图中是3D打印的自行车

随着世界上第一个3D打印自行车框架上市，斯图尔特·内森调查了增材制造对自行车行业的优势

由于增材制造(AM)已经变得越来越主流，它的使用特征也越来越熟悉:激进的曲线、分支结构、让人想起骨头和珊瑚的形状。粗略地看一眼埃默里电动自行车的车架，就会发现这一切:它的形状与传统自行车完全不同，但几何形状似乎相当简单，它是基于一个多世纪以来形成车架基础的熟悉的三角形结构。观众可能会想，也许框架内的管子里有一些奇特形状的加强结构。但不，像其他的自行车架一样，它们是空心的。那么，你可能会问，为什么要麻烦3d打印呢?它看起来可以用传统的制造方法做得很好。

这种框架的出现是出于硅谷增材制造专家的愿望Arevo寻找一种商业产品来展示其在打印碳纤维增强复合材料这一工艺中的优势，该工艺目前已被用于航空部件。

太空制造:轨道增材制造

3D打印环法自行车赛冠军

该公司认为，一个自行车框架会吸引眼球，于是与环法自行车赛(Tour de France)的最后一位美国冠军格雷格·莱蒙德(Greg LeMond)进行了交谈。莱蒙德在一次访问中对该公司的技术印象深刻。莱蒙德建议他们联系科罗拉多体育用品设计咨询公司Studiowest的比尔·斯蒂芬斯。斯蒂芬斯是一位经验丰富的自行车设计师，在高性能框架的碳纤维工作经验。

Arevo的打印过程是通过安装在机器人手臂上的打印头将连续的碳纤维束放置起来。与大多数3d打印系统一样，设计软件和打印硬件同样重要。Arevo的系统通过对纤维的不同方向进行有限元分析来确定使用的力和应力将如何影响最终的印刷品。这使得作品的组成和复合材料的内部结构可以以一种类似于更熟悉的粉末床印物品的几何优化的方式进行优化，该物品具有独特的鸟骨形状。

斯蒂芬斯承认，当第一次接触他时，他心存疑虑。“我很确定，阿雷沃当时认为‘我们制造航空部件。一辆自行车能有多难?所以我告诉了他们我的看法。自行车架非常具有挑战性。在许多点上，它们必须同时承受来自不同方向的多重动力。失败的后果可能会对骑手造成严重的伤害。由于所有的运动部件都在一个非常小的区域内，而且需要人类骑手能够不受阻碍地移动，所以公差非常小。自行车设计师们痴迷于减肥。如果他们决定用网球拍之类的东西代替，我也不会感到惊讶。 But to their credit, they decided to embrace the difficulties and stick with the bicycle idea.”

“这绝对是一种双向教育，他们教我材料，我教他们从工程角度和自行车框架的动态发展。”

至于为什么使用3D打印，斯蒂芬斯解释说，最大的优势是无需工具就能制造工程项目。“为了设计一个碳框架，我们现在必须坐下来——设计师、工程师、营销人员——提前几年预测我们认为会卖出去的东西。然后我们疯狂地设计和设计。在某种程度上，我们不得不放下铅笔，给工具制造商开一张大额支票，然后他们要花几个星期或几个月的时间来切割钢铁。我们现在拥有的那些钢模具，在产品的整个生命周期中，你都被锁定在那个设计中。”

“然后是生产过程。你的生产团队手工铺设碳纤维。从一个框架到另一个框架不可避免地存在矛盾，因为即使是最熟练的人也不可能每次都生产相同的工作。这是一个漫长的过程——每帧需要几十个小时——这限制了你能生产的单位数量，从而导致价格居高不下。”

“阿雷沃的过程完全颠覆了这一切。没有必要预测那么远的未来;我们不局限于任何单一的设计。在自行车的世界里，零部件有很多趋势。这些都是非常昂贵的改变，当你不得不切割那些钢模具时。在按需打印过程中，我们选择对设计做出的任何更改都可以是软件更改。下一次印刷可以反映不同的物理几何形状。这是一种今天不存在的设计自由和灵活性。”

“此外，你可以比传统的碳结构打印快1000帧，并且相信每一帧都是一样的。”

随着项目的进展，Arevo开发了其工艺，以适应更大的打印量，这使得可以考虑打印整个自行车框架作为一个单独的部分。“起初，我想，这足够大，至少可以打印一面，”斯蒂芬斯说。“然后，我向团队提出了一个我认为很激进的想法，把整个框架作为一个整体打印出来，但我认为他们做不到。”

抛开先入之见是完全自由的。作为一个设计师，这对我来说非常令人兴奋

“从设计的角度来看，能够将自行车框架设计成一个连续的动态单元，这是非常棒的想法。有很多不同的动态加载同时发生,制定一个面向纤维网络,给了我们不同的动态品质在框架的不同部位在不同的轴,并考虑,作为一个设计单位,这是一种全新的思维方式的自行车架设计。”

用传统的方法来制造碳纤维自行车是不可能的，因为制造模型和检查它如何工作的模具太贵了。“你不会冒这个险的，”斯蒂芬斯说。

出乎意料的是，斯蒂芬斯还发现3D打印是制造轮子的好方法。“与传统的碳纤维热固性工艺相比，Arevo碳纤维工艺的另一个主要优点是它是一种热塑性工艺。这实际上意味着这种材料比传统的碳纤维自行车更坚固，更抗冲击。用传统的碳纤维制造这种轮子是非常危险的。”

斯蒂芬斯认为，这项技术可以使碳纤维框架更便宜。事实上，Arevo框架构成了埃默里电动自行车的基础，这更多地反映了自行车市场目前的发展方式:它最初是作为传统自行车制造的，非常适合这种类型的结构。“这是完全自由的
抛开我们一直以来的固有观念，考虑一些我们无法探索的新形式、新方向、新机械概念。”“我预见到思想的开放。作为一名设计师，这对我来说非常令人兴奋。”