2014年2月

 

      英國唯一的激光熔融金屬快速成型系統(tǒng)（用于“打印”金屬部件）制造商雷尼紹，與英國領先的自行車設計和制造公司聯(lián)袂制造出世界上首款3D打印金屬自行車架。Empire Cycles公司針對快速成型制造技術設計出山地自行車，制作經(jīng)拓撲優(yōu)化的鈦材質(zhì)車架；新車架堅固、輕巧，重量比原來減輕了33%。
 

車架采用鈦合金材料，分成若干部分利用快速成型制造工藝加工，然后拼接組裝而成， 因此具有以下諸多優(yōu)點：

    設計自由
? 快速迭代；可在最終生產(chǎn)之前靈活改進和完善設計

? 能夠制造經(jīng)拓撲優(yōu)化產(chǎn)生的形狀（參見下文）

? 充分根據(jù)客戶要求量身定制 — 使單件生產(chǎn)像成批生產(chǎn)一樣簡單

    構造
? 復雜形狀具有多種內(nèi)部增強特征

 
? 空心結構

? 細節(jié)特征構建功能，例如銘刻騎手姓名

    高性能鈦合金材料
? 座管支架比鋁合金輕44%

? 極其堅固 — 經(jīng)測試達到EN 14766標準

? 抗腐蝕、經(jīng)久耐用

 

     Empire Cycles

     Empire Cycles位于英格蘭西北部，是英國一家獨具特色的自行車設計和制造公司。該公司積極致力于使用精湛的英國工程技術開發(fā)和制造高端產(chǎn)品，為全球山地自行車和高山速降自行車提供創(chuàng)新設計。
雷尼紹和Empire Cycles攜手合作，針對快速成型制造工藝的特點優(yōu)化自行車設計，減少了許多原本需要多余結構來支撐的朝下表面。
 

     它的強度如何？

     利用激光熔融金屬快速成型制造工藝加工的鈦合金，具有超過900 MPa的高極限抗拉強度 (UTS) 和幾近完美的大于99.7%的密度；這種工藝優(yōu)于鑄造，由于孔隙小，數(shù)量少，呈球型狀，因此對強度幾乎沒有影響。
該項目的目的是生產(chǎn)一種功能型自行車，因此采用山地自行車標準EN 14766對座管支架進行了測試，結果證明其可承受50,000次1200 N的應力。在接下來的測試中，逐漸加大應力，當使用的應力達到該標準的6倍時，座管支架仍完好無損。
對自行車架的測試將繼續(xù)進行。一方面，在英國Bureau Veritas的實驗室進行測試；另一方面，與斯旺西大學 (Swansea University) 合作，利用便攜式傳感器完成山地實測。
 

      什么是拓撲優(yōu)化？

     拓撲源于希臘語中的“topo”（地貌）一詞，而拓撲優(yōu)化軟件是指通常利用迭代步驟和有限元分析來確定材料“邏輯位置”的程序。通過移除低承載力區(qū)域的材料，達到優(yōu)化承重設計的目的，最終得到的原型部件既輕巧（因為體積?。┯謭怨獭，F(xiàn)在，可以利用快速成型制造技術來解決以往制造這些結構時存在的難題，實現(xiàn)從3D物理模型向?qū)嶓w的轉化。

 

     它有多輕？

      鈦合金的密度比鋁合金大，它們的相對密度分別約為4 g/cm3和3 g/cm3。因此，要使鈦合金零件比鋁合金零件輕，唯一方法就是大幅改變結構，盡可能減少不會影響零件整體強度的區(qū)域的材料。

      原來的鋁合金座管支架重量為360 g，而空心鈦合金座管支架僅重200 g，重量一下子減輕了44%。

      這還只是第一次迭代；通過進一步分析和測試，還可以減輕更多重量。

      原來的自行車架重2100 g。重新設計后利用快速成型制造工藝，車架重量降至1400 g，減輕了33%。

      雖然現(xiàn)在市面上有重量更輕的碳纖維自行車，但Empire Cycles總裁Chris Williams在經(jīng)過一番調(diào)查后指出：“碳纖維自行車的耐用性比不上金屬自行車，它很適合公路使用，但在山路上騎行，它的車架有可能損壞。我們的金屬自行車有額外加固，可確保萬無一失?！?br />  

      該項目如何管理？

      在接觸雷尼紹之前，Chris就已經(jīng)為他最新設計的自行車制作了全尺寸3D打印復制品，因此十分清楚自己想要什么。
雷尼紹最初只同意優(yōu)化和制造座管支架，但是當座管支架成功制造出來后，制造完整車架也就變成了順理成章的事情。Chris根據(jù)雷尼紹應用團隊的優(yōu)化型指導更新了設計，將整個車架分成若干部分，以便充分利用AM250系統(tǒng)的300 mm成型高度。

       Empire Cycles的重大收獲，便是這一制造方法給產(chǎn)品帶來的諸多性能優(yōu)點。更新后的設計不僅具有摩托車和汽車所使用的壓制鋼“無骨架”結構的所有優(yōu)點，而且無需投資購買讓小型制造商望而卻步的昂貴模具。
 
      雖然還未完全發(fā)掘出產(chǎn)品潛在的性能優(yōu)勢，但我們希望繼續(xù)開發(fā)該項目。由于無需模具，因此可輕松地持續(xù)進行設計改進；并且由于按體積而不是按復雜程度計算組件成本，一些很輕零件的制造成本甚至可以達到最低。
對拼接組裝方法進行研究后，該項目選用了Mouldlife公司提供的粘合劑，以及技術專家3M公司提供的測試設備。我們將繼續(xù)深入合作，研究拼接組裝方法的重復性改進，例如特定表面處理。

     自行車成品所需的車輪、傳動鏈和組件均由Hope Technology公司提供。
該項目表明，通過與客戶密切合作可以取得卓越的成果。如果您希望自己的產(chǎn)品也能獲益于快速成型制造技術，請聯(lián)系當?shù)氐睦啄峤B辦事處了解詳情。