3D打印如何改变自行车行业的设计和制造
发布时间：2023/09/08
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【概要描述】 3D打印对自行车和产品开发意味着什么？
本质上，自行车是一种极其简单的设计。两个三角形构成了一个框架，两个圆圈代表轮子，还有一些其他部件帮助骑手加速、减速和转向。
虽然这些基本原则自19世纪后期以来没有太大变化，但在随后的几十年里，每个组件的设计都经过了改进、反思和更新。与此同时，自行车车架材料已经从钢铁转向铝、碳纤维、钛等等。
但是我们即将进入一个新时代吗？随着3D打印被誉为制造业的最新进步，一些产品已经进入市场——从鞍座和专业定制零件等组件，到成熟的自行车车架.
然而，3D打印是传统制造方法的可行替代方案吗？这对自行车技术的未来意味着什么？
什么是3D打印？
3D打印一层一层地创造出一个产品——无论是自行车零件还是一副假牙。 Getty Images
3D打印，或者给它一个合适的名字叫增材制造，确实和它在罐子上说的一样。这种设计不是像数控加工等铣削工艺那样，从一块材料上雕刻出某样东西，而是一层一层超薄地构建起来。
这一切都始于一个3D CAD(计算机辅助设计)模型，它被分割成每个单独的层。这被编程到3D打印机中——一种立方体形状的机器，看起来与标准的2D打印机没有太大不同。
在激光束扫描第一层的路径之前，一层薄薄的粉末涂层(通常是自行车行业中的金属，如钛)被铺在打印机的底座上——热量固化了它接触的点，而没有接触的区域则成为粉末。
然后添加另一层粉末，重复该过程，随着产品从底层向上构建直到最终层完成，各层彼此融合。
3D打印建筑技术正被用于在德国建造一个服务器仓库。 亚历克斯·克劳斯/彭博/盖蒂图片社
3D打印为什么有用？
阿泽顿自行车公司使用3D打印技术来制造它的钛金属凸耳。 丹·格里菲斯/我们的媒体
这种新的制造工艺的好处很多，但自行车产品设计师采用它的一个主要原因是因为它的原型潜力。
一旦在电脑上设计出一个组件，它就可以被送到3D打印机上生产，而不需要模具或工具投资。
如果需要任何修改，可以在使用同一台机器重新打印之前在屏幕上进行修改——没有必要为每个新版本制作不同的模具或投资工具。
每个部件的精确模型成为3D打印机遵循的指令。 丹·格里菲斯/我们的媒体
“如果我们用传统方法，你会在铝骡子上做开发工作，然后把它变成碳框架，然后你就可以生产了，”阿泽顿自行车公司的设计负责人罗布·高威说碳纤维车架设计上的3D打印钛表耳.
“[3D打印]的美妙之处在于，我们可以开发原型，并将其改进到一个非常高的水平，然后知道这种特性正是我们将在生产模型中看到的。”
Fizik的产品经理亚历克斯·洛卡泰利(Alex Locatelli)表示，这也有助于加快流程，节省组件开发时间。
Fizik是目前提供3D打印自行车鞍座的众多品牌之一。 菲齐克
“那个心大星对埃沃莫是我们学会使用该技术的产品，而[3D打印]让我们在两到三周内进行了100多次迭代。"
洛卡泰利估计，使用传统方法，同样的过程可能需要“10年时间来进行微调”，他补充说，“每当你需要修改一个模具时，都需要几周到一个月的时间”。
尽管洛卡泰利表示，打印的马鞍原型“可能在100米后很容易断裂”，但在其他情况下，如果样品没有受到强烈的压力，制造商已经能够在实地开始测试，同时仍然可以完善成品。
杰兰特·托马斯的新招牌SunGod GTs是一个典型的例子，威尔士人在2023 Giro d'Italia的第一周展示了3D打印的框架，然后在第一个休息日转向完全成型的生产样品。
SunGod使用3D打印技术快速制作了新款GTs太阳镜的原型。 查理·艾伦比/我们的媒体
SunGod的产品负责人Ed Watkiss表示，打印框架的尼龙材料比最终版本中使用的回收TR90塑料聚合物“更脆”，但最终3D打印的原型“表现得非常接近实际”，这使得Thomas可以将Giro用作最终的测试场地。
3D打印对于制造定制规格的物品，或者为专业骑手制造小批量的利基产品也很有用。
例如，Ineos-Grenadiers团队的顶级骑手就使用3D打印的计时延长赛。每套都是为单个骑手定制的，延伸部分的形状与骑手的前臂和计时赛位置相匹配。
Filippo Ganna的Pinarello Bolide F HR的车把是由3D打印的钛制成的。 乔治·斯科特/我们的媒体
Filippo Ganna的3D打印Pinarello F HR 3D小时记录自行车还展示了一套独特的计时延长装置，专为该自行车和他的个人骑行位置而设计。
同样的，Bastion Cycles生产3D打印的把立、车把和曲柄与澳大利亚自行车协会及其奥林匹克场地自行车队合作。
鉴于其一次性设计或难以置信的利基使用场景，这些产品在精英体育领域之外几乎没有商业价值，因此使用其他建筑方法可能在经济上不可行。
Bastion为澳大利亚田径队开发了3D打印的把立、车把和曲柄。 堡垒
非常适合生产？
不过，这项技术并不仅限于原型制作，许多品牌也已经转向3D打印进行全面生产。
一些3D打印产品很容易被发现——看起来很前卫神话Elix茎例如，在它主要是中空的结构上有大洞。
一些3D打印产品旨在立即吸引眼球。
其他的，比如西尔卡钛夹板更微妙的是，重新想象标准形状，试图将强度重量比推到极限。
虽然我们采访的专家认为一些产品只不过是营销噱头，但也有3D打印比传统制造方法更好的选择。
与传统方法相比，使用3D打印制造的部件可以更好地处理复杂、多方向的负载，”阿泽顿自行车公司的Gowe解释道。
阿泽顿自行车公司的Rob Gowe表示，3D打印可以精确制造复杂零件。 丹·格里菲斯/我们的媒体
他引用了该品牌自行车上使用的中轴外壳作为一个很好的例子:“你可以从踏板、震动和连杆机构获得来自所有不同方向的力——拉、扭和弯。
“碳在处理这种复杂的载荷情况时非常糟糕，在处理复杂的形状时也非常糟糕。”
Gowe说，另一个好处是它可以让你自由地创造出具有很高强度重量比的形状。“你可以将材料准确地放在你想要的地方，以处理该部分正在经历的非常特殊的压力，”他补充道。
“在更传统的方法中，比如CNC加工，你必须让刀具进入并去除材料。”
根据Fizik的说法，3D打印马鞍的蜂窝状结构可以减少60%的压力。 菲齐克
这种优势不仅限于金属印刷，正如Fizik的3D打印鞍座所示。
衬垫是由碳纤维复合材料制成的，这种复合材料被印刷成蜂窝状的网格结构。
洛卡泰利声称，与标准的非3D打印模型相比，这对于鞍座的“反弹和阻尼振动需求特别好”，峰值压力平均降低约60%。
他补充说，压力映射工具已经表明，它也可以改善鞍座上的平衡，最大限度地减少赛车尖端的动力传递损失。
降低准入门槛
如果你认为所有这些听起来都很昂贵，那你就对了。
然而，对于一些规模较小的制造商来说，通过本地化生产和向那些无法投资于在传统供应链中竞争所需的工具、模具和库存的公司开放市场，这种方法可能比其他方法成本更低。
阿泽顿自行车公司与英国雷尼绍公司密切合作。 丹·格里菲斯/我们的媒体
英国3D打印机制造商Renishaw的高级增材制造应用工程师Ben Collins说:“一些客户说这是分散的零件生产英国队的希望。2020年东京奥运会场地自行车.
"制造商可以对接世界各地的机器，在不同的地区制造不同的零件."
Gowe表示，3D打印的这一优势使阿泽顿自行车公司的长期计划成为可能，并融入其中。
Renishaw还与Hope合作开发了引人注目的HB。英国队的场地自行车。 米克·柯克曼/即时媒体
“我们希望总是在产品使用的地方生产。我们可以在北美拥有一台打印机和一个非常小的团队，例如，为北美市场打印零件，而不是在世界各地运输三次。”
生产的流动性也使公司能够应对新的标准或变化，而不会留下突然过时的库存。
“我们按订单生产，因此我们可以不断更新我们的产品——例如[SRAM] UDHGowe补充道:“当它出现时，你不必废弃它，重新开始。
3D打印的局限性
增材制造显然有很多好处。但是如果它真的这么好，为什么我们不骑着看起来像是直接从Tron出来的自行车到处跑呢？
虽然第一台商用3D打印机是在20世纪90年代推出的，但它仍然是一项相对较新的技术。虽然有小规模的优势，但如果你想为大众市场推出打印产品，3D打印也会带来令人眼红的成本。
虽然这是一项快速发展的技术，但3D打印机的价格仍然高得令人望而却步。 Getty Images
虽然与其他形式的原型制作相比，3D打印相对较快，但它是一个相当缓慢且劳动密集型的过程。“我们只有一台Renishaw打印机，”Gowe说。“目前，为一辆自行车制造一套凸耳需要大约18个小时，所以这对我们一年能制造多少辆自行车来说是一个非常严格的限制。
“无论你有一台打印机还是10台打印机，18个小时都是一段很长的时间。”
一旦产品被3D打印出来，那么，根据设计的复杂程度和产品的最终用途，它可能必须在烤箱中烘烤；从构建板上切下；移除在印刷过程中用于散热和支撑的整体结构；挨枪子儿；并有任何轴承螺纹和配合数控加工之前，它的清洁和检查准备其最终用途。
Renishaw的Collins说:“很多人认为一旦你打印了一个零件，它就完成了，但这几乎是整个过程的开始。”。
Fizik的Alex Locatelli表示，该品牌在其3D打印鞍座上使用的蜂窝结构的尺寸和形状方面受到限制。 菲齐克
鞍垫或太阳镜等小部件所需的复杂设计也是目前该技术的最高水平。Fizik的Locatelli解释说:“我们在蜂窝结构和可以使用的蜂窝尺寸方面有一点限制。
然而，投资技术是进入的最终障碍。“要使它在商业上可行，它必须有合理的制造成本，这是目前的问题——材料成本非常昂贵，机器成本非常昂贵，还有安装成本——你需要购买空间，你需要创建辅助设备，”柯林斯解释说。
这就是为什么像SunGod这样的公司使用第三方机构，也是为什么它没有计划在不久的将来改变这一点。Watkiss说:“现在3D打印技术发展如此之快，我们买一台三年后就会更新的机器是没有意义的。”
像许多品牌一样，SunGod使用第三方来制造3D打印产品。 查理·艾伦比/我们的媒体
3D打印的未来？
3D打印在航空航天和汽车行业的日益广泛应用可能会加速这项技术的发展。 Getty Images
与所有新技术一样，这是一个持续的涓滴效应，随着每一项新的改进和制造业供应的增加，生产过程变得越来越便宜。
Collins说Renishaw的下一代机器的目标是它们“可以在几乎不需要动手的情况下进行大规模生产”，而阿泽顿自行车公司的Gowe认为，来自航空航天和汽车行业的日益增长的兴趣将加速3D打印，因为“它背后有巨额资金”，有助于降低成本。
那么，在不太遥远的将来，添加制造的框架和组件可能会让传统材料和工艺成为过去吗？
柯林斯认为这是可能的:“你可以用这种网格结构制作一个完整的框架，然后在它的顶部有一个非常小的皮肤。从理论上讲，这应该是一个非常坚固和轻便的框架设计，你无法用任何其他方式来创造。”
3D打印能打开定制自行车配件的选择吗？ 约瑟夫·布兰斯顿/我们的媒体
洛卡泰利表示，Fizik的近期计划是在“我们鞍座的所有高级系列”中推广该技术，但预计在未来几年，3D打印将在定制和自行车适配方面发挥作用。
“如果你在去买自行车之前去找自行车装配工，你可以得到所有的数据，然后把数据发给自行车制造商。他们可以定制模具，让你的部件尺寸适合你，”他说。
洛卡泰利表示，这将比阿泽顿自行车等品牌目前使用的工艺更进一步——不同长度的碳管被粘合到3D打印的钛凸耳上，以提供22种不同的库存尺寸和完全定制的框架几何形状的选择。
“这将有助于为每位骑车人提供一对一的自行车，例如，他们可以拥有不同曲率、宽度、尺寸和长度的车把。”
新的男子速降世界冠军查理·哈顿的阿泽顿AM.200使用3D打印的鞋耳——但不要指望在入门级自行车上看到它们。 史蒂夫·贝尔/我们的媒体
Gowe更加务实，他认为“这是为自行车的每个部件或每个方面找到最佳解决方案。在某些情况下，这将是3D打印，而在其他情况下，这将是更传统的方法。”
最终，3D打印将会存在，并且随着技术的发展和生产成本的降低，它只会变得更加普遍。
不过，不要指望很快就能买到3D打印的入门级自行车。
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