案例丨研發(fā)一輛完全可定制且實現(xiàn)增材制造的山地自行車

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

項目介紹
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)品市場仍舊受限,而以技術(shù)展示居多。增材制造技術(shù)對于自行車制造商而言是一項令人興奮的技術(shù),因為它具備更好的客戶化設(shè)計潛能。自行車的設(shè)計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)計技術(shù)要求,這是一個挑戰(zhàn)。
Robot Bike 公司(RBC)是一家由航空工程師們和山地自行車愛好者們一起在英國創(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,“讓創(chuàng)建最好的自行車結(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。這種山地自行車可以根據(jù)個人的體重、身高和騎車風格來量身定做,并且在時間成本和制造成本上都要達到可接受的程度。

挑戰(zhàn)
對于航空工業(yè)而言, RBC 在增材制造以及開發(fā)產(chǎn)品和系統(tǒng)上已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗。但是在新的項目領(lǐng)域,整個團隊需要與行業(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。
他們的團隊找到了 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)計的專家;Renishaw 是增材制造機器領(lǐng)先的開發(fā)商;而 Altair ProductDesign 團隊確保自行車的設(shè)計充分利用了增材制造在設(shè)計優(yōu)化技術(shù)上的靈活性。重量是自行車制造商必須重視的一個問題,因為移動較重的自行車會耗費更多的能量。對于越野自行車尤其明顯,當遇到各種各樣的地形尤其陡坡時, 騎行者必須付出更大的力量。在設(shè)計一輛自行車的時候,減少重量后不能對結(jié) 構(gòu)的強度產(chǎn)生影響,例如通常減少重量會對自行車手產(chǎn)生很明顯的感官上的變化。這是一個工程團隊設(shè)計的難點,卻也是自行車手購買時所關(guān)心的重點。

案例丨研發(fā)一輛完全可定制且實現(xiàn)增材制造的山地自行車hypermesh培訓教程圖片2

解決方案
為了得到一個可定制、輕質(zhì)量、高強度的自行車, RBC 的核心團隊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,如同自行車的其他部件結(jié)構(gòu)一樣,通過與增材制造的“鈦節(jié)點”連接在一起,根據(jù)自行車手的個人偏好來加工制造。
Altair ProductDesign 團隊的任務(wù)就是優(yōu)化這些鏈接頭,同時也包括自行車的頭管、座管和連接柄,以便保證這些部件在盡可能的輕的同時,也能承受山地行車下山時的受到的反作用力。所有的這些設(shè)計同時也需要滿足增材制造的要求。
在增材制造設(shè)計中,Altair ProductDesign 團隊的主要任務(wù)是給出一個最高效利用材料的方案,方案中所需的設(shè) 計可以通過不同的自行車手的需求來給定。為了在項目工期內(nèi),盡可能快地探索到一個優(yōu)化解決方案,Altair ProductDesign 團隊利用了 solidThinking Inspire 軟件。這項技術(shù)能夠幫助團隊將現(xiàn)有的設(shè)計輸入軟件環(huán)境,并快速施加自行車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)點的可用尺寸、固定點的位置等。
solidThinking Inspire 使用這些數(shù)據(jù)來導(dǎo)出新的幾何布局,這個幾何布局移除了不需要的材料,滿足了性能目標。該團隊然后將新的幾何導(dǎo)入 HyperWorks 軟件,采用 HyperMesh 來創(chuàng)建構(gòu)件的詳細模型,再用 OptiStruct 來進
行更細化的材料厚度設(shè)計。通過這個流程,即可得到增材制造流程設(shè)計的新方案,其中包括了理想的打印角度和支撐結(jié)構(gòu)的安置方法,以避免加工過程中對構(gòu)件造成破壞。
這個流程與 Renishaw 公司和 deHiETA Technologies 公司是協(xié)同工作的。為了設(shè)計出重量利用最高效的零件,Altair 產(chǎn)品設(shè)計尋找簡化結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計以便能夠降低產(chǎn)品的成本。例如綁定連接的連接柄,它最初是由 3 個部件構(gòu)成,2 個對稱的鈦零件和 1 個插入的碳纖維管。
利用 Altair 軟件和工程專業(yè)知識,該團隊能夠?qū)?HiETA Technologies 公司和 Renishaw 公司獲得的增材制造設(shè)計模型,重新對單個零件的連接柄進行優(yōu)化設(shè)計,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 中進行,同時在 HyperWorks 軟件中進行詳細的分析。最后,Altair ProductDesign 團隊同 HiETA 公司進行了技術(shù)的傳遞,確保該公司在未來的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)中能夠直接利用 Altair 的仿真技術(shù)。

案例丨研發(fā)一輛完全可定制且實現(xiàn)增材制造的山地自行車hypermesh培訓教程圖片3

結(jié)論
通過 Altair ProductDesign 團隊的優(yōu)化工作成功交付了基于增材制造的鈦框架節(jié)點的質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計。
這個由 solidThinking Inspire 驅(qū)動、通過 Altair 團隊演繹的新的材料布局,為增材制造加工創(chuàng)建了創(chuàng)新、有機且高度優(yōu)化的外觀設(shè)計方案。
結(jié)構(gòu)重量減輕了,同時零件的數(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采用最新的設(shè)計和制造技術(shù),對于市場來說是一個突破性的產(chǎn)品。
Altair ProductDesign 團隊的參與對輕量化、強結(jié)構(gòu)的設(shè)計做出了重要的貢獻,在 HiETA Technologies 和Renishaw 公司的密切支持下,該款山地自行車現(xiàn)在已經(jīng)能投入產(chǎn)品制造。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學成才