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雷尼绍为Empire Cycles制造出首款3D打印自行车架

英国唯一的激光熔融金属快速成型系统(用于“打印”金属部件)制造商雷尼绍,与英国领先的自行车设计和制造公司联袂制造出世界上首款3D打印金属自行车架。

2014年2月4日

英国唯一的激光熔融金属快速成型系统(用于“打印”金属部件)制造商雷尼绍,与英国领先的自行车设计和制造公司联袂制造出世界上首款3D打印金属自行车架。Empire Cycles公司针对快速成型制造技术设计出山地自行车,制作经拓扑优化的钛材质车架;新车架坚固、轻巧,重量比原来减轻了33%。

车架采用钛合金材料,分成若干部分利用快速成型制造工艺加工,然后拼接组装而成, 因此具有以下诸多优点:

设计自由

  • 快速迭代;可在最终生产之前灵活改进和完善设计 
  • 能够制造经拓扑优化产生的形状(参见下文) 
  • 充分根据客户要求量身定制 — 使单件生产像成批生产一样简单

构造

  • 复杂形状具有多种内部增强特征 
  • 空心结构 
  • 细节特征构建功能,例如铭刻骑手姓名

高性能钛合金材料

  • 座管支架比铝合金轻44% 
  • 极其坚固 — 经测试达到EN 14766标准 
  • 抗腐蚀、经久耐用

Empire Cycles

3D打印座管的开发流程

 Empire Cycles位于英格兰西北部,是英国一家独具特色的自行车设计和制造公司。该公司积极致力于使用精湛的英国工程技术开发和制造高端产品,为全球山地自行车和高山速降自行车提供创新设计。

雷尼绍和Empire Cycles携手合作,针对快速成型制造工艺的特点优化自行车设计,减少了许多原本需要多余结构来支撑的朝下表面。

它的强度如何?

垂直力疲劳测试图解

利用激光熔融金属快速成型制造工艺加工的钛合金,具有超过900 MPa的高极限抗拉强度 (UTS) 和几近完美的大于99.7%的密度;这种工艺优于铸造,由于孔隙小,数量少,呈球型状,因此对强度几乎没有影响。

该项目的目的是生产一种功能型自行车,因此采用山地自行车标准EN 14766对座管支架进行了测试,结果证明其可承受50,000次1200 N的应力。在接下来的测试中,逐渐加大应力,当使用的应力达到该标准的6倍时,座管支架仍完好无损。

对自行车架的测试将继续进行。一方面,在英国Bureau Veritas的实验室进行测试;另一方面,与斯旺西大学 (Swansea University) 合作,利用便携式传感器完成山地实测。

什么是拓扑优化?

拓扑源于希腊语中的“topo”(地貌)一词,而拓扑优化软件是指通常利用迭代步骤和有限元分析来确定材料“逻辑位置”的程序。通过移除低承载力区域的材料,达到优化承重设计的目的,最终得到的原型部件既轻巧(因为体积小)又坚固。现在,可以利用快速成型制造技术来解决以往制造这些结构时存在的难题,实现从3D物理模型向实体的转化。

它有多轻?

整个自行车架分为几部分,连同座管支架在一个成型托盘上一次性打印制成

钛合金的密度比铝合金大,它们的相对密度分别约为4 g/cm3和3 g/cm3。因此,要使钛合金零件比铝合金零件轻,唯一方法就是大幅改变结构,尽可能减少不会影响零件整体强度的区域的材料。

原来的铝合金座管支架重量为360 g,而空心钛合金座管支架仅重200 g,重量一下子减轻了44%。

这还只是第一次迭代;通过进一步分析和测试,还可以减轻更多重量。
原来的自行车架重2100 g。重新设计后利用快速成型制造工艺,车架重量降至1400 g,减轻了33%。

虽然现在市面上有重量更轻的碳纤维自行车,但Empire Cycles总裁Chris Williams在经过一番调查后指出:“碳纤维自行车的耐用性比不上金属自行车,它很适合公路使用,但在山路上骑行,它的车架有可能损坏。我们的金属自行车有额外加固,可确保万无一失。”

该项目如何管理?

配备了3D打印钛合金车架和座管支架的完整自行车

在接触雷尼绍之前,Chris就已经为他最新设计的自行车制作了全尺寸3D打印复制品,因此十分清楚自己想要什么。

雷尼绍最初只同意优化和制造座管支架,但是当座管支架成功制造出来后,制造完整车架也就变成了顺理成章的事情。Chris根据雷尼绍应用团队的优化型指导更新了设计,将整个车架分成若干部分,以便充分利用AM250系统的300 mm成型高度。

Empire Cycles的重大收获,便是这一制造方法给产品带来的诸多性能优点。更新后的设计不仅具有摩托车和汽车所使用的压制钢“无骨架”结构的所有优点,而且无需投资购买让小型制造商望而却步的昂贵模具。

虽然还未完全发掘出产品潜在的性能优势,但我们希望继续开发该项目。由于无需模具,因此可轻松地持续进行设计改进;并且由于按体积而不是按复杂程度计算组件成本,一些很轻零件的制造成本甚至可以达到最低。

对拼接组装方法进行研究后,该项目选用了Mouldlife公司提供的粘合剂,以及技术专家3M公司提供的测试设备。我们将继续深入合作,研究拼接组装方法的重复性改进,例如特定表面处理。

自行车成品所需的车轮、传动链和组件均由Hope Technology公司提供。

该项目表明,通过与客户密切合作可以取得卓越的成果。如果您希望自己的产品也能获益于快速成型制造技术,请联系当地的雷尼绍办事处,了解详情。

点击此处,了解最新款自行车的详细信息。

所有图片与文字版权均归Renishaw所有

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