Heavy Bikes推出全新鋁制一體式自行車車架，融合3D打印模具鑄造技術(shù)

2024年10月6日，南極熊獲悉，自行車車架制造商Heavy Bikes宣布采用3D打印技術(shù)開發(fā)鋁制車架。這種方法在傳統(tǒng)金屬鑄造中并不常見，它將現(xiàn)代技術(shù)與百年歷史的工藝相結(jié)合，為定制高性能自行車提供了顛覆性的解決方案。

△采用3D打印模具定制一體式鑄鋁碎石自行車，符合ISO 4210:2015標(biāo)準(zhǔn)

3D打印與鑄造相結(jié)合

盡管許多人不會(huì)將鑄造行業(yè)與創(chuàng)新聯(lián)系起來，但重型自行車和鑄造系統(tǒng)（FCS）的聯(lián)合創(chuàng)始人Charlie Murray看到了將現(xiàn)代技術(shù)引入金屬鑄造的機(jī)會(huì)。作為一名在工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)家，Murray認(rèn)識(shí)到通過工藝改進(jìn)可以最大限度地減少鑄造過程中的不一致性，例如孔隙率和收縮率。

Murray并未選擇傳統(tǒng)方法（如使用CNC加工鋁坯），而是設(shè)想了一種更高效的解決方案：利用3D打印技術(shù)制造模具，以生產(chǎn)具備增強(qiáng)機(jī)械性能的鑄件。通過與鑄造專家的合作，F(xiàn)CS 開發(fā)了Pascal工藝，這是一種獨(dú)特的方法，利用加壓凝固技術(shù)來優(yōu)化鑄造環(huán)境。該工藝確保熔融金屬能夠有效填充模具，從而減少缺陷并產(chǎn)生高質(zhì)量、可重復(fù)的結(jié)果。

△ExOne的S-Max Flex

重型自行車生產(chǎn)流程的核心是ExOne的S-Max 3D打印機(jī)，該打印機(jī)采用砂型粘合劑噴射技術(shù)，使用硅砂和呋喃粘合劑制造出精密的模具。3D打印模具的應(yīng)用為鑄造帶來了新的可能性，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)模具難以制造或無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀和設(shè)計(jì)。

粘合劑噴射技術(shù)消除了對昂貴且耗時(shí)的硬質(zhì)模具的需求，使重型自行車能夠快速迭代設(shè)計(jì)。對于Murray來說，這是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)，3D打印使得人們能夠探索鑄造工藝。過去，由于模具成本或迭代成本，它們可能會(huì)被迫放棄，而粘合劑噴射技術(shù)則打開了這扇門。

△Liberty Pattern公司擁有五套ExOne S-Max砂粘合劑噴射系統(tǒng)，使該公司能夠靈活地生產(chǎn)鑄造模具和芯體，即使是小批量項(xiàng)目也是如此

3D打印技術(shù)在重型自行車鋁制車架中的應(yīng)用

鑄造系統(tǒng)的Pascal工藝顯著提高了重型自行車鋁制車架的機(jī)械性能。該工藝通過在凝固過程中向模具內(nèi)泵入惰性氣體，產(chǎn)生正壓，從而確保熔融金屬完全填充模具的復(fù)雜通道，形成致密而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。

Pascal工藝的關(guān)鍵在于它能夠提高鑄造過程中的質(zhì)量進(jìn)料率。盡管傳統(tǒng)的12英寸冒口在常壓下產(chǎn)生一定的頭部壓力，但使用該工藝僅需1英尺的冒口就能產(chǎn)生相當(dāng)于70英尺冒口的壓力。這項(xiàng)創(chuàng)新顯著減少了鑄件的缺陷（如孔隙率），并使鑄件更加堅(jiān)固和耐用。

△左上：Liberty Pattern的3D打印砂模已準(zhǔn)備好鑄造。右上：Craft Pattern and Mold使用的FCS Pascal工藝鑄造原型。左下：原型鑄件已準(zhǔn)備好進(jìn)行后期處理。右下：下一代重型自行車在Denison Industries鑄造，并由鑄造廠進(jìn)行X光檢查，以驗(yàn)證鋁制框架的堅(jiān)固性

使用3D打印模具的最顯著優(yōu)勢之一是能夠根據(jù)騎手的需求定制每個(gè)自行車車架。Murray作為競技自行車運(yùn)動(dòng)的從業(yè)者，深知根據(jù)特定體型和騎行風(fēng)格定制車架的重要性。3D打印的數(shù)字化特性意味著可以快速且輕松地進(jìn)行調(diào)整，而無需傳統(tǒng)模具制作方法所需的高昂成本和漫長時(shí)間。這種靈活性還使Heavy Bikes能夠嘗試不同的形狀和配置，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的競爭力。

Hypocrite從概念到現(xiàn)實(shí)

該公司的首個(gè)原型被稱為Hypocrite，采用了Liberty Pattern的3D打印模具鑄造而成。Liberty Pattern是復(fù)雜砂型鑄造模具的領(lǐng)先供應(yīng)商，擁有五臺(tái)ExOne S-Max 3D打印機(jī)，

另一家重要合作伙伴Craft Pattern and Mold利用Pascal Process鑄造原型，通過以150 psi 的壓力將惰性氣體注入模具，確保鋁材能夠填充車架的最小和最精細(xì)的部分。最終，單件式的自行車車架沒有焊縫，從而消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的薄弱點(diǎn)，并且由于Pascal Process的加壓方法，車架的強(qiáng)度得以增強(qiáng)。

在每次迭代中，Heavy Bikes都會(huì)對設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，以在保持結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)減輕車架的重量。最新的車架于2024年9月在Denison Industries澆注而成，重量比早期版本輕約1.1 磅，這一改進(jìn)得益于數(shù)字設(shè)計(jì)和3D打印模具的不斷進(jìn)步。通過這一工藝，重型自行車可以生產(chǎn)出無需焊接的單件式實(shí)心鋁制車架，這種設(shè)計(jì)在強(qiáng)度和耐用性方面相較于傳統(tǒng)的管焊自行車具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

Murray認(rèn)為，Heavy Bikes的車架不僅功能齊全，還是一件藝術(shù)品。3D打印所提供的設(shè)計(jì)自由度意味著每個(gè)車架都可以定制獨(dú)特的表面設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)通過傳統(tǒng)工具往往難以實(shí)現(xiàn)且成本高昂。無論是噴漆、陽極氧化還是原始處理，Heavy Bikes的車架在美學(xué)上都提供了一定程度的定制，使它在市場上的其它自行車中脫穎而出。