A világ első fém alapanyagú 3D nyomtatott kerékpár váza

A Renishaw, az Egyesült Királyság egyetlen fém alapú additív technológia (lézer szintering) fejlesztője, Nagy Britannia vezető kerékpártervező és gyártó vállalatával együttműködve készítette el a világ első 3D nyomtatott fém kerékpár vázát. Az Empire Cycles a Renishaw technológiája által nyújtott előnyöket kihasználva tervezte meg a kerékpár vázát, aminek eredménye egy olyan titán szerkezet lett, amely amellett, hogy erős, egyszerre könnyű is a topológiai optimalizálásnak köszönhetően. Végeredményben a váz az eredetinél 33%-kal lett könnyebb.

A világ első 3D nyomtatott titán vázas kerékpárja

A világ első 3D nyomtatott titán vázas kerékpárja

A gyártás additív eljárással, több darabban történt, majd ezek utólagos összeragasztásával jött létre a kész vázszerkezet. Ez a gyártási technológia számos előnnyel jár:

Tervezési szabadság

  • Gyors újratervezhetőség: a technológia rugalmassága lehetővé teszi a változtatások gyors realizálását
  • A topológiai optimalizáció eredményeként kapott, hagyományos módszerekkel nem gyártható geometriák is létrehozhatók
  • Teljes mértékű testreszabhatóság: az egyedi darabokat ugyanolyan könnyedén lehet legyártani, mint a nagysorozatú alkatrészeket

Felépítés

  • Összetett formák, belső erősítő alaksajátosságokkal
  • Üreges szerkezet
  • Egyedi alaksajátosságok beépítése, mint például a leendő tulajdonos neve

Teljesítmény, titán ötövzet

  • A nyeregcső 44%-kal könnyebb, mint az alumínium verzió
  • Elképesztően erős, EN 14766-os szabvány szerint tesztelve
  • Korrózió- és időtálló

Empire Cycles

A nyeregcső tervezési folyamata

A nyeregcső tervezési folyamata

Az Empire Cycles egy egyedi kerékpárok tervezésével és gyártásával foglalkozó brit vállalat. A nagyszerű brit mérnöki megoldások alapján gyártott elsőrangú termékeikkel a vállalat innovatív dizájnt kínál a hegyi és terepi kerékpározás szerelmeseinek.

A Renishaw és az Empire Cycles az együttműködés keretein belül, az additív gyártás nyújtotta lehetőségeknek megfelelően létrehozták a tökéletes kerékpár váz tervét, melyben kiküszöbölték az összes felesleges szerkezeti elemet.

Ehhez az úgynevezett topológiai optimalizálás módszerét használták, ami iteráció és végeselemes analízis segítségével határozza meg a szerkezetekben az anyag optimális eloszlását. Ennek során a szoftver eltávolítja az anyagot az alacsony terhelésnek kitett területekről, egészen addig, amíg az optimálizált és megfelelő szerkezeti szilárdsággal rendelkező dizájn el nem készül. A folyamat eredményeként kapott modell egyszerre könnyű (a kis térfogat miatt) és erős.

Mennyire erős?

A titán ötvözetek szakítószilárdsága rendkívül magas, additív gyártással létrehozva meghaladja a 900 MPa-t. A technológiával közel tökéletes, 99,7%-os, sűrűség elérhető, ami lényegesen jobb az öntésnél, és mivel minden maradék hiba csak kisméretű és gömb alakú lehet, ezek csak kis hatással vannak a szilárdságra.

Az elsőnek elkészült nyeregcsövet az EN 14766 mountain bike szabvány alapján tesztelték. A nyeregcső kibírta az 50 000 ciklust 1200 N terhelés mellett, majd folytatták a teszteket a szabványban meghatározott ciklusszám hatszorosáig, továbbra is tönkremenetel nélkül.

A kész vázszerkezet tesztelése folytatódni fog, mind a brit Bureau Veritas laboratóriumaiban, mind hegyoldali és terepi tesztek keretein belül, hordozható szenzorok felhasználásával és a Swansea Egyetemmel együttműködve.

Mennyire könnyű?

A 3D nyomtatott váz, még darabokban

A 3D nyomtatott váz, még darabokban

A titán ötvözetek sűrűbbek az alumínium ötvözeteknél. A titáné 4 g/cm3, míg az alumíniumé 3 g/cm3 körül alakul. Hogy a titán ötvözetből készült váz mégis könnyebb legyen az alumínium ötvözetből készült megfelelőjénél, azt egyedül a tervek jelentős módosításával lehetett megoldani. Az eredeti alumínium ötvözetből készült nyeregcső 360 g-ot nyomott, amin az újratervezett, üreges titán verzió 200 g-os össztömegével 44%-ot faragott.

Ez pedig csak az első iteráció volt, további analízis és tesztelés segítségével a tömeget várhatóan még tovább lehet majd csökkenteni. Az eredeti vázszerkezet 2100 g-ot nyomott, az additív gyártásra áttervezett verzió tömege pedig 1400 g, ami összességében 33%-kal kisebb súly.

Léteznek ennél még könnyebb, szénszálas vázszerkezetű kerékpárok, azonban Chris Williams, az Empire Cycles igazgatója, aki már régóta foglalkozik kutatással, megállapította, hogy  „A szénszálas vázak tartóssága nem összemérhető a fém kerékpárokéval, kitűnően alkalmasak országúti kerékpárok esetében, de ha valaki egy meredek hegyoldalon akar lerobogni, akkor a váz sérülését kockáztatja. Mi szándékosan túlbiztosítjuk a kerékpárokat, hogy senkinek se kelljen minőségbeli problémákkal visszajönnie.”

Miként zajlott a projekt?

Chris még mielőtt a Renishaw-hoz fordult volna legyártotta 3D nyomtatással a kerékpár jelenlegi verziójának életnagyságú modelljét, így addigra már pontos elképzelése volt arról, hogy mit is akar elérni.

Eredetileg a Renishaw-val kötött megállapodás csak a nyeregcső tervezéséről és gyártásáról szólt, azonban miután az együttműködés sikeresnek bizonyult, megegyezés született a teljes váz megalkotására. Chris ezután a Renishaw kivitelezési csapatának támogatásával átdolgozta a terveket, majd a teljes vázat kisseb részekre bontották, hogy a 300mm magas munkaterületű AM250-en gyártható legyen.

Az Empire Cycles számára a gyártási technológia által kínált teljesítménybeli lehetőségek bírnak a legnagyobb jelentőséggel. A dizájn teljes mértékben rendelkezik a motorkerékpároknál és autóknál alkalmazott préselt acél monocoque (külső teherhordó váz) szerkezetekre jellemző előnyökkel, anélkül hogy gyártásához külön szerszámokat és berendezéseket kellene venni, ami egy kisméretű vállalatnál elképzelhetetlen.

„Az új dizájnban rejlő teljesítményt még nem sikerült teljesen feltérképezni, azonban reményeink szerint képesek leszünk a projektet még tovább fejleszteni. Mivel nincs szükség különleges eszközökre, a jövőbeni fejlesztéseket könnyedén meg lehet majd valósítani. És mivel az egyes alkatrészek darabonkénti ára az anyagmennyiségtől és nem a bonyolultságtól függ, némelyik nagyon könnyű darab minimális költséggel lesz elkészíthető.”

„A kötési módszerek irányába történő kutatáshoz a Mouldlife biztosította a ragasztóanyagot és a szakembereket, a 3M pedig a teszteléshez szükséges felszereléseket. A kerekeket, a hajtást és a többi alkatrészt, amelyek a kerékpár működéséhez szükségesek, a Hope Technology Ltd. biztosította.”

Forrás www.renishaw.com

Fotó Renishaw

További információ

A Renishaw hivatalos honlapján.