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Monday, 18 Febbraio 2019
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A tutta velocità verso il futuro

Impianto di profilatura multifunzionale Dreistern destinato alla produzione di tubi. / Multifunctional roll forming Dreistern for the tube production. Impianto di profilatura multifunzionale Dreistern destinato alla produzione di tubi. / Multifunctional roll forming Dreistern for the tube production.

Per Empire Cycles, Renishaw ha realizzato un telaio per biciclette in metallo stampato 3D. Il telaio è stato prodotto con tecnologia additiva in lega di titanio in sezioni assemblate. Ciò ha permesso di ottenere una serie di vantaggi, come una grande libertà di progettazione e alte prestazioni, grazie all’impiego della lega in titanio.

di Francesca Fiore

Aprile-Maggio 2013

Cosa si intende per ottimizzazione topologica? Dalla parola greca “tópos” che indica il luogo, il software di ottimizzazione topologica è un programma utilizzato per determinare la collocazione ideale del materiale, usando normalmente passi iterativi e analisi degli elementi finiti. Il materiale è rimosso virtualmente dai punti sottoposti a tensioni minori fino a sviluppare un design ottimizzato per reggere il carico. Il risultato è un modello leggero (grazie al volume ridotto) e al contempo resistente. La sfida storica nella produzione di forme molto complesse ora può essere superata dalla produzione additiva, che permette di realizzare modelli fisici in 3D. La collaborazione tra Renishaw ed Empire Cycles ha permesso di ottimizzare il design della bicicletta per una produzione additiva, eliminando molte delle superfici orientate verso il basso che altrimenti avrebbero avuto la necessità di strutture di supporto superflue.
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Realizzare un prodotto su misura con semplicità

Empire Cycles è un'azienda inglese che progetta e realizza biciclette esclusive. Dotata di una netta propensione a realizzare prodotti di elite, offre design innovativi agli appassionati di mountain bike e downhill. Per Empire Cycles, Renishaw ha dunque realizzato un telaio per biciclette in metallo stampato 3D. Il telaio è stato prodotto con tecnologia additiva in lega di titanio in sezioni assemblate.
A illustrare il progetto è Roberto Rivetti, Amministratore Delegato di Renishaw in Italia: “Numerosi sono i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di questa tecnologia come la libertà di progettazione, che ha permesso di conseguire iterazioni rapide (con flessibilità nell’apportare migliorie alla progettazione fino al momento della produzione), capacità di realizzare forme risultanti da ottimizzazioni topologiche e una personalizzazione e un'esecuzione di un prodotto su misura, semplice quanto la produzione in lotti.
Con questa tecnologia, è possibile inoltre realizzare forme complesse con caratteristiche interne di rinforzo, strutture cave e personalizzazioni integrate (ad esempio, il nome del ciclista). Alte prestazioni sono garantite anche dall’impiego della lega in titanio. Ciò ha permesso di ottenere un supporto della sella più leggero del 44% rispetto alla versione in lega di alluminio, una grande resistenza, una testata secondo EN 14766 oltre che una resistenza alla corrosione e lunga durata”.

Il test si è ripetuto sei volte senza rotture
Quanto è resistente questo tipo di tecnologia? “Le leghe in titanio per produzione additiva hanno carichi di rottura oltre i 900 MPa, con densità superiore al 99,7%, vale a dire quasi perfetta e superiore a quella ottenibile per colata”, risponde Rivetti. “Inoltre, grazie alla forma sferica e alle piccole dimensioni delle porosità residue, la resistenza non è compromessa.
L'obiettivo del progetto è quello di produrre una bicicletta completamente funzionale, perciò i pezzi riprogettati sono stati testati secondo la norma UNI EN 14766 e hanno resistito per 50.000 cicli a 1.200 N. Il test si è ripetuto sei volte senza rotture. Il collaudo del telaio completo della bicicletta prosegue sia in laboratorio tramite l’ente certificatore Bureau Veritas UK, sia in montagna con l'utilizzo di sensori mobili, in collaborazione con la Swansea University.
Per quanto riguarda la leggerezza, a parità di volume le leghe di titanio sono più pesanti di quelle di alluminio, con un peso specifico rispettivamente nell’ordine di
4 g/cm3 e 3 g/cm3. Di conseguenza, l'unico modo per ottenere una versione in lega di titanio più leggera rispetto al suo corrispettivo in alluminio è di alterare in maniera significativa il progetto, eliminando il materiale che non contribuisce alla resistenza meccanica. Il supporto per la sella originale in lega di alluminio pesa 360 g, mentre la versione cava in titanio ne pesa 200 g, dunque si ha una riduzione del 44%”.
Questa è solo la prima iterazione: conducendo altre analisi e prove il peso potrebbe essere ulteriormente ridotto, come ci spiega Chris Williams, direttore della Empire Cycles: “Il telaio originale della bicicletta pesa 2,1 kg. Se riprogettato per la produzione additiva, il peso si riduce a 1,4 kg, con un risparmio del 33%. Sul mercato troviamo biciclette in fibra di carbonio ancora più leggere. La durata delle fibre di carbonio non può essere paragonata a quella di una bicicletta in metallo. Sono fantastiche per le bici da strada, ma quando ci si lancia da una discesa in montagna si rischia di danneggiare il telaio. Io progetto le mie bici con ampi margini di sicurezza per garantire l’assenza di reclami”.

Gli stessi vantaggi di una costruzione a “struttura integrale”
Prima di rivolgersi a Renishaw, Chris Williams aveva realizzato una riproduzione stampata a grandezza naturale in 3D della sua attuale bicicletta. Pertanto aveva già le idee chiare su ciò che voleva ottenere.
Inizialmente Renishaw concordò di ottimizzare e produrre solo il supporto per la sella ma dopo il successo riscontrato, decise che l'intero telaio sarebbe stato un obiettivo concreto. Williams aggiornò il suo progetto avvalendosi della consulenza del team Renishaw circa le soluzioni che si sarebbero potute meglio adottare. Il telaio fu sezionato in modo da poter utilizzare l’altezza del sistema AM 250, pari a 300 mm. Il vantaggio principale di Empire Cycles è la performance che offre questo metodo di costruzione. “Il design offre tutti i vantaggi di una costruzione a “struttura integrale” in acciaio pressato utilizzato per motoveicoli e autovetture, senza avere l’onere dell'investimento nelle attrezzature che sarebbero proibitive per un piccolo produttore”, ha affermato Williams. “Non sono ancora state completamente esplorate le prestazioni potenziali ma è nostra intenzione continuare a sviluppare il progetto. Poiché non è necessaria alcuna attrezzatura, è più semplice apportare continue migliorie del progetto e, dato che il costo dei pezzi si basa sul volume e non sulla complessità, sarà possibile realizzare parti molto leggere a costi minimi. La ricerca sui metodi di giunzione ha portato a scegliere un adesivo Mouldlife e a condurre prove tecniche specialistiche presso impianti della 3M. Sono previsti sviluppi in sinergia con i nostri partner, con la previsione di migliorare in maniera iterativa i metodi di giunzione, ad esempio per la finitura superficiale”. Le ruote, il gruppo di trasmissione e i componenti necessari per rifinire la bicicletta sono stati forniti da Hope Technology.

At Full Speed to Future

Renishaw has manufactured a metal 3D printed bicycle frame for Empire Cycles. The frame has been additively manufactured in titanium alloy in sections and bonded together. This offers a number of advantages, such as design freedom and high performance, thanks to employ
of titanium alloy.

by Francesca Fiore

What is topological optimisation? From the Greek word for place, “topo”, topological optimisation software is the term given to programs that are used to determine the “logical place” for material - normally using iterative steps and finite element analysis. Material is removed from areas of low stress until a design optimised for load bearing is evolved. The resul-ting model is both light (due to the low volume) and strong. The historical challenge in manufacturing these shapes can now be overcome with additive manufacturing, enabling physical 3D mo-dels to be realised. By working together, Renishaw and Empire Cycles optimised the bicycle design for additive manufacture, eliminating many of the downward facing surfaces that would otherwise have needed wasteful support structures.

Make tailor product easily
Empire Cycles is a unique British bike desi-gning and manufacturing company. Passionate about using great British engineering to create elite products, the company offers innovative designs to the world’s mountain bikers and downhillers.
Renishaw has collaborated with Empire Cycles to create a 3D printed metal bike frame. The frame has been additively manufactured in titanium alloy in sections and bonded together.
Roberto Rivetti, AD Renishaw in Italy, talks about the project: “The use of additive manufacturing technology offers a number of advantages, such as design freedom, which grant us rapid iterations. That means flexibility to make design improvements right up to production. But also abi-lity to make shapes derived by topological optimisation and ultimate customisation and tailoring - make one-offs as easily as production batches.
With this tecnology is also possible to create complex shape with internal strengthening features, hollow structures and built in features (such as the rider’s name). High performan-ces are granted also by the using of titanium alloy. Because of that, seat post bracket 44% lighter than aluminium alloy version; it is also granted an extremely strong - tested to EN 14766 together with a corrosion resistant and long lasting”.

Testing continued to six times without failure
How strong is the additively manufacturing technology? “Titanium alloys have a high Ultimate Tensile Strength (UTS) of more than 900 MPa when processed using additive manufacturing and near perfect densities of greater than 99.7% are achieved; this is better than casting and, as any porosity is both small and spherical, it has little effect on strength”, said Rivetti.
“The project’s aim is to produce a fully functio-ning bicycle, so the seat post bracket was te-sted using the mountain bike standard EN 14766; it withstood 50,000 cycles of 1,200 N. Testing continued to six times the standard without fai-lure. Testing of the completed bicycle frame will continue, both in the laboratory using Bureau Veritas UK, and on the mountainside using portable sensors in partnership with Swansea University.
About lightness, titanium alloys are more dense than aluminium alloys, with relative densities of around 4 g/cm3 and 3 g/cm3 respectively. Therefore, the only way to make a titanium alloy version of a part lighter than its aluminium alloy counterpart is to significantly alter the design to remove any material not contributing to the overall strength of the part.
The original aluminium alloy seat post bracket is 360 g and the hollow titanium version is 200 g, a weight saving of 44%”.
This is just the first iteration; with further analysis and testing it could be reduced further, said Chris Williams, Managing Director at Empire Cycles. “The original bike frame weighs in at 2,100 g. Redesigned to make use of additive manufacturing, the weight drops to 1,400 g, a 33% weight saving. There are lighter carbon fibre bikes avai-lable. The durability of carbon fibre can’t compare to a metal bike, they are great for road bikes, but when you start chucking yourself down a mountain you risk damaging the frame. I over-engineer my bikes to ensure there are no warranty claims”.

The same advantages of a “monocoque” construction
Chris Williams had already produced a full size 3D printed replica of his current bike before he approached Renishaw, so had a good idea of what he wanted to achieve.
Renishaw originally agreed to optimise and ma-nufacture the seat post bracket only, but after this proved successful, decided the whole frame was a practical goal. Williams updated his design with guidance from Renishaw’s applications team on what would build well, and the frame was sectioned so that it would fully utilise the AM250’s 300 mm build height. The key benefit for Empire Cycles is the performance advantages that this construction method bestows. “The design has all of the advantages of a pressed steel “monocoque” construction used in motorbikes and cars, without the investment in tooling that would be prohibitive for a small manufacturer”, added Williams. “The potential performance has not been completely explored yet, but we hope to conti-nue to develop the project. As no tooling is required, continual design improvements can be made easily; and as the component cost is based on volume and not complexity, some very light parts will be possible at minimal costs. Research into bonding methods resulted in Mouldlife providing the adhesive, and technical specialists 3M providing test facilities. We will develop this further in partnership to look at iterative improvements in bonding methods, such as specific surface finishes”. The wheels, drive train and components required to finish the bike were provided by Hope Technology Ltd.            

Ultima modifica ilVenerdì, 30 Maggio 2014 08:11

243 commenti

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