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Primeiro quadro de bicicleta produzido por impressão 3D em metal pela Renishaw para a Empire Cycles

terça-feira, 4 de fevereiro de 2014

Renishaw, a única fabricante no Reino Unido de máquinas de manufatura aditiva que imprime peças metálicas, colaborou com uma empresa britânica líder de projeto e fabricação de bicicletas para criar o primeiro quadro metálico de bicicleta impresso em 3D no mundo. A Empire Cycles projetou a montain bike para obter vantagem da tecnologia de manufatura aditiva da Renishaw, o que permitiu a criação de um quadro de titânio resistente e leve utilizando a otimização topológica - o novo quadro é cerca de 33% mais leve do que o original.

O quadro foi fabricado aditivamente com liga de titânio em seções e em seguida unido. Isto oferece uma série de vantagens:

Liberdade de projeto

  • Iterações rápidas; flexibilidade para efetuar melhorias de projeto diretamente na produção 
  • Capacidade para fazer as formas derivadas da otimização topológica (ver abaixo) 
  • Máxima capacidade de ajuste - produzir peças individuais tão facilmente quanto lotes de produção

Construção

  • Formas complexas com características de maior resistência interna 
  • Estruturas ocas 
  • Características incorporadas, tais como o nome do ciclista

Desempenho, liga de titânio

  • Suporte do selim 44% mais leve do que a versão de liga de alumínio 
  • Extremamente resistente - testada conforme EN 14766 
  • Resistente à corrosão e longa vida útil

Empire Cycles

Processo de desenvolvimento do suporte do selim impresso em 3D da Empire Cycles

A Empire Cycles é a única empresa britânica que projeta e produz bicicletas no noroeste da Inglaterra. Utilizando com entusiasmo a notável engenharia britânica para criar produtos de elite, a empresa oferece projetos inovadores para os ciclistas de montanha em todo mundo.

Trabalhando juntas, a Renishaw e a Empire Cycles otimizaram o projeto da bicicleta para a manufatura aditiva, eliminando muitas das superfícies orientadas para baixo que, de outra forma, teriam necessitado de estruturas de apoio dispendiosas .

Quão resistente ela é?

Diagrama de teste de fadiga da força vertical

A ligas de titânio possuem Resistência à Tração Máxima (RTM) acima de 900 MPa quando processadas utilizado a fabricação aditiva, sendo atingidas densidades quase perfeitas acima de 99,7%; isto é melhor do que a fundição, pois qualquer porosidade é pequena e esférica, tendo efeito reduzido sobre a resistência.

O objetivo do projeto é produzir uma bicicleta plenamente funcional, assim o suporte do selim foi testado utilizando a norma para bicicletas de montanha EN 14766; ele resistiu a 50 000 ciclos de 1 200 N. Os testes continuaram até 6 vezes o padrão sem falhas.

Os testes do quadro completo da bicicleta continuarão, seja no laboratório utilizando o Bureau Veritas do Reino Unido, seja nas montanhas, utilizando sensores portáteis em parceria com a Universidade Swansea.

O que é otimização topológica?

Da palavra grega "topo", que significa lugar, o software de otimização topológica é o termo atribuído aos programas utilizados para determinar o 'lugar lógico" para o material - normalmente utilizando passos iterativos e análise de elementos finitos. O material é removido das áreas de baixa tensão até ser alcançado um design otimizado para suportar a carga. O modelo resultante é leve (devido ao volume reduzido) e resistente. O desafio histórico na fabricação destas formas agora pode ser vencido com a fabricação aditiva, permitindo que estes modelos 3D otimizados sejam produzidos fisicamente.

Quão leve ela é?

O quadro inteiro da bicicleta foi disposto em seções, com o suporte do selim em uma placa de construção, sendo fabricado em uma só operação

As ligas de titânio são mais densas do que ligas de alumínio, com densidades relativas de aprox. 4 g/cm3 e 3 g/cm3 respectivamente. Portanto, a única forma de fazer uma versão com liga de titânio mais leve do que a sua contraparte com liga de alumínio é alterar significativamente o projeto para remover qualquer material que não contribua para a resistência global da peça.

O suporte de selim original, em liga de alumínio pesa 360 g e a versão oca em titânio pesa 200 g, uma economia de peso de 44%.

Esta é apenas a primeira iteração; com mais análises e testes ele pode ser reduzido ainda mais.
O quadro de bicicleta original pesava 2100 g. Reprojetado para a manufatura aditiva, o peso caiu para 1400 g, uma economia de peso de 33%.

Existem bicicletas mais leves em fibra de carbono, mas Chris Williams, diretor geral da Empire Cycles, pesquisou o assunto e diz que "a durabilidade de uma bicicleta de fibra de carbono não pode ser comparada a uma de metal, elas são ótimas bicicletas de estrada, mas quando você se lança para baixo em uma montanha, corre o risco de danificar o quadro. Eu sobredimensiono minhas bicicletas para assegurar que não haja reclamações de garantia".

Como o projeto foi gerenciado?

Bicicleta completa com quadro de liga de titânio impresso em 3D com suporte de selim

O Chris já havia produzido uma réplica impressa em 3D em tamanho real da sua bicicleta atual antes de enviá-la para a Renishaw, assim ele tinha uma boa idéia do que queria alcançar.

A Renishaw inicialmente concordou em otimizar e fabricar somente o suporte do selim, mas após o êxito deste processo, decidiu que o quadro inteiro era um objetivo útil. Chris atualizou seu projeto com a orientação da equipe de aplicações da Renishaw sobre o que iria funcionar bem, e o quadro foi seccionado para que a altura construtiva de 300 mm da máquina AM250 fosse plenamente utilizada.

O principal benefício para a Empire Cycles são as vantagens de desempenho que este método de construção confere. O projeto possui todas as vantagens de uma construção monobloco de aço prensado utilizada em motos e carros, sem o investimento em ferramentas que seria proibitivo para um pequeno fabricante.

O potencial de desempenho ainda não foi completamente explorado, e queremos continuar a desenvolver o projeto. Como o ferramental é desnecessário, melhorias contínuas de projeto podem ser realizadas facilmente. Como o custo da peça é baseado no volume e não na complexidade, algumas peças muito leves serão possíveis a um custo mínimo.

Pesquisas sobre métodos de colagem resultaram no fornecimento do adesivo pela Moldlife e a disponibilização das instalações de teste pelos especialistas da 3M. Continuaremos a desenvolver isto em parceria para observar melhorias iterativas nos métodos de colagem, como acabamentos em superfícies específicas.

As rodas, o sistema de transmissão e os componentes necessários para terminar a bicicleta foram fornecidas pela Hope Technology Ltd.

Este projeto mostrou que podem ser obtidos resultados excelentes graças à estreita colaboração com o cliente. Se você possui uma peça que pode se beneficiar da manufatura aditiva, contate o escritório Renishaw local para mais informações.

The latest version of the bike can be seen here.

Para mais informações sobre os produtos e aplicações da manufatura aditiva da Renishaw visite www.renishaw.com.br/additive

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