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JP2020505690A - オブジェクト表現のための技術 - Google Patents

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JP2020505690A
JP2020505690A JP2019538434A JP2019538434A JP2020505690A JP 2020505690 A JP2020505690 A JP 2020505690A JP 2019538434 A JP2019538434 A JP 2019538434A JP 2019538434 A JP2019538434 A JP 2019538434A JP 2020505690 A JP2020505690 A JP 2020505690A
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フリン，ジョセフ
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University of Bath
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Abstract

本出願は、製造されるオブジェクトの表現を生成するための技術を説明する。体積要素世界のような設計空間におけるオブジェクトのシミュレーション製造を含む方法が開示されている。シミュレーション製造は、製造プロトコル、オブジェクト設計プロトコル、および少なくとも１つの境界条件のうちの１つ以上に基づき得る。【選択図】図４ａ

Description

本出願は、オブジェクトを表現および／または設計するための技術を説明する。特に、本出願は、製造されるオブジェクトの表現を生成するための技術を説明する。
オブジェクト幾何学形状の作成、修正、分析または最適化を助ける多数の描画プログラムが知られている。特に、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）技術の使用はよく知られており、オブジェクトの設計を容易にするために、および／またはオブジェクトの幾何学形状および／またはトポロジーの最適化を可能にするために使用される。ＣＡＤ出力は、印刷、機械加工、または他の製造作業用の電子ファイルの形であることが多い。ＣＡＤは多くの用途で広く使用されている重要な工業技術であることが理解されよう。実際、特定の用途または目的のために部品の幾何学形状および／またはトポロジーを設計し、適合させ、そして最適化する必要性は、自動車、造船および航空宇宙産業ならびに工業および建築設計、人工装具設計、その他を含む多くの用途において生じている。
ＣＡＤなどの既知の描画技術およびシステムは、オブジェクトを描写するためにしばしばベクトルベースのグラフィックを使用して仮想設計空間内で視覚化するためにオブジェクトの幾何学形状の初期表現を供給することを含む。描画システムは通常、有限要素解析（ＦＥＡ）など、その幾何学形状および／または部品のトポロジーの適合または最適化を可能にする１つ以上の他の技法と併せて利用される。
したがって、オブジェクトを設計または最適化するための既知の技術によれば、後続の分析または最適化のための出発点として、オブジェクトの幾何学形状の初期表現を提供することが必要である。したがって、ＣＡＤのような既知の描画システムは、オブジェクトに関する事前の知識または仮定された知識を必要とする。これは、システムの解決候補策を最初に提供された幾何学のサブセットに限定し、そして、設計者またはドラフトマンの想像力および／またはスキルに限定する。
この難しさは、製造業における著しい進歩により度合いを増しており、３Ｄオブジェクトが層ごとに材料を付加することによって構築される、いわゆる付加製造法（３Ｄ印刷など）および、付加および除去（制御された材料の除去）技術を含むハイブリッド製造法を含む。これらのプロセスは、製造された部品の幾何学形状におけるこれまで達成できなかったレベルの複雑さを解き放った。そのため、製造用のオブジェクトは、従来の描画システムを使用して設計、評価、および最適化することが非常に困難になった。オブジェクトの製造可能性を評価することは、オブジェクト開発の設計段階の重要な部分である。付加またはハイブリッド技術によって製造されたオブジェクトを評価するための現在の技術は、しばしば非効率的であり、オブジェクトの製造可能性を適切に評価するために初期入力設計の多数の反復を必要とする。
したがって、製造のためのオブジェクトの設計およびますます複雑になるオブジェクトの幾何学的形状の設計に利用可能な技術を改善する必要がある。製造のためのオブジェクトを評価するために利用可能な技術の有効性および効率を改善するさらなる必要性がある。
本明細書で説明される例は、製造されるオブジェクトの視覚的表現などの表現を生成するための方法およびツールに関する。特に、本明細書に記載の例は、製造されるオブジェクトを設計すること、および／または製造されるオブジェクトの表現を評価することの有効性および効率を改善することを目的とする。
本発明の第１の態様の実施形態の一例によれば、製造されるオブジェクトの表現を生成する方法であって、
ｉ）オブジェクトの製造に関する１つ以上の製造パラメータを定義する製造プロトコルと、
ｉｉ）製造されるオブジェクトに関する１つ以上の設計パラメータを定義する設計プロトコルと、
ｉｉｉ）製造されるオブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件と
に基づいて設計空間におけるオブジェクトの製造をシミュレートするステップを有する方法である。
したがって、第１の態様の例示的実施形態は、製造用のオブジェクトの表現を生成する。生成された表現は、オブジェクトの候補デザインとみなすことができる。生成された表現は、オブジェクトの候補デザインの１つ以上の幾何学的パラメータを定義する一連の値および／または命令を含むことができる。したがって、表現は製造されるオブジェクトの幾何学的表現であると考えることができる。表現は視覚的表現を含み得る。表現は、製造される候補デザインの幾何学形状のコンピュータ可読記述を含むことができる。
表現は、二次元視覚表現または三次元視覚表現に対応し得る。表現は、紙の上などの現実世界のデザイン空間内で視覚化することができる。表現は、例えば、電子表示装置上、仮想設計空間とみなすことができる「仮想」空間内で表現されることが出来る。
視覚的仮想設計空間は、例えば３次元仮想空間を分割するボクセルなど体積要素の配列を含むことができる。各体積要素は正多面体を含むことができる。好ましくは、各体積要素は立方体を含む。すべての体積要素は同じサイズにすることができる。当然のことながら、体積要素の単位サイズは、作成され得る表現の幾何学的形状の解像度を少なくとも部分的に決定する。したがって、本明細書に記載の例に従って生成された表現は、複数の相互接続された体積要素を含むとみなすことができる。
製造プロトコルは、オブジェクトの製造に関する１つ以上の製造パラメータを定義する。製造プロトコルは、例えば製造プロセスの結果として生じるパラメータ（例えば、規則）を指定する一連の命令および／または値などの定義を含み得る。したがって、製造パラメータは、オブジェクトの意図された、または提案された製造に関する条件、要件、制限または特性の結果として生じる可能性がある。
したがって、第１の態様の例示的実施形態によれば、製造プロトコルは、３Ｄ印刷などの付加製造技術、ＣＮＣ機械加工などの除去（サブトラクティブ：減法）製造技術、あるいは付加製造技術と除去製造技術の両方を含むハイブリッド製造プロセスに関連する少なくとも１つのパラメータまたは規則を定義する一連の値を含み得る。
設計プロトコルは、製造されるオブジェクトに関する１つ以上の設計パラメータを定義する。例えば、設計プロトコルは、製造されるオブジェクトの初期の開始幾何学形状の定義および／またはオブジェクトの１つ以上の必要な属性の定義を含み得る。
境界条件は、その中で製造されるオブジェクトの表現が生成され得る設計空間の設計領域の任意の幾何学的限界を定義し得る。設計領域は、許容領域を表すｎ次元空間内の点、線、平面または体積とみなすことができる。したがって、境界条件は、ａ）オブジェクトを形成する材料が必要とされる１つ以上の領域および／またはｂ）オブジェクトを形成する材料が禁止される１つ以上の領域（例えば、ボイド）を定義することができる。製造されるオブジェクトの属性に関連する制約の結果として、またはオブジェクトの意図された製造プロセスに関連する制約から、境界条件が生じる可能性があることが理解されよう。そのように、境界条件は、別々に、または製造プロトコルの部分として、または設計プロトコルの部分として定義することができる。
製造および設計プロトコルは、例えば、命令および／または値のリストと想定されている。したがって、製造および設計プロトコルは、コンピュータ可読命令または値のリストを形成することができる。製造および設計プロトコルは、例示的実施形態による方法のエンドユーザによって導出／指定および入力されてもよい。したがって、例えば、異なる製造能力を有するユーザは、異なる幾何学形状を有する固有の設計表現を生成することができるだろう。代替的に又は付加的に、製造及び設計プロトコルは、例えばリモートサーバーまたはクラウド上等、遠隔的に保存され、そして、オブジェクトのシミュレーション製造を実行するように動作可能なシミュレーションユニットに送信される。
本明細書に記載された例に従って実行される方法は、オブジェクトの一連の表現を生成するために反復的に実行されてもよい。例えば、製造オブジェクトの最終設計に達するまで反復的に実行されてもよい。１つ以上の例によれば、一例示的実施形態による方法の最初の反復の後に得られる最初の表現は、付加のパラメータを考慮に入れるために、および／または初期の製造のシミュレーションがベースとする最初のパラメータのセットの範囲を変えることでその後修正され得る。例えば、次の表現は、オブジェクトの幾何学形状の異なる領域内で、応力と歪み、温度、または流体の流れの計算を考慮に入れて生成され得ることが想定され、それによりデザインの変更が可能となる。これは、例えば、有限要素解析の方法によって導出することができる「フェロモンマップ」によって表現され得る。
オブジェクトの最終的な表現は、当該部分の製造方法におけるデザインテンプレートとして後で利用されてもよい。デザインテンプレートは、コンピュータ可読命令、２−Ｄ図表現（例えば、電子ディスプレイ上または印刷されたページ上の）の形態であってもよく、または３−Ｄ表現の形態であってもよい。
第１の態様の１つ以上の例示的実施形態によれば、方法は、表現からデザインテンプレートを生成することを含むことを備える。
デザインテンプレートは、２Ｄまたは３Ｄモデルを含み得る。デザインテンプレートとして使用するための３Ｄモデルは、付加製造法またはハイブリッド製造法を使用して製造することができる。例えば、３Ｄモデルは、３Ｄ印刷の方法によって製作することができる。
第１の態様の１つ以上の例示的実施形態によれば、方法は、表現に従っておよび／または表現から生成されたデザインテンプレートに従って３Ｄオブジェクトを製造することを備える。
オブジェクトは、付加製造法またはハイブリッド製造法を用いて製造することができる。例えば、オブジェクトは３Ｄ印刷の方法によって製造することができる。
本発明の例示的実施形態によるシミュレーション製造中に使用される１つ以上のパラメータは、製造プロトコル、設計プロトコル、または境界条件のうちの少なくとも２つによって特徴付けることができることを理解されよう。したがって、１つ以上のパラメータの分類には潜在的な重複がある。例えば、製造装置のツールへのアクセスを提供する必要性の結果として生じる製造システムの物理的／幾何学的制約は、製造パラメータ、設計パラメータまたは境界条件として分類され得る。
さらに、１つ以上の境界条件によって定義されるボイドの必要性は、例えば機能または外部およびサブシステムの考慮から生じる従来の知識であり得ることが理解されよう。あるいは、設計プロトコルによって定義されたボイドは、例えば固定用の穴、他の部品を取り付けるための平面、または流体の流入口用および流出口用の既知のポートなど、オブジェクトが機能を実行するのを助ける工学的特徴の結果である傾向がある。
オブジェクトの製造をシミュレートすることは、いくつかの方法で達成することができる。例えば、製造は、複数の体積要素に分割された仮想設計空間内でシミュレートすることができる。一例によれば、シミュレーション製造を実行するために、仮想設計空間内に１つ以上の「仮想エージェント」を設けることができる。各仮想エージェントは、仮想空間内を移動して作業を実行できる。
仮想エージェントは、ランダム、加重ランダム、または所定の経路または跡をたどることが出来る。仮想エージェントは、移動の指示または規則に従うことが出来る。仮想エージェントは、フェロモンマップの形の移動命令に従うように動作可能であり得る。
仮想エージェントは、各体積要素位置で実行するように動作可能であるという指定された製造動作を提供され得る。例えば、「付加エージェント」として知られる仮想エージェントは、材料を付加するように動作可能である。逆に、「除去エージェント」として知られる仮想エージェントは、材料を減じるように動作可能である。
各体積要素位置において、仮想エージェントは、その指定された製造作業を実行することが許可されているかどうかを確認するためのチェックを実行するように動作可能であり得る。このチェックは、製造および／または設計プロトコルおよび／または境界条件を考慮に入れることが好ましい。
本発明の第２の態様によれば、製造されるオブジェクトの表現を生成するためのツールまたは装置であって、このツールまたは装置は、
ｉ）オブジェクトを製造するためのプロセスに関する１つ以上の製造パラメータを定義する製造プロトコルと、
ｉｉ）製造されるオブジェクトに関する１つ以上の設計パラメータを定義する設計プロトコルと、
ｉｉｉ）製造オブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件と、に基づいて、設計空間におけるオブジェクトの製造をシミュレートするように構成されたシミュレーションユニットを備える。
ツールはさらに、
製造プロトコルを記憶するよう構成された製造プロトコル記憶ユニット、
設計プロトコルを記憶するよう構成された設計プロトコル記憶ユニットおよび
少なくとも１つの境界条件を記憶するよう構成された境界条件記憶ユニットのうちの１つ以上を含み得る。
境界条件記憶ユニットは、製造プロトコル記憶ユニットと設計プロトコル記憶ユニットとに分かれていてもよいし、製造プロトコル記憶ユニットまたは設計プロトコル記憶ユニットの一部であってもよい。
ツールは、リモートサーバーまたはクラウドなどのリモートソースから製造プロトコル、設計プロトコル、および境界条件のうちの１つ以上を受信することができる。
ツールは、表現を記憶するように構成された表現記憶ユニットをさらに含み得る。
ツールは、シミュレーションユニットによって実行されたシミュレートされた製造を表示するように、および／または表現を表示するように動作可能なディスプレイをさらに含むことができる。
一態様によるアセンブリは、表現を受け取り、その表現に従って３Ｄオブジェクトを製造するように動作可能な製造装置と併せて提供される例示的実施形態によるツールを含むことができる。例えば、ツールは３Ｄ印刷装置を含み得る。
第３の態様の実施形態の一例によれば、製造されるオブジェクトの表現を生成する方法であり、この方法は、複数の体積要素を含む仮想設計空間内でのオブジェクトの製造をシミュレートすることを含む。
第３の態様の実施形態の一例によれば、
ｉ）オブジェクトの製造に関する少なくとも１つの製造規則、
ｉｉ）製造されるオブジェクトに関する少なくとも１つの設計規則および
ｉｉｉ）製造されるオブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件
のうちの少なくとも１つに基づく各体積要素への材料の付加、および／またはそこからの材料の除去を備えた方法である。
第４の態様の実施形態の一例によると、オブジェクトの製造をシミュレートするためのシミュレーションユニットであり、このシミュレーションユニットは、
多数の体積要素を含む仮想設計空間と、
仮想設計空間内の体積要素間を移動し、所定の体積要素でシミュレーション製造作業を実行するように動作可能な少なくとも１つの仮想エージェントと、を備える。
少なくとも１つの仮想エージェントによって実行される製造作業は、所定の体積要素に材料を付加すること、および／または所定の体積要素から材料を除去することを含むことができる。
少なくとも１つの仮想エージェントによって実行される製造作業は、
ｉ）オブジェクトの製造に関する少なくとも１つの製造規則、
ｉｉ）製造されるオブジェクトに関する少なくとも１つの設計規則、および、
ｉｉｉ）製造オブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件
のうちの１つ以上に基づいてもよい。
本明細書で説明される態様の例は、無材料の出発点を用いてボトムアップからオブジェクトの製造をシミュレートすることによって、オブジェクトを表現し、したがって設計することが有利に可能になる。このようにして、初期の、推定された、幾何学的または美的特性ではなく、実世界の製造および／または実用的なパラメータ／制約の一連の定義に基づく製造オブジェクトの表現を得ることが可能である。本明細書に記載の実施形態の例は、製造プロセスの所定の説明の下で本質的に「製造可能」であるオブジェクト幾何学形状が生成されるという点で有利である。さらに、初期オブジェクト幾何学的形状の必要性を取り除くことによって、本明細書に記載の例は、不十分な開始幾何学形状、または以前の設計に基づく設計固定の結果としての設計偏見および／または次善の設計を回避するのに有益に役立ち得る。
製造および設計プロトコルならびに少なくとも１つの境界条件に基づいて初期入力設計図を評価および／または最適化するために、例示的実施形態が有用に実行され得ることも理解されよう。
本明細書に記載の例は、オブジェクトが付加製造法またはハイブリッド製造法によって製造されることになっている状況において特に有利である。本明細書に記載の例は、設計プロセスの初期段階での主要製造および設計制約を考慮に入れて、非常に複雑なオブジェクト幾何学形状の生成を効率的に促進することができる。
本明細書に記載の本発明の例は、有利なことに、複数の製造上の制約を同時に評価することを可能にする。例示的な実施形態による方法およびツールは、第１の態様による例示的な方法の反復実行内に任意の数の製造上の制約を重ねることを可能にし、より包括的な製造可能性のステートメントを与える。したがって、シミュレーションに必要な製造プロトコルを形成するこの製造可能性のステートメントは、設計段階中に最初から使用されて、製造されるオブジェクトの候補設計の表現を生成し、それは本質的に製造可能な幾何学形状を示す。
製造プロトコルおよび／または設計プロトコルおよび／または境界条件の数および詳細は、表現および／または最終的な製造オブジェクトに要求される詳細レベルおよび／または精度に依存することが理解されよう。
本発明の例示的実施形態による方法は、前述の装置態様の任意の組み合わせを含むことができる。これらのさらなる実施形態による方法は、それらが処理能力および記憶能力を必要とするという点でコンピュータにより実施されるものとして説明することができる。
１つ以上の例によるツールは、特定の機能を実行するように構成されているかまたは動作可能であるとして説明されている。この構成または動作は、ハードウェアまたはミドルウェアまたは他の任意の適切なシステムを使用することによっても可能である。好ましい実施形態では、構成または動作はソフトウェアによるものである。
したがって、一態様によれば、少なくとも１つのハードウェアモジュールにロードされると、前述の定義のいずれかまたはそれらの任意の組み合わせに従ってツールになるように少なくとも１つのハードウェアモジュールを構成するプログラムが提供される。
さらなる態様によれば、少なくとも１つのハードウェアモジュールにロードされると、前述の方法定義のいずれかまたはそれらの任意の組み合わせに従って方法ステップを実行するように少なくとも１つのハードウェアモジュールを構成するプログラムが提供される。
一般に、言及されたハードウェアは、定義された機能を提供するように構成または配置されているとして挙げられた要素を含むことができる。例えば、このハードウェアはツールのためのメモリおよび処理回路を含み得る。
さらなる態様によれば、
ｉ）表現を得るために設計空間内でオブジェクトの製造をシミュレートすることと、
ｉｉ）表現からオブジェクトを製作することと
を備えたオブジェクトを製造する方法であり、
前記シミュレーションは、
ａ）オブジェクトを製造するための製造プロセスに関する１つ以上の製造パラメータを定義する製造プロトコル、
ｂ）製造するオブジェクトに関する１つ以上の設計パラメータを定義する設計プロトコル、
ｃ）製造されるオブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件
のうちの１つ以上に基づいている。
１つ以上の例示的実施形態によれば、オブジェクトを製造するステップは、付加製造ステップまたはハイブリッド製造ステップを含む。例えば、オブジェクトは３Ｄ印刷の方法によって製造することができる。
本発明をよりよく理解するために、また本発明をどのように実施することができるかを示すために、ここで例として以下の図面を参照する。
例示的な例に従って製造されるオブジェクトの表現を生成するためのツールを示す。 さらなる例示的な例に従って製造されるオブジェクトの表現を生成するためのアセンブリを示す。 例示的な例による方法を示す。 さらなる例示的な例に従って製造されるオブジェクトの表現を生成するためのツールを示す。 複数の立方体の体積要素を含む設計空間の一部分を示す。 複数の立方体の体積要素を含む設計空間の一部分を示す。 強度１および強度２の２つのフェロモン源（黒い陰影）の近くにある仮想エージェントの二次元の例を示す。 オブジェクトを形成する材料が禁止されている設計空間の領域を異なる角度から示す。 オブジェクトを形成する材料が禁止されている設計空間の領域を異なる角度から示す。 オブジェクトを形成する材料が禁止されている設計空間の領域を異なる角度から示す。 図６ａ、図６ｂおよび図６ｃによって示される境界条件に基づく本発明の例示的実施形態に従って生成された表現を示す。 図６ａ、図６ｂおよび図６ｃによって示される境界条件に基づく本発明の例示的実施形態に従って生成された表現を示す。 さらなる例示的実施形態によるシミュレーション製造方法を示す。 さらなる例示的実施形態によるシミュレーション製造方法を示す。 実施例のための設計プロトコルの一部を形成する開始条件の概略図である。 実施例によるシミュレーション製造方法の反復により生成された表現を示す。 実施例によるシミュレーション製造方法の反復により生成された表現を示す。 実施例によるシミュレーション製造方法の反復により生成された表現を示す。 図１０ｃに示す表示から作成された印刷されたオブジェクトの幾何学形状の写真を提供する。 図１０ｃに示す表示から作成された印刷されたオブジェクトの幾何学形状の写真を提供する。 図１０ｃに示された表示の最大応力および体積分率の進行をグラフで示したものである。 図１０ｂに示されている表現に対して作成された応力分布を示す。 図１３ａに対応するフェロモンマップを示す。 フェロモンおよび製造上の制約によって影響を受けるシロアリ運動の勾配を示す。 提案されている設計問題の「ボイドスペース」を示す。 連続する設計反復間のハウスドルフ距離のプロット、および各反復に対する値（式２）を示す。部品幾何学形状のレンダリングは図１７に示される。 ６０回目の設計反復からの幾何学形状の印刷版を示す。
本明細書に記載の例は、製造されるオブジェクトを表現するための方法およびツールに関する。
図１ａは、最初の例に従って製造されるオブジェクトの表現を生成するためのツール１００の構成部分を示す。このツールは、製造プロトコル記憶ユニット１０と、設計プロトコル記憶ユニットと、シミュレーションユニット３０とを備える。この特別な例示的例によると、製造プロトコル記憶ユニットに境界条件記憶ユニット４０が設けられている。
図１ａに示すように、ツール１００は、製造プロトコル記憶ユニット１０から受信した少なくとも１つの値または命令、境界条件記憶ユニット４０からの少なくとも１つの境界条件、および設計プロトコル記憶ユニット２０から受け取った少なくとも１つの値または命令に基づいて製造されるオブジェクトの表現Ｒを生成するように動作可能である。シミュレーションユニットは、受け取った値および／または命令に基づいて、オブジェクトのシミュレーション製造の処理を行い、シミュレーションユニット３０から出力される表現Ｒを生成する。表現Ｒは、例えば、表現の図面、または表現のコンピュータ読み取り可能な説明を含み得る。付加的にまたは代替的に、ツールは、２次元または３次元の仮想設計空間内の表現の視覚化を容易にするために電子表示装置（図示せず）に接続されてもよい。
図１ｂは、オブジェクトを製造するためのアセンブリ２００の構成部分を示す。アセンブリは、最初の例によって製造されるオブジェクトの表現を生成するためのツールを含む。ツールは、製造プロトコル記憶ユニット１０、設計プロトコル記憶ユニット、およびシミュレーションユニット３０を含む。アセンブリは、表示Ｒおよび／またはオブジェクトの製造をシミュレートするプロセスをユーザによって視覚化することを可能にする表示装置５０をさらに含む。アセンブリは、表現Ｒから３Ｄオブジェクトを製造するための装置６０をさらに含む。例えば、アセンブリは、表現を３Ｄプリントするための装置を含み得る。
さらなる例によるシミュレーション製造の例示的な方法が図２に示されている。この方法は、オブジェクトの製造をシミュレーションするステップ、すなわちステップ２を含む。最初の予備ステップ（本例による方法ステップを形成してもしなくてもよい）は、製造プロトコルを製造プロトコル記憶ユニットに（ステップ１ａ）、設計プロトコルを設計プロトコル記憶ユニットに（ステップ１ｂ）、および少なくとも１つの境界条件を境界条件記憶ユニットに（ステップ１ｃ）選択するかまたは入力することを含む。
予備ステップ１ａ、１ｂおよび１ｃは任意の順序で実施できることが理解されよう。製造プロトコル、設計プロトコル、および少なくとも１つの境界条件のうちの１つ以上が、例えば、シミュレーションの前に命令や値を入力することによって、ツールのユーザによって定義され得ることも理解されよう。さらに、製造プロトコル、設計プロトコル、および少なくとも１つの境界条件のうちの１つ以上を、ツールに提供されたプロトコルのライブラリからユーザは選択することができる。そのようなライブラリはツール内に格納されてもよく、または例えば、リモートサーバー上またはクラウド内に遠隔からから格納されてもよい。
図３は、シミュレーションユニット３０を備えるツール１００のさらなる例によるツールを示す。この例によれば、シミュレーションユニットは、製造プロトコル、設計プロトコルおよび少なくとも１つの境界条件に関する命令または値を受信するための受信ユニット（３１）を含む。命令または値は、ツールの少なくとも１つの記憶ユニット内にローカルに格納されてもよく、または遠隔の情報源から受信されてもよい。
シミュレーションユニット３０はさらに、その中で製造されるオブジェクトがシミュレートされる設計空間（または世界）３２と、オブジェクトのシミュレートされた製造を実行するように動作可能な少なくとも１つのエージェント３３とを含む。
設計空間は仮想設計空間を含むことができ、少なくとも１つのエージェントは仮想エージェントを含むことができる。仮想設計空間は三次元グリッドを含むことができる。三次元グリッドは、複数の体積要素を含み得る。体積要素は、設計空間を複数の正多面体に分割することができる。
１つ以上の仮想エージェントは、設計空間または仮想世界内を移動するように動作可能であり得る。各エージェントは、オブジェクトの製造をシミュレートするために、各体積要素で製造動作を実行するように、シミュレーションユニット３０の受信ユニット３１に受信された様々なプロトコル規則に準拠して動作可能である。したがって、各エージェントは、製造プロトコル、設計プロトコル、およびシミュレーションユニットによって受信された１つ以上の境界条件の規則またはパラメータを尊重するように動作可能である。エージェント３３は、定義された製造作業を実行するための仮想エージェントになるように構成された、または動作可能な１つ以上の命令、値または規則を含むとみなすことができる。
例示的実施形態によれば、複数の体積要素を含む仮想設計空間は、有利なことに複数の立方体を含み得る。望ましくない多孔性なしに堅固な幾何学的形状を作り出すためには、材料を別々の層の高さで付加および除去できることが好ましい。三次元デザイン空間に規則的なタイリングを作成できることも望ましい。立方体は、３次元タイリングを提供する唯一の正多面体であり、したがって仮想設計空間の好ましい体積要素である。１つ以上の立方体の体積要素は、ボクセル要素を多孔質にする、立方体内のより複雑な体積形状を含み得る。すべての体積要素には位置とサイズのプロパティがある。全ての体積要素は共通のサイズを共有してもよく、あるいは体積要素のサイズは設計空間にわたって変化してもよい。サイズは、作成される部品幾何学的形状の解像度を決定する。製造プロセスが示す自由度に応じて、立方体の６面のそれぞれを製造中のトラバースおよび材料加工に使用できる。
アリのコロニーを作成するために、複数の仮想エージェントまたは「アリ」が提供され得る。各アリは、仮想空間内を移動して作業を実行できる。したがって、少なくとも一例によれば、付加アリとして知られているエージェントは、所定の体積要素を満たすために材料を付加するように動作可能である。除去アリとして知られているエージェントは、所定の体積要素から材料を除去するように動作可能である。
図４ａは、設計空間に材料を付加するための、複数の立方体ボクセルＶおよび付加アリ３４を含む一例による設計空間の一部分を示す。図４ｂは、設計空間から材料を除去するための複数の立方体ボクセルＶおよび除去アリ３５を含む一例による設計空間の一部分を示す。
仮想エージェントは、製造または設計プロトコルで定義された、あるいは１つ以上の境界条件によって定義された任意の幾何学的制約に従って、仮想設計空間内を移動できる。したがって、仮想エージェントは、仮想設計空間の許容設計領域内を移動するとみなすことができる。
１つ以上の例によれば、仮想エージェントは、ランダム経路、加重ランダム経路、または所定の経路をたどることができる。あるいは、１つ以上の例によれば、仮想エージェントは移動命令または規則に従うことができる。エージェントの動きはタクシーの動きとして説明することができ、それによって各エージェントは刺激または情報源に応答して動く。これは、例えば、各エージェントの移動についての命令を提供する「フェロモンマップ」によって達成することができる。
フェロモンマップは、ある起源で最も強い強度フィールドを表し、起源から離れるにつれて強度が減少するとみなすことができる。多くのそのような強度場またはマップは、複数のソースの影響を捉えるために重ね合わせることができる。
シミュレーションユニットが複数の立方体の体積要素からなる仮想世界を含む１つ以上の例によれば、アリは立方体の中心に配置されることが好ましいが、６つの面のそれぞれに面するように配向することができる。アリは、体積要素グリッド内のタクシー移動に追従することができ、したがって、潜在的に上下、前後、左右に移動することができる。アリの向きは、その世界の中で方向を変えるために使われるかもしれないが、アリが材料を処理する方向を変えるために使われるかもしれない。そのため、特定の製造プロセスの自由度によっては、すべての方向を使用して材料を処理できるわけではない。例えば、３軸加工によって製造をシミュレートする場合、切削ツールの軸は常にＺ方向と平行でなければならない。したがって、この制約はシミュレーションユニットに伝えられ、シミュレーション製造中に尊重されなければならない。
アリのコロニーは、いわゆる「女王」によって統治され得る。女王は、最初の構築板表面上にアリを作成するように、および／または固定数の時間ステップの間移動または処理することができなかったアリを破壊するように動作可能であり得る。女王は、フェロモンマップを保持することができ、各特定の製造作業を実行するように各アリへの命令同様、各作業アリに対する移動命令を発行するように動作可能であり得る。
したがって、１つ以上の例によれば、アリは、自分が指定された製造作業を実行できるかどうかを確認するためにあらゆる動きでチェックしながら、仮想世界全体をローミングするとみなすことができる。自然の中のアリと同じように、アリは特定の製造プロセスの必要性に応じてより強くなったり弱くなったりするフェロモントレイルをたどることが出来る。フェロモンの強さは、特定のアリがその場所で製造プロセスを実行する統計的確率に直接関係する（ランダムドロー）。アリが処理すべきであると考えられるならば、それが製造可能性の規則のいずれかに違反しているかどうかを確かめるためにチェックしなければならない（例えば、既存の材料に加えられていない新しい材料を入れようとしない）。
全てのアリの動きは、同じメカニズムによって管理されるのが好ましい。アリがｋ番目の動きをすると仮定して、Ｄ（ｉ，ｊ，ｋ）はｊ番目のフェロモン源からのｉ番目のアリの距離を示すようにする。
ここで、νｉはｉ番目のアリの位置、νｊはｊ番目のフェロモン源の位置、νｋはｋ番目の移動のベクトル移動を表す。ここでは、｜｜ｘ｜｜１はベクトルｘのタクシーキャブノルムである。次に、この距離量は、一旦それがｋ番目の動きをしたならばｉ番目のアリに作用する全てのフェロモン香りの総強度を計算するために使用され、それはγｉ，ｋと表示される。
パラメータ、ρｋは、一旦それがｋ番目の動きをしたならば、アリの位置に材料が存在しないことを示す。材料が存在しない場合はゼロに設定され、材料が存在する場合は１に設定される。パラメータｓｊは、起源におけるｊ番目のフェロモン源の強度であり、Ｊはフェロモン源の総数から１を引いた値（ゼロのインデックス）である。この値ν（ｉ，ｋ）は、ｉ番目のアリがその現在位置からｋ番目に移動する確率を計算するために最後に使用される。
次に、Ｋ個の可能な移動のうちのどれをｉ番目のアリがランダムドローで行うかを選択するかにこれらの確率を使用する。（３）では、γＡ ｉ，ｋは、力Ａを引き上げるＫの可能な動きのそれぞれに対するフェロモン強度の増加の昇順である。Ａを増加させることによって、ｉ番目のアリが最も強いフェロモンの香りの方向に動く可能性が大幅に増加する。したがって、フェロモン源が部分内の応力の分布を反映する場合、アリは高応力領域の近くに置かれる可能性が高くなる。Ａは比例制御の原則に従って設定される。
ここで、Ａｎ＋１は次の反復で使用される指数、ＫＰは比例ゲイン、Ｆｙは材料の降伏応力、ｓｆは安全率、ＦｍａｘはＦＥＡで発生する最大応力、Ａｎは現在の反復での指数である。
アリが移動すると、次にそのアリがその製造プロセスを実行すべきかどうかが決定される。これもまた確率の問題である。付加プロセスでは、（２）と（３）を修正して再利用する。パラメータγ（ｉ，ｋ）はσ（ｉ，ｋ）に置き換えられる。これは、ｉ番目のアリがｋ番目の移動を行ったプロセスを実行するための必要性の尺度である。
次に、これを（３）と同様の方法で使用して、現場で製造作業を実行する確率を計算する。指数Ａは、（４）のように計算される。
図５は、強度１と強度２の２つのフェロモン源（黒い陰影）の近くにあるアリの２次元の例を示している。アリのための４つの可能な動きは「＃」記号を使って示される。灰色の陰影は、現場で現在材料がある領域を示すために使用される。（１）−（３）を使用すると、Ａが４に設定されている場合、アリが位置＃０、＃１、＃２、または＃３に移動する確率は、それぞれ１２．５７％、８６．７９％、０％、および０．６４％である。これは、フェロモン源への直感的な動きに対する好みを示している。
本明細書に記載の１つ以上の例示的実施形態によれば、製造プロトコルは意図する製造プロセスに関するパラメータを指定する。例えば、製造プロセスプロトコルは、例えば、ツールのアクセス可能性の制約、オブジェクトによって要求される任意の支持構造の回避または最小化、およびいわゆる「オーバーハング機能」の回避または最小化、のような結果として生じる少なくとも１つの値、命令または規則を含み得る。
例えば、意図された付加製造プロセスの場合、製造プロセスプロトコルは、材料の堆積に必要とされるアクセス領域を特定することができる。意図された除去製造プロセスの場合、製造プロセスプロトコルは、ツールのアクセスを可能にするために、オブジェクトを形成する材料を遠ざける必要がある領域を指定し得る。
製造規則の例は、
１．支持材：材料を付加する場合、材料を付加しようとしている点の下に十分な支持材（以前に付加されたもの）がなければならない。
２．見通し線：材料を足したり引いたりする場合は、すなわち、所望の位置で処理するために、例えばツール、レーザー、電子ビームまたはノズルからの高速粉末流が通過しなければならないその既存の材料がないプロセスのポイントまでの見通し線が明確でなければならない。
製造プロトコルを形成する規則のリストは、必要とされる知識または詳細のレベルに応じて、無限に続くことがある。より包括的な一連の規則には、次のものがある：
１．その下に十分な支持材料がある場合、材料の体積要素を付加することができる。
２．支持構造を必要とする前に、付加プロセスが製造方向に対して４５°のオーバーハングに対応できるなら、処理方向に新しく付加された材料の真下または斜め下に材料がなければならない。
３．処理方向に処理場所への見通し線アクセスが必要である。これは、新しい材料の位置の上にあるデザインスペースの端まで延びる円柱状の空のスペースとして表すことができる。これは、使用されているハードウェアをよりよく反映するために任意の幾何学形状にすることができる。
４．付加と除去の両方のプロセスは、すでに処理された材料の処理を避けなければならない。すなわち、材料がすでに存在するところには材料を付加せず、空いたスペースを削除しない。
５．除去プロセスでは、単一のワークピースを複数のワークピースに分割してはならない。これは、既存のすべての立方体の材料とそれらの接続性を定義するツリー構造の深さ優先探索を使用して確認できる。この検索によって複数の接続されたツリー構造が識別された場合、その部分は分割されている。接続は、後で結合される複数の柱の同時構築を可能にするために、構築プレートを通して確立され得ることに留意されたい。
製造プロトコルおよび／または設計プロトコルは、オブジェクトの製造中に使用されることになる材料の少なくとも１つの特性を定義する１つ以上の命令、値または規則を含むことができる。材料特性は、例えば、材料の強度、弾性、展性、剛性、延性など材料の力学的特性に関連し得る。代替的に又は付加的に、材料特性は、例えば材料の化学的、電気的、磁気的、光学的又は熱的特性に関係し得る。
本明細書に記載の１つ以上の例によれば、設計プロトコルは、製造されるオブジェクトに関する１つ以上の設計パラメータを指定することができる。例えば、設計プロトコルは、製造されるオブジェクトの初期の開始幾何学形状の定義および／またはオブジェクトの１つ以上の必要な属性の定義を含み得る。
したがって、開始幾何学形状は、表現が構築される１つ以上の構築プレートの設計空間内の寸法および／または形状および／または位置を定義することができる。したがって、オブジェクトのシミュレーション製造は、構築プレートに材料を付加することによるオブジェクト幾何学形状の作成を含むと考えることができる。
製造されるオブジェクトの少なくとも１つの属性は、例えば、以下の記述または定義を含み得る：
必要な１つ以上の穴、例えばファスナー用；
配置および他のオブジェクトとの嵌合に必要な１つ以上の平面；
流体の流れに必要な入口および／または出口ポート；
周辺オブジェクトまたはサブシステムの幾何学形状；
そして、例えば、製造されるオブジェクトに作用する可能性のある荷重と支持力の説明などに基づくオブジェクトの要求強度またはオブジェクトの工学的要件。
本明細書に記載の１つ以上の例によれば、境界条件は、製造されるオブジェクトを形成する材料がその中に存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する。特に、境界条件は、ａ）オブジェクトを形成する材料が必要とされる１つ以上の領域、および／または ｂ）オブジェクトを形成する材料が禁止される１つ以上の領域（例えば、ボイドスペース）を定義し得る。
本発明の例示的実施形態によるシミュレーション製造方法に提供され得る境界条件の一例は、図６ａ、図６ｂおよび図６ｃを参照することによって理解することができる。図６ａ、図６ｂおよび図６ｃは、異なる角度から、オブジェクトを形成する材料が禁止されている設計空間３２の領域３６を示す。具体的には、灰色の領域は、例えば製造に必要とされるツールのアクセシビリティの結果として生じる設計空間内のボイドスペースを示す。
製造プロトコルまたは設計プロトコルの部分を形成する命令または規則は、定義された制限を持たないターゲット、例えば「できるだけ質量を減らす」を指定することができることが理解されよう。
図７ａおよび図７ｂは、図６ａ、図６ｂおよび図６ｃによって示される境界条件に基づく本発明の例示的実施形態に従って生成された表現を示す。具体的には、図７ａは正面から見た結果として得られるオブジェクトの幾何学的形状の表現Ｒを提供し、図７ｂは表現の斜視図を示す。
１つ以上の例によれば、シミュレーション製造によって得られた表現は、その後に付加の処理技術または分析を受けることがある。例えば、表現は、オブジェクトに課された負荷条件をシミュレートするように動作可能である有限要素解析（ＦＥＡ）ツールまたはユニットに送信され得る。
有限要素解析または有限要素法（ＦＥＭ）は、偏微分方程式の境界値問題に対する近似解を見つけるための既知の数値的手法である。それは大きな問題を有限要素と呼ばれるより小さくより単純な部分に細分する。これらの有限要素をモデル化する単純な方程式は、問題全体をモデル化するより大きな連立方程式に組み立てられる。次にＦＥＭは、関連する誤差関数を最小化することによって解を近似するために、変分法を使用する。
ＦＥＭを使用して、オブジェクトの幾何学形状の１つ以上の領域内の応力とひずみを決定できる。次いで、この情報は、シミュレーション製造のさらなる反復のために例示的実施形態によるシミュレーションユニットに送り返されてもよく、それはＦＥＡから得られた負荷データを利用する。このようにして、シミュレートされた製造を実行するように動作可能な仮想エージェントが、高応力の領域に引き寄せられ、低応力の領域を回避することが可能である。これは、オブジェクトの幾何学的形状のうち、以前は弱すぎた部分は余分なサポート／材料が得られる可能性が高いのに対して、低応力の部分は薄くなったり完全に消えたりする傾向があることを意味する。
図８ａおよび図８ｂは、さらなる例示的実施形態によるシミュレーション製造方法を示す。具体的には、図８ａおよび図８ｂは、オブジェクト表現を作成するための閉ループを作成するための有限要素法ソルバーの統合の例を示している。第１の例では、オブジェクトは、設計プロトコル、製造プロトコルおよび境界条件において生じる初期入力のみを考慮して、例示的な実施形態によるシステムによって設計される。初期入力が材料の特定の配置によって満たされると、作成された表現のコンピュータ読み取り可能な記述が有限要素ソルバーに渡される。ここでは、荷重状況と拘束が部品に適用され、応力、ひずみ、温度など、関心のあるパラメータが数値的に計算される。次に、これらの関心のあるパラメータは、更新された設計プロトコルに含まれ、ここで関心のある領域（例えば、高応力）は、その後のオブジェクト設計が満たさなければならない新しい要件になる。この閉ループを介した反復は、無限に、または停止基準が満たされるまで続けられ得る。
本明細書に記載の例は、閉ループシステムとみなすことができる。この閉ループで反復処理した結果は、オブジェクトに必要な属性を満たすために材料を経済的に使用するオブジェクトの設計である。本質的には、材料は必要な場所にのみ配置される。
図９、１０および１１は、例示的実施形態による実施例の説明図を提供する。図９に提供された特定の寸法は例示の目的のみのためであることが理解されよう。
この例は、壁または他の取り付け面から離れて延び、壁から一定の距離で片持ち荷重を支えるブラケット用である。アリは、４つの円形の位置決め領域ｐ１からｐ４の壁のアタッチメントプレートに生成される。設計プロトコル設定の部分を形成する開始条件の概略図が図９に示されている。コンポーネントの構築方向Ｂも示されている。
この例によれば、シミュレーション製造は、生成幾何学的生成とそれに続く応力場を生成するための有限要素解析の合計２７回の反復（反復当たり約２分）が実行された。１回目、１８回目および最後の反復について得られた幾何学形状のレンダリングは、それぞれ図１０ａ、１０ｂおよび１０ｃに示されている。これらの幾何学的形状の各々は、複数の相互接続された体積要素を含むと考えることができる。部分の最大応力と体積分率は次のとおりである：
目標応力
６．００ ｋＮ ／ｃｍ２
最大応力
（ａ）３．０８ ｋＮ ／ｃｍ２
（ｂ）４．７４ ｋＮ ／ｃｍ２
（ｃ）５．５４ ｋＮ ／ｃｍ２
体積分率
（ａ）０．２２８
（ｂ）０．１３５
（ｃ）０．１２２
上記の画像と統計の検査から、いくつかの動作が明らかである。第一に、片持ち構造の耐荷重端は、取り付け板にうまく接続されている。第二に、反復が進むにつれて、構造を薄くすること、および取り付板から延びる別々の「脚」を設ける傾向があることは明らかである。２枚の写真が図１１に示されている。具体的には、図１１ａは、図１０ｃから作成されたオブジェクト幾何学形状を印刷したものと、同じ設定であるが指定された荷重の半分をサポートする別の例とを示す。両部分とも、指定された構築方向での支持構造を回避するという製造プロトコルで定義された製造可能性基準に従う。
設計された幾何学形状の最大応力と体積分率の推移が図１２に示されている。このグラフは、設計の目標最大応力も示している。体積分率は、最初の数回の反復で明らかに急速に低下し、その後０．１２から０．１３の間で安定する。これらの値は、シミュレーション製造の実行を通じて大幅な軽量化の機会が得られることを示している。部品が受ける最大応力は、最初は目標応力に向かって増加し、次に目標値を中心に振動する。図１３ａは、１８回目の反復に対して生成され得る応力分布を示し、濃い陰影は、より大きな応力の領域を示し、図１３ｂは、シミュレーション製造を実行する仮想アリの移動を命令するために使用される対応するフェロモンマップを示す。設計された最大応力閾値をわずかに上回る幾何学形状を選択しないように注意することが好ましい。そのため、幾何学形状を選択するときには、体積分率と最大応力の両方を比較することが重要である。
この例のようなシミュレーション製造は、多数の実行可能な幾何学的表現の迅速な生成を容易にする。
本発明の実施形態は、シロアリの巣作りに触発された付加製造部品のための生成的マルチエージェント設計方法論を含む。
付加製造法で得られる幾何学的な複雑さには、設計者がその利点を最大限に引き出すのに役立つ新しいツールが必要である。シロアリのコロニーは体温調節と換気に最適化された非常に複雑な巣を作ることができる。これらのシロアリの単純な個々の行動が非常に知的なコロニー行動につながり、巣が同時に設計され、最適化されそして生産されることを可能にする。シロアリの行動を模倣することによって、この研究は、付加製造によって製造された部品の製造可能性を同時に設計し、構造的に最適化しそして評価するマルチエージェントアルゴリズムを用いた新しい設計方法論をもたらした。ケーススタディは、マルチエージェントシステムを使用した軽量部品の生成的設計を実証している。
１．導入
付加製造（ＡＭ）プロセスは、レイヤーワイズ製造によって、これまでにないレベルの設計自由度を生み出すことを約束する。この自由度は、部品や製品の複雑さと性能の段階的な変化をもたらす可能性がある。しかしながら、このレベルの複雑さと設計の自由度を理解して活用する能力があるかという問題は残っている。
階層的な複雑さ（マクロジオメトリ、格子などのメソ材料特性、カスタム微細構造または冶金学）を持つほとんどすべての形状を製造できることは、ＡＭの設計スペースが広大であることを意味する。さらに、部品の幾何学形状と部品の「製造可能性」との間には複雑な関係が存在する。たとえば、構築方向に対する部品の方向付けは、材料やエネルギーの使用量に大きく影響する。また、部品内の残留応力の増加は予測が困難なことが多く、コストのかかるビルド中またはサービス中の失敗につながる可能性がある。
２００８年には、設計者が非常に複雑な設計スペース中での最適な設計を追求する中で、設計者をサポートするための新しいツールが求められた。これは工業化されたＡＭに関連してますます適切である。ＡＭ（ＤｆＡＭ）のための設計の成功は工学設計、材料科学および製造業間のますますの重複に依存する。この理由の１つは、製造プロセス中に人が介入する機会がないことである。設計変更が下流工程に与える影響を考慮する必要があるため、ＡＭを使用したエンジニアリングをより統合化するか、さらには並行化する必要がある。これらの概念は、２０１６年ＣＩＲＰ年次総会デザイン基調講演（ＤｆＡＭ）で明確に特定されており次のように述べられている：
「設計、表現、分析、最適化、製造間の結合は、まだ解決する必要がある。」
その目的は、工学設計における有益なインスピレーションの源であることが証明されている自然からインスピレーションを得ることによってこの宣言に直接取り組むことである。シロアリの巣は非常に複雑で、換気や温度調節のために最適化することができる。これは、明瞭なアーキテクチャの監視なしに実現される。シロアリの巣の存在は、それらが本質的に「製造可能」であるという事実の証である。シロアリが巣を造るときのシロアリの行動を模倣して、ＡＭ部品の製造可能性を同時に設計し、構造的に最適化し、そして評価する設計方法が提示される。
２．背景
業界ではＡＭの利用を増やすことを目指しているため、設計プロセスが客観的または探索的にならない可能性がある。伝統的な製造プロセス、特定の美的またはレイアウトへの偏見または潜在意識の偏り、および設計固定のリスクに関する以前の経験はすべて、ＡＭ部品設計の客観性を損なう可能性がある。これは時間のかかる開発と最適化のサイクルによって向上するかもしれない。
１９７０〜８０年代を通して、伝統的な製造プロセス（例えば、機械加工または鋳造）は、製造および組立のための設計（ＤｆＭＡ）の導入から恩恵を受けた。ＡＭの出現と普及以来、研究はＡＭのプロセスに対応するためにＤｆＭＡガイドラインを適応させることを試みてきた。しかしながら、これらはＡＭのための部品設計の総合的な性質を捉えるのに苦労してきた。その結果、大規模なデザインスペースでより広範囲に検索したり、最適なデザインをターゲットにしたりすることを目的としたより柔軟性の高いツールの使用において、一連の研究が蓄積されている。
要件、制約、および目標から概念を作成する生成的設計ツールは、より探索的かつ客観的になる１つの方法とみなされる。オートデスクは、ＤｆＡＭの分野で出現しつつある４つのタイプの生成的デザインツールであるフォーム合成、ラティスとサーフェス最適化、トポロジー最適化と小柱構造を説明する。これらの方法は、検索による設計、または最適化による設計とみなすことができる。しかしながら、この数学的アプローチでは、設計プロセス全体を通して人間の相互作用と監視を取り入れることができないことがしばしばある。最近の研究は、生成的設計ツール内での人間とコンピュータの相互作用を介してこの問題に対処しようとしている。
本発明者らの主張は、生成的設計方法がＤｆＡＭのための一般的なアプローチとして浮上しているが、それらも現在、設計、表現、分析、最適化および製造を結合することに失敗しているということである。したがって、本発明者らは、新規のマルチエージェント生成的設計ツールを開発した。システムは、部品の機能要件と利用可能な製造能力の説明を入力として受け取る。多くのエージェント、または「シロアリ」は、材料を堆積することによって幾何学的形状を生成的に構築し、常に設計上および製造上の制約を厳守する。有限要素ソルバーとの統合により、これは閉ループシステムになり、シロアリの行動は例えば部品内の応力などにより変更される。システムの支配的なダイナミクスと最終的な部品の概念に収束する能力について説明される。
３．「シロアリ」コロニーの支配ダイナミクス
シロアリは、「タクシーの幾何」に拘束されて三次元の世界全体を移動する（すなわち、斜めの移動はない）。これは６つの可能な動きの方向をもたらし、各シロアリの方向はこれらの６つの選択肢からのランダムドローを用いて決定される。加えて、各シロアリは一回の移動につき一単位の長さだけ移動することができる。コロニーのサブグループを関心領域に誘導するために、シロアリが特定の動きをする確率は、（ｉ）各シロアリ位置におけるフェロモン場の勾配、および（ｉｉ）各シロアリのためのすべての可能なその後の場所（すなわちそれらの次の移動の後）における材料の有無、という２つの基準に従って操作される。
３．１．「フェロモン」による行動
「フェロモン」はシロアリのコロニーを指示するために使用される。シロアリは自分自身を動かし、フェロモン源に向かって材料を構築するよう促される。シロアリを引き付ける必要性は最初に材料の単一の広がりを使用してすべての部分の特徴を結合することである。さらに、統合有限要素解析（ＦＥＡ）により、応力の大きさがフェロモン強度に変換されるため、シロアリはストレスの高い地域の材料の量を増やすことを促される。各フェロモン源は、その部分が存在するｎ次元空間を横切って拡散する場をもたらす。所定の位置において、この場はフェロモン源の近接に関連する強度を有する。所定の位置におけるフェロモン場の強度は、全ての個々のフェロモン効果の合計によって確立される。ｉ番目のシロアリの場所で知覚される強度は以下の数式により表される。
ｓｊはその起源のｊ番目のフェロモンの強さである。Ｄ（ｉ、ｊ、ｋ）は、ｋ番目の方向に移動した後の、ｉ番目のシロアリからｊ番目のフェロモン源までのタクシーの距離である。
ｎ次元の世界では、ｋ番目の方向は、ｋ番目の行列ｖを形成するベクトルに対応する。
シロアリは２つのことのうちの１つをするかもしれない、すなわち、新しい場所に移動するか材料を処理するか、まず彼らは動き、それから彼らは処理する。支配方程式（１と２）は、アリが動いているのか、処理しているのかによって、異なってはたらく。これは、パラメータＣの条件付き性質によって制御される。
ここでは、ρｋは、材料がｋ番目の方向に移動または処理された後で、材料がシロアリの位置に存在するかどうかを識別する２項演算子である。材料が存在する場合は、１に設定されている。パラメータＭは、一連の製造可能性チェックを包含する。これらについてはセクション３．２．で説明している。正確さＣは、シロアリの知覚能力を表すということであり、周囲に何があるのか、したがって、そして次に利用可能なアクションは何なのかを伝える。
シロアリがｋ番目の方向に行動を起こす傾向は、フェロモン場の瞬間勾配∇γ（ｉ，ｋ）によって与えられる。これは、中心差分と片側差分を使用して数値的に計算される。シロアリが最急降下の方向に行動するとは保証されていない。代わりに、これはランダムドローによって制御される。ｋ番目の方向に動作を実行する確率は、式（ｉｉ）によって定義される。各確率には、ｋ番目の移動のランクとシロアリの「攻撃性」Ａの大きさに応じた重みが掛けられる。Ａ値は、適切な制御則（比例制御）を使用して更新される。これはシロアリの行動が直接的なものか探索的なものかを決定する。
３．２．製造上と設計上の制約の結果として生じる行動
シロアリは高強度フェロモンに惹かれる。シロアリがフェロモンに到達するために行う行動は、特定の問題に対する製造上および設計上の制約に依存する。式（ｉ）および（ｖ）に見られるように、シロアリは、Ｃが満たされる場合、すなわち材料がｋ番目の方向に存在する場合にのみ所定の方向での動作を検討する。シロアリがｋ番目の方向に材料を処理するためには、材料がない状態でなければならず、パラメータＭも１でなければならない。Ｍは、すべて満たさなければならないすべての製造上の制約を表す一連のブール演算子である。各項の乗算は、すべてのチェックが１の値を返すときにＭが１の値のみを持つことを保証する。製造チェックに合格しなかった場合、ｍｎの値はすべてゼロになる。したがって、製造チェックのいずれかが失敗した場合、Ｍもゼロになる。これはシロアリがその方向に材料を処理するのを妨げる。
製造チェックのリストは、必要に応じて詳細なものまたは一般的なものにすることができる。製造チェックのいくつかの例は次のように定義することができ、材料はあるか？十分な支援材料はあるか？ツールのアクセス可能性はあるか？材料は許可されているか？最小フィーチャーサイズは？フィーチャーアスペクト比は？等である。
これらの規則に厳格に従うことによって、シロアリはフェロモンに向かって引き寄せられ、必要な場合には製造制約によって設定された規則に従って製造をシミュレートする方法でのみ材料を処理する。図１４は、フェロモンによって生成された強度場を示しているが、製造チェックも考慮に入れている。シロアリをこの地域から追いやるため、材料は濃い灰色の領域では禁止されている。
３．３．フェロモン源の破壊
シロアリがフェロモン源に材料を直接堆積させる必要性は、フェロモンの強度が減少するにつれて減少する。これは、例えば高応力の領域は、関連するフェロモン源の起源上に材料を正確に配置することを必要とすることを意味する。対照的に、非常に弱いフェロモン源は、材料がその近傍に配置されている場合、「満足」されていると見なされる。この行動の動機は、それが厳密に必要な場所に材料を配置したいという願望であり、既存のトポロジー最適化手法とよく似ている。フェロモン源を除くための条件は、（ｖｉｉ）の不等式によって与えられる。
４．結果：最終設計への収束
シロアリは様々な目的に関して与えられた設計問題を最適化する。設計問題例は、材料が許可されているエンベロープ、荷重条件、および部品の質量を減らすためのより一般的な目的などを含む。架空の設計問題は図１５で説明されている。これは３つのことを示している。まず、中身のつまった白い円柱と球形の部分は、材料が許可されていない領域（ボイドスペース）を示している。これらは、移動できない外部サブシステム、または保守ツールや配線のためのアクセスを表す可能性がある。この例では、ボイドスペースは意図的に複雑である。次に、黒い陰影はビルドプレートを表し、ビルド方向はこの表面に対して垂直である。最後に、網掛けの陰影は、均一に分布した圧縮荷重が適用され、ビルドプレートに向かって作用する表面を示す。
シロアリコロニーと有限要素ソルバーとの間にフィードバックループが確立される。これにより、シロアリコロニーが現在の幾何学形状を出力し、ＦＥソルバーがこれを定量的なパフォーマンス指標に変換する閉ループ設計の反復が可能になる。このループは無限に、または停止基準が満たされるまで続き得る。ストレスの値はシロアリのコロニーにフィードバックされ、そこで強度の大きさに比例した強度で新しいフェロモンに変換される。
システムが最終部品の幾何学形状に収束することを実証するために、２つの観察指標を使用する。これらのうちの最初のものはハウスドルフ距離（ｄＨ）であり、これはアルゴリズムの連続した反復において作成された部品幾何学形状間の類似性の尺度とされる。ここでは、ｉ番目の部品幾何学形状メッシュ（セットＹ）とｉ番目の１参照メッシュ（セットＸ）との比較が行われる。２つのメッシュ間のｄＨは、（ｖｉｉｉ）を用いて集合ＸおよびＹに基づいて計算される。
ここで、「ｓｕｐ」と「ｉｎｆ」はそれぞれ最高値と最低値である。それらの間に小さなｄＨを持つ連続メッシュは、より大きい値を持つものよりももっと類似していると見なされる。合計６０回の反復にわたるｄＨの収束が図１６に示されている。ここで、ｄＨは０．７３から減少し、約０．３で安定することが示されている。ｄＨに加えて、シロアリの「攻撃性」（Ａ、式（ｉｉ））も描かれている。この値は０．２から始まり、その後増加し、最終的に６０回の反復で約３に落ち着く。これは、この値を設定するために採用されている比例制御則に従っている。
６０回目の設計反復からの幾何学形状がサポートなしで本質的に「製造可能」であることを実証するために、ＰＬＡを使用するＵｌｔｉｍａｋｅｒ ２ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ＋ ＦＤＭプリンターを使用して幾何学形状が付加製造された（図１７参照）。
５．考察
ＣＩＲＰコミュニティは、ＡＭに関連して設計、表現、分析、最適化、および製造間のより大きな結合の必要性を強調している。生成的なエージェントベースの設計ツールを介してこの結合を達成するための方法が導入されている。このツールは、部品を描画することによって部品を設計することから移行し、閉ループ設計最適化の範囲内で部品の製造をシミュレートすることによって部品を設計することに向かう。これは、このように設計された部品が以下のようであることを実証している：（ａ）耐荷重能力および特定の地域の回避などの機能要件を満たすことができる；（ｂ）部品質量の削減など、包括的な設計目標を達成する；（ｃ）全体の体積と形状に収束する。
架空の設計上の問題（セクション４）があるため、システムは圧縮荷重下で最大許容応力を超えない部品を設計し、６ＭＰａと比較して５．９８ＭＰａである。最終部品は、ボイドスペースによって課される空間的制約のいずれにも違反しておらず（図１５）、サポート材料なしで製造することもできる。最終部品（６０回目の反復）のボクセル数は１９，６３７ボクセルであった。材料が存在する可能性のある利用可能な総体積（バウンディングボックスからボイドスペースの体積を引いたもの）は１５９，９９７ボクセルであった。最大許容幾何学形状と比較すると、これは８８％の体積の減少を表す。
提案されたシステムの利点の１つは、それが部品の製造可能性を同時に設計し、構造的に最適化しそして評価することである。さらに、設計上および製造上の制約と要件の数は、ユーザの判断で増減できる。システムによって設計されている部品はプロセスの与えられた記述の下で本質的に「製造可能」である。製造能力のより詳細な説明が部品の成功した製造におけるより大きな信頼を可能にすることが提案されている。製造規則の集合は、異なる機械に対して交換可能なプロファイルを形成することが出来、同じ工学問題に対する異なる解決策につながる。最終的に、システムは生成的な方法で、すなわち開始幾何学形状なしで部品を設計する。その結果、このシステムは、設計段階での先入観、固着、および偏見を軽減するのに役立ち、これは大きな問題として浮き彫りにされている。
６．結論と今後の展望
これは、エージェントベースの生成的設計ツールが、ＡＭ概念部品の製造可能性を同時に設計し、構造的に最適化し、そして評価することができることを実証した。システムは、安定した体積と形状で、最終部品の概念に収束した。システムは、製造性を維持しながら、必要な機能性を損なうことなく、部品を大幅に軽量化する機会を利用した。この研究の意義は、部品の機能要件と利用可能な製造能力の説明のみを使用して部品の概念を作成できることにある。この同時かつ生成的なアプローチは、ＡＭの設計が複雑である中で、概念生成のための新しい方法を表している。この研究は、ますます複雑化する設計上および製造上の制約を処理するための能力を構築し続けるだろう。また、確実に製造できる部品の概念を作成することにも焦点を当てるだろう。
さらなる例示的実施形態によれば、以下のプロセスが行われる：
ｉ．予備的なステップとして、設計問題を記述することに関する全ての情報を例示的実施形態によるシミュレーションツールに取り込む。この情報は、好ましくは、１つ以上の最適化目標（例えば、質量削減）、機械内の部品の位置および方向、荷重条件、ならびに固定用の穴、取り付け面用の平面およびアセンブリまたはツールのアクセシビリティ要件のために明確さを保持しなければならない領域などの既知の幾何学的領域を含む。ユーザはまた製造資源（例えば３Ｄプリンター）を選択し、それは次に製造可能性（張り出し角度、ツールのアクセス可能寸法等）に関する全ての規則を取り込む。設計問題記述と製造資源情報からの情報は、両方とも境界条件（許容体積とボクセル分解能）の定義に貢献するだろう。
ｉｉ．材料配置：次に、１つ以上のアリが作成され、そして複数の体積要素を含む仮想設計空間内の所定の経路をたどるように命令される。アリは設計空間のすべてのボクセルを訪れるように命じられる。各ボクセルを製造可能性規則と照合することにより、材料はすべての実行可能な場所に配置される。これは「スマートフィイリング」と呼ばれることがある。
ｉｉｉ．材料除去：ＣＮＣ機械加工などの後処理ステップで除去されることになるボクセルを除去する。これは、ＦＥＡが最終部品の幾何学形状に基づいて実施されていることを確認するためである。
ｉｖ．すべてのシミュレーションシナリオ（例えば、荷重条件）の最初のＦＥＡを実施。
ｖ．最適化アルゴリズムの最初の反復を開始する。
ｖｉ．有限要素解析シミュレーションデータはシミュレーションツールに戻される。次にシミュレーションツールはＦＥＡデータを関連ボクセル（例えば応力データ）にマッピングする。
ｖｉｉ．これらのシミュレーション値（例えば、応力）はスケーリングされ、そうでなければ数学的に操作されて、アリにとって読み取り可能で有用なフォーマットでデータを提示される（例えば、０と１の間で正規化される）。次にこれらは、材料が必要であることがわかっている領域など、設計要件に関連付けられているフェロモンと組み合わされる。
ｖｉｉｉ．下位反復が始まる。ここではウィンドウを定義する。このウィンドウは現在の最適化目標を表す（例えば、前の反復と比較して質量を５％減少させる）。これは、全体の最適化の目的、つまり質量をできるだけ減らすことと混同しないように。シミュレーションツールは、フェロモン源に対する各アリの感度を調整しなければならない。これは最も強いフェロモンだけが最初に扱われるような閾値である。次いで、設計（例えば、部品の質量）がウィンドウ内に収まるまで閾値が調整（低減）される。
ａ．最適化目標（ウィンドウ値）を設定／調整する
ｂ．フェロモン源への各アリの感受性がセットされる
ｃ．スマートフィイリングが現在の感度値で行われる
ｄ．現在の感度を使用してすべての設計要件が満たされているかどうかを識別する
ｅ．すべての要件が満たされるまで感度を変更する
ｆ．満たされていない場合は（ｂ）に進む
ｇ．満たされていない場合は（ｉｉｉ）に進む
１つ以上の例示的実施形態による方法は、装置またはツールの態様の任意の組み合わせを含むことができる。これらのさらなる例による方法は、それらが処理能力およびメモリ能力を必要とするという点でコンピュータにより実施されるものとして説明することができる。
１つ以上の例示的実施形態によるツールは、特定の機能を実行するように構成または配置されたものとして説明されている。この構成または配置は、ハードウェアまたはミドルウェアまたは他の任意の適切なシステムの使用によるものであり得る。１つ以上の例では、構成または配置はソフトウェアによるものである。したがって、一態様によれば、少なくとも１つのハードウェアモジュールにロードされると、少なくとも１つのハードウェアモジュールを構成して前述の態様のいずれかによるツールになるプログラムを提供する。
さらなる態様によれば、少なくとも１つのハードウェアモジュールにロードされると、前述の方法定義のいずれかまたはそれらの任意の組み合わせに従って方法ステップを実行するように少なくとも１つのハードウェアモジュールを構成するプログラムが提供される。
一般に、言及されたハードウェアは、定義された機能を提供するように構成または配置されたとして列挙された要素を含むことができる。例えば、このハードウェアは、例示的な実施形態による少なくとも１つのセンサ、メモリ、処理、およびツールおよびメモリ用の通信回路、システム用の処理および通信回路を含むことができる。
本明細書に記載の例示的な実施形態は、デジタル電子回路、またはコンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、あるいはそれらの組み合わせで実装することができる。例示的な実施形態は、コンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム製品として、すなわち、情報担体内、例えば、１つ以上のハードウェアモジュールによる実行のための、またはその動作を制御するための、機械可読記憶装置内または伝搬信号内で実装できる。コンピュータプログラムは、独立型プログラム、コンピュータプログラム部品、または複数のコンピュータプログラムの形態であってもよく、コンパイル言語またはインタープリター言語を含む任意の形態のプログラミング言語で書くことができ、独立型プログラムとして、またはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、あるいはデータ処理環境での使用に適した他のユニットを含む任意の形態で展開することができる。
本明細書に記載の例示的実施形態による方法ステップは、入力データを操作して出力を生成することによって本発明の機能を実行するためのコンピュータプログラムを実行する１つ以上のプログラム可能プロセッサによって実行することができる。１つ以上の例示的実施形態によるツールは、プログラムされたハードウェアとして、または例えばＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を含む特殊目的論理回路として実装することができる。
コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサは、例として、汎用および特殊用途の両方のマイクロプロセッサ、ならびに任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１つ以上のプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、またはその両方から命令およびデータを受け取る。コンピュータの必須要素は、命令およびデータを格納するための１つ以上のメモリ装置に結合された命令を実行するためのプロセッサである。
テストスクリプトとスクリプトオブジェクトは、さまざまなコンピュータ言語で作成できる。テストスクリプトおよびスクリプトオブジェクトをプラットフォームに依存しない言語、例えば、拡張マークアップ言語（ＸＭＬ）で表すことにより、異なる種類のコンピュータプラットフォームで使用することができるテストスクリプトを提供することが可能になる。
本発明の例示的実施形態を実施するための一連のコンピュータ可読命令の第１の例は以下の通りである：
WHILE manufacturing requirements are not met
WHILE a source of pheromone still exists
FOR each Ant in Colony
MOVE ant
IF complies with manufacturing rules
PROCESS material
ENDIF
REMOVE pheromones within diffusion radius
ENDFOR
CALCULATE stress in generated part using FEA
IF manufacturing requirements not met
CREATE new Pheromones from normalized stress data
ADJUST sensitivity to pheromone scents
RESPAWN Ants onto baseplate
DELETE all material
ELSE
SAVE geometry of generated part
ENDIF
ENDWHILE
ENDWHILE
上述の例は本発明を限定するのではなく例示するものであり、当業者は添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替実施形態を設計することができることに留意されたい。「含む」という語は請求項に記載されたもの以外の要素またはステップの存在を排除せず、「１つ」は複数を排除せず、そして単一の特徴または他のユニットは請求項に列挙された、いくつかのユニットの機能を果たし得る。請求項中の如何なる参照表示もそれらの範囲を限定するように解釈されるべきではない。

Claims (35)

  1. 製造されるオブジェクトの表現を生成する方法であって、
    オブジェクトの製造に関する１つ以上の製造パラメータを定義する製造プロトコルと、
    製造されるオブジェクトに関する１つ以上の設計パラメータを定義する設計プロトコルと、
    製造されるオブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件と、
    に基づいて設計空間におけるオブジェクトの製造をシミュレートするステップを有する方法。
  2. 前記製造プロトコルは、前記オブジェクトを製造するための製造プロセスのパラメータに関連する命令および／または一連の値を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記製造プロトコルは、付加製造プロセスの少なくとも１つのパラメータ、除去製造プロセスの少なくとも１つのパラメータ、またはハイブリッド製造プロセスの少なくとも１つのパラメータを定義する命令および／または一連の値を含む、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記製造プロトコルは、前記オブジェクトの製造に使用される予定の製造システムの少なくとも１つの幾何学的制約の結果として生じる規則を定義する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記幾何学的制約は、少なくとも１つのツールへのアクセス可能性の制約に関する請求項４に記載の方法。
  6. 前記設計プロトコルは、製造される前記オブジェクトの初期開始幾何学形状の定義および／または製造される前記オブジェクトの１つ以上の必要な属性の定義を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記少なくとも１つの境界条件は、ａ）前記オブジェクトを形成する材料が必要とされる１つ以上の領域、および／またはｂ）当該部分を形成する材料が禁止されている１つ以上の領域を定義する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記設計空間は、仮想設計空間を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記仮想設計空間は、体積要素の配列を含む、請求項８に記載の方法。
  10. 各体積要素は、立方体を含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記オブジェクトの製造をシミュレートするステップによって生成される前記表現は、複数の相互接続された体積要素を含む、請求項９または１０に記載の方法。
  12. 前記オブジェクトの製造をシミュレートするステップによって生成される前記表現は、一連のコンピュータ可読命令を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記オブジェクトの製造をシミュレートするステップによって生成される前記表現は、視覚的表現を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記オブジェクトの製造をシミュレートする前記ステップは、少なくとも１つの仮想エージェントによって実行される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記少なくとも１つの仮想エージェントは、付加エージェント、除去エージェント、またはハイブリッドエージェントである、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記少なくとも１つの仮想エージェントは、フェロモンマップを含む移動命令に従うように動作可能であるか、または所定の経路をたどるように動作可能である、請求項１４または１５に記載の方法。
  17. 前記フェロモンマップは、有限要素分析の方法を含む、製造される前記オブジェクトの以前に生成された表現の分析に基づいて生成される、請求項１６に記載の方法。
  18. 分析データを得るために、前記オブジェクトの製造をシミュレートするステップによって生成される表現に課される荷重条件のシミュレーションを行う分析ステップをさらに含む、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記分析ステップは、有限要素分析の方法を含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記分析ステップによって得られる前記分析データに基づいて製造をシミュレートするさらなるステップをさらに含む、請求項１８または１９に記載の方法。
  21. 複数の体積要素を含む仮想設計空間内での前記オブジェクトの製造をシミュレートすることを含む、製造されるオブジェクトの表現を生成する方法。
  22. ｉ）前記オブジェクトの製造に関する少なくとも１つの製造規則、
    ｉｉ）製造される前記オブジェクトに関する少なくとも１つの設計規則、および
    ｉｉｉ）製造される前記オブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件、
    のうちの少なくとも１つに基づいて、各体積要素への材料の付加および／または材料の除去を行うことを含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 製造されるオブジェクトの表現を生成するためのツールであって、
    ｉ）前記オブジェクトの製造に関する１つ以上の製造パラメータを定義する製造プロトコル、
    ｉｉ）製造される前記オブジェクトに関する１つ以上の設計パラメータを定義する設計プロトコル、および
    ｉｉｉ）製造される前記オブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件、
    に基づいて設計空間における前記オブジェクトの製造をシミュレートするように構成されるシミュレーションユニットを有するツール。
  24. 前記製造プロトコルを記憶するよう構成された製造プロトコル記憶ユニット、
    前記設計プロトコルを記憶するよう構成された設計プロトコル記憶ユニット、および
    前記少なくとも１つの境界条件を記憶するように構成された境界条件記憶ユニット、
    のうちの１つ以上をさらに含む、請求項２３に記載のツール：
  25. 前記ツールは、前記製造プロトコル、前記設計プロトコル、および前記境界条件のうちの１つ以上をリモートソースから受信するようにさらに構成される、請求項２３または２４に記載のツール。
  26. 前記表現を記憶するように構成される表現記憶ユニットをさらに含む、請求項２３、２４、または２５のいずれか一項に記載のツール。
  27. 前記シミュレーションユニットによって実行される前記シミュレートされる製造を表示および／または前記表現を表示するように動作可能なディスプレイをさらに含む、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載のツール。
  28. 前記表現を受け取り、前記表現に従ってオブジェクトを製造するように動作可能な製造装置をさらに含む、請求項２３〜２７のいずれか一項に記載のツール。
  29. オブジェクトの製造をシミュレートするためのシミュレーションユニットであって、
    複数の体積要素を含む仮想設計空間と、
    前記仮想設計空間内の体積要素間を移動し、所定の体積要素でシミュレーション製造作業を実行するように動作可能な少なくとも１つの仮想エージェントと、
    を有するシミュレーションユニット。
  30. 前記少なくとも１つの仮想エージェントによって実行される前記製造作業は、所定の体積要素に材料を付加すること、および／または所定の体積要素から材料を除去することを含む、請求項２９に記載のシミュレーションユニット。
  31. 前記少なくとも１つの仮想エージェントによって実行される前記製造作業は、
    ｉ）前記オブジェクトの製造に関する少なくとも１つの製造規則、
    ｉｉ）製造される前記オブジェクトに関する少なくとも１つの設計規則、および
    ｉｉｉ）製造される前記オブジェクトを形成する材料が存在することが許される設計領域の少なくとも１つの境界を定義する少なくとも１つの境界条件、
    のうちの１つ以上に基づいて実行される、請求項２９または３０に記載のシミュレーションユニット。
  32. 前記仮想設計空間を表示するための電子ディスプレイをさらに含む、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載のシミュレーションユニット。
  33. コンピュータによって実行されると、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法を前記コンピュータに実行させる命令を含むコンピュータプログラム。
  34. コンピュータによって実行されると、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法をコンピュータに実行させる命令を含むコンピュータ可読記憶媒体。
  35. 請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法を実行するための手段を含むデータ処理装置。
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