與設計相結合激發增材製造技術在山地車定製中的潛力

增材製造通常被稱為3D列印,與傳統的製造方法相比,這種製造工藝擁有諸多優點。例如增材製造技術在製造產品的過程中無需使用模具,這為製造單件或小批量的定製產品帶來了便利性。增材製造技術還帶來了產品設計的靈活性:複雜的產品,通常需要很多加工步驟,現在可以一次完成,並且可以有薄壁、深腔或隱藏通道這些傳統方式難以實現的設計。

將增材製造技術的優勢激發出來,並不是增材製造設備「自己」的任務,還需要結合為增材製造而設計(Design for AM – DFAM)的理念和產品力學結構的拓撲優化技術。英國的RBC 公司正是增材設計理念、拓撲優化技術和增材製造技術三者相結合的受益者,他們通過這些技術開闢了高端山地自行車的定製業務。本期,3D科學谷就與谷友一起分享這個案例。

團隊合作

與設計相結合激發增材製造技術在山地車定製中的潛力

ROBOT BIKE CO(RBC) 是一家英國山地車公司。為滿足高端用戶的定製化需求,RBC 公司考慮使用增材製造技術實現山地車的定製服務。山地車的定製化生產要考慮到客戶自身的體重、身高、騎行風格,並需要在客戶可接受的時間和成本內完成定製。

RBC 公司推出的定製化自行車的車架部分由8根碳纖維管和11個鈦合金節點連接而成。鈦合金節點可根據騎行者自身的身高、體重、騎行方式等進行定製。3D科學谷認為,實現車架的優化設計和製造離不開多方團隊的合作。 車架的設計、製造團隊包括:

HiETA 團隊在增材製造產品的設計領域有著豐富的經驗。該團隊創建了一個參數化的3D CAD 模型,可以針對個別定製用戶進行快速修改。車架中的11個鈦合金鏈接點和8根碳纖維管都可以通過這種方式進行個性化定製。

與設計相結合激發增材製造技術在山地車定製中的潛力

Altair的設計團隊負責通過Altair 公司的CAE 軟體進行鈦合金連接點的拓撲優化,包括分析每個連接點所承受的載荷,並調整其形狀和壁厚以及合理的進行材料分佈,最終在保持零件性能的基礎上實現輕量化。

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Renishaw公司 的任務是將每個設計優化好的CAD 模型進行金屬3D列印。

鈦合金節點的設計優化

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優化和減重

在對鈦合金節點進行優化研究時,需要考慮到性能要求和山地車騎手的尺寸,從而找到最高效的材料分佈設計。通過 Altair 公司的solidThinking Inspire將現有設計快速導入到虛擬的環境中,並施加自行車架在使用中需要承受的載荷數據。

solidThinking Inspire將利用這些數據生成一個新的幾何形狀,該形狀具有最精簡、高效的材料布局方式,同時滿足所有性能要求。在這個流程中,新的設計還要考慮增材製造技術的要求,包括考慮理想的列印角度和支撐結構,以避免在列印過程中組件的倒塌。這個流程是與Hieta團隊的技術結合進行的。

簡化車架設計並降低成本

除了對鈦合金節點進行減重,更為簡化的車架設計和降低成本也是一項重要任務。例如在後下叉耳的設計中,原始設計是一個由三個部分組成的部件,其中兩塊是對稱的鈦金屬組件,還有一個相連的碳纖維管件。而該部件的新設計是一個能夠滿足質量性能和製造成本要求的單一部件。在設計這個單一部件的過程中,團隊使用了solidThinking Inspire拓撲優化功能,以及Evolve的幾何構建能力,並在Hieta技術的支持下考慮了增材製造的要求。

鈦合金節點的3D列印

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鈦合金節點是通過選擇性激光熔化(SLM) 技術3D列印的。CAD 模型被導入Renishaw QuantAM 軟體中,確定每個零部件的最佳擺放方向和支撐結構。一輛自行車中的11個鈦合金節點被擺放在一起,通過一次列印過程同時製造出來。

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圖片來源:Renishaw

11個鈦合金節點組合在一起的CAD 模型將被切片分割為2500個列印層,每層為60微米厚。QuantAM軟體還定義了在進行金屬3D列印時激光器的掃描路徑。

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圖片來源:Renishaw

列印設備: AM250

11個鈦合金節點通過200W的激光器進行粉末材料的選擇性激光熔化,通過熔化生產出緻密和堅固的結構。鈦合金粉末材料熔化過程是在充滿了惰性氣體氬氣的環境下進行的,保證鈦合金材料的純度、強度和耐久性。列印完成之後,11個鈦合金節點的構建板被從3D列印設備中取出,並進行熱處理。有的節點則需要進行精加工。每輛自行車的鈦合金節點製造過程是在坐標測量儀的監測下進行的。

這些3D列印的鈦合金節點在經過後處理之後,將用於組裝出一輛高度定製化的 山地自行車。

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圖片來源:Renishaw

案例來源:雷尼紹全球方案中心總監:Marc Saunders

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