仿真驱动山地自行车增材制造和定制化的实现

近些年，一些让人感兴趣的 3D 打印技术或者增材制造技术的案例被引入到自行车制造行业。但是直到今天，这种制造技术直接投放到产品市场仍旧受限，而以技术展示居多。增材制造技术对于自行车制造商而言是一项令人兴奋的技术，因为它具备更好的客户化设计潜能。自行车的设计需要充分利用工程技术，这就需要广泛的工程和专业的设计技术要求，这是一个挑战。

Robot Bike 公司（RBC）是一家由航空工程师们和山地自行车爱好者们一起在英国创办的公司。他们确信将增材制造技术和碳纤维材料结合在一起是很有潜力的。用他们的话说，“让创造最好的自行车结构成为可能”。

RBC 希望采用增材制造技术去定制生产非常高端的山地自行车。这种山地自行车可以根据个人的体重、身高和骑车风格来量身定做，并且在时间成本和制造成本上都要达到可接受的程度。

挑战
对于航空工业而言，RBC 在增材制造以及开发产品和系统上已经积累了很多的经验。但是在新的项目领域，整个团队需要与行业伙伴一起合作，以便它能将重心转移到可行的商业领域上。

重量是自行车制造商必须重视的一个问题，因为移动较重的自行车会耗费更多的能量。对于越野自行车尤其明显，当遇到各种各样的地形尤其陡坡时，骑行者必须付出更大的力量。在设计一辆自行车的时候，减少重量后不仅能对结构的强度产生影响，例如通常减少重量会对自行车手产生很明显的感官上的变 化。这是一个工程团队设计的难点，却也是自行车手购买时所关心的重点。

解决方案
为了得到一个可定制、轻质量、高强度的自行车，RBC 的核心团队决定采用碳纤维材料，这种材料在工业上的应用非常广泛。碳纤维管，如同自行车的其他部件结构一样，通过与增材制造的“钛节点”连接在一起，根据自行车手的个人偏好来加工制造。

仿真团队的任务就是优化这些链接头，同时也包括自行车的头管、座管和连接柄，以便保证这些部件在尽可能的轻的同时，也能承受山地行车下山时的受到的反作用力。所有的这些设计同时也需要满足增材制造的要求。

在增材制造设计中，仿真团队的主要任务是给出一个最高效利用材料的方案，方案中所需的设计可以通过不同的自行车手的需求来给定。为了在项目工期内，尽可能快地探索到一个优化解决方案，方案当中包括施加自行车在使用期间自身框架需要的各种载荷数据和约束，比如节点的可用尺寸、固定点的位置等。

最后仿真团队将优化得到的数据导出新的几何布局，这个几何布局移除了不需要的材料，满足了性能目标，可得到增材制造流程设计的新方案，其中包括了理想的打印角度和支撑结构的安置方法，以避免加工过程中对构件造成破坏。为了设计出重量利用最高效的零件，该团队还提出绑定连接的连接柄，它最初是由 3 个部件构成，2 个对称的钛零件和 1 个插入的碳纤维管。

通过仿真团队的优化工作成功交付了基于增材制造的钛框架节点的质量优化设计。为增材制造加工创建了创新、有机且高度优化的外观设计方案。结构重量减轻了，同时零件的数量也减少了，这大大降低了加工的复杂性和成本。

来源：海纳有限元