研發一輛完全可定制且實現增材制造的山地自行車

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

項目介紹

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。但是直到今天,這種制造技術直接投放到產品市場仍舊受限,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的設計技術要求,這是一個挑戰。

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辦的公司。他們確信將增材制造技術和碳纖維材料結合在一起是很有潛力的。用他們的話說,“讓創建最好的自行車結構成為了可能”。

RBC 希望采用增材制造技術去定制生產非常高端的山地自行車。這種山地自行車可以根據個人的體重、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

對于航空工業而言, RBC 在增材制造以及開發產品和系統上已經積累了很多的經驗。但是在新的項目領域,整個團隊需要與行業伙伴一起合作,以便它能將重心轉移到可行的商業領域上。

他們的團隊找到了 HiETA Technologies 公司、Renishaw 公司和 Altair。 HiETA Technologies 公司是為增材制造技術做工業設計的專家;Renishaw 是增材制造機器領先的開發商;而 Altair ProductDesign 團隊確保自行車的設計充分利用了增材制造在設計優化技術上的靈活性。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,減少重量后不能對結構的強度產生影響,例如通常減少重量會對自行車手產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,這種材料在工業上的應用非常廣泛。

碳纖維管,如同自行車的其他部件結構一樣,通過與增材制造的“鈦節點”連接在一起,根據自行車手的個人偏好來加工制造。

Altair ProductDesign 團隊的任務就是優化這些鏈接頭,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,Altair ProductDesign 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,盡可能快地探索到一個優化解決方案,Altair ProductDesign 團隊利用了 solidThinking Inspire 軟件。這項技術能夠幫助團隊將現有的設計輸入軟件環境,并快速施加自行車在使用期間自身框架需要的各種載荷數據和約束,比如節點的可用尺寸、固定點的位置等。

solidThinking Inspire 使用這些數據來導出新的幾何布局,這個幾何布局移除了不需要的材料,滿足了性能目標。該團隊然后將新的幾何導入 HyperWorks 軟件,采用 HyperMesh 來創建構件的詳細模型,再用 OptiStruct 來進
行更細化的材料厚度設計。通過這個流程,即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構的安置方法,以避免加工過程中對構件造成破壞。

這個流程與 Renishaw 公司和 deHiETA Technologies 公司是協同工作的。為了設計出重量利用最高效的零件,Altair 產品設計尋找簡化結構框架的設計以便能夠降低產品的成本。例如綁定連接的連接柄,它最初是由 3 個部件構成,2 個對稱的鈦零件和 1 個插入的碳纖維管。

利用 Altair 軟件和工程專業知識,該團隊能夠將從 HiETA Technologies 公司和 Renishaw 公司獲得的增材制造設計模型,重新對單個零件的連接柄進行優化設計,優化質量、承載性能和加工成本。該優化工作是在 solidThinking Inspire 中進行,同時在 HyperWorks 軟件中進行詳細的分析。最后,Altair ProductDesign 團隊同 HiETA 公司進行了技術的傳遞,確保該公司在未來的產品設計環節中能夠直接利用 Altair 的仿真技術。

結論

通過 Altair ProductDesign 團隊的優化工作成功交付了基于增材制造的鈦框架節點的質量優化設計。

這個由 solidThinking Inspire 驅動、通過 Altair 團隊演繹的新的材料布局,為增材制造加工創建了創新、有機且高度優化的外觀設計方案。

結構重量減輕了,同時零件的數量也減少了,這大大降低了加工的復雜性和成本。

Robot Bike 公司的可定制山地自行車采用最新的設計和制造技術,對于市場來說是一個突破性的產品。

Altair ProductDesign 團隊的參與對輕量化、強結構的設計做出了重要的貢獻,在 HiETA Technologies 和
Renishaw 公司的密切支持下,該款山地自行車現在已經能投入產品制造。