新設(shè)計的自行車以光學(xué)為重點，優(yōu)化過程中最重要的一步已經(jīng)確定。拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化方面始終有明確的目標(biāo)。在此過程中，3D 打印技術(shù)為設(shè)計提供了極大的自由度。在自行車踏板曲柄的案例中，設(shè)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(jié)構(gòu)調(diào)整的驅(qū)動力。

在設(shè)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(shù)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?qū)?fù)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(yīng)用通常具有復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(biāo)很快就確定了：開發(fā)一種自行車曲柄，不僅在美學(xué)上與現(xiàn)有的展示自行車相匹配，而且在不影響結(jié)構(gòu)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。

隨后，通過經(jīng)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(zhì)量高、強度大，用鈦鑄造的腳踏曲柄具有更高的耐用性和產(chǎn)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(fù)雜的幾何形狀。

在傳統(tǒng)的熔模鑄造工藝中，生產(chǎn)踏板曲柄需要額外的步驟，而三維打印技術(shù)可以省略這些步驟。”用傳統(tǒng)方法用鈦制造這樣的結(jié)構(gòu)–如果技術(shù)上可行的話–肯定是不經(jīng)濟的。如果沒有三維打印機，就不可能實現(xiàn)如此復(fù)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(jié)（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(chǎn)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(gòu)建空間中，由于層間的結(jié)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(jié)合已在許多行業(yè)（如飛機制造業(yè)）得到認可和認證。

……重量僅為 152 克，實現(xiàn)了現(xiàn)代 3D 打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)的完美結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化與快速成型制造工藝相結(jié)合在當(dāng)今所能達到的效果。快速成型制造因其設(shè)計自由度而令人信服。它能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)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(shù)在重新思考產(chǎn)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(jié)道。