仿真驅(qū)動山地自行車增材制造和定制化的實現(xiàn)

近些年，一些讓人感興趣的 3D 打印技術或者增材制造技術的案例被引入到自行車制造行業(yè)。但是直到今天，這種制造技術直接投放到產(chǎn)品市場仍舊受限，而以技術展示居多。增材制造技術對于自行車制造商而言是一項令人興奮的技術，因為它具備更好的客戶化設計潛能。自行車的設計需要充分利用工程技術，這就需要廣泛的工程和專業(yè)的設計技術要求，這是一個挑戰(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)個人的體重、身高和騎車風格來量身定做，并且在時間成本和制造成本上都要達到可接受的程度。

挑戰(zhàn)
對于航空工業(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。但是在新的項目領域，整個團隊需要與行業(yè)伙伴一起合作，以便它能將重心轉(zhuǎn)移到可行的商業(yè)領域上。

重量是自行車制造商必須重視的一個問題，因為移動較重的自行車會耗費更多的能量。對于越野自行車尤其明顯，當遇到各種各樣的地形尤其陡坡時，騎行者必須付出更大的力量。在設計一輛自行車的時候，減少重量后不僅能對結(jié)構(gòu)的強度產(chǎn)生影響，例如通常減少重量會對自行車手產(chǎn)生很明顯的感官上的變 化。這是一個工程團隊設計的難點，卻也是自行車手購買時所關心的重點。

解決方案
為了得到一個可定制、輕質(zhì)量、高強度的自行車，RBC 的核心團隊決定采用碳纖維材料，這種材料在工業(yè)上的應用非常廣泛。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”連接在一起，根據(jù)自行車手的個人偏好來加工制造。

仿真團隊的任務就是優(yōu)化這些鏈接頭，同時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，也能承受山地行車下山時的受到的反作用力。所有的這些設計同時也需要滿足增材制造的要求。

在增材制造設計中，仿真團隊的主要任務是給出一個最高效利用材料的方案，方案中所需的設計可以通過不同的自行車手的需求來給定。為了在項目工期內(nèi)，盡可能快地探索到一個優(yōu)化解決方案，方案當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)點的可用尺寸、固定點的位置等。

最后仿真團隊將優(yōu)化得到的數(shù)據(jù)導出新的幾何布局，這個幾何布局移除了不需要的材料，滿足了性能目標，可得到增材制造流程設計的新方案，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構(gòu)件造成破壞。為了設計出重量利用最高效的零件，該團隊還提出綁定連接的連接柄，它最初是由 3 個部件構(gòu)成，2 個對稱的鈦零件和 1 個插入的碳纖維管。

通過仿真團隊的優(yōu)化工作成功交付了基于增材制造的鈦框架節(jié)點的質(zhì)量優(yōu)化設計。為增材制造加工創(chuàng)建了創(chuàng)新、有機且高度優(yōu)化的外觀設計方案。結(jié)構(gòu)重量減輕了，同時零件的數(shù)量也減少了，這大大降低了加工的復雜性和成本。

來源：海納有限元