如何用3D打印技术打造一支超轻钛合金把立

也许你还记得世界上最轻的2.7公斤自行车，但车辆装有金属曲柄。据说是用钛3D打印制作的。

本文作者认为，设计端与工业端的了解与协同合作是优秀设计的关键，要设计最好的产品，第一步就是了解最好的材料是如何制造的。

▲钛合金3D打印制作而成的金属曲柄

长期以来，我都依赖金属3D打印机来制作原型零件，但有一个问题一直困扰着我：金属3D打印价格还不够低。现在我以一根仅重83g的钛合金3D打印94mm把立来分享自己与3D打印领域协同的结果：使用AI技术来优化生产过程，从而有效降低成本。

▲ISO4210-5-2014 限重130kg

为什么市面上的钛合金把立做不到这个重量？因为TC4钛合金是一种难以处理的材料，没有办法低成本制作管材，也没有办法低成本CNC加工整根把立。几乎所有钛合金把立都是使用强度更低的TA18钛合金焊接而成，所以重量上没有优势。

正因为3D金属打印机可以将TC4粉末激光烧结熔融成型，能够以相比单件CNC更低的价格生产高强度的TC4钛合金零件。这支把立的力学性能十分优秀，最终测试结果和力学仿真十分接近，通俗讲，相比超轻的铝合金和碳纤维把立，钛合金打印的把立在使用中几乎不会感觉到弹性。

简单来讲，金属3D打印的价格主要由耗费的金属材料、后期的人工处理、产品的尺寸以及打印时间来决定。

其中可以调整的是耗费的金属材料、打印时间和人工处理。以我使用的BLT-300A打印机为例，零件打印中需要使用相同的金属材料来支撑零件保证外形，这部分支撑也会算入总价格中，而调整零件打印角度，改变零件细节和进行热仿真可以影响支撑材料的密度和长度。

▲如此密度的支撑，价格早已超过产品本身

打印时间由零件的摆放高度以及激光扫过的速度决定，下图的情况中有非常多点阵结构，这种结构在分层为打印数据后会使得激光没有办法快速连续地进行扫掠。摆放高度由零件尺寸决定，一根把立竖起来显然比平放更节省空间，但需要更多的支撑材料。

▲AI优化平滑点阵模型

▲生产过程中的激光扫掠

后期的人工处理，也就是将支撑金属切割掉。这一步主要由支撑密度、数量、零件是否在设计时考虑到去除支撑决定。

▲正在等待去除支撑材料的零件

还有一些诸如结构、壁厚等因素。金属3D打印和传统机加工也有所不同，这些因素互相影响成本和质量，显然生产端不可能人工花费大量时间手动调整以减少顾客成本。设计端也并不理解金属打印，在公差控制，打印效果，生产价格上需要花费大量时间来沟通和调整图纸。这些不理解和矛盾，就是我们协同合作的关键。

我们将现有的三维软件和3D打印软件的不同功能进行协同，使得电脑可以帮助我们进行重复的来回倒文件-仿真-细微修改这种对于人工来讲边际效应很低的工作。无论是昂贵的钛合金打印还是较便宜的不锈钢和铝合金打印，AI帮我找到了平衡。最终这根把立的报价在保证利润的情况下比网商平台报价降低了至少40%，我们对此无比欣喜。

▲看不懂没关系，贵就完了

这项AI技术在不断演化后，不光可以在保证质量的情况下降低金属打印的生产成本，还可以提高生产端的市场竞争力以及扩大设计端的设计空间，在这之前如果需要CNC加工一支TC4的订制把立，价格很容易飙升至3000元。

这根把立的不锈钢版本的生产成本大约在240元135g（限重105kg）。而一个经验丰富的手工钢架制作者焊接三根钢管的价格却远高于此。降低单个零件的生产成本，相信不光是自行车，许多设计师在未来都将因更此获得更棒的设计体验和更低的设计成本。

为什么使用3D打印技术制作了一根造型普通的圆管把立？总得来说，金属3D打印的生产成本还是较高，但是在早期设计阶段算是一种廉价方案，如果可以获得一种媲美TC4接近TC11的钛合金管材，那么这根钛合金把立的生产成本能降低到一个非常低的价格。这也是我将其称之为试验品的原因。