3D打印助力自行車(chē)提升顏值與性能之路

Date：2018-06-25 08:41:02

作為歐洲自行車(chē)中的精英分子，KELLYS（凱力士）品牌20多年來(lái)一直堅(jiān)持注重細(xì)節(jié)做工，凱力士的一家設(shè)計(jì)事務(wù)所Paul +Murín Creative在過(guò)去的25年一直專(zhuān)注于為凱力士提供設(shè)計(jì)服務(wù)，最近他們通過(guò)3D打印制造了一輛帶電動(dòng)功能的山地自行車(chē)。 e-bike 1

2萬(wàn)歐元的自行車(chē)框架
Paul +Murín Creative在開(kāi)發(fā)過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)包括將電池集成到框架中，另外，Paul +Murín Creative初次嘗試3D金屬打印機(jī)的時(shí)候，使用的是非常小的建構(gòu)工作區(qū)域，結(jié)果，第一個(gè)框架必須由十一個(gè)3D打印部件焊接在一起，完成的3D打印電動(dòng)自行車(chē)被命名為Kinazo ENDURO e1。
不過(guò)，這激發(fā)了Paul +Murín Creative通過(guò)3D打印制造自行車(chē)框架的熱情。
后來(lái)他們聯(lián)系了大眾公司尋求幫助，大眾斯洛伐克公司購(gòu)買(mǎi)了Concept Laser X LINE 2000R作為其生產(chǎn)工具，得益于大眾斯洛伐克的支持，Paul +Murín Creative能夠?qū)⒆孕熊?chē)框架制造成一件。 e-bike

目前4公斤的車(chē)架大概花費(fèi)了約20,000歐元的生產(chǎn)成本，無(wú)可否認(rèn)，這輛自行車(chē)并不便宜，但它非常獨(dú)特 – 不僅僅是一輛自行車(chē)，相信這樣的價(jià)格只適合真正的發(fā)燒愛(ài)好者。然而，隨著增材制造成本的下降，將為自行車(chē)生產(chǎn)帶來(lái)更大的靈活性，從而為定制產(chǎn)品帶來(lái)更多樂(lè)趣。 e-bike 2

Review
對(duì)于自行車(chē)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，更高的品質(zhì)和更超前的設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始讓騎自行車(chē)成為了一項(xiàng)時(shí)尚的交通和代步方式。相比于我們?nèi)粘趟褂玫钠渌\(yùn)動(dòng)品，山地自行車(chē)是一個(gè)獨(dú)特的存在，其核心的零件不僅技術(shù)含量高而且需要昂貴的設(shè)備來(lái)加工，而對(duì)于發(fā)燒級(jí)別的玩家來(lái)說(shuō)，對(duì)于價(jià)格的敏感程度反而不高。這就催生了一系列的自行車(chē)品牌商以及3D打印領(lǐng)域的廠商探索如何通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自行車(chē)的性能提升。
金屬自行車(chē)
2014年雷尼紹和自行車(chē)設(shè)計(jì)和制造公司Empire Cycles合作，通過(guò)3D打印技術(shù)制作了一個(gè)純金屬自行車(chē)架，2015年這款自行車(chē)已進(jìn)入量產(chǎn)階段。與傳統(tǒng)制造相比，3D打印的部件結(jié)實(shí)又輕便，原來(lái)的自行車(chē)架重2100g，重新設(shè)計(jì)后利用快速成型制造工藝，車(chē)架重量減輕了三分之一。同時(shí)，3D打印技術(shù)還克服了制造材料的限制。 renishaw_bike

2015年，自行車(chē)廠商Ti Cycles利用3D打印技術(shù)制造出全球首輛完整鈦金屬自行車(chē)Solid。Solid以鈦金屬作為自行車(chē)車(chē)架以及組件的原材料，這樣它將擁有重量輕、性能強(qiáng)以及持久耐用等特點(diǎn)，并且非常符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)。 solid 3

此外，日本的一家設(shè)計(jì)工作室Triple Bottom Line與創(chuàng)客中心DMM.make AKIBA合作，推出了他們制造出來(lái)的首個(gè)原型——DFM01。DFM01最令人印象深刻的不僅是其炫酷的外觀，而是它能夠根據(jù)使用者的身高、體重以及個(gè)人喜好進(jìn)行量身定制。Triple Bottom Line在他人的幫助下，利用一個(gè)特殊的系統(tǒng)可以針對(duì)不同用戶自動(dòng)確定車(chē)身框架的最佳幾何形狀。此外制造方還可以根據(jù)用戶的需求為其加裝智能手機(jī)支架，以及各種傳感器模塊。 bike 4

2015年，澳大利亞一家名為Bastion Bicycles的初創(chuàng)公司將3D打印在工業(yè)中的制造理念，應(yīng)用到了自行車(chē)的定制中，讓工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)走上了更為親民的路線。這款自行車(chē)是由3D打印的鈦金屬套管接頭（Lug）和紡碳管制成，自行車(chē)非常輕量化，并且接受用戶定制車(chē)架和車(chē)座。該公司的3D打印自行車(chē)時(shí)利用澳洲科學(xué)與工業(yè)研究組織的金屬3D打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。 Bastion-bike

在自行車(chē)的鈦金屬套接管頭的里面裝有肋片，使用這種肋片可以調(diào)整自行車(chē)的靈活度和剛度。如果想要騎著比較靈活，則可以把肋片取出來(lái)；如果想要一個(gè)動(dòng)力強(qiáng)勁，但是稍微有點(diǎn)硬的自行車(chē)，則可以裝上肋片。這款自行車(chē)的預(yù)計(jì)售價(jià)為7000元澳幣（4~5萬(wàn)人民幣），自行車(chē)可終生保修，個(gè)別零件損壞之后可包換。
當(dāng)然除了鈦合金，還有其他的塑料材料被應(yīng)用到3D打印自行車(chē)的嘗試中來(lái)，其中2015年來(lái)自意大利帕多瓦的Eurocompositi設(shè)計(jì)工作室開(kāi)發(fā)出一款讓人驚艷的PLA材質(zhì)3D打印山地車(chē)車(chē)架Aenimal Bhulk，并由此獲得了2015 Eurobike產(chǎn)品設(shè)計(jì)金獎(jiǎng)(Eurobike Gold)。
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
太多的顛簸使得自行車(chē)關(guān)鍵件的剛度性能變得尤為關(guān)鍵，有些彎曲的設(shè)計(jì)是必要的，不僅增加剛性也增加了舒適感。2016年，英國(guó)的技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)所資助的設(shè)計(jì)優(yōu)化和增材制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展項(xiàng)目中，由項(xiàng)目成員Smart Aero技術(shù)提出來(lái)自行車(chē)零件輕量化的課題項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)在于減輕重量的同時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)也是重要的考慮因素，實(shí)現(xiàn)更輕，更快的自行車(chē)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。最后自行車(chē)輕量化項(xiàng)目的目標(biāo)通過(guò)兩部分設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)：
－減少自行車(chē)架壁厚，減少重量，優(yōu)化空氣流量
－通過(guò)內(nèi)部的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)一方面為閥桿的外蒙皮提供強(qiáng)度和支撐，另一方面進(jìn)一步減輕重量。 bike 3

來(lái)主導(dǎo)。Simpleware是ScanIP軟件的開(kāi)發(fā)商，當(dāng)配備Simpleware + CAD模塊時(shí)，程序可以生成晶格點(diǎn)陣圖案填充框架結(jié)構(gòu)。這種建模的好處是高度柔性，未來(lái)的類(lèi)似形狀的建模都可以建立在這個(gè)基礎(chǔ)上，只需要很小的額外開(kāi)發(fā)成本。
拓?fù)鋬?yōu)化
在這方面，通過(guò)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，英國(guó)的ROBOT BIKE CO(RBC)公司可以說(shuō)是增材設(shè)計(jì)理念、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和增材制造技術(shù)三者相結(jié)合的受益者，他們通過(guò)這些技術(shù)開(kāi)辟了高端山地自行車(chē)的定制業(yè)務(wù)。
RBC為滿足高端用戶的定制化需求，通過(guò)增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)山地車(chē)的定制服務(wù)。山地車(chē)的定制化生產(chǎn)要考慮到客戶自身的體重、身高、騎行風(fēng)格，并需要在客戶可接受的時(shí)間和成本內(nèi)完成定制。
RBC 公司推出的定制化自行車(chē)的車(chē)架部分由8根碳纖維管和11個(gè)鈦合金節(jié)點(diǎn)連接而成。鈦合金節(jié)點(diǎn)可根據(jù)騎行者自身的身高、體重、騎行方式等進(jìn)行定制。 Altair

除了對(duì)鈦合金節(jié)點(diǎn)進(jìn)行減重，更為簡(jiǎn)化的車(chē)架設(shè)計(jì)和降低成本也是一項(xiàng)重要任務(wù)。Altair的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)Altair 公司的CAE 軟件進(jìn)行鈦合金連接點(diǎn)的拓?fù)鋬?yōu)化，包括分析每個(gè)連接點(diǎn)所承受的載荷，并調(diào)整其形狀和壁厚以及合理的進(jìn)行材料分布，最終在保持零件性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化。 Renishaw 2

建模完成后，CAD 模型被導(dǎo)入Renishaw QuantAM 軟件中，確定每個(gè)零部件的最佳擺放方向和支撐結(jié)構(gòu)。一輛自行車(chē)中的11個(gè)鈦合金節(jié)點(diǎn)被擺放在一起，通過(guò)一次打印過(guò)程同時(shí)制造出來(lái)。

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