück, wo das Werkstück durch Zugabe weiteren Materials fester gemacht, der Werkstoff durch einen mit höherer zulässiger Spannung ersetzt oder eine neue Entwurfsgeometrie verwendet werden kann. Ergibt die Nachbearbeitung im Schritt 14 akzeptable Ergebnisse, geht der Prozess zum Schritt 15 weiter, wo der Gegenstand mit der Entwurfsgeometrie und der Werkstoffauswahl aus dem Schritt 11 gefertigt wird.
Ein bekanntes Problem mit der oben beschriebenen herkömmlichen Fertigungstechnik ist, dass sie mit bekannten Werkstoffen und voreingestellten Fertigungsparametern arbeitet und so eine Struktur entsteht, deren Eigenschaften konstitutiv sind und festliegen. Damit wird die Struktur „überkonstruiert" und ineffizient. Während es Fertigungsprozesse gibt, die ein Nachstellen von Fertigungsparametern zulassen, existiert kein Verfahren, mit dem sich präzise feststellen lässt, welche Fertigungsparameter überhaupt vorliegen oder in welcher Reihenfolge sie implementiert werden sollten, um die konstitutiven Eigenschaften eines bestimmten Werkstückentwurfs zu optimieren. Im Wesentlichen existiert keine Methode, um eine optimierte konstitutive Matrix für einen bestimmten Gegenstand oder zum Fertigen desselben auf Grund dieser optimierten konstitutiven Matrix zu ermitteln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt diese ein Verfahren zum Erzeugen von Maschinensteuerbefehlen zur Fertigung eines Gegenstands mit einem Potenzial (x) ansprechend auf ein auf ihn aufgebrachtes Feld {f} mit folgenden Schritten bereit:
Erzeugen eines computerisierten mathematischen Modells des Gegenstands durch Diskretisieren eines geometrischen Modells desselben zu einer Vielzahl finiter Elemente unter Verwendung eines Softwarepakets der Me thode der finiten Elemente und Angabe von Werten des Felds {f} und des Potenzials {x} bezüglich der finiten Elemente;
Berechnen einer Matrix [k] der Werkstoffeigenschaften und der Beziehung {f} = [k]{x} unter Verwendung eines Softwarepakets der Methode der finiten Elemente;
Extrahieren von Koeffizienten von Werkstoffeigenschaften aus der Matrix [k] von Werkstoffeigenschaften für jedes finite Element im computerisierten mathematischen Modell;
Vergleichen der extrahierten Koeffizienten von Werkstoffeigenschaften mit Koeffizienten von Werkstoffeigenschaften für bekannte Werkstoffe, um die extrahierten Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften den Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften für bekannte Werkstoffe anzupassen;
Bestimmen von Fertigungsparametern entsprechend den angepassten Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften; und
Erzeugen von Maschinensteuerbefehlen zum Steuern von Fertigungsausrüstungen zur Fertigung des Gegenstands auf Grund der ermittelten Fertigungsparameter.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt diese ein System zum Erzeugen von Maschinensteuerbefehlen zum Fertigen eines Gegenstands mit einem Potenzial {x} ansprechend auf ein angelegtes Feld {f} bereit, das aufweist:
eine erste Erzeugereinrichtung zum Erzeugen eines computerisierten mathematischen Modells des Gegenstands durch Diskretisieren eines geometrischen Modells desselben zu einer Vielzahl finiter Elemente unter Anwen dung eines Softwarepakets der Methode der finiten Elemente und Angabe von Werten des Felds {f} und des Potenzials {x} bezüglich der finiten Elemente; gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Berechnen einer Matrix [k] von Werkstoffeigenschaften auf Grund der Beziehung {f} = [k]{x} unter Anwendung eines Softwarepakets der Methode der finiten Elemente;
eine Einrichtung zum Extrahieren von Koeffizienten von Werkstoffeigenschaften aus der Matrix [k] von Werkstoffeigenschaften für jedes finite Element im computerisierten, mathematischen Modell;
eine Einrichtung zum Vergleichen der extrahierten Koeffizienten von Werkstoffeigenschaften mit Koeffizienten von Werkstoffeigenschaften für bekannte Werkstoffe, um die extrahierten Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften denen für bekannte Werkstoffe anzupassen;
eine Einrichtung zum Bestimmen von Fertigungsparametern entsprechend den angepassten Koeffizienten von Werkstoffeigenschaften; und
eine zweite Einrichtung zum Erzeugen von Maschinensteuerbefehlen zur Steuerung von Fertigungsausrüstungen zum Fertigen gemäß den bestimmten Fertigungsparametern.
Diese und andere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus einer Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung an Hand der beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt die bekannte Methode zum Fertigen eines Gegenstands.
2 zeigt ein einfaches mechanisches Federsystem zur Definition der in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Terminologie.
3 zeigt die erfindungsgemäße Methodologie zum Fertigen eines Gegenstandes.
4A und 4B zeigen die auf den Oberschenkelkopf einer Hüfte wirkenden Kräfte beim einbeinigen Auftreten bzw. Aufstehen von einem Stuhl.
5A und 5B zeigen eine auf eine In-vivo-Hüfte wirkende Kraft bzw. die resultierenden Spannungen.
6 zeigt ein Modell der finiten Elemente einer Hüftprothese.
7A und 7B zeigen Datenbanken von Werkstoffeigenschaften.
8 zeigt zum Implementieren der vorliegenden Erfindung einsetzbare Funktionsmodule.
9 ist ein Blockdiagramm einer Umgebung zum Implementieren eines oder mehrer der Funktionsmodule der 8.
10 zeigt schaubildlich einen Steuerungsrechner zum Steuern einer Fertigungsmaschine.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
An Hand der 3 soll eine Methodologie zum Fertigen eines Gegenstands oder Teils nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Wie sich aus dieser Be schreibung ergeben wird, bezeichnet der Ausdruck "Gegenstand" oder "Teil" (im Folgenden nur "Gegenstand") einen beliebigen Gegenstand, der nach einem Prozess oder einer Technik gefertigt werden kann, bei denen sich Fertigungsparameter vorgeben lassen, um konstitutive oder Werkstoffeigenschaften innerhalb des Gegenstands zu variieren. Die Methodologie zum erfindungsgemäßen Fertigen eines Gegenstands basiert auf Lösungen der Gleichung {f} = [k]{x}in der {f} ein im Einsatz an den Gegenstand gelegtes Feld, {x} ein dem angelegten Feld entsprechendes Potenzial und [k] die Werkstoffeigenschaften des Gegenstands darstellen.
Die Methodologie der vorliegenden Erfindung ist in beliebigen Fertigungstechniken anwendbar, in denen sich die Fertigungsparameter variieren lassen. Beispielsweise kann ein Flechtprozess dazu dienen, mit einer Flechtvorrichtung Gegenstände aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Faserverbundwerkstoffe finden zunehmend Einsatz als Baumaterialien für Teile wie Kfz-Karosserieflächen, Luftfahrzeuge, prothetische Implantate, Golf- und Tennisschläger, Fahrradrahmen und Angelruten. Diese Verbundwerkstoffe bieten eine hohe Festigkeit, die gleich oder auch höher ist als beispielsweise die von Metallwerkstoffen, während sie gleichzeitig im Gewicht leichter sind und andere verbesserte Funktionseigenschaften zeigen. Parameter wie die Geschwindigkeit des Betts und/oder Dorns des Flechtwerks, die Dicke der Fasern und der an die Fasern gelegte Zug werden gesteuert, um die Eigenschaften der Formsteifigkeit des Faserverbundmaterials zu variieren. Ein Beispiel eines Flechtbetts zum gesteuerten Flechten von Verbundstoffen ist in der US-PS 4,909,127 nach Skelton angegeben. Dreidimensionale Fasergeflechte sind ebenfalls in der US-PS 4,975,262 nach Suto diskutiert worden.
Verbundwerkstoffe lassen sich auch aufbauen, indem man Strukturfasern in mit ihnen kompatiblen geeigneten Grundstoffen laminiert, wie in der US-PS 5,023,800 nach Carver et al. beschrieben. Glasfasermaterial ist ein verbreitet eingesetztes Verbundsystem, bei dem Glasfasern in eine Epoxydharz-Matrix eingebettet sind. Für die Ausbildung von Luftfahrzeugbauteilen sind noch exotischere Verbundsysteme mit verbesserten Eigenschaften erwünscht. Derzeit für den Einsatz verfügbar sind anorganische Stoffe wie Kohlenstoff-, Bor-, verbesserte Glas- und Aluminiumoxid-Fasern, anorganische Kurzfasern ("whisker") aus verschiedenen Werkstoffen sowie bestimmte organische Fasern wie Aramide und länger kettige Polyethylene. Diese Fasern oder Whisker werden als Fäden, Tuche, Matten od. der gleichen in geeignete Harze wie beispielsweise Wärme härtende Epoxydharze, Polyester, Polyäther, Polyimide und Bismalein- oder thermoplastische Polyamidimine, Polyäthersulfone, Polyätherketone, Polyphenylensulfide und andere ähnliche polymere Stoffe eingebaut. Verbundstoffgegenstände lassen sich mit Formgebungsverfahren unter Verwendung entweder externer Formen mit dem Gegenstand komplementärer Gestalt oder einer internen dornartigen Form herstellen, auf der der Verbundgegenstand aufgebaut wird. Eine Form für das Ausbilden und Härten eines Verbundgegenstands wird als Abbindewerkzeug ("bonding tool") bezeichnet und das Härten erfolgt unter präzise gesteuerten Temperatur- und Druckbedingungen.
Zum Fertigen von Metallgegenständen lässt sich ein Konturierungsprozess anwenden, der mit einer Drehbank oder Fräsmaschine arbeitet. Diese Formgebung beruht auf dem stetigen Abnehmen von Material in einer Anwendung wie der Bearbeitung von Turbinenflügeln. Parameter wie die Teileoberfläche, die Antriebsfläche sowie die Prüffläche lassen sich durch Variieren des Wegs des Fräswerkzeugs und damit der Formgebung steuern. Die "Teileoberfläche" ist dabei diejenige Oberfläche, auf der das Ende des Fräswerkzeugs aufsitzt, die Antriebsfläche diejenige, auf der der Rand des Fräswerkzeugs aufsitzt, und die Prüffläche diejenige, bei der die laufende Bewegung des Fräswerkzeugs zum Stillstand kommen soll. Einzelheiten eines solchen Formgebungs- bzw. Konturierverfahrens sind Bedworth et al., Computer-Integrated Design and Manufacturing, McGraw-Hill Inc. (1991) zu entnehmen.
Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf Gegenstände beschränkt, die durch Flechten, Formen oder Konturieren ausgebildet werden, und die obige Diskussion soll nur Beispiele von Fertigungstechniken aufzeigen, die in der erfindungsgemäßen Methodologie anwendbar sind. Andere Prozesse und Techniken sind beispielsweise (ohne auf sie eingeschränkt zu sein) Polymer- und Keramik-, Kristallisations- sowie der gleiche Fertigungsverfahren.
Im Schritt 21 werden das bzw. die Felder {f}, die im Einsatz an den Gegenstand gelegt werden, sowie deren Soll-Potenziale bzw. Soll-Antworten {x} definiert. Beispielsweise kann auf ein Objekt ein mechanisches Kraft-, elektrisches Strom-, Magnet-, Wärmefluss- und/oder Fluidgeschwindigkeitsfeld wirken. Andere Felder {f} lassen sich aus diesen Primärfeldern ableiten. Beispielsweise lässt sich ein akustisches Feld über das mechanische Kraft- und das Fluidgeschwindigkeitsfeld erfassen, ein magnethydrodynamisches Feld aus dem Fluidgeschwindigkeits- und dem Magnetfeld. Die oben angegebenen Felder haben jeweils ein entsprechendes Potenzial. Diese Potenziale sind der Weg (die Auslenkung) in Folge des mechanischen Kraftfelds, die Spannung entsprechend dem elektrischen Feld, das Vektorpotenzial entsprechend dem Magnetfeld, die Temperatur entsprechend dem Wärmeflussfeld und das Strömungspotenzial entsprechend dem Fluidgeschwindigkeitsfeld.
Wie angegeben, stellen die im Schritt 21 definierten "Felder" ein oder mehrere Felder dar, die im beabsichtigten Einsatz an den Gegenstand gelegt werden. Beispielsweise kann es sich im Fall eine Hüftprothese bei dem Feld um die mechanischen Kräfte handeln, die nach dem Implantieren derselben in den menschlichen Körper auf sie einwirken. Beispielsweise stellen in den 4A und 4B die Pfeile die Kräfte (nach Richtung und Amplitude) dar, die auf den Oberschenkelkopf bei einbeinigem Auftreten (beispielsweise beim Gehen) bzw. Aufstehen von einem Stuhl einwirken. Die Kraftverteilungen und -richtungen basieren dabei auf In-vivo-Untersuchungen beispielsweise von Hodge et al., Contact Pressures in the Human Hip Joint Measured In Vivo", Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83 (2879–2883 (1986). Die resultierenden Werte aller dieser Kräfte betrugen etwa 2000 N bei sich ändernder Richtung bei Belastung von einbeinigem Auftreten bis zur Mitte des Aufstehvorgangs. Als weiteres Beispiel sei ein wärme leitendes Element erwähnt, bei dem das Feld der Wärmefluss sein kann, der im beabsichtigten Einsatz auf das Element einwirkt. Natürlich kann mehr als ein Feld an einen Gegenstand gelegt sein und jedes von ihnen ist im Schritt 21 definierbar. Beispielsweise können auf einen elektrischen Leiter im beabsichtigten Einsatz ein elektrisches und ein magnetisches sowie auch ein mechanisches Kraftfeld einwirken.
Das bzw. die im Schritt 21 definierten Potenziale {x} geben an, wie der Gegenstand auf das bzw. die einwirkenden Felder {f} reagieren bzw. darauf antworten soll.
Im Fall der Hüftprothese sind die definierten Potenziale die Soll-Auslenkungen (die mathematisch mit den Spannungen korreliert sind) in der Hüftprothese, wenn diese den mechanischen Kräften ausgesetzt sind, die die 4A und 4B für das Gehen und das Aufstehen von einem Stuhl darstellen. Will der Hersteller, dass die Hüftprothese auf die Kräfte genau so reagiert wie eine In-vivo-Hüfte, können die "Soll-Auslenkungen" in der Hüftprothese beispielsweise denen entsprechen, die in einer In-vivo-Hüfte beim Gehen und Aufstehen von einem Stuhl entstehen. Die 5A zeigt wie dargestellt eine In-vivo-Hüfte mit einer Einwirkkraft von 2000 N und die 5B tabelliert die Auslenkungen, die in den Punkten A, B, C, D, E und F in 5A aus dieser Einwirkkraft entstehen. Ein Hersteller, der eine Hüftprothese fertigen will, bei der die in 5A gezeigten Kräfte auf die gleiche Weise reagiert wie bei einer In-vivo-Hüfte, würde sich also die Kraft {f} als die in der 5A gezeigte und die Auslenkungen {x} als die in der Tabelle der 5B angegebenen definieren. Analog entsprechen im Fall des Wärme leitenden Elements in einem Wärmeströmungsfeld die definierten Antworten den Soll-Temperaturen in verschiedenen Teilen des Elements beim Einwirken des definierten Wärmeflussfeldes. Bei einem elektrischen Leiter in einem elektrischen, magnetischen sowie einem mechanischen Kraftfeld entsprechen die definierten Antworten den Soll-Auslenkungen in verschiedenen Teilen des Leiters im definierten mechanischen Kraftfeld, den magnetischen erforderlichen Vektorpotenzialen in verschiedenen Leiterteilen bei anliegendem Magnetfeld bzw. den Soll-Spannungen in verschiedenen Leiterteilen bei anliegendem elektrischen Feld.
Im Schritt 22 dient ein rechnergestütztes Entwurfs- bzw. CAD-Verfahren zum geometrischen Modellieren des zu fertigenden Gegenstands. Das geometrische Modellieren ist eine Technik der Rechner gestützten Geometrie zur Beschreibung geometrischer Objekte zum Zweck der Darstellung derselben, was eine vollständige Definition des Objekts für die Fertigung und andere Anwendungen wie die Analyse der finiten Elemente verlangt; zum Entwurf, wobei der Nutzer eine geometrische Spezifikation des Gegenstandes eingeben und bearbeiten kann; und zum Rendering, bei dem mittels der Geometrie der Gegenstand auf einem Computergrafik-Ausgabegerät realistisch abgebildet wird. Dem anfänglichen geometrischen Modell des Gegenstands oder Teils kann beispielsweise die Erfahrung des Konstrukteurs oder sein beabsichtigter Einsatz zu Grunde liegen. Beispielsweise basiert das anfängliche geometrische Modell einer Hüftprothese auf einer In-vivo-Hüfte. Natürlich kann dieses anfängliche geometrische Modell modifiziert werden, um es der Körpergröße und/oder dem Gewicht einer Person anzupassen. Auch die anfängliche Entwurfsgeometrie des Schaftes eines Golfschlägers ist bekannt – es handelt sich um einen Zylinder, dessen Länge und Durchmesser vorbestimmt sind. Diese anfängliche Entwurfsgeometrie lässt sich ebenfalls modifizieren, um einen Schlägerschaft für einen Golfspieler bestimmter Körpergröße oder einen Schlägerschaft variablen Durchmessers zu erreichen, der beispielsweise zum Schlägerkopf hin dünner wird. Geeignete CAD-Softwarepakete für dieses geometrische Modellieren sind u. a. I-DEAS (angeboten von SDRC, Inc., Milford, OH, USA), CATIA (angeboten von IBM, Armonk, NY, USA) und ANVIL-5000 (angeboten von Manufacturing Consulting Services). Diese Softwarepakete lassen sich beispielsweise auf UNIX-basierten Workstation-Rechnern ausführen, wie sie u. a. von Sun Microsystems oder Silicon Graphics erhältlich sind. Die Wahl des Rechners hängt natürlich von der geforderten Rechenleistung ab; die Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Die Anwendung derartiger CAD-Softwarepakete erlaubt dem Nutzer, ein geometrisches Modell eines Gegenstands oder Teils zu definieren und schnell zu modifizieren und ergibt das Erzeugen von Geometriedaten, die zu für die Rechner gestützte Fertigung nutzbaren und/oder Formaten umwandelbar sind, die sich in einem METHODE DER FINITEN ELEMENTE-Schritt anwenden lassen, wie unten ausführlicher erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass das anfängliche geometrische Modell in Form von Bilddaten vorliegen kann, die durch Abtasten eines Gegenstandes der Soll-Geometrie erhalten wurden. Beispielsweise kann im Fall einer Hüftprothese das anfängliche geometrische Modell durch Röntgen einer Leichenhüfte beispielsweise mit einem Scanner des Typs Siemens Somatom DR3 oder GE 9800 CT erzeugt werden. Diese Bilddaten lassen sich in ein vom CAD-Softwarepaket nutzen oder auch in ein Format umwandeln oder können direkt mit einem METHODE DER FINITEN ELEMENTE-Softwarepaket arbeiten (beispielsweise PDA-FORTRAN der Fa. PDA Engineering), wie unten beschrieben.
Im Schritt 23 wird unter Verwendung der Methode der finiten Elemente ein Modell des Gegenstands generiert. Der Methode der finiten Elemente ein liegt die Theorie zu Grunde, dass ein unregelmäßig gestalteter Gegenstand sich zu kleineren regelmäßigen finiten Elementen zerteilen lässt, die man separat behandelt; der Gesamteffekt ist dann die Summe der Effekte aller finiten Elemente im Gegenstand. Der Nutzer erzeugt das Modell der finiten Elemente unter Anwendung eines geeigneten Softwarepakets aus dem im Schritt 22 entwickelten geometrischen Modell. So greift das Softwarepaket der Methode der finiten Elemente generell auf eine Datei zu, die die im Schritt 21 entwickelten Geometriedaten des Gegenstandes enthält. Einige integrierte Softwarepakete – beispielsweise I-DEAS der Fa. SDRC, Inc. – enthalten Module zur geometrischen Modellierung und Analyse der Methode der finiten Elemente, so dass der Nutzer die Geometrie für die Analyse der Methode der finiten Elemente nicht umdefinieren muss. Andere geeignete Softwarepakete zum Generieren des Modells der der finiten Elemente sind MSC/NASTRAN (zu beziehen von MacNeal-Schwendler Corp.), ABAQUS (zu beziehen von MacNeal-Schwendler Corp.,) und ANSYS (zu beziehen von Swanson Manufacturing).
So wird das Modell der finiten Elemente generiert, indem das geometrische Modell des Gegenstands zu einer Vielzahl von Elementen unterteilt wird, an deren Grenzen Knotenpunkte definiert werden. Die 6 zeigt ein beispielhaftes Modell der finiten Elemente für eine Hüftprothese. Im Modell der finiten Elemente des Gegenstandes lassen sich verschiedene Elementformen verwenden. Die gewählte Anzahl und die Typen der Elemente basieren allgemein auf der Feldart und der Geometrie des Gegenstands. Die oben angegeben Softwarepakete der Methode der finiten Elemente enthalten im Allgemeinen Element-Bibliotheken und Element-Cluster, um Bereiche bestimmter Geometrie mit einer vom Nutzer spezifizierten vorgegebenen Genauigkeit modellieren zu können. So lässt sich ein Element vorbestimmter Größe oder ein Element-Cluster aus variablen Elementen mit vorbestimmter Cluster-Größe ansetzen. Verwendet man Element-Cluster, können diese im gesamten Modell der finiten Elemente verwendet werden. Ein Cluster kann Elemente unterschiedlicher Gestalt enthalten. Ist beispielsweise der zu fertigende Gegenstand Scherkräften ausgesetzt, sind Elemente mit Formen, die am Besten zum Modellieren von Scherkräften geeignet sind anzusetzen und nach Bedarf auszurichten. Werden diese Elemente zusammengruppiert, können sie einen Cluster definieren, der sich in Bereichen ähnlicher Geometrie und/oder Kraftbeaufschlagung wiederholen lässt. Ebenfalls lassen sich unterschiedlich große Elemente verwenden, um kritisch tolerierte Gegenstandsteile zu modellieren. Bei unkritischer Toleranz lassen sich so genannte Superelemente ansetzen. Da die Methodologie der Erfindung typischerweise ein iterativer Prozess ist, wie unten diskutiert, kann man, falls es sich in einer ersten Iteration ergibt, dass in einem oder mehreren Teilen des Gegenstandes die Knotenpunktwerte sich nicht wesentlich ändern, in einer zweiten Iteration für rechnerische Zwecke ein Modell der finiten Elemente des Gegenstands generieren, das in diesen Bereichen ein oder mehrere Superelemente enthält, um den nachfolgenden Rechenaufwand zu vereinfachen.
Das Modell der finiten Elemente wird vervollständigt, indem man die Werte und/oder Richtungen der oben beschriebenen Felder {f} und Potenziale {x} an den Knotenpunkten des diskretisierten Gegenstands. Zusätzlich können jedwede existierende Randbedingungen vorgegeben werden.
Im Schritt 24 wird das Softwarepaket der Methode der finiten Elemente zur Lösung der Matrix [k] von Werkstoffeigenschaften unter Benutzung der Beziehung {f} = [k]{x} programmiert. Also gilt: [k]{x} = {f} [k]{x}{x}–1 = {x}–1{f} [k] = {x}–1{f}
Da das Feld {f} und das Potenzial {x} im Schritt 21 definiert werden, lässt sich die Matrix [k] von Werkstoffeigenschaften berechnen. Sind {f} das mechanische Kraftfeld und {x} die Auslenkung, ist [k] die Formsteifigkeit-Matrix. Sind {f} das Wärmeflussfeld und {x} die Temperatur, ist [k] die Wärmeleitfähigkeit. Sind {f} das Magnetfeld und {x} das magnetische Vektorpotenzial, ist [k] die magnetische Reluktivität. Sind {f} das elektrische Stromfeld und {x} die Spannung, ist [k] die elektrische Leitfähigkeit. Die Berechnung der Matrix [k] im Schritt 24 nach Definition der Felder und Potenziale im Schritt 21 bestimmt die optimale bzw. fast optimale Matrix von Werkstoffeigenschaften, die dem Hersteller ermöglicht, einen Gegenstand mit dem erforderliche Verhalten unter bestimmten Einsatzbedingungen – d. h. für eine bestimmte Kraftbeaufschlagung – zu fertigen.
Im Schritt 25 dient das Softwarepaket der Methode der finiten Elemente dazu, aus der Matrix [k) der Werkstoffeigenschaft für jedes der Elemente im Modell der finiten Elemente die Koeffizienten der Werkstoffeigenschaft zu extrahieren. Insbesondere ist die im Schritt 24 berechnete Matrix [k] der Werkstoffeigenschaft die globale bzw. zusammengefasste Matrix [k] der Werkstoffeigenschaft. Wie bereits diskutiert, lassen die Koeffizienten der Werkstoffeigenschaft für ein bestimmtes Element des Modells der finiten Elemente aus einer solchen globalen bzw. zusammengefassten Matrix der Werkstoffeigenschaft unter Verwendung einer Boole'schen oder anderen Lokalisierungsfunktion extrahieren. Beispielsweise werden die Koeffizienten der Werkstoffeigenschaft für das Element 601 in 6 extrahiert, gefolgt von den Koeffizienten der Werkstoffeigenschaft für das Element 602 usw. Dieser Vorgang wird für jedes Element im Modell wiederholt, um eine Datenfolge zu generieren, die die Werkstoffeigenschaften der Hüftprothese in kleinen Volumenschritten darstellt.
Im Schritt 26 werden die extrahierten Koeffizienten der Werkstoffeigenschaft mit bekannten Koeffizienten der Werkstoffstoffeigenschaft in einer oder mehreren Datenbanken von Werkstoffeigenschaften verglichen. Die 7A zeigt eine bestimmte Organisation einer Datenbank von Werkstoffeigenschaften 700. Die Datenbanken der Werkstoffeigenschaften 700 kennzeichnet eine Vielzahl von Werkstoffen M1-1, M1-2, ..., M1-n mit den Werten von Formsteifigkeitseigenschaften wie dem Elastizitätsmodul (E) und der Poisson-Zahl (σ). Es sei beispielsweise der Werkstoff M1-1 Aluminium mit E = 7,2 × 10¹⁰ Pa und einer Poisson-Zahl von 0,32. Der Werkstoff M1-2 kann ein Aluminium mit E = 6,9 × 10¹⁰ Pa und einer Poisson-Zahl von 0,35 sein. Der Werkstoff M1-n kann Gusseisen mit E = 8,8 × 10¹⁰ Pa und einer Poisson-Zahl von 0,30 sein. Die Erfindung ist natürlich nicht auf genau diese Werkstoffe beschränkt. Jedem der Werkstoffe M1-1, M1-2, ..., M1-n sind ein Fertigungsprozess und dessen speziellen Parametern zugeordnet (beispielsweise Temperatur, Druck usw.), die den Werkstoff mit den entsprechenden Formsteifigkeitseigenschaften erzeugen. Entsprechend kann eine Werkstoff-Datenbank 701 eine Vielzahl von Werkstoffen M2-1, M2-2, ..., M2-n mit den Werten der elektrischen Leitfähigkeit (σ') charakterisieren, vergleiche 7B. Auch hier sind jedem dieser Werkstoffe M2-1, ..., M2-n ein Fertigungsprozess und dessen Parameter zugeordnet, die den Werkstoff mit der entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit ergeben. Ähnliche Werkstoff-Datenbanken lassen sich verwenden, um Werkstoffe an Hand ihrer Wärmeleitfähigkeit oder des magnetisch spezifischen Widerstandes sowie das jedem Werkstoff zugeordnete Fertigungsverfahren und dessen Parameter zu kennzeichnen.
Die Werkstoff-Datenbanken sind also Archive von Koeffizienten von Materialeigenschaften mit den entsprechenden Fertigungsprozessen und deren Kontroll- bzw. Steuerparametern. Derartige Datenbanken werden von Herstellern in der Industrie, Behörden und Forschungseinrichtungen erzeugt und unterhalten. Wird beispielsweise ein Werkstoff wie ein Metall, Kunst- oder Verbundwerkstoff unter Anwendung eines bestimmten Fertigungsprozesses erzeugt, können seine Eigenschaften nach Standard-Prüfverfahren beispielsweise der ASTM bestimmt werden. Sind diese Eigenschaften bestimmt worden, werden die Fertigungsparameter (Temperatur, Druck usw.), mit denen der Werkstoff mit diesen Eigenschaften hergestellt wurde, mit dem Werkstoff korreliert, damit dieser in der Zukunft reproduzierbar ist.
Der Vergleich in Schritt 26 zwischen den extrahierten Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften mit den Koeffizienten von Werkstoffeigenschaft in der Datenbank, dient zur Feststellung, welcher Werkstoff in der Datenbank die Eigenschaften hat, die den extrahierten gleichen oder ihnen nahekommen. Der Vergleich ergibt also, vergleiche wiederum die 6, einen ersten Satz von Fertigungsparametern, die den dem Element 601 entsprechenden Teil der Hüftprothese die Erforderliche Formsteifigkeit erteilen, einen zweiten Satz Fertigungsparameter, die den dem Element 602 entsprechenden Teil der Hüftprothese ergeben, usw. Die oben beschriebenen Vergleiche lassen sich beispielsweise unter Anwendung einer Wissens-Datenbank durchführen, die eine Fakten-Datenbank zur Aufnahme des extrahierten Koeffizienten von Werkstoffeigenschaften für jedes der Elemente (beispielsweise Elemente 601, 602 usw. in 6) und der Daten von Werkstoffeigenschaften aus der Werkstoffdatenbank sowie eine Regel-Datenbank aufweist, um die extrahierten Daten von Werkstoffeigenschaften für jedes der Elemente mit den Werkstoffdaten aus der Werkstoffdatenbank zu vergleichen und sie einander anzupassen. Die Bewertung der Vergleichsergebnisse (beispielsweise Übereinstimmung, Fast-Gleichheit) ist anwendungsspezifisch und hängt u. a. damit zusammen, welche Toleranz zulässig ist. Ist der herzustellende Ge genstand ein kritisches Bauteil, ist weitgehende Übereinstimmung wünschenswert. Wenn der herzustellende Gegenstand unkritisch ist, können die Angleichungskriterien weniger strikt sein. Andere Kriterien wie Kosten und die verfügbare Fertigungsausrüstung können das Soll-Gleichheitsniveau ebenfalls beeinflussen. Im Schritt 26 werden also die Steuer- bzw. Kontrollparameter des Fertigungsprozesses für jeden einzelnen Teil des Gegenstands bestimmt.
Im Schritt 27 werden die ermittelten Sätze von Kontroll- bzw. Steuerparameter für die Fertigung geordnet bzw. in eine geforderte Reihenfolge gebracht, um diejenigen Wirkparameter zu definieren, die zur Fertigung des Gegenstands erforderlich sind. Diese Parameter können dazu dienen, die numerische Steuerung der Fertigungsausrüstung, mit der der Gegenstand gefertigt wird, zu realisieren. Die numerische Steuerung (NC) bezeichnet die Anwendung kodierter numerischer Informationen in der Steuerautomatik der Fertigungsausrüstung. Bei Werkzeugmaschinen kann es sich dabei um die Bewegung des Schneidwerkzeugs oder die des Werkstücks gegen ein umlaufendes Werkzeug handeln. Der Prozess des Auslegens von Verbundwerkstoffen zur Bildung von Leichtbau-Alternativen zu spannend gefertigten Metallbauteilen lässt sich ebenfalls numerisch gesteuert durchführen. Die erforderlichen Geometrie- und Bewegungsanweisungen zur Fertigung des Gegenstands lassen sich dann mit einer Allzweck-NC-Sprache einprogrammieren, um Fertigungssteuerdaten zu erzeugen. Eine solche Sprache ist APT-AC Numerical Control Processor Program (zu beziehen bei IBM Corporation, Armonk, NY, US) Dabei handelt es sich um ein Anwendungsprogramm, das zur Eingabe Anweisungen in nutzerorientierter Sprache akzeptiert, die die auszuführenden NC-Operationen beschreiben. Die Fertigungssteuerdaten können weiterhin zur Anpassung an einen speziellen Fertigungsprozess nachbearbeitet werden. Im Schritt 28 werden die nachbearbeiteten Daten auf ein computerisiertes Fertigungsgerät gegeben, das sie zur Fertigungssteuerung des Gegenstandes benutzt. Die an das computerisierte Fertigungsgerät gegebenen Daten steuern diese, den Gegenstand zu synthetisieren, der dann die erwünschten, speziell berechneten Werkstoffeigenschaften zeigt. Es sei beispielsweise angenommen, dass die Fertigung mittels einer Flechtmaschine zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs erfolgt. Beim Flechten des Verbundwerkstoffs wird die Flechtdichte gesteuert, indem man den Rechner die Geschwindigkeit der verschiedenen Maschinenteile bestimmen lässt. Je dichter das Geflecht desto höher die Formsteifigkeit. Beispielsweise bei einer Hüftprothese sind Bereiche hoher als auch solche niedriger Formsteifigkeit gefordert. Mit dem geometrischen Modell und den extrahierten Koeffizienten der Werkstoffeigenschaft lassen sich der Fertigungsprozess und insbesondere die Flechtdichte so steuern, dass man einen Bereich hoher Formsteifigkeit (beispielsweise den des Elements 601 in 6) und einen solcher niedriger Formsteifigkeit (beispielsweise den des Elements 603 in 6) erhält. Durch geeignetes Steuern des Fertigungsprozesses entsprechend der erfindungsgemäßen Methodologie lässt sich eine Hüftprothese erstellen, die auf anliegende Lasten so reagiert wie eine menschliche Hüfte auf die gleichen Lasten. Eine solche Prothese lässt sich mit auf eine bestimmte Person abgestimmtem Verhalten entwickeln.
Die beschriebene Methodologie erfolgt typischerweise iterativ. Beispielsweise können die Ergebnisse einer ersten Iteration allgemein zeigen, dass ein mit einem Flechtwerk hergestellter Faserverbundstoff in der beabsichtigten Anwendung den extrahierten Koeffizienten der Werkstoffeigenschaft am besten entspricht. In einer zweiten Iteration kann dann das Modell der Methode der finiten Elemente modifiziert werden, um das kleinste Teilvolumen zu berücksichtigen, das sich mit einem rechnergesteuerten Flechter gesteuert flechten lässt. Bevorzugt entspricht jedes der Elemente des Modells der Methode der finiten Elemente nicht weniger als dem kleinsten Teilvolumen, das sich nach dem Fertigungsverfahren, mit dem der Gegenstand hergestellt werden soll, gesteuert fertigen lässt. Für einen Flechtvorgang unter Verwendung eines Flechtwerks beträgt das kleinste, gesteuerte flechtbare Teilvolumen etwa einen Kubikmillimeter, mit anderen Worten, es lässt sich ein Flechtmuster gesteuert variieren, um einen Gegenstand mit Werkstoff- bzw. konstitutiven Eigenschaften herzustellen, die im Bereich von einem Kubikmillimeter variieren. Dieses kleinste Teilvolumen hängt natürlich von der verfügbaren Fertigungsausrüstung ab. Obgleich also das mit einem Flechtwerk nach dem Stand der Technik flechtbare kleinste Teilvolumen einen Kubikmillimeter beträgt, sind nicht alle Flechtwerke zu einem derartigen Betrieb in der Lage. In solchen Fällen bestimmt sich das kleinste Teilvolumen aus den Fähigkeiten eines verfügbaren Flechtwerks. Es ist einzusehen, dass mit verbesserten Fertigungsverfahren und kleineren, gesteuert herstellbaren Teilvolumen die Methodologie der vorliegenden Erfindung mit umgestalteten oder anders geformten Elementen einsetzbar ist.
Die Mathematik des erfindungsgemäßen Verfahrens gilt auch für andersartige Fertigungsverfahren als für Verbundwerkstoffe – beispielsweise Metalle, Kunststoff und Keramik. Das erfindungsgemäß Verfahren gilt auch für die Fertigung von Gegenständen auf Grund des Sollverhaltens unter Wärme und elektrischen Strömen. Kurz gesagt, das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich für je den rechnergesteuerte Fertigungsprozess einsetzen, der eine volumenabhängige Präzisionsfertigung fordert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders nützlich, wo ein höherer Wirkungsgrad eines Gegenstands gefordert ist. In der traditionellen Fertigung liegt der Schwerpunkt auf einer präzisen Wiedergabe seiner Geometrie ohne viel Berücksichtigung – wenn überhaupt – der Innenstruktur dieser Geometrie. Nach der erfindungsgemäßen Methodologie ist die Werkstoffmatrix unbekannt; mit einem iterativen Prozess lässt sie sich bei festbleibender Geometrie optimieren.
Erfindungsgemäß lassen sich also die Eingabeparameter eines beliebigen Prozesses so variieren, dass sich ein Gegenstand mit einer präzise definierten Matrix von Werkstoffeigenschaften ergibt. Mit laufend verbesserten Fertigungsverfahren ist die oben beschriebene Methodologie auch dann anwendbar, wenn das kleinste Teilvolumen, das sich gesteuert fertigen lässt, weiter abnimmt.
Die 8 zeigt verschiedene Funktionsmodule zum Realisieren der erfindungsgemäßen Methodologie. Ein Modul 801 für den rechnergestützten Entwurf (CAD) ist ein dreidimensionales Grafik Softwarepaket zum Erzeugen einer geometrischen Modelldefinition. Eine solche geometrische Modelldefinition weist Punkte auf, die den Gegenstandsentwurf präzise in einem dreidimensionalen Koordinatesystem anordnen. Dies kann man mit einem Grafik-Softwarepaket unter Verwendung beispielsweise von X-, Y- und Z-Koordinatenpunkten und, wo erforderlich, örtlichen Vektoren erreichen. Das dreidimensionale Grafik-Softwarepaket benutzt geeignete Datenstrukturen zur Definition bestimmte Punkte in der Datenbank des Grafikprogramms. Durch Anwenden von Algorithmen im Grafikprogramm lassen andere Punkte im Gegenstand sich definieren und generieren. Das Grafikprogramm verwendet be vorzugt geeignete Vektor- und Matrix-Routinen, mit denen ein Gegenstand sich im Speicher drehen oder sonst wie bewegen und dimensionieren lässt, wodurch die Koordinaten für einen beliebigen O-Punkt auch relativ zu anderen Punkten bekannt sind. Wie bereits festgestellt, sind geeignete CAD-Softwarepakete u. a. I-DEAS (Fa-. SDRC, Inc., Milford, OH, US), CATIA (Fa. IBM) und ANVIL-5000 (Fa. Manufacturing Consulting Services).
Ein Modul 802 der Methode der finiten Elemente dient dazu, aus Daten in der Datenbank des Grafikprogramms das Modell der Methode der finiten Elemente des Gegenstands zu generieren. Das Modul 802 der Methode der finiten Elemente ist ein Software-Paket zum Zerteilen des mit dem CAD-Modul 801 entworfenen Gegenstands zu einer Vielzahl von Elementen und Ausdrücken einer oder mehr unbekannte Feldvariabler in Kategorien angenommener Näherungsfunktionen innerhalb jedes Elements. Das METHODE DER FINITEN ELEMENTE-Modul 802 berechnet für jedes oben diskutierte Element die optimalen Werkstoffeigenschaften. Als Software-Pakete für das Modul 802 der Methode der finiten Elemente sind u. a. MSC/NASTRAN (Fa. MacNeal-Schwendler Corporation), ABAQUS (MacNeal-Schwendler Corporation) und ANSYS (Fa. Swanson Manufacturing) geeignet.
Ein Werkstoff-Datenbankmodul 803 ist ein oder mehr Archive mit den Koeffizienten der Werkstoffeigenschaft zusammen mit dem entsprechenden Fertigungsprozess und dessen Steuerparametern. Die Archive korrelieren also Werkstoffeigenschaften mit dem Fertigungsprozess und dessen Parametern, um die Werkstoffe zu erzeugen.
Ein Vergleichsmodul 804 vergleicht die mit dem Modul 802 der Methode der finiten Elemente bestimmten Werkstoffeigenschaften mit den Werkstoffdaten im Material-Datenbankmodul 803, um (1) den Werkstoff, der Eigen schaften hat, die den mit dem Modul 802 der Methode der finiten Elemente bestimmten am besten entsprechen, und (2) das Fertigungsverfahren sowie dessen Parameter zu bestimmen, die dem so gefundenen Werkstoff entsprechen. Das Vergleichsmodul 804 lässt sich beispielsweise mit einer Wissensbasis realisieren, die eine Fakten-Datenbank zur Aufnahme von Werkstoffdaten aus dem Modell der Methode der finiten Elemente und dem Datenbankmodul 802, 803 sowie eine Regel-Datenbank mit Regeln zum Vergleichen der Werkstoffdaten aus dem Modell der Methode der finiten Elemente und dem Datenbankmodul 802, 803 und zum Bewerten der Angleichgüte ("match") aufweist.
Ein Fertigungsmodul 805 übersetzt und ordnet die Fertigungsparameter aus dem Vergleichsmodul 804 zu Befehlen für eine Fertigungsmaschine zwecks Herstellung eines Gegenstands mit der mittels des CAD-Moduls 801 definierten Geometrie um. Die Fertigung des Gegenstands kann mit einer für den jeweiligen Werkstoff geeigneten Maschine erfolgen. Beispielsweise lassen sich Metalle durch Wiedergabe der Oberflächengeometrie (Oberflächenpunkte im Raum), Verbundstoffe durch Steuern des Flechtbildes und die Auswahl der Faser und Polymerisate durch Auswahl der Chemikalien herstellen. Die Rechnerunterstützung der Fertigung ermöglicht es, die Maschinen rasch von der Herstellung eines Gegenstandes auf den nächsten oder auch innerhalb verschiedener Bereiche eines einzigen Gegenstandes umzusteuern.
Die 9 ist ein Blockschaltbild der Konfiguration einer Umgebung 900 zum Realisieren der verschiedenen, oben beschriebenen Funktionsmodule. Beispiele dieser Umgebung sind u. a. IBM-PC-kompatible Tischrechner und Arbeitsplatzrechner auf UNIX-Basis wie die von Sun Microsystems oder Silicon Graphics. Die Umgebung der vorliegenden Erfindung ist dabei nicht auf eine bestimmte Rechnerart oder -marke beschränkt; es sind zum Einsatz Kleinst- bis Großrechner ins Auge gefasst. Weiterhin zeigt die 9 zwar die Details einer einzigen Umgebung; die Module der 8 lassen sich aber in mehr als einer Umgebung implementieren. Beispielsweise kann eine erste Umgebung zum Implementieren des CAD-Moduls 801 dienen, eine zweite zu dem des Moduls 802 der Methode der finiten Elemente. Der Informationsaustausch zwischen den Umgebungen kann mittels Datenträgern oder Standard-Kommunikationspaketen erfolgen. Alternativ kann eine einzige Umgebung zum Implementieren sowohl des CAD- als auch des Moduls 801, 802 der Methode der finiten Elemente dienen. Die Umgebung 900 enthält eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 901 wie eine RISC-basierte oder IBM-PC-kompatible CPU am Bus 903. Eines oder mehr der Module der 8 werden im Betrieb in den Speicher 905 geladen. Eingaben erfolgen über ein E/A-Gerät 907 und gelangen über einen Puffer 909 auf dem Bus 903 zum Speicher 905. Es ist einzusehen, dass es sich beim E/A-Gerät um ein beliebiges Eingabemedium wie ein Floppy-Disk oder eine Bandlaufwerk, eine Tastatur, eine Maus, ein Touchscreen oder jedes kompatible bzw. gleichwertige Eingabegerät für die manuelle oder selbsttätige Informations- oder Befehlseingabe handeln kann. Damit der Nutzer nach der Informationseingabe die Ergebnisse verfolgen kann und mit dem fortschreitenden Ablauf der Programme sieht, sieht eine bevorzugte Ausführungsform auch die Anwendung einer Sichteinheit 911 als Beispiel eines Ausgabegeräts vor. Andere Ausgabegeräte können u. a. Drucker, Magnet- oder optische Platten- bzw. Bandlaufwerke usw. sein. Ein ROM 913 kann Programme zur Steuerung der Umgebung 900 insgesamt aufnehmen.
Die 10 zeigt das Blockschaltbild eines generalisierten Steuerrechners, der mit einem Steuerrechner 950 arbeitet, in den die Fertigungsanweisungen aus dem Fertigungsmodul 805 der 8 herabgeladen werden. Informationen wie die Geschwindigkeit des Flechtbetts, der Faserzug, die Temperatur, der Druck usw. erhält man aus den Sensoren 952 einer Fertigungsmaschine in digitalem (ein/aus, offen/geschlossen) oder analogem Format (Spannung). Analoge Eingabegrößen werden vom A/D-Wandler 953 im Steuerrechner 950 digitalisiert. Der Steuerrechner 950 weist einen Prozessor 960 zum Analysieren der Informationen aus den Sensoren 952 und zum Erzeugen von Signalen auf, die an Stellelemente 954 gegeben werden, um die Einstellungen der Fertigungsmaschine entsprechend den herab geladenen Fertigungsanweisungen nachzujustieren. Zusätzlich zu analogen und digitalen Ausgangssignalen lassen sich Impuls-Signale vorsehen, um Schrittschaltmotore anzusteuern, wie sie häufig in Werkzeugmaschinen und anderen Ausrüstungen Einsatz finden. Natürlich hängen die jeweiligen Einzelheiten des Steuerrechners 950 von der jeweils eingesetzten Fertigungsmaschine ab. Die Einzelheiten von in speziellen Fertigungsprozessen einsetzbaren Steuerrechnern finden sich beispielsweise in dem oben erwähnten Buch von Bedworth et al.
Die folgenden Beispiele sollen die Anwendung der erfindungsgemäßen Methodologie erläutern.
BEISPIEL I
Es wird die erfindungsgemäße Fertigung eines Golfschlägerschafts aus Faserverbundmaterial beschrieben. Im Fall des Golfschlägerschafts lautet die Ausgangsgleichung {f} = [k]{x}.
Mit der Methode der finiten Elemente wird ein Modell des Golfschlägerschafts erzeugt. Die Hersteller von Golfschlägern unterhalten Datenbanken, die die Kräfte {f} angeben, denen ein Schaft bei verschiedenen Kopfgeschwindigkeiten ausgesetzt ist (Torsion, Kompression, Spannung usw.). Diese Kräfte dienen zur Definition derjenigen an den Knotenpunkten des Modells der Methode der finiten Elemente.
Ein Golfspieler verlangt generell, dass der Schlägerschaft auf diese verschiedenen Kräfte auf unterschiedliche Art und Weise reagiert. Beispielsweise möchte ein Golf-Profi am Schaft eines Pitching Wedge, Neunereisens und Achtereisens einen Biegepunkt (d. h. einen Punkt verhältnismäßig geringer Formsteifigkeit ) nahe dem Kopf, an dem eines Siebener-, Sechser und Fünfereisens einen Biegepunkt in der Schaftmitte, an dem von Vierer-, Dreier- und Zweiereisen einen Biegepunkt unmittelbar über der Schaftmitte und am Schaft eines Drivers einen Biegepunkt unmittelbar unter dem Griff haben. In jedem dieser vier Fälle weist jeder Schaft einen eindeutigen Satz von Soll-Auslenkungen {x} auf. Diese Soll-Auslenkungen {x} definieren also die Auslenkungen an den Knotenpunkten des Modells der Methode der finiten Elemente; dazu werden vier verschiedene Analysen nach der Methode der finiten Elemente durchgeführt.
Da die Kräfte und Auslenkungen im Modell der Methode der finiten Elemente definiert worden sind, lassen sich die globalen Formsteifigkeit-Matrices für jeden der vier Fälle berechnen. Mit Boole'schen Lokalisierungsfunktionen bestimmt man die Koeffizienten der Formsteifigkeit für die einzelnen Elemente und vergleicht sie mit denen aus industriellen Datenbanken. Die den angeglichenen Koeffizienten entsprechenden Fertigungsparameter werden dann geeignet übersetzt und angeordnet, um Fertigungsanweisungen zu erzeugen, die an eine Verbundwerkstoff-Webemaschine gehen, dessen Flechtbettgeschwindigkeit und Faserzug entsprechend ge regelt werden, um die Schlägerschäfte zu erzeugen. Hat sich beispielsweise ergeben, dass eine Kohlenstofffaser den vorbestimmten die Koeffizienten der Formsteifigkeit am besten entspricht, wird eine Kohlenstofffaser in eine geeignete Webmaschine eingesetzt. Beim Weben werden die Geschwindigkeit des Flechtbetts und der Faserzug mit den generierten Fertigungsanweisungen variiert, so dass bestimmte Teile des Schlägerschafts dicht und andere Teile lockerer geflochten werden. Dichter geflochtene Schaftbereiche sind dann steifer als die lockerer geflochtenen.
BEISPIEL II
Es sei nun die erfindungsgemäße Fertigung eines mit Kohlefasern gefüllten Verbund-Hüftersatzes beschrieben. Im Fall eines Verbund-Hüftersatzes lautet die Ausgangsgleichung ebenfalls {f} = [k]{x}.
Zuerst wird ein Modell der Methode der finiten Elemente der normalen Knochengeometrie (Rinden- und Schwammschicht) erzeugt, dann deren Steifeeigenschaften definiert. Diese Formsteifigkeitseigenschaften sind eine Funktion des Elastizitätsmoduls und der Poisson-Zahl und dienen zu Definition der Formsteifigkeit an den Knotenpunkten des Modells der Methode der finiten Elemente. Danach werden die Belastungen beim Gehen, Aufstehen von einem Stuhl, Treppensteigen usw. definiert und dienen zur Definition der Kräfte an den Knotenpunkten des Modells der Methode der finiten Elemente. Diese Steifeeigenschaften und Belastungen sind bekannte Größen und vielfach veröffentlicht – beispielsweise in Hodge u. a., Contact Pressures in the Human Hip Joint Measured in Vivo, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 83, 2879–2883 (1986); Fung, Biomechanics, Mechanical Properties of Human Tissue, Springer-Verlag, NY (1981).
Da die Kräfte {f} und die Formsteifigkeit [k] des Modells definiert sind, lassen sich die Auslenkungen {x} (die mathematisch mit der Spannung zusammenhängen) bestimmen. Mit Boole'schen Lokalisierungsfunktionen werden die resultierenden Matrixdaten analysiert, um die Spannungen an den Elementen des Modells der Methode der finiten Elemente zu bestimmen.
Da die Spannung {x} an den Elementen des Modells der Methode der finiten Elemente bestimmt worden ist, lässt sie sich nun als bekannte Größe behandeln und stellt die ideale Spannungsverteilung da, die im Hüftersatz aus Verbundwerkstoff erreicht werden soll. Folglich lässt sich die Matrix [k] der Formsteifigkeit des Werkstoffs nun als Unbekannte behandeln.
Es wird wiederum ein Modell der Methode der finiten Elemente erzeugt, das jedoch nun eine andere Schicht, nämlich die künstliche Hüfte in Schwammbereich des Knochens aufweist. Wie beispielsweise in St. Ville et al., The Anatomy of Midthigh Pain After Total Hip Arthroplasty diskutiert, lässt sich eine Analyse der Methode der finiten Elemente unter Verwendung des feinmaschigen Netzmodells der 6 durchführen, welches Knotenpunkte 5207 und 5040 isoparametrischer Massivelemente aufweist. Im Netzgebilde der 6 sind sowohl Hexa- als auch Pentaederelemente verwendet, um eine genaue Gestaltangleichung zu gewährleisten. Die bereits berechneten Auslenkungsdaten {x} definieren die Auslenkung an jedem Knotenpunkt des Modells der Methode der finiten Elemente.
Es werden die Belastungen definiert, mit denen der Verbundstoff-Hüftersatz beaufschlagt werden soll. Es werden als Belastungen Gehen, einbeiniges Auftreten usw. angesetzt. Die Auswahl der Belastungen hängt vom Wesen des zu entwerfenden Verbundstoffes für den Hüftersatz ab. Diese Belastungen sind allgemein bekannte Größen, wie oben beispielsweise bezüglich Hodge et al., Contact Pressures in the Human Hip Measured In Vivo, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, 2879–2883 (1986) erwähnt. Sie definieren die Kräfte {f} an den Knotenpunkten des Modells der Methode der finiten Elemente.
Da die Auslenkungen {x} und Kräfte {f} an den Knotenpunkten des Modells der Methode der finiten Elemente definiert worden sind, lässt sich die globale Formsteifigkeit-Matrix [k] berechnen. Mit Boole'schen oder anderen Lokalisierungsfunktionen werden die Steifekoeffizienten an jedem der Knotenpunkte bestimmt. Mit iterativen Optimierungsverfahren lassen sich die idealen Formsteifigkeitseigenschaften an den Elementen des Modells der Methode der finiten Elemente berechnen.
Die so bestimmten Koeffizienten der Formsteifigkeit werden mit denen einer Werkstoffdatenbank verglichen. Die Fertigungsparameter der bestentsprechenden Koeffizienten werden geeignet übersetzt und angeordnet, um Fertigungsanweisungen zu generieren, die dann auf eine Webmaschine für Verbundwerkstoffe gegeben werden, wo die Flechtgeschwindigkeit und der Faserzug geeignet gesteuert werden, um den Hüftersatz aus Verbundwerkstoff herzustellen.
Natürlich ist einzusehen, dass für die vorliegende Erfindung auch andere Modulkonfigurationen erwogen sind; sie ist nicht als auf die oben angegebene spezielle Realisierung beschränkt aufzufassen.
Während oben verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, wird darauf hingewiesen, dass diese nur beispielhaft, nicht einschränkend gelten sollen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist daher nicht durch die oben beschrieben bei spielhaften Ausführungsformen definiert, sondern nur durch die folgenden Patentansprüche.

LINKE SPALTE

1

11: Erste Entwurfsgeometrie und Werkstoffauswahl
12: Auf Gegenstand in der geplanten Anwendung wirkende Kräfte bestimmen
13: Spannungsanalyse durch Potenzialberechnung
14: Erstentwurf und Werkstoffe O.K.?
No: Nein
Yes: Ja
15: Fertigung

2

m: Nummer eines Knotenpunkts
(m): Nummer eines Elements
K^(m): Formsteifigkeit des Elements (m)

3

New Method: Neues Verfahren
21: Freikörperdiagramm Annahmen: 1. Ausgangsgleichung: {f} = [k]{x} 2. Kräfte {f} sind bekannt 3. Werkstoffeigenschaften [k] sind unbekannt 4. Potenziale {x} sind bekannt oder definiert 5. Modellgeometrie ist bekannt
22: Vorbearbeitung
23: • Modellgeometrie entwerfen • Erzeugen von Knoten & Elementen • Randbedingungen einschl. Kräfte und Potenziale eingeben
24: Analyse der Methode der finiten Elemente
•: nach Matrix [k] der Werkstoffeigenschaften lösen
25: Nachbearbeitung • Umwandlung der Matrix [k] der Werkstoffeigenschaften zu Formaten mit spezieller Reihenfolge von kleinen Volumenschritten, zu repräsentativen Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften

RECHTE SPALTE (von oben nach unten)

Industrie, Behörden, Forschungsanstalten

Material manufacturing: Werkstoff-Herstellung • Zahlreiche neue Werkstoff aus einzelnem Prozess entwickelt durch Variieren der Steuerparameter des Fertigungsprozesses (beispielsweise Geschwindigkeit, Temperatur, Druck usw.)
Material testing: Werkstoffprüfung • Definition der Werkstoffeigenschaften eines Werkstoffs; erforderlich für Werkstoff-Klassifizierung
Material property Databases: Werkstoffeigenschaften-Datenbanken • Archive von Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften mit entsprechenden Parametern der Herstellungsprozesse
Volumetrical controlled Manufacturing: Volumenabhängige Fertigung
26: • Vergleich berechneter mit industriellen Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften
27: • Erzeugen einer Reihenfolge von Prozesssteuerparametern zum Erzeugen der berechneten Matrix der Werkstoffeigenschaften
28: • Umwandeln der Prozesssteuerparameterfolge zu Formaten zum Steuern der Ist-Fertigungsmaschinen

5B

Intact Femur: Intakte Methode der finiten Elemente

7A, 7B

Process: Prozess
Process parameters: Prozessparameter

8

801: CAD-Modul
802: Modul der Methode der finiten Elemente
803: Werkstoff-Datenbank
804: Vergleichsmodul
805: Fertigungsmodul Fertigungsanweisungen

9

901: CPU
905: RAM-Speicher
907: E/A-Gerät
909: Puffer
911: Sichteinheit
913: ROM-Speicher

10

Analog input data: Analoge Dateneingabe
Analog output data: Analoge Datenausgabe
Control computer: Steuerrechner
D/A: Digital/Analog-Wandler
Digital input: digitale Dateneingabe
Digital output: digitale Datenausgabe
Manufact. instructions: Fertigungsanweisungen
Manufact. machine: Fertigungsmaschine
Pulse outputs: Impuls-Ausgangssignale
952: Sensoren
953: Analog/Digital-Wandler
960: Prozessor

Claims

Ein Computer implementiertes Verfahren zum Erzeugen von Geräte gesteuerten Anweisungen zur Herstellung eines Objektes, das ein Potential {x} aufweist, das in Erwiderung zu einem Feld {f} erzeugt wird, und das dazu zum Einsatz gelangt, das Verfahren umfasst: • Erzeugen eines Computer basierten mathematischen Modells von einem Objekt durch Diskretisieren eines geometrischen Modells von diesem Objekt in eine Vielzahl von finiten Elementen durch die Verwendung einer Softwareeinheit der finiten Elemente durch die Bestimmung der Werte für das Feld {f} und das Potential {x} in Abhängigkeit für die jeweiligen finiten Elemente; • Berechnen einer Matrix [k] der Werkstoffeigenschaften basierend auf der Beziehung {f} = [k] {x} mittels der Softwareeinheit der finiten Elemente; • Extrahieren der Werkstoffeigenschaftskoeffizienten von der Werkstoffeigenschaftsmatrix [k] für jedes finite Element in dem Computer basierten mathematischen Modell; • Vergleich der extrahierten Werkstoffeigenschaftskoeffizienten mit den Werkstoffeigenschaftskoeffizienten von bekannten Werkstoffen für den Abgleich der extrahierten Werkstoffei genschaftskoeffizienten mit den Werkstoffeigenschaftskoeffizienten für diese bekannten Werkstoffe; • Ermittlung der übereinstimmenden Herstellungsparameter mit den zusammenpassenden Werkstoffeigenschaftskoeffizienten; und • Erzeugen der Gerätesteuerbefehle zum Steuern der Herstellungsanlage zum Herstellen des Objektes basierend auf den ermittelten Herstellungsparametern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des Computer basierten mathematischen Modells von einem Objekt ferner die Bestimmung der kleinsten Größenzunahme, die mittels eines Computer gestützten Herstellungsverfahrens hergestellt werden kann, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feld {f} ein mechanisches Kraftfeld und das Potential {x} das Displacement ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feld {f} ein elektrisches Stromfeld ist und das Potential {x} wie eine Spannung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feld {f} ein magnetisches Feld und das Potential {x} ein magnetisches Vektorpotential ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feld {f} ein thermisches Durchflussfeld und das Potential {x} die Temperatur ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feld {f} ein Fluidgeschwindigkeitsfeld ist und das Potential {x} ein Fluidpotential ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Knoten an den Grenzen der finiten Elemente festgelegt sind und die Werte für das Feld {f} und das Potential {x} in den Knoten festgelegt sind.
Verfahren zum Herstellen eines Objektes aufweisend ein Potential {x} erzeugt in Erwiderung zu einem Feld {f}, das hierzu angewandt wird, das Verfahren umfasst: • Erzeugen von Anweisungen für die Gerätesteuerung zur Herstellung des Objektes gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8; und • Herstellung des Objektes durch Steuern der Herstellungsanlage mittels der erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung die Verbundherstellungsanlage steuert, wenn die passenden Koeffizienten der Werkstoffeigenschaften für ein Verbundmaterial sind.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung eine Flechtmaschine steuern.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung unter Spannung gehaltene Fasern steuern, die in der Flechtmaschine verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung die Geschwindigkeit des Flechtmaschinenbettes und/oder der Spindel der Flechtmaschine steuert.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung, die Dicke der Faser, die in der Flechtmaschine verwendet wird, steuert.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung ein Schweißwerkzeug steuern.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung Druck und Temperatur des Schweißwerkzeuges steuern.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die erzeugten Anweisungen für die Gerätesteuerung die im Kunststoff enthaltenen Fasern steuern.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Objekt eine Prothese zum Ersetzen eines Körperteils ist und die Werte für die Kraft {f} und das Displacement {x} festgeschrieben sind, basierend auf Invivokräften, die sich auf das Körperteil beziehen, das ersetzt werden soll und die Invivodisplacements, die in dem Körperteil erzeugt werden, die ersetzt werden sollen, sobald die Kräfte daran angelegt werden.
Aufbau zum Erzeugen von Geräte gesteuerten Anweisungen für die Herstellung eines Objektes aufweisend ein Potential {x}, das in Erwiderung zu einem Feld {f} erzeugt wird und dazu angeordnet ist, umfassend: • erste Erzeugungsmittel zum Erzeugen eines Computer basierenden mathematischen Modells von einem Objekt durch Diskretisieren eines geometrischen Modells von dem Objekt in eine Vielzahl von finiten Elementen mittels einer Softwareeinheit der finiten Elemente und Festlegen von Werten für das Feld {f} und das Potential {x} relativ zu den finiten Elementen, gekennzeichnet durch • Berechnungsmittel zum Berechnen einer Werkstoffeigenschaftsmatrix [k] basierend auf der Beziehung {f} = [k]{x} mittels einer Softwareeinheit der finiten Elementen; • Extraktionsmittel zum Extrahieren von Werkstoffeigenschaftskoeffizienten aus der Werkstoffeigenschaftsmatrix [k] für jedes finite Element in dem Computer basierenden mathematischen Modell; • Vergleichsmittel zum Vergleichen der extrahierten Werkstoffeigenschaftskoeffizienten mit den Werkstoffeigenschaftskoeffizienten von bekannten Werkstoffen zum Abgleich der extrahierten Werkstoffeigenschaftskoeffizienten mit den Werkstoffeigenschaftskoeffizienten von den bekannten Werkstoffen; • Bestimmungsmittel für die Bestimmung der Herstellungsparameter, die mit den abgeglichenen Werkstoffeigenschaftskoeffizienten übereinstimmen; und • zweite Erzeugungsmittel zum Erzeugen von Geräte gesteuerten Anweisungen zum Steuern der Herstellungsanlage zum Herstellen der Objekte basierend auf den vorherbestimmten Herstellungsparametern.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen eines Computer basierenden mathematischen Modells von einem Objekt durch die ersten Erzeugungsmittel, die kleinsten vorherbestimmten Größenzunahme einschließt, die mittels eines Computer gestützten Herstellungsverfahrens hergestellt werden können.
Das System gemäß Anspruch 19, wobei das Feld {f} ein mechanisches Kraftfeld und das Potential {x} ein Displacement ist.
Das System gemäß Anspruch 19, wobei das Feld {f} ein elektrisches Stromfeld und das Potential {x} eine Spannung ist.
Das System gemäß Anspruch 19, wobei das Feld {f} ein magnetisches Feld und das Potential {x} ein magnetisches Vektorpotential ist.
Das System gemäß Anspruch 19, wobei das Feld {f} ein thermisches Flussfeld und das Potential {x} eine Temperatur ist.
Das System gemäß Anspruch 19, wobei das Feld {f} ein Fluiddichtefeld und das Potential {x} ein Fluidpotenial ist.
Das System gemäß Anspruch 19, wobei Knoten an den Grenzen der finiten Elemente festgelegt sind und die Werte des Feldes {f} und des Potential {x} an diesen Knoten festgelegt sind.
Ein System gemäß Anspruch 19, ferner umfassend ein Element der Herstellungsanlage reagierend auf die Anweisungen zum Herstellen der Objekte.