仿真驅(qū)動(dòng)山地自行車增材制造和定制化的實(shí)現(xiàn)

近些年，一些讓人感興趣的 3D 打印技術(shù)或者增材制造技術(shù)的案例被引入到自行車制造行業(yè)。但是直到今天，這種制造技術(shù)直接投放到產(chǎn)品市場仍舊受限，而以技術(shù)展示居多。增材制造技術(shù)對(duì)于自行車制造商而言是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù)，因?yàn)樗�具備更好的客戶化設(shè)計(jì)潛能。自行車的設(shè)計(jì)需要充分利用工程技術(shù)，這就需要廣泛的工程和專業(yè)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

Robot Bike 公司（RBC）是一家由航空工程師們和山地自行車愛好者們一起在英國創(chuàng)辦的公司。他們確信將增材制造技術(shù)和碳纖維材料結(jié)合在一起是很有潛力的。用他們的話說，“讓創(chuàng)造最好的自行車結(jié)構(gòu)成為可能”。

RBC 希望采用增材制造技術(shù)去定制生產(chǎn)非常高端的山地自行車。這種山地自行車可以根據(jù)個(gè)人的體重、身高和騎車風(fēng)格來量身定做，并且在時(shí)間成本和制造成本上都要達(dá)到可接受的程度。

挑戰(zhàn)
對(duì)于航空工業(yè)而言，RBC 在增材制造以及開發(fā)產(chǎn)品和系統(tǒng)上已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。但是在新的項(xiàng)目領(lǐng)域，整個(gè)團(tuán)隊(duì)需要與行業(yè)伙伴一起合作，以便它能將重心轉(zhuǎn)移到可行的商業(yè)領(lǐng)域上。

重量是自行車制造商必須重視的一個(gè)問題，因?yàn)橐苿?dòng)較重的自行車會(huì)耗費(fèi)更多的能量。對(duì)于越野自行車尤其明顯，當(dāng)遇到各種各樣的地形尤其陡坡時(shí)，騎行者必須付出更大的力量。在設(shè)計(jì)一輛自行車的時(shí)候，減少重量后不僅能對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，例如通常減少重量會(huì)對(duì)自行車手產(chǎn)生很明顯的感官上的變 化。這是一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，卻也是自行車手購買時(shí)所關(guān)心的重點(diǎn)。

解決方案
為了得到一個(gè)可定制、輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的自行車，RBC 的核心團(tuán)隊(duì)決定采用碳纖維材料，這種材料在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛。碳纖維管，如同自行車的其他部件結(jié)構(gòu)一樣，通過與增材制造的“鈦節(jié)點(diǎn)”連接在一起，根據(jù)自行車手的個(gè)人偏好來加工制造。

仿真團(tuán)隊(duì)的任務(wù)就是優(yōu)化這些鏈接頭，同時(shí)也包括自行車的頭管、座管和連接柄，以便保證這些部件在盡可能的輕的同時(shí)，也能承受山地行車下山時(shí)的受到的反作用力。所有的這些設(shè)計(jì)同時(shí)也需要滿足增材制造的要求。

在增材制造設(shè)計(jì)中，仿真團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)是給出一個(gè)最高效利用材料的方案，方案中所需的設(shè)計(jì)可以通過不同的自行車手的需求來給定。為了在項(xiàng)目工期內(nèi)，盡可能快地探索到一個(gè)優(yōu)化解決方案，方案當(dāng)中包括施加自行車在使用期間自身框架需要的各種載荷數(shù)據(jù)和約束，比如節(jié)點(diǎn)的可用尺寸、固定點(diǎn)的位置等。

最后仿真團(tuán)隊(duì)將優(yōu)化得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出新的幾何布局，這個(gè)幾何布局移除了不需要的材料，滿足了性能目標(biāo)，可得到增材制造流程設(shè)計(jì)的新方案，其中包括了理想的打印角度和支撐結(jié)構(gòu)的安置方法，以避免加工過程中對(duì)構(gòu)件造成破壞。為了設(shè)計(jì)出重量利用最高效的零件，該團(tuán)隊(duì)還提出綁定連接的連接柄，它最初是由 3 個(gè)部件構(gòu)成，2 個(gè)對(duì)稱的鈦零件和 1 個(gè)插入的碳纖維管。

通過仿真團(tuán)隊(duì)的優(yōu)化工作成功交付了基于增材制造的鈦框架節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計(jì)。為增材制造加工創(chuàng)建了創(chuàng)新、有機(jī)且高度優(yōu)化的外觀設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)重量減輕了，同時(shí)零件的數(shù)量也減少了，這大大降低了加工的復(fù)雜性和成本。

來源：海納有限元