与设计相结合激发增材制造技术在山地车定制中的潜力

| 3DScienceValley · 2016/07/04

增材制造通常被称为3D打印，与传统的制造方法相比，这种制造工艺拥有诸多优点。例如增材制造技术在制造产品的过程中无需使用模具，这为制造单件或小批量的定制产品带来了便利性。增材制造技术还带来了产品设计的灵活性：复杂的产品，通常需要很多加工步骤，现在可以一次完成，并且可以有薄壁、深腔或隐藏通道这些传统方式难以实现的设计。

将增材制造技术的优势激发出来，并不是增材制造设备“自己”的任务，还需要结合为增材制造而设计（Design for AM – DFAM）的理念和产品力学结构的拓扑优化技术。英国的RBC 公司正是增材设计理念、拓扑优化技术和增材制造技术三者相结合的受益者，他们通过这些技术开辟了高端山地自行车的定制业务。本期，3D科学谷就与谷友一起分享这个案例。

团队合作

ROBOT BIKE CO(RBC) 是一家英国山地车公司。为满足高端用户的定制化需求，RBC 公司考虑使用增材制造技术实现山地车的定制服务。山地车的定制化生产要考虑到客户自身的体重、身高、骑行风格，并需要在客户可接受的时间和成本内完成定制。

RBC 公司推出的定制化自行车的车架部分由8根碳纤维管和11个钛合金节点连接而成。钛合金节点可根据骑行者自身的身高、体重、骑行方式等进行定制。3D科学谷认为，实现车架的优化设计和制造离不开多方团队的合作。车架的设计、制造团队包括：

HiETA 团队在增材制造产品的设计领域有着丰富的经验。该团队创建了一个参数化的3D CAD 模型，可以针对个别定制用户进行快速修改。车架中的11个钛合金链接点和8根碳纤维管都可以通过这种方式进行个性化定制。

图片来源：Renishaw

Altair的设计团队负责通过Altair 公司的CAE 软件进行钛合金连接点的拓扑优化，包括分析每个连接点所承受的载荷，并调整其形状和壁厚以及合理的进行材料分布，最终在保持零件性能的基础上实现轻量化。

图片来源：Renishaw

Renishaw公司的任务是将每个设计优化好的CAD 模型进行金属3D打印。

钛合金节点的设计优化

优化和减重
在对钛合金节点进行优化研究时，需要考虑到性能要求和山地车骑手的尺寸，从而找到最高效的材料分布设计。通过 Altair 公司的solidThinking Inspire将现有设计快速导入到虚拟的环境中，并施加自行车架在使用中需要承受的载荷数据。

solidThinking Inspire将利用这些数据生成一个新的几何形状，该形状具有最精简、高效的材料布局方式，同时满足所有性能要求。在这个流程中，新的设计还要考虑增材制造技术的要求，包括考虑理想的打印角度和支撑结构，以避免在打印过程中组件的倒塌。这个流程是与Hieta团队的技术结合进行的。

简化车架设计并降低成本
除了对钛合金节点进行减重，更为简化的车架设计和降低成本也是一项重要任务。例如在后下叉耳的设计中，原始设计是一个由三个部分组成的部件，其中两块是对称的钛金属组件，还有一个相连的碳纤维管件。而该部件的新设计是一个能够满足质量性能和制造成本要求的单一部件。在设计这个单一部件的过程中，团队使用了solidThinking Inspire拓扑优化功能，以及Evolve的几何构建能力，并在Hieta技术的支持下考虑了增材制造的要求。

钛合金节点的3D打印

钛合金节点是通过选择性激光熔化（SLM）技术3D打印的。CAD 模型被导入Renishaw QuantAM 软件中，确定每个零部件的最佳摆放方向和支撑结构。一辆自行车中的11个钛合金节点被摆放在一起，通过一次打印过程同时制造出来。

图片来源：Renishaw

11个钛合金节点组合在一起的CAD 模型将被切片分割为2500个打印层，每层为60微米厚。QuantAM软件还定义了在进行金属3D打印时激光器的扫描路径。

图片来源：Renishaw
打印设备： AM250

11个钛合金节点通过200W的激光器进行粉末材料的选择性激光熔化，通过熔化生产出致密和坚固的结构。钛合金粉末材料熔化过程是在充满了惰性气体氩气的环境下进行的，保证钛合金材料的纯度、强度和耐久性。打印完成之后，11个钛合金节点的构建板被从3D打印设备中取出，并进行热处理。有的节点则需要进行精加工。每辆自行车的钛合金节点制造过程是在坐标测量仪的监测下进行的。

这些3D打印的钛合金节点在经过后处理之后，将用于组装出一辆高度定制化的山地自行车。