研發(fā)一輛完全可定制且實現(xiàn)增材制造的山地自行車

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

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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(yè)。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(yè)的設計技術要求,這是一個挑戰(zhàn)。

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(chuàng)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(chuàng)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(jù)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(zhàn)

對于航空工業(yè)而言, RBC 在增材制造以及開發(fā)產品和系統(tǒng)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(yè)伙伴一起合作,以便它能將重心轉移到可行的商業(yè)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(yè)設計的專家;Renishaw 是增材制造機器領先的開發(fā)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(yōu)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。

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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(yè)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(jié)點”連接在一起,根據(jù)自行車手的個人偏好來加工制造。

Altair ProductDesign 團隊的任務就是優(yōu)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(yōu)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(xiàn)有的設計輸入軟件環(huán)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(shù)據(jù)和約束,比如節(jié)點的可用尺寸、固定點的位置等。

solidThinking Inspire 使用這些數(shù)據(jù)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(chuàng)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(xié)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(yè)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(yōu)化設計,優(yōu)化質量、承載性能和加工成本。該優(yōu)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(huán)節(jié)中能夠直接利用 Altair 的仿真技術。

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結論

通過 Altair ProductDesign 團隊的優(yōu)化工作成功交付了基于增材制造的鈦框架節(jié)點的質量優(yōu)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(chuàng)建了創(chuàng)新、有機且高度優(yōu)化的外觀設計方案。

結構重量減輕了,同時零件的數(shù)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(xiàn)在已經能投入產品制造。