Dopo circa due anni trascorsi tra progettazione, simulazioni, produzione dei componenti e assemblaggio, Burton Bikes ha portato sui sentieri il primo esemplare funzionante della Raptor I, una mountain bike enduro nella quale produzione additiva metallica, fibra di carbonio e progettazione digitale vengono utilizzate come parti dello stesso sistema strutturale.
Il progetto è stato sviluppato in Nuova Zelanda da Kieran Burton e adotta una soluzione che sta guadagnando spazio tra i costruttori di biciclette ad alte prestazioni: giunzioni strutturali, o lugs, prodotte mediante stampa 3D in lega di titanio Ti-6Al-4V e successivamente unite a tubi in fibra di carbonio.
Per la Raptor I, Burton Bikes si è affidata a RAM3D per la produzione additiva delle giunzioni in titanio e a C-Tech Composites per i tubi in fibra di carbonio. Il risultato non è semplicemente un telaio nel quale due materiali differenti convivono, ma un’architettura che cerca di sfruttare le caratteristiche specifiche di ciascun materiale proprio nei punti in cui risultano più utili.
La prima Raptor I è finalmente arrivata sui sentieri
Il passaggio dal modello CAD alla prima prova reale rappresenta una fase importante per Burton Bikes. Kieran Burton ha spiegato di avere lavorato sulla bicicletta per circa due anni prima di poterla guidare per la prima volta.
Il progetto è partito dalla geometria del telaio e dalla cinematica delle sospensioni, proseguendo fino alla progettazione dei singoli componenti. Non si tratta quindi dell’adattamento di un telaio esistente, ma di una bicicletta sviluppata partendo dalle condizioni di utilizzo previste.
La Raptor I è una enduro, categoria nella quale il telaio deve affrontare esigenze strutturali difficili da conciliare: deve essere sufficientemente rigido per offrire precisione di guida, resistere agli impatti e ai carichi ciclici della discesa, mantenere un peso ragionevole e permettere alla sospensione posteriore di lavorare secondo la cinematica prevista dal progettista.
Il primo test sul terreno ha consentito a Burton Bikes di iniziare la fase che nessuna simulazione numerica può sostituire completamente: verificare il comportamento dell’insieme quando il telaio viene sottoposto alle sollecitazioni irregolari e multidirezionali di un vero percorso enduro.
Kieran Burton ha indicato che il lavoro non è concluso. Sono previste ulteriori sessioni di prova e sviluppo, necessarie per raccogliere informazioni sul comportamento della bicicletta e intervenire sulle eventuali aree migliorabili.
Perché stampare in 3D le giunzioni di un telaio
La scelta di produrre le giunzioni mediante Additive Manufacturing permette a Burton Bikes di superare alcuni dei limiti tipici dei sistemi tradizionali di costruzione dei telai.
In un telaio composto da tubi, le giunzioni sono tra le aree strutturalmente più complesse. È qui che convergono elementi orientati secondo direzioni differenti ed è qui che le forze devono essere trasferite da un tubo all’altro.
Realizzando una giunzione mediante lavorazione sottrattiva da un blocco pieno di metallo sarebbe necessario partire da una quantità considerevole di materiale e rimuoverne progressivamente una parte. Determinate cavità interne, cambi di sezione e geometrie organiche possono inoltre essere difficili o impossibili da raggiungere con una normale fresa.
La produzione additiva ribalta questo principio.
Il componente viene costruito strato dopo strato partendo direttamente dal modello digitale. Il progettista può quindi realizzare pareti curve, nervature, raccordi, cavità e variazioni di spessore pensate attorno ai percorsi di carico anziché attorno all’accessibilità di un utensile.
Per un costruttore come Burton Bikes, che punta su telai realizzati in funzione del singolo ciclista, questa libertà ha un ulteriore vantaggio: modificare una geometria digitale non richiede necessariamente la costruzione di nuovi stampi o attrezzature dedicate.
È quindi possibile variare angoli, dimensioni e caratteristiche delle giunzioni tra un progetto e l’altro con costi di attrezzaggio molto inferiori rispetto a quelli di una produzione tradizionale pensata per migliaia di esemplari identici.
Il Ti-6Al-4V utilizzato da RAM3D
Le giunzioni della Raptor I sono prodotte da RAM3D in Ti-6Al-4V, conosciuto anche come Titanium 64 e generalmente classificato come titanio Grade 5.
Il nome deriva dalla composizione della lega, che comprende approssimativamente il 6% di alluminio e il 4% di vanadio, oltre al titanio.
È una delle leghe di titanio più utilizzate nelle applicazioni nelle quali il rapporto tra resistenza e peso ha un ruolo centrale. È impiegata anche nei settori aerospaziale, medicale, industriale e sportivo.
Per una bicicletta presenta un insieme particolarmente interessante di proprietà: elevata resistenza specifica, buona resistenza alla corrosione e capacità di sopportare sollecitazioni cicliche.
Il vantaggio non consiste però semplicemente nel sostituire un componente di acciaio o alluminio con uno in titanio.
L’Additive Manufacturing permette a Burton Bikes e RAM3D di utilizzare il materiale secondo geometrie difficilmente realizzabili con tecniche convenzionali. La riduzione della massa può quindi derivare sia dalle proprietà della lega sia dalla possibilità di eliminare materiale nelle aree nelle quali non contribuisce in maniera significativa alla resistenza strutturale.
RAM3D ha già prodotto oltre 12.000 componenti per biciclette
La produzione delle giunzioni della Raptor I non rappresenta per RAM3D un esperimento isolato.
L’azienda neozelandese lavora da più di dieci anni con costruttori di biciclette e dichiara di avere prodotto oltre 12.000 componenti ciclistici in titanio e acciaio inossidabile.
La gamma comprende movimenti centrali, leve dei freni, foderi, pedivelle, forcellini, forcelle, manubri, tubi sterzo, giunzioni, supporti, reggisella, attacchi manubrio e altri componenti.
RAM3D indica inoltre una produzione compresa tra circa 2.000 e 3.000 componenti all’anno per aziende del settore ciclistico, oltre il 90% dei quali realizzati in Ti-6Al-4V.
Il suo parco produttivo comprende quindici sistemi Additive Manufacturing di Renishaw, oltre a un altro sistema SLM, utilizzati per lavorare titanio, acciai inossidabili e leghe di nichel come Inconel.
Questo rende particolarmente interessante il caso di Burton Bikes: il progetto Raptor I utilizza una tecnologia che nel settore delle biciclette artigianali e di fascia alta ha ormai superato la fase delle semplici dimostrazioni.
Dalla polvere di titanio alla giunzione del telaio
La tecnologia utilizzata da RAM3D appartiene alla famiglia della fusione laser di un letto di polvere metallica, indicata anche con termini come SLM o PBF-LB.
Una sottile quantità di polvere viene distribuita sulla piattaforma di costruzione. Un laser fonde selettivamente le zone corrispondenti alla sezione del componente. La piattaforma si abbassa quindi di una piccola quantità, viene distribuito un altro strato di polvere e il processo viene ripetuto.
Migliaia di strati successivi trasformano il file tridimensionale in un componente metallico.
Una volta terminata la stampa, il pezzo non è necessariamente pronto per essere installato sulla bicicletta.
Occorre rimuoverlo dalla piattaforma, eliminare le strutture di supporto utilizzate durante la costruzione e sottoporlo agli eventuali trattamenti termici e alle lavorazioni meccaniche necessarie.
Superfici destinate a cuscinetti, perni, filettature o accoppiamenti precisi possono richiedere una lavorazione successiva.
RAM3D sottolinea proprio questo aspetto nelle indicazioni rivolte ai progettisti: quando una superficie deve essere sottoposta a lavorazione meccanica dopo la stampa, il modello deve essere progettato prevedendo il materiale necessario per il post-processing.
La produzione additiva metallica non elimina quindi le tecniche produttive tradizionali. Le integra all’interno di una catena produttiva differente.
Il carbonio di C-Tech Composites
Alle giunzioni in titanio della Raptor I vengono collegati tubi in fibra di carbonio forniti da C-Tech Composites, altra azienda neozelandese con esperienza nella produzione di strutture composite ad alte prestazioni.
C-Tech Composites produce tubi attraverso tecniche di roll wrapping, utilizzando materiali preimpregnati in fibra di carbonio.
Nel roll wrapping gli strati di composito vengono disposti attorno a un mandrino secondo orientamenti stabiliti dal progetto. Durante la cura, resina e fibre vengono consolidate fino a formare la struttura definitiva.
Il vantaggio è che le fibre non devono avere necessariamente lo stesso orientamento in ogni strato.
Possono essere disposte longitudinalmente quando è necessaria elevata rigidezza assiale, oppure secondo angoli differenti per gestire torsione, flessione e carichi combinati.
Un tubo in fibra di carbonio non va quindi considerato semplicemente come un tubo leggero. Il suo comportamento strutturale dipende dalla disposizione delle fibre, dallo spessore dei diversi strati e dal sistema di resina utilizzato.
C-Tech Composites dispone di capacità produttive per tubi roll-wrapped che vanno da diametri di pochi millimetri fino a strutture superiori al metro e ha sviluppato componenti compositi per settori che comprendono nautica, aerospazio, difesa, robotica e sport.
Tra i progetti dell’azienda figurano anche strutture realizzate per campagne dell’America’s Cup e componenti destinati a Emirates Team New Zealand.
Per Burton Bikes, questa esperienza permette di utilizzare tubi in carbonio come elementi strutturali progettati e non semplicemente come semilavorati standard.
Titanio e carbonio: due materiali con compiti differenti
La combinazione adottata da Burton Bikes è interessante perché le caratteristiche dei due materiali sono complementari.
La fibra di carbonio consente di realizzare elementi tubolari estremamente efficienti quando le direzioni principali delle forze sono prevedibili.
Le giunzioni presentano invece forme molto più complesse e devono distribuire carichi provenienti da direzioni differenti. Il titanio stampato in 3D permette di realizzare in queste zone geometrie tridimensionali articolate e superfici progettate per collegarsi ai tubi in composito.
In altre parole, Burton Bikes non ha scelto fra un telaio in carbonio e uno in titanio.
Ha separato il telaio in funzioni diverse e ha scelto il processo produttivo e il materiale ritenuti più adatti per ciascuna funzione.
È uno dei motivi per cui l’architettura con lugs metallici stampati in 3D e tubi in carbonio sta riscuotendo interesse tra i piccoli produttori di biciclette personalizzate.
L’incollaggio è una parte strutturale del progetto
L’unione tra titanio e fibra di carbonio è un elemento essenziale della costruzione.
I tubi non vengono semplicemente inseriti nelle giunzioni. Le superfici devono essere progettate per creare una zona di sovrapposizione sufficiente e l’adesivo deve distribuire le forze su un’area adeguata.
Questo tipo di collegamento consente di evitare una concentrazione del carico in pochi punti.
La geometria della giunzione stampata può inoltre essere progettata specificamente per l’incollaggio, creando sedi con lunghezza, diametro e caratteristiche superficiali adatte al tubo corrispondente.
Durante lo sviluppo del prototipo Kieran Burton aveva indicato anche la necessità di progettare una specifica dima di incollaggio.
Il dettaglio può sembrare secondario, ma è fondamentale: durante l’assemblaggio tutti i componenti devono rimanere nella posizione prevista mentre il sistema adesivo completa il proprio ciclo di cura.
Un errore di pochi millimetri nell’allineamento di una giunzione potrebbe modificare geometria, posizione delle ruote e funzionamento della sospensione.
La precisione della stampa 3D deve quindi essere accompagnata dalla precisione dell’assemblaggio.
Una sospensione a quattro barre progettata insieme alla bicicletta
La Raptor I utilizza una sospensione posteriore linkage-driven con cinematica a quattro barre.
Non si tratta di un sistema scelto da un catalogo e adattato successivamente al telaio.
Burton Bikes ha progettato la cinematica contemporaneamente alla geometria della bicicletta.
In un sistema a quattro barre la posizione dei punti di rotazione determina il percorso seguito dalla ruota posteriore e modifica numerosi parametri del comportamento della sospensione.
Cambiare anche di pochi millimetri la posizione di un pivot può modificare la risposta della bicicletta alla pedalata, alla frenata e agli impatti.
La progettazione richiede quindi di analizzare l’interazione tra telaio, ammortizzatore, rapporti di leva e movimento della ruota durante tutta l’escursione.
Kinema: il software sviluppato insieme alla Raptor I
Per studiare questo comportamento Kieran Burton ha utilizzato Kinema, software di progettazione e analisi delle sospensioni che ha sviluppato parallelamente alla Raptor I insieme allo sviluppatore software Eli Murray.
Questo è uno degli aspetti meno evidenti ma più interessanti del progetto.
La Raptor I non ha portato soltanto allo sviluppo di una bicicletta: una parte degli strumenti utilizzati per progettarla è stata sviluppata insieme al prodotto.
Con Kinema, Burton Bikes può analizzare la posizione dei pivot, il movimento dei leveraggi e l’evoluzione della cinematica durante l’escursione della sospensione.
In questo modo le decisioni geometriche possono essere valutate digitalmente prima di realizzare i costosi componenti fisici.
Il passaggio al prototipo reale permette poi di confrontare il comportamento percepito sul terreno con quello previsto dal modello.
Anche i leveraggi sfruttano i materiali compositi
Durante lo sviluppo della Raptor I, Burton Bikes ha lavorato anche sui leveraggi della sospensione utilizzando un processo di forged carbon ottimizzato.
Il forged carbon utilizza fibre di carbonio più corte o frammentate distribuite all’interno di uno stampo, anziché i lunghi strati continui normalmente associati ai laminati in carbonio.
Il processo è particolarmente utile per componenti relativamente piccoli dalle geometrie tridimensionali complesse.
Per un leveraggio di sospensione, nel quale devono convivere sedi per cuscinetti, superfici curve e sezioni sottoposte a carichi differenti, può rappresentare un’alternativa interessante all’alluminio lavorato dal pieno.
Anche in questo caso Burton Bikes non ha applicato un unico processo produttivo all’intera bicicletta: produzione additiva metallica, compositi roll-wrapped e forged carbon vengono utilizzati in funzione delle caratteristiche geometriche e meccaniche dei diversi componenti.
La verifica mediante analisi agli elementi finiti
Prima della costruzione del prototipo, Kieran Burton aveva indicato l’utilizzo di analisi FEA, cioè analisi agli elementi finiti, per verificare il comportamento strutturale del telaio.
Con una FEA il modello tridimensionale viene suddiviso virtualmente in un gran numero di piccoli elementi. Il software calcola come si distribuiscono tensioni, deformazioni e spostamenti quando vengono applicati determinati carichi.
Questo permette di individuare zone nelle quali il materiale è sottoposto a sollecitazioni elevate oppure aree nelle quali la struttura potrebbe essere sovradimensionata.
Per un componente destinato alla produzione additiva questo collegamento tra simulazione e progettazione è particolarmente utile.
Se l’analisi mostra che una determinata zona necessita di maggiore resistenza, il progettista può aumentare localmente lo spessore oppure modificare una nervatura. Se un’altra zona risulta scarsamente sollecitata, può essere alleggerita.
Non è necessario mantenere ovunque la stessa sezione soltanto perché risulta più semplice da produrre.
Il riferimento allo standard ISO 4210
Durante la progettazione Kieran Burton aveva indicato l’obiettivo di sviluppare il telaio tenendo come riferimento i requisiti previsti dallo standard ISO 4210.
La serie ISO 4210 stabilisce requisiti di sicurezza e metodologie di prova per le biciclette.
Per telai e forcelle comprende prove di impatto e verifiche dedicate alla resistenza strutturale e alla fatica.
Nel caso di una mountain bike questo aspetto è essenziale perché il telaio non deve soltanto resistere a un singolo carico elevato. Deve tollerare migliaia di cicli di sollecitazione generati da pedalata, frenate, compressioni della sospensione, atterraggi e impatti.
La progettazione virtuale può ridurre il numero di tentativi necessari, ma non sostituisce le prove fisiche. Il percorso di sviluppo della Raptor I deve quindi proseguire attraverso test strutturali e chilometri sul terreno.
Enduro Bearings, Intend BC, NOBL Wheels e Cycle Zone Rotorua
Il primo esemplare funzionante della Raptor I coinvolge anche altre aziende del settore ciclistico.
Enduro Bearings ha fornito supporto per i cuscinetti, componenti particolarmente importanti in un sistema di sospensione con diversi punti di rotazione.
Intend BC ha contribuito rendendo possibile l’utilizzo di componenti relativi alla sospensione e all’impianto frenante.
NOBL Wheels ha supportato il progetto per quanto riguarda le ruote.
L’assemblaggio della bicicletta è stato eseguito con il contributo di Cycle Zone Rotorua, mentre le immagini diffuse in occasione della prima prova sono state realizzate da C. Boardman Media.
Sono collaborazioni che permettono di distinguere il progetto del telaio dalla bicicletta completa: Burton Bikes, RAM3D e C-Tech Composites costituiscono il nucleo tecnologico della struttura, mentre gli altri fornitori hanno contribuito alla trasformazione del telaio in una mountain bike realmente utilizzabile.
La stampa 3D permette di cambiare il modello economico di una bicicletta custom
Il progetto Raptor I evidenzia anche un vantaggio industriale della produzione additiva che va oltre la riduzione del peso.
Un telaio personalizzato pone un problema economico: se ogni cliente richiede una geometria differente, la produzione convenzionale mediante stampi dedicati diventa difficile da giustificare.
Uno stampo può essere economicamente efficace quando deve produrre centinaia o migliaia di componenti identici. Molto meno quando il lotto è composto da un solo pezzo.
Con l’Additive Manufacturing la geometria è definita dal file digitale.
Il componente A e il componente B possono essere differenti senza richiedere due linee produttive completamente differenti.
RAM3D indica esplicitamente questa possibilità fra i vantaggi della propria tecnologia per il settore ciclistico: può produrre una singola parte, dieci, cento oppure versioni successive di uno stesso progetto incorporando le modifiche direttamente nel CAD.
Per Burton Bikes, che propone una filosofia di produzione costruita attorno al singolo ciclista, questa caratteristica è centrale.
Dalla produzione di massa alla bicicletta progettata per una persona
L’impostazione dichiarata da Burton Bikes parte infatti da un principio opposto rispetto a quello della produzione industriale tradizionale.
Normalmente un costruttore definisce alcune taglie standard e cerca di adattare il maggior numero possibile di ciclisti a quelle geometrie.
Burton Bikes parte invece dalle caratteristiche del ciclista e costruisce la macchina attorno a quelle esigenze.
La geometria, la struttura, la configurazione dei componenti e la finitura possono quindi diventare parti dello stesso processo di progettazione.
La produzione additiva delle giunzioni è particolarmente adatta a questo modello perché elimina una parte dei costi fissi associati alla necessità di produrre molte unità geometricamente identiche.
Non è la prima bicicletta con lugs stampati in 3D
È importante collocare la Raptor I nel contesto corretto.
L’utilizzo di giunzioni stampate in 3D abbinate a elementi strutturali in carbonio non nasce con Burton Bikes.
La stessa RAM3D collabora da anni con altri produttori.
Uno dei casi più significativi è Sturdy Cycles, azienda britannica con la quale RAM3D lavora dal 2015. La collaborazione era partita dalla produzione delle giunzioni e si è progressivamente ampliata fino a comprendere forcelle, manubri, guarniture, reggisella, forcellini e movimenti centrali.
Per alcune biciclette di Sturdy Cycles, RAM3D produce fino a 17 parti stampate in 3D per esemplare.
L’azienda neozelandese ha inoltre lavorato con 44 Bikes allo sviluppo di componenti per la mountain bike Snakedriver e ha prodotto componentistica per programmi ciclistici agonistici neozelandesi.
La Raptor I va quindi interpretata non come la dimostrazione che sia possibile stampare un pezzo di bicicletta in titanio, ma come una nuova applicazione di una filiera che sta diventando sempre più strutturata.
Il confine tra prototipo e produzione diventa meno netto
La produzione additiva modifica anche il significato tradizionale di prototipo.
Con tecniche convenzionali un prototipo può essere costruito attraverso un processo completamente diverso da quello destinato alla produzione, perché gli stampi definitivi sono troppo costosi per essere realizzati nelle prime fasi.
Con un componente stampato in metallo, invece, il pezzo della prima bicicletta e quello di una futura bicicletta destinata a un cliente possono essere prodotti con una catena tecnologica sostanzialmente simile.
Naturalmente geometrie, parametri e dettagli possono essere modificati dopo le prove.
Ma non è necessario reinventare completamente il processo produttivo per passare da uno a dieci telai.
È questa caratteristica, più ancora dell’aspetto visivo delle parti stampate, a rendere l’Additive Manufacturing adatto a costruttori come Burton Bikes.
Raptor I come laboratorio di diversi processi produttivi
La Raptor I permette infine di osservare un’evoluzione interessante nella progettazione delle biciclette ad alte prestazioni.
Per decenni un telaio veniva identificato principalmente attraverso il materiale: acciaio, alluminio, titanio oppure carbonio.
La Raptor I è più difficile da classificare in questo modo.
Le giunzioni sono prodotte da RAM3D mediante Additive Manufacturing in Ti-6Al-4V.
I tubi strutturali arrivano da C-Tech Composites e sfruttano laminati in fibra di carbonio.
Alcuni componenti della sospensione utilizzano forged carbon.
La cinematica è stata sviluppata digitalmente da Burton Bikes attraverso Kinema.
Le verifiche strutturali passano attraverso analisi FEA e prove fisiche.
Enduro Bearings, Intend BC, NOBL Wheels e Cycle Zone Rotorua contribuiscono a trasformare il sistema strutturale in una bicicletta completa.
Il risultato è un prodotto nel quale la domanda principale non è più quale materiale utilizzare per costruire il telaio, ma quale materiale e quale processo produttivo utilizzare per ciascuna sua parte.
È probabilmente questo il dato più significativo del progetto di Burton Bikes.
La stampa 3D non serve semplicemente a sostituire una fresatrice o uno stampo. Permette di costruire le giunzioni attorno alla geometria della bicicletta e del ciclista, mentre i tubi in carbonio e gli altri componenti vengono progettati secondo compiti strutturali differenti.
Con la prima Raptor I funzionante, Burton Bikes è passata dalla progettazione virtuale alla fase in cui queste scelte possono essere misurate sul terreno. È da questa fase di test che emergerà quanto le soluzioni sviluppate da Burton Bikes, RAM3D e C-Tech Composites potranno essere trasferite dalle prime biciclette custom a una produzione più continuativa.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
