只有 3D 打印机才能完成的设计

新设计的自行车以光学为重点，优化过程中最重要的一步已经确定。拓扑结构的作用不容小觑，因为许多部件在使用过程中都会承受很大的负荷。德国凯泽斯劳滕附近朗根巴赫的 struktur.form.design Engineering 工程公司专门从事快速成型部件的开发，在结构优化方面始终有明确的目标。在此过程中，3D 打印技术为设计提供了极大的自由度。在自行车踏板曲柄的案例中，设计的重点是美观，但提高性能、减轻重量和降低成本等方面也是单个零件结构调整的驱动力。

在设计方面拥有极大的自由度意味着首先必须了解什么是技术上可行的。在 voxeljet 的 3D 打印机热运行之前，工程办公室会使用有限元法（FEM）。

为了能够对复杂的部件进行计算分析，有限元模型通过许多小而简单的元素（通常是四面体或六面体）来表示部件的几何形状。这种离散化过程（也称为网格划分）是必要的，因为实际应用通常具有复杂的几何形状和边界条件，难以用解析法求解。通过将几何图形映射到有限元中，可以用数值方法近似但足够精确地确定整体结构的行为。

“借助功能强大的有限元软件工具，我们可以在开发的早期阶段通过计算机模拟结构部件在特定条件下的机械性能，而无需对其进行制造和测试，”struktur.form.design 工程公司首席执行官 Florian Pfaff 解释说。

voxeljet 和 struktur.form.design 工程公司之间合作的核心目标很快就确定了：开发一种自行车曲柄，不仅在美学上与现有的展示自行车相匹配，而且在不影响结构性能的前提下实现轻量化。同样迅速明确的是，优化后的曲柄将由钛合金制成，具有低密度、高强度的理想特性。

随后，通过经典的熔模铸造工艺在 3D 打印的原型上涂上陶瓷并烧制完成。由于质量高、强度大，用钛铸造的脚踏曲柄具有更高的耐用性和产品尺寸稳定性。

三维打印的 PMMA 模型随后采用熔模铸造工艺在钛金属中浇铸，因此具有最高级别的细节。由于采用了底切工艺，因此只有通过 3D 打印才能实现高度复杂的几何形状。

在传统的熔模铸造工艺中，生产踏板曲柄需要额外的步骤，而三维打印技术可以省略这些步骤。”用传统方法用钛制造这样的结构–如果技术上可行的话–肯定是不经济的。如果没有三维打印机，就不可能实现如此复杂的踏板曲柄”，struktur.form.design 工程公司首席执行官 Florian Pfaff 说。

与直接金属激光烧结（DMLS）相比，熔模铸造在材料成本方面也比直接金属打印更有优势，尤其是在大批量生产时，因为熔化的铸锭比金属粉末更具成本效益。与 DMLS 相比，后续的熔模铸造能提供更均匀的材料行为，因为熔融金属能以有计划和可控的方式凝固。在三维打印的构建空间中，由于层间的结合，X 轴或 Y 轴的断裂伸长率要高于 Z 轴。印刷铸造 “的一大优势是，3D 打印与熔模铸造的结合已在许多行业（如飞机制造业）得到认可和认证。

……重量仅为 152 克，实现了现代 3D 打印技术和传统制造技术的完美结合，与传统脚踏曲柄相比，重量减轻了 40-50%，具有进一步节约成本的潜力。

“总的来说，这个项目展示了现代结构优化与快速成型制造工艺相结合在当今所能达到的效果。快速成型制造因其设计自由度而令人信服。它能够实现复杂的几何形状，并提供了非常有效地利用资源的可能性。三维打印技术在重新思考产品和突破传统制造方法限制方面的潜力是巨大的，”Florian Pfaff 总结道。