制造系统和方法技术方案

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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术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专利技术的特点和优点较好地和较完全地理解，其中附图说明图1示出按照本专利技术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专利技术的功能模块；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。本专利技术实施例的详细说明图1用来说明按照本专利技术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。按照本专利技术的制造物品的方法是根据下列方程式的求解得出的，{f}＝{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，而代表物品的材料性能。本专利技术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。按照本专利技术的一个方面，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯AST维利，
申请(专利权)人：詹姆斯AST维利，
类型：发明
国别省市：US[美国]