增材制造技术在体育领域发挥着越来越重要的作用，一些定制化装备的研发和原型设计逐渐利用到3D打印技术。毫无疑问，自行车运动是3D技术应用最广泛的运动之一，常用到的就是金属或复合材料的打印，它们坚固的特性，往往能将材料的作用发挥极致。3D打印工艺特性又能制造出更轻、更快、更舒适的自行车，同时减少制造时间和成本。
通常，一辆自行车的完整开发周期在2-2.5年的时间，其中产品的原型设计阶段尤为重要，是测试各项性能的关键。金属3D打印的优势就是可以在短时间做修改和调整，很快获得测试结果，缩短生产周期。但随之而来，确保零件的精度也是一个很重要的议题。
图1 自行车结构
自行车头管的一次打印成功
以金属自行车头管为例，漫格科技用VoxelDance Additive 增材制造一体化CAx软件平台，优化了自行车头管的支撑，降低了后处理难度，并用热力耦合仿真验证了打印一次成型。
工程师使用VDA软件，将零件倾斜45°进行摆放。按照过往的经验，在易发生变形的零件部位添加了“块和柱支撑”的组合支撑，尤其是管口处。从生成的支撑侧切面可以看到，支撑结构比较多。这增加了后处理的难度，也增加了材料的浪费。为了优化支撑结构，将管口部位的支撑变为BCC晶格结构，来减少支撑的使用，控制管口处的变形情况。
图2 自行车管口生成支撑的侧切面
添加BCC晶格结构
最新版本VDA中的隐式设计模块VoxelDance Design（VDD）可以快速地为自行车头管添加BCC晶格结构。隐式建模可以实现基于数学公式、有限元分析结果等参数驱动式设计。复用工作流节点可以对多个管口实现批量化的晶格添加。并通过尺寸调节，密度渐变实现性能的优化，显著缩短产品迭代周期。
随后，在零件底部添加“块和柱支撑”的组合支撑，即可完成零件打印前的数据准备。整个过程都在VDA中进行，无需导出文件。尤其是针对所占内存比较大的零件，更是方便了工程师的工作流程，节省了不少文件导出转化造成的麻烦。
热力耦合仿真，验证打印过程
3D打印存在着部件的变形和开裂问题，在反复的试错和摸索过程中，会浪费大量的非生产性的时间成本。为了实现一次打印成功，工程师使用VDA中的VoxelDance Engineering（VDE）仿真模块进行仿真过程验证。
BCC晶格点阵结构具有复杂的几何特征，为热力耦合仿真带来不少的挑战。点阵结构的网格通常包含大量细小而密集的结构，这使得有限元网格划分变得极为困难，既要保证几何细节的准确捕捉，又要控制计算量在可接受范围内。
对于热仿真，点阵结构的热传导路径复杂，局部热梯度变化剧烈，导致热应力分布高度不均匀，增加了热力耦合求解器的收敛难度。在成形过程中，由于点阵单元之间存在非均匀的能量输入和散热条件，传统的简化热源模型难以真实反映其实际温度场分布。
在力学仿真中，点阵结构作为一种周期结构，其力学行为高度依赖于几何拓扑和单元连接方式，在宏观层面呈现出明显的各向异性与非线性响应特征。点阵结构中的局部力学响应如屈曲和断裂行为具有强烈的尺度效应，极易受制造缺陷或加载边界扰动的影响，这对本构模型的构建和数值算法的稳定性提出了更高要求。
而VDA的仿真模块对点阵结构具备良好的兼容性与适应性，能够稳定地完成其在热力过程中的全过程模拟，有效的对复杂的晶格结构进行过程仿真。
图4 热力耦合仿真结果
减少
从两种支撑方案来看，利用晶格结构控形可以减少将近85%的支撑体积。在提高打印效率的同时，节省材料降低成本，降低后处理难度。
图5 两种方案支撑体积的对比
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