只有 3D 打印機才能完成的設計
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。又一個騎自行車的國家不僅讓環(huán)境感到欣慰,而且這種運動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。如果您對新款自行車感興趣,很多人首先會問自己以下問題: 自行車必須能做什么以及它是如何制造的?因為根據(jù)你選擇的自行車和部件,你可以用更高質量的部件和設計或更便宜的價格更快地到達目的地。
通過增材制造重新思考現(xiàn)有產品設計
voxeljet與struktur.form.design工程公司聯(lián)手打造了一個原型,該原型主要涉及美學,但也涉及優(yōu)化只能使用3D打印技術制造的部件。增材制造與 2023 年設計的結合。”我們設計了一輛自行車,它代表了現(xiàn)有的所有產品,可以使用不同的 3D 打印工藝進行優(yōu)化。雖然這輛自行車并不是完全三維打印的,但我們正在逐步識別、優(yōu)化和制造通過三維打印生產的零件,并為增材制造提供新的動力。因為增材制造讓我們重新思考所有現(xiàn)有的物體,傳統(tǒng)設計的局限性消失了,”voxeljet 市場營銷和應用總監(jiān) Tobias King 說。
新設計的自行車以光學為重點,優(yōu)化過程中最重要的一步已經確定。拓撲結構的作用不容小覷,因為許多部件在使用過程中都會承受很大的負荷。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),在結構優(yōu)化方面始終有明確的目標。在此過程中,3D 打印技術為設計提供了極大的自由度。在自行車踏板曲柄的案例中,設計的重點是美觀,但提高性能、減輕重量和降低成本等方面也是單個零件結構調整的驅動力。
用有限元法優(yōu)化拓撲結構
在設計方面擁有極大的自由度意味著首先必須了解什么是技術上可行的。在 voxeljet 的 3D 打印機熱運行之前,工程辦公室會使用有限元法(FEM)。
為了能夠對復雜的部件進行計算分析,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,因為實際應用通常具有復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構的行為。
“借助功能強大的有限元軟件工具,我們可以在開發(fā)的早期階段通過計算機模擬結構部件在特定條件下的機械性能,而無需對其進行制造和測試,”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很快就確定了:開發(fā)一種自行車曲柄,不僅在美學上與現(xiàn)有的展示自行車相匹配,而且在不影響結構性能的前提下實現(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、高強度的理想特性。
最后一步是將結構優(yōu)化的結果反饋到可用的 CAD 模型中。然后,在 CAD 系統(tǒng)中添加最終細節(jié),與傳統(tǒng)的 CAD 設計類似,以確保零件也能在實際中使用。這種方法可確保設計高效,適合生產。
"總的來說,這個項目展示了現(xiàn)代結構優(yōu)化與快速成型制造工藝相結合在當今所能達到的效果??焖俪尚椭圃煲蚱湓O計自由度而令人信服。"
Florian Pfaff, 首席執(zhí)行官struktur.form.design GmbH
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))由再涂器以微米級的薄層涂抹到構建區(qū)域,然后由打印頭選擇性地粘合。每一層都代表相應部件的一個橫截面。打印結束后,將構建區(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,直到部件完全在粉末床內打印完畢,然后拆開包裝并進行清潔。圖案就完成了。對于后續(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。由于質量高、強度大,用鈦鑄造的腳踏曲柄具有更高的耐用性和產品尺寸穩(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,因此具有最高級別的細節(jié)。由于采用了底切工藝,因此只有通過 3D 打印才能實現(xiàn)高度復雜的幾何形狀。
是用傳統(tǒng)方法還是用 DMLS 3D 打印工藝進行重新設計?
在傳統(tǒng)的熔模鑄造工藝中,生產踏板曲柄需要額外的步驟,而三維打印技術可以省略這些步驟。”用傳統(tǒng)方法用鈦制造這樣的結構–如果技術上可行的話–肯定是不經濟的。如果沒有三維打印機,就不可能實現(xiàn)如此復雜的踏板曲柄”,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(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,尤其是在大批量生產時,因為熔化的鑄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,因為熔融金屬能以有計劃和可控的方式凝固。在三維打印的構建空間中,由于層間的結合,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)勢是,3D 打印與熔模鑄造的結合已在許多行業(yè)(如飛機制造業(yè))得到認可和認證。
結果...
……重量僅為 152 克,實現(xiàn)了現(xiàn)代 3D 打印技術和傳統(tǒng)制造技術的完美結合,與傳統(tǒng)腳踏曲柄相比,重量減輕了 40-50%,具有進一步節(jié)約成本的潛力。
“總的來說,這個項目展示了現(xiàn)代結構優(yōu)化與快速成型制造工藝相結合在當今所能達到的效果??焖俪尚椭圃煲蚱湓O計自由度而令人信服。它能夠實現(xiàn)復雜的幾何形狀,并提供了非常有效地利用資源的可能性。三維打印技術在重新思考產品和突破傳統(tǒng)制造方法限制方面的潛力是巨大的,”Florian Pfaff 總結道。
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