CN1382284A

CN1382284A - 制造系统和方法

Info

Publication number: CN1382284A
Application number: CN00814630A
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯A·St·维利
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2002-11-27
Anticipated expiration: 2020-08-23
Also published as: CN1313958C; EP1230614B1; ATE517392T1; EP1230614A1; HK1050252A1; JP2012074072A; US7203628B1; JP2003522995A; HK1050252B; NZ517954A; JP2008041087A; CA2382938A1; CA2382938C; KR20020061591A; AU6796800A; WO2001015058A1; JP5116390B2; MXPA02001875A; EP2381378A2; RU2305864C2

Abstract

一种制造物品的方法,该物品能响应施加在其上的场{f}而产生势{x}。将物品的几何模型分解成多个有限元(802),产生物品的计算机用数学模型(801),规定在各有限元上场{f}和势{x}的值。规定有限元(802)的材料性能(804)有一特定的对称性,根据关系{f}=[k]{x}和规定的对称性计算材料性能矩阵[k]。从材料性能(804)矩阵[k]中为每一个在计算机用数学模型(801)内的有限元(802)提取材料性能(804)系数,将提取的材料性能(804)系数与已知材料的材料性能(804)系数比较,使提取的材料性能(804)系数与已知材料的材料性能(804)系数匹配。根据匹配的材料性能(804)系数确定控制制造设备的制造参数(805),按照确定的制造参数(805)控制制造设备,从而制造物品。

Description

制造系统和方法

相关申请

本申请请求拥有1999.08.23申请的临时申请60/149,896号的优先权，该申请的内容被本文引用作参考。

技术领域

本发明一般地涉及制造的物品，尤其涉及目标物品的制造方法和设备，该物品具有对所需用途优化的响应特性。

本发明的背景和综述

历来工程师所进行的分析是在现实世界中为规划制造产品使其达到预期效果而进行的制作模型和校核的漫长过程中的一个步骤。包含诸如几何对形状、材料性能、负载和分析型式等信息的完整模型被引用到分析程序中，并计算出好位移等的基本结果。然后将这些计算值与材料的预定限度比较，不管材料是各向固性的、正交各向异性的、或各向异性的，在模型内划出临界区域。如果模型的临界区域超过规定限度，那就需要重新设计以便得到可靠的安全裕度，但在大多数时候，具有较高安全裕度的区域都被留下不再改变或不再优化。采用逐步副近法如改变材料或构件的尺寸形状能减少安全裕度。这个过程不仅冗长而且在成本上不很有效。

一种被称为体积控制制造(VCM)的方法能帮助减少成本、制造时间和安全裕度。VCM曾在美国专利5,796,617和5,594,651号中说明过，其内容被本文引用。VCM例如可被应用到被称为THA(总髋部整形外科)的矫形程序内。该程序包括用髋杆来更换病人的髋骨以资维持病人正常行走活动的生理能力。传统的分析显示有一对高应力区域使各向同性的材料位移以周围的骨上造成病人的疼痛和该相同的骨结构在THA手术后不久便过早地失效。问题发生在所使用的形状设计和材料要比被更换掉的坚硬得多。于是尝试降低硬度包括使用复合材料。但这些尝试都失败了，这是因为层间应力造成分层，以致随后基质/纤维脱离粘结。发生失效是由于叠层的结构设计不能承受负载环境及象髋骨那样具有独特的结构功能。

对规划制造的产品如髋杆，为了提供有效的分析来确定优化的材料性能，有必要作出一条与传统分析不同的途径。VCM过程内包含这条新的途径。在使用传统的分析方法时，首先确定位移及产品内的应力和应变，然后通过现实世界的试验，将位移记录下来并引用到分析内。新的途径不是这样，而是将材料性能作为未知数而求解。

如同下面将要较详细地说明，材料性能可用一反复迭代的分析过程来求解。分析可继续到所有规定的元件显示的位移都在规定的公差之内为止。这样，反复迭代的过程可继续到收敛为止，从而可将整个模型就其特定环境和负载条件进行优化。其时采用复合材料能起很大作用，因为它们能用多种不同的方法改制来得到所需的材料性能，不象各向同性和金属材料具有比复合材料差的改制能力。

优化还可扩展到控制从上术处理中得出的答案的型式。例如可将系统限制为在所找寻的答案中构成目标物品的有限体积元(“voxel”)具有一定的对称性。为了说明起见，可将系统限制为在所找寻的答案中voxel为各向同性的或在横向上各向同性的。将这种对称性的要求加在答案上可提高可被制造的能力，这是因为在所有的voxel中每一个voxel都是按照相同的或具有一定对称性的性能(如泊松比、杨氏模数)形成的。在某些实施例中系统可被设计成能产生各向同性的、在横向上各向同性的、和各向异性的方案。实际采用来制造的方案可根据控制制造设备的比较容易程序来选定以便生产出所需的目标物品。

如上所述，复合材料对VCM是有用的，因为它们能以多种不同的方法被改制从而可得到所需的材料性能。复合材料为两种或多种材料的组合，其中各该材料在低倍放大的水平上保持分离。一种构造复合材料的方法是将与结构纤维相容的基体分层叠合。如同下面较详细地说明的那样，引入纤维的基体可被修改使包含某些“杂质”。在THA的情况下，杂质例如可以是生物材料、骨、碎骨、协同因素、生物细胞、生物活性材料、药剂、抗生素、放射性材料等。

附图的简要说明

在结合附图参阅下面关于目前较优实施例的详细说明当可对本发明的特点和优点较好地和较完全地理解，其中：

图1示出按照本发明制造目标物品的方法；

图2A和2B分别示出在一腿站立和从椅子上站起时作用在髋骨的股骨头上的力；

图3A和3B分别示出作用在体内髋骨上的力和造成的应力；

图4示出一个假髋有的有限元模型；

图5A和5B示出材料性能数据库；

图6示出可被用来实施本发明的功能模块；

图7为可被用来实施图6中一个或多个功能模块的环境的方块图；

图8为控制制造机械用的控制计算机的略图。

本发明实施例的详细说明

图1用来说明按照本发明制造一个目标物品或部件的方法。本文所用目标物品或部分(以后概称“物品”)系指任何一个可用工艺过程或技术制造的物品，在该工艺过程中制造参数可被控制从而可改变物品内的结构性能或材料性能。按照本发明的制造物品的方法是根据下列方程式的求解得出的，

{f}＝[k]{x}其中{f}代表按物品的预定用途施加在物品上的场，{x}代表相应于所施加场的潜能，而[k]代表物品的材料性能。

本发明的方法可被用地任何一种制造参数可变的制造技术。例如使用编织机的编织过程可被用来制造纤维复合材料物品。纤维复合材料作为汽车车身板、飞行器、假体植入物、高尔夫球杆轴、网球球拍、自行车车架、和钓鱼竿等构件的构造材料正日益被扩大使用。这些复合材料能提供等于或高于金属材料的强度，同时重量较轻并具有其他的提高的功能特性。各种参数如编织机床身及/或心轴的速率、纤维的粗细、和施加在纤维上的张力都被控制，因此可改变纤维复合材料的坚硬程度。能够控制复合材料纺织的编织机床身设计的一例曾在授予Skelton的美国专利4,909,127号中示出。在授予Suto的美国专利4,975,262号中还述及三维织造织物。

复合材料还可用分层叠合的、在合适的基体内包容的结构纤维构成，如同在授予Carver等的美国专利5,023,800号中所说明的那样。纤维玻璃是一种广泛使用的复合材料系统，其中玻璃纤维被引用到环氧树脂基体内。为了制造飞行器构件，更多的具有改进性能的外来复合材料系统值得采用。目前可供使用的外来无机材料如碳纤维、硼纤维、改进的玻璃纤维、各种不同的材料的无机晶须和某些有机纤维如芳族聚酰胺和延伸链聚乙烯。这些纤维或晶须在采用时被制成线、织物、垫或类似物放置在合适的树脂内例如热固性的环氧树脂、聚酯、聚醚、聚酰亚胺、和比斯马耳-酰亚胺，或热塑性的聚酰胺-酰亚胺、聚醚砜、聚醚酮、对聚苯硫和其他类似的聚合物材料。复合材料物品可用模压技术-或者用外部模型，该模型具有与物品互补的形状，或者用内部心轴式模型，在心轴上制成复合材料物品。用来形成并硬化复合材料物品的模型被称作粘合工具，而硬化是在精密控制的温度和压力下进行的。

按照本发明的一个方面，某些“杂质”可被引入到包容纤维的基质内。在THA的情况下，杂质例如可以是生物材料、骨、碎骨、协同因素、生物活性材料、药剂、抗生素、放射性材料、和类似物。VCM提供的制造是在元件接元件的基础上进行的，外部表面元件能被制成在基质材料内包含一定百分比的上述杂质。实际的百分比可随离开表面的深度而变(例如浓度可随表在的接近而增加)。在THA内采用生物材料时，植入物本身的生物成长能被激励。如果在THA内采用药剂或抗生素，药剂能向外扩散到周围组织内。

在车床上或铣床上使用仿形切削系统的仿形切削过程可被用来制造金属物品。仿形切削为在应用时如对涡轮叶片机加工时连续去除材料。参数如零件表面、驱动表面、和止动表面都是可以控制的，以资改变铣刀途径，从而进行仿形切削。零件表面为铣刀端骑跨在其上的表面，驱动表面为铣刀边骑跨在其上的表面，而止动表面为目前的铣刀运动停止时所遇到的表面。关于仿形切削系统的细节，可参阅BedNorth等人的著《计算机集成的设计和制造》，美国Mc Graw-Hil公司出版(1991)。

当然，本发明并不限于使用编织、模压或仿形切削制成的物品，上面的论述只是可被在创造性方法中使用的制造技术的一些例子。举例来说但不作限制，其他可以使用的过程和技术还可包括如聚合物制造过程、结晶技术、陶瓷件制造技术等等。

在流程的第21步，按照目标物品预期的用途限定施加在物品上的场{f}以及对这些场希望得到的垫(潜能)或响应{x}。例如，物品可被施加机械力场、电流场、磁场、热通量场、及/或流体速度场。其他场可用这些主要场推导出来。例如声场可由机械力场和流体速度场结合而成，磁流体动力场可由流体速度场和磁场结合而成。每一个上述场都有相应的势。这些势为：相应于机械力场的位移，相应于电场的电压，相应于磁场的磁向量势，相应于热能量场的温度，和相应于流体速度场的流体势。

如上所述，在第21步限定的场为将按预定用途施加到物品上的一个或多个场。例如在假体髋骨的情况下该场可以是在植入到人体内以后施加在假体髋骨上的机械力。例如在图2A和2B中的箭头分别代表在一腿站立(如在走路时)和从椅子上站起时施加在股骨头上的力(方向和大小)。该力的分布和取向是根据对人体内的研究而作的报告，例如Hodge等人所写的“实测的人体髋关节内的压力”，见美国国家科学院报告汇编83，2879-2883(1986)。这些力的合力约为2000牛顿(N)，从一腿站立到中等程度站起的负载，力的取向有所改变。作为另一个例子，在导热元件的情况下，该场可以是按照预定用途施加在物品上的热通量。当然，在一个物品上可以施加多于一个的场，并且其中每一个场都可在第21步限定。对于一个导电线可按其预期目的施加电场、磁场和机械力场。

当将限定的场{f}施加在物品上时，制造者希望该物品以如何方式作出响应是由在第21步限定的势{x}限定的。在假体髋骨的情况下，限定的势为当假体髋骨在走路和从椅上站起、受到图2A和2B所示的机械力时希望在假体髋骨内产生的位移(该位移在数学上与应力有关)。如果制造者希望假体髋骨对力作出与活体髋骨同样的反应，那么在假体髋骨内“所希望的位移”例如可相当于在走路和从椅子上站起时在活体髋骨内产生的位移。图3A示出一个施加着2000N的力的活体髋骨，图3B则为一表列出图3A中由于力的施加在标有A、B、C、D、E和F各点产生的位移的测量结果。这样，希望制出的假体髋骨对图3A中所示的力能作出与活体髋骨同样响应的制造者可先将力{f}限定为图3A中所示的力，然后将位移{x}限定为图3B的表中所列出的位移。与此类似，在导热元件的情况下，所施加的为热通量场，所限定的响应为在导热元件各部分都具有所需的温度。在导电线的情况下，所施加的为电场磁场，所限定的响应为在导电线的各部分当施加限定的机械力场时具有所需的位移，当施加限定的磁场时具有所需的磁向量势，当施加限定的电场时具有所需的电压。

在第22步，计算机辅助设计(CAD)被用来在几何形状尺寸上构成要被制造的物品的模型。构成几何模型是使用计算几何来限定物品几何形状尺寸的一种技术，其目的有几个方面即：物品的显示，对物品进行完整的限定以资进行制造和其他用途如有限元分析；设计，允许使用者输入和变换物品的几何形状尺寸规格；及体现，使用几何学在计算机的图像输出装置上画出物品的实际图像。物品或零件的最初几何模型例如可根据设计工程师的经验或由于物品或零件的预期用途而有所改变。例如，假体髋骨的初始几何模型可根据活体髋骨。当然，这个初始几何模型随后可被修改，以资适应具有特有身高及/或体重的个人。又如高尔夫球杆轴的初始设计几何形状也是已知的，即一个具有预定长度和直径的圆筒。同样，这个初始设计几何形状可被修改，借以给具有特定高度的击球手提供合适的轴，或者提供一根直径有变化的轴，例如在球杆头附近具有较窄的直径。用来构成这种几何模型的合适的CAD软件包包括I-DEAS、CATIA和ANVIL-5000。这些软件包例如要在以UNIX为基的工作站上运行，这种工作站如同SunMicrosystems或Silicon Graphics所供售的。当然，计算机的选用将取决于所需计算机的能力，本发明对此并无限制。使用这种计算机辅助设计的软件包允许用户自己限定一个物品或零件的几何模型并能快速修改，从而产生几何数据，该数据可被转换成计算机辅助制造工步使用的格式及/或有限无法工步使用的格式。这些工步将在下面较详细地论述。应该注意到最初的几何模型可以是对具有所需几何形状的物品扫描而产生的图像数据。例如，在假体髋骨的情况下，初始的几何模型可使用例如西门子的Somatom DR3或GE的9800的CT扫描仪以X射线照射尸体的髋骨而产生。这个图像数据可被转变成CAD软件包使用的格式或者可被直接转变成有限元法软件包使用的格式(例如PATRON格式)，这些将在下面说明。

在第23步，使用有限元法产生物品的有限元模型。有限元法是根据这样一个理论即形状不规则的物品能品能被划分成较小而规则的有限元。这样每一个元件就可分开来处理，而总效果就是物体内有限元的效果之和。有限元模型是由用户使用合适的软件包在工步22中研制的几何模型上操作而造成的，因此有限元法软件包一般要存取含有物品在工步21研制的几何形状的数据文档。某些集成的软件包如SDRC公司提供的I-DEAS将几何建模和有限元分析的模块连接在一起，因此用户可毋需重新限定专为有限元分析使用的形状。其他可用来产生有限元模型的合适软件包包括NASTRAN、ABAQUS和ANSYS。

这样，有限元模型是将物品的几何模型划分成许多元件，然后限定元件边界上的节点而产生的。图4中示出假体髋骨的一个示范的有限元模型。在物品的有限元模型内可以使用多种元件形状。元件的数目和型式一般根据场的型式和物品的几何形状尺寸来选用。上面认定的各种有限元软件包一般都包括元件和元件群集的库使具有特定几何形状尺寸的面积能按用户规定的准确程序建模。这样，便可利用具有预定元件尺寸值的元件或具有预定群集尺寸值的由可变元件组成的元件群集。如果利用元件群集，那么群集就可在整个有限元模型内重复。一个群集可包括具有不同形状的元件。例如，如果要被制造的物品受到剪力，那么形状最适合对剪力建模的元件可被利用并适当地取向。当这些元件集结在一起，它们可能形成可被重复的群集，例如在具有相似几何形状尺寸的面积内及/或被相似的力作用时。另外，对以差要求严格的物品部分可用尺寸不同的元件来建模。所谓超级元件可被用在公差要求不严格的地方。由于本发明的方法如在下面将述，是一个典型的反复迭代过程，因此在第一次重复时如果能确定物品的一部分或多个部分的节点值不会有多大变动，那么为了计算的目的，在第二次稍后的重复中产生的物品的有限元模型可在这些区域内包括一个或多个超级元件为的是要简化以后的计算。

有限元模型在完成时须规定在离散物品各个节点上的上面所说的场{f}和势{x}的值及/或方向。另外，要加上任何合适的边界条件。

在第24步，有限元软件包被用来编程，利用{f}＝[k]{x}的关系求解材料性能矩阵[k]，即：

[k]{x}＝{f}

[k]{x}{x}^-1＝{x}^-1{f}

[k]＝{x}^-1{f}

因为场{f}和势{x}在工步21被限定，材料性能矩阵[k]可被计算出来。当{f}为机械力场而{x}为位移时，[k]为坚硬度矩阵。当{f}为热通量场而{x}为温度时，[k]为导热率。当{f}为磁场而{x}为磁向量热时，[k]为磁阻。当{f}为电流场而{x}为电压时，[k]为导电率。当场和势在工步21如所说的被限定后，在工步24对矩阵[k]的计算便可确定最优或接近最优的材料性能矩阵，这样制造者便可制造出对特定的施加如力具有所需反应的物品。

用来产生该方程式之解的软件可包括一个优化器、一个标准的非线性的有限元分析(FEA)规范、和一个控制器用来控制在优化器和FEA规范之间数据流动。一旦FEA完成分析，控制器便将数据送给优化器，将从分析得到的数据与所需的模型参数和公差比较。如果比较结果有一些数据不在所需的公差范围内，那么优化器可调节所选的参数，然后由控制器将重新调节的数据返回到FEA规范进行另一轮分析。这个过程一直要继续到用户在模型内规定的所有参数都在公差范围内为止，这样优化值才能收敛。

优化方法可被用来返回计算材料性能，使在有限元模型内选择节点上的位移尽可能地与输入目标位移接近。这种问题被称作逆向问题。目标位移通常从实验中得出。因此在给出有限元(FE)模型时，方法必须能系统地调节材料性能使计算的(分析的)位移尽可能与实验的位移接近。

非线性编程(NLP)技术可被用来解出这个问题。考虑到最优设计问题可如下叙述：

求 (x_i，i＝1，...，n)使成极小

f (x) = {(D_{j}^{E} - D_{j}^{A})}^{2}, j = 1, . . ., n

g_{k} (x) = s_{k} \leq s_{k}^{a}, k = 1, . . ., m

条件为

x_{i}^{L} \leq x_{i} \leq x_{i}^{U}

其中：x_i 第i次设计变数(如弹性模数、泊松比等)

从FE模型计算出的位移

目标位移(如从实验得到的)s_k从FE模型计算出的应力不变值(如冯米塞斯的数据)

容许的(最大)应力值设计变数的下限

设计变数的上限

最优设计问题的最佳解(如果有的话)是在所有限制条件gk(x)都被满足而目标函数f(x)为零的时候。由于(a)输入数据内有噪声、(b)FE分析的限制、和(c)数值优化技术的限制，这个理论上为零的目标函数一般是不能得到的。但本发明可采用与这个理论解接近的值为解。

可行方向法(一种著名的NLP技术)可被实行并用作优化器软件系统。一个非线性FE计算机程序被用来解有限元模型。控制器被用来读出问题输入数据并管理优化器和非线性FEA计算机程序。

优化器还可用来控制从上述处理得出的解的型式。例如可将系统这样限制以便找出一个有限体积元件(voxel)具有一定对称性的解。例如系统可被这样限制以便找出一个其中voxel为各向同性或在横向上的为各向同性的解。例如骨便是在横向上各向同性的。将这种对称性添加在解上能提高其可制造性，因为每一个voxel都是根据相同的性能(如泊松比、杨氏模数)限定的，或在整个voxel中具有一定的对称性。在某些实施例中，系统可被设计得能产生多种解，有各向同性的voxel，有在横向上各向同性的voxel，还有各向异向的voxel。实际用来制造的解可根据控制制造设备的相对容易程度从其中选用以资用来生产所需的物品。

在第25步内，有限元软件包被用来从材料性能矩阵[k]中为有限元模型内的每一个元件提取材料性能系数。具体地说，在工步24计算出的材料性能矩阵[k]是总的或组合的材料性能矩阵[k]。有限元模型具体元件的材料性能系数可用布尔定位函数或某些其他定位函数从这个总的或组合的矩阵中提取。例如，参阅图4，在元件601的材料性能系数提取后，接下来就可提取元件602的材料性能系数，等等。这个程序对模型内的每一个元件重复进行，为的是产生一个能代表假体髋骨的材料性能的。在小体积增量下的数据序列。

在第26步，将提取的材料性能系数与在数据库内的已知的材料性能系数比较。图5A示出一个材料数据库700的组织。材料性能数据库700的特征为具有多个按材料坚硬度值如杨氏模数(E)和泊松比(σ)排列的材料M1-1，M1-2，…，M1-n。例如材料M1-1可以是铝，其杨氏模数为7.2×10¹⁰Pa，泊松比为0.32。材料M1-2可以是铝，其杨氏模数为6.9×10¹⁰Pa，泊松比为0.35。材料M1-n可以是铸铁，其杨氏模数为8.8×10¹⁰Pa，泊松比为0.30。当然，本发明并不限于这些具体材料。分别与这些材料M1-1，M1-2，…，M1-n中每一种关联的为制造过程和该过程的特定参数(如温度、压力等)，采用该参数可生产出具有相应坚硬度性能的材料。与此类似，如图5B所示，材料性能数据库701的特征为具有多个按导电率值(σ)排列的材料M2-1，M2-2，…，M2-n。同样，分别与它们中每一种关联的为制造过程和该过程的特定参数，采用该参数可生产出具有相应导电率的材料。类似的材料数据库可被用来表述材料的导热率或磁阻抗的特征并确认与每一种材料相关的制造过程和制造过程参数。

这样，材料性能数据库就是材料性能系数连同相应的制造过程和制造过程控制参数的档案。这种数据库是由工业制造商、政府机构和研究院造成并保持的。例如，当一种材料如金属、塑料或复合材料用特定的制造过程被造成后，其性能就可通过标准的试验方法如ASTM(美国材料试验学会)试验方法确定下来。当这些性能被确定后，用来使材料具有这些性能的整套制造参数如温度、压力等就被关联到该材料上为的是在将来能够复制出该材料。

在工步26进行的在提取的材料性能系数和材料性能数据库之间的比较可被用来确定在数据库内哪一种材料的性能与提取的材料性能的系数所相应的性能匹配或最为接近匹配。参阅图4，这样，经过比较就能确认第一组制造参数，用该参数可以生产出具有所需竖硬度性能的、相应于元件601的部分假体髋骨，接下来可以确认第二组制造参数，用该参数可以生产出相应于元件602的部分假体髋骨，如此等等。上述比较例如可用一知识库来进行，在该库内有一事实库用来存储为每一个元件(如图4中的元件601、602等)提取的材料性能系数数据和来自材料数据库的材料性能数据，还有一个规则库，其内含有一些规则可用来比较和选配为每一个元件提取的材料性能数据和来自材料数据库的材料性能数据。匹配的水平(如完全匹配、接近匹配)视用途而定，特别是关系到允许有多大的公差。如果要制造的物品为关键构件，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关键构件，那么选配的判据就可放松。其他判据如费用和可供的制造设备也可确定匹配水平。这样，在完成工步26后，便可为每一个物品的每一个部分确定整套的制造过程控制参数。

在第27工步，所确定的整套制造过程控制参数被吩咐下去或顺序安排以资形成制造该物品所必需的制造过程控制。制造控制参数可被用来对制造该物品的制造设备实行数字控制。数字控制涉及在制造设备的自动控制中使用编码的数字信息。对于机床，这会涉及刀具的运动或被加工零件对旋转刀具的运动。敷设复合材料来构成机加工金属零件的轻质替代物的过程也可用数字控制来实现。这时可用一般目的的数字控制语言将制造物品所必需的关于几何关系和运动的语句进行编程，从而找出制造控制数据。一种这样的语言是APT-AC数字控制处理器程序(美国N.Y州Armonk的IBM公司有供售)。APT-AC处理器是一种计算机应用程序，该程序能接受为说明所要完成的数字控制操作而输入的用面向用户的语言写的语句。有一后处理器可进一步处理制造控制数据将信息改编成专用的制造过程。在工步28，后处理数据被供应到计算机化的制造装置上并被用来控制物品的制造和合成，使该物品具有所需的具体计算的材料性能，例如假定使用一个编织机来制造复合材料，在织造过程中，由于计算机机能控制各个机械零件的速率，织物的紧密度能被控制。织物越紧密，坚硬度越高(柔顺度越低)。而在假体髋骨的情况下，高坚硬度和低坚硬度的区域都是需要的。使用几何模型和提取的材料性能系数，制造过程具体地说是织物的紧密度能被这样控制，使它既有高坚硬度的区域(如图4中的元件601)，也有低坚硬度的区域(如图4中的元件603)。按照本发明创新的方法，由于能适当地控制制造过程，因此所生产的假体髋骨对施加负载反应方式能与人体髋骨在受到相同负载时的反应方式基本相同。这种假体能为特定的个人提供特定的反应特性。

上述方法通常是一个重复进行的过程。例如，初始过程得到的结果可一般地指出在用编织机制造纤维复合材料时材料与按预期用途提取的材料性能系数最佳的匹配。而在第二个随后的重复过程中，有限元模型就是因为考虑到计算机的编织机能够有控制地编织最小的增量体积而会被修改。最好，在有限元模型内的每一个元件都有不小于最小增量的体积能用制造物品的技术有控制地制造。例如对于使用编织机的编织过程而言，能被有控制地编织的最小体积约为一个立方毫米。换句话说，这样在生产物品时我们便能改变编织的式样使其材料性能或构造性能大致随着一个立方毫米的增量而变化。这个最小增量体积当然会随着所选的制造过程或技术而变化，另外，还可能与现有的制造设备有关。这样，虽然现有技术的编织机能够编织的最小增量体积是一个立方毫米，但不一定所有编织机都能这样操作。因此，在这种情况下，最小增量体积是由现有编织机的能力来决定的。应该知道，随着制造技术的改进，较小的增量体积将能有控制地被制造，而本发明的方法将可用于尺寸改变的或形状不同的元件。

本发明创新方法的数学对复合材料以外的其他型式的制造过程如金属、塑料、和陶瓷的制造同样有效，对希望在热流和电流下作出所需反应的物品的制造也同样有效。简言之，这个创新方法能够用于任何一种要求精密地在体积上控制制造的、计算机控制的制造过程。

当要求提高物品的效率时，本发明的方法特别有用。在传统的制造中，着重点放在精密制造一个物品的几何形状尺寸，即使有的话，也没有很多控制构成这种几何形状尺寸的内部结构。而按照本发明创新的方法，材料矩阵为未知，可进行重复的过程来使材料性能矩阵优化同时使几何形状尺寸保持固定。

这样，按照本发明，任何一种过程的输入参数都可精细地变化，从而造成的物品可具有精密限定的材料性能矩阵。随着制造技术的不断改进，能被有控制地制造的最小增量体积的大小也会不断缩小，但即使是这样，上述方法仍可应用。

图6示出可被用来实行本发明方法的各种功能模块。计算机辅助设计(CAD)模块801是一个三维图形的软件程序可用来产生几何模型的限定。这种几何模型限定包括在一三维座标系统内列出精密地使物品设计定位的各个座标点。这一点可用图形软件包使用例如X、Y、和Z座标点及在需要时的适当的定位向量来做到。三维图形软件包利用适当的数据结构来限定图形程序的数据库内各个具体点。利用图形程序内的算法能够限定和产生物品内的其他各点。图形程序最好能利用适当的向量和矩阵的子程序使物品能在计算机的存储器内旋转或移动并制定尺寸，这样任何一个点相对于其他点的座标便都能被知道。如上所述，合适的CAD软件包包括I-DEAS、CATIA、和ANVIL-5000。

有限元模块802被用来根据存储在图形程序数据库内的数据产生出物品的有限元模型。有限元模块802是一种软件包可用来将使用计算机辅助设计模块801设计的物品划分成许多元件并在每一个元件内以假定的近似的函数来表示一个或多个未知的场变数。有限元模块802被编程以资为每一个元件计算出最优的材料性能如上所述。用于有限元模块802的合适的软件包包括NASTRAN、ABAQUS和ANSYS。

材料数据库模块803为材料性能系数连同其相应的制造过程和制造过程控制参数的档案。这样该档案就将材料性能与制造过程和用来造成该材料的制造过程参数关联起来。

比较模块804将使用有限元模块802确定的材料性能与材料数据库模块803内的材料数据比较为的是确定(1)那一种材料具有的性能与使用有限元模块802确定的材料性能匹配或最为接近匹配，及(2)与这选配的材料关联的制造过程和制造过程参数。比较模块804可这样实施，例如用一知道库，其内有一事实库用来存储分别来自有限元模块802和材料数据库模块803的材料性能数据，以及一个规则库，其内含有规则可用来比较和选配分别来自有限元模块802和材料数据库模块803的材料性能数据。

制造模块805将从比较模块804导出的制造参数转换并排序，从而将制造指令提供给制造机械以便制造由计算机辅助设计模块801限定几何形状尺寸的物品。物品的制造可由对该具体材料合适的机械进行。例如，金属可通过复制表面的几何形状尺寸(空间内的表面点)来制造，复合材料可通过控制织物的构造和纤维的选择来制造，而聚合物可通过化学品的选择、温度和压力来制造。计算机辅助制造使机械能迅速地被调节，制造过程可从一个物品变为下一个物品或在单个物品的各个区域内变换。

上述这些模块可分开提供或成为一个集成的软件包。VCM系统和过程依靠用计算机处理来帮助制造工作。计算机处理在零件或组件的设计、分析和制造的整个过程中都被使用。在设计和分析阶段，该系统最好被这样设计使材料性能中的机械性能如应力和应变变化的灵敏度能被看到。要做到这一点，可反复解出材料性能，随后解出机械性能，在每一次反复后接近实时地显示这两者解出的结果，然后用来确定每一元件或元件群的最优材料性能。在制造时，该系统用来确定材料的构成如纤维和复合材料的选择、纤维体积和纤维方向。

在前处理和后处理时，该系统最好能提供一个观看的窗口将三维的有限元模型显示出来而将每一个元件的性能表现成不同的颜色。这个模型可被显示成线框架、虚线或实线。还可能用体积来表现有限元分析的结果。每一个元件的结果如杨氏模数或泊松比被读入到软件内。该系统然后将这些结果内插到每一个三维元件内并从频谱上指定一个可代表所需材料性能数值范围的颜色值。这个数据然后被表现在有限元模型的带网络的几何图形上。透明值可被指定给元件使内部元件能被观看。该系统有能力翻译CAD/CAM和FEA工具中专利的文件格式如ABAQUS、NASTRAN、I-DEAS和Unigraphics以及标准的文件格式如IGES。在ACSII正文文件中有许多文件是从不同的包交换来的。翻译程序将不同的以正文为基的文件从一个格式转变成另一个格式，从而可不依靠用户将这些包集成在一起。

在分析阶段，该系统控制从FEA处理到优化处理之间的数据交换。每一次迭代的结果可被送到后处理器并且几乎可在实时看到。被交换的数据放在ASCII的格式中，软件编码分析正文文件并将文件格式转换成分开的包所需的格式。该系统最好包括GUI使用户能操纵数据。而且该系统最好有能力将每一次迭代的结果实时地输出到电视机。这个特点使我们不仅能模拟“终端结果”，而且能模拟“中间的解”。

该系统还包括数据库用来存储复合材料的试验数据。以SQL为基的数据库包括定制的询问程序使该系统能自动地为零件检索最优的材料性能值并推荐最优的制造方法和参数。面向产品的方法造成的结构可动态地分配存储并允许大量数据的交流。这个方法能保证可量测性，同时保持高水平的效能。

图7示出完成上述计算机辅助实现过程可使用的计算机设备。各个过程可在同一台计算机上完成，也可在不同的计算机上完成。系统1201包括一个处理单元1203和一个系统存储器1205。一条系统总线1207将包括系统存储器1205在内的各个系统组成部分连接到处理单元1203上。系统总线1207可以包括存储器总线或存储器控制线、外围设备总线和局部总线数种总线结构型式中的任何一种结构，使用任何一种总线式样。系统存储器1205包括只读存储器(ROM)1252和随机存取存储器(RAM)1254。有一基本的输入/输出系统(BIOS)1256存储在ROM 1252内，含有基本程序能在开始时帮助计算机系统1201内的各个元件之间转移信息。系统1201还包括各种驱动器和相关的计算机可读媒体。有一硬盘驱动器1209从一(通常为固定的)硬磁盘1211上读出并写入该盘。还有一个另外的(能选用的)磁盘驱动器1213从一可取下的“软盘”或其他磁盘1215上读出并写入该盘。有一光盘驱动器1217从一可取下的光盘1219如CD ROM或其他光媒体上读出，并在某些设计中可写入该盘。硬盘驱动器1209和光盘驱动器1217分别被硬盘驱动器界面1221和光盘驱动器界面1225连接到系统总线1207上。这些驱动器及其相关的计算机可读媒体将计算机系统1201的计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据不易变失地存储起来。在其他设计中，其他型式的、能够存储数据而被计算机存取的计算机可读媒体(例如盒式磁带、快速存储卡、数字视盘、贝努里盒式磁带、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和类似物)亦可使用。

多个程序模块可被存储在系统存储器1205的硬盘1211、可取下的磁盘1215、光盘1219及/或ROM 1252及/或RAM 1254内。这些程序模块可包括提供图像和声音的操作系统API、一个或多个应用程序、其他程序模块和程序数据。用户可通过输入装置如键盘1227、指示装置1229、微音器、操纵杆、游戏控制器、卫星盘、扫描仪、或类似物将指令和信息输入到计算机系统1201内。这些输入装置可通过偶联到系统总线1207上的串行端口界面1231连接到处理单元1203上，但可用其他界面如并行端口、法尔总线或通用串行总线(USB)来连接。监控器1233或其他型式的显示装置也可通过一个界面如视频适配器1235连接到系统总线1207上。

系统1201还可包括一个调制解调器1154或其他网络界面设施用来建立与网络1152如互联网的联通。可以是内部的外部的调制解调器1154通过串行端口界面1231被连接到系统总线1207上。网络界面1156还可这样设置使系统1201能通过地方区域网络1158(或广阔区域网络1152或其他通信途径如拨号电话或其他通信设施)与远方计算机装置1160(例如另一个系统1201)联通。系统1201通常包括其他外围输出装置如打印机和其他标准外围装置。

在有一个例子中，视频适配器1235可包括一个3D图像的管线芯片组，该芯片组能响应标准的3D图像应用程序装置界面如微软公司的Direct X 7.0或其他版本发出的3D图像指令迅速地提供3D图像。有一组立体扬声器1237也通过一个声音产生界面如传统的“声卡”被连接到系统总线1207上，该“声卡”设有硬件和埋入软件的支承，可根据总线1207提供的声音指令产生高质量的立体声。

图8为一控制计算机950的略图。该控制计算机将图6中制造模块805所产生的制造指令下载。信息如编织机床身的速率、纤维的张力、温度、压力等是从制造机械的传感器952得来的，成为数字格式(开通/关断、开启/闭俣)或模拟格式(电压)。模拟的输入被控制计算机950的模-数转换器953转换成数学的格式。控制计算机950包括处理器960可用来分析来自传感器952的信息，该信息被供应到启动器954，启动器954按照下载的制造指令调节制造机械的设定。除了模拟的和数学的输出外，还可提供脉冲的输出以便用来驱动步进电机，这种电机是机床和其他设备经常使用的。当然，控制计算机950的特性将取决于所使用的制造机。用于表面制造过程的控制计算机的细节例如可从上述Bedworth的文本中找到。

如上所述，VCM有能力在整个结构内控制所需的材料性能特性。实质上，VCM能提高传统复合材料的制作能力，除了用改变各层轴线方向来控制整个结构在纵向和横向上的性能外，VCM还可控制机械的、电磁的、和热的特性并使这些特性在所有三个方向上变化，精确度可小到一个立方毫米。此外，制造过程得到的为一真正的三维结构，而不是一个由两维的层堆积而成的厚度。因此层与层间的分裂和被剪切不再是设计过程要对付的主要事项。

在整个结构内性能的变化可用多种方法来完成(例如，在各个层次上控制纤维的体积、控制基质的体积、在制造时变化纤维/基质的型式、变化纤维的取向、及在敷设时变化硬化的程度。

正如在传统的复合材料叠层结构中那样，改变纤维的体积能改变性能。VCM能用在一区域内改变纤维的数目或基质的数量来控制结构内各个纤维层的纤维体积。纤维可被添加或当纤维束敷设在位时被切短后添加。

或者，与纤维束放置在一起的基质材料的数量可被增加或减少。这种基质控制可用两种方法来完成。第一种方法包括敷设双组分纤维。在双组分纤维中纤维被包覆在基质材料内。当纤维被敷设时包皮的厚度可被控制，这样就可得到特定的纤维体积控制。第二种方法使用混合在一起的纤维束和基质束，随着纤维束的添加或减少，基质束的数量就被控制。

另一种控制材料性能的方法是当制造时在整个结构内改变纤维及/或基质的选择。这样在同一结构内就允许有不同纤维的组合。增添和减少纤维束所产生的一个相当连续的材料转变可造成一个在材料性能上看上去连续的梯度。例如一个使用VCM过程来制造的结构可能要用碳纤维来达到一个特定的机械性能，但是只有结构的一端会受到高拉力负载。传统的做法是使用高效能的碳预浸料坯来制造整个结构，这样就要把高效能高价的碳纤维用在整个结构，但采用VCM法，就可使碳纤维的体积向不受负载的一端削减，甚至可使单位成本的效果更高，只在受负载的一端使用高效能的碳纤维，而在结构的其余部分逐渐用具有相似机械性能的低效能碳纤维来替代。传统的复合材料制法不能成本效果高的方式来完成这种无缝的替代。这种方法应用的另一例如用复合材料制造的飞机机翼。机翼的外皮必须能容许损坏但要能承受小冲击而层与层间不会分离。在翼盒内并不要求有相同的能力。这样，例如在制造机翼时我们在外皮上就可采用高的Kevlar(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)对碳纤维的比率来吸收冲击。VCM法中的三维增强是整体的增强是整体的增强，这也有助于抑制冲击后的脱层。而在翼盒的内部截面被制造时Kevlar将逐渐被碳纤维代替。同样，这个方法比目前用碳/Kevlar的组合来制造整个机翼的单位成本的效果更高。

如同传统的复合材料制法那样，VCM法也能在制造时变化结构内的纤维取向，但不同的是，这个纤维取向是为了优化的材料性能而预先计算好的，并且纤维是按照独特的有限体积来制造的。由于VCM法预先计算好精确的纤维取向，因此纤维取向将具有较大的可重复性并可传统的复合材料层压件所使用的基本为0.90、+/-15、+/-60的取向更为准确。

另一个定制基质性能的方法是当基质被敷设时控制硬化的程度。但这涉及引用这样一些工艺技术如电子束硬化、微波硬化及/或聚焦的红外光能硬化。

一旦材料、纤维体积和硬化方法被确定后，VCM过程可用下列方法之一制造结构。

一种方法是通过快速试制工艺技术来定型。目前，RP技术如熔融沉积物模制法(FDM)只是用来构造证实概念的零件，并不用来生产零件。为此理由，这种设备所使用的材料限于蜡和非工程塑料。经过一些修改，快速试制设备能被用来放置热塑性塑料、增强纤维、环氧树脂和类似物来制造生产零件而不只是试制的模型。

该设备也可被修改成可将数种材料一次放入、一直到单独的纤维，并能制造双组分纤维将它敷设在结构内。商业上供售的FDM设备已具有VCM所需的控制和准确度能在一立方毫米的尺度上变化材料的性能。

另一种制造方法是编织。编织正开始侵入商业界。研究单位和工业的勘测曾说该过程仅限于编织于纤维，然后用树脂浸渍。但若编织过程与双组分纤维或共同混合的纤维结合起来，那么不能严格地始终如一的浸渍过程将不再需要。另外，浸渍过程不能做到纤维体积的特定控制，而编织基质和纤维可做到这种控制。编织过程还很适合进一步发展，因为它能用来产生真正的三维增强。

本文列举珠申请、专利、技术文件、教科书或其他刊物部应被解释为因参照认为对本公开内容重要的任何主题而被引用的。

虽然本发明的各个实施例已被说明如上，但应知道它们只是举例而已，不能以此来限制本发明，本发明的广度和范围只能由下列权利要求书及其等同的内容来限定。

Claims

1.一种制造物品的方法，该物品能响应施加在其上的场{f}而产生势{x}，该方法包括下列步骤：

将物品的几何模型分解成多个有限元，产生物品的计算机用数学模型，规定在各有限元上场{f}和势{x}的值；

规定有限元的材料性能有一特定的对称性；

根据关系{f}＝{k}{x}和规定的对称性计算材料性能矩阵{k}；

从材料性能矩阵{k}中为每一个在计算机用数字模型内的有限元提取材料性能系数；

将提取的材料性能系数与已知材料的材料性能系数比较，使提取的材料性能系数与已知材料的材料性能系数匹配；

根据匹配的材料性能系数确定控制制造设备的制造参数；及

按照确定的制造参数控制制造设备，从而制造物品。

2.权利要求1的方法，其特征在于有限元的材料性能被规定为各向同性。

3.权利要求1的方法，其特征在于有限元的材料性能被规定为在横向上各向同性。

4.权利要求1的方法，其特征在于产生物品的计算机用数学模型的步骤还包括确定能用复合材料制造设备制造的最小体积增量。

5.权利要求1的方法，其特征在于场{f}为机械力场而势{x}为位移。

6.权利要求1的方法，其特征在于场{f}为电流场而势{x}为电压。

7.权利要求1的方法，其特征在于场{f}为磁场而势{x}为磁向量势。

8.权利要求1的方法，其特征在于场{f}为热通量场而势{x}为温度。

9.权利要求1的方法，其特征在于场{f}为流体速度场而势{x}为流体势。

10.权利要求1的方法，其特征在于控制制造设备的步骤包括控制用来制造复合材料的复合材料制造设备。

11.权利要求10的方法，其特征在于复合材料含有叠层压合在基质内的结构纤维。

12.权利要求11的方法，其特征在于基质包括生物材料。

13.权利要求11的方法，其特征在于基质包括骨。

14.权利要求11的方法，其特征在于基质包括破碎的骨。

15.权利要求11的方法，其特征在于基质包括协同因素。

16.权利要求11的方法，其特征在于基质包括生物细胞。

17.权利要求11的方法，其特征在于基质包括生物活性材料。

18.权利要求11的方法，其特征在于基质包括药剂。

19.权利要求11的方法，其特征在于基质包括杀菌剂。

20.权利要求11的方法，其特征在于基质包括放射性材料。

21.权利要求1的方法，其特征在于要被制造的物品是用来更换身体部件的假体植入物，而力{f}和位移{x}是根据在体内施加在该要被更换的身体部件上的力以及当该力施加在其上时在该要被更换的身体部件内产生的在体内的位移而规定的。

22.按照权利要求1的方法制造的物品，其特征在于该物品是从含有下列各项的组群中选取的：汽车部件、飞机部件、假体植入物、高尔夫球杆轴、网球拍、自行车车架、和钓鱼竿，并且其中物品的不同部分具有不同的材料性能，分别相应于与已知材料匹配而提取的材料性能系数。

23.按照权利要求1的方法制造的假体植入物。

24.按照权利要求1的方法制造的高尔夫球杆。

25.一种用计算机实施的方法，用来确定制造一种物品的机械控制指令，该物品能响应施加在其上的场{f}而产生势{x}，该方法包括下列步骤：

规定有限元的材料性能有一特定的对称性；

根据关系{f}＝{k}{x}和规定的对称性计算材料性能矩阵[k]；

从材料性能矩阵[k]中为每一个在计算机用数学模型内的有限元提取材料性能系数；

根据匹配的材料性能系数确定控制制造设备的制造参数；及

产生对机械的控制指令以资按照制造参数控制制造设备。

26.权利要求25的方法，其特征在于要被制造的物品是用来更换身体部件的假体植入物，而力{f}和位移{x}是根据在体内施加在该要被更换的身体部件上的力以及当该力施加在其上时在该要被更换的身体部件内产生的在体内的位移而规定的。

27.权利要求25的方法，其特征在于产生对机械控制指令的步骤包括为控制用业制造复合材料的复合材料制造设备而产生的对机械的控制指令。

28.权利要求27的方法，其特征在于复合材料含有叠层压合在基质内的结构纤维。

29.权利要求28的方法，其特征在于基质包括生物材料。

30.权利要求28的方法，其特征在于基质包括骨。

31.权利要求28的方法，其特征在于基质包括破碎的骨。

32.权利要求28的方法，其特征在于基质包括协同因素。

33.权利要求28的方法，其特征在于基质包括生物细胞。

34.权利要求28的方法，其特征在于基质包括生物活性材料。

35.权利要求28的方法，其特征在于基质包括药剂。

36.权利要求28的方法，其特征在于基质包括杀菌剂。

37.权利要求2 8的方法，其特征在于基质包括放射性材料。

38.一个被编程来实施权利要求25的方法的计算机系统。

39.一个编有机械控制指令的控制系统，这些指令用来控制复合材料制造设备，从而制造复合材料物品，其中机械控制指令是按照权利要求25的方法产生的。

40.复合材料制造设备，包括一个编有机械控制指令的控制系统，这些指令用来控制复合材料制造设备，从而制造复合材料物品，其中对机械控制指令是按照权利要求25的方法产生的。

41.一种制造物品的方法，该物品能响应施加在其上的限定的场{f}而产生势{x}，该方法包括下列步骤：

(1)将物品的几何模型分解成多个有限元，产生物品的计算机用数学模型；

(2)规定在各有限元上场{f}和势{x}的值；

(3)规定有限元的材料性能有一特定的对称性；

(4)根据关系{f}＝{k}{x}和规定的对称性计算材料性能矩阵，其中材料性能矩阵[k]具有多个值分别对应于一个或多个材料性能系数；

(5)将材料性能矩阵[k]的多个值中的每一个值与已知材料的性能比较，使达到匹配的程度，选择相应的制造过程参数，其中如果匹配的已知材料性能为一复合材料的材料性能，所选择的制造过程参数便可用来控制复合材料制造设备；及

(6)按照所选择的制造过程参数控制复合材料制造设备，从而制造物品。

42.权利要求41的方法，其特征在于要被制造的物品是用来更换身体部件的假体植入物，而力{f}和位移{x}是根据在体内施加在该要被更换的身体部件上的力以及当该力施加在其上时在该要被更换的身体部件内产生的在体内的位移而规定的。