JP4327609B2 - 多層化材料の製造の１次元モデル化 - Google Patents

Description

本発明は、製造プロセスのコンピュータモデル化などのコンピュータモデル化に関する。

任意の産業の製造環境において、製造プロセスの正確な制御がきわめて重要である可能性がある。無駄なプロセス制御は、所望の収率および品質レベルを満たさない製品を生じる可能性がある。さらに、不十分なプロセス制御では、原材料の使用や人件費などが増大するために、費用が著しく嵩む可能性がある。したがって、改良したプロセス制御を得ることを目指して、多くのメーカが製造プロセスに関する計算モデルまたはシミュレーションの開発を模索している。モデル化の専門家は、たとえば、種々のツールおよび種々のモデル化技術を用いて、計算モデルを開発することができる。モデル化技術としては、たとえば、有限要素解析、有限差分解析、ニューラルネットワーク、線形回帰、部分最小二乗（ＰＬＳ）、主成分分析などを挙げることができる。

一般に、本発明は、１次元計算技術を用いて、複合多層材料の製造に関する正確なモデルの作成および実行を提供する。さらに具体的に言えば、この技術を用いて、製造プロセス中の材料に関連する温度などのプロセスパラメータの変動を計算してもよい。

一実施形態において、本方法は、材料を製造するためのプロセスを分割するセグメントデータを受信して、１層以上の層を有する一連のセグメントにするステップを含み、セグメントデータが製造プロセス内で材料が通る経路に沿って、およびプロセスの少なくとも１つの構成要素の表面に沿って、製造プロセスを分割する。セグメントデータは、材料の層のほか、ローラおよびベルトなどの材料と接触する可能性があるプロセス内の構成要素の層も規定することができる。この方法は、セグメントの層の厚さに関するプロセスパラメータの計算値をさらに含む。方法は、規定されたセグメントおよび層に関する値を計算するために、１次元有限差分モデルなどの１次元モデルを呼び出すステップを含んでもよい。このような態様で、１次元モデル化技術を用いて、複合多層材料の製造をモデル化することができる。

他の実施形態において、本システムは、製造プロセスを規定し、層を有する一連のセグメントに製造プロセスを分割するセグメントデータを受信するためのユーザインターフェイスを具備し、セグメントデータは製造プロセス内で材料が通る経路に沿って、およびプロセスの少なくとも１つの構成要素の表面に沿って、製造プロセスを分割する。システムは、各層の厚さに関するプロセスパラメータに関する値を計算するために、計算エンジンをさらに具備する。

他の実施形態において、コンピュータ読取り可能媒体は、プロセッサに、製造プロセス内で材料が通る経路に沿って、およびプロセスの少なくとも１つの構成要素の表面に沿って、製造プロセスの一連のセグメントを規定するユーザからのデータを受信するためのユーザインターフェイスを提供させる命令を含み、セグメントデータがセグメントのそれぞれに関して１層以上の層を規定する。媒体は、セグメントの層の厚さに関するプロセスパラメータの計算値を計算するための命令をさらに含む。

本発明は、１つ以上の利点を提供することができる可能性がある。たとえば、本願明細書に述べるように、１次元モデル化技術を用いて、複合多層材料の製造をモデル化することができる。これらの技術は、多次元有限要素解析などのより複雑な技術より実質的に高速かつ正確である可能性がある。したがって、本技術をオフラインで用いて、製造プロセスを記述し、モデル化してもよく、または製造プロセスの実時間制御を行うために、製造環境内に本技術を組込んでもよい。

さらに、本技術を用いて、ウェブ、フィルム、シートなどのその長さおよび幅より実質的に小さい厚さの任意の材料の製造をモデル化することができる。本技術は、張力、歪み、硬化速度、溶剤比、結晶化度などの材料の厚さに関して変更することができる任意のプロセスパラメータに容易に適用されることができる。

本発明の１つ以上の実施形態に関する詳細は、添付図面および以下の説明に記載される。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明および図面、特許請求の範囲から明白となるであろう。

図１は、プロセス管理ソフトウェア４が製造プロセス６中、材料７内のプロセスパラメータの変動を計算するための計算エンジンを組込んだ実施例のシステム２を示すブロック図である。詳細には、計算エンジン８は、１次元計算技術を用いて、複合多層材料の製造に関する正確なモデルの作成および実行を行う。

材料７は、その長さおよび幅より実質的に小さい厚さを有する種々の異なるタイプの材料のいずれか１つを含むことができる。材料７は、たとえば、ウェブ、フィルム、シートなどを含んでいてもよい。技術は材料７の厚さに関する温度の変動のモデル化に関して、本願明細書に記載されるが、本技術は張力、歪み、硬化速度、溶剤比、結晶化度などの他のプロセスパラメータに容易に適用されることができる。

一般に、プロセス管理ソフトウェア４は、ワークステーションなどの計算装置または特定のプロセス制御ハードウェアによって提供される計算環境内部で実行する。プロセス管理ソフトウェア４は、材料７を製造するために、製造プロセス６を管理するための信号５を提供する。１つ以上のプロセスパラメータに関する計算値に基づいて、プロセス管理ソフトウェア４は、データ、閾値、目標レベル、製造プロセス６によって使用するための他の情報を制御することができる。さらに、プロセス管理ソフトウェア４は、プロセスデータ９を監視して記録することができる。プロセスデータ９は、温度、処理時間、速度、厚さ、流速、濃度、重量などの多種多様なプロセスパラメータを示すデータを含んでもよい。

以下に詳細に述べるように、ユーザインターフェイス１０により、モデリングエンジニアなどのユーザ１６は、１次元計算法を用いて材料７の変動をモデル化することができるように、製造プロセス６を１つ以上の個別のセグメントに分割するセグメントデータを提供することができる。詳細には、ユーザは、材料７が通る経路に沿って、および製造プロセス６内の構成要素の表面に沿って、計算エンジン８の１つ以上のルールに従って、製造プロセス６のセグメントを規定する。ユーザ１６は、材料の少なくとも１つの表面に関する境界条件が変化するとき、新たなセグメントを規定するためにセグメントデータを提供してもよい。たとえば、ユーザ１６は、材料７の表面が経路に沿って浴槽またはローラなどの製造プロセス６の新たな構成要素と接触するたびに、新たなセグメントを規定してもよい。別の例として、ユーザ１６は、第２の材料が材料７の表面の上に積層されるときに、材料７の新たなセグメントを規定してもよい。さらに、ユーザ１６は、製造プロセスの構成要素が第２の材料に接触するか、または境界条件における変化を受けるときに、新たなセグメントを規定してもよい。

各セグメントに関して、ユーザ１６は、材料７の平均速度、材料の平均厚さ、材料の１つ以上の表面に関する境界条件などの種々の情報を提供することができる。さらに、ユーザ１６によって与えられるセグメントデータは、セグメント内に導入され、１次元計算法によって検討しなければならない任意の層について記載する。たとえば、データは、材料７自体の層、製造プロセス６の構成要素の層またはそれらの任意の組合せについて記載してもよい。各層に関して、データは、厚さ、層の材料、初期条件などを記載してもよい。

さらに、ユーザ１６は、規定される層が遭遇する任意の曲率を記載するデータを提供してもよい。一般に、曲率データは、材料７が通る経路に対する各層に関する表面外形に対する角度変化を記述する。このような態様で、曲率データは、回転構成要素に接触するときなど、材料７が方向における変化を受けるときの、層の表面外形に対する任意の変化を扱う。曲率データは、たとえば、層が通る弧の半径を特定してもよい。各層に関して、ユーザ１６は、材料によって接触される回転構成要素の外形、材料７に対する構成要素の位置、巻き角、開始角度、最終角度などを与えてもよい。一部の層の場合には、曲率データは、通った経路に対する方向の変化を層が受けないという事実を反映することになる。

計算エンジン８は、示された層に関するプロセスパラメータの変動による曲率の影響を正確に計算するために、１次元計算法を適用する。計算エンジン８は、１次元計算法を適用して、温度および層の厚さなどの変動などのプロセスパラメータの変動をモデル化し、他の変動が層の境界条件において局所的なエッジ効果によって生じやすいことを認識する。言い換えれば、計算エンジン８はこの技術を用いて、各層の厚さが材料７内でプロセスパラメータのエッジ効果に対して優位を占める可能性があることを認識する。一実施形態において、計算エンジン８は、層にわたる一連の位置に関するプロセスパラメータの値を計算するために、有限差分モデルを呼び出す。

詳細に述べるように、一実施形態において、計算エンジン８は、層の曲率が近似しているか、または考慮されない場合より正確に、プロセスパラメータの変動をモデル化するために、曲率データを利用する。計算エンジン８は、たとえば、曲率データによって規定される弧の半径に対する層の厚さの比を計算してもよく、モデルの呼び出し時に、計算された比を利用してもよい。以下に述べるように、一実施形態において、計算エンジン８は各セグメントを平坦なセグメントとしてモデル化するので、ユーザ１６は曲率データを与える必要はない。各セグメントを平坦なセグメントとしてモデル化することは、プロセスの変動の正確さの劣る推定値を生じる可能性がある。しかし、この技術は、一部の環境では十分な推定値を提供することができ、計算リソースが少なくて済む可能性がある。

プロセスパラメータに関する計算値に基づいて、プロセス管理ソフトウェア４は製造プロセス６を制御する。さらに、ユーザインターフェイス１０は、ディスプレイ１２を介してユーザ１６に計算したプロセスパラメータを提示してもよい。入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置１９との対話によって、ユーザ１６は、モデルに対する種々の入力を調整して改良することができる。詳細には、以下に示すように、ユーザインターフェイス１０は、スライドバー、トグルスイッチまたはユーザ１６が曲率データ、セグメントデータ、境界条件などを調整することができるデータ入力フィールドなどの種々のＩ／Ｏ制御を表示してもよい。

製造プロセス６の実時間制御を行うためのプロセス管理ソフトウェア４の一部として示されているが、計算エンジン８およびユーザインターフェイス１０は、製造プロセス６をモデル化するためにオフラインで容易に用いることができる。このような態様で、計算エンジン８およびユーザインターフェイス１０は、製造環境内に組込む必要はない。

図２Ａは、複数のセグメントへの実施例の製造プロセス６の分割を示す概略図である。詳細には、新たなセグメントは、経路Ｐに沿って、およびプロセス６内の構成要素の表面に沿って規定される。たとえば、新たなセグメントは、材料７の表面に関する境界条件が変化するとき、たとえば、材料７の表面がローラ１８Ａ〜１８Ｄまたはエアジェット２４などの製造プロセス６の新たな構成要素と接触するときに規定されてもよい。境界条件における変化の別の実施例は、たとえば、ラミネーションプロセスなどにおいて、ニップローラ２２によって材料７上に材料２３を積層またはコーティングするなどの材料７の表面の上に第２の材料を積層することである。セグメント間の変わり目は、図２Ａの中では点線によって示される。

たとえば、製造プロセス６は、材料７の源で始まる第１のセグメントＳ１に分割され、たとえば、ダイ２０からローラ１８Ａに材料７が適用される。材料７がローラ１８Ａを離れると、セグメントＳ２が始まり、材料７の表面に関して境界条件の変化が生じる。材料７の前縁がローラ１８Ｂに接触するとき、セグメントＳ２が終わって、セグメントＳ３が始まる。セグメントＳ４は、材料７の後縁がローラ１８Ｂから離れる点で始まる。

同様に、ローラ１８Ｃは、２つの新たなセグメントＳ５、Ｓ６を導入する。セグメントＳ７は、材料７が液体浴槽２１に接触する点で始まる。浴槽２１内に位置するローラ１８Ｄは、セグメントＳ８、Ｓ９を生じる。セグメントＳ１０は、材料７が浴槽２１から離れる点で始まる。材料７がニップローラ２２と接触するときに、セグメントＳ１１が始まる。さらなる材料２３がニップローラ２２によって材料７の上に積層されるときに、セグメントＳ１２が始まる。最後に、材料７および材料２３がエアジェット２４に達するときに、セグメントＳ１３が始まる。

さらに、セグメントは、ローラ１８の非接触部分をモデル化するために規定されてもよい。たとえば、セグメントＳ１’は、ローラ１８Ａの非接触部分をモデル化するために規定される。同様に、セグメントＳ３’、Ｓ５’、Ｓ８’、Ｓ１１’、Ｓ１１”は、ローラ１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄおよびニップローラ２２の非接触部分をそれぞれモデル化する。このような態様で、計算エンジン８は、ローラの非接触部分の状態のために生じうるプロセスパラメータの変化を考慮する。

一部の状態において、回転構成要素は、複数のセグメントに影響を及ぼしうる。したがって、より複雑な製造プロセスの場合には、１つ以上の組の循環セグメントを規定することができる。

図２Ｂは、複数のセグメントへの別の実施例の製造プロセス６の分割を示す概略図である。詳細には、図２Ｂは、複雑な組の循環セグメントを規定することができる２つの具体的な状態を示す。たとえば、セグメントＳ１〜Ｓ８は、一連の循環セグメントを形成する。材料７が一連のセグメントを通るとき、第１のセグメント、たとえば、Ｓ１内で温度などのプロセスパラメータが、１つ以上の他のセグメント、たとえば、Ｓ８のプロセスパラメータによって影響されるという意味では、セグメントＳ１〜Ｓ８は循環と見なすことができる。別の例として、材料７は、異なる直径を有する３つのローラの周囲に巻き付けるベルトと接触する。この実施例において、セグメントＳ１１〜Ｓ２０は、一連の循環セグメントを形成する。

図２Ａおよび図２Ｂは、材料７の経路に回転部材を導入することにより、１つ以上の新たなセグメントを規定することになるという原理を示している。しかし、新たなセグメントは、プロセスパラメータに実質的に影響を及ぼさない部材に関して規定される必要があるとは限らない。たとえば、計算エンジン８は、材料７の温度まで急速に加熱する回転部材に関して新たなセグメントを規定することなく、材料７内の温度変動を正確にモデル化してもよい。

図３は、複数の層２５Ａ〜２５Ｃ（ここでは層２５）を含むためにモデル化される製造プロセスの実施例のセグメント２６に関して、計算エンジン８によって規定される有限差分グリッドの概略図である。詳細には、層２５Ａ、２５Ｂを有する材料が、温度制御ローラ２５Ｃによって移動される。したがって、セグメント２６は、３つの層２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ（ここでは層２５）を含むように規定される。

具体的なセグメント２６について記載するセグメントデータに関して、計算エンジン８は、層２５Ａ、２５Ｂおよびローラ２５Ｃの厚さによって配置される方向Ｚに沿って、一連の位置Ｌ₁〜Ｌ_J（ここでは位置Ｌ）を含むようなグリッドを規定する。計算エンジン８が層２５の境界付近でプロセスパラメータの急な勾配を捕捉し、層２５内で異なる間隔を規定することができるように、位置Ｌは不規則に離隔されていてもよい。この実施例において、計算エンジン８は、セグメント２６の層２５を５箇所、３箇所および７箇所にそれぞれ再分割し、合計１５箇所の位置を生じ、そのうち１３箇所は唯一である。

位置Ｌにおけるプロセスパラメータの値を計算するために、計算エンジン８は、他の変動が層の境界条件における局所的なエッジ効果によって影響されやすいことを認識する１次元計算法を呼び出す。したがって、層にわたる熱伝導に関するエネルギ式は、

のように書くことができる。

曲率データを利用すると、式は

のように書くことができる。
式中、ρ、ｋおよびＣ_Pは、各層内の定数であり、ｒは材料７の経路に沿って層が通る弧の半径を表す。図３に示されているように、ｒは回転構成要素の外径ｒ_ODに対して半径として指定されてもよい。以下の計算方法は、（１Ａ）および（１Ｂ）が交換可能に解くことができる新たな定式化を示す。各層に関する初期条件は一定であってもよく、または個別の値が各位置に割当てられてもよい。境界条件はまた、層の第１の表面および最後の表面に割当てられてもよく、一定の表面温度、対流または灰色体放射などの複数のオプションから選択されてもよい。
Ｔ_surface＝Ｔ_wall （２）
ｑ＝ｈ（Ｔ_surface−Ｔ_∞） （３）
ｑ＝εσ（Ｔ⁴ _surface−Ｔ⁴ _∞） （４）

これらの式において、ｈは対流係数であり、Ｔ_∞は周囲の温度であり、εは放射率であり、σはボルツマン定数である。一定の表面温度境界条件は実際には対流として導入され、対流係数は、一定の表面温度を確保するために、各時間ステップに関して内部で計算される。以下は、ｈに関する代表的な値である。

あるタイプのヒータでは、放射が、フィルムによって内部で吸収されるほか、表面でも吸収される。強度Ｉ_S（単位面積当たりの出力）を有する放射が表面に達する場合には、強度は、層の吸収係数κに応じて指数関数的に減少する。これは、逆数の長さを単位にして

と表現することができる。
式中、ｚは層の表面からの距離である。大半の材料の場合には、吸収係数は波長と共に変化するため、この平均吸収係数はある程度注意して用いなければならない。任意の位置におけるエネルギ吸収速度（単位体積当たり）は、以下の式

によって与えられる。

図３に示されているように、この技術は、層２５に対して有限差分グリッドを利用する。位置は、ｚ方向においてｊ＝１〜ｊｍａｘと番号をつけることができ、ｚ_j、ｒ_jとして表現される座標を有することができる。この技術は、ラグランジェ（Ｌａｎｇｒａｎｇｉａｎ）のアプローチを利用し、セグメントに対する計算ステップとして、材料７に関するｚ_j座標を移動させる。

ｚ_jおよびｔ_kを表すために、添え字ｊおよびｋを用いると、変数の値は、Ｔ_j、k、ｋ_j、k、および（ρＣｐ）_j、kとして書くことができる。他の節点の数量は、同様の態様で書かれる。

エネルギ式は、不均等な間隔のグリッドにおいて、熱伝導の項

または

の有限差分式を必要とする。ｋ_j+1/2は温度（Ｔ_j+1＋Ｔ_j-1）／２で導電率を表し、ｋ_j-1/2は同様に規定される。式は、新たな制御体積の定式化によって

のように近似される。
式中、相対的な節点領域および要素の体積を表す３つの新たな数量が、導入される。

（７ａ）が位置の差に関して表現されているため、ｚ_jおよびｒ_jは式（たとえばｚ_j−ｚ_j-1＝ｒ_j−ｒ_j-1）において交換可能であることに留意されたい。このようにして、１組の式において、湾曲した層および平坦な層を継ぎ目なく結合する目的が実現されることができる。したがって、ユーザ１６が曲率データを提供しない実施形態において、計算エンジン８は、各セグメントを平坦なセグメントとして、すなわち、Ａ_j＝１、Ｖ_j ⁺＝１およびＶ_j ^-＝１を設定することによって、容易にモデル化することができる。この態様において、各セグメントを平坦なセグメントとしてモデル化するために、（７ａ）は、以下のように書き直してもよい。

導電率値を位置間で評価することができるため、境界における平均導電率を計算する必要はない。エネルギ式を用いて、時間の導関数の十分に間接的な処理を用いる。これらの特徴によって、エネルギ式は、

となる。

したがって、境界における（ρＣ_p）_jの平均値は、以下のように計算することができる。

また、さらなる境界条件を考慮してもよい。２層が接触するとき、総エネルギが保存されるため、表面温度は平均化されることができる。２層ａ、ｂに関して、この平均接触温度は、以下のように書くことができる。

次に、式（７ａ）は、伝達項に関して代入することができる。層の底部または上部表面のいずれか、またはその両方から熱発生を生じる可能性があり、以下のようにモデル化されることができる。

表面において、これらの式は、境界条件を含むように変更することができる。

類似の調整は、最後の表面（ｊ＝ｊｍａｘ）に関して行うことができる。灰色体放射が所望である場合には、（１４）は

となる。各セグメントを平坦なセグメントとしてモデル化するために、（１６ａ）は、以下のように書き直してもよい。

一定の温度境界条件は、（１４）と類似の態様で実現されることができるが、対流係数に関しては局所的なビオ数３００を与えるほど十分に大きく計算されなければならない。ｈ＝３００ｓｑｒｔ（ｋρＣｐ／Δｔ）

セグメントの各層の総エネルギの変化は、セグメントの最初および最後で熱容量を比較することによって計算することができる。表面熱伝達は、セグメント内の各ステップの終わりで計算される。したがって、計算エンジン８は、層に関するプロセスパラメータの値を正確に計算するために、上述の１次元計算技術を呼び出すことができる。このような態様で、計算エンジン８は、複合多層材料の製造を正確にモデル化することができる。

図４は、プロセス管理ソフトウェア４の動作の実施例のモードと、詳細には、上述した計算技術を適用するための計算エンジン８を示すフローチャートである。最初に、計算エンジン８は、ユーザインターフェイス１０からセグメントデータを受信する（３０）。セグメントデータは、製造プロセス６を１つ以上の個別のセグメントに分割し、上述したような１次元計算法を用いて、材料７内の変動をモデル化することができる。各セグメントに関して、セグメントデータは、セグメントタイプ、セグメント名、平均ライン速度、平均ライン幅、セグメントの上の温度、セグメントの上の対流係数、セグメントの下の温度、セグメントの下の対流係数、セグメントの長さをはじめとする種々の情報を記載している。さらに、セグメントデータは、セグメント内に導入され、１次元計算法によって考慮される必要がある任意の層について記述する。たとえば、セグメントデータは、１層以上の層の材料のほか、ローラなどの材料と接触しうる製造要素によって導入される層を規定してもよい。

さらに、計算エンジンは、セグメントデータによって導入される層の任意の曲率を記載するデータを受信してもよい（３２）。提供されるのであれば、曲率データは、材料７が通る経路に対する各層の表面外形に対する角度変化を記述する。曲率データは、たとえば、層が通る弧の半径を指定してもよい。各層に関して、ユーザ１６は、材料によって接触される回転構成要素の外径、材料７に対する構成要素の位置、巻き角、開始角度、最終角度などを提供してもよい。一部の層に関して、曲率データは、通った経路に対する方向における変化を層が受けないことを反映する。以下の具体的なセグメントデータおよび曲率データは、２つのセグメントＳ１、Ｓ２を規定する。第１のセグメントは、材料の単独層、たとえば、ポリエステル溶融物を導入するが、第２のセグメントはポリエステル溶融物を保持するキャスティングホイールの層を導入する。キャスティングホイールの曲率データは、ホイールの外径のほか、ホイールの巻き角を表す。

セグメント１
タイプ：スパン
名前：カーテン
平均ライン速度：１３．７ｍ／分
平均ライン幅：０．７４７ｍ
上の温度：２３℃
上の対流係数：１０Ｗ／ｍ²
下の温度：２３℃
下の対流係数：１０Ｗ／ｍ²
作図点：１９
長さ：０．０５ｍ
層１：
名前：ＰＥＴシート
厚さ：２．３ｍｍ
開始温度：３０２℃
材料：ポリエステル溶融物
セグメント２
タイプ：ローラ
ローラ位置：下
名前：キャスティングロール
平均ライン速度：１３．７ｍ／分
平均ライン幅：０．７４７ｍ
上の温度：２３℃
上の対流係数：１０Ｗ／ｍ²
下の温度：３５℃
下の対流係数：１０００Ｗ／ｍ²
作図点：１９
外径：１．０ｍ
巻き角：９０°
ローラ層：１
層１：
名前：シェル
厚さ：１５．２ｍｍ
開始温度：３５℃
材料：鋼

上述したデータなどのセグメントデータおよび曲率データを受信後、計算エンジン８は、層に関するセグメントデータおよび曲率データに基づいて、規定された層の厚さに関するプロセスパラメータの値を正確に計算するために、１次元計算技術を呼び出す（３４）。示されているように、計算エンジンは、曲率データを利用する上述の計算方法を呼び出してもよく、または各セグメントを平坦なセグメントとしてモデル化する計算方法を呼び出してもよい。

ユーザインターフェイス１０は、計算値をユーザに表示してもよい（３６）。さらに、プロセス管理ソフトウェア４は、セグメントの計算値に応じて、たとえば、材料７に関する速度、圧力、体積または流速を制御することによって、製造プロセス６を制御してもよい（３８）。

図５は、複合多層材料の製造をモデル化するために、１次元計算法の適用をさらに示すフローチャートである。最初に、計算エンジン８は、製造プロセスの初期条件を受信する（４０）。たとえば、ユーザ１６は、組のセグメントのうち、第１のセグメント内に規定される位置に関する初期入力温度を提供してもよい。計算エンジン８は、ユーザ１６によって提供される初期条件に基づいて、入力ベクトルを設定することによってモデルを初期化し（４２）、現在のセグメントカウンタを第１のセグメントに設定する（４４）。

次に、計算エンジン８は、現在のセグメントのために規定される層に関して、温度などのプロセスパラメータの予測値の出力ベクトルを計算するために、１次元モデルを呼び出す（４６）。上述したように、計算エンジン８は、層にわたる位置のグリッドにおける値を計算するために、１次元有限差分式を呼び出してもよい。

値の出力ベクトルを計算した後、計算エンジン８は、現在のセグメントに関するセグメントデータが、一連の循環セグメントの最後のセグメントを規定するかどうかを決定する（４８）ことによって、安定な状態値を計算してもよい。その場合には、計算エンジン８は、終了基準が組を満たしているかどうかを設定する（５０）。そうでない場合には、計算エンジン８は、組において現在のセグメントを第１のセグメントに設定し（５１）、出力ベクトルに基づいて、入力ベクトルを設定する（５２）。計算エンジン８は、終了基準が満たされるまで、モデルを繰り返し呼び出す。たとえば、計算エンジン８は、反復している間の予測値内の変化が所定の閾値未満に減少したかどうかを決定してもよい。別の例として、層に関する温度変動をモデル化する際に、計算エンジン８は、回転構成要素に残っている総熱量が回転構成要素に入る総熱量の所定の閾値内であるかどうかを決定してもよい。

終了基準が満たされた場合（５０における「ＹＥＳ」の分岐）、またはセグメントがセグメントのサイクルにおける最後のセグメントでない場合（４８における「ＮＯ」の分岐）には、計算エンジン８は、すべてのセグメントがモデル化されたかどうかを決定する（５４）。そうでない場合には、計算エンジン８は、現在のセグメントの出力ベクトルのに基づいて、次のセグメントに関する入力ベクトルを設定し（５６）、次に現在のセグメントカウンタを経路に沿って次のセグメントに更新する（５８）。計算エンジン８は、セグメントのすべてがモデル化されるまで、各セグメントに関してモデル化技術を繰り返す。

図６は、ユーザ１６が１つ以上のセグメントを有する製造プロセスを規定するために対話するユーザインターフェイス１０によって提示される実施例のウィンドウ６０を示している。実施例において、ユーザ１６は、プロセスを５つのセグメント６４に分割するために、入力領域６２内にセグメントデータを入力している。さらに、ウィンドウ６０は、ユーザ１６が材料７の１層以上の層６８について記載するために対話する第２の入力領域６６を含む。

図７は、ユーザ１６が特定のセグメントに関してさらに詳細なデータを提供するために対話するユーザインターフェイス１０によって提示される実施例のウィンドウ７０を示している。示された実施例において、ユーザ１６は、回転部材を含む「ローラ（ＲＯＬＬＥＲ）」と名づけられた現在のセグメントに関するセグメントデータを入力している。回転部材に関してウィンドウ７０によって取得されるセグメントデータは、材料７に対する回転部材の位置、部材の名前、セグメント内の材料７の平均ライン速度および幅、セグメントの上および下の境界温度および対流係数、セグメントに関する作図点の数、セグメントの長さを含むことができる。さらに、ウィンドウ７０は、回転部材のシェルなどのセグメントによって導入される任意の層７２について記述するセグメントデータを取得する。

さらに、ウィンドウ７０は、ユーザが製造プロセス６にわたって材料７が通る経路に対して層の曲率を記載するさらなるデータを提供するために対話する入力領域７４を含む。たとえば、ユーザ１６は、回転部材の周囲の弧を通る層の巻き角、回転構成要素の外径、新たな層の開始角度、現在の層の最終角度などをはじめとする曲率データを入力してもよい。図８は、曲率データの一部を提供する際に、ユーザ１６を支援するために、ユーザ１６が「拡張（ＡＤＶＡＮＣＥＤ）」ボタン７６（図６）を選択する際に、ユーザインターフェイス１０によって提示される実施例のウィンドウ８０を示している。

図９は、回転部材によって提供される層を記述するデータを取得するために、ユーザインターフェイス１０によって提示される実施例のウィンドウ９０を示している。詳細には、ウィンドウ９０は層の名前、厚さ、開始温度および材料を取得する。同様に、図１０は、材料７の層を記述するデータを取得するために、ユーザインターフェイス１０によって提示される実施例のウィンドウ１００を示している。ユーザは、開始セグメントおよび終了セグメントと層を関連付けることができる。このような態様で、層は、複数のセグメントに伸びるように記載されることができる。

図１１は、ユーザ１６がモデル化されるプロセスパラメータに影響を及ぼしうる製造システム６内の他の構成要素について記述するために対話するユーザインターフェイス１０によって提示される実施例のウィンドウ１１０を示している。この実施例において、ユーザ１６は、経路に沿って材料７の流れに平行に熱を導入する熱源を規定する。この構成要素に関して、ウィンドウ１１０は、気温、ライン速度、空気の速度などを含む種々のデータを取得する。

図１２は、セグメントデータによって規定される各層の厚さに関するプロセスパラメータの具体的な計算値を示すユーザインターフェイス１０によって提示されるグラフ１３０である。図１３は、各層に関して計算エンジン８によって規定される有限差分位置に対する各セグメント内のプロセスパラメータの変動を示すユーザインターフェイス１０によって生成されるグラフ１４０である。

本発明の種々の実施形態が記載されてきた。これらの実施形態および他の実施形態は、特許請求の範囲内にある。

プロセス管理ソフトウェアが複合多層材料内のプロセスパラメータの変動を計算するために、１次元モデルを呼び出すための計算エンジンを組込んだ実施例のシステムを示すブロック図である。 複数のセグメントに分割した実施例の製造プロセスを示す概略図である。 複数のセグメントに分割した別の実施例の製造プロセスを示す概略図である。 複数の層を有する実施例のセグメントによる有限差分グリッドを示す概略図である。 プロセス管理ソフトウェアおよび計算エンジンの動作の実施例のモードを示すフローチャートである。 複合多層材料の製造をモデル化するための１次元計算法の適用をさらに示すフローチャートである。 １つ以上のセグメントを有する製造プロセスを規定するために、ユーザが対話するユーザインターフェイスによって示される実施例のウィンドウを示す。 ユーザが特定のセグメントに関するさらに詳細なデータを提供する実施例のウィンドウを示す。 ユーザが選択した層に関するさらなる曲率データを提供することができる実施例のウィンドウを示す。 回転部材によって形成される層を示すデータを捕捉するための実施例のウィンドウを示す。 材料の層を示すデータを捕捉するための実施例のウィンドウを示す。 ユーザがモデル化されるプロセスパラメータに影響を及ぼす可能性がある製造プロセス内の他の構成要素を示す実施例のウィンドウを示す。 １次元計算法による各セグメント内のプロセスパラメータに関する計算値を示すユーザインターフェイスによって作成されるグラフである。 １次元計算法による各セグメント内のプロセスパラメータに関する計算値を示すユーザインターフェイスによって作成されるグラフである。

Claims (7)

1. １次元計算技術を用いて、複合多層材料の製造に関するモデルの作成の方法において、
   ユーザからのセグメントデータを受信するステップであって、前記セグメントデータは製造プロセスを一連のセグメントに分割し、かつセグメント各々を複数の層を有するように形成しており、前記製造プロセスには多層の材料を製造することが含まれていて、そして前記セグメントデータは、前記製造プロセス内で前記材料が通る経路に沿っておよび前記プロセスの少なくとも１つの構成要素の表面に沿って、前記製造プロセスを分割する、ユーザからのセグメントデータを受信するステップと；
   前記セグメントデータの関数として、該セグメント各々の層の寸法に関するプロセスパラメータの値を計算するステップであって、計算エンジンが前記プロセスパラメータの値の計算を実行し、そして前記セグメントデータが前記多層の材料の層又は前記製造プロセスにおける前記多層の材料に接触する一つ以上の構成要素の層、又はそれらの組合わせを規定するようになっている、プロセスパラメータの値を計算するステップと、を含む方法。
2. 前記プロセスパラメータの値を計算する段階が、前記複数の層に関する位置のグリッドの有限差分式を評価するステップを含んでいて、前記有限差分式が、
   

   

   を含み、
   式中、
   

   

   

   

   である、請求項１に記載の方法。
3. さらに、前記複数の層に関する曲率のデータを受信するステップと、
   前記プロセスパラメータにもとづいて前記製造プロセスを制御する段階であって、前記プロセスパラメータの値は１次元の有限差分モデルを用いて、前記曲率の逆数として前記複数の層に関するプロセスパラメータに対して計算される、請求項１又は２に記載の方法。
4. コンピュータ読取り可能媒体が命令を含んでいて、
   該命令は、プロセッサに対して：
   製造プロセス内で多層の材料が通る経路に沿って、および前記プロセスの少なくとも１つの構成要素の表面に沿って、製造プロセスの一連のセグメントを規定するユーザからのデータを受信するためのユーザインターフェイスを提供させ、前記セグメントの前記データが前記セグメントのそれぞれに関して前記多層の材料の層又は前記プロセスにおける前記多層の材料に接触する一つ以上の構成要素の層、又はそれらの組合わせを規定することと；
   前記セグメントの前記層の厚さに関するプロセスパラメータの値を計算させることと；を行なわせるようになっている、
   コンピュータ読取り可能媒体。
5. 前記プロセスパラメータの値は１次元計算モデル前記セグメントデータに適用することにより、各セグメントの層の厚さに関するプロセスパラメータに対して計算される、請求項４に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
6. システムが：
   製造プロセスを規定し、前記製造プロセスを複数の層を有する一連のセグメントに分割するセグメントデータであって、前記製造プロセス内で前記材料が通る経路に沿って、および前記プロセスの少なくとも１つの構成要素の表面に沿って、前記製造プロセスを分割するセグメントデータを受信するためのユーザインターフェイスと；
   前記一連のセグメントの前記複数の層の厚さに関するプロセスパラメータの値を計算するために、１次元モデルを呼び出すための計算エンジンと；
   を含むシステム。
7. 前記計算エンジンにより適用された前記１次元モデルは、前記一連のセグメントの前記複数の層の厚さに関してプロセスパラメータの値を計算するために前記セグメントに適用された１次元計算モデルである、請求項６に記載のシステム。

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