仿真驅(qū)動(dòng)山地自行車(chē)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(chē)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(chǎng)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(chē)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(chē)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(zhuān)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(chē)愛(ài)好者們一起在英國(guó)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(shuō)，“讓創(chuàng)造最好的自行車(chē)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(chē)。這種山地自行車(chē)可以根據(jù)個(gè)人的體重、身高和騎車(chē)風(fēng)格來(lái)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(kāi)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(chē)制造商必須重視的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橐苿?dòng)較重的自行車(chē)會(huì)耗費(fèi)更多的能量。對(duì)于越野自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)手購(gòu)買(mǎi)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(chē)，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(chē)的其他部件結(jié)構(gòu)一樣，通過(guò)與增材制造的“鈦節(jié)點(diǎn)”連接在一起，根據(jù)自行車(chē)手的個(gè)人偏好來(lái)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(chē)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(chē)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(guò)不同的自行車(chē)手的需求來(lái)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(chē)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(guò)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(chēng)的鈦零件和 1 個(gè)插入的碳纖維管。

通過(guò)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?jī)?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(lái)源：海納有限元