特許 6490344 多機能構成要素のための付加的輪郭最適化製造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6490344

(24)【登録日】2019年3月8日

(45)【発行日】2019年3月27日

(54)【発明の名称】多機能構成要素のための付加的輪郭最適化製造

(51)【国際特許分類】

   G06F 17/50 20060101AFI20190318BHJP

【ＦＩ】

   G06F17/50 604H

   G06F17/50 620Z

【請求項の数】18

【全頁数】34

(21)【出願番号】特願2014-52871(P2014-52871)

(22)【出願日】2014年3月17日

(65)【公開番号】特開2014-197393(P2014-197393A)

(43)【公開日】2014年10月16日

【審査請求日】2017年3月7日

(31)【優先権主張番号】61/792,734

(32)【優先日】2013年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/955,606

(32)【優先日】2013年7月31日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】597102912

【氏名又は名称】シコルスキー エアクラフト コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＳＩＫＯＲＳＫＹ ＡＩＲＣＲＡＦＴ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】アーロン ティー．ナーディ

(72)【発明者】

【氏名】タハニー イブラヒム エル‐ワーダニー

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル ヴィー．ヴィエンズ

(72)【発明者】

【氏名】マシュー イー．リンチ

(72)【発明者】

【氏名】アルトゥール スー

(72)【発明者】

【氏名】マイケル エー．クレッカ

(72)【発明者】

【氏名】ウェンジオン グ

【審査官】 平野 崇

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１４０４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０６４９７２（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２００６−１０７５１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ １７／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロセッサを備える計算装置によって、構成要素に関連する複数の設計制約および製造制約であって、設計制約が構成要素の所望の性質を含み、製造制約が構成要素を作成する製造技術によって課される制約を含む、複数の設計制約および製造制約を受け取り、
計算装置によって、候補となる構成要素仕様を生成するように複数の変数に亘って設計最適化方法に従って設計制約および製造制約を統合し、
計算装置によって、構成要素の最終仕様を生成するよう設計制約における変動に従って候補となる構成要素仕様を最適化するように表面最適化を実行する、
ことを含むことを特徴とする方法。

【請求項2】

付加的製造機械において最終仕様を受け取り、製造制約に対応する付加的製造技術を用いて最終仕様に従って構成要素を作成する、ことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。

【請求項3】

設計制約は、構成要素の寸法、構成要素の表面、および使用中の構成要素の荷重経路の組み合わせを含み、
製造制約は、必要な支持体および留め具のマッピングに加えて、製造中の構成要素に関連する視線、構成要素に関連する角度、構成要素の垂直面と隣接面の間の角度、構成要素に関連する公差、およびツール特徴部の組み合わせを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。

【請求項4】

設計最適化方法は、重量、信頼性、性能、複雑さ、および費用のうちの少なくとも１つによって特定されることを特徴とする請求項１記載の方法。

【請求項5】

最終仕様は、取扱い仕様、製造仕様、組み立て仕様、および使用仕様のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。

【請求項6】

計算装置によって、構成要素の最終仕様を生成するときに、設計制約および製造制約および設計最適化方法を構成要素の多機能最適化と統合することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。

【請求項7】

多機能最適化は、構成要素の少なくとも２つの競合する要求に基づく最適化を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。

【請求項8】

最終仕様に従って構成要素を製作することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。

【請求項9】

製作された構成要素を最終品目に実装することをさらに含み、最終品目は、航空機および航空機のアッセンブリのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。

【請求項10】

少なくとも１つのプロセッサと、
格納された命令を有するメモリと、
を備える装置であって、少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、
構成要素に関連する複数の設計制約および製造制約であって、設計制約が構成要素の所望の性質を含み、製造制約が構成要素を作成する製造技術によって課される制約を含む、複数の設計制約および製造制約を受け取り、
候補となる構成要素仕様を生成するように複数の変数に亘って設計最適化方法に従って設計制約および製造制約を統合し、
構成要素の最終仕様を生成するよう設計制約における変動に従って候補となる構成要素仕様を最適化するように表面最適化を実行する、
ことを特徴とする装置。

【請求項11】

少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、最終仕様を付加的製造機械に送ることを特徴とする請求項１０記載の装置。

【請求項12】

設計制約は、構成要素の寸法、構成要素の表面、および使用中の構成要素の荷重経路の組み合わせを含み、
製造制約は、製造中の構成要素に関連する視線、構成要素に関連する角度、構成要素の垂直面と隣接面の間の角度、構成要素に関連する公差、および留め具特徴部の組み合わせを含むことを特徴とする請求項１０記載の装置。

【請求項13】

設計最適化方法は、重量、信頼性、性能、複雑さ、および費用のうちの少なくとも１つまたは複数によって特定されることを特徴とする請求項１０記載の装置。

【請求項14】

最終仕様は、取扱い仕様、付加的製造プロセス仕様、組み立て仕様、および使用仕様のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１０記載の装置。

【請求項15】

少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、構成要素の最終仕様を生成するときに、設計制約および製造制約および設計最適化方法を構成要素の多機能最適化と統合することを特徴とする請求項１０記載の装置。

【請求項16】

多機能最適化は、構成要素の少なくとも２つの競合する要求に基づく最適化を含むことを特徴とする請求項１５記載の装置。

【請求項17】

少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、最終仕様に従って構成要素を付加的に製造することを特徴とする請求項１０記載の装置。

【請求項18】

少なくとも１つのプロセッサによって実行されるときに請求項１記載の方法を実行する処理命令を格納したコンピュータ可読媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、一般に多機能構成要素のための付加的輪郭最適化製造に関する。

【0002】

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１３年３月１５日に出願された「多機能構成要素のための相加的輪郭最適化製造」という名称の米国仮出願第６１／７９２，７３４号の利益を主張し、該出願の全内容は、参照することで本願に組み込まれる。

【背景技術】

【0003】

付加的製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（ＡＭ）は、この２０年来研究されてきており、現在かなりの注目を受けている。さまざまな印刷技術（例えば、３次元または３Ｄ印刷技術）を用いて部品が製造されている。例えば、シート溶接（ｓｈｅｅｔｉｎｇ ｗｅｌｄｉｎｇ）、ワイヤ溶接（ｗｉｒｅ ｗｅｌｄｉｎｇ）、レーザおよび電子ビーム溶融を介する粉末床または粉末堆積での溶融、および粉末を用いる射出が全て用いられてきた。これらの技術は、幾何学的な複雑さの程度はさまざまであるが、一般に、従来の機械加工に比較して制約がほとんどない。付加的製造に関連してコールドスプレーを用いることも考えられている。各種の技術には、特に固体状態処理、微粒子構造、および機械的特性に関して長所および短所がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

剛性、重量、および応力などの１つまたは複数の基準またはパラメータに基づいて、構成要素の設計を最適化するために、別々に、コンピュータ技術および最適化技術を用いることができる。構成要素はしばしば、従来の機械加工では製造が困難または不可能な複雑な形状を有する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

開示の実施例は、プロセッサを備える計算装置によって、構成要素に関連する複数の設計制約および製造制約であって、設計制約が構成要素の所望の性質を含み、製造制約が構成要素を作成する製造技術によって課される制約を含む、複数の設計制約および製造制約を受け取り、計算装置によって、候補となる構成要素仕様を生成するように複数の変数に亘って設計最適化方法に従って設計制約および製造制約を統合し、計算装置によって、構成要素の最終仕様を生成するよう設計制約における変動に従って候補となる構成要素仕様を最適化するように表面最適化を実行する、ことを含む方法に向けられる。

【0006】

開示の実施例は、少なくとも１つのプロセッサと、格納された命令を有するメモリと、を備える装置に向けられており、少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、構成要素に関連する複数の設計制約および製造制約であって、設計制約が構成要素の所望の性質を含み、製造制約が構成要素を作成する製造技術によって課される制約を含む、複数の設計制約および製造制約を受け取り、候補となる構成要素仕様を生成するように複数の変数に亘って設計最適化方法に従って設計制約および製造制約を統合し、構成要素の最終仕様を生成するよう設計制約における変動に従って候補となる構成要素仕様を最適化するように表面最適化を実行する。

【0007】

開示の実施例は、プロセッサを備える計算装置によって、修理される構成要素の指示を受け取り、計算装置によって、親材料と修理材料の間の境界面位置を最適化するとともに材料特性の差異を吸収する移行部を設計することによって構成要素の仕様を最適化するように形状最適化を実行する、ことを含む方法に向けられる。

【0008】

開示の実施例は、１つまたは複数のプロセッサを用いて本願に開示された１つまたは複数の方法を実施するための処理命令で符号化されるコンピュータ可読媒体に向けられる。

【0009】

開示の実施例は、本願に開示された１つまたは複数の方法に従って製作された最終品目に向けられる。

【0010】

さらなる実施例は以下に記載される。

【0011】

本開示は、実施例によって例示されており、同様の参照符号が同様の要素を示す添付の図面に限定されない。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】１つまたは複数の実施例による例示的な計算システムを示す概略ブロック図である。

【図2】１つまたは複数の実施例による例示的な方法を示す流れ図である。

【図3】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレープロセスを用いて堆積された材料を示す断面図である。

【図4】１つまたは複数の実施例による付加的輪郭最適化製造プロセスのための枠組みおよび流れ図を示す図である。

【図5A】１つまたは複数の実施例による設計最適化方法用の複数のモデルを統合するためのアーキテクチャを示す図である。

【図5B】１つまたは複数の実施例による例示的な複数モデル統合方法を示す流れ図である。

【図6】１つまたは複数の実施例によるブラケットおよび印加動的荷重を示す図である。

【図7】図６のブラケットの主要な破損位置における応力勾配または移行の予測を示す図である。

【図8A】１つまたは複数の実施例による最適化枠組みを用いて図６のブラケットを設計する例示的な方法を示す流れ図である。

【図8B】１つまたは複数の実施例による最適化枠組みを用いて図６のブラケットを設計する例示的な方法を示す流れ図である。

【図9A】１つまたは複数の実施例による湾曲したスプレー経路に従う部品をスプレーするために使用されるノズルを示す図である。

【図9B】１つまたは複数の実施例による湾曲したスプレー経路に従う部品をスプレーするために使用されるノズルを示す図である。

【図9C】１つまたは複数の実施例による湾曲したスプレー経路に従い作成される脚部を示す図である。

【図9D】１つまたは複数の実施例による湾曲したスプレー経路に従い作成される脚部を示す図である。

【図10A】１つまたは複数の実施例による堆積を示す図である。

【図10B】１つまたは複数の実施例による堆積を示す図である。

【図10C】１つまたは複数の実施例による堆積を示す図である。

【図10D】１つまたは複数の実施例による堆積を示す図である。

【図10E】１つまたは複数の実施例による堆積を示す図である。

【図10F】１つまたは複数の実施例による堆積を示す図である。

【図10G】１つまたは複数の実施例による堆積を示す図である。

【図10H】１つまたは複数の実施例による堆積を示す図である。

【図11A】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー堆積を示す図である。

【図11B】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー堆積を示す図である。

【図11C】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー堆積を示す図である。

【図11D】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー堆積を示す図である。

【図11E】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー堆積を示す図である。

【図11F】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー堆積を示す図である。

【図11G】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー堆積を示す図である。

【図12A】１つまたは複数の実施例による設計空間を示す図である。

【図12B】１つまたは複数の実施例による設計空間を示す図である。

【図12C】１つまたは複数の実施例による設計空間を示す図である。

【図13】１つまたは複数の実施例による図１２の設計空間内の輪郭最適化結果を示す図である。

【図14A】１つまたは複数の実施例による構成要素または装置を製作するための設計進行を示す図である。

【図14B】１つまたは複数の実施例による構成要素または装置を製作するための設計進行を示す図である。

【図14C】１つまたは複数の実施例による構成要素または装置を製作するための設計進行を示す図である。

【図14D】１つまたは複数の実施例による構成要素または装置を製作するための設計進行を示す図である。

【図14E】１つまたは複数の実施例による構成要素または装置を製作するための設計進行を示す図である。

【図15A】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー付加的製造用に解釈される、図１４Ａ〜図１４Ｅの構成要素／装置用の結果として得られた輪郭最適化を示す図である。

【図15B】１つまたは複数の実施例によるコールドスプレー付加的製造用に解釈される、図１４Ａ〜図１４Ｅの構成要素／装置用の結果として得られた輪郭最適化を示す図である。

【図16A】１つまたは複数の実施例によるスプレー直後の図１４Ａ〜図１４Ｅの構成要素／装置を示す図である。

【図16B】１つまたは複数の実施例による後機械加工後の図１４Ａ〜図１４Ｅの構成要素／装置を示す図である。

【図17A】１つまたは複数の実施例によるメッシュに関連する厚みの変更と角度付き形態変更距離の間の三角関係を示す図である。

【図17B】１つまたは複数の実施例によるメッシュに関連する厚みの変更と角度付き形態変更距離の間の三角関係を示す図である。

【図17C】１つまたは複数の実施例によるメッシュに関連する厚みの変更と角度付き形態変更距離の間の三角関係を示す図である。

【図17D】１つまたは複数の実施例によるメッシュに関連する厚みの変更と角度付き形態変更距離の間の三角関係を示す図である。

【図17E】１つまたは複数の実施例によるメッシュに関連する厚みの変更と角度付き形態変更距離の間の三角関係を示す図である。

【図17F】１つまたは複数の実施例によるメッシュに関連する厚みの変更と角度付き形態変更距離の間の三角関係を示す図である。

【図17G】１つまたは複数の実施例によるメッシュに関連する厚みの変更と角度付き形態変更距離の間の三角関係を示す図である。

【図18A】１つまたは複数の実施例による堆積角を増加させるためのコールドスプレー処置を表すコールドスプレー堆積断面および形態変更を示す図である。

【図18B】１つまたは複数の実施例による堆積角を増加させるためのコールドスプレー処置を表すコールドスプレー堆積断面および形態変更を示す図である。

【図18C】１つまたは複数の実施例による堆積角を増加させるためのコールドスプレー処置を表示するコールドスプレー堆積断面および形態変更を示す図である。

【図19】１つまたは複数の実施例による単一材料形状最適化に適用される形態変更を示す図である。

【図20】１つまたは複数の実施例による形状最適化結果から、最適重量と最適最大主要応力表示の間の効率境界表示を示す図である。

【図21】１つまたは複数の実施例による最初の部品およびさまざまな最大主要応力制約を受ける形状最適化部品を示す図である。

【図22A】１つまたは複数の実施例による付加的製造プロセス用の輪郭最適化概念解釈を示す図である。

【図22B】１つまたは複数の実施例による付加的製造プロセス用の輪郭最適化概念解釈を示す図である。

【図23】１つまたは複数の実施例による例示的な方法を示す流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下の説明や図面（その内容は、参照することで本開示に含まれる）において要素間のさまざまな関係が述べられることが留意される。これらの関係は一般に、特にそれ以外の指示がない限り、直接的または間接的となる可能性があることが留意され、そして本明細書はこの点に関して限定されることを意図していないことが留意される。この点に関して、エンティティ（ｅｎｔｉｔｙ）間の結合は、直接的または間接的関係にあてはまる。

【0014】

付加的輪郭最適化製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（ＡＴＯＭ）を容易にする装置、システム、および方法の例示的な実施例が記載される。ＡＴＯＭは、１つまたは複数の設計ツール（例えば、輪郭最適化）と付加的製造技術の特徴を組み合わせて、どちらかのツール／技術だけを用いるより良好な統合された成果を与えることができる。いくつかの実施例では、最大の結果を実現するために、設計ツールは、付加的製造技術またはプロセスの特徴を最適化に組み込んで、最適化された結果に基づき付加的プロセスを選択することができる。さらに、例えば、強度要求、摩擦学要求、および重量要求を含む多機能構成要素では、これらの特性をより良く仕上げるように１つの材料から別の材料に構造の等級を上げることができる場合、変動を吸収するように１つまたは複数のアルゴリズムに柔軟性を持たせることができる。

【0015】

ＡＴＯＭは、本願に記載された特徴のいずれをも含むことができ、従来の設計および製造プロセスに比較して改善されている統合された成果を提供することができる。例えば、ＡＴＯＭを用いることで、付加的製造プロセスだけで作成することができるより軽量で、より強く、かつより良好な性能の構成要素を生成することができる。

【0016】

図１を参照すると、例示的な計算システム１００が示されており、計算システム１００は、本発明の態様により設計ツールおよび／または輪郭最適化を実施する。システム１００は、メモリ１０２を備えるものとして示される。メモリ１０２は、データ１０４を格納することができる。メモリ１０２は、本発明の態様による輪郭最適化を実施するために使用される実行可能命令を格納することができる。実行可能命令は、１つまたは複数のプロセス、ルーチン、処置、方法、その他などに関連して、任意の仕方でかつ任意の抽象レベルで格納または組織化されることができる。図１には、一例として、構造の少なくとも一部が第１のプログラム１０６ａおよび第２のプログラム１０６ｂに関連するものとして示される。

【0017】

メモリ１０２に格納される命令は、プロセッサ１０８などの１つまたは複数のプロセッサによって実行されることができる。プロセッサ１０８は、１つまたは複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置１１０に接続されることができる。いくつかの実施例では、１つ（または複数）のＩ／Ｏ装置１１０は、キーボードまたはキーパッド、タッチスクリーンまたはタッチパネル、ディスプレイスクリーン、マイクロホン、スピーカー、マウス、ボタン、リモートコントローラ、ジョイスティック、プリンタ、電話機またはモバイル機器（例えば、スマートホン）、センサ、その他のうちの１つまたは複数を含むことができる。１つ（または複数）のＩ／Ｏ装置１１０は、本発明の態様による仕様の生成においてユーザがシステム１００と相互作用することを可能にするインターフェースを提供するように構成されることができる。

【0018】

図示のように、仕様は、ＡＭ機械１２０に伝えられ、ＡＭ機械１２０は、最終品目を製作するために仕様に従ってＡＭ技術を実行する。全ての態様において必要とはされないが、ＡＭ機械１２０は、仕様を解釈し、ロボット、プリンタ、レーザ、または同様のものなどを用いて材料を適用して層またはコーティングとして材料を付加してＡＭ最終品目を作製するための他の要素を制御する、プロセッサを備えることができる。ＡＭ機械１２０は、エンドユーザが仕様をＡＭ機械１２０に再入力またはアップロードする場合など、手動で、または、有線および／または無線ネットワークを介してデジタルで、仕様を受け取ることができる。システム１００の一部として図示されているとはいえ、仕様を生成するシステム１００の要素とは別の位置にＡＭ機械１２０がある場合などでは、ＡＭ機械１２０をシステム１００から離すことができることは理解される。

【0019】

システム１００は例示である。いくつかの実施例では、１つまたは複数のエンティティを任意選択とすることができる。いくつかの実施例では、図示されていない付加的なエンティティを含むことができる。例えば、いくつかの実施例では、システム１００は、１つまたは複数のネットワーク、すなわち、構成要素を作製するようＡＴＯＭを用いて製造を最適化するように輪郭最適化を実行するツールと通信するものなどに関連することができる。いくつかの実施例では、エンティティは、図１に示されているものとは異なる仕方で配列または組織化されることができる。図１に示される１つまたは複数のエンティティは、本願に記載される１つまたは複数の装置またはエンティティに関連することができる。

【0020】

ここで図２を参照すると、例示的な方法２００の流れ図が示される。方法２００は、本願に記載されているもの（例えば、図１のシステム１００）などの１つまたは複数の構成要素、装置、またはシステムに関連して実行されることができる。方法２００は、１つまたは複数の構成要素に最適な設計を達成するように使用されることができる。そのような構成要素は、設計に従って製造されることができる。

【0021】

ブロック２０２において、構成要素について１つまたは複数の制約（例えば、製造制約、環境制約、使用制約、その他）を特定することができる。例えば、構成要素の寸法、表面、視線、角度（例えば、最小または最大角度）、垂直面と隣接面の角度、公差、およびツール特徴または制約のうちの１つまたは複数をブロック２０２の一部として特定することができる。

【0022】

ブロック２０４において、設計を生成することができる。設計は、ブロック２０２の制約に基づくことができる。例えば、ブロック２０４の一部として、複数の変数に亘って全体的に最適な設計を特定するように、場合によっては繰り返しアルゴリズムの一部として、これらの複数の変数を変化させることができる。変数は、例えば、構成要素の機能または構成要素の製作に関連することが可能な１つまたは複数の物理学に基づくモデルなどの１つまたは複数のモデルに関連することができる。信頼性、性能、複雑さ、および費用などの１つまたは複数の要因またはパラメータに従って最適設計を決定することができる。

【0023】

ブロック２０６において、設計は、多機能使用に最適化されることができる。例えば、ジェットエンジンタービンディスクとして使用される構成要素の文脈では、いわゆる「クリープ動作」を緩和するためにディスクの縁部において粗い微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有することが第１の要求となることが可能である。他方では、第２の要求は、ディスク破裂の可能性を低減するためにディスクのボアまたは中心において細かい微細構造を有することになることが可能である。従って、開示の態様は、両方の（計算）要求に適合するディスク設計を得るために使用されることができる。

【0024】

ブロック２０８において、１つまたは複数の仕様を生成および／または出力（例えば、１つまたは複数のＩ／Ｏ装置１１０に出力）することができる。ブロック２０８の仕様は、上述したブロック２０２〜２０６のうちの１つまたは複数に関連するデータまたは情報などの１つまたは複数の入力に基づくことができる。ブロック２０８の仕様は、１つまたは複数の取扱い仕様、製造または組み立て仕様、使用仕様、その他を含むことができる。そのような仕様は、最終用途に依存して電子的にまたは印刷された計画を用いて格納されることができる。

【0025】

ブロック２１０において、ブロック２０８の仕様に従って構成要素を製作することができる。

【0026】

ブロック２１２において、ブロック２１０の製作された構成要素を航空機のアッセンブリまたは航空機それ自体などの最終品目に実装することができる。

【0027】

方法２００は例示である。いくつかの実施例では、１つまたは複数のブロックまたは操作（またはその一部）を任意選択とすることができる。いくつかの実施例では、図示されていない付加的な操作を含むことができる。いくつかの実施例では、操作は、図示されているものとは異なる順序または配列で実行されることができる。

【0028】

開示の実施例は、付加的に製造される構成要素のために構造上の最適化設計を複数のスケール／複数の物理学のシミュレーションコードが実行することを可能にする最適化枠組みを提供することができる。枠組みは、概念設計用に剛性を最大化するように輪郭最適化を利用することができ、他方では、形状最適化を用いて改良を達成することができる。コールドスプレーを付加的製造プロセスとして選択することができ、その制約は、最適化スキームにおいて特定されかつ含まれることができる。後続の最適化の問題は、応力−寿命疲労解析に集中することができる。例示的な実施例では、構成要素重量を最大２０％だけ低減することができ、他方では、応力を最大７５％だけ低減することができ、剛性を最大３７％だけ向上させることができる。プログラムは、Ａｌｔａｉｒソフトウェアおよび社内ローディングコードを用いて構築されることができる。最適化設計は、コールドスプレープロセスによって作製されることができる。

【0029】

当業者は、３Ｄ印刷とも呼ばれる付加的製造（ＡＭ）がデジタルモデルから直接物体を作製する一層一層の技術であると理解するであろう。ＡＭ技術は、低費用製品アッセンブリと、複雑な形状／幾何学、複雑な材料組成、および設計された特性勾配を有する任意の数の製品の構築とを可能にする。現在の研究は、所望の性能を実現するために、形状、幾何学的中間構造（ｍｅｓｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）および微細構造の作成にＡＭプロセスおよび設計探査方法を統合しようと努める。製造制約は、堆積速度、精度、表面幾何学、公差、壁厚および特徴部大きさ、材料特性、および材料の範囲などの、ＡＭプロセスに関連する性能および制限に基づいて定義されることができる。使用可能なＡＭ技術の例としては、限定される訳ではないが、シート溶接、ワイヤ溶接、レーザおよび電子ビーム溶融を介する粉末床または粉末堆積での溶融、粉末を用いる射出、およびコールドスプレーが挙げられる。堆積技術としてコールドスプレーの代わりにまたはコールドスプレーに加えて他のＡＭ技術を使用できることは理解されるので、コールドスプレーに限定されずに例示の目的で以下にコールドスプレーについて検討する。

【0030】

ＡＭ最適化枠組みは、製作される構成要素の予備的な設計段階のために設計および解析ツールを体系的に配列および合併することができる。要求されまたは特定される性能を実現するために物理現象を相互作用させることで制御されるＡＭ構成要素を設計するように多目的最適化枠組みを使用することができる。先進の枠組みは、ＡＭプロセスの機能的分解に基づくことができる。枠組みはまた、概念設計プロセスを裏付けるとともにそれによって設計の初期段階での意思決定を助けるさまざまな物理原理および一般的な下位機能を特定することができる。

【0031】

いくつかの実施例では、コールドスプレーＡＭプロセスによく適合した設計を作成するために最適化技術を使用する先進の最適化枠組みが提供される。高度に荷重が掛けられるブラケットを再設計し、作成するために、組み合わされた輪郭最適化（ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）（ＴＯ）方法およびＡＭプロセスを使用することができる。ＡＭプロセスは、従来のシート金属形成に取って代わることができる。概念設計のための多物理プログラミングスキームを以下に記載する。概念設計の間に、予め定義された設計領域として全体構造を考慮する際の関連する困難を解決するために、複数荷重、複数レベルＡＭ制約、重量および疲労応力制約を結合することができる。ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔおよびＨｙｐｅｒＳｔｕｄｙを含むＨｙｐｅｒｗｏｒｋｓの市販のＡｌｔａｉｒ（登録商標）ソフトウェアパッケージを使用することができる。設計分野（ｄｅｓｉｇｎ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ）およびＡＭプロセス要求の統合を実現することができる。

【0032】

ＡＭが特徴部の配列を提供する間に、ＡＭは、特有な一組の製造可能性判断を検討することを必要とすることができる。ＡＭは、従来の製造では存在しない以下のような新たな制約を必要とすることができる。

【0033】

ワークピース支持体設計： ＡＭは、上に材料を堆積させることができる支持構造を必要とすることができる。支持体設計および堆積後のその除去は、ＡＭにおいて重要な問題になることが可能である。

【0034】

材料堆積制約： 図３は、コールドスプレープロセスを用いて堆積される材料の断面を示す。さまざまな形状は、堆積後の可能な材料断面の例である。図３はまた、ＡＭにより作成される構成要素を設計する際に材料堆積の角度を含ませることを必要とすることが可能であることを示す。

【0035】

構成要素からの堆積ノズル隙間： 構成要素の幾何学および課せられた支持体設計は、ノズルの物理的空間および移動を説明する必要がある。

【0036】

仕上げ： 粉末の堆積後には、粗い表面状態を実現することができる。後機械加工を必要とすることができ、設計制約に含ませることができる。

【0037】

製造目的関数： 最適化枠組みの目的関数における制約として製造費用を導入することができる。

【0038】

上述のように、付加的輪郭最適化製造プロセスのための枠組みを開発することができるが、そこでは、ＡＭによって製作される構成要素の予備的な設計段階のために設計および解析ツールを体系的に配列および合併することができる。図４に示される枠組みの実施例は、２つの主要な段階を含む。第１の段階４０２は、概念段階に関連することができ、第２の段階４５２は、詳細な設計段階に必要なステップを定義または提供することができる。

【0039】

設計およびＡＭ要求４０６を両方とも概念生成段階４０２に入力することができる。これらの要求４０６は、ＴＯモデリング方法および設計空間４１０のために概念制約および目的４０８を定義することができる。ＴＯ設計４１０は、製造可能性要求４１１の関数とすることができ、次いで、解釈を案内するＡＭプロセス特徴を用いて１つ（または複数）のコンピュータ支援設計／コンピュータ支援製図ツール（ＣＡＤ）４１２において解釈されることができる。部品性能および応力状態を決定するためにＣＡＤモデル４１２上で有限要素解析（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）（ＦＥＡ）を実行することができる。ＣＡＤモデル４１２は、場合によっては繰り返しプロセスの一部として、詳細な概念解析４１３の関数とすることができる。特定の多物理モデルを含め、形状最適化方法を用いる設計オプティマイザモジュール４５４を次いで活性化することができる。プロセスは、新たな設計が目的を満足させるまで、繰り返されることができる。部品性能を向上させるために機能傾斜（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｇｒａｄｉｎｇ）モジュール４１４を使用することもできる。設計解釈は次いで、提案された設計が疲労解析を含め全ての要求を満足させるまで、設計を変更し、解析を繰り返すように、利用されることができる。そのために、方法は、主に設計技術者の入力に依拠することができる「概念段階」４０２と、１つまたは複数のツール（例えば、自動化ソフトウェアツール）を用いて設計に関連するパラメータを最適化することができる「設計段階」４５２とに分割されることができる。

【0040】

ＴＯ４１０は、設計概念へと解釈されることができる「概念部品」を出力することができる。設計概念は、設計変数のベクトルｘ＝（ｘ１，ｘ２，，ｘｎ）へと「パラメータ化可能」なものとすることができる。設計オプティマイザ４５４は、全ての制約が満足されるように目的関数ｆ（ｘ）に従って最適ｘ^*を見出そうと努めることができる。次いで、より広い設計空間が有益となるであろう臨界領域を特定するように、概念部品の詳細な評価（例えば、ＦＥＡ）を実行することができる。機能傾斜（例えば、機能傾斜４１４）をこの方法の中へ組み込むこともできる。材料またはそれらの厚みについての個別の決定などの傾斜を制御するパラメータは、次いで最適化されることができる決定変数として特定されることができる。いったん一組の設計変数が決定されると、目的関数ｆ（ｘ）は、完全にｘによって表現されることを必要とすることができ、同様に、制約は、完全に設計変数によって表現されることを必要とすることができる。一組の制約は、（１）繰り返し設計最適化方法プロセスの間に評価されることができる明示的な制約と、（２）設計オプティマイザ４５４からは除かれることができ、明示的な制約から必然的に生じる制約である暗黙的な制約とに分割されることができる。明示的な制約の例は、明確な値を有する変数、例えば、応力＜１００ｋｓｉ、厚み＝０．５インチ、とすることができる。暗黙的な制約の例は、漠然とした変数、例えば、孔が存在するか、コールドスプレー部品の断面が特定の形状（例えば、台形）か、その他の状態、とすることができる。

【0041】

いくつかの実施例では、設計オプティマイザ４５４が、最適化設計ｘ^*を出力した後に、場合によっては１つまたは複数の機能的または多物理モデル４５７に基づいて、暗黙的な制約が満足されるかについての確認または判断を行うことができ４５６。１つまたは複数の暗黙的な制約が満足されない場合（４５８）、暗黙的な制約に対する違反の回避を目的とする代用制約４６０を一組の明示的な制約に追加することができる。代用制約４６０は、計算によっては評価するのが一般的により困難な別の一組の１つまたは複数の制約として同様の機能関係を表すように最適化において使用されることができる。ある場合には、代用制約４６０は正確であり、また別のある場合には、機能関係は近似的であり、正確なモデルによって確認されることを必要とすることができる。

【0042】

最適化モデルを定式化する際には、一組の制約を満足させながら目的を最大化する一組の決定変数を見出すことを目標とすることができる。理想的には、決定変数と制約制限の明示的な関係を制約が直接表現することができるという意味において制約は全て明示的であるとすることができる。しかしながら、決定変数間の関係の一部が比較的複雑でそれらを閉じた形態の式で明示的に表現できない場合があり得る。従って、提案された一組の決定変数が実行可能な解を与えるかを試験するようにモデルを走らせまたは実行することはできるが、制約を式として明示的に表現するのは困難または不可能でさえあり得る。例えば、性質（例えば温度）を出力する計算流体力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）（ＣＦＤ）モデルを１時間走らせることができ、次いで、温度が制限を超えるかを判断するように試験を実行することはできるが、直接的に決定変数によって制約を表現するのは困難または不可能であり得る。制限に対する（明示的な制約のように）式としてキードライバ（ｋｅｙ ｄｒｉｖｅｒ）を表現するために代用制約４６０を使用することができ、ドライバは、決定変数の効果に関係し、制限は、実験的に決定されることができる。温度が制限を超えないことを実際の制約が保証する場合、ヒートシンクの寸法（例えば、三次元空間での寸法ｘ、ｙ、ｚ）を温度に直接関連させる式が存在しないことが可能であろう。その代わりに、ｘ、ｙ、ｚを仮定すると、熱流を刺激し、温度を出力するモデルが存在することが可能である。温度が物体の質量に関連することが知られている場合、代用制約４６０は、（ｘ^*ｙ^*ｚ^*密度によって与えられる）質量が少なくとも最小質量Ｍとなることが可能であることを表現することができる。代用制約４６０は次いで、ｘ^*ｙ^*ｚ^*密度≧Ｍとなることが可能である。Ｍの値は、詳細なモデルを用いて実験的に決定されることができる。ある与えられたＭの値では、多物理モデル（４５７および／または４６２）からの詳細なモデルは、特定の一組の決定変数が実行不可能であり（すなわち、温度が高すぎ）、制限が十分にきびしいものでないことが可能であろうことを示す。詳細なモデルにおいて解がかろうじて実行可能となる点まで代用制約４６０における制限をきびしくする（すなわち、Ｍを増大させる）ことができる。

【0043】

いくつかの実施例では、設計オプティマイザ４５４を明示的および代用４６０制約の両方で再度走らせまたは再実行させることができ、製造可能性制約（例えば、製造可能性要求４１１）を挿入することになる。設計オプティマイザ４５４は、１つまたは複数の機能的または多物理モデル４６２を呼び出し、異なる解を検討することができる。モデル４６２は、応力歪みモデル、温度勾配モデル、伝熱モデル、空気力学モデル、化学反応モデル、拡散モデル、その他のうちの１つまたは複数を含むことができる。モデル４６２は、与えられた解の性能（例えば、応力、変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ））を評価することができ、従って、さまざまなモデルシナリオの下で設計を評価するために最終部品が経験することができるさまざまな可能性のあるシナリオの一連の試験を提供することができる。設計オプティマイザ４５４は、設計空間を探査することができ、（明示的な）制約を満足させながら与えられた目的関数を最適化する最適解で一般に終了することができる。設計オプティマイザ４５４は、特定の一組の設計変数が検討される「内部ループ」と、別の一組の設計変数が検討される「外部ループ」とを有することができる。内部ループ最適化は、ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔによって実行されることができ、外部ループは、特注のものが使用可能である。

【0044】

暗黙的な制約が満足された（４５８）と仮定すると、満足の行く設計が得られたかの判断を行うことができる（４７０）。満足の行く設計が得られた場合（４７０）、プロセスの流れは、停止または終了することができる。そうでなくて、満足の行く設計が得られていない場合（４７０）、概念を再解釈する必要があるかの判断を行うことができる（４２０）。概念を再解釈する必要がある場合（４２０）、流れは、機能傾斜へと進むことができる（４１４）。そうでなくて、概念を再解釈する必要がない場合（４２０）、（新たな）設計要求（４０６）を生成するために設計要求を再定義することができる（４２２）。

【0045】

さまざまな形態の物理性質を評価するために非常に多くのツールが利用可能であるとすることができる。ツールは、最適化枠組み（例えば、図４の枠組み）内に統合されることができる。いくつかの実施例では、異なる多物理／複数モデル４５７、４６２に繰り返しごとに協力して走らされるように要求するためにソフトウェア（例えば、ＨｙｐｅｒＳｔｕｄｙソフトウェア）を使用することができる。この設定では、ソフトウェアは、疲労解析に基づく形状最適化のためユーザレベルかつソルバーニュートラル（ｓｏｌｖｅｒ−ｎｅｕｔｒａｌ）で多分野の（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ）探査、調査、および最適化を可能とすることができる。

【0046】

図５Ａは、図４の設計オプティマイザ４５４において実行されるものなどの設計最適化方法のための複数のモデルを統合するために使用することができるアーキテクチャの実施例を示す。アーキテクチャは、上述したソフトウェアに基づくことができる。１つまたは複数のモデル５０２が、調査エンジン（ｓｔｕｄｙ ｅｎｇｉｎｅ）５０４への入力として役立つことができる。調査エンジン５０４は、１つまたは複数の変形体（ｖａｒｉａｎｔ）５０６を生成することができる。変形体５０６および調査エンジン５０４は、結果５１０を生成することができる１つまたは複数のシミュレーション５０８を駆動することができる。結果は、調査エンジン５０４によって抽出されることができる。調査エンジンは、場合によっては１つまたは複数のパラメータ、感度、モデル強健性（ｍｏｄｅｌ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）、その他によってまたは基づいて結果を調査５１２することができる。

【0047】

図５Ｂは、複数モデル統合方法の流れ図を示す。ブロック５５２において、有限要素（ＦＥ）モデルを生成することができる。

【0048】

ブロック５５４において、目的関数および設計制約を決定または特定することができる。

【0049】

ブロック５５６において、例えば、主題の構成要素の形状を生成するために、ＴＯを実行することができる。

【0050】

ブロック５５８において、形状が許容可能であるかの判断を行うことができる。もしそうでないならば、場合によってはブロック５６０において１つまたは複数の制約を変更した後で、流れはブロック５５４に進むことができる。形状が許容可能である場合、流れはブロック５６２に進むことができる。

【0051】

ブロック５６２において、構成要素に関して大きさの最適化を実行することができる。

【0052】

ブロック５６４において、目的関数および設計制約を決定または特定することができる。

【0053】

ブロック５６６において、性能制約が満足されるかの判断を行うことができる。もしそうでないならば、流れはブロック５６０に進むことができる。性能制約が満足される場合、流れはブロック５６８に進むことができ、方法は終了することができる。

【0054】

いくつかの実施例では、設計プロセスは、機能要求および性能制約の定式化で開始し、次いで、概念設計、最適化を続け、最後に構成要素の詳細となることができる。異なる構成要素が、適用荷重に対する大きさにされることができ、重量または疲労について他の要因を考慮して最適化されることができる。設計に影響を及ぼす要因は、直接的または間接的に性能要求、構成要素レイアウト、選択材料、および付加的製造方法から生じることができる。付加的製造プロセスのための設計最適化方法における要求は、以下の性能制約：（１）構造性能制約（例えば、許容可能応力、重量、剛性、荷重、疲労性能、熱負荷、変形および歪み、動的性質、メッシュ選択）、（２）ＡＭプロセスにより作成される材料の特性（例えば、耐食性、結合強度、機械的および熱的性質）、および（３）ＡＭ制約（例えば、支持構造の設計、堆積精度、表面仕上げおよびｚ方向機械的性質、最小特徴部大きさ制約、張り出し制約）に分割されることができる。

【0055】

本発明の態様による設計最適化方法の適用の実施例を図６〜図８に関連させて説明する。この実施例では、本開示の態様は、１つまたは複数のソフトウェアパッケージを用いて構造マウント（ブラケット６０２）などの破損した構成要素を再設計するために使用されることができる。ブラケット６０２は、動的荷重条件下で構造シェルに構成要素を取り付けるために使用されることができる。ブラケット６０２を製作するために現在はシート金属形成を利用することができる。図６は、ブラケット６０２および印加される動的荷重を示しており、印加される動的荷重によって、ブラケット６０２の面は変形して、ボルト止めされた領域に沿って応力集中が生じる可能性がある。

【0056】

現在の設計を確認し、高い応力および破損の領域を特定するためにシェル要素を用いる有限要素モデルを開発することができる。応力状態および変形を予測するためにマウント表面とブラケットの間の接触相互作用を用いる非線形幾何学弾性塑性解析を使用することができる。解析に使用される動的荷重は、図６に示される。取り付け表面を剛体としてモデル化することができ、面接続が構造的に重要であると仮定することができる。

【0057】

図７は、ブラケット６０２の主要な破損位置における応力勾配または移行の予測を示す。図７は、破損ブラケット６０２の図を含み、破損位置が予測とよく対応することを示している。

【0058】

最適化枠組みは、ＦＥ結果、設計の要求、材料選択、およびコールドスプレー制約に基づくことができる。図８Ａ、図８Ｂは、選択されたブラケット６０２を設計し、製造するためにＡＭおよび輪郭最適化を組み合わせるのに用いられる方法を示す。

【0059】

最初のまたは予備的なステップとして、与えられた設計要求を取得することができ、概念レベルにおいて適用される制約の部分集合を抽出することができ、この制約の部分集合は、１）幾何学制約（設計空間）、２）境界面制約、３）最小特徴部大きさ制約、４）性能制約が満足される必要がある荷重条件、および、５）性能制約、とすることができる。一般的なプロセス流れは、全体体積が荷重経路に参加するのに適している領域を定義することによって開始されることができる。次いで、領域は、ＦＥＡのためにメッシュ化されることができ、荷重および仕様を与えることができ、ＴＯを走らせることができる。

【0060】

設計空間（図８Ａ、項目１）は、可能な除去を受ける所定の体積の材料とすることができる。全体領域は、解析に参加することができ、より重要でない部分を除去することができる。設計空間の設定は、ＡＭ制約を組み込む最初の機会となることが可能である。残りは、最も効率的に荷重に耐える材料である輪郭最適（図８Ａ、項目２）とすることができる。ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔソフトウェアパッケージは、ＴＯを走らせる上でユーザによって特定される特定の製造制約を実施することができ、付加的製造制約を組み込むように変更されることができる。ＴＯステップからの結果は、最適化部品の概略図を提供することができ、ＡＭプロセス、要求される部品性能、および寿命に適合するように解釈されることができる。

【0061】

設計解釈（図８Ａ、項目３）は、設計者の判断および経験を受けることができる。ＡＭのためにＴＯ結果を解釈するための規則は、たいてい明確でなく、プロセスに依存して変わる可能性がある。コールドスプレー設計規則の開発および実施は、ＴＯ結果の設計解釈を制御することができる。この設計のＦＥ解析は、４０％だけの最大応力の低減を示すことができ、設計は、ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔソフトウェアを用いて行われる後続の形状最適化の基礎として使用されることができる。微調整のために解釈された設計を使用することは、しばしば「形状最適化（ｓｈａｐｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）（ＳＯ）」と呼ばれる。ＳＯは、ＦＥＡのためにメッシュ化されたソリッドモデルで開始することができる（図８Ｂ、項目４）。設計者は、最適化するようにメッシュ化されたモデルのパラメータを特定することができる。次いで、設計者は、メッシュ化するように形態変更（ｍｏｒｐｈ）を適用することができ、特徴部の寸法を増減するようにＦＥＡメッシュを文字通り伸縮させることができる。ＨｙｐｅｒＭｅｓｈソフトウェア内のＨｙｐｅｒＭｏｒｐｈツールを用いて複数の形態変更を同時に適用することができる。最大許容可能応力などの制約を設定することによって、および最小部品重量などの最適化目的を設定することによって、設計応答も含ませることができる。ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔは、設計変数として個々の各形態変更を処理することによって、かつ制約に違反せずに目的を実現するように各形態変更の最適適用を見出すことによって実行されることができる。完全な有限要素シミュレーションは、ＳＯの１つまたは複数の繰り返しで実行されることができ、最大応力のさらなる低減は、最大で７５％の全低減につながることができ、最初の構成から最大で２１％の質量低減となる。

【0062】

図８の流れの一部として、ＳＯを用いる材料の機能傾斜を実行することができる（図８Ｂ、項目５）。支持体を調製することができ（図８Ａ、項目６）、コールドスプレーを用いて構成要素／ブラケットを製作することができる（図８Ａ、項目７）。

【0063】

上述したように、輪郭最適化（ＴＯ）および形状最適化（ＳＯ）は、非常に効率的な構造のための材料の最適使用を提案する処置である。付加的製造（ＡＭ）は、おそらくＴＯ／ＳＯによって特定されるように、３Ｄ位置に物理的に材料を配置する能力を有する。ある場合には、ＡＭは、非常に複雑な設計を製造する唯一の方法となることが可能である。両方の技術の統合は、従来の製造に比較して優れた性能を実現するように開かれた設計空間と関連して実行されることができる。ＴＯ／ＳＯをＡＭと統合する仕方を学ぶことは、２つのプロセスが一緒に働いてそれらの組み合わされた能力を最大化する場合、重要な仕事となることが可能である。この仕事の挑戦は、ＡＭプロセスが物理学および方法において非常に変わる可能性があるので、増大することが可能である。例えば、コールドスプレーＡＭプロセスは、レーザ溶融ＡＭプロセスに比較して形状が大幅に変わる構造を作成することができる。

【0064】

本願ではコールドスプレーＡＭ構造のための設計および構造最適化ガイドラインが開示される。ＴＯ、提案されたガイドラインを用いる設計解釈、およびコールドスプレー特徴と一致する形態変更を用いるＳＯを含む、コールドスプレーのための部品の設計および最適化の実行可能性が記載される。応力と質量の間にはトレードオフが存在する可能性があるが、組み合わされたプロセスは、最初の部品よりずっと軽くなる能力（例えば、重量の２０％の低減）で、よりずっと低い応力（例えば、少なくとも１つの例示的な実施例では最大応力において３Ｘの低減）となる構造を提供または生成することを、解析は示す。設計ガイドラインを特定し、ＴＯ結果を解釈し、かつＳＯを適用する一般的な方法は、コールドスプレーの他に、他のスプレー堆積技術などの他のＡＭプロセスに直接的または間接的に適用可能であるとすることができ、部品設計および製造において相乗効果的な効率をもたらすことができる。

【0065】

ＡＭのためのコールドスプレーにおいて新しく浮上しつつある重要性と、ＴＯ／ＳＯの急速に発展しつつある力および能力を考慮すると、２つの間の論理的関係は、どのようにしてコールドスプレーのためのバルク部品を設計するか、およびどのような考慮が部品を最適化するのに必要か、である。本開示の態様は、コールドスプレーＡＭプロセスのための幾何学的設計ガイドラインおよびＴＯ／ＳＯ方法を開発し、ＴＯ／ＳＯと共にまたはＴＯ／ＳＯなしでコールドスプレーによって作成されるバルク部品の将来の設計のための理論的下地を作る。実際的なＴＯ／ＳＯ部品設計のための本願に記載される一般的な原理は、コールドスプレーおよび／または他のＡＭプロセスに同様に適用されることができる。コールドスプレーは、他のプロセスによって共有されることができる制約を受ける可能性があり、従って、コールドスプレーに関連する１つまたは複数の技術の記載は、そのような他のＡＭプロセスに適用可能であるとすることができる。

【0066】

コールドスプレーのための非網羅的な一組の設計および構造最適化ガイドラインが（以下にさらに詳細に記載される特定の問題の設計解に関して）以下のように提供される。

【0067】

（１）平面トラスおよび平面特徴部の使用を最大化すること。

【0068】

（２）滑らかな湾曲および最小のスプレー分裂のために異なる平面上の特徴部間の漸進的な移行部を可能とすること。

【0069】

（３）コールドスプレーノズルおよび特徴部の間の視線、離れて位置する要求を含む平面スプレー経路、および衝突回避を可能とすること。

【0070】

（４）適用可能ならば、アッセンブリ構成要素間の漸進的な移行のための湾曲した脚部を使用すること。

【0071】

（５）特徴的なコールドスプレー堆積角を表すように台形、三角形、または他の幾何学的断面を使用すること。

【0072】

（６）断面アスペクト比に基づいて制限された厚みを実施すること。

【0073】

（７）除去可能な３Ｄ基材のために設計すること。

【0074】

ある場合には、ロボットとコールドスプレーブースの物理的寸法とを仮定するだけで、ほとんど制限のない複数の軸を用いて所定の空間内でノズル（例えば、図３のノズル）をロボットが動かすことができる。しかしながら、単一の平面内におけるロボットによる移動は、（ａ）経路をプログラムする際に一般に実行がより容易であり、（ｂ）結果としてより良好な材料特性を有するより均一な堆積が一般に得られる。

【0075】

部品のコールドスプレーは、連続的に行われることができ、平面特徴部の要求の可能性があるにもかかわらず、１つの平面から他の平面への多少の移行部が生じることが可能である。移行部は、不断のスプレーで生じることが可能である。連続した移行部は結果として、滑らかで湾曲した堆積となることが可能である。外部表面上の角張った移行部は、粒子堆積の性質に起因して可能とすることはできないであろう。外部表面上の角張った移行部は、応力集中の観点から賢明ではない可能性があろう。

【0076】

部品は、コールドスプレーノズルと堆積される特徴部との間の視線を可能とするスプレー計画を念頭において設計されることができる。曲線をスプレーする場合は、凹部側から部品のスプレーを試みることは、図９Ａに示すようにノズル９０２と堆積９０４の間の衝突につながる可能性があるので必ずしも成功するとは限らない可能性がある。凸部側からのスプレーは、図９Ｂに示すように、ノズル９０２が堆積９０４と衝突しないのでより安全な方法となることが可能である。しかしながら、スプレーを凹部側で行う必要がある場合の可能性もある。設計者は、凹部表面に対する最大角度基準を用いる可能性を含め、そのような場合を最もよく取り扱うための判断を行うことができる。

【0077】

ＴＯ解は、トラス状構造を含むことができ、隣接するアッセンブリ構成要素に結合するトラスは、以下にさらに記載するように、「脚部」として記載することができる。コールドスプレー構成要素間の視線および漸進的な移行のための要求の可能性に基づいて、そのような特徴部を近似するコールドスプレー堆積は、脚部を形成するようにトラスの平面からアッセンブリの平面内へと徐々に移行することができる。このような仕方で生成された２つの脚部が、脚部９２２を示す図９Ｃと、脚部９４２を示す図９Ｄとに示される。コールドスプレー堆積後に留め具用孔９２４、９４４が穿孔され、端ぐりされることができる。図９Ｃに示すように、脚部９２２は、図９Ｂのように配置されるノズル９０２によって作成される、推奨される凸部側のスプレーを表すことができる。図９Ｄに示すように、脚部９４２は、ノズル経路計画で適切な用心をすることで可能となる、図９Ａのように配置されるノズル９０２によって作成される凹部側からスプレーされることができる。

【0078】

図１０を参照すると、コールドスプレー堆積１００２〜１００６はしばしば、堆積の側面において侵食によって生じる特性角度θを有する断面を有する。図１０Ａ〜図１０Ｃは、いくつかの実施例を提供する。本開示においてこれらの断面１００２〜１００６は、台形（図１０Ｄ）として近似され、図１０Ｅに示すように設計構造１０２０内へ組み込まれることができる。必要ならば、材料および処理条件に基づいて、円弧などの他の断面形状がより適切となり、類似の処理で実施されることが可能である。

【0079】

図１０Ｆは、断面（例えば、断面１００２〜１００６）の厚みにおける制限について例示する。可能な最大の高さ対幅の比（左側）（１０３０）において、断面は、可能な最大高さｈ_maxにあるので、台形ではなく三角形となる。到来する粉末による堆積の侵食は、さらなる堆積を妨げることができる。幅が大きくなるにつれて、ｈ_maxは、以下の式（１）：

【0080】

【数1】

【0081】

に従って増大することができる。

【0082】

従って、中央および右側にある２つの断面（それぞれ、１０３４、１０３８）は、ｈ＜ｈ_maxなので、台形となる。最大高さにある堆積１０３０および最大高さよりずっと低い高さにある非常に広い幅の堆積（例えば、１０３８）の実施例がそれぞれ、図１０Ｇ（１０４０）、図１０Ｈ（１０４８）に示される。

【0083】

コールドスプレー堆積の特性角度は、基材が平坦である（図１１Ａ）（１１０２）かまたは急激に落ち込んでいる（図１１Ｂ）（１１０４）かに依存して異なる動きをすることが可能である。特に、堆積角は、基材が平坦な場合は浅くなるが、基材が落ち込んでいる場合は鋭くなる傾向があることが可能である。そのような鋭い落ち込みで製作されたコールドスプレーサンプル１１２０が図１１Ｃ〜図１１Ｅに示される。落ち込みは、基材の設計（図１１Ｃ）によって規定されることができる。堆積は、基材からともかくも除去される場合（図１１Ｄ）、急な角度の付いた台形断面で独立することができる（図１１Ｅ）。角度は、コールドスプレーされる材料の種類によって変わることができる。落ち込んでいる基材は、より鋭い角度に起因して、平坦な基材に比較してより大きな設計空間を開放することができる。

【0084】

図１１Ｃ〜図１１Ｅは、コールドスプレーによる部品の３Ｄ製作のための基材として役立つ支持体を示す。コールドスプレーノズルは、３Ｄにおいて支持体に向かって配置されることができ、粉末は、適切な角度、速度、および離れている距離で衝突した位置で付着することができる。部品の解放は、良好な堆積を（例えば、閾値より多くの量で）形成するようにかなり十分に固着するが、基材との非常に強力な結合をもたらすほどにはそれほど十分には固着せずに最終的な離脱を可能とするスプレー粉末に基づくことができる。または、基材が犠牲的である（例えば、選択的化学エッチングまたは熱処理によって除去される）場合、堆積はまた離脱されることができる。

【0085】

トラスが所望される部分が持ち上げられるように支持体を設計することで、コールドスプレー材料が鋭い特性角度で堆積して比較的大きな許容可能厚みでトラスを形成することが保証されることが可能となる。支持体は、部品の「ネガ像」として役立つことができる。概念は、図１１Ｆに例示される。コールドスプレー堆積は、基材から解放されるとき、独立することができる（図１１Ｇ）。この技術はまた、上にスプレーがされるネガの特徴部の大きさを制限することのみでノズルスポットの大きさに対する向上した精度を可能とする。

【0086】

ＴＯは、ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ１１および関連するＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓツールなどの１つまたは複数のツールまたはソフトウェアを用いて実施されることができる。いくつかの実施例では、ＴＯは、静的に荷重が掛けられる構造構成要素と関連して実施されることができる。既存の部品設計を新しい設計で置き換えるために設計プロセスを用いることができる。設計プロセスは、上述のガイドラインおよび経験に従うコールドスプレーの使用に基づくことができる。次の記述は、特定の実施例における問題設定、結果、および解釈の概略を述べる。

【0087】

設計空間の設定は、（付加的）製造制約を組み込む最初の機会となることが可能である。この例示的な実施例におけるソリッド設計空間１２０２が図１２Ａに示される。重要な留め具およびアッセンブリ構成要素のための経路が設計空間から除去されていて、ソリッドモデル内の孔として見える。透視図（図１２Ｂ）が、どのようにして非設計領域（例えば１２２０）がそれに関連するかを示す。これらの非設計領域１２２０は、隣接するアッセンブリ構成要素との固定接続部を提供することができ、ＴＯを受けることはできないであろう。設計空間１２０２は、一次四面体要素（図１２Ｃ）を用いてＦＥ解析のためにメッシュ化されることができ、ＴＯは、荷重条件で実行されることができる。

【0088】

最小寸法大きさ制約がコールドスプレー要求を実現するのに有用であったことが決定されることができる。最小寸法大きさを特定することで、平坦な基材または落ち込みを有する基材でコールドスプレーによって作成されることができる大きさに近い構成要素をＴＯ結果が特徴付けることが保証されることが可能となる。

【0089】

ある場合には、部品のコンプライアンスを最小化することが望ましい可能性がある。例えば、部品は、体積分率制約を受けることができ、最初の体積の所定の分率だけが、解において保持されることが可能となる。結果として得られる５％の体積分率制約、すなわち明確な設計ガイダンスを提供することができる条件、を用いる解が、図１３に示されており、最初の設計空間１２０２の内部で視覚化されている。表面１３０２は、例えば０．２５の閾構造密度との等表面（ｉｓｏｓｕｒｆａｃｅ）とすることができ、表面１３０２の内部の上の全ての材料は、（０〜１のスケールで）０．２５より大きなＴＯ解から結果として得られる密度を有することができる。表面１３０２によって囲まれない残りの材料は、参照符号１３０４で示される。残りの材料１３０４は、０．２５未満の構造密度を有することができ、本質的でないとみなされることができる。

【0090】

図１３に示される結果の特徴部は、留め具を正面プレートに接続するトラス（脚部）の存在である。アッセンブリの残りと接触するおのおのの中間留め具まで延在する脚部はない可能性もある。この例示的な実施例では、中間留め具の除去は、残りの４つの留め具の解析後に許容可能であるとみなされることができる。許容可能でない場合、軽減方法は、留め具における反応力に脚部の存在を保証させることを可能とする。

【0091】

いくつかの実施例では、ＴＯ結果は、ＡＭ特徴部および制限のさらなる組み込みを可能とする、例えばＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓを用いる設計解釈のための粗いガイダンスとしてみなされることができる。図１４Ａは、同一平面規則を実現するために円で囲った領域１４０２を有するＴＯ概念を示す。これらの部分は、まず第一にほぼ同一平面にあったので選択されることができる。設計解釈は、脚部を平面内で整列させるために脚部をわずかに移動させた可能性がある。コールドスプレーの特性角度および厚み制約は、トラス上（図１０Ｄ、図１０Ｅにおける台形断面を参照のこと）と、同様に平面特徴部として解釈されることができる正面プレートを含むいくつかまたは全ての他の特徴部上とに実現されることができる。正面は、ＴＯ結果が提案するように、留め具用孔の周りに付加的な材料を適応させるために最初の部品に比較して大幅に厚くされることができる。材料堆積後に小さな孔が穿孔され、端ぐりされることができる。

【0092】

図１４Ｂは、１つの平面トラスと正面の間の滑らかな湾曲を有する接続部の傾斜図を示す。視線とスプレー可能性を保持するために、スプレーは、外側から実行されることができる。図１４Ｃは、矢印でスプレー方向を示す。この場合、基材は、内部に配置されることができる。

【0093】

ＴＯは、「ゾウの足」（図１３）として記載されることができるものを返すことができ、脚部は、留め具接続部までほぼ直線である。コールドスプレートラスは、この種の接続部によく適合していない可能性がある。むしろ、コールドスプレー堆積は、側部トラスの平面から水平面へと徐々に移行することができる。この部品の後脚部および前脚部に作成された例示的な足１４０４、１４０６が図１４Ｄに示される。ある場合には、足は同じ方向に湾曲するのが望ましい可能性があるが、留め具要求は、それが生じるのを妨げる可能性がある。コールドスプレー堆積後に留め具用孔が穿孔され、端ぐりされることができる。

【0094】

３Ｄ解放可能基材（図１４Ｅ）がこれらの要求の全てに適合するように設計されることが可能である。支持体は、トラス特徴部を画成するために鋭い落ち込みを使用した。設計に基づいて、湾曲を含むスプレー経路を計画した。図１５Ａ、図１５Ｂに示される結果として得られる解釈された部品設計は、ＴＯ結果に比較してコールドスプレーにより大幅に適合するものとなることが可能である。

【0095】

図１６Ａは、スプレー直後に支持体上に依然としてある部品１３０２を示し、図１６Ｂは、マンドレルを除去し、なんらかの後機械加工をした後の部品１３０２を示す。平面特徴部は、それらの間にある滑らかな移行部とともに明らかである。設計された脚部湾曲は、うまくスプレーされることができる。支持体の鋭い落ち込みによって、トラス構造はよく画成されることができる。支持体上に堆積され部品１３０２にゆるく拘束された過剰な材料が存在することが可能であるが、この過剰な材料は機械加工により除去されることができる。３Ｄ支持体設計の改善が、より深い落ち込みを可能とし、および／または、スプレー経路を改善するようにロボットを制御するプログラムが、計画されることができ、過剰スプレーの領域を低減するとともに、堆積のニアネットシェイプの性質を向上させることができる。同様に、本願に記載された設計および最適化ガイドラインは、より多くの経験で継続的に向上されることができる。

【0096】

上述したように、いくつかの実施例は、形状最適化すなわち「ＳＯ」を組み込むことができる。ＨｙｐｅｒＭｅｓｈおよび形態変更を用いる六面体優勢メッシュでメッシュ化されたソリッドモデルがＨｙｐｅｒＭｏｒｐｈツールで実行されることが可能となる。複数の形態変更がメッシュに同時に適合されることが可能となる。設計応答は、最適化においてそれぞれ目的および制約として用いられる質量および最大主要応力とすることができる。ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔは、個々の各形態変更を設計変数として処理し、１つまたは複数の繰り返しの間に完全ＦＥシミュレーションを実行することによって最適形態変更適用を決定することができる。

【0097】

コールドスプレープロセスに一致するメッシュ形態変更を開発することができる。メッシュ要素が歪まないように配慮することができる。一群の形態変更方法は、以下を含む。

【0098】

厚みの変更： 堆積の角張った稜に沿ったベクトルを生成することによる。ハンドル（例えば、結節点を移動させるツール）は、効果的に特性堆積角を保持するように、このベクトルに沿って同時に形態変更されることができる。実際の形態変更距離ｍは、図１７Aにおける三角関係に従って、所望の厚みの変更ｔと関連することができる。実際の形態変更は、図１７B、図１７Ｃに記載されることができる（ハンドルは、点であり、その多くが図１７Ｂにおいて丸で囲まれている）。穿孔された孔に沿った面／稜などの特性角度なしの面／稜では、形態変更は、角度付きでなくまっすぐな切削のベクトルに沿ったものとすることができる。

【0099】

幅の変更： 堆積の底部稜に垂直なベクトルに沿って構成要素の１つの側面の頂部稜および底部稜上で同時にハンドルを移動させることによる（図１７Ｄ、図１７Ｅ）。

【0100】

トラスの移動： トラスと交差する構成要素に沿って位置合わせされたベクトルに沿ってトラスの１つの端部で同時に全ての頂部ハンドルおよび底部ハンドルを移動させることによる。

【0101】

脚部の回転： 脚部または他の部材の全てのハンドルを選択して、脚部を構造の残りに接続する稜に沿ったベクトル周りに沿って回転させることによる（図１７Ｆ、図１７Ｇ）。脚部は、足への湾曲した部分で終わっており、足は、妥当でかつスプレー可能な幾何学を維持するように付加的な形態変更によって調節されることができる。

【0102】

湾曲の調節： 足の不規則（例えば、スプライン）湾曲が脚部の回転を補う（図１７Ｆ、図１７Ｇ）。

【0103】

角度の増大： 断面を調節することによる。図１８Ａは、堆積を増大させるために鉛直から例えば３０°コールドスプレーノズルを回転させることによっておのおのの側面で四角にされ、丸められたコールドスプレー堆積の断面を示す。場合によってはモデルメッシュ上のこの操作を示す形態変更が、図１８Ｂ、図１８Ｃに示され、図１８Ｂは、最初の断面を表すことができ、図１８Ｃは、所定の角度でのコールドスプレーによる増大を示す形態変更を表すための矢印を含む。

【0104】

定義され、図１９の矢印／参照符号で例示的に示され、以下に示される表１において説明される、多数（例えば、１６）の特定の形態変更が存在することが可能である。質量の低減を促進するために、ある領域を他の領域より多くの通過でコールドスプレーして局所的に厚みを増大させる選択肢を反映して、正面は、異なる５つの領域に分割されることができる。

【0105】

【表1】

【0106】

最適化目的は、要素の最大主要応力（ｍａｘ（｜Ｐ１｜，｜Ｐ３｜）と定義され、ここで、Ｐ１は、重要な（ｍａｊｏｒ）主要応力とすることができ、Ｐ３は、重要でない（ｍｉｎｏｒ）主要応力とすることができる）に対する制約を仮定して重量を最小化することとすることができる。最大主要応力制約のレベルは、さまざまな許容可能応力レベルにおける最適化結果を調べるために変化させることができる（これは、説明のためであったが、最初の概念で開始し、１つの応力制約レベルを特定するのがより直接的である）。

【0107】

ＳＯは、重量および応力の低減をもたらすことができる。図２０は、質量分率および応力値分率のプロットを示す。参照すると、置き換えられる最初の部品とＣＡＤ内で解釈される最初の概念部品の重量および応力が示される。ＳＯ結果は、効率境界（パレート（Ｐａｒｅｔｏ）境界）に沿って下がっており、この効率境界は、部品の最大主要応力と質量の間のトレードオフを示す。最初の部品（図２０では三角で示される）および最初の概念（図２０では四角で示される）は、効率境界、すなわちＳＯが後続するＴＯの効率の指示、からは遠く離れている。

【0108】

ある場合には、最初の概念は、最初の部品よりわずかに重くなることができる。このわずかな質量の増加は、設計解釈ステップにおけるコールドスプレー制約の適応から結果として生じることができる。しかしながら、このわずかな質量の増加は、最初のものからの応力の劇的な（例えば〜５０％）低減によって埋め合わされることができる。

【0109】

６つの応力制約例（例示的に例Ａ〜例Ｆと呼ぶ）の結果を以下の表２に示す。例Ａおよび例Ｅは、形状最適化のおのおのの極端状態を例示するために以下によりいっそう詳細に記載する。

【0110】

【表2】

【0111】

例Ａは、最初の部品の７９％の質量を有し、わずか４０％の応力を有することができた（例えば、２１％の質量低減、６０％の応力低減）。例Ｅは、最初の部品より３％高い質量を有することができたが、２９％の応力となり、７１％の応力低減となった。これら２点の間の例Ｂ〜例Ｄは、中間の質量および応力の低減であった。

【0112】

図２１には、（最初の）部品／概念の幾何学に対する影響が示される。例Ａでは、後脚部が大幅に内側に回転され、より薄く作成された。正面プレートの厚みも大幅に低減され、プレートの頂部より底部でより低減された。大きな孔の上下における正面プレートの幅も大幅に低減される。比較の基準を提供するために図２１の例Ａにおいて最初の部品／概念の概略を記載する。例Ｅでは、例Ａからの多くの差異が示される。特に例Ｅでは、後脚部は、例Ａに比較して、回転は少なく、より厚くなっている。正面プレート上の位置での幅および厚みも、より積極的な応力制約に起因して例Ｅではより大きくなった。

【0113】

本願に記載された設計および最適化方法は、実際のプロセスからの観察を用いてコールドスプレー構成要素の重要な幾何学的特徴部を捕らえようと試みることができる。１つまたは複数の仮定に基づいて、解析は、コールドスプレー構造がＡＭおよびＴＯの典型的なベンチマークすなわちより軽量で機械的により強健な構造に適合するように効率的に設計されることが可能であることを例示することができる。本開示の態様は、応力解析に基づく形状最適化方法に関連するが、同じ部品が疲労についても最適化されることが可能である。座屈および動的荷重解析も同様に組み込むことができる。また、（コールドスプレーでない）異なるＡＭプロセスのための可能な解釈が図２２Ａ、図２２Ｂに示される。

【0114】

図２３を参照すると、例示的な方法２３００の流れ図が示される。方法２３００は、部品または構成要素の修理用に設計するために使用されることができる。

【0115】

ブロック２３０２において、修理される構成要素の指示を、例えば計算装置によって受け取ることができる。修理される構成要素は、それに関連する仕様をすでに有することができる。例えば、仕様は、構成要素の製造または製作を支持するために生成されていることができる。構成要素は、本願に記載された１つまたは複数の技術に従って製造または製作されていることができる。

【0116】

ブロック２３０４において、修理される構成要素の仕様を最適化することができる。このような最適化は、形状または表面最適化を含むことができる。ブロック２３０４の一部として、第１の材料（例えば、親材料）と第２の材料（例えば、修理材料）の接触位置を最適化することができる。ブロック２３０４の一部として、材料特性の差異を吸収するために移行部を設計することができる。移行部は、第１の材料の第２の材料による傾斜を含むことができる。移行部は、第２の材料（例えば、付加的材料）の第３の材料による傾斜を含むことができる。

【0117】

ブロック２３０６において、ブロック２３０４の仕様に基づいて（例えば、仕様に従って）構成要素を修理することができる。

【0118】

方法２３００は例示である。いくつかの実施例では、１つまたは複数のブロックまたは操作（またはそれらの一部）は任意選択とすることができる。いくつかの実施例では、図示されていない付加的な操作を含むことができる。いくつかの実施例では、操作は、図示されているものとは異なる順序または配列で実行されることができる。

【0119】

本開示の態様は、幾何学的設計および最適化に関連する。さらに、本開示の態様は、コールドスプレー製造に関連する問題に対処することができる。例えば、解析は、材料特性が強健であり、焼きなまし用の熱処理が工夫可能であり、かつ３Ｄ支持体およびロボットプログラミングの開発が提供可能であることを、決定または確認することができる。

【0120】

本開示の実施例は、例えば重量および費用についての利益を提供することができる新しく浮上しつつある傾向である付加的製造に向けられる。スプレープロセスおよび特にコールドスプレーは、費用対効果が大きい付加的製造方法として商業的に適用可能である。これらのプロセスによって作成される構成要素の性質、堆積された材料の性質に対するプロセスの影響、および作成された部品の性能との相関関係についての理解を発展させることができる。このような理解は、設計および最適化ガイドラインの定義に基づくことができる。

【0121】

輪郭最適化および形状最適化は、効率的な構造を可能とすることができる。輪郭最適化および形状最適化は、製造プロセスに適した結果をもたらすように制御されることができる。本開示によって、平面特徴部、連続スプレーのための平面間の漸進的移行部、視線および推奨されるスプレー方向、脚部形状および湾曲、特性堆積角および断面幾何学、コールドスプレーパラメータに基づく制限された厚みの理解、３Ｄ除去可能基材の設計を含む、コールドスプレーのための一組の設計および最適化ガイドラインが提供された。輪郭最適化、提案された一組のガイドラインを用いる設計解釈、およびコールドスプレー特徴をと一致する形態変更を用いる形状最適化を含む、コールドスプレーのための部品の設計および最適化の実行可能性が例示され、記載された。応力と質量の間のトレードオフがいくつかの実施例では存在する可能性があるが、組み合わされたプロセスは、元のまたは最初の部品に比較してずっと小さい応力および軽い重量の構造をもたらすことができる。幾何学的設計要求を特定し、ＴＯ結果を解釈し、特徴的幾何学と一致する形状最適化を適用する方法は、他のＡＭプロセスおよび特に他のスプレー堆積技術に直接的に適用可能とすることができる。設計特徴部および形態変更は、コールドスプレー特徴について改良されることができ、他のＡＭプロセスに拡張されることができる。

【0122】

本開示の実施例は、構成要素の構造保全性を維持しながら重量を低減するように例えば統合されたギアおよびシャフトを設計するために輪郭最適化を用いることができる。輪郭最適化枠組みの一部として付加的製造制約を含ませることができる。技術は、複数の材料に適用されることができ、いくつかの部品が１つの部品として統合されることができ、コールドスプレーは、付加的製造技術として使用されることができる。

【0123】

本開示の実施例は、コールドスプレーを用いて傾斜機能材料の部品を最適化および作成するために使用されることができる。構造構成要素が設計および／または作成されることができる。材料は、層が堆積されるにつれて変更または変化されることができる。

【0124】

本開示の実施例は、１つまたは複数の特定の機械に結びつけられることができる。例えば、１つまたは複数の計算装置が、１つまたは複数の入力に基づいて構成要素のための最適設計を生成するように構成されることができる。計算装置が、最適設計に基づいて構成要素の仕様を生成するように構成されることができる。計算装置は、仕様に基づいて構成要素を製作し、実施するように構成されることができる。

【0125】

本願で記載されるように、いくつかの実施例では、１つまたは複数の機器、システム、または装置の作動と関連しておよび／または所定の位置に、さまざまな機能または作用が生じることができる。例えば、いくつかの実施例では、所定の機能または作用の一部が第１の装置または位置において実行されることができ、残りの機能または作用が１つまたは複数の付加的装置または位置において実行されることができる。

【0126】

実施例は、１つまたは複数の技術を用いて実施されることができる。いくつかの実施例では、装置またはシステムは、１つまたは複数のプロセッサと、命令を格納するメモリとを備えることができ、１つまたは複数のプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置またはシステムは、本願で記載されるように１つまたは複数の方法の作動を実行する。いくつかの実施例では、当業者に知られるさまざまな機械的構成要素を用いることができる。

【0127】

実施例は、１つまたは複数の装置、ソフトウェア、または商業的コード、システム、および／または方法として実施されることができる。いくつかの実施例では、一時的および／または非一時的コンピュータ可読媒体などの１つまたは複数のコンピュータ可読媒体上に命令を格納することができる。命令が実行されるとき、命令によって、エンティティ（例えば、装置またはシステム）は、本願で記載されるように、１つまたは複数の方法の作動を実行することができる。このような媒体は、ハードディスク装置として内部に格納され、または光ディスクまたはデジタル媒体として除去可能とすることができる。このような媒体はまた、プログラムがクラウド上に存在するものなどのように、ネットワークを介して遠隔からアクセス可能とすることができる。

【0128】

本開示の態様は、その例示的な実施例によって説明された。当業者には、本開示を再検討することで、添付の請求項の範囲および趣旨内のさまざまな他の実施例、修正例、および変形例が思い浮かぶであろう。例えば、当業者は、例示的な図面と関連して記載されたステップが記載された順序以外で実行されることができること、そして例示された１つまたは複数のステップが任意選択とすることができることを理解するであろう。
なお、好ましい方法について、以下に記載する。
好ましい方法は、
プロセッサを備える計算装置によって、構成要素に関連する複数の設計制約および製造制約であって、設計制約が構成要素の所望の性質を含み、製造制約が構成要素を作成する製造技術によって課される制約を含む、複数の設計制約および製造制約を受け取り、
計算装置によって、候補となる構成要素仕様を生成するように複数の変数に亘って設計最適化方法に従って設計制約および製造制約を統合し、
計算装置によって、構成要素の最終仕様を生成するよう設計制約における変動に従って候補となる構成要素仕様を最適化するように表面最適化を実行する、
ことを含む。
好ましくは、方法は、付加的製造機械において最終仕様を受け取り、製造制約に対応する付加的製造技術を用いて最終仕様に従って構成要素を作成する、ことをさらに含む。
好ましくは、設計制約は、構成要素の寸法、構成要素の表面、および使用中の構成要素の荷重経路の組み合わせを含み、
製造制約は、必要な支持体および留め具のマッピングに加えて、製造中の構成要素に関連する視線、構成要素に関連する角度、構成要素の垂直面と隣接面の間の角度、構成要素に関連する公差、およびツール特徴部の組み合わせを含む。
好ましくは、設計最適化方法は、重量、信頼性、性能、複雑さ、および費用のうちの少なくとも１つによって特定される。
好ましくは、最終仕様は、取扱い仕様、製造仕様、組み立て仕様、および使用仕様のうちの少なくとも１つを含む。
好ましくは、方法は、計算装置によって、構成要素の最終仕様を生成するときに、設計制約および製造制約および設計最適化方法を構成要素の多機能最適化と統合することをさらに含む。
好ましくは、多機能最適化は、構成要素の少なくとも２つの競合する要求に基づく最適化を含む。
好ましくは、方法は、最終仕様に従って構成要素を製作することをさらに含む。
好ましくは、方法は、製作された構成要素を最終品目に実装することをさらに含む。
好ましくは、最終品目は、航空機および航空機のアッセンブリのうちの少なくとも１つを含む。
また、好ましい装置について、以下に記載する。
好ましい装置は、
少なくとも１つのプロセッサと、
格納された命令を有するメモリと、
を備える装置であって、少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、
構成要素に関連する複数の設計制約および製造制約であって、設計制約が構成要素の所望の性質を含み、製造制約が構成要素を作成する製造技術によって課される制約を含む、複数の設計制約および製造制約を受け取り、
候補となる構成要素仕様を生成するように複数の変数に亘って設計最適化方法に従って設計制約および製造制約を統合し、
構成要素の最終仕様を生成するよう設計制約における変動に従って候補となる構成要素仕様を最適化するように表面最適化を実行する。
好ましくは、少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、最終仕様を付加的製造機械に送る。
好ましくは、設計制約は、構成要素の寸法、構成要素の表面、および使用中の構成要素の荷重経路の組み合わせを含み、
製造制約は、製造中の構成要素に関連する視線、構成要素に関連する角度、構成要素の垂直面と隣接面の間の角度、構成要素に関連する公差、および留め具特徴部の組み合わせを含む。
好ましくは、設計最適化方法は、重量、信頼性、性能、複雑さ、および費用のうちの少なくとも１つまたは複数によって特定される。
好ましくは、最終仕様は、取扱い仕様、付加的製造プロセス仕様、組み立て仕様、および使用仕様のうちの少なくとも１つを含む。
好ましくは、少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、構成要素の最終仕様を生成するときに、設計制約および製造制約および設計最適化方法を構成要素の多機能最適化と統合する。
好ましくは、多機能最適化は、構成要素の少なくとも２つの競合する要求に基づく最適化を含む。
好ましくは、少なくとも１つのプロセッサによって命令が実行されるとき、命令によって装置は、最終仕様に従って構成要素を付加的に製造する。
好ましいコンピュータ可読媒体は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されるときに上記の方法を実行する処理命令で符号化されるコンピュータ可読媒体である。
好ましい最終品目は、上記の方法によって製作された最終品目である。
また、好ましい方法について、以下に記載する。
好ましい方法は、
プロセッサを備える計算装置によって、修理される構成要素の指示を受け取り、
計算装置によって、親材料と修理材料の間の境界面位置を最適化するとともに材料特性の差異を吸収する移行部を設計することによって構成要素の仕様を最適化するように形状最適化を実行する、
ことを含む。
好ましくは、移行部は、
親材料の修理材料による傾斜、および、
修理材料の第３の材料による傾斜、
のうちの少なくとも１つを含む。
好ましくは、方法は、仕様に基づいて構成要素を修理することをさらに含む。

【符号の説明】

【0129】

１００…計算システム
１０２…メモリ
１０４…データ
１０６ａ…第１のプログラム
１０６ｂ…第２のプログラム
１０８…プロセッサ
１１０…Ｉ／Ｏ装置
１２０…ＡＭ機械

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図10E】

【図10F】

【図10G】

【図10H】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図11E】

【図11F】

【図11G】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図14D】

【図14E】

【図15A】

【図15B】

【図16A】

【図16B】

【図17A】

【図17B】

【図17C】

【図17D】

【図17E】

【図17F】

【図17G】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22A】

【図22B】

【図23】