自行車的電氣化趨勢給騎行運動帶來了極大的社會關注，未來幾年，自行車市場預計將實現(xiàn)高速增長。一方面，疫情促使人們更向往戶外活動，另一方面，可持續(xù)發(fā)展的理念日益普及，也正在推動對環(huán)保型汽車替代品的旺盛需求。

與此同時，特種自行車概念越來越受歡迎，如三輪和四輪臥式自行車，也稱為三輪車或四輪車。這種車型可以更好的利用人體工程學提供是更舒適的坐/躺姿勢，這不僅是殘疾人的理想選擇，也是那些喜歡舒適騎行的人的理想選擇。

抗扭，堅固，電機連接設計更輕的輕量化自行車設計已成為未來的發(fā)展趨勢。輕巧的結構對于電動自行車來說非常重要。Krause DIMaTec和Hexagon聯(lián)手為自行車制造商Xplorcycles進行設計優(yōu)化、性能驗證和生產制造，進而為自行車兼具更大的續(xù)航里程，更舒適的操控和更輕松的騎行提供了保障。

新一代自行車的新制造技術

自行車制造商Xplorcycles致力于生產臥式自行車，并制定了為下一代自行車配備電動機的計劃。該公司現(xiàn)有的設計通過使用傳統(tǒng)制造工藝將3.2公斤的電動機連接到自行車結構上，但該設計不適合小批量生產，并且增加了額外的重量。

考慮到這一點，Xplorcycles委托工業(yè)3D打印專家Krause DiMaTec研究增材制造方案。由于現(xiàn)有的零件設計無法實現(xiàn)經濟高效，高質量的增材制造，Krause DiMaTec決定使用MSC Apex Generative Design軟件進行零件幾何形狀的優(yōu)化，以開發(fā)適合增材工藝的設計。這種創(chuàng)新的優(yōu)化技術產生的仿生結構在滿足零件性能需求的同時實現(xiàn)了結構輕量化。通過對零件進行徹底重新設計，最終在工程要求與良好工藝性之間取得了理想平衡。

環(huán)法賽段作為優(yōu)化依據(jù)

為了準備重新設計模型，將發(fā)動機及其接口、自行車連接點和原始適配器的模型導入MSC Apex Generative Design軟件中，我們推導出一個設計空間，在這個空間里，允許算法在仿真環(huán)境中進行材料布局。同時，軟件提供的工具還可以定義非設計空間，包括自行車和發(fā)動機上的固定連接點。

為了確定負載情況，需要確定由于使用踏板而作用在電機、支架和自行車連接上的力。為了確定這些力，Krause DiMaTec的工程師們使用了2014年環(huán)法自行車賽期間自行車手Andre Greipel的載荷數(shù)據(jù)，為設計提供了一個真實的高強度載荷依據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)，通過軸的扭矩計算出踏板上作用的力和齒輪上的鏈力，并將其用于優(yōu)化模型。此外，Krause DiMaTec還考慮了潛在的特殊情況，例如發(fā)生碰撞時踏板兩側的組件或負載的影響。最終確定了總共17種負載情況，確保了優(yōu)化設計的魯棒性，能夠應對日常使用中的各種挑戰(zhàn)。

從0到55：快速減重

在第一次優(yōu)化中，僅對底座的上部和自行車連接的底座進行了優(yōu)化。這個設計中，電機的原始適配器板是組件的一部分；這種方法使重量減輕了13%。

為了進一步減輕重量，將適配器納入下一步的優(yōu)化，從而減少了部件的組裝，可以帶來額外的輕量化。采用這種新方法，與使用316L/1.4404不銹鋼的原始設計相比，該設計的重量減輕了55%，負載下的變形減少了90%。基于應力的優(yōu)化產生了均勻的應力分布，其機械可靠性明顯高于原始設計。

圖1：仿真結果顯示整個構件的應力分布均勻，高應力區(qū)域很少(紅色)。

無需組裝，直接制造

只需點擊幾下鼠標，優(yōu)化結果就會反饋到標準CAD(計算機輔助設計)交換格式(基于NURBS)中，以便在CAD/CAM(計算機輔助制造)中使用參數(shù)化功能曲面進行處理。在進入生產準備階段 — 即確定打印方向并生成支撐結構之前，整個組件在MSC Apex Generative Design軟件中進行了最終校驗。

得益于Krause DiMaTec的高精度制造工藝，不需要對表面進行處理，也無需進行后處理。因此，制造的部件可以在移除與工藝相關的支撐結構后直接安裝。無需額外調整，就可以通過電動機支架將電動機連接到自行車上。首次試駕表現(xiàn)完美無瑕，仿生設計與制造工藝均展現(xiàn)出卓越品質。

Krause DiMaTec GmbH總經理Johannes Tominski博士對整體項目及創(chuàng)成式設計軟件的表現(xiàn)給予了高度評價：“這個開發(fā)項目令人印象深刻地展示了拓撲優(yōu)化和3D打印的深度融合所能創(chuàng)造的附加值。除了提升機械性能外，優(yōu)化設計還顯著改善了電機支架的視覺觀感，并為三輪車添加了一處引入注目的設計亮點。”

圖2：電機支架是使用粉末基SLM（選擇性激光熔化）工藝制造的。該過程所需的支撐結構可以很容易地拆除，以便立即提供即裝即用的解決方案。

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