案例丨研發(fā)一輛完全可定制且實(shí)現(xiàn)增材制造的山地自行車(chē)

2017-01-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

項(xiàng)目介紹
近些年,一些讓人感興趣的 3D 打印技術(shù)或者增材制造技術(shù)的案例被引入到自行車(chē)制造行業(yè)。但是直到今天,這種制造技術(shù)直接投放到產(chǎn)品市場(chǎng)仍舊受限,而以技術(shù)展示居多。增材制造技術(shù)對(duì)于自行車(chē)制造商而言是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù),因?yàn)樗邆涓玫目蛻艋O(shè)計(jì)潛能。自行車(chē)的設(shè)計(jì)需要充分利用工程技術(shù),這就需要廣泛的工程和專業(yè)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求,這是一個(gè)挑戰(zhàn)。
Robot Bike 公司(RBC)是一家由航空工程師們和山地自行車(chē)愛(ài)好者們一起在英國(guó)創(chuàng)辦的公司。他們確信將增材制造技術(shù)和碳纖維材料結(jié)合在一起是很有潛力的。用他們的話說(shuō),“讓創(chuàng)建最好的自行車(chē)結(jié)構(gòu)成為了可能”。
RBC 希望采用增材制造技術(shù)去定制生產(chǎn)非常高端的山地自行車(chē)。這種山地自行車(chē)可以根據(jù)個(gè)人的體重、身高和騎車(chē)風(fēng)格來(lái)量身定做,并且在時(shí)間成本和制造成本上都要達(dá)到可接受的程度。

挑戰(zhàn)
對(duì)于航空工業(yè)而言, RBC 在增材制造以及開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和系統(tǒng)上已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。但是在新的項(xiàng)目領(lǐng)域,整個(gè)團(tuán)隊(duì)需要與行業(yè)伙伴一起合作,以便它能將重心轉(zhuǎn)移到可行的商業(yè)領(lǐng)域上。
他們的團(tuán)隊(duì)找到了 HiETA Technologies 公司、Renishaw 公司和 Altair。 HiETA Technologies 公司是為增材制造技術(shù)做工業(yè)設(shè)計(jì)的專家;Renishaw 是增材制造機(jī)器領(lǐng)先的開(kāi)發(fā)商;而 Altair ProductDesign 團(tuán)隊(duì)確保自行車(chē)的設(shè)計(jì)充分利用了增材制造在設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)上的靈活性。重量是自行車(chē)制造商必須重視的一個(gè)問(wèn)題,因?yàn)橐苿?dòng)較重的自行車(chē)會(huì)耗費(fèi)更多的能量。對(duì)于越野自行車(chē)尤其明顯,當(dāng)遇到各種各樣的地形尤其陡坡時(shí), 騎行者必須付出更大的力量。在設(shè)計(jì)一輛自行車(chē)的時(shí)候,減少重量后不能對(duì)結(jié) 構(gòu)的強(qiáng)度產(chǎn)生影響,例如通常減少重量會(huì)對(duì)自行車(chē)手產(chǎn)生很明顯的感官上的變化。這是一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的難點(diǎn),卻也是自行車(chē)手購(gòu)買(mǎi)時(shí)所關(guān)心的重點(diǎn)。

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解決方案
為了得到一個(gè)可定制、輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的自行車(chē), RBC 的核心團(tuán)隊(duì)決定采用碳纖維材料,這種材料在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛。
碳纖維管,如同自行車(chē)的其他部件結(jié)構(gòu)一樣,通過(guò)與增材制造的“鈦節(jié)點(diǎn)”連接在一起,根據(jù)自行車(chē)手的個(gè)人偏好來(lái)加工制造。
Altair ProductDesign 團(tuán)隊(duì)的任務(wù)就是優(yōu)化這些鏈接頭,同時(shí)也包括自行車(chē)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(shí),也能承受山地行車(chē)下山時(shí)的受到的反作用力。所有的這些設(shè)計(jì)同時(shí)也需要滿足增材制造的要求。
在增材制造設(shè)計(jì)中,Altair ProductDesign 團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)是給出一個(gè)最高效利用材料的方案,方案中所需的設(shè) 計(jì)可以通過(guò)不同的自行車(chē)手的需求來(lái)給定。為了在項(xiàng)目工期內(nèi),盡可能快地探索到一個(gè)優(yōu)化解決方案,Altair ProductDesign 團(tuán)隊(duì)利用了 solidThinking Inspire 軟件。這項(xiàng)技術(shù)能夠幫助團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)有的設(shè)計(jì)輸入軟件環(huán)境,并快速施加自行車(chē)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(diǎn)的可用尺寸、固定點(diǎn)的位置等。
solidThinking Inspire 使用這些數(shù)據(jù)來(lái)導(dǎo)出新的幾何布局,這個(gè)幾何布局移除了不需要的材料,滿足了性能目標(biāo)。該團(tuán)隊(duì)然后將新的幾何導(dǎo)入 HyperWorks 軟件,采用 HyperMesh 來(lái)創(chuàng)建構(gòu)件的詳細(xì)模型,再用 OptiStruct 來(lái)進(jìn)
行更細(xì)化的材料厚度設(shè)計(jì)。通過(guò)這個(gè)流程,即可得到增材制造流程設(shè)計(jì)的新方案,其中包括了理想的打印角度和支撐結(jié)構(gòu)的安置方法,以避免加工過(guò)程中對(duì)構(gòu)件造成破壞。
這個(gè)流程與 Renishaw 公司和 deHiETA Technologies 公司是協(xié)同工作的。為了設(shè)計(jì)出重量利用最高效的零件,Altair 產(chǎn)品設(shè)計(jì)尋找簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)以便能夠降低產(chǎn)品的成本。例如綁定連接的連接柄,它最初是由 3 個(gè)部件構(gòu)成,2 個(gè)對(duì)稱的鈦零件和 1 個(gè)插入的碳纖維管。
利用 Altair 軟件和工程專業(yè)知識(shí),該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)?HiETA Technologies 公司和 Renishaw 公司獲得的增材制造設(shè)計(jì)模型,重新對(duì)單個(gè)零件的連接柄進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化質(zhì)量、承載性能和加工成本。該優(yōu)化工作是在 solidThinking Inspire 中進(jìn)行,同時(shí)在 HyperWorks 軟件中進(jìn)行詳細(xì)的分析。最后,Altair ProductDesign 團(tuán)隊(duì)同 HiETA 公司進(jìn)行了技術(shù)的傳遞,確保該公司在未來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中能夠直接利用 Altair 的仿真技術(shù)。

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結(jié)論
通過(guò) Altair ProductDesign 團(tuán)隊(duì)的優(yōu)化工作成功交付了基于增材制造的鈦框架節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。
這個(gè)由 solidThinking Inspire 驅(qū)動(dòng)、通過(guò) Altair 團(tuán)隊(duì)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(jī)且高度優(yōu)化的外觀設(shè)計(jì)方案。
結(jié)構(gòu)重量減輕了,同時(shí)零件的數(shù)量也減少了,這大大降低了加工的復(fù)雜性和成本。
Robot Bike 公司的可定制山地自行車(chē)采用最新的設(shè)計(jì)和制造技術(shù),對(duì)于市場(chǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)突破性的產(chǎn)品。
Altair ProductDesign 團(tuán)隊(duì)的參與對(duì)輕量化、強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做出了重要的貢獻(xiàn),在 HiETA Technologies 和Renishaw 公司的密切支持下,該款山地自行車(chē)現(xiàn)在已經(jīng)能投入產(chǎn)品制造。

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