JP2003067445A - 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 - Google Patents

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

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】最適な応答特性を有する目的物を製造するため
の方法及び装置を提供する。 【解決手段】ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィー
ルド｛ｆ｝に応じて発生する自動車の部品の製造方法に
より製造された自動車部品であり、自動車部品の幾何学
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
で前記自動車部品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、材料特性係数を割り出
す段階とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 【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。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。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 ｅｔ ａｌ，Ｔｈｅ Ｆｉｎ
ｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｎ
ｇｉｎｅｅｒｓ，Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｊｏｈ
ｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．）（１９
９５）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。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。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。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。 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、 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
各結節点で方程式（１）を評価すると、次のようにな
る。結節点１で、 結節点２で、 結節点３で、 結節点４で、 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。 または ［ｋ］｛δ｝＝｛Ｆ｝．．．．（２） 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。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。 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（ｂｏｏｌ
ｅａｎ 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。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（２）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エア
パッケージを利用することにより行われる。ステップ１
４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。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。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。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。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。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。 ｛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。
［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（ｂｒａｉ
ｄｅｒ）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。繊維複合材料は、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。編組機ベッド及び／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、２
６２で説明されている。複合材料は、また、Ｃａｒｖｅ
ｒ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。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。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 ａｎｄＭａｎ
ｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」（著者：Ｂｅｄｗｏｒｔｈな
ど）に示されている。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 ｆｌｕ
ｘ）・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。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．Ｎａ
ｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ、８３、２８７９−２８
８３（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。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２００
０Ｎ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。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−Ｄ
ＥＡＳ（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ＩＢ
Ｍ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、ユニックスをベース
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ＧＥ９８００Ｃ
Ｔ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ＰＤ
Ａ−ＰＡＴＲＡＮフォーマット）へ直接変換され得る。
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、それぞれの
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エア・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、有限要素ソフトウエア・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エア・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エア・パッケージにはＭＳＣ／ＮＡ
ＳＴＲＡＮ（ＭａｃＮｅａｌ−Ｓｃｈｗｅｎｄｌｅｒ社
から入手可能）、ＡＢＡＱＵＳ（ＭａｃＮｅａｌ−Ｓｃ
ｈｗｅｎｄｌｅｒ社から入手可能）及びＡＮＳＹＳ（Ｓ
ｗａｎｓｏｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇから入手可
能）がある。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
エア・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。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。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
トウエア・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２
１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｝が磁気ベクトル・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。ステップ２５では、有
限要素ソフトウエア・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。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に
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６．９ｘ１０
１０Ｐａ、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、材料特性データベース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。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。このようなデータベースは工業の製造
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、Ａ
ＳＴＭ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。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。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。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 ｖｏｌ
ｕｍｅ）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。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。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。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８
０１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（ｌ
ｏｃａｔｉｎｇ 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。グラフィックプログラムは、好ましくは、適当
なベ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，Ｉ
ｎｃから入手可能）、ＣＡＴＩＡ（ＩＢＭから入手可
能）及びＡＮＶＩＬ−５０００（Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ
ｉｎｇ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｓｅｒｖｉｃｅｓから
入手可能）を挙げることができる。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、ＣＡ
Ｄ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−Ｓｃｈ
ｗｅｎｄｌｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可
能）、ＡＢＡＱＵＳ（ＭａｃＮｅａｌ−Ｓｃｈｗｅｎｄ
ｌｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能）及びＡ
ＮＳＹＳ（Ｓｗａｎｓｏｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎ
ｇから入手可能）を挙げることができる。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。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ベース（ｆａｃｔ ｂｅａｓ
ｅ）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（ｋｎ
ｏｗｌｅｄｇｅ ｂａｓｅ）により実行されるであろ
う。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８
０４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。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−Ｐ
Ｃ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 Ｇｒ
ａｐｈｉｃｓ）から入手可能なＵＮＩＸ（登録商標）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（登録商標）ディスクを使用して或いは標準通信
パッケージ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔ
ｉｏｎ 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８０
１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ＣＰ
Ｕ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。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９
５０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、例えば上記のベッドワース
（Ｂｅｄｗｏｒｔｈ）テキスト内で見ることができる。
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（捩り、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。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（ｆｌｅ
ｘ 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。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ベ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 ｍａｃｈｉ
ｎｅ）に供給されかつ編組機のベ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、編組機のベッド及び繊維の張
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（ｈ
ｉｐ 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。 ｛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
とポアソン比の関数である。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 ｉｎｔｈｅ Ｈｕｍａｎ Ｈｉ
ｐ Ｊｏｉｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅｄ Ｉｎ Ｖｉｖ
ｏ）」Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳ
Ａ，８３ ２８７９−２８８３（１９８６），及びスプ
リンガーバーラッグ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａ
ｇ）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，Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃ
ｓ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏ
ｆ Ｈｕｍａｎ Ｔｉｓｓｕｅ）」ＮＹ（１９８１）に
記載されている。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。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。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 アーンプラスティ（Ｔｈｅ Ａ
ｎａｔｏｍｙ ｏｆ Ｍｉｄｔｈｉｇｈ Ｐａｉｎ Ａ
ｆｔｅｒ Ｔｏｔａｌ Ｈｉｐ Ａｒｔｈｏｐｌａｓｔ
ｙ）」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。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（Ｃｏ
ｎｔａｃｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｈｕｍ
ａｎ Ｈｉｐ Ｊｏｉｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅｄ Ｉｎ
Ｖｉｖｏ）」Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ． Ａｃａｄ． Ｓｃ
ｉ． 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。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。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。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。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。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年４月４日（２００２．４．４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 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
【特許請求の範囲】
【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 Engi
neers, Third Edition, John Wiley andSons, 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】
【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】
【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】
【００１２】結節点２で、
【００１３】
【式４】
【００１４】結節点３で、
【００１５】
【式５】
【００１６】結節点４で、
【００１７】
【式６】
【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】
【００２０】または
【００２１】
【式８】
【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】
【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、９
０９、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「Ｃ
ｏｍｐｕｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」（著者：Bedwor
th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（brai
ding）、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．Ａｃａ
ｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ、８３、２８７９−２８８３（１９
８６）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５
Ｂ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−Ｄ
ＥＡＳ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２
１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７．２ｘ１０10
Ｐａ、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６
０１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（compositie
s）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 vector
s）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（Ma
nufacturing 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／ＮＡＳＴＲ
ＡＮ（MacNeal-Schwendler Corporationから入手可
能）、ＡＢＡＱＵＳ（MacNeal-Schwendler Corporation
から入手可能）及びＡＮＳＹＳ（Swanson Manufacturin
g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ＩＢ
Ｍ−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（SunMicrosystems）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ＣＰ
Ｕ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９０
０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 poin
t）（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）」Ｐｒｏ
ｃ．Ｎａｔｌ.Ａｃａｄ.Ｓｃｉ.ＵＳＡ，８３ ２８７
９−２８８３（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,Biomechanic
s,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 Mid
thigh 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５２０
７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 Jo
int Measured In Vivo）」Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａ
ｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，８３，２８７９−２８８３（１９
８６）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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ａ６３Ｂ 53/10 Ｂ６２Ｋ 19/00 Ｂ６２Ｋ 19/00 Ｂ６４Ｆ 5/00 Ｄ Ｂ６４Ｆ 5/00 Ａ０１Ｋ 87/00 ６３０Ｚ Ｆターム(参考） 2B019 AC00 2C002 AA05 CS05 MM02 PP05 5B046 AA04 CA04 JA08

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィ
    ールド｛ｆ｝に応じて発生する自動車の部品の製造方法
    により製造された自動車部品であって、 前記自動車部品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自動車部品の模型を数学的に
    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、 決定した前記製造パラメータに従って前記自動車部品を
    製造する段階と、を含む自動車部品。
  2. 【請求項２】 ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィ
    ールド｛ｆ｝に応じて発生する航空機の部品の製造方法
    により製造された航空機部品であって、 前記航空機部品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航空機部品の模型を数学的に
    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、 決定した前記製造パラメータに従って前記航空機部品を
    製造する段階と、を含む航空機部品。
  3. 【請求項３】 ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィ
    ールド｛ｆ｝に応じて発生する人工補綴インプラントの
    製造方法により製造された人工補綴インプラントであっ
    て、 前記人工補綴インプラント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人工補綴インプラ
    ント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、 決定した前記製造パラメータに従って前記人工補綴イン
    プラントを製造する段階と、を含む人工補綴インプラン
    ト。
  4. 【請求項４】 ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィ
    ールド｛ｆ｝に応じて発生するゴルフクラブシャフトの
    製造方法により製造されたゴルフクラブシャフトであっ
    て、 前記ゴルフクラブシャフト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ゴルフクラブシャ
    フト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、 決定した前記製造パラメータに従って前記ゴルフクラブ
    シャフトを製造する段階と、を含むゴルフクラブシャフ
    ト。
  5. 【請求項５】 ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィ
    ールド｛ｆ｝に応じて発生するテニスラケットの製造方
    法により製造されたテニスラケットであって、 前記テニスラケット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テニスラケットの模型
    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、 決定した前記製造パラメータに従って前記テニスラケッ
    トを製造する段階と、を含むテニスラケット。
  6. 【請求項６】 ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィ
    ールド｛ｆ｝に応じて発生する自転車フレームの製造方
    法により製造された自転車フレームであって、 前記自転車フレーム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自転車フレームの模型
    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、 決定した前記製造パラメータに従って前記自転車フレー
    ムを製造する段階と、を含む自転車フレーム。
  7. 【請求項７】 ポテンシャル｛ｘ｝が使用環境下のフィ
    ールド｛ｆ｝に応じて発生する釣り竿の製造方法により
    製造された釣り竿であって、 前記釣り竿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釣り竿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、 決定した前記製造パラメータに従って前記釣り竿を製造
    する段階と、を含む釣り竿。
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