只有 3D 打印機(jī)才能完成的設(shè)計(jì)

根據(jù)目前的數(shù)據(jù)，德國約有 8280 萬輛自行車在路上行駛。又一個(gè)騎自行車的國家不僅讓環(huán)境感到欣慰，而且這種運(yùn)動(dòng)方式也有益于人們的身體健康。越來越多的人開始放棄汽車，改騎自行車。尤其是那些經(jīng)常使用自行車的人，更重視選擇適合自己和自己需要的理想車型。質(zhì)量和外觀起著重要作用。

熱衷于騎自行車的人不再滿足于一輛搖搖晃晃的自行車。如果您對(duì)新款自行車感興趣，很多人首先會(huì)問自己以下問題：自行車必須能做什么以及它是如何制造的？因?yàn)楦鶕?jù)你選擇的自行車和部件，你可以用更高質(zhì)量的部件和設(shè)計(jì)或更便宜的價(jià)格更快地到達(dá)目的地。

通過增材制造重新思考現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)

voxeljet與struktur.form.design工程公司聯(lián)手打造了一個(gè)原型，該原型主要涉及美學(xué)，但也涉及優(yōu)化只能使用3D打印技術(shù)制造的部件。增材制造與 2023 年設(shè)計(jì)的結(jié)合。”我們?cè)O(shè)計(jì)了一輛自行車，它代表了現(xiàn)有的所有產(chǎn)品，可以使用不同的 3D 打印工藝進(jìn)行優(yōu)化。雖然這輛自行車并不是完全三維打印的，但我們正在逐步識(shí)別、優(yōu)化和制造通過三維打印生產(chǎn)的零件，并為增材制造提供新的動(dòng)力。因?yàn)樵霾闹圃熳屛覀冎匦滤伎妓鞋F(xiàn)有的物體，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性消失了，”voxeljet 市場營銷和應(yīng)用總監(jiān) Tobias King 說。

新設(shè)計(jì)的自行車以光學(xué)為重點(diǎn)，優(yōu)化過程中最重要的一步已經(jīng)確定。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的作用不容小覷，因?yàn)樵S多部件在使用過程中都會(huì)承受很大的負(fù)荷。德國凱澤斯勞滕附近朗根巴赫的 struktur.form.design Engineering 工程公司專門從事快速成型部件的開發(fā)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面始終有明確的目標(biāo)。在此過程中，3D 打印技術(shù)為設(shè)計(jì)提供了極大的自由度。在自行車踏板曲柄的案例中，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是美觀，但提高性能、減輕重量和降低成本等方面也是單個(gè)零件結(jié)構(gòu)調(diào)整的驅(qū)動(dòng)力。

用有限元法優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)方面擁有極大的自由度意味著首先必須了解什么是技術(shù)上可行的。在 voxeljet 的 3D 打印機(jī)熱運(yùn)行之前，工程辦公室會(huì)使用有限元法（FEM）。

為了能夠?qū)?fù)雜的部件進(jìn)行計(jì)算分析，有限元模型通過許多小而簡單的元素（通常是四面體或六面體）來表示部件的幾何形狀。這種離散化過程（也稱為網(wǎng)格劃分）是必要的，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用通常具有復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，難以用解析法求解。通過將幾何圖形映射到有限元中，可以用數(shù)值方法近似但足夠精確地確定整體結(jié)構(gòu)的行為。

“借助功能強(qiáng)大的有限元軟件工具，我們可以在開發(fā)的早期階段通過計(jì)算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)部件在特定條件下的機(jī)械性能，而無需對(duì)其進(jìn)行制造和測試，”struktur.form.design 工程公司首席執(zhí)行官 Florian Pfaff 解釋說。

voxeljet 和 struktur.form.design 工程公司之間合作的核心目標(biāo)很快就確定了：開發(fā)一種自行車曲柄，不僅在美學(xué)上與現(xiàn)有的展示自行車相匹配，而且在不影響結(jié)構(gòu)性能的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化。同樣迅速明確的是，優(yōu)化后的曲柄將由鈦合金制成，具有低密度、高強(qiáng)度的理想特性。

當(dāng)算法生成高效設(shè)計(jì)時(shí)

拓?fù)鋬?yōu)化本質(zhì)上是一種數(shù)學(xué)方法，它使用有限元方法迭代優(yōu)化給定設(shè)計(jì)空間（即所謂的設(shè)計(jì)空間）中的材料布置，同時(shí)考慮相關(guān)載荷情況和約束邊界條件，以實(shí)現(xiàn)理想性能。”Pfaff 補(bǔ)充說：”它能有效確定哪些地方需要材料，哪些地方應(yīng)該省略，以實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)效率。

拓?fù)鋬?yōu)化之后是形狀優(yōu)化。這樣可以減少凹槽區(qū)域的局部應(yīng)力峰值，從而對(duì)部件的使用壽命產(chǎn)生積極影響。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，單個(gè)凹槽的形狀會(huì)發(fā)生局部變化。

最后一步是將結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果反饋到可用的 CAD 模型中。然后，在 CAD 系統(tǒng)中添加最終細(xì)節(jié)，與傳統(tǒng)的 CAD 設(shè)計(jì)類似，以確保零件也能在實(shí)際中使用。這種方法可確保設(shè)計(jì)高效，適合生產(chǎn)。

"總的來說，這個(gè)項(xiàng)目展示了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化與快速成型制造工藝相結(jié)合在當(dāng)今所能達(dá)到的效果。快速成型制造因其設(shè)計(jì)自由度而令人信服。"

Florian Pfaff, 首席執(zhí)行官struktur.form.design GmbH

size comparison titanium pedal crank created with 3D printing and investiment casting

close up titanium pedal crank created with 3D printing and investiment casting

從 3D 打印 "蠟型 "到鈦踏板曲柄

在 voxeljet，使用粘合劑噴射工藝根據(jù)提供的 CAD 數(shù)據(jù)打印出用于熔模鑄造的圖案。為此，CAD 數(shù)據(jù)集被 “切 “成若干層。在打印過程中，粉末（在本例中為聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)）由再涂器以微米級(jí)的薄層涂抹到構(gòu)建區(qū)域，然后由打印頭選擇性地粘合。每一層都代表相應(yīng)部件的一個(gè)橫截面。打印結(jié)束后，將構(gòu)建區(qū)域降低一層厚度（150 微米），接著再打印一層新的粉末，打印頭再次選擇性地將其粘合。這一過程不斷重復(fù)，直到部件完全在粉末床內(nèi)打印完畢，然后拆開包裝并進(jìn)行清潔。圖案就完成了。對(duì)于后續(xù)的熔模鑄造而言，PMMA 具有優(yōu)異的燒損性能是特別有利的，因此即使是最小的壁厚也能再現(xiàn)。

隨后，通過經(jīng)典的熔模鑄造工藝在 3D 打印的原型上涂上陶瓷并燒制完成。由于質(zhì)量高、強(qiáng)度大，用鈦鑄造的腳踏曲柄具有更高的耐用性和產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性。

三維打印的 PMMA 模型隨后采用熔模鑄造工藝在鈦金屬中澆鑄，因此具有最高級(jí)別的細(xì)節(jié)。由于采用了底切工藝，因此只有通過 3D 打印才能實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的幾何形狀。

是用傳統(tǒng)方法還是用 DMLS 3D 打印工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)？

在傳統(tǒng)的熔模鑄造工藝中，生產(chǎn)踏板曲柄需要額外的步驟，而三維打印技術(shù)可以省略這些步驟。”用傳統(tǒng)方法用鈦制造這樣的結(jié)構(gòu)–如果技術(shù)上可行的話–肯定是不經(jīng)濟(jì)的。如果沒有三維打印機(jī)，就不可能實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的踏板曲柄”，struktur.form.design 工程公司首席執(zhí)行官 Florian Pfaff 說。

與直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）相比，熔模鑄造在材料成本方面也比直接金屬打印更有優(yōu)勢(shì)，尤其是在大批量生產(chǎn)時(shí)，因?yàn)槿刍蔫T錠比金屬粉末更具成本效益。與 DMLS 相比，后續(xù)的熔模鑄造能提供更均勻的材料行為，因?yàn)槿廴诮饘倌芤杂杏?jì)劃和可控的方式凝固。在三維打印的構(gòu)建空間中，由于層間的結(jié)合，X 軸或 Y 軸的斷裂伸長率要高于 Z 軸。印刷鑄造 “的一大優(yōu)勢(shì)是，3D 打印與熔模鑄造的結(jié)合已在許多行業(yè)（如飛機(jī)制造業(yè)）得到認(rèn)可和認(rèn)證。

結(jié)果...

……重量僅為 152 克，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代 3D 打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)的完美結(jié)合，與傳統(tǒng)腳踏曲柄相比，重量減輕了 40-50%，具有進(jìn)一步節(jié)約成本的潛力。

“總的來說，這個(gè)項(xiàng)目展示了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化與快速成型制造工藝相結(jié)合在當(dāng)今所能達(dá)到的效果。快速成型制造因其設(shè)計(jì)自由度而令人信服。它能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀，并提供了非常有效地利用資源的可能性。三維打印技術(shù)在重新思考產(chǎn)品和突破傳統(tǒng)制造方法限制方面的潛力是巨大的，”Florian Pfaff 總結(jié)道。

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