(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の製造パラメータに従って物品を製造するように、製造装置を制御する装置制御命令のプログラムを有するコンピュータであって、
前記プログラムにより、装置制御命令は、
ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィールド｛ｆ｝に応じて発生する目的物の幾何学的模型を複数の有限要素に分割すると共に該有限要素に対して、前記フィールド｛ｆ｝と前記ポテンシャル｛ｘ｝の夫々の値を特定することにより、コンピュータで前記目的物の模型を数学的に作製する段階と、｛ｆ｝＝［ｋ］｛ｘ｝の関係に基づいて材料特性マトリックス［ｋ］を算出する段階と、コンピュータを使用して数学的に作製した前記模型における各有限要素の前記材料特性マトリックス［ｋ］から材料特性係数を割り出す段階と、割り出した前記材料特性係数を既知の材料の材料特性係数と比較して、割り出した前記材料特性係数を前記既知の材料の材料特性係数に一致させる段階と、一致させた前記材料特性係数に対応する製造パラメータを決定する段階と、に基づいて発生され、
前記装置制御命令のプログラムは、負荷が掛かったときに異なる変位量をもたらす異なる機械的剛性特性を各々有する複数の異なる領域を備える物品を製造するために、前記装置から受けたセンサデータと複数の製造パラメータとに基づいて前記製造装置の設定を制御することを特徴とするコンピュータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
発明の背景
１．技術分野
本発明は、主に製造物に関し、特に、所望の目的、用途に最適な応答特性を有する目的物を製造するための方法及び装置に関する。
２．関連技術の説明
所望の用途のために設計及び製造される、複数の材料よりなる目的物は、その用途での使用時における目的物に加わる応力に耐えることができなければならない。例えば、くぼ地や、水塊などの障害物上で歩道、車道を保持する橋は、交通（歩行者または車輛のいずれか、又はその両者）、温度変化、風、地震や他の地理的変動によって起こり得る地表面のずれなどによって発生する応力に耐えるように設計されなければならない。同様に、航空機部品は、たわみ、反り（sheer）、ねじれ、及びその他の、部品に加わる力に耐えるに十分な強度を有していなければならない。従って、従来の設計工程では、応力分析が行なわれる。応力解析は、所望の用途の使用時における目的物に加わるであろう力（または「応力フィールド」）の決定を必要とする。これらの応力は、例えば、熱的、機械的、及び電磁的な力を含む。応力フィールドを知ることによって、試験設計と選ばれた材料が所望の用途における目的物の使用時に発生する応力に耐えるために適当であるか否かを決定することができる。特定の設計と材料の組み合わせが所望の用途に適当でない場合は、目的物を再設計するか新しい材料を選ぶか、又はその両方を行なうことができる。
【０００２】
上記した従来の設計工程を、図１を参照しながら、さらに詳細に説明する。目的物の初期設計構造と目的物を製造するための材料はステップ１１で定義される。構造は寸法、許容値、表面仕上げ、面及び端部の定義を含み、場合によっては２つの係合部間の適合も含む。初期設計構造は、公知のコンピューター援用設計（CAD）により作成することができる。所望の用途における目的物に加わるであろう力のそれぞれと、各力の作用点及び方向はステップ１２で認識される。
【０００３】
応力解析はステップ１３で行なわれる。そのような応力解析を行なうための一つの技術は、目的物の有限要素モデルを作成して、有限要素法を利用して目的物の所望の用途に対する適性を判断することである。有限要素法とは、広範囲にわたる設計上の問題点に対するおおよその解法を得るために、複雑な部分又は目的物を細分化し、その部分又は目的物の小さく簡単な部分の解析を行なう数値解析技術である。この方法は幅広く説明されており、ヒューナーら、「設計技師のための有限要素法」第３版、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ社（Huebner etal, The Finite Element Method for Engineers, Third Edition, John Wiley and Sons, Inc.）（１９９５）の説明が参照できる。連続体の問題においては、圧力、温度、変位、応力などのフィールド変数は、連続体における各点の関数であるから、無限に多くの数値を有する。有限要素法は、そのような問題を、解法領域を要素に分割し、各要素内で仮定されたおおよその関数として未知のフィールド変数を表すことにより、有限数の未知のフィールド変数の一つに減縮する。おおよその関数は、結節点（node）と呼ばれる特定の点におけるフィールド変数の値として定義される。通常、結節点は、隣り合う要素が連結した要素境界上に存在する。問題を有限要素表示するために、フィールド変数の結節点値は未知数となる。一度これらの未知数が見つけられると、おおよその関数が、組み合わされた要素全体にわたってのフィールド変数を定義する。有限要素法の重要な特徴は、個々の要素を集めて全体問題を表す前に各要素の解法を明確にすることができることである。このことは、個々の要素それぞれの特性を見つけることができ、その後要素を組み合わせて全体構造の特性を見つけることができる。有限要素法は次のようなステップにより要約できる。
【０００４】
まず、連続体を要素に離散させる。さまざまな要素形状を用いることができ、異なる要素形状を同一の解法領域に用いることができる。与えられた問題における要素の数と種類は、通常、設計上の判断の問題である。例えば、３次元要素は形状が四面体または六面体のいずれかである場合が最もよく機能する。さらに、最も正確な要素は単一アスペクト比を有する。次のステップでは、各要素に結節点を割り当てて、その後補間関数を選んで要素におけるフィールド変数の変化を表す。一度有限要素モデルが確立したら、個々の要素の特性を表す行列式を決定することができる。
【０００５】
直接的なアプローチ、変形されたアプローチまたは重みつき残差法などのいくつかの異なるアプローチを利用することができる。要素の特性を組合わせて、システムの方程式を得る。すなわち、要素の動きを表すマトリックス方程式を組合わせ、システム全体の動きを表すマトリックス方程式を作る。この時点で、システム方程式は変形され、問題のいかなる境界条件をも説明できるようになされる。すなわち、公知の従属変数の結節点値すなわち結節点負荷が課せられる。結果として得られたシステム方程式が解かれ、問題の未知の結節点値が得られる。方程式の解法は、他の重要なパラメータを計算するのに使用してもよい。例えば、構造的な問題において、未知の結節点値は、変位成分である。これらの変位から、要素の歪みおよび応力が計算される。
【０００６】
Ｈｕｅｂｎｅｒのテキストからの有限要素法の例を論議することにより、本明細書で使用する用語の理解の助けとしよう。図２は線形ばねシステムを図示する。典型的なばね要素に対して、その剛性を表す関係は次式のようになる。
【０００７】
【式１】
0004090263.tif 000002
【０００８】
ここで、ｋ11＝ｋ12＝ｋ21＝ｋ22＝ｋである。
与えられた負荷条件のもとでは、要素のシステムはもちろんのこと、各要素は、平衡していなければならない。もし、特定の結節点ｉにおいて、この平衡条件が課せられたならば、
【０００９】
【式２】
0004090263.tif 000003
【００１０】
となる。この式は、結節点ｉにおける一方向の結節点力の合計が、結節点ｉにおいて加えられた外力負荷の合力と等しいことを表している。通常のテンソル記号によれば、剛性マトリックスにおける各係数は、例えばｉｊというような二重の下つき記号が付される。下つき記号ｉは、変位の単位値（その添え字はｊ）によって生じる力Ｆiを示すものである。力Ｆiは、δi＝１であって且つ他のすべての変位が定まっている場合に存在するものである。変位および変位方向の合力も同じ下つき記号を有する。したがって、図２の線形ばねシステムにおいて各結節点で式１を評価すると、次のようになる。
結節点１で、
【００１１】
【式３】
0004090263.tif 000004
【００１２】
結節点２で、
【００１３】
【式４】
0004090263.tif 000005
【００１４】
結節点３で、
【００１５】
【式５】
0004090263.tif 000006
【００１６】
結節点４で、
【００１７】
【式６】
0004090263.tif 000007
【００１８】
マトリックス表記法を利用すると、これらのシステム平衡方程式は次のように表される。
【００１９】
【式７】
0004090263.tif 000008
【００２０】
または
【００２１】
【式８】
0004090263.tif 000009
【００２２】
これらの方程式は、完全なシステムに対する、組合わされた、力−変位特性であり、［ｋ］は、組合わされた剛性マトリックスである。これらの方程式は、境界条件を考慮して変形しなければ、結節点変位に対して解くことはできない。
【００２３】
剛性マトリックス［ｋ］は、下記のマトリックスの合計であり、各マトリックスは、対応する一つの要素の分担分について表したものである。
【００２４】
【式９】
0004090263.tif 000010
【００２５】
したがって、組合わされた、すなわち全体の剛性マトリックスは、各要素の分担分を単に加えてゆくだけで得ることができる。同様にして、ブール位置関数（boolean locating functions）または他の位置関数を用いて、各要素の分担分を、組合わされた即ち全体の剛性マトリックスから決定するようにしてもよい。
【００２６】
このようにして、最初の設計により決定された、目的物を構成する材料と、ステップ１２で確認された、目的物に加えられる力と、制限条件すなわち境界条件とが、応力解析を行うために、有限要素モデルに入力される。力｛ｆ｝と材料特性マトリックス［ｋ］とは既知であるので、有限要素法は、式８を用いて対応する変位｛δ｝を決定するのに利用される。例えば、ステップ１２で決定される力が、目的物に加えられる負荷だとする。材料特性マトリックスは最初の材料の選択により決定されるので、変位は、負荷を適用する結果のものとして決定されよう。上述したように、これらの変位は、応力や歪みを計算するのに利用することができる。有限要素法によって作られたマトリックス方程式を解くための計算は、一般的に、適当な有限要素ソフトウェアパッケージを利用することにより行われる。
【００２７】
ステップ１４で示す後処理工程は、設計が満足のゆくように行われたか否かを決定するために行われる。かかる後処理工程は、例えば、使用された材料の最大許容応力と想定される実際の応力との比較を含むものであってもよい。実際の応力が大きすぎるとなれば、ステップ１１の工程に戻り、材料を付加することによって一部を強化したり、材料を許容応力の大きいものに変えたり、あるいは新たな設計による形状寸法のものにする。ステップ１４における後処理工程で、結果が許容できるものであるとされたならば、ステップ１５へ進み、そこでは、ステップ１１で決定された寸法形状の設計および選択された材料にて、目的物の製造が行われる。
【００２８】
前述した従来の製造技術に伴う公知の問題は、既知の材料で予め設定されたパラメータを利用して、一定の固有の（構造的な）特性を有するものを創造しようとすることにある。すると、結果的には、設計から外れたものができたり、構造的に意味の無いものになったりする。製造工程は、製造パラメータの調整を可能とするものではあるが、製造パラメータを何にすべきかを厳密に決定する方法や、特定の設計の目的物の構造的特性を最適なものにするにはどのような手順を実施すればよいかを厳密に決定する方法は無かった。要するに、特定の目的物のための最適な構成マトリックスを決定する方法または該最適な構成マトリックスによって目的物を製造する方法は無かった。
発明の概要
本発明に従って、適用されるフィールド（または場）｛ｆ｝に応じて生じるポテンシャル｛ｘ｝を有する目的物を製造する方法は、目的物の幾何学的モデルを設計するステップを含んでいる。目的物の前記幾何学的モデルを複数の有限個の要素に分割し、各要素の境界に結節点を形成し、同結節点におけるフィールド｛ｆ｝の値とポテンシャル｛ｘ｝の値とを特定することによって、目的物のコンピュータ化された数学的モデルが形成される。次いで、方程式｛ｆ｝＝｛ｋ｝｛ｘ｝に基づいて材料特性マトリックス［ｋ］が計算される。次いで、コンピュータ化された数学的モデル内の別個の有限要素の各々について材料特性マトリックス［ｋ］から材料特性係数が求められ、このようにして求められた材料特性係数は既知の材料の材料特性係数と比較され、求められた材料特性係数が既知の材料の材料特性係数に適合せしめられる。次いで、適合された材料特性係数に対応する製造パラメータが決定される。次いで、このように決定された製造パラメータに従って目的物が製造される。
【００２９】
本発明のもう一つの別の特徴によれば、適用されるフィールド｛ｆ｝に応じて生じるポテンシャル｛ｘ｝を有する目的物を製造するための製造パラメータを決定する方法は、目的物の幾何学的モデルを設計するステップを含んでいる。目的物の前記幾何学的モデルを複数の有限個の要素に分割し、各要素の境界に結節点を形成し、同結節点におけるフィールド｛ｆ｝の値とポテンシャル｛ｘ｝の値とを特定することによって、目的物のコンピュータ化された数学的モデルが形成される。方程式｛ｆ｝＝｛ｋ｝｛ｘ｝に基づいて、材料特性マトリックス［ｋ］が計算される。コンピュータ化された数学的モデル内の別個の要素の各々について材料特性マトリックス［ｋ］から材料特性係数が求められ、このようにして求められた材料特性係数は、既知の材料の材料特性係数と比較され、求められた材料特性係数が既知の材料の材料特性係数に適合せしめられる。次いで、適合された材料特性係数に対応する製造パラメータが決定される。
【００３０】
本発明の更に別の特徴によれば、適用されるフィールド｛ｆ｝に応じて生じるポテンシャル｛ｘ｝を有する目的物の材料特性を決定する方法は、目的物の幾何学的モデルを設計するステップを含んでいる。目的物の前記幾何学的モデルを複数の有限個の要素に分割し、各要素の境界に結節点を形成し、同結節点におけるフィールド｛ｆ｝の値とポテンシャル｛ｘ｝の値とを特定することによって、目的物のコンピュータ化された数学的モデルが形成される。方程式｛ｆ｝＝［ｋ］｛ｘ｝に基づいて材料特性マトリックス［ｋ］が計算される。コンピュータ化された数学的モデル内の別個の要素の各々について材料特性マトリックス［ｋ］から材料特性係数が求められ、このようにして求められた材料特性係数は、既知の材料の材料特性係数と比較され、求められた材料特性係数が既知の材料の材料特性係数に適合せしめられる。
【００３１】
本発明の更に別の特徴によれば、適用されるフィールド｛ｆ｝に応じて生じるポテンシャル｛ｘ｝を有する目的物の製造パラメータを決定するための機械は、目的物の幾何学的モデルを設計する設計要素を含んでいる。形成要素が、目的物の前記幾何学的モデルを複数の有限個の要素に分割し、各要素の境界に結節点を形成し、同結節点におけるフィールド｛ｆ｝の値とポテンシャル｛ｘ｝の値とを特定することによって、目的物のコンピュータ化された数学的モデルを形成する。計算要素が、方程式｛ｆ｝＝［ｋ］｛ｘ｝に基づいて材料特性マトリックス［ｋ］を計算する。求められた要素が、コンピュータ化された数学的モデル内の別個の有限要素の各々について材料特性マトリックス［ｋ］から材料特性係数を求める。比較要素が、求められた材料特性係数を、既知の材料の材料特性係数と比較し、求められた材料特性係数を既知の材料の材料特性係数に適合させる。決定手段が、適合された材料特性係数に対応する製造パラメータを決定する。
【００３２】
本発明の更に別の特徴によれば、適用されるフィールド｛ｆ｝に応じて生じるポテンシャル｛ｘ｝を有する目的物の材料特性を決定するための機械は、目的物の幾何学的モデルを設計する設計要素を含んでいる。形成要素が、目的物の前記幾何学的モデルを複数の有限個の要素に分割し、各要素の境界に結節点を形成し、同結節点におけるフィールド｛ｆ｝の値とポテンシャル｛ｘ｝の値とを特定することによって、目的物のコンピュータ化された数学的モデルを形成する。計算要素が、方程式｛ｆ｝＝［ｋ］｛ｘ｝に基づいて材料特性マトリックス［ｋ］を計算する。求めた要素が、コンピュータ化された数学的モデル内の別個の有限要素の各々について材料特性マトリックス［ｋ］から材料特性係数を求める。比較要素が、求められた材料特性係数を、既知の材料の材料特性係数と比較し、求められた材料特性係数を既知の材料の材料特性係数に適合させる。
詳細な説明
図３は、本願発明に係わる、目的物すなわち部品を製造するための方法論を説明するために使用されている。下記の説明から明らかなように、本願で使用されているような目的物すなわち部品（以下、単に目的物という）は、製造パラメータを制御して目的物内の構造的なまたは材料的な特性を変えることができるプロセスまたは技術によって製造可能な任意の目的物とすることができる。本願発明に係わる目的物を製造するための方法論は、下記の方程式の解に基づかれている。
【００３３】
｛ｆ｝＝[ｋ]｛ｘ｝
そこで、｛ｆ｝は、所期の使用における目的物に加えられるフィールド（場）を表している。｛ｘ｝は、適用されるフィールドに対応するポテンシャルを表している。
【００３４】
[ｋ]は、目的物の材料特性を表している。
本願発明の方法論は、製造パラメータを変えることができる任意の製造技術と共に利用できる。例えば、編組機（braider）を使用する編組物プロセスを使用して繊維複合物を製造することができる。織維複合材料は、自動車のボディパネル、航空機、人工器官のインプラント、ゴルフクラブのシャフト、テニスラケット、自転車のフレーム、及び釣り竿のような構成要素のための構造材料としての多様な用途に用いられている。これらの繊維複合材料は、例えば、金属材料の強度と等しいかあるいは金属材料の強度を越えた高い強度を提供している。同時に、繊維複合材料は、その重量が軽く、改善された他の機能的特性を備えている。編組機べッド及び／またはマンドレルの速度、繊維の厚さ、及び繊維に加えられる張力のようなパラメータを制御することにより、繊維複合材料の剛性特性を変えることができる。複合材料の制御された編組物（braiding）のために設計された編組機の一例が、Ｓｋｅｌｔｏｎに付与された米国特許第４、９０９、１２７に示されている。３次元の織布が、また、Ｓｕｔｏに付与された米国特許第４、９７５、２６２で説明されている。
【００３５】
複合材料は、また、Ｃａｒｖｅｒなどに付与された米国特許第５、０２３、８００号に説明されたような繊維に調和した適切な材料において構造的繊維を積層することによって構成することができる。ガラス繊維は、エポキシ樹脂マトリックス内にガラス繊維を加える、幅広く使用されている複合材料システムである。航空機の構成要素を構成するために、改良された特性を有するより多くの新種複合材料システムを使用することが望ましい。新種の無機材料が、現在利用できる。
【００３６】
新種の無機材料として、例えば、カーボン繊維、硼素繊維、改良されたガラス繊維、酸化アルミニウム繊維、種々の材料からなる無機ホイスカー、及びアラミドや長く延びた鎖状ポリエチレンのようなある一定の有機繊維などがある。これらの繊維やホイスカーは、適切な樹脂に、糸、繊維、及びマットなどとして加えられている。適切な樹脂としては、例えば、熱硬化エポキシ樹脂、ポリエステル、ポリエーテル、ポリイミド樹脂、ビスマレイミドや熱可塑性ポリアミドイミン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド等の他の同様な高分子材料がある。複合材料の目的物は、鋳造技術を利用することによって形成することができる。鋳造技術では、目的物の形状に対応した外金型や複合材料が形成されるマンドレルタイプの内金型が使用される。複合材料の目的物の形成や硬化を行うために利用される金型は、結合ツールと呼ばれている。硬化は、精密に制御された温度と圧力の下で実行される。
【００３７】
旋盤やフライス盤で輪郭制御システムを使用する輪郭制御プロセスは、金属製の目的物を製造するために使用することができる。輪郭制御は、タービン羽根の機械加工のような用途において、材料を連続的に取り除く。部品面、駆動面、及びチェック面のようなパラメータを制御することにより、フライス削用の工具の経路を変え、したがって、輪郭を変えることができる。部品面は、フライス削り用の工具の端が載る面である。駆動面は、フライス削り用の工具のエッジが載る面である。チェック面は、現在動いているフライス削り用の工具を停止させるべき面のことである。輪郭制御システムの詳細は、マゴロヒルインコーポレッドが出版した「Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」（著者：Bedworthなど）に示されている。
【００３８】
言うまでもなく、この発明は編組物（braiding）、モールディング又は輪郭形成（contouring）を用いて形成された目的物に限定されるものではなく、上記の検討はこの発明の方法論において用いられる製造技術の単なる例にすぎない。他のプロセス及び技術の中には、以下のものに限定されないが、例えば、ポリマー製造プロセス、結晶化技術、セラミック製造技術等が含まれる。ステップ２１において、意図した用途において印加されるフィールド｛ｆ｝及び該フィールド｛ｆ｝の所望のポテンシャル（ｓ）又は応答｛ｘ｝が定義される。例えば、目的物には、機械的な力を受けるフィールド、電流が流れるフィールド、磁場、サーマルフラックス（thermal flux）・フィールド及び／又は流速フィールドが印加される。他のフィールド｛ｆ｝はこれらの一次フィールドを用いて導き出すことができる。例えば、音響フィールドは、機械的な力を受けるフィールドと流速フィールドとを組み合わせることによって導き出すことができる。磁気流体力学フィールドは流速フィールドと磁場とを組み合わせることによって導き出すことができる。上記のフィールドのそれぞれは対応するポテンシャルを有する。これらのポテンシャルは、機械的な力を受けるフィールドに対応する変位、電場に対応する電圧、磁場に対応する磁気ベクトル・ポテンシャル、サーマルフラックス・フィールドに対応する温度、流速フィールドに対応する流体ポテンシャルである。
【００３９】
既に述べたとおり、ステップ２１で定義されるフィールドは意図された用途において目的物に印加される１つ以上のフィールドを表す。例えば、人工股関節部の場合、フィールドは人体に移植した後に人工股関節部に印加される機械力である。例えば、図４Ａ及び図４Ｂの矢印は、（例えば歩行中の）片足のスタンスの期間及び椅子から立ち上がる期間の人工骨頭に印加される力（方向及び大きさ）を表している。力の分布及び方位は、例えば、ホッジ等の「生体内で測定された人間の股関節における接触圧力」、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ、８３、２８７９−２８８３（１９８６）で報告された生体内での研究に基づいている。これらの力のそれぞれの結果の力は約２０００ニュートン（Ｎ）で、方位は片足のスタンスから中腰（midrise）の負荷へ変化している。他の例として、熱伝導性の素子の場合には、フィールドは意図された用途において目的物に印加されるサーマルフラックスである。勿論、目的物には１つ以上のフィールドが印加され、これらのフィールドのそれぞれはステップ２１において定義される。例えば、導電体には、意図される用途において電場、磁場及び機械的な力を受けるフィールドが印加される。
【００４０】
ステップ２１において定義されるポテンシャル｛ｘ｝は、定義されたフィールド｛ｘ｝が印加されるときに製造業者が目的物にどのように応答してほしいかを定義する。人工股関節部の場合、定義されたポテンシャルは、該人工股関節部が歩行中及び椅子から立ち上がる期間に図４Ａ及び図４Ｂに示す機械力を受けるとき、人工股関節部に生じる（歪みと機械的に相関する）所望の変位である。製造業者が人工股関節部に生体内にあるときと同じように力に応答してほしい場合には、人工股関節部の「所望の変位」は、例えば、歩行中及び椅子から立ち上がる期間に生体内の股関節部に生成される変位に対応する。図５Ａは、図示のように２０００Ｎの力が印加された生体内の股関節部を図示しており、図５Ｂは、この印加された力に応答して図５Ａの点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆで生成される変位の測定値を示すテーブルである。つまり、図５Ａに示す力に対して生体内の股関節部と同じように応答する人工股関節部を製造することを望む製造業者は、力｛ｆ｝を図５Ａに示す力であると定義し、変位｛ｘ｝を図５Ｂのテーブルに示す変位であると定義する。同様に、サーマルフラックス・フィールドが印加される熱伝導性素子の場合、定義された応答は、定義されたサーマルフラックス・フィールドが印加されたときの該熱伝導性素子の種々の部分における所望の温度に対応する。電場、磁場及び機械的な力を受けるフィールドが印加された導電体の場合には、定義された応答は、定義された機械的な力を受けるフィールドが印加されたときの導電体の種々の部分における所望の変位と、定義された磁場が印加されたときの導電体の種々の部分における所望の磁気ベクトル・ポテンシャルと、定義された電場が印加されたときの導電体の種々の部分における所望の電圧とに応答する。
【００４１】
ステップ２２において、コンピュータ支援設計は、製造されるべき目的物のモデルを幾何学的に作るために用いられる。幾何学的な設計は、幾何学的な目的物を定義するために計算機幾何学を用いる技術である。幾何学的な設計の目的は、有限要素解析のような製造及び他の設計のために目的物の完全な定義を要求する目的物の表現と、ユーザが目的物の幾何学的な明細を入力し操作することができる設計と、コンピュータ・グラフィックス出力装置上に目的物の実際的な映像に着色するために幾何学を用いるレンダリング（rendering）とである。目的物又は部品の幾何学的な初期モデルは、例えば、設計技術者の経験に基づくか、又は、目的物又は部品の意図された用途により支配される。例えば、人工股関節部の幾何学的な初期モデルは生体内の股関節部に基づく。勿論、幾何学的な初期モデルは、特定の身長及び／又は体重の特定の個人への適用のために、その後に修正される。ゴルフ・クラブ・シャフトの初期設計の形態も公知であり、即ち、所定の長さと直径の円筒である。この初期設計の形態は、特定の身長のゴルファのためのシャフトを提供するために、又は、変動する直径、例えばクラブ・ヘッドの近くの一層細い直径を有するシャフトを提供するために修正される。この幾何学的なモデル設計を実行するための適切なＣＡＤソフトウェア・パッケージはＩ−ＤＥＡＳ（オハイオ州ミルフォードのＳＤＲＣ社から入手可能）、ＣＡＴＩＡ（ニューヨーク州アーモックのＩＢＭ社から入手可能）及びＡＮＶＩＬ−５０００（マニュファクチャリング・コンサルティング・サービシズから入手可能）である。これらのソフトウェア・パッケージは、例えば、サン・マイクロシステムズ社又はシリコン・グラフックス社から入手可能な、ユニックスをべースとしたワークステーション上で動く。勿論、コンピュータの選択は、必要な計算機能力によって決定され、この発明はこの点に限定されない。こうしたコンピュータ支援設計ソフトウェア・パッケージを使用することにより、目的物又は部品の幾何学的なモデルをユーザが定義することができ、迅速に修正することができるので、コンピュータ支援製造ステップに有用なフォーマットへ、及び／又は、有限要素法ステップに有用なフォーマットへ変換される幾何学データを生成することになる。なお、これらのステップについては後に詳述する。幾何学的な初期モデルは、所望の形態を有する目的物を走査することによって生成される画像データであってよい。例えば、人工股関節部の場合の幾何学的な初期モデルは、例えばジーメンス・ソマトムＤＲ３又はＧＥ９８００ＣＴスキャナを用いて死体の股関節部をＸ線写真撮影することによって生成することができる。この画像データはＣＡＤソフトウェア・パッケージによって使用可能なフォーマットへ変換され、又は、後述する有限要素ソフトウェア・パッケージによって使用可能なフォーマット（例えば、ＰＤＡエンジニアリングから入手可能なＰＤＡ−ＰＡＴＲＡＮフォーマット）へ直接変換され得る。
【００４２】
ステップ２３において、目的物の有限要素モデルが有限要素法を用いて生成される。有限要素法は、不規則な形状の目的物がより小さな規則的な有限の要素に分解できるという原理に基礎をおいている。そこで、それそれの要素は個別に扱うことが可能で、全体としての効果は目的物内の有限の要素のすべての効果の和である。有限要素モデルは、ステップ２２において作り出された幾何学的モデルの上で動作する適当なソフトウェア・パッケージを用いてユーザーによって生成される。従って、普通、有限要素ソフトウェア・パッケージはステップ２１で作られた目的物の幾何学的情報を含むデータ・ファイルをアクセスする。ＳＤＲＣ社のＩ−ＤＥＡＳのような、いくつかの統合ソフトウェア・パッケージは幾何学的モデリングや有限要素解析のためにモジュールをリンクし、ユーザーは特に有限要素解析のために幾何学的情報を再定義する必要がない。有限要素モデルを生成する他の好適なソフトウェア・パッケージにはＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ（MacNeal-Schwendler社から入手可能）、ＡＢＡＱＵＳ（MacNeal-Schwendler社から入手可能）及びＡＮＳＹＳ（Swanson Manufacturingから入手可能）がある。
【００４３】
こうして、目的物の幾何学的モデルを複数の要素に分解し、要素の境界に結節点を定義する事によって有限要素モデルが生成される。人工股関節の典型的な有限要素モデルが図６に示されている。種々の要素形状が目的物の有限要素モデルで用いられ得る。通常、選択される要素の数と形式は目的物の幾何学と分野のタイプによっている。普通、上記の種々の有限要素ソフトウェア・パッケージは、要素のライブラリと要素クラスタとを含み、特定の幾何学的情報を有する領域をユーザーが指定した精密度でモデル化する事ができる。従って、所定の値の要素サイズを有する要素か、または所定の値のクラスタ・サイズを有する可変要素の要素クラスタを利用することができる。もし要素クラスタを用いた場合、クラスタが有限要素モデルを通して繰り返され得る。一つのクラスタは、異なる形状の複数の要素を含み得る。例えば、もし製造されるべき目的物が剪断応力を受けるとすると、剪断応力をモデル化するために最も好適な形状を有する要素が用いられ、適当に応用される。これらの要素が互いにグループ化されていれば、それらは例えば同一の幾何を有する領域に繰り返され、あるいは同一の応力に適用されるクラスタを定義する。更に、目的物の許容誤差の厳しい部分をモデル化するために異なるサイズの要素が用いられ得る。許容誤差が厳しくない部分には、いわゆるスーパー要素が用いられ得る。後述するように、本発明の方法論は典型的には反復処理なので、もし、例えば最初の反復で目的物に、計算目的に対して、結節点の値があまり変化しない１つ以上の部分が有ると決定されると、２回目の後の反復は、以後の計算を簡略にするために、これらの領域で１つ以上のスーパー要素を含む、この目的物の有限要素モデルを生成する。
【００４４】
有限要素モデルは、個々の目的物の結節点における上記したフィールド｛ｆ｝及びポテンシャル｛ｘ｝の値及び方向の一方又は双方を特定することによって、完成される。さらに、任意の境界条件が付加される。
【００４５】
ステップ２４において、関数｛ｆ｝＝［ｋ］｛ｘ｝を用いて材料特性マトリックス［ｋ］を得るために、有限要素ソフトウェア・パッケージがプログラムされる。すなわち、
［ｋ］｛ｘ｝＝｛ｆ｝
［ｋ］｛ｘ｝｛ｘ｝-1＝｛ｘ｝-1｛ｆ｝
［ｋ］＝｛ｘ｝-1｛ｆ｝
フィールド｛ｆ｝及びポテンシャル｛ｘ｝がステップ２１において既に規定されているので、材料特性マトリックス［ｋ］を計算することができる。｛ｆ｝が機械的な力を受けるフィールドでかつ｛ｘ｝が変位である場合、［ｋ］は強固性（堅牢性）マトリックスとなる。｛ｆ｝が磁気フィールドでかつ｛ｘ｝が磁気べクトル・ポテンシャルである場合、［ｋ］は磁気抵抗率となる。｛ｆ｝が電流が流れるフィールドでかつ｛ｘ｝が電圧である場合、［ｋ］は電気導電率となる。フィールド及びポテンシャルがステップ２１で定められた場合、ステップ２４におけるマトリックス［ｋ］の計算は、力の特定アプリケーション等の特定アプリケーションのために所望のレスポンスを有する目的物を製造するために、製造を許可するための最小化材料特性マトリックス又は準最小化材料特性マトリックスを決定する。
【００４６】
ステップ２５では、有限要素ソフトウェア・パッケージが用いられて、材料特性マトリックス［ｋ］から、有限要素モデルの各要素に関する材料特性係数を抽出する。特に、ステップ２４で計算された材料特性マトリックス［ｋ］は、グローバルな、または組合わされた（アセンブルされた）材料特性マトリックス［ｋ］である。先に述べたように、有限要素モデルの特定要素の材料特性係数は、このようなグローバルまたは組合わされたマトリックスから、ブール位置関数または他の位置関数を用いて導出される。例えば、図６を参照すると、要素６０１の材料特性係数が導出され、その後、要素６０２の材料特性係数が導出される等である。この工程は、人口股関節の少量づつの増分位置における、該人口股関節の材料特性を表すデータ・シーケンスを生成するために、モデル中の各要素に対して反復実行される。
【００４７】
ステップ２６においては、導出された材料特性係数が、１つまたは複数の材料特性データベース中の既知の材料特性係数と比較される。図７Ａは、材料特性データベース７００の構成が示されている。材料特性データベース７００においては、複数の材料Ｍ１−１、Ｍ１−２、・・・、Ｍ１−ｎが、ヤング率（Ｅ）及びポアソン率（σ）等の強固特性の値によって、特徴付られる。例えば、材料Ｍ１−１は、ヤング率７．２ｘ１０10Ｐａ、ポアソン率０．３２のアルミニウムである。材料Ｍ１−２は、ヤング率６．９ｘ１０10Ｐａ、ポアソン率０．３５のアルミニウムである。材料Ｍ１−ｎは、ヤング率８．８ｘ１０10Ｐａ、ポアソン率０．３０の鋳造（キャスト）鉄である。本発明においては、このような材料に限定されるものではないことは、勿論である。これらの材料Ｍ１−１、Ｍ１−２、・・・、Ｍ１−ｎにそれぞれ関連して、製造プロセス及び該プロセスにおける特定のパラメータ（温度、圧力等）が存在する。該製造プロセスにより、対応する強硬性を有する材料を製造する。同様に、図７Ｂに示されているように、材料特性データべース７０１が、複数の材料Ｍ１−１、Ｍ１−２、・・・、Ｍ１−ｎを電気的導電率（σ′）によって、特徴付ける。再度述べるが、これらの材料Ｍ１−１、Ｍ１−２、・・・Ｍ１−ｎにそれぞれ関連して、対応する強固性を有する材料を製造するための製造プロセス及び該プロセスにおける特定のパラメータが存在する。同様に、材料データベースは、温度伝導率または磁気抵抗率によって材料を特徴付けることに使用され、また、製造方法及び各材料に関連する製造パラメータを特定するために用いられる。
【００４８】
したがって、材料特性データベースは、材料特性係数とこれらに対応する製造プロセスおよび製造プロセス制御パラメータの記録部である。このようなデータべースは工業の製造者、政府機関、研究学会が作成し維持する。例えば、金属、プラスチックまたは複合物のような材料をある特定の製造プロセスを使って作成する場合、その特性は、ＡＳＴＭ試験法のような標準の試験方法を通して定めることができる。これらの特性を定めたとき、温度、圧力等の製造パラメータの集合（これは、それら特性をもつその材料を作成するのに使用した）は、その材料と相関させることにより、その材料が将来再現できるようになる。
【００４９】
ステップ２６における抽出した材料特性係数と材料特性データベースとの間の比較を使うことにより、データベース内のどの材料が、抽出した材料特性係数に対応する特性と一致するかあるいはそれに最も近く一致する材料特性を有するか判定する。したがって、図６を参照すると、その比較の結果、人工股関節の要素６０１に対応する部分を所望の剛性特性で生じる第１集合の製造パラメータの識別と、人工股関節の要素６０２に対応する部分を生じる第２集合の製造パラメータの識別、等が生じる。上記の比較の実行は、例えば、それら要素（図６の要素６０１、６０２等）の各々のための抽出材料特性係数データと材料データベースからの材料特性データとを記憶するための事実ベースと、各要素のための抽出材料特性データと材料データベースからの材料特性データとを比較し一致させるためのルールを含むルール・ベースと、を有する知識ベースを使って行える。一致のレベル（例えば、完全な一致、近い一致）は、用途に特有のものであって、とりわけどのぐらいの許容差を許すかに関係している。もし製造すべき目的物が重要な構成要素の場合、非常に近いかもしくは完全な一致が望ましい。製造すべき目的物が重要でない構成要素の場合には、その一致規準は緩くできる。また、コストや利用可能な製造機器のようなその他の規準も、一致のレベルを定めることができる。したがって、ステップ２６を実行することにより、目的物のどの各部分についても、その製造プロセス制御パラメータ集合を決定する。
【００５０】
ステップ２７において、製造プロセス制御パラメータの決定した集合は、整理あるいは順序付けることにより、その目的物を製造するのに必要な製造プロセス制御を定める。製造制御パラメータは、その目的物を製造するのに使用する製造機器の数値制御を実施するのに使用することができる。数値制御は、製造機器の自動制御におけるコード化された数値情報の使用を指している。機械工具に関しては、これは、切削工具の動きあるいは回転する工具に対する形成中のパーツの動きを指している。機械加工した金属パーツに対する軽量の代替物を形成するために複合材料を置くプロセスも、数値制御を使って実施できる。その目的物を製造するための必要な幾何形状および動きのステートメントは、汎用の数値制御言語を使ってプログラムして、製造用制御データを生成できる。１つのそのような言語は、ＡＰＴ−ＡＣ数値制御プロセッサ・プログラム（ニューヨーク州アーモンクのＩＢＭ社から入手可能）である。この数値制御プロセッサは、実行すべき数値制御動作を記述するユーザ向き言語ステートメントを入力として受け入れるコンピュータ・アプリケーション・プログラムである。ポストプロセッサは、その製造制御データを更に処理して、その情報を特定の製造プロセスに作り変えることができる。ステップ２８においては、後処理したデータは、コンピュータ化した製造装置に供給し、そしてこの装置は、その供給されたデータを使って目的物の製造を制御する。コンピュータ化製造装置に供給したそのデータは、製造装置を制御することにより目的物を合成し、この目的物は、その所望の特別に計算した材料特性を有する。例えば、仮に、製造を、複合材料を製造する編組機（braider）を使って行うとする。複合材料のウィービングの間、種々の機械パーツの速度をコンピュータが制御できるようにすることにより、ウィーブのタイトネスを制御する。ウィーブがよりタイトになると、剛性がより高くなる（可撓性が低くなる）。例えば、人工股関節の場合、高剛性と低剛性の双方の領域が必要である。幾何形状モデルと抽出材料特性係数を使用することにより、製造プロセス、特にウィーブのタイトネスは、高剛性の領域（例えば、図６の要素６０１が定める領域）と低剛性の領域（例えば、図６の要素６０３が定める領域）を提供するように制御できる。この製造プロセスを本発明の方法論にしたがって適切に制御することにより、加えられた負荷に対し、ヒトの股関節がその同じ加えられる負荷に応答する方法と実質上同じ方法で応答する人工股関節を製造することができる。このような人工器官は、特定の個人に特有の応答特性を備えるようにして生成することができる。
【００５１】
上記の方法論は、通常、繰り返しのプロセスとして実施する。例えば、最初の反復の結果が、通常、編組機を使って製造したファイバ複合体が意図した用途における抽出材料特性係数と最良の一致をもたらす、と示すことがある。したがって、第２の続く反復において、その有限要素モデルを変更して、コンピュータ制御式編組機を使って制御可能に編み組みすることができる最小の増分体積（smallest incremental volume）を考慮に入れるようにすることができる。好ましくは、有限要素モデル内の各要素は、目的物を製造する製造技術を使って制御可能に製造できる最小増分体積ほどのものに対応している。例えば、編組機を使った編み組みプロセスに関しては、制御可能に編み組みできる最小体積は、ほぼ１立法ミリメートルである。言い換えれば、１立法ミリメートルの桁で変化する材料または成分特性をもつ目的物を生成するために、編み組みパターンを制御可能に変化させることができる。もちろん、この最小増分体積は、選択した製造のプロセスまたは技術にしたがって変化し、したがって更に利用可能な製造機器に依存する。このため、現行技術水準の編組機が編み組みできる最小増分体積は、１立方ミリメートルであるが、全ての編組機がそのような動作が可能であるとは必ずしも言えない。したがって、そのような場合には、最小増分体積は、利用可能な編組機の能力によって定まる。理解されるように、製造技術が向上するにつれ、より小さな増分体積を制御可能に製造できるため、本発明のこの方法論は、サイズ直ししたあるいは異なった形状の要素でも利用することができる。
【００５２】
本発明の方法の数学的処理は、金属、プラスチック及びセラミックの製造等の複合物（composities）以外の他の製造工程にも有効である。また本発明の方法は、熱及び電気回路に対する所望の応答性に基づく目的物の製造にも有効である。要するに、本発明の方法は、精密に容積制御された製造が所望されるようなコンピュータ制御されたいかなる製造工程にも使用し得るものである。
【００５３】
本発明の方法は、目的物の効率をあげることが所望される場合に、特に有用である。伝統的な製造工程においては、目的物の幾何学の内部構造的な組立をあまり制御せずに、目的物の幾何学形状の精密な製造に比重が置かれている。本発明の原理体系によれば、材料マトリックスは未知であり、反復工程は、固定された幾何学を維持しながら、材料特性のマトリックスを最適化するように行われる。ゆえに、本発明によれば、いかなる工程の入力パラメータも、精密に規定された材料特性のマトリックスを有する目的物を創出するように、精密に変えることができる。製造が改良を続けるので、上述の原理体系は、制御的に製造可能な最も少量の容積増分がサイズを減少し続ける場合にも、適用可能である。
【００５４】
図８は、本発明の原理体系を実行するために用いることができる種々の因子的モジュールを示す。計算機援用設計（CAD）モジュール８０１は、幾何学的モデル定義を生じさせる３次元グラフィックスソフトウェアプログラムである。かような幾何学的モデル定義は、３次元的座標システムにおいて目的物のデザインを精密に配する座標点を含む。これは、用いるグラフィックソフトウェアパッケージ、例えばＸ，Ｙ，Ｚ座標点及び必要に応じて適当な位置ベクトル（locating vectors）により与えられる。３次元グラフィックソフトウェアパッケージは、グラフィックプログラムのデータベースにある特定の座標点を規定するための適当なデータ構造を利用する。グラフィックプログラム内のアルゴリズムを利用することにより、目的物の他の座標点を規定し且つ生じさせることができる。グラフイックプログラムは、好ましくは、適当なべクトル及びマトリックスルーチンを利用することにより、目的物をコンピュータメモリ内で回転させたり、あるいは移動させたり、また寸法を決めたりすることができる。こうして、いずれかのある１つの座標点に対する座標は他の座標点に関して公知となる。上述したように、適当なＣＡＤソフトウェアパッケージとしては、Ｉ−ＤＥＡＳ（オハイオ州、ミルフォードのＳＤＲＣ，Ｉｎｃから入手可能）、ＣＡＴＩＡ（ＩＢＭから入手可能）及びＡＮＶＩＬ−５０００（Manufacturing Consulting Servicesから入手可能）を挙げることができる。
【００５５】
有限要素モジュール８０２は、グラフィックプログラムデータベース内に保存されているデータから目的物の有限要素モデルを創出するために用いる。有限要素モジュール８０２は、ＣＡＤモジュール８０１を用いるデザインされた目的物を複数の要素に分割するため及び各要素内における仮想近似因子の項で１以上の未知のフィールド変数を表示するためのソフトウェアパッケージである。有限要素モジュール８０２は、上述したような各要素の最適な材料の特性を計算するようにプログラムされている。有限要素モジュール８０２に適当なソフトウェアパッケージとしては、ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ（MacNeal-Schwendler Corporationから入手可能）、ＡＢＡＱＵＳ（MacNeal-Schwendler Corporationから入手可能）及びＡＮＳＹＳ（Swanson Manufacturingから入手可能）を挙げることができる。
【００５６】
材料データベースモジュール８０３は、対応する製造工程及び製造工程制御パラメータを有する材料特性係数の保管所である。ゆえに、この保管所は、材料特性と材料を創出するために用いられる製造工程及び製造工程パラメータとに相互に関連する。
【００５７】
照合モジュール８０４は、（１）材料が有限要素モジュール８０２を用いて決定された材料特性と符合するか又はほとんど符合する材料特性を有するか否かを決定するため、及び（２）この符合した材料に関連する製造工程及び製造工程パラメータを決定するために、有限要素モジュール８０２を用いて決定された材料特性と、材料データベースモジュール８０３内の材料データとを比較する。照合モジュール８０４は、例えば、有限要素モジュール８０２からの材料特性データ及び材料データベースモジュール８０３からの材料特性データを保存するファクトべース（fact bease）と、有限要素モジュール８０２からの材料特性データ及び材料データベースモジュール８０３からの材料特性データを比較して符合させるルールを含むルールベース（rule base）とを有する認識ベース（knowledge base）により実行されるであろう。
【００５８】
製造モジュール８０５は、ＣＡＤモジュール８０１を用いて規定された幾何学形状を有する目的物を製造する製造装置に製造指示を与えるため、照合モジュール８０４から得られた製造パラメータを翻訳して並べ替える。目的物の製造は、特定の材料に適当な機械によってなされるであろう。例えば、金属は表面幾何学（空間内の表面座標点）を再生することにより製造されるであろうし、複合物は編み形状及び繊維の選択を制御することにより製造されるであろうし、ポリマーは化学的な選択、温度及び圧力により製造されるであろう。製造工程におけるコンピュータの補助は、１つの目的物の製造工程から次の目的物の製造工程への変化又は単一の目的物の種々の領域内での変化を迅速に調節することを可能とする。
【００５９】
図９は、上記の種々の機能モジュールを実行するために使用され得る環境９００の形状のブロック線図である。この環境の例（これに限られない）はＩＢＭ−ＰＣコンパチブル・パーソナルコンピュータ及びサン・マイクロシステム（Sun Microsystems）又はシリコン・グラフィックス（Silicon Graphics）から入手可能なＵＮＩＸベースの（UNIX-based）ワークステーションを含む。本発明の環境はコンピュータの形式又は銘柄に限られず、したがってマイクロコンピュータないしスーパーコンピュータを意図していることを理解すべきである。更に、図９は単一の環境の詳細を説明しているが、図８のモジュールは一つより多い環境で実行され得る。例えば、第１の環境はＣＡＤモジュール８０１を実行するために使用され、第２の異なる環境は有限要素モジュール８０２を実行するために使用され得る。情報はフロッピーディスクを使用して或いは標準通信パッケージ（standard communication packages）を使用して環境間で交換され得る。代わりに、単一の環境はＣＡＤモジュール８０１及び有限要素モジュール８０２の両者を実行するために使用され得る。環境９００は、ＲＩＣＳベースのＣＰＵ又はＩＢＭ  ＰＣコンパチブルＣＰＵのような中央処理ユニット（CPU）９０１を備え、そのＣＰＵは母線に接続されている。図８の一つ又はそれ以上のモジュールは動作中メモリー９０５に蓄積される。入力はＩ／Ｏ装置９０７を介して受けられ、その後、入力はバッファ９０９を通過しかつそれから母線９０３を介してメモリー９０５に入る。Ｉ／Ｏ装置は、例えば、ディスク、テープ、キーボード、マウス、タッチスクリーンのようなあらゆる標準の入力装置で良く、或いは、手動で又は自動的に情報又は命令を入力するためのあらゆるコンパチブルの又は同等の手段でよい。情報が本発明に入力されたとき及び前進したときに結果を観察するように使用するために、好ましい実施例は、出力装置の例として可視表示装置９１１を使用することを意図している。他の出力装置は、プリンター、磁気又は高額ディスク、テープその他を含み得る。ＲＯＭ９１３は環境９００の全体の制御のためのプログラムを蓄え得る。
【００６０】
図１０は、制御コンピュータ９５０を使用する一般化した制御コンピュータのための制御コンピュータの概略図である。制御コンピュータは、図８の製造モジュール８０５によって一般化された製造指令でダウンロードされる。編組機のベッド速度、糸の張力、温度、圧力等のような情報は、製造機械のセンサ９５３から、デジタルのフォーマット（オン／オフ、開／閉）又はアナログフォーマット（ボルト数）で得られる。アナログ入力は、制御コンピュータ９５０のアナログ−デジタル変換器９５３によってデジタル表示に変換される。制御コンピュータ９５０は、センサ９５２からの情報を解析しかつアクチュエータ９５４に供給される信号を発生するプロセッサ９６０を備え、その信号はダウンロードされた製造指令にしたがって製造機械の設定を調整するためにアクチュエータ９５４に供給される。アナログ及びデジタル出力に加えて、パルス出力は、工作機械、その他の設備にしばしば使用されるステッピングモータを駆動するために与えられる。もちろん、制御コンピュータ９５０の詳細は使用される製造機械に依存する。特定の製造プロセスで使用可能な制御コンピュータの詳細は、例えば上記のべッドワース（Bedworth）テキスト内で見ることができる。
【００６１】
次の例は、本発明の方法論の説明のために与えられる。
《実施例Ｉ》
本発明の合成繊維のゴルフクラブシャフトの製造が記載される。ゴルフクラブシャフトの場合、管理方程式は
｛ｆ｝＝［ｋ］｛ｘ｝
である。ゴルフクラブシャフトの有限要素モデルが作られる。ゴルフクラブの製造者は、力｛ｆ｝を特定するデータベースを保持し、シャフトはクラブヘッドの速度に対して（振り、圧縮、引っ張り等）を受ける。これらの力は、有限要素モデルの結節点における力を定義するために使用される。
【００６２】
ゴルファーは、一般に、これら種々の力に対して特定の方法で応答するゴルフクラブシャフトを希望する。例えば、プロゴルファーは、一般に、ピッチングウエッジ、９番アイアン、８番アイアン用のシャフトがクラブヘッド近くにフレックスポイント（flex point）（すなわち、比較的剛性の低い点）を有することを望み、７番アイアン、６番アイアン及び５番アイアン用のシャフトがシャフトの中間にフレックスポイントを有することを望み、ドライバー用のシャフトがグリップの直下にフレックスポイントを有することを望む。これらの四つの場合の各々において、シャフトは所望のたわみ｛ｘ｝の独特の組（set）を有する。これらの所望のたわみ｛ｘ｝は有限要素モデルの結節点における変位を定義する。
【００６３】
かくして四つの異なる有限要素の解析は実行される。
力及び有限要素モデルの変位が定義されたので、四つの場合の各々に対する全体的な剛性が計算され得る。ブール位置関数を使用して、個々の要素に対する剛性係数は決定される。これらの決定された剛性係数は個々のデータべースからの剛性係数と一致される。一致された係数に対応する製造パラメータは適切に伝達されかつ整理されて製造指令を発生する。これらの製造指令は複合織り機（weaving machine）に供給されかつ編組機のべッド速度及び繊維の張力は適切に制御されてゴルフシャフトを作る。例えば、炭素繊維が剛性係数を決定するために最適の調和を与えると決定されたなら、炭素繊維は適当な織り機に設置される。織りが完成すると、編組機のべッド及び繊維の張力は、発生された製造指令にしたがって変化され、その結果ゴルフクラブシャフトのある部分は密に織られかつ他の部分は緩く織られる。密に織られたシャフトの部分は緩く織られたシャフトの部分よりも堅い。
《実施例ＩＩ》
本発明による、複合股関節交換体（hip replacement）で充填されたカーボンファイバの製造方法を説明する。複合股関節交換体の場合、下記の管理方程式が再度適用される。
【００６４】
｛ｆ｝＝〔ｋ〕｛ｘ｝
最初に、正常な骨の幾何学的形状（皮質層及び海面状の層の双方とも）の有限要素モデルが作成される。次に各層の剛性特性が限定される。これら剛性特性はヤング率とポアゾン比の関数である。これら剛性特性は有限要素モデルの結節点における剛性を限定するように使用される。次に、歩行、椅子からの立上り、階段昇りの場合の荷重が決定される。これらの荷重は有限要素モデルの結節点における力を決定するのに使用される。これら剛性特性及び荷重は既知量であり、これら既知量は多数の定期刊行物、例えばホッジ（Hodge）等による「生体内で計測された人体の股関節の接触圧（Contact Pressures in the Human Hip Joint Measured In Vivo）」Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ.Ａｃａｄ.Ｓｃｉ.ＵＳＡ，８３  ２８７９−２８８３（１９８６），及びスプリンガーバーラッグ（Springer-Verlag）による「人間の組織のフング、バイオメカニクス、及び機械的特性（Fung,Biomechanics,Mechanical Properties of Human Tissue）」ＮＹ（１９８1）に記載されている。
【００６５】
有限要素モデルの力｛ｆ｝及び剛性〔ｋ〕は限定されているから、変位｛ｘ｝（これは応力に数学的に関連する）は決定することができる。ブール位置関数を使用して、得られたマトリックスデータが解析されて有限要素モデルの要素の応力が決定される。
【００６６】
有限要素モデルの要素の応力｛ｘ｝は決定されたから、その値は既知の量として取扱われかつ剛性された股関節交換体で行われることが望まれる概念上の応力分布を表している。従って、材料の応力マトリックス｛ｋ｝が未知数として扱われる。
【００６７】
有限要素モデルが作成されるが、これは別の層、即ち、海綿状骨領域に埋設された人工股関節を含んでいる。例えば、Ｓｔ．Ｖｉｌｌｅ等による「ザ  アナトミー  オブ  ミッドタイ  ペイン  アフター  トータル  ピップ  アーソプラスティ（The Anatomy of Midthigh Pain After Total Hip Arthoplasty）」において議論されているように、有限要素法による解析は５２０７結節及び５０４０イソパラメトリック固体要素を含む図６に示された細かいメッシュモデルを使用して行われる。六面体要素及び五面体要素の双方が図６のメッシュにおいて使用されて正確な形状の固着性が確保される。前に計算された変位データ｛ｘ｝が有限要素モデルの各結節点での変位を決定する。
【００６８】
複合股関節交換体を使用することが望まれる荷重が限定される。従って、歩行、一本足での姿勢等の場合の荷重が使用される。荷重の選択は設計される複合股関節交換体の性質に依存する。これらの荷重は上述のように一般的に知られている量であり、例えば、ホッジ（Hodge）等による、「生体内で計測された人体の股関節の接触圧（Contact Pressure in the Human Hip Joint Measured In Vivo）」Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，８３，２８７９−２８８３（１９８６）に記載されている。これらの荷重は有限要素モデルの各結節点での力｛ｆ｝を限定する。
【００６９】
有限要素モデルの各結節点での変位｛ｘ｝及び力｛ｆ｝が限定されたから、全体の剛性マトリックス｛ｋ｝を計算することができる。ブール位置関数又は他の形式の位置関数を使用して、各結節点での剛性係数が決定される。反復最適化法を使用して、有限要素モデルの要素の概念的な剛性特性を計算することができる。
【００７０】
これら決定された剛性係数は材料特性データベースからの剛性係数に適合される。適合された係数に対応する製作パラメータは適当に変換されて製作指示を発生させる。次ぎに、これら製作指示は複合波発生機に供給され編組機の速度及びファイバー張力が適当に制御されて、複合股関節交換体が製造される。
【００７１】
本発明は別の形態のモジュールを考えることが可能であり、上記の特定の実施例に限定されるものではないことは理解されよう。
いかなる出願、特許、技術文献、テキストブック、又はここで参照した他の刊行物は本明細書に対して本質的とみなされる事項について参照として本願に含めて構成されるべきである。
【００７２】
本発明の各種の実施例について記載したが、それらは例示として表したものであり、それらに制限されないことは理解されるべきである。従って、本発明の技術的範囲は例示として記載された上述の実施例のいずれにも限定されず、以下の請求の範囲及びそれらに均等な範囲によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】目的物を製造するための従来技術の方法論を図示している。
【図２】本出願で使用される専門用語を定義するための簡単な機械的なばねシステムを図示している。
【図３】本発明に係る目的物を製造するための方法論を図示している。
【図４】椅子から立ち上がり、１本足姿勢の間に、股関節の大腿ヘッドに加えられる力を図示している。
【図５】生体内股関節に加えられる力と、合応力とを図示している。
【図６】人工器官の股関節の有限要素モデルを図示している。
【図７】材料特性データベースを図示している。
【図８】本願発明を実施するために使用できる機能的モジュールを図示している。
【図９】図８の１またはそれ以上の機能的モジュールを実施するために使用できる環境のブロックダイヤフラムである。
【図１０】製造機械を制御するための制御コンピュータの回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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