材制造通常被稱為3D打印，與傳統(tǒng)的制造方法相比，這種制造工藝擁有諸多優(yōu)點(diǎn)。例如增材制造技術(shù)在制造產(chǎn)品的過程中無需使用模具，這為制造單件或小批量的定制產(chǎn)品帶來了便利性。增材制造技術(shù)還帶來了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性：復(fù)雜的產(chǎn)品，通常需要很多加工步驟，現(xiàn)在可以一次完成，并且可以有薄壁、深腔或隱藏通道這些傳統(tǒng)方式難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。

　　將增材制造技術(shù)的優(yōu)勢激發(fā)出來，并不是增材制造設(shè)備“自己”的任務(wù)，還需要結(jié)合為增材制造而設(shè)計(jì)（Design for AM–DFAM）的理念和產(chǎn)品力學(xué)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)。英國的RBC公司正是增材設(shè)計(jì)理念、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和增材制造技術(shù)三者相結(jié)合的受益者，他們通過這些技術(shù)開辟了高端山地自行車的定制業(yè)務(wù)。

　　團(tuán)隊(duì)合作

　　ROBOT BIKE CO(RBC)是一家英國山地車公司。為滿足高端用戶的定制化需求，RBC公司考慮使用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)山地車的定制服務(wù)。山地車的定制化生產(chǎn)要考慮到客戶自身的體重、身高、騎行風(fēng)格，并需要在客戶可接受的時(shí)間和成本內(nèi)完成定制。

　　RBC公司推出的定制化自行車的車架部分由8根碳纖維管和11個(gè)鈦合金節(jié)點(diǎn)連接而成。鈦合金節(jié)點(diǎn)可根據(jù)騎行者自身的身高、體重、騎行方式等進(jìn)行定制。實(shí)現(xiàn)車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造離不開多方團(tuán)隊(duì)的合作。車架的設(shè)計(jì)、制造團(tuán)隊(duì)包括：

　　HiETA團(tuán)隊(duì)在增材制造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)參數(shù)化的3D CAD模型，可以針對個(gè)別定制用戶進(jìn)行快速修改。車架中的11個(gè)鈦合金鏈接點(diǎn)和8根碳纖維管都可以通過這種方式進(jìn)行個(gè)性化定制。

　　HiEAT圖片來源：Renishaw

　　Altair的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)通過Altair公司的CAE軟件進(jìn)行鈦合金連接點(diǎn)的拓?fù)鋬?yōu)化，包括分析每個(gè)連接點(diǎn)所承受的載荷，并調(diào)整其形狀和壁厚以及合理的進(jìn)行材料分布，最終在保持零件性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化。

　　圖片來源：Renishaw

　　Renishaw公司的任務(wù)是將每個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化好的CAD模型進(jìn)行金屬3D打印。

　　鈦合金節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　優(yōu)化和減重

　　在對鈦合金節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化研究時(shí)，需要考慮到性能要求和山地車騎手的尺寸，從而找到最高效的材料分布設(shè)計(jì)。通過Altair公司的solidThinking Inspire將現(xiàn)有設(shè)計(jì)快速導(dǎo)入到虛擬的環(huán)境中，并施加自行車架在使用中需要承受的載荷數(shù)據(jù)。

　　solidThinking Inspire將利用這些數(shù)據(jù)生成一個(gè)新的幾何形狀，該形狀具有最精簡、高效的材料布局方式，同時(shí)滿足所有性能要求。在這個(gè)流程中，新的設(shè)計(jì)還要考慮增材制造技術(shù)的要求，包括考慮理想的打印角度和支撐結(jié)構(gòu)，以避免在打印過程中組件的倒塌。這個(gè)流程是與Hieta團(tuán)隊(duì)的技術(shù)結(jié)合進(jìn)行的。

　　簡化車架設(shè)計(jì)并降低成本

　　除了對鈦合金節(jié)點(diǎn)進(jìn)行減重，更為簡化的車架設(shè)計(jì)和降低成本也是一項(xiàng)重要任務(wù)。例如在后下叉耳的設(shè)計(jì)中，原始設(shè)計(jì)是一個(gè)由三個(gè)部分組成的部件，其中兩塊是對稱的鈦金屬組件，還有一個(gè)相連的碳纖維管件。而該部件的新設(shè)計(jì)是一個(gè)能夠滿足質(zhì)量性能和制造成本要求的單一部件。在設(shè)計(jì)這個(gè)單一部件的過程中，團(tuán)隊(duì)使用了solidThinking Inspire拓?fù)鋬?yōu)化功能，以及Evolve的幾何構(gòu)建能力，并在Hieta技術(shù)的支持下考慮了增材制造的要求。

　　鈦合金節(jié)點(diǎn)的3D打印

　　鈦合金節(jié)點(diǎn)是通過選擇性激光熔化（SLM） 技術(shù)3D打印的。CAD模型被導(dǎo)入Renishaw QuantAM軟件中，確定每個(gè)零部件的最佳擺放方向和支撐結(jié)構(gòu)。一輛自行車中的11個(gè)鈦合金節(jié)點(diǎn)被擺放在一起，通過一次打印過程同時(shí)制造出來。

　　圖片來源：Renishaw

　　11個(gè)鈦合金節(jié)點(diǎn)組合在一起的CAD模型將被切片分割為2500個(gè)打印層，每層為60微米厚。QuantAM軟件還定義了在進(jìn)行金屬3D打印時(shí)激光器的掃描路徑。

　　圖片來源：Renishaw

　打印設(shè)備： AM250

　　11個(gè)鈦合金節(jié)點(diǎn)通過200W的激光器進(jìn)行粉末材料的選擇性激光熔化，通過熔化生產(chǎn)出致密和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。鈦合金粉末材料熔化過程是在充滿了惰性氣體氬氣的環(huán)境下進(jìn)行的，保證鈦合金材料的純度、強(qiáng)度和耐久性。打印完成之后，11個(gè)鈦合金節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建板被從3D打印設(shè)備中取出，并進(jìn)行熱處理。有的節(jié)點(diǎn)則需要進(jìn)行精加工。每輛自行車的鈦合金節(jié)點(diǎn)制造過程是在坐標(biāo)測量儀的監(jiān)測下進(jìn)行的。

　　這些3D打印的鈦合金節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過后處理之后，將用于組裝出一輛高度定制化的山地自行車。