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。例如增材制造技術在制造產(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。增材制造技術還帶來了產(chǎn)品設計的靈活性：復雜的產(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)方式難以實現(xiàn)的設計。

　　將增材制造技術的優(yōu)勢激發(fā)出來，并不是增材制造設備“自己”的任務，還需要結合為增材制造而設計（Design for AM–DFAM）的理念和產(chǎn)品力學結構的拓撲優(yōu)化技術。英國的RBC公司正是增材設計理念、拓撲優(yōu)化技術和增材制造技術三者相結合的受益者，他們通過這些技術開辟了高端山地自行車的定制業(yè)務。

　　團隊合作

　　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實現(xiàn)山地車的定制服務。山地車的定制化生產(chǎn)要考慮到客戶自身的體重、身高、騎行風格，并需要在客戶可接受的時間和成本內(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個鈦合金節(jié)點連接而成。鈦合金節(jié)點可根據(jù)騎行者自身的身高、體重、騎行方式等進行定制。實現(xiàn)車架的優(yōu)化設計和制造離不開多方團隊的合作。車架的設計、制造團隊包括：

　　HiETA團隊在增材制造產(chǎn)品的設計領域有著豐富的經(jīng)驗。該團隊創(chuàng)建了一個參數(shù)化的3D CAD模型，可以針對個別定制用戶進行快速修改。車架中的11個鈦合金鏈接點和8根碳纖維管都可以通過這種方式進行個性化定制。

　　HiEAT圖片來源：Renishaw

　　Altair的設計團隊負責通過Altair公司的CAE軟件進行鈦合金連接點的拓撲優(yōu)化，包括分析每個連接點所承受的載荷，并調整其形狀和壁厚以及合理的進行材料分布，最終在保持零件性能的基礎上實現(xiàn)輕量化。

　　圖片來源：Renishaw

　　Renishaw公司的任務是將每個設計優(yōu)化好的CAD模型進行金屬3D打印。

　　鈦合金節(jié)點的設計優(yōu)化

　　優(yōu)化和減重

　　在對鈦合金節(jié)點進行優(yōu)化研究時，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計。通過Altair公司的solidThinking Inspire將現(xiàn)有設計快速導入到虛擬的環(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，同時滿足所有性能要求。在這個流程中，新的設計還要考慮增材制造技術的要求，包括考慮理想的打印角度和支撐結構，以避免在打印過程中組件的倒塌。這個流程是與Hieta團隊的技術結合進行的。

　　簡化車架設計并降低成本

　　除了對鈦合金節(jié)點進行減重，更為簡化的車架設計和降低成本也是一項重要任務。例如在后下叉耳的設計中，原始設計是一個由三個部分組成的部件，其中兩塊是對稱的鈦金屬組件，還有一個相連的碳纖維管件。而該部件的新設計是一個能夠滿足質量性能和制造成本要求的單一部件。在設計這個單一部件的過程中，團隊使用了solidThinking Inspire拓撲優(yōu)化功能，以及Evolve的幾何構建能力，并在Hieta技術的支持下考慮了增材制造的要求。

　　鈦合金節(jié)點的3D打印

　　鈦合金節(jié)點是通過選擇性激光熔化（SLM） 技術3D打印的。CAD模型被導入Renishaw QuantAM軟件中，確定每個零部件的最佳擺放方向和支撐結構。一輛自行車中的11個鈦合金節(jié)點被擺放在一起，通過一次打印過程同時制造出來。

　　圖片來源：Renishaw

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

　　圖片來源：Renishaw

　打印設備： AM250

　　11個鈦合金節(jié)點通過200W的激光器進行粉末材料的選擇性激光熔化，通過熔化生產(chǎn)出致密和堅固的結構。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)境下進行的，保證鈦合金材料的純度、強度和耐久性。打印完成之后，11個鈦合金節(jié)點的構建板被從3D打印設備中取出，并進行熱處理。有的節(jié)點則需要進行精加工。每輛自行車的鈦合金節(jié)點制造過程是在坐標測量儀的監(jiān)測下進行的。

　　這些3D打印的鈦合金節(jié)點在經(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。