Implementering av additiv tillverkning för
styrstammar till högprestationscyklar
Daniel Virta
Carl Säflund
Examensarbete MMK 2017:37 MKNB 091
Implementering av additiv tillverkning för styrstammar till högprestationscyklar
Carl Säflund Daniel Virta Godkänt 2017-06-01 Examinator Ulf Sellgren Handledare Ulf Sellgren Uppdragsgivare Ulf Sellgren Kontaktperson Ulf Sellgren
Sammanfattning
Detta kandidatsexamensarbete utforskar möjligheterna med additiv tillverkning applicerat på högpresterande cykelkomponenter. Målet med arbetet var att utforska möjligheterna att utnyttja additiv tillverkning för styrstammar, samt ta fram en virtuell och en fysisk modell av en styrstam anpassad för detta. Genom en omfattande infosökning hämtades kunskap in om de tekniker och material som utgör den additiva tillverkningsgruppen. Därefter gjordes en fördjupning i en specifik teknik, nämligen EBM, electron beam melting. Produktutvecklingsprocessen för cykelkomponenten, en styrstam, dokumenterades för att identifiera styrkorna och svagheterna hos tekniken och för att i slutet utvärderas mot en traditionellt tillverkad referenskomponent. Designprocessen inleddes med infosökning och konceptgenerering för att sedan, med hjälp av digital mjukvara såsom Solid Edge och ANSYS, övergå till en iterativ process av modellering och simulering. Koncepten modellerades efter önskade egenskaper definierat i en kravspecifikation samt rådande EU-standard för styrstammar i tillåten deformation och utmattningsbrott. Ett slutgiltigt koncept valdes och sedan tillverkades en 3D-utskriven fysisk prototyp. I den avslutande delen diskuteras den utvecklade komponenten och jämförs med en vald referenskomponent. Det slutgiltiga konceptet lyckades inte prestera bättre än referenskomponenten i vikt. Men däremot erhölls värdefull insikt och kunskap angående den additiva processen. Slutsatsen som drogs var att additiv tillverkning är en legitim tillverkningsmetod för konstruktion av högpresterande cykelkomponenter. Förslag ges även för framtida arbete där framförallt en vidare analys med andra material som utnyttjar EBM-tekniken föreslås.
Bachelor Thesis MMK 2017:37 MKNB 091
Implementation of additive manufacturing on bike stems for road bikes
Carl Säflund Daniel Virta Approved 2017-06-01 Examiner Ulf Sellgren Supervisor Ulf Sellgren Commissioner Ulf Sellgren Contact person Ulf Sellgren
Abstract
This thesis explores the possibilities with additive manufacturing, applied to the engineering of high performance bike parts. The goal was to study the technique and materials that make up the additive manufacturing in order to apply this to bike stems. Also, the goal was to develop both a physical and a virtual model to further evaluate the possibilities with additive manufacturing. Knowledge of the additive manufacturing processes was gained through an extensive information study. After that, a focus on a particular method, EBM, electron beam melting, was made. The process of development of a bike part, the steering stem, was documented to identify the strength and weaknesses of the technique and to finally evaluate it to a traditionally manufactured reference stem. The design process started with a state-of-the-art study and concept stage to later be followed with an iterative process of modelling and simulating. The concepts were created with accordance of the constraints set upon them from our technical specification and the European standards regarding bike parts which limits the maximum allowed deformation and fatigue. One concept was selected to be modelled as a physical component. Finally, the developed component is discussed and compared to a chosen reference stem.
The final concept did not outperform the reference in weight, but valuable insight and knowledge were gained along the way. The main conclusion of the thesis is that additive manufacturing is a suitable tool for manufacturing of high performing bike parts. Suggestions for future work are also given, where a further analysis with other materials using the EBM-technique is suggested.
FÖRORD
Följande kandidatexamensarbete inom området Maskinkonstruktion är utfört av två studenter på civilingenjörsprogrammet Design och Produktframtagning vid Kungliga tekniska högskolan. Under genomförandet av vårt kandidatexamensarbete har vi erhållit betydelsefull hjälp i olika situationer och vill därmed rikta ett speciellt stort tack till ett antal personer. Först och främst vill vi tacka vår handledare Ulf Sellgren för all hjälp och vägledning.Vi vill även rikta ett stort tack till Mats Bejhem som varit till hjälp i flera frågor gällande tillverkningsprocesser, kontaktinformationer samt standarder.
Därpå vill vi tacka Arcam och då i synnerhet Stefan Thundahl som vi varit i kontakt med för ett generöst tillhandahållande av dokument med materialegenskaper som varit till stor hjälp för analyserna i arbetet.
NOMENKLATUR
Här listas de beteckningar och förkortningar, som används i detta examensarbete.
Beteckningar
Symbol
Beskrivning
F Kraft (N)
d Avstånd (mm)
Förkortningar
CAD Computer Aided Design
CAM Computer Aided Manufacturing
EBM Electron Beam Melting
FEM Finite Element Method
AM Additive Manufacturing
STL Stereolithography
ISO International Organization for Standardization
SIS Swedish Standards Institute
HIP Hot Isostatic Pressing
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 INTRODUKTION 3
1.1 BAKGRUND 3
1.2 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR 3
1.3 AVGRÄNSNING 4 1.4 METODIK 4 2 REFERENSRAM 5 2.1 ADDITIV TILLVERKNING 5 2.2 STYRANORDNING 9 2.3 REFERENSKOMPONENT 11 2.4 TESTPARAMETRAR 12 2.5 MATERIALPARAMETRAR 15
3 GENOMFÖRANDE OCH RESULTAT 17
3.1 KONCEPTGENERERING 17
3.2 UTVÄRDERING AV KONCEPT 18
3.3 UTVECKLING AV SLUTGILTIG DESIGN 22 3.4 JÄMFÖRELSE MED REFERENSKOMPONENT 25
3.5 FYSISK MODELL 26
4 DISKUSSION OCH SLUTSATSER 27
4.1 DISKUSSION 27
4.2 SLUTSATSER 28
5 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE 29
6 REFERENSER 31
BILAGA A: TESTFALL 1
BILAGA B: KRAVSPECIFIKATION 1
1 INTRODUKTION
Detta kapitel beskriver bakgrund, syfte, avgränsning och metod för det utförda examensarbetet.
1.1 Bakgrund
För racingcyklar, både privat och professionellt, är materialegenskaper såsom vikt, storlek och hållfasthet av stor betydelse. Några hundra gram kan göra en stor skillnad i prestationerna hos cyklisterna och därför är nya lösningar på komponenter av stor betydelse. Även om det idag finns bestämmelser kring hur mycket tävlingscyklar på proffsnivå får väga förs ständigt diskussioner huruvida dessa bör förändras och anpassas. Vidare förs diskussioner kring att ändra regelverken så att dessa anpassas ur ett säkerhets- och hållfasthetsperspektiv snarare än som idag ur ett viktperspektiv. Det finns helt enkelt ett stort behov och en ständig önskan att utveckla och använda nya metoder till att tillverka högpresterande komponenter till tävlingscyklar [1]. Dessutom har marknaden för cykelförsäljning varit väldigt stabil i jämförelse med försäljningen av personbilar, och visar inga tecken på att avta [2]. Detta ger upphov till en stor privat marknad för tekniskt avancerade racingcyklar.
En möjlig förbättring kan vara att utnyttja additiv tillverkning vid konstruerandet av mer tekniskt avancerade cykelkomponenter. Additiv tillverkning är en relativt ny tillverkningsmetod på frammarsch där framförallt möjligheten att tillverka komplicerade geometrier, samt med ett minskat materialsvinn är stora fördelar med processen. I en värld som ständigt genomgår förändring, och där företag ständigt behöver ligga i framkant med nya lösningar för att överleva, är det viktigt att beakta nya och relativt obeprövade metoder. I dagsläget finns stor potential med additiv tillverkning och möjligheterna kommer med stor sannolikhet att bli ännu större allteftersom utvecklingen går framåt och fler studier genomförs inom området.
1.2 Syfte och frågeställningar
Projektet syftar till att undersöka samt utvärdera möjligheten att utnyttja additiv tillverkning som metod för att tillverka styrstammar till tekniskt avancerade tävlingscyklar. Därutöver skall denna komponent jämföras med produkter som finns på marknaden i syfte att utvärdera relevant användningen av additiv tillverkning är inom detta produktområde. Syftet är vidare att modellera en virtuell modell av ett koncept som sedan tas fram som prototyp. Syftet konkretiserades till följande frågeställningar.
• Når en styrstam till högprestationscyklar tillverkad enligt additiva metoder upp till kraven utifrån gällande ISO-standarder?
• Är additiv tillverkning ett gångbart alternativ än nuvarande tillverkningsmetoder för att tillverka högpresterande styrstammar?
1.3 Avgränsning
Då det här främst är en teknisk studie som syftar till att studera och modellera en viss tillverkningsmetodik, har ett antal avgränsningar för projektet gjorts. Detta har gjorts för att hålla relevansen hög, och samtliga avgränsningar presenteras nedan.
• Enbart metall som material kommer att betraktas
• Tillverkningsmetoden Electron Beam Melting, EBM, kommer att i huvudsak undersökas • Enbart styrstammar inom högprestationscykelsegmentet kommer att betraktas
• Hållfasthetsanalyser kommer att begränsas till simuleringar i datorverktyg, därmed kommer inga undersökningar på fysiska modeller att utföras
• Hållfasthetsanalyserna kommer att begränsas till att undersöka utmattning, böjning, skjuvning samt vridning
• Ingen vikt kommer att läggas på att utveckla tillverkningsmetoden i sig utan enbart om denna kan tillämpas på ett effektivt sätt
• Den ekonomiska lönsamheten kommer ej att betraktas
• Alla tester utifrån ISO-standarden för styrstammar med undantag för testet torsional
security kommer att betraktas
1.4 Metodik
Utgående från projektets syfte gjordes en bedömning om att en metod för produktutveckling skulle vara lämplig att utgå ifrån. Detta för att kunna göra en relevant jämförelse av resultaten med andra nuvarande tillverkningsmetoder i syfte att kunna dra en slutsats om användandet av additiv tillverkning för tillverkning av cykelkomponenter är relevant eller inte. Metodiken för projektet kommer att följa Ullmans metod för produktutveckling. Ullmans metod bygger på sex linjära steg som produktutvecklingen bör följa, nämligen Product discovery, Project planning, Product
definition, Conceptual design, Product development samt Product support [3].
I det första steget, Product discovery, inhämtas information om vad som efterfrågas vilket görs genom en omfattande informationssökning. Informationssökningen omfattar delvis additiv tillverkning i allmänhet och EBM i synnerhet, samt nuvarande produkter och bestämmelser inom högprestationscykling. Projektramarna definierades även och tydliga projektmål, frågeställningar och avgränsningar formulerades. Nästa steg, Project planning, omfattar en planering av projektet genom att upprätta en tidsplan och riskanalys för den föreliggande uppgiften tillsammans med en konkret arbetsmetodik. Det tredje steget, Product definition, består i att definiera krav och förväntningar som produkten skall uppnå då den är färdigställd. För att effektiv tackla uppgiften konkretiserades produktmålen till en kravspecifikation, en uppdragsanalys samt ett work break
down structure. Vidare består det fjärde steget, Conceptual design, i att utveckla ett antal koncept
2 REFERENSRAM
Detta kapitel presenterar den teoretiska referensramen som utgör utgångspunkten för den utförda uppgiften.
2.1 Additiv tillverkning
Följande avsnitt ger en inblick i additiv tillverkning som tillverkningsmetod rent generellt. Vidare introduceras mer specifikt metoden Electron Beam Melting, EBM.
2.1.1 Allmänt om additiv tillverkning
Begreppet additiv tillverkning syftar till att tredimensionella komponenter och produkter tillverkas additivt, vilket innebär att material, i dagsläget vanligtvis plast eller metall, adderas lager på lager till en slutgiltig form. Den additiva tillverkningen är en teknologi på framfart och har blivit alltmer uppmärksammad i och med utvecklingen av 3D-skrivare för hemmabruk. En viktig aspekt att skilja på är det som i vardagligt tal vanligtvis kallas 3D-skrivare och tillverkningsmetoden additiv tillverkning [9]. Även om 3D-skrivare för privat bruk arbetar enligt en additiv princip är det en distinkt skillnad i bland annat arbetsmaterial, teknisk princip och användningsområden mellan dessa hobbymaskiner och maskiner för industriellt bruk. Medan konsumentprodukter vanligtvis enbart klarar av att tillverka komponenter i vissa plaster klarar industrimaskiner av att arbeta i flertalet material, däribland metall [10] [11].
Den additiva tillverkningsprocessen börjar med att ett CAD-modelleringsverktyg används för att göra digitala modeller som bestämmer utformningen på objekten som skall tillverkas. CAD-modellerna konverteras till STL-filer som i sin tur konverteras till G-kod. G-koden utnyttjas därefter av tillverkningsmaskinens CAM-programvara som producerar komponenten efter önskad geometri [12] [13]. Tillverkningsmaskinen kan arbeta utifrån ett flertal olika tekniker som alla faller under principen additiv tillverkning. Huvudsakligen finns ett antal huvudgrupper eller klassifikationer av tekniker som innefattar bland annat: polymerisation, printing och pulverbädd. Till dessa huvudgrupper hör sedan ett antal specifika tillverkningsmetoder där exempelvis SLS, SLM och EBM är metoder som utnyttjar pulverbäddstekniken som huvudprincip [14] [15]. Slutligen används vanligtvis någon typ av efterbearbetningsprocess beroende på vilken AM-process som utnyttjats [12].
Figur 1. Användningsområden för additiv tillverkning1 [18].
Vidare visar Figur 2 mer specifikt vilka typer av produkter och komponenter som tillverkas med additiv tillverkning. Den största delen av dessa tillverkade produkter består av funktionella detaljer vilket tidigare påpekats. Figuren visar även hur brett användningsområdet för additiv tillverkning är och stärker metodens ställning som ett versatilt alternativ.
Figur 2. Industriella applikationer för additiv tillverkning2 [14].
Härtill kan tilläggas att additiv tillverkning lämpar sig bäst för låga volymer då dessa blir billigare än vid traditionell produktion. Kostnadseffektiviteten blir dock generellt sämre då additiv tillverkning tillämpas i jämförelse med traditionella metoder vid högre volymer [19] [11]. Se Figur 3.
Figur 3. Skillnad mellan traditionell produktion och 3D-utskrifter i fråga om kostnad kontra serievolym samt komplexitet [11].
2.1.2 För- och nackdelar
Det finns många fördelar med additiv tillverkning gentemot många andra tillverkningsmetoder, och det är sannolikt att fler användningsområden upptäcks allteftersom metoderna mognar och tillverkningen blir mer rationaliserad. Med det sagt är inte metoden helt utan nackdelar och som med alla tillverkningsprocesser finns mer eller mindre lämpliga användningsområden. Härnäst kommer flera generella för- och nackdelar med additiv tillverkning att presenteras. Dock är det viktigt att notera att dessa inte är detaljerade beskrivningar av alla tillverkningsprocesser baserade på den additiva tekniken utan är relativt generaliserade.
Till att börja är en av fördelarna inom additiv tillverkning, och ett av de områden som det finns potential inom hållbarhet. Med AM kan ett minskat materialsvinn i förhållande till exempelvis skärande bearbetning och gjutning uppnås [19]. Vidare kan upp till 98% av restmaterialet i tillverkningen återanvändas och om processerna görs mer rationaliserade kan ett bättre utnyttjande av resurserna uppnås då mindre material behöver lagerföras [20]. Simon Ford och Mélaine Despeisse poängterar dock att även om additiv tillverkning har en stor potential att vara ett hållbart alternativ kan den stora tillgängligheten av additiva tillverkningsmaskiner leda till problem [20]. Det finns en risk för scenarion där flertalet mindre lokala tillverkare som inte har resurser att rationalisera sina processer bidrar till en försämrad hållbarhet. Sammantaget kan sägas att möjligheterna för hållbar tillverkning med additiv tillverkning är stora om tekniken implementeras på ett bra sätt.
En ytterligare viktig fördel med additiv tillverkning är att geometrier som tidigare varit oerhört svåra eller rentav omöjliga att tillverka med konventionella metoder nu kan realiseras. Detta då processen inte är beroende av att exempelvis en fräs skall få plats i skymda utrymmen eller att detaljerna blir för små för att gjutning skulle kunna utnyttjas [19]. Med nya möjligheter kan optimerad design uppnås för olika typer av komponenter vilket dels kan leda till lättare komponenter men även bättre mekaniska egenskaper [22].
Då additiv tillverkning används kan även tillverkningstakten öka som resultat av snabbare designcykler då tiden mellan idé och färdig prototyp minskar drastiskt [21]. Dessa egenskaper gör att teknikens användningsområden domineras av funktionella detaljer, fixturer och jiggar samt hjälpmedel och verktyg för gjutning så som formar [14].
2.1.3 EBM
EBM är en förkortning av Arcam AB:s teknik
electron beam melting där elektronstrålar
smälter diverse metallpulver för att bygga upp detaljer inkrementellt utifrån en digital modell, se Figur 4. Arcams EBM-maskiner utnyttjas främst inom aerospace och ortopedi där de tillverkar tekniskt krävande komponenter i låga volymer [23]. Tekniken tillverkar detaljer storleksmässigt mellan en golf- och en basketboll.
Då EBM är en pulverbäddsteknik framställs metallpulver som första steg genom exempelvis vattenatomisering. Därefter placeras metallpulvret i en form som placeras i en vakuumkammare där pulverbädden hettas upp för att minska restspänningar samt förhindra martensitbildning [24]. Sedan används en elektronstråle som smälter ett lager av metallpulvret utifrån en CAD-modell som sammanställts. Efter att ett lager av geometrin smälts färdigt sänks formen som metallpulvret befinner sig i ned ett steg och samma process repeteras för nästa lager. När varje lager är färdigsmält tas formen ut och outnyttjat pulver samlas in för att återanvändas. Slutligen kan efterarbete göras, en värmebehandling såsom HIP utnyttjas för att uppnå optimala materialegenskaper [25] [26]. Dessutom sker borttagning av eventuellt stödmaterial som används framförallt på delar med så kallat ’överhäng’ [27].
I dagsläget består materialen som EBM processen kan hantera av olika metallegeringar. Då Arcam arbetar med hela flödeskedjan och därmed tillhandahåller pulver har de ett antal material som är testade och verifierade av Arcam för deras EBM-maskiner [24]. Dessa material som Arcam erbjuder är metallegeringarna Titanium Ti6Al4V, Titanium Ti6Al4V ELI, Titanium Grade 2, Cobalt-Chrome, ASTM F75 samt Inconel 718. Vidare finns ytterligare material, såsom aluminium och stål, som skulle kunna vara möjliga att utnyttja inom EBM tekniken men som det i dagsläget inte har bedrivits tillräcklig forskning inom [28].
Gibson, Rosen samt Stucker [9] jämför EBM tekniken med mLS, som även det är en pulverbäddsteknik med skillnaden att denna utnyttjar laser istället för elektroner. De listar ett antal skillnader mellan metoderna där de huvudsakliga fördelarna med EBM-tekniken är elektronstrålarnas hastighet samt en lägre energiåtgång. Vidare betonar de att hastigheten möjligtvis kan ökas då tekniken utvecklas ytterligare vilket kommer att göra metoden betydligt snabbare än mLS-tekniken. Nackdelen gentemot mLS-tekniken är i första hand att komponenter tillverkade med EBM-tekniken erhåller en relativt dålig ytfinhet och därmed måste efterbearbetas [9].
2.2 Styranordning
Som tidigare nämnts syftar projektet till att undersöka möjligheten att utnyttja AM för att tillverka styrstammar till racingcyklar. För att möjliggöra en modellering av hållfasthetsberäkningar av styrstammen behövs en förståelse för omgivningen av denna, nämligen resten av komponenterna i styranordningen. Styrstammen är främst i kontakt med framgaffel samt styre och därmed kommer dessa tillsammans med styrstammen att presenteras i detalj i följande avsnitt.
2.2.1 Framgaffel
Figur 6. Bockstyre till racingcykel [30].
2.2.3 Styrstam
Styrstammen har i uppgift att koppla ihop styret samt framgaffeln så att cykeln går att styra. Den tar främst upp krafter från föraren och då främst när denne är framåtlutad. Även ojämnheter, såsom håligheter, i marken kan ge upphov till höga krafter som belastar styrstammen. På grund av dessa höga krafter är det viktigt med en styv styrstam som kan ta upp krafter på ett sådant sätt att den energi som cyklisten avsätter i så hög mån som möjligt skall föra cykeln framåt [31]. En styrstam som inte är tillräckligt styv kommer att leda till bortslösad energi vid cykling [32].
Då cykelkomponenter i allmänhet är relativt standardiserade delar är det av stor vikt att geometrier stämmer överens med komponenter på marknaden då styrstammar inte alltför sällan säljs separat. I dagsläget tillverkas styrstammar inom racingcykelsegmentet vanligen i gjuten aluminium som sedan bearbetas maskinellt med fleroperationsmaskiner. Även styrstammar av kolfiber är vanligt, dessa tillverkas genom att kolfiberväv härdas tillsammans med epoxi under höga temperaturer och högt tryck [33]. Dessa tillverkningsmetoder utgör en majoritet av de styrstammar som existerar i det marknadssegment som projektets fokus ligger inom [34].
Figur 7. Styrstam till cykel [35].3
3 Shimano is the copyright owner (©2009, Shimano, Inc. All Rights Reserved) of everything on the Sites and no
portion of the Sites, including but not limited to, the text, graphics, images, audio or video, may be used,
2.3 Referenskomponent
Då en del av syftet med arbetet är att kunna jämföra den framtagna komponenten med vad som finns på marknaden har en referenskomponent valts ut. Denna referensdels diametrar, längder och vinklar har därmed varit vägledande och legat till grund då styrstammen tagits fram. Den komponent som har valts är en LT STEM från PRO Bikegear, se Figur 8 [35]. Valet är baserat på att de nödvändiga dimensionerna finns tillgängliga samt att företaget är närvarande i den professionella sfären och använder sig av traditionella tillverkningsmetoder.
Figur 8. Referenskomponent, PRO LT STEM [35].
För att ge en tydligare bild om komponentvikt presenteras nedan i Tabell 1 vikten för ett antal godtyckligt valda styrstammar.
Tabell 1. Vikttabell för styrstammar [36].
Tillverkare Modell Vikt [g]
3T Arx Team 129,4
FSA SL-K 167,2
PRO Vibe 75 137,3
Ritchey 260 Carbon 128,0
2.4 Testparametrar
Cykelkomponenter till försäljning i Sverige testas utifrån en nationell standard, utfärdad av SIS, Swedish Standards Institute [37]. Europastandarderna EN ISO 5:2014 samt EN ISO 4210-2:2015 gäller som svensk standard tillsammans med länder inom CEN4 [6] [7]. Denna standard ställer ett antal hållfasthetskrav på cykelkomponenter, och då inklusive styrstammar. ISO-dokumentet sammanfattades till en separat lista med testfall som styrstammen i fråga skulle testas utifrån, se Bilaga A. Kraven som styrstammarna måste uppfylla varierar mellan allt från deformation, skjuvspänning samt utmattning och har tydliga krav. Projektet kommer utgå ifrån dessa dokument för dimensioneringen av styrstammen och utifrån dessa, tillsammans med dimensionerna från referenskomponenten, se Figur 8, har en kravspecifikation tagits fram. Kravspecifikationen utgörs av de geometriska och hållfastrelaterade krav som styrstammen måste uppfylla samt prestationsrelaterade önskemål, se Bilaga B. Nedan presenteras tre olika tester från ISO-standarden som utförs på styrstammar och som sedan utnyttjas i genomförandeprocessen för projektet. Sammanlagt finns fyra tester som utförs på styrstammar enligt ISO-standarden, men då kravet för torsional security-testet är att styret inte skall röra sig och därmed beror på infästningar och skruvar, har denna valt att förbises.
2.4.1 Lateral bending test
Det första testet benämns Lateral bending-test där styrstammens deformation mäts och ett krav på en maximal deformation på 10 mm vid belastningspunkten får erhållas [7]. Styrstammen monteras i ett stativ och därefter fästs ett styre på styrstammen och belastas med en kraft på 1000 N på ett avstånd av 230 mm från centrumlinjen av styrstammen [6], se Figur 9.
Figur 9. Lateral bending test steg 1, F1=1000 N, d=230 mm [6].
Detta test utförs i två steg där nästa steg består i att applicera en kraft på 1000 N på ett avstånd av 50 mm från styrets ände se Figur 10 [6]. I detta testfall är maximalt tillåtna deformation 15 mm vid belastningspunkten [7].
4 CEN medlemmarna är de nationella styrande organen av Österrike, Belgien, Bulgarien, Kroatien, Cypern,
Figur 10. Lateral bending test steg 2, F2=1000 N [6].
2.4.2 Forward bending test
Forward bending-test ämnar även denna till att mäta deformationen men nu med en kraft på 1600
N applicerad på mitten av styrstammen med en lutning på 45 grader, se F3 i Figur 11 [6].
Deformationen i detta test får ej överstiga 10 mm [7].
Figur 11. Forward bending test steg 1 och 2, F3=1600 N, F4=2300 N [6].
2.4.3 Fatigue test
Det sista testet som skall utföras är ett utmattningstest. I den första delen av testet skall två alternerande krafter på ± 280 N appliceras på vardera sida av styret, se Figur 12. Fatigue test steg 1, F6=± 280 N .. Dessa krafter är ur fas, det vill säga riktade mot varandra då dem appliceras.
Därefter utvärderas styrets utmattningsegenskaper som minimalt skall klara kravet på 100 000 cykler enligt ISO-standarden.
Figur 12. Fatigue test steg 1, F6=± 280 N [6].
Därefter appliceras två alternerande krafter på ± 400 N på vardera sida om styret, se Figur 13. I detta steg appliceras dessa i fas vilket innebär att de ständigt är riktade åt samma håll under testets gång. Även i detta steg utförs testet i 100 000 cykler med kravet att inget brott uppvisas.
2.5 Materialparametrar
För att kunna simulera komponenten behövdes materialparametrar för ett material som kan utnyttjas av EBM-tekniken. Valet föll på en Titanlegering som kallas Ti6AL4V ELI som Arcam tillhandahåller. De värden som behövdes för att utföra de simuleringar och viktningar listade i kravspecifikationen var densitet, E-modul, brottgräns, poissons tal samt en utmattningskurva. Efter kontakt med Arcam erhölls en materialanalys av deras diverse tillverkningsmaterial. Arcams materialdokument tillsammans med kompletterande utdrag ur AZO materials materialbibliotek gav tillräckligt med underlag för att påbörja simulering i ANSYS. Hämtade materialdata återfinns i Tabell 2 Materialparametrar för Arcam Ti6Al4V ELI .
Tabell 2 Materialparametrar för Arcam Ti6Al4V ELI [38] [39].
Materialparametrar Arcam Ti6Al4V ELI
Densitet 4430 kg/m3
E-modul 120 GPa
Brottgräns 970 MPa
Poissons tal 0,34
Utmattningskurvor för olika titanlegeringar från Arcam återfinns i Figur 14.
Figur 14. Utmattningskurva för Arcams diverse titanlegerade AM-material, där gröna trianglar markerar HIP, det valda materialet. Maximal spänning som funktion av antal cykler krävda för
För att ge en jämförande bild av de valda materialparametrarna presenteras nedan, i Tabell 3, vanliga material för att tillverka styrstammar.
Tabell 3. Parametertabell för vanligt använda material i cykelkomponenter5.
Material E-Modul [GPa] Densitet [kg/m3] E-Modul/Densitet
Rostfritt stål 193 7750 0,024
Aluminiumlegering 71 2770 0,026
Kolfiber 121 1490 0,081
Ti6Al4V 115 4430 0,026
3 GENOMFÖRANDE OCH RESULTAT
Detta kapitel beskriver det aktuella genomförandet som bygger på de metoder som angetts i kapitel 1.4 samt resultaten utifrån detta.
3.1 Konceptgenerering
Då en av leverablera för projektet var att ta fram en modell av en styrstam tillverkad med additiv tillverkning inleddes ett konceptgenereringsarbete i syfte att ta fram ett flertal koncept. Detta för att slutligen utveckla vidare en av dessa koncept till en färdig modell. Ett antal koncept arbetades fram med utgångspunkt delvis i det som finns på marknaden idag men även utifrån potentialen med additiv tillverkning i åtanke. Samtliga skisser från konceptgenreringen återfinns i Bilaga C. Två koncept, se Figur 15, valdes för vidare utvärdering då simulering lade grund för slutgiltigt konceptval. Valen gjordes efter potentialen att utnyttja den additiva tekniken samt realiserbarheten hos konceptet.
Figur 15. Skiss av koncept 1, "ihålig, lättviktsdesign", samt skiss av koncept två, "I-balk/centerfena".
Figur 17. CAD-modell av koncept 2.
3.2 Utvärdering av koncept
När de valda koncepten modellerats i CAD kunde en analys i programmet ANSYS utföras för att utvärdera hållfastheten hos de två koncepten. Ett styre modellerades i CAD för att kunna utföra tester på styrstammarna, detta styre simulerades som helt stelt för att inte påverka deformationsutslaget. Analyserna utfördes genom att utgå från de tidigare beskrivna testerna i ISO-standarden. För båda koncepten utfördes första steget i Lateral bending test samt första steget i Forward bending test. Detta för att ge en grundläggande uppfattning i dess rotation- och böjmotstånd. Mer omfattande tester skulle komma att utföras på det koncept som valdes för slutgiltig konstruktion men i denna fas var syftet enbart att utvärdera koncepten mot varandra.
3.2.1 Meshparametrar samt noggrannhet
För att garantera noggrannheten av resultatet utfördes en konvergensanalys på simuleringens upplösning. Maximala deformationsresultatet plottades mot mesh:ens6 storlek för att granska hur
resultaten påverkades av storleken se Figur 18. Vid relativt stor meshstorlek (6–10 mm) differerar deformationen nämnvärt mot den vid relativt låg meshstorlek (2–5 mm), se Figur 18 övre. En närmare analys av storleksspannet 2–5 mm gjordes vilket kan ses i Figur 18 undre. Differensen mellan 2 och 5 var under 0,1 mm och ansågs vara försumbar. Meshstorleken för simuleringarna valdes till 2 mm.
.
Figur 18. Total deformation som funktion av meshstorlek vid olika storleksspann.
3.2.2 Utvärdering av koncept 1
För att kunna applicera den kraft på den plats som var beskrivet i ISO dokumenten skapades ett styre i CAD, enligt beskrivning ovan. Därefter utfördes ett lateral bending test på koncept 1 med en resulterande maximal spänning som uppmättes till 910 MPa. Figur 19 visar fördelningen av spänningen vid lastfallet på koncept 1. Värt att notera är att spänningskoncentrationen är på belastningskraftens sida av detaljen.
Figur 19. Spänningsfördelning över koncept 1 vid belastning 230mm från styrstammens centrumlinje. Styret har gjorts osynligt.
Vidare visade analysen en deformation på 5 mm på koncept 1. Figur 20 visar deformationerna, som var inom det tillåtna spannet enligt ISO-standarden [7].
Figur 20. Första konceptets deformation vid belastning 230mm från styrstammens centrumlinje. Deformationen har skalats upp flera gånger.
Figur 21 Deformation vid belastning med 1600 N på en lutning på 45° rakt framåt. Deformationen har skalats upp flera gånger.
3.2.3 Utvärdering av koncept 2
Resultatet av det första lastfallet på koncept 2 var en maximal spänning på 1558 MPa, vidare visar Figur 22 var spänningarna för lastfallet påvisades.
Koncept 2:s spänningskoncentration uppmättes vid styrets infästning, på motsatt sida från belastningskraften, spänningstoppen var högre jämfört med det tidigare konceptet.
Figur 22 Spänningsfördelning över koncept 2 vid belastning 230mm från styrstammens centrumlinje. Styret har gjorts osynligt.
Figur 23 Det andra konceptets deformation vid belastning 230mm från styrstammens centrumlinje. Deformationen har skalats upp flera gånger.
Koncept 2 visade på nästintill ingen deformation under forward bending test där den maximala deformationen även här uppmättes till under 0,1 mm och kan ses i Figur 24. Även detta är markant under den maximalt tillåtna deformationen på 10 mm.
Figur 24. Deformation vid belastning med 1600 N med en lutning på 45° rakt framåt.
3.2.4 Val av koncept
Utöver de testfall som utfördes gjordes även ett utmattningstest, testfall 4.9. Detta valdes att exkluderas här då båda koncepten klarade testet utan att visa tecken på någon som helst försämring av materialegenskaper och gav då inget underlag till konceptvalet.
3.3 Utveckling av slutgiltig design
När konceptet hade valts inleddes en iterativ designprocess där deformationer, spänningskoncentrationer och utmattning uppmättes. Målet var att få ner vikten genom att konstruera bort överflödigt material utan att nämnda parametrar överstiger maximalt tillåtna värden givet av ISO-standarden. Figur 25 nedan visar den slutgiltiga CAD-modellen efter utvecklingsarbetet. Den färdiga CAD-modellen vägde, med de materialparametrar som presenterats i referensramen, 185 gram. Detta kan jämföras med det initiala konceptet som vägde 208 gram samt referenskomponenten på 148 gram.
Figur 25. Rendering av färdigt koncept.
Nedan presenteras hur de slutgiltiga testerna utfördes samt vilka deformationer, spänningskoncentrationer och utmattningar som uppmättes på den slutgiltiga modellen. Dessa tester är som tidigare nämnts baserade på ISO-standarden för styrstammar och samtliga krav på parametrar är hämtade därifrån.
3.3.1 Resultat från lateral bending test
Resultatet av det första testet visade att styret deformerades 7 mm vilket var sämre än den konceptuella versionen men inom den tillåtna gränsen av 10 mm, se Figur 26 [7]. Värt att notera är att vikten nu var lägre än tidigare.
Figur 26. Slutgiltiga konceptets deformation vid belastning 230mm från styrstammens centrumlinje. Deformationen har skalats upp flera gånger.
till 5,8 mm vilket är väl inom tillåtet spann där maxvärdet ligger på 15 mm. Resultatet kan ses i Figur 27 nedan.
Figur 27. Slutgiltiga konceptets deformation vid belastning av bockstyrets ändpunkt. Deformationen har skalats upp flera gånger.
3.3.2 Resultat från forward bending test
Därefter uppmättes deformationen av styret och resultatet av detta test visade en deformation på under 0,1 mm vilket ansågs vara försumbart jämfört med det tillåtna maxvärdet av 10 mm, se Figur 28.
Figur 28. Slutgiltiga konceptets deformation vid belastning med 1600 N på en lutning på 45° rakt framåt. Deformationen har skalats upp flera gånger.
Figur 29. Deformation på slutgiltigt koncept vid belastning med 2300 N på en lutning på 45° rakt framåt. Deformationen har skalats upp flera gånger.
Spänningsfördelningen för detta testfall visas i Figur 30. Den högsta spänning som uppmättes var 82 MPa och uppmättes vid skarvar.
Figur 30. Spänningsfördelning hos slutgiltigt koncept under steg 2 av forward bending test.
3.3.3 Resultat från fatigue test
Utmattningssimuleringen på den slutgiltiga komponenten ger samma resultat som tidigare konceptet där komponenten klarar 106 belastningscykler. Detta betyder att komponenten är
okänslig för utmattningsbrott.
Den resulterande utmattningen under utmattningstestets första steg identifierades och presenteras i Figur 31. Komponenten klarade 106 cykler under belastningsfallet vilket var väl över kravet på
100 000 cykler.
Även steg två i fatigue test utfördes där den resulterande utmattningen under utmattningstestets första steg identifierades och presenteras i Figur 32. Komponenten uppvisade inga tecken på utmattning efter 106 cykler vilket var väl över kravet på 100 000 cykler.
Figur 32. Utmattningstest, altererande krafter på 400 N riktade vertikalt åt samma håll.
3.4 Jämförelse med referenskomponent
När komponenten klarat testfallen samt när en låg vikt erhållits jämfördes styrstammen med dess referenskomponent, se Tabell 4. Detta för att utvärdera hela projektet mot kravspecifikationen som tidigare nämnts. Referenskomponenten är lättare och väger 30 gram mindre.
Tabell 4. Vikttabell styrstam.
Referenskomponent, PRO - LT Stem 148g Färdigt koncept, styrstam AM - metod 178g
3.4.1 Materialutvärdering
För att utvärdera materialet som använts i komponenten, Ti6AL4V ELI, simulerades den slutgiltiga komponenten med referenskomponentens material, Aluminiumlegeringen AL6061, under lika förhållanden. Resultaten från detta presenteras nedan.
Även anmärkningsvärt var utmattningstestets steg ett, där lasterna appliceras ur fas, som utfördes där komponenten maximalt klarade 2622 reverserade belastningscykler innan brott, se Figur 34. Detta var inte heller ett godkänt resultat då kravet är 100 000 cykler.
Figur 34. Utmattningstest på det slutgiltiga konceptet med Aluminiumlegeringen AL6061 som material, altererande krafter på 280 N riktade vertikalt åt motsatt håll.
Då Aluminium har lägre densitet än den titanlegering som användes minskade även komponentens vikt till 109 g vilket ses som en fördel. Däremot behövs extensiv förstärkning om godkända värden vill erhållas med aluminium som material istället för Ti6Al4V för detta koncept.
3.5 Fysisk modell
För att undersöka gångbarheten att med additiv tillverkning framställa vår komponent gjordes en fysisk prototyp i PLA-plast i Kungliga Tekniska högskolans plastskrivare.
Modellfilen från CAD sparades ner i STL-format för att omvandlas till instruktioner av datorprogrammet Cura. Instruktionerna laddades sedan in i en Ultimaker 2 och skrevs ut i PLA över loppet av 4h [8]. Den färdiga modellen presenteras i Figur 35.
Figur 35. 3D-utskriven modell i PLA-plast, bild 1.
4 DISKUSSION OCH SLUTSATSER
I detta kapitel diskuteras och sammanfattas de resultat som presenterats i föregående kapitel. Slutsatsen syftar till att svara på dem frågor som formulerades i frågeställningen.
4.1 Diskussion
I följande avsnitt presenteras genomförandet av simuleringarna samt resultaten av projektet.
4.1.1 Problem med låg E-modul
Då ISO-standarden som varit vägledande vid utvecklingen av komponenten är dimensionerande utifrån maximal deformation i flera av testfallen har den relativt låga E-modulen för det valda materialet blivit den huvudsakliga begränsningen för applikationen. Titan har en relativt låg E-modul i förhållande till sin vikt. Tabell 3 i referensramen visar att kolfiber exempelvis har en högre E-modul än titan. Vidare visar tabellen att aluminium visserligen har en lägre E-modul än titan men då har den även en lägre vikt. Detta visar på en viss begränsning med ISO-standarder då den i detta fall missgynnar titan som material. Att använda titan var exempelvis fördelaktigt både i hänseende till brottgräns även om styvheten var lägre. Vidare visade resultatet att titan klarade av utmattning väldigt bra. Dock är det viktigt att notera att även om en viss förändring i styvheten hos styrstammar skulle vara rimlig är det ändå av intresse att behålla styva styrstammar. Som presenterats i referensramen kommer låg styvhet att leda till dålig energiöverföring från cyklisten till cykeln vilket inte är önskvärt.
4.1.2 Optimeringspotential
Då skapandeprocessen inte är bunden till vanliga komponentritningar likt traditionella tillverkningsmetoder förkortas prototyp- och simuleringscyklerna då det är väldigt smidigt att byta mellan Solid Edge och ANSYS för att dimensionera bort spänningspunkter utan större hänsyn till tillverkningsprocessen. Geometrifriheten ger oss verktygen att drastiskt ändra formerna och möjliggöra stora framsteg på väldigt kort tid och med begränsade resurser. Dessutom blir optimering av former lättare att möjliggöra då det enda som behöver ändras är CAD-modellen. Detta kan jämföras med ändringar som vill göras på en CNC tillverkad styrstam. Där blir förändringar vanligtvis väldigt kostsamma då verktyg, operationslistor och liknande kan behöva förändras, vilket kan resultera i att inga förändringar utförs.
Vidare innebär möjligheten att förändra geometrier med additiv tillverkning att även om vikten på den framtagna komponenten var högre än referenskomponentens vikt, finns en möjlighet att optimera denna för att få en lägre vikt. Dessutom sänks de kapitalrelaterade omkostnaderna vid eventuell utvecklig av befintlig produkt då nya fixturer, gjutformarar och verktyg eventuellt behöver tillverkas.
4.2 Slutsatser
Utifrån resultaten och diskussionen drogs följande slutsatser som ämnar till att besvara frågeställningarna.
• Resultaten visar att en styrstam tillverkad enligt additiva principer klarade kraven utifrån ISO-standarden för styrstammar.
• Resultaten visar att tillämpning additiv tillverkning är ett jämförbart alternativ till konventionella metoder.
5 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE
Om konceptet skulle realiseras till en faktisk produkt bör vissa detaljer överses såsom de tidigare nämnda inspänningsfästena. Om dessa skulle förstärkas skulle komponentvikten öka ytterligare. Detta skulle då öka viktdifferensen ytterligare men inte påverka våra deformationsresultat då spänningstopparna koncentreras till själva armarna.Ett sätt att garantera resultatet ytterligare vore att utföra fler tester på komponenten, bland annat tester på en fysisk modell som tillverkats med EBM metoden i menat tillverkningsmaterial. Metoden datorgenererad topologisk optimering7 skulle underlätta designprocessen samt göra den
snabbare genom att automatisera den iterativa förbättringsprocessen.
Ett ytterligare förslag på framtida arbete är en kompletterande marknadsstudie som undersöker om tillverkningsmetoden för cykelstammar är finansiellt och marknadsanalytiskt gångbar.
6 REFERENSER
[1] H. Robertshaw, ”Cycling weekly,” 19 May 2016. [Online]. Available:
www.cyclingweekly.co.uk/news/product-news/uci-weight-limit-scrapped-226096. [Använd 23 Februari 2016].
[2] European Cyclists’ Federation, ”ecf.com,” 25 08 2016. [Online]. Available:
https://ecf.com/sites/ecf.com/files/CONEBI%20market%20report%20analysis%202016.pdf. [Använd 28 03 2017].
[3] D. G. Ullman, ”THE MECHANICAL DESIGN PROCESS, FOURTH EDITION,” i Product
Discover, New York, McGraw-Hill, 2010, pp. 81-92.
[4] Siemens PLM Software, ”Solid Edge ST8,” Siemens, Plano, Texas, U.S., 2016. [5] ANSYS, ”ANSYS 17.0,” ANSYS, Canonsburg, Pennsylvania, USA, 2016.
[6] Svensk Standard, ”SS-EN ISO 4210-5:2014, Cyklar – Säkerhetskrav - Del 5: Provningsmetoder för styranordning,” SIS Förlag AB, Stockholm, 2014.
[7] Svensk standard, ”SS-EN ISO 4210-2:2015, Cyklar – Säkerhetskrav - Del 2: Krav för city och trekking-, MTB- och racercyklar,” SIS Förlag AB, Stockholm, 2015.
[8] Ultimaker 3D printing products, ”Ultimaker 2,” Ultimaker, Geldermalsen, Netherlands, 2017. [9] I. Gibosn, D. Rosen och B. Stucker, Additive manufacturing technologies, second edition, New
York: Springer, 2010.
[10] A. Dean, ”ptc,” [Online]. Available: http://www.ptc.com/cad-software-blog/3d-printing-vs-additive-manufacturing. [Använd 25 Februari 2017].
[11] 3DCenter, ”3DCenter,” [Online]. Available:
https://se.3dcent.com/5-vanliga-missuppfattningarmyter-kring-3d-skrivare-och-additiv-tillverkning. [Använd 25 Februari 2017]. [12] B. Redwood, ”The additive manufacturing process,” 3dhubs, [Online]. Available:
https://www.3dhubs.com/knowledge-base/additive-manufacturing-process. [Använd 20 Februari 2017].
[13] K. V. Wong och A. Hernandez, ”A review of additive manufacturing,” ISRN Mechanical
Engineering, 2012.
[14] J. Ålgårdh, ”Additiv tillverkning - från prototyp till produktion,” [Online]. Available:
http://www.svets.se/download/18.3e05ab4b152843357af212db/1460985825714/3.+Additiv+tillve rkning+fra%CC%8An+prototyp+t+produkt+-++J+Agardh.pdf. [Använd 30 Januari 2017]. [15] B. Redwood, ”Classification of additive manufacturing processes,” 3dhubs, [Online]. Available:
https://www.3dhubs.com/knowledge-base/classification-additive-manufacturing-processes. [Använd 28 Mars 2017].
[16] K. Wiklund, ”3d-prototyper driver upp farten rejält,” Ny teknik, pp. 14-15, 28 September 2016. [17] F. Karlsson, ”De ska bli störst i Norden på 3d-tillverkning,” Ny teknik, 7 Februari 2017. [Online].
Available: https://summa.talentum.se/article/nt/senaste/de-ska-bli-storst-i-norden-pa-3d-tillverkning/325781#. [Använd 28 Mars 2017].
[18] Roland Berger, ”Marktchancen und potentiale des additive manufacturing,” 30 September 2014. [Online]. Available:
[22] Royal Academy of Engineering, ”Additive manufacturing: opportunities and constraints,” 23 Maj 2013. [Online]. Available: http://www.raeng.org.uk/publications/reports/additive-manufacturing. [Använd 3 April 2017].
[23] Arcam, ”This is Arcam,” Arcam AB, [Online]. Available: http://www.arcam.com/company/about-arcam/. [Använd 4 April 2017].
[24] Arcam, ”Just add,” [Online]. Available: http://www.arcam.com/wp-content/uploads/justaddbrochure-web.pdf. [Använd 3 April 2017].
[25] T. Horn, ”Material Development for Electron,” [Online]. Available: https://camal.ncsu.edu/wp-content/uploads/2013/10/Tim-Horn-2013CAMAL.pdf. [Använd 4 April 2017].
[26] Manufacturingguide, ”Electron Beam Melting, EBM,” Manufacturingguide, [Online]. Available: https://www.manufacturingguide.com/sv/electron-beam-melting-ebm. [Använd 3 April 2017]. [27] R. Tounsi och F. Vignat, ”New concept of support structures in Electron Beam Melting
manufacturing to reduce geometric defects,” 14 April 2017. [Online]. Available: https://aip-primeca2017.sciencesconf.org/133128/document. [Använd 22 Maj 2017].
[28] Fraunhofer, ”Additive manufacturing - selective electron beam melting,” [Online]. Available: http://www.ifam.fraunhofer.de/content/dam/ifam/en/documents/dd/Infobl%C3%A4tter/additive_ manufacturing-electron_beam_melting_fraunhofer_ifam_dresden.pdf. [Använd 4 April 2017]. [29] Bricklanebikes, ”BLB Aluminium Fork - Black,” Bricklanebikes, [Online]. Available:
https://www.bricklanebikes.co.uk/blb-aluminium-fork. [Använd 22 Maj 2017].
[30] Fizik, ”Cyrano handlebar R3 bull,” [Online]. Available: http://www.fizik.com/eu_en/cyrano-handlebar-r3-bull.html. [Använd 3 Maj 2017].
[31] L. L. Maxime Thouin, ”DESIGN OF A CARBON FIBER BICYCLE STEM USING AN INTERNAL BLADDER AND RESIN TRANSFER MOLDING,” Department of Mechanical Engineering, McGill University, Montreal, Quebec, Canada.
[32] J. A. N. P. L. L. Larry B. Lessard, ”Utilization of FEA in the design of composite bicycle frames,” 1995. [Online]. Available:
http://www.sciencedirect.com.focus.lib.kth.se/science/article/pii/0010436194P3633C. [Använd 05 05 2017].
[33] Ian, ”Carbon Fiber Manufacturing In Bicycles,” FIT WERX, Mars 2008. [Online]. Available: http://fitwerx.com/carbon-fiber-frame-manufacturing-techniques-part-one-of-a-three-part-series-on-carbon-fiber/. [Använd 28 Mars 2017].
[34] J. K. Fair Wheel Bikes, ”Stem Review - Fair Wheel Bikes Blog,” Fair Wheel Bikes, [Online]. Available: http://blog.fairwheelbikes.com/reviews-and-testing/stem-review/. [Använd 28 Mars 2017].
[35] PRO Bike gear, ”PRO - LT Stem,” PRO Bike gear, 2017. [Online]. Available: http://www.pro-bikegear.com/global/en-gb/road/stems/PRO_SS_LT. [Använd 28 Mars 2017].
[36] Fairwheel bikes, ”Stem review,” Fairwheel bikes, [Online]. Available:
http://blog.fairwheelbikes.com/reviews-and-testing/stem-review/. [Använd 4 Maj 2017].
[37] SIS - Swedish Standards Institute, ”Om SIS,” [Online]. Available: http://www.sis.se/innehall/om-sis/. [Använd 3 Maj 2017].
[38] Arcam, ”Ti6Al4V ELI Titanium alloy,” [Online]. Available: http://www.arcam.com/wp-content/uploads/Arcam-Ti6Al4V-ELI-Titanium-Alloy.pdf. [Använd 24 April 2017].
[39] AZoM, ”Grade 23 Ti 6Al 4V ELI Alloy (UNS R56401),” AZO Materials, 30 Juli 2013. [Online]. Available: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9365. [Använd 24 April 2017].
BILAGA A: Testfall
Test 1 - Lateral bending test (rakt uppifrån) (4.2)En kraft (1000N) appliceras 230mm ifrån styrstammens centrumlinje. Deformationen får ej överstiga 10mm.
Test 2 - Lateral bending test 2 (rakt uppifrån) (4.3)
En kraft (1000N) appliceras 50mm från styrets ända.Deformationen får ej överstiga 15mm.
Test 3a - Forward bending test (4.4)
En kraft (1600N) appliceras 45 grader från styraxelns centrumlinje framåt. Deformationen får ej överstiga 10mm.
Test 3b - Forward bending test (4.4)
En kraft (2300N) appliceras 45 grader från styraxelns centrumlinje framåt. Detta utan brott.
Test 4a - Fatigue test (4.9) (Out of phase loading)
Alternerande krafter (280N) riktade åt motsatt håll appliceras på båda sidor om styret, den ska klara 100 000 cykler utan brott.
Test 4b - Fatigue test (4.9) (In phase loading)
BILAGA B: Kravspecifikation
Kravspecifikation
Styrstam för cykel
KEX VT 2017
Version 4 - Giltig från och med 2017-05-04
Bakgrund
Projektet syftar till att leverera ett förslag på en styrstam till tävlingscyklar med hjälp av additiv tillverkning. Vidare skall en fysisk prototyp tillverkas av denna.
Produktmål
Kravspecifikationen omfattar utveckling av en styrstam ämnad att användas på tävlingscyklar.
Tidsram
Projektet skall pågå under perioden 17/1 – 26/5 2017.
Funktionella kriterier
Krav
• Styrstammen ska monteras med standardkomponenter
• Styrstammen ska kunna monteras med enkelhet
• Styre skall kunna monteras till styrstammen med enkelhet. Önskemål
• Styrstammen ska ha en aerodynamisk geometri
Begränsande kriterier
Krav
• Styrstammen ska klara följande test enligt SS-EN ISO 4210-5:2014:
• En kraft (1000N) appliceras 230 mm ifrån styrstammens centrumlinje. Deformationen får ej överstiga 10 mm
• En kraft (1000N) appliceras 50 mm från styrets ända. Deformationen får ej överstiga 15 mm
• En kraft (1600N) appliceras 45 grader från styraxelns centrumlinje framåt. Deformationen får ej överstiga 10 mm
• En kraft (2300N) appliceras 45 grader från styraxelns centrumlinje framåt utan brott.
• Stystammen skall vara vinklad 6 grader enligt referensdetaljen
• Tillverkad i ett material lämpat för additiv tillverkning Önskemål
