Międzynarodowe Targi Poznańskie, a dokładnie MACHTOOL to ważne wydarzenie dla producentów i firm technologicznych. Choć niejako na pierwszym miejscu są Ci, którzy technologie dostarczają, to Ci, którzy je wykorzystują nadają dopiero temu należną wagę.

Firma RENISHAW oprócz swojej standardowej oferty pokazała produkt unikatowy w swoim rodzaju – rower.

Jest to, według wytwórcy, pierwsza metalowa rama rowerowa wykonana w technologii stapiania laserowego (druk 3D). Pełna rama została wytworzona w częściach wraz ze wspornikiem siodełka w ramach jednej platformy podmodelowej, a następnie zmontowana w jednej operacji technologicznej montażu.

Stapianie laserowe stanowi jedną z technik wytwarzania przyrostowego (druk 3D), w która wykorzystuje wiązkę laserową do łączenia proszków metalicznych. W efekcie otrzymuje się półfabrykaty do dalszej obróbki lub gotowe już komponenty.

Proces ten polega na “budowaniu warstwa po warstwie” z wykorzystaniem jako materiału proszków metalicznych. Powstają trójwymiarowe przedmioty na podstawie dwuwymiarowych przekrojów poszczególnych warstw bryłowego modelu CAD.

Co jednak jest istotnie cenną wartością tej techniki?

Wykorzystanie systemów CAD/CAE oraz laserowego stapiania proszków metali jako przyrostowej techniki wytwarzania pozwoliło na topologiczną optymalizację wytworzenia komponentów. Kryterium optymalizacji była masa ramy rowerowej.

Optymalizacja topologiczna to dynamicznie rozwijającą się
dyscyplina. Metoda ta polega na analizie numerycznej dystrybucji materiału w obrębie przestrzeni konstrukcji poprzez poszukiwanie optymalnego wskaźnika funkcji rozmieszenia. Większość zastosowań optymalizacji topologicznej dotyczy konstrukcji lotniczych oraz pojazdów
lądowych. [Mrzygłód, Michalik 2008].

Optymalizacja topologiczna polega na iteracyjnych krokach analizy metodą elementów skończonych. Materiał jest usuwany z obszarów o niskim naprężeniu do momentu uzyskania zoptymalizowanego pod względem konstrukcji nośnej projektu. Uzyskany model jest zarówno lekki (ze względu na ilość użytego materiału) jak i wytrzymały. [Renishaw 2014]

Redukcję masy ramy rowerowej zrealizowano wykorzystującą wspomnianą już optymalizację topologiczną przy założonych właściwościach mechanicznych (wytrzymałościowych). Zmodyfikowaniu uległa geometria ramy rowerowej.

Rower powstał w ramach współpracy firmy RENISHAW i Empire Cycles w ramach prac nad budową nowoczesnego roweru wyczynowego. Opracowano projekt pod kątem techniki wytwarzania na bazie proszków tytanu. Uzyskany produkt finalny spełnia wymagania stawiane tego typu konstrukcjom w kolarstwie górskim oraz zjazdowym. Wspornik siodełka był testowany zgodnie z normą EN 14766 i wytrzymał 50.000 cykli obciążenia na poziomie 1200N. Przeprowadzono sześciokrotnie więcej testów niż wymaga norma, bez jakichkolwiek uszkodzeń.

Dlaczego wybrano tytan? Wykorzystany stop tytanu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na rozciąganie (900 MPa) właśnie w przypadku przetwarzania w technice wytwarzania przyrostowego oraz bardzo wysoką gęstością (99,7%), większą niż w przypadku odlewów.Gęstość stopów tytanu wynosi ok. 4 g/cm3 i jest większa niż stopów aluminium (ok. 3 g/cm3). Ta cecha pozwala na wykorzystanie optymalizacji topologicznej.

Ostatecznie tytanowy wspornik siodełka waży 200 g. W porównaniu ze wspornikiem wykonanym z aluminium (360 g) osiągnięto 44% redukcję masy komponentu. Rama rowerowa wytworzona z proszków tytanu ma masę 1400 g. To redukcja masy o 33% względem ramy aluminiowej (2100 g).

Druk 3D to nie tylko tworzywa sztuczne i organiczne (np. drewnopochodne), ale także możliwość produkcji bardzo odpowiedzialnych komponentów.

Źródła

• Mrzygłód M., Michalik M., Optymalizacja topologiczna z ograniczeniem naprężeniowym konstrukcji pojazdu, Pomiary Automatyka Kontrola, vol 54, nr 7/2008, str. 429-432
• RENISHAW – materiały handlowe, 2014, 2015