Hoppa över navigering

Den första 3D-utskrivna cykelramen i metall har tillverkats av Renishaw åt Empire Cycles

Renishaw är den enda tillverkaren av metallbaserade maskiner för additiv tillverkning som skriver ut metalldetaljer i Storbritannien. Företaget har, i samarbete med ledande brittiska företag inom design och tillverkning av cyklar, skapat världens första 3D-utskrivna cykelram i metall.

4 februari 2014

Renishaw är den enda tillverkaren av metallbaserade maskiner för additiv tillverkning som skriver ut metalldetaljer i Storbritannien. Företaget har, i samarbete med ledande brittiska företag inom design och tillverkning av cyklar, skapat världens första 3D-utskrivna cykelram i metall. Empire Cycles konstruerade sin mountainbike för att dra fördel av Renishaws teknik inom additiv tillverkning. Tack vare tekniken och topologisk optimering kunde man skapa en titanram som både var stark och cirka 33 % lättare än originalramen.

Ramen har tillverkats additivt i titanlegering i sektioner, som sedan sammanfogades. Detta ger ett antal fördelar:

Konstruktionsfrihet

  • Snabba iterationer; möjlighet att göra konstruktionsförbättringar ända fram till produktion 
  • Förmågan att skapa former genom topologisk optimering (se nedan) 
  • Högsta möjliga kundanpassning; lika enkelt att göra engångsanpassningar som modifiering av hela tillverkningsserier

Konstruktion

  • Komplex form med interna förstärkningsegenskaper 
  • Ihåliga strukturer 
  • Inbyggda funktioner som t.ex. cyklistens namn

Prestanda, titanlegering

  • Sadelfästet är 44 % lättare än motsvarande version i aluminiumlegering 
  • Extremt stark - testad enligt EN 14766 
  • Resistent mot korrosion och lång hållbarhet

Empire Cycles

Development process of the Empire Cycles 3D printed seat post

Empire Cycles är ett unikt, brittiskt företag som konstruerar och tillverkar cyklar i nordvästra England. Med stor passion för att skapa produkter av högsta kvalitet med brittisk ingenjörskonst, erbjuder företaget innovativa konstruktioner till mountainbike- och downhillcyklister över hela världen.

Från det grekiska ordet "topo", som betyder plats, är topologisk optimeringsprogramvara beteckningen som givits till de program som används för att fastställa ett materials "logiska plats". Detta görs vanligtvis tillsammans med iterativa steg och finita elementanalys. Material tas bort från områden med låg belastning tills man når en konstruktion som är optimerad för belastningen. Den resulterande modellen är både lätt (på grund av den låga volymen) och stark.
Genom att arbeta tillsammans har Renishaw och Empire Cycles optimerat cykelkonstruktionen för additiv tillverkning. Man har eliminerat de flest nedåtriktade ytorna som annars skulle ha behövt extra stödkonstruktioner.

Hur starkt är det?

Vertical force fatigue test diagram

Titanlegeringar har en hög draghållfasthet på över 900 MPa vid bearbetning med additiv tillverkning då nära perfekta densiteter på över 99,7 % uppnås. Detta är högre än vid gjutning, och eftersom eventuell porositet både är liten och sfärisk så har den endast begränsad påverkan på styrkan.

Projektets målsättning är att tillverka en fullt fungerande cykel. Sadelfästet har därför testats enligt den europeiska säkerhetsstandarden EN 14766 för terrängcyklar. Det klarade 50 000 cykler vid 1 200 N. Testet fortsatte sedan till 6 gånger standard utan problem.

Testning av den färdiga cykelramen kommer att fortsätta, både i laboratorium enligt Bureau Veritas UK och ute i terrängen med bärbara sensorer, i samarbete med Swansea University.

Vad är topologisk optimering?

Från det grekiska ordet "topo", som betyder plats, är topologisk optimeringsprogramvara beteckningen som givits till de program som används för att fastställa ett materials "logiska plats". Detta görs vanligtvis tillsammans med iterativa steg och finita elementanalys. Material tas bort från områden med låg belastning tills man når en konstruktion som är optimerad för belastningen. Den resulterande modellen är både lätt (på grund av den låga volymen) och stark. Den historiska utmaningen vid tillverkning av dessa former kan nu lösas med additiv tillverkning. Fysiska 3D-modeller har därför blivit verklighet.

Hur lätt är det?

The entire bike frame was arranged in sections with the seat post bracket on one build plate and fabricated in one go

Titanlegeringar har högre densitet än aluminiumlegeringar, och den relativa densiteten är ca. 4 g/cm3 respektive 3 g/cm3. Det enda sättet att göra en titanlegeringsversion av en komponent som är lättare än motsvarande del i aluminiumlegering är därför att avsevärt ändra konstruktionen. Detta för att ta bort allt material som inte bidrar till delens totala styrka.

Det ursprungliga sadelfästet i aluminiumlegering väger 360 g och den ihåliga titanversionen väger 200 g, d.v.s. 44 % mindre.

Det här är bara den första iterationen; ytterligare analys och testning kan leda till ytterligare reducering.
Den ursprungliga cykelramen väger 2 100 g. Efter omkonstruktion med additiv tillverkning reduceras vikten till 1 400 g, vilket är 33 % i besparing.

Det finns lättare kolfibercyklar på marknaden men Chris Williams, vd på Empire Cycles, har redan undersökt detta och säger: "Hållbarheten i kolfiber går inte att jämföra en metallcykel. De är bra på vägar men när du cyklar ner för ett berg riskerar ramen att skadas. Cyklarnas konstruktion är egentligen för bra, vilket gör att vi undviker framtida garantiproblem."

Hur styrdes projektet?

Complete bike with 3D printed titanium alloy frame and seat post bracket

Chris visste precis vad han ville uppnå. Han hade redan tillverkat en 3D-utskriven kopia i full storlek av hans nuvarande cykel innan han kontaktade Renishaw.

Renishaw samtyckte ursprungligen endast till att optimera och tillverka sadelfästet. Resultatet blev dock så bra att man beslutade sig för att hela ramen var en praktiskt möjlig målsättning. Chris uppdaterade konstruktionen med hjälp av Renishaws applikationsingenjörer. Ramen sektionerades så att den kunde utnyttja hela AM250:s höjd på 300 mm.

Den största fördelen för Empire Cycles är den förbättrade prestandan som den här konstruktionsmetoden ger. Konstruktionen innehar alla fördelar med en monocoquekonstruktion i pressat stål, som också används i bilar och motorcyklar. Man slipper dock de verktygsinvesteringar som inte vore ekonomiskt försvarbara för en liten tillverkare.

Den potentiella prestandan har ännu inte helt utforskats, men vi hoppas kunna fortsätta att utveckla projektet. Då inga verktyg krävs är det enkelt att kontinuerligt förbättra konstruktionen. Eftersom komponentkostnaderna baseras på volym och inte komplexitet leder endast ett fåtal väldigt lätta delar till minimala kostnader.

Efter utredning av olika metoder av fästen valdes Mouldlife som leverantör av fästmedlet, och teknikspecialisten 3M anlitades för testanläggningen. Vi kommer att vidareutveckla det här partnerskapet för att söka vidare efter iterativa fästmetodsförbättringar som t.ex. en specifik ytfinish.

Hjulen, drivningen och komponenter som behövs för att färdigställa cykeln levererades av Hope Technology Ltd.

Detta projekt har bevisat att utomordentliga resultat kan uppnås genom nära arbete tillsammans med kunden. Kontakta det lokala Renishawkontoret för ytterligare information om du har en komponent som kan ha nytta av additiv tillverkning.

Registrera dig för nyhetsbrev

Registrera dig och få regelbundna nyhetsuppdateringar från Renishaw

Tutti i documenti e le immagini sono protetti da copyright di Renishaw

Nedladdningar