國際新研發：SCB研發制造的新型復合材料自行車車架

日期：2020-08-10 來源：JECCOMPOSITES中國 瀏覽：1863

SantaCruz自行車（SCB）為職業車手DannyMacAskill設計和制造了一輛復合材料自行車，其利用熔融沉積模型（FDM)技術和準各向同性織物，創建了一種高效的制造方法。依靠FDM，該公司通過3D打印技術用ULTEM1010樹脂制作了芯軸。這些芯軸用于生產框架零件形狀的乳膠袋。

通常，用于低容量應用的定制乳膠袋成本高昂，主要在于制造乳膠袋所需的鋁芯軸的加工成本和耗時。使用FDM，開發工具和乳膠袋產品是可以接受的，并行之有效的。相對于一次性的傳統乳膠袋模具，乳膠袋可使用多達50次。使用0，+/-60°的織物，SCB滿足了極端設計要求，并減少了自行車的車架重量1.8公斤。雖然Danny的定制自行車是一個小批量項目，但SCB利用它為大批量平臺創建了一個制造解決方案，該解決方案計劃應用在其在的碳材料工廠。

預計未來幾年自行車市場的綜合平均增長率將達到4%

增材制造和編織物

自行車車架可用復合乳膠袋制造的，通過加熱和擠壓ULTEM1010樹脂熱塑性長絲逐層制造芯軸，增材制造使之成為可能。Stratasys的芯軸送到Piercan公司之后，Piercan公司開發了一種將ULTEM1010樹脂芯軸浸在液態乳膠中的工藝。與CNC加工芯軸相反，打印芯軸開啟了設計空間，實現了通過快速、廉價的形狀迭代來構建復雜的幾何圖形。以前，所需的迭代是不可能創建的，或者只能通過極其昂貴的成本以及耗費大量時。此外，使用乳膠袋可以減少80%的工業廢料。為了制造疊層預制件，先用玻璃珠填充料袋，然后抽真空獲得剛性材料。隨后，將0°+/-60°預浸料碳纖維編織物直接鋪在乳膠袋上。這種0°+/-60°的織物在單層中是平衡并且對稱的，與單向織物或織造物相比，幾層疊加就可達到必要的強度和剛度，從而優化材料使用。用碳纖維布包好后，將每個乳膠袋放入模具中后，玻璃珠則釋放出來。膠乳袋充氣加壓，固化，零部件脫模，移走乳膠袋。芯軸的設計靈活性和編織織物的簡易疊放使得框架設計必要修改更為便利。工程團隊突破了自行車設計的極限，終的車架只有1600克，而要被取代的合金車架重量是2300g，這使得Danny能夠跳得更高，更好地控制平衡，更有信心的挑戰極限。
自行車
高效的制造工藝

SantaCruz在定制自行車車架的制造中采用了增材制造技術，并結合準各向同性編織織物，使其能夠開發出更高效的制造工藝，并將其轉化為大批量生產設施。SCB采用0°+/-60°面料進行設計，并使用熔融沉積模型創建定制和可重復使用的乳膠袋，現在能夠在5周內創建完全定制的、更輕的復合自行車車架，而使用傳統方法則需要在12周內創建，同時還減少了80%以上的工業廢料。從小規模開始，該公司可證明這種創新制造技術的可行性和效益，然后在其海外制造設施擴大其制備規模。在內部開發新的、更高效的工藝可以降低將這些新的制造習慣輸送給工業伙伴的風險和困難。一旦成功過渡，每月工業廢料的總減少量將減少數噸。但仍有一些挑戰需要克服，例如在高產量下穩定乳膠袋填充和排空，但利用增材制造來創建定制的疊層工具、輔助工具和預制件將有助于這一新工藝的成功實施。丹尼自行車是朝這個方向邁出的步。

EPS芯軸和尼龍袋

SantaCruz自行車公司分析了其常規的批量生產流程，并確定了在何處更改工藝以減少浪費并提高產品性能。該公司梳理了兩個關鍵方面：EPS芯軸和尼龍袋，以及在疊層中使用的材料?？芍貜褪褂玫娜槟z袋用來代替尼龍袋，但公司仍需要找出如何制作芯軸和更換EPS芯。芯軸解決方案如下：打印ULTEM1010芯軸，可具有更高的復雜度、更快的周轉速度和更低的成本。對于EPS預制件，SCB使用玻璃微珠作為填充物，并在疊層過程中使用真空來硬化成型。對于此類材料，我們選擇了堅硬的材料——單層準各向同性編織物。所有的工作都是在公司的實驗室展開的，材料和工具都是在公司內部設計并在當地采購的。制作了三個原始原型并提交給實驗室做破壞性試驗計劃。這次生產的三個疊層原型比以前的合金框架輕20%以上，沖擊試驗強度高35%，疲勞壽命高10倍。DannyMacAskill在蘇格蘭測試了輛自行車，結果把它弄壞了。SCB改進了所有關鍵區域的疊層技術，并生產了三輛自行車，丹尼今天仍然在騎。

逐步增長的市場

預計未來幾年，自行車市場的綜合年平均增長率將達到4%。自行車行業內的技術進步，包括SCB在制造技術方面的進步，將使公司能夠在這個不斷增長的市場中占據更大的份額。開發的新制造技術將通過降低單位成本和提高性能更好的自行車的交付速度來增加其市場份額。傳統的復合材料自行車車架是用配套的模具制造的，并用加壓尼龍袋加固。這種傳統的制造方法可被挑戰的，因為在新框架項目的研發階段由于昂貴和耗時的工具而造成成本高。直到近，在航空航天和汽車工業推動了增材制造在復合材料模具中的應用。這一創新體現了增材制造應用于其他復合材料密集型產業的優勢，促進了更有效的研發計劃轉化為更好的大規模生產過程的可能性。