No quadro: a bicicleta impressa em 3D – Energia Inteligente
07/02/2020 - 11:7
Quando o primeiro quadro de bicicleta impresso em 3D do mundo chega ao mercado, Stuart Nathan investiga as vantagens da fabricação aditiva para o setor de bicicletas
Como a manufatura aditiva (AM) se tornou mais popular, as características de seu uso são cada vez mais familiares: curvas radicais, estruturas ramificadas, formas que lembram ossos e corais. Um rápido olhar para o quadro da Emery e-bike não revela nada disso: é uma forma bastante diferente de uma bicicleta tradicional, mas a geometria parece bastante simples e é baseada na estrutura triangular familiar que formou a base dos quadros há mais de um século. O espectador pode pensar que talvez o quadro tenha alguma estrutura de reforço de formato exótico dentro de seus tubos. Mas não, como qualquer outro quadro de bicicleta, eles são ocos. Por que, então, você pode perguntar, se incomoda em imprimir em 3D? Parece que poderia ser perfeitamente bem feito usando métodos de fabricação convencionais.
A armação surgiu devido ao desejo da Arevo, especialista em manufatura aditiva do Vale do Silício, de encontrar um produto comercial para demonstrar as vantagens do processo pioneiro na impressão de compósitos reforçados com fibra de carbono, que até agora empregava para componentes aeroespaciais.
Decidindo que um quadro de bicicleta seria atraente, a empresa conversou com o último vencedor americano do Tour de France, Greg LeMond, que ficou impressionado com sua tecnologia durante uma visita. LeMond sugeriu que entrassem em contato com Bill Stephens, da Studiowest, uma consultoria de design de artigos esportivos com sede no Colorado. Stephens é um designer de bicicletas veterano, com experiência em trabalhar em fibra de carbono para quadros de alto desempenho.
O processo de impressão da Arevo funciona colocando fios contínuos de fibra de carbono usando um cabeçote de impressão montado em um braço de robô. Como na maioria dos sistemas de impressão em 3D, trata-se tanto do software de design quanto do hardware de impressão. Os sistemas da Arevo funcionam executando análises de elementos finitos de diferentes orientações das fibras para determinar como as forças e tensões de uso afetarão o artigo final impresso. Isso permite que a composição da peça e a estrutura interna do compósito sejam otimizadas de maneira semelhante à otimização geométrica de um artigo impresso em leito em pó mais familiar com suas formas distintas de osso de pássaro.
Esquerda: Os quadros das bicicletas precisam lidar com forças dinâmicas em vários pontos.
Centro: As folgas entre os componentes da bicicleta costumam ser muito apertadas.
Direita: O peso total é baixo para fibra de carbono impressa
Stephens admite ter dúvidas quando foi abordado pela primeira vez. "Tenho certeza de que a Arevo pensou 'fabricamos componentes aeroespaciais. Quão difícil pode ser uma bicicleta? então eu dei a eles minha perspectiva. Quadros de bicicleta são muito desafiadores. Há muitos pontos em que eles precisam suportar várias forças dinâmicas de diferentes direções ao mesmo tempo. A consequência do fracasso pode ser severa inúria para o ciclista. As tolerâncias são extremamente rígidas devido a todos os componentes móveis em uma área muito pequena e à necessidade do piloto humano poder se mover sem impedimentos. E os projetistas de bicicletas estão obcecados com a redução de peso. Eu não ficaria surpreso se eles tivessem decidido escolher algo como uma raquete de tênis. Mas, para seu crédito, eles decidiram abraçar as dificuldades e seguir a ideia da bicicleta. "
"Definitivamente, houve uma educação nos dois sentidos, onde eles me ensinaram sobre materiais e eu os ensinei sobre tudo o que está acontecendo dinamicamente e do ponto de vista da engenharia com uma estrutura de bicicleta."
Quanto ao motivo pelo qual a impressão 3D foi usada, Stephens explicou que a grande vantagem é a capacidade de fazer itens de engenharia sem ferramentas. "Para projetar uma armação de carbono, atualmente precisamos nos sentar – designers, engenheiros, profissionais de marketing – e prever com antecedência o que achamos que vai vender. Em seguida, projetamos e projetamos como loucos. Em um determinado momento, temos que pousar os lápis e escrever um grande cheque para um fabricante de ferramentas, que passa semanas ou meses cortando aço. Esses moldes de aço que possuímos agora, e você fica preso nesse design pela vida útil do produto. "
"E depois há o processo de produção. Sua equipe de produção coloca as fibras de carbono manualmente. Há inevitavelmente inconsistências de um quadro para outro, porque mesmo a pessoa mais qualificada não pode produzir trabalho idêntico todas as vezes. É um processo demorado – dezenas de horas por quadro – e que limita o número de unidades que você pode produzir e, consequentemente, mantém o preço alto. "
"O processo da Arevo meio que vira tudo isso de cabeça para baixo. Não há necessidade de prever isso muito à frente; e não estamos presos a nenhum design único. No mundo das bicicletas, há muitas tendências em componentes. Todas essas mudanças são proibitivamente caras quando você precisa cortar esses moldes de aço. Com o processo de impressão sob demanda, qualquer alteração que escolhermos fazer no design pode ser uma alteração de software. A próxima impressão pode refletir uma geometria física diferente. Esse é um tipo de liberdade e flexibilidade de design que não existe hoje. "
"Além disso, você pode imprimir uma tiragem de 1000 quadros mais rapidamente do que a produção convencional de carbono e ter certeza de que todos serão idênticos."
À medida que o projeto avançava, a Arevo desenvolveu seu processo para acomodar um volume de impressão muito maior, o que possibilitou considerar a impressão de todo o quadro da bicicleta como uma única peça. "Inicialmente, pensei, isso é grande o suficiente para imprimir pelo menos um lado", disse Stephens. "E então, joguei para a equipe o que eu pensava ser apenas uma idéia radical, para imprimir todo o quadro como uma peça, mas não achei que eles seriam capazes de fazê-lo."
"A ideia de poder projetar um quadro de bicicleta como uma unidade dinâmica contínua é simplesmente fantástica, do ponto de vista do design. Há tantas cargas dinâmicas diferentes acontecendo ao mesmo tempo que, para criar uma rede de orientação de fibra que nos oferece qualidades dinâmicas diferentes em diferentes partes da estrutura em diferentes eixos, e considerar que, como uma unidade projetada, é uma maneira totalmente nova de pensando em termos de design do quadro da bicicleta.
Isso simplesmente não seria possível com as formas tradicionais de construir bicicletas de fibra de carbono, porque é muito caro produzir moldes para fazer um protótipo e verificar como ele funcionaria. "Você simplesmente não correria esse risco", disse Stephens.
Inesperadamente, Stephens também descobriu que a impressão 3D é uma maneira muito boa de fabricar rodas. "Um dos outros grandes benefícios do processo de fibra de carbono da Arevo é que este é um processo termoplástico, em comparação com a fibra de carbono tradicional, que é um processo termoendurecido. Na prática, isso significa que o material é muito mais resistente e mais resistente ao impacto do que as bicicletas tradicionais de fibra de carbono. Seria uma roda muito arriscada para fabricar a fibra de carbono tradicional. "
Stephens acredita que essa tecnologia poderia tornar os quadros de fibra de carbono muito mais acessíveis. O fato de o quadro Arevo formar a base da Emery E-bike é mais um reflexo da maneira como o mercado de bicicletas está se desenvolvendo: foi originalmente fabricado como uma bicicleta convencional e é perfeitamente adequado para esse tipo de construção. "É total liberdade de
deixar de lado as noções preconcebidas de como sempre fazemos as coisas e considerar novas formas, novas direções, novos conceitos mecânicos que, de outra forma, não poderíamos explorar", afirmou. "Prevejo uma abertura de idéias. Isso é muito emocionante para mim como designer. "