Bicicletta con telaio e staffa per il tubo del sellino stampati in 3D in lega di titanio.
La vera sfida della produzione additiva è data dalle enormi potenzialità insite nella tecnologia. Per i progettisti si tratta di “reinventare” i prodotti, che diventano svincolati dalle normali tecnologie di produzione. Lo dimostra la collaborazione tra Renishaw ed Empire Cycles nella concezione e produzione di un telaio per biciclette in metallo, stampato in 3D.
di Oscar Modo
Renishaw (www.renishaw.it), produttore esclusivo per il Regno Unito di macchine per lavorazioni additive in grado di stampare pezzi in metallo, ha collaborato con un’importante azienda britannica che si occupa di progettazione e costruzione di biciclette per realizzare il primo telaio in metallo, eseguito tramite stampa 3D. Nella progettazione di un nuovo modello di mountain bike, Empire Cycles ha sfruttato tutti i vantaggi offerti dalla tecnologia di lavorazione additiva di Renishaw che ha permesso di utilizzare l’ottimizzazione topologica per creare un telaio in titanio incredibilmente robusto e leggero: il nuovo telaio ha un peso inferiore del 33% rispetto all’originale.
Il telaio della bicicletta è stato prodotto con tecnologia additiva in lega di titanio, in sezioni assemblate, ottenendo una serie di vantaggi esclusivi: innanzitutto, la libertà di progettazione, che ha permesso iterazioni rapide, con una flessibilità incredibile nell’apportare variazioni e migliorie dalla progettazione fino al momento della produzione, unita a una capacità di realizzare ogni tipo di forma risultante dalle ottimizzazioni topologiche. Grazie a questa tecnologia, la personalizzazione e l’esecuzione di qualsiasi prodotto su misura risultano semplici quanto la produzione in lotti ed è possibile la costruzione di forme complesse con caratteristiche interne di rinforzo, strutture cave e personalizzazioni integrate, come, ad esempio, il nome del ciclista. Le prestazioni raggiunte sono state decisamente elevate, grazie alla lega in titanio, che ha consentito di realizzare un supporto della sella più leggero del 44% rispetto alla versione in lega di alluminio, estremamente robusta, testata secondo EN 14766, resistente alla corrosione e di lunga durata.
Passaggi progettuali effettuati per realizzare il primo telaio per biciclette in metallo stampato in 3D.
MARCHI LEADER NEL MONDO
Empire Cycles è un’azienda inglese che progetta e realizza biciclette esclusive. Dotata di una netta propensione a realizzare prodotti di elite, l’azienda offre design innovativi agli appassionati di mountain bike e downhill. 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.
Ma facciamo un passo indietro: cosa s’intende con 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 queste forme molto complesse è ora stata superata dalla produzione additiva che permette di realizzare modelli fisici in 3D.
Nella figura 2 dell’articolo sono riportati i passaggi di progettazione effettuati per realizzare il primo telaio per biciclette in metallo, stampato in 3D, prodotto da Renishaw per Empire Cycles: il modello CAD del supporto per la sella è stato progettato per accogliere una fusione di lega in alluminio; è seguita l’ottimizzazione topologica con utilizzo del software di Altair solidThinking Inspire® 9.5; il supporto è poi stato riprogettato da Empire Cycles utilizzando il modello CAD ottimizzato come modello; infine, è stata effettuata la realizzazione in lega di titanio su un sistema di fusione laser Renishaw AM 250.
Per ottenere una versione in lega di titanio più leggera, rispetto al suo corrispettivo in alluminio, è stato necessario alterare in maniera significativa il progetto, eliminando il materiale che non contribuiva alla resistenza meccanica. Legenda: 1. rullo con ruota libera; 2. barra in acciaio; 3. ammortizzazione bloccata o giunto fisso per forcella posteriore imperniata; 4. supporto rigido montato su perno per punto di attacco assale posteriore.
I VALORI DELLA RESISTENZA
Arrivare a realizzare i primi lotti di produzione ha richiesto 20 settimane dalla conoscenza reciproca, ma solo due dalla progettazione completa dei primi pezzi del telaio. E passare dalla progettazione alla produzione in due settimane è stato davvero un tempo da fantascienza, che ha premesso di “bruciare” la concorrenza, arrivando primi sul mercato.
Va detto che i prodotti realizzati con questa tecnologie sono estremamente resistenti. Le leghe in titanio per produzione additiva hanno infatti carichi di rottura oltre i 900 MPa, con densità superiore al 99,7%: quasi perfetta e superiore a quella ottenibile per colata. Inoltre, grazie alla forma sferica e alle piccole dimensioni delle porosità residue, la resistenza non è compromessa.
Obiettivo del progetto è stato quello di produrre una bicicletta completamente funzionale: i pezzi riprogettati, come il supporto della sella che ha resistito per 50.000 cicli a 1.200 N, sono stati quindi testati secondo la norma UNI EN 14766. È stato effettuato un numero di test sei volte superiore a quello richiesto dallo standard e non si è verificata alcuna rottura. Il collaudo del telaio completo della bicicletta è poi proseguito sia in laboratorio, tramite l’Ente certificatore Bureau Veritas UK, che fuori dai laboratori, in montagna, con utilizzo di sensori mobili, in collaborazione con la Swansea University.
I VANTAGGI DELLA LEGGEREZZA
Nell’esecuzione dei test a fatica, è apparso evidente che, a parità di volume, le leghe di titanio sono più pesanti di quelle di alluminio, con 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 stato quello di alterare in maniera significativa il progetto, eliminando il materiale che non contribuiva alla resistenza meccanica.
Il supporto per la sella originale in lega d’alluminio pesava 360 g, mentre la versione cava in titanio ne pesa ora solo 200: una riduzione, quindi, del 44%. E questa è solo la prima iterazione: conducendo altre analisi e prove il peso potrebbe essere ancora ridotto.
Se poi in origine il telaio della bicicletta pesava 2,1 kg, il nuovo progetto sviluppato per la lavorazione additiva ha permesso di alleggerirlo fino a 1,4 kg, con una riduzione del 33%.
Sul mercato si trovano biciclette in fibra di carbonio ancor più leggere, ma Chris Williams, direttore dell’Empire Cycles, sostiene che: “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”, conclude Williams.
L’intero telaio, inclusa la staffa del tubo del sellino è stato diviso in sezioni e stampato in un’unica operazione.
SOMMA DI ESPERIENZE
Chris Williams aveva già realizzato una riproduzione stampata a grandezza naturale in 3D della sua attuale bicicletta prima di incontrare Renishaw e dunque aveva già le idee chiare su quanto voleva ottenere. Inizialmente, Renishaw concordò nell’ottimizzare e produrre solo il supporto per la sella, ma, dopo il successo riscontrato, decise che la costruzione dell’intero telaio sarebbe stato un obiettivo concreto. Williams aggiornò il proprio progetto avvalendosi della consulenza del team Renishaw circa le soluzioni che si sarebbero potute adottare. Il telaio fu allora sezionato in modo da poter utilizzare l’altezza del sistema di fusione laser Renishaw AM 250, pari a 300 mm.
Il principale vantaggio ottenuto da Empire Cycles è derivato dalle performance che ha assicurato questo metodo di costruzione. Il design ha garantito tutti i plus offerti da una costruzione a “struttura integrale”, in acciaio pressato, utilizzata per motoveicoli e autovetture, senza però aver l’onere di investire in attrezzature che sarebbero risultate proibitive per un piccolo produttore. “Le prestazioni potenziali non sono ancora state completamente esplorate”, dicono i team delle società, “ma continueremo a sviluppare il progetto”. Poiché non è necessaria alcuna attrezzatura, sarà molto più semplice apportare continue migliorie al progetto e, dato che il costo dei pezzi è basato sul volume e non sulla complessità, sarà possibile realizzare parti molto leggere a costi minimi.
La ricerca sui metodi di giunzione ha portato poi alla scelta di un adesivo Mouldlife e a condurre prove tecniche specialistiche presso impianti di 3M. Sono stati inoltre previsti ulteriori sviluppi in sinergia con i partner, con la previsione di migliorare in maniera iterativa i metodi di giunzione, ad esempio quelli per la finitura superficiale. Le ruote, il gruppo di trasmissione e i componenti necessari per rifinire la bicicletta sono stati forniti da Hope Technology Ltd. Il progetto evidenzia come si possano ottenere risultati eccellenti lavorando a stretto contatto con il cliente.
UNA TECNOLOGIA CHE AZZERA I LIMITI
La fusione laser di Renishaw è un processo innovativo basato su una tecnica di produzione additiva e consente di produrre pezzi in metallo solido direttamente da disegni CAD 3D, per mezzo di un laser a fibra ottica di alta potenza, a partire da diversi tipi di polvere metallica che viene fusa in atmosfera controllata e stratificata, con spessori che variano tra 20 e 100 µm. La macchina garantisce facilità di utilizzo all’interno di un ambiente produttivo e dispone di una semplice interfaccia Touch Screen. I costi per i materiali di consumo sono ridotti al minimo, grazie a un design accurato e a una serie di elementi specifici che contribuiscono ad aumentare l’affidabilità del sistema e ad abbassare i costi di gestione.
La vera sfida della produzione additiva è data dalle enormi potenzialità insite nella tecnologia. Per i progettisti si tratta di “reinventare” i prodotti, che diventano svincolati dalle normali tecnologie di produzione. Tutti i limiti connessi alla fusione o all’asportazione di truciolo sono superati, così come quelli legati alla produzione di stampi. La progettazione diventa completamente libera di immaginare nuove soluzioni, ma anche di modificarle e ottimizzarle in continuo, per arrivare a soluzioni che riducono i pesi, mantenendo intatte le caratteristiche di resistenza e durata. Una sfida appassionante che diventerà sempre più attuale, man mano che i risultati renderanno evidenti le potenzialità della produzione additiva.
La realizzazione del prodotto in lega di titanio è stata effettuata su un sistema di fusione laser Renishaw AM 250.