【行业资讯】新型复合自行车车架

　　SantaCruz自行车（SCB）为职业车手DannyMacAskill设计和制造了一辆复合材料自行车，其利用熔融沉积模型（FDM™)技术和准各向同性织物，创建了一种高效的制造方法。依靠FDM™，该公司通过3D打印技术用ULTEM™1010树脂制作了芯轴。这些芯轴用于生产框架零件形状的乳胶袋。

　　通常，用于低容量应用的定制乳胶袋成本高昂，主要在于制造乳胶袋所需的铝芯轴的加工成本和耗时。使用FDM™，开发工具和乳胶袋产品是可以接受的，并行之有效的。相对于一次性的传统乳胶袋模具，乳胶袋可使用多达50次。使用0，+/-60°的织物，SCB满足了极端设计要求，并减少了自行车的车架重量1.8公斤。虽然Danny的定制自行车是一个小批量项目，但SCB利用它为大批量平台创建了一个制造解决方案，该解决方案计划应用在其在中国的碳材料工厂。

预计未来几年全球自行车市场的综合平均增长率将达到4%

　　增材制造和编织物

　　自行车车架可用复合乳胶袋制造的，通过加热和挤压ULTEM1010树脂热塑性长丝逐层制造芯轴，增材制造使之成为可能。Stratasys的芯轴送到Piercan公司之后，Piercan公司开发了一种将ULTEM1010树脂芯轴浸在液态乳胶中的专利工艺。与CNC加工芯轴相反，打印芯轴开启了设计空间，实现了通过快速、廉价的形状迭代来构建复杂的几何图形。以前，所需的迭代是不可能创建的，或者只能通过极其昂贵的成本以及耗费大量时。此外，使用乳胶袋可以减少80%的工业废料。为了制造叠层预制件，先用玻璃珠填充料袋，然后抽真空NicMcCrae,R&DManager,SeniorCompositesEngineerSantaCruzBicycles获得刚性材料。随后，将0°，+/-60°预浸料碳纤维编织物直接铺在乳胶袋上。这种0°，+/-60°的织物在单层中是平衡并且对称的，与单向织物或织造物相比，几层叠加就可达到必要的强度和刚度，从而优化材料使用。用碳纤维布包好后，将每个乳胶袋放入模具中后，玻璃珠则释放出来。胶乳袋充气加压，固化，零部件脱模，移走乳胶袋。芯轴的设计灵活性和编织织物的简易叠放使得框架设计必要修改更为便利。工程团队突破了自行车设计的极限，最终的车架只有1600克，而要被取代的合金车架重量是2300g，这使得Danny能够跳得更高，更好地控制平衡，更有信心的挑战极限。

　　高效的制造工艺

　　SantaCruz在定制自行车车架的制造中采用了增材制造技术，并结合准各向同性编织织物，使其能够开发出更高效的制造工艺，并将其转化为大批量生产设施。SCB采用0，+/-60°面料进行设计，并使用熔融沉积模型创建定制和可重复使用的乳胶袋，现在能够在5周内创建完全定制的、更轻的复合自行车车架，而使用传统方法则需要在12周内创建，同时还减少了80%以上的工业废料。从小规模开始，该公司可证明这种创新制造技术的可行性和效益，然后在其海外制造设施扩大其制备规模。在内部开发新的、更高效的工艺可以降低将这些新的制造习惯输送给工业伙伴的风险和困难。一旦成功过渡，每月工业废料的总减少量将减少数吨。但仍有一些挑战需要克服，例如在高产量下稳定乳胶袋填充和排空，但利用增材制造来创建定制的叠层工具、辅助工具和预制件将有助于这一新工艺的成功实施。丹尼自行车是朝这个方向迈出的第一步。

　　EPS芯轴和尼龙袋

　　SantaCruz自行车公司分析了其常规的批量生产流程，并确定了在何处更改工艺以减少浪费并提高产品性能。该公司梳理了两个关键方面：EPS芯轴和尼龙袋，以及在叠层中使用的材料。可重复使用的乳胶袋用来代替尼龙袋，但公司仍需要找出如何制作芯轴和更换EPS芯。芯轴解决方案如下：打印ULTEM1010芯轴，可具有更高的复杂度、更快的周转速度和更低的成本。对于EPS预制件，SCB使用玻璃微珠作为填充物，并在叠层过程中使用真空来硬化成型。对于此类材料，我们选择了最坚硬的材料——单层准各向同性编织物。所有的工作都是在公司的实验室展开的，材料和工具都是在公司内部设计并在当地采购的。制作了三个原始原型并提交给实验室做破坏性试验计划。这次生产的三个叠层原型比以前的合金框架轻20%以上，冲击试验强度高35%，疲劳寿命高10倍。DannyMacAskill在苏格兰测试了第一辆自行车，结果把它弄坏了。SCB改进了所有关键区域的叠层技术，并生产了三辆自行车，丹尼今天仍然在骑。

逐步增长的市场

　　预计未来几年，全球自行车市场的综合年平均增长率将达到4%。自行车行业内的技术进步，包括SCB在制造技术方面的进步，将使公司能够在这个不断增长的市场中占据更大的份额。开发的新制造技术将通过降低单位成本和提高性能更好的自行车的交付速度来增加其市场份额。传统的复合材料自行车车架是用配套的模具制造的，并用加压尼龙袋加固。这种传统的制造方法可被挑战的，因为在新框架项目的研发阶段由于昂贵和耗时的工具而造成成本高。直到最近，在航空航天和汽车工业推动了增材制造在复合材料模具中的应用。这一创新体现了增材制造应用于其他复合材料密集型产业的优势，促进了更有效的研发计划转化为更好的大规模生产过程的可能性。

　　来源：JECCOMPOSITES中国

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峰会联系人：张力心