First issue: 2020
BRBike/Elettrica
Contenuti
- Introduzione
- Il modello 3D
- Architettura
- Propulsione e kit
- Il modello FEM
- La stampa 3D
- Conclusioni
- Riferimenti
L’idea di un nuovo telaio polivalente per bicicletta MTB a pedalata assistita in grado di integrare, con specifici kit, uno o più sistemi di propulsione motore-batteria disponibili sul mercato. Il telaio è stato studiato per una sua prevalente realizzazione con tecniche di fabbricazione additiva (Additive Manufacturing). Al fine di validare la proposta BRBike, è stata inoltre eseguita una valutazione strutturale della rigididezza e resistenza del telaio sottoposto ad uno specifico carico applicato.
The idea of a new multipurpose frame for pedal-assisted MTB bicycle able to integrate, with specific kits, one or more motor-battery propulsion systems available on the market. The frame has been studied for its prevalent manufacturing with additive manufacturing techniques. In order to validate the BRBike proposal, a structural assessment of the stiffness and strength of the frame subjected to a specific applied load was also performed.
Il modello 3D / CAD – Il modello CAD 3D di BRBike (Figura 1) è qui mostrato nelle due possibili soluzioni, senza propulsione e a minor impatto economico (a) e con sistema di motore-batteria (b). La batteria è collocata in un apposito pozzetto accessibile mediante sportello (b1) Entrambe le varianti sono facilmente riconfigurabili mediante appositi kit.
Il modello 3D / Dimensioni – Le dimensioni del telaio proposte in Figura 2 sono in linea di massima riconducibili ad una taglia 18’’ (stack: 640 mm; reach 427 mm).
Architettura – BRBike presenta un’architettura priva di sospensione posteriore. Tale scelta, unitamente alla soluzione primaria per una batteria da 500 Wh (2,8 Kg), ha lo scopo di proporre un insieme telaio-bicicletta funzionale e dal peso contenuto, decisamente inferiore ai 25 Kg, tipico di numerosi prodotti MTB elettrici disponibili oggi sul mercato. L’alloggiamento di una batteria a capacità maggiorata di 630 Wh (3,95 Kg), è anche possibile.
La geometria del telaio presenta di fatto una soluzione innovativa che assicura, allo stesso tempo, rigidezza e comfort di utilizzo grazie alla deformazione elastica del tubolare sella, non direttamente connesso al restante insieme strutturale (Figura 3).
Propulsione – Per la propulsione BRBike è stato scelto, a titolo di esempio, il motore elettrico Shimano Steps E8000 (Figura 4) accoppiato ad una batteria Darfon (Figura 5) E4C0C da 504 Wh o E5C05 da 630 Wh.
Una possibile alternativa alla soluzione basica è rappresentata dal motore Bosch Performance Linee (Peso 2,9 Kg) abbinato alla batteria Bosch Powertube 500 (500 Wh) avente peso di 2,9 Kg e dimensioni pari a 349 x 84 x 65 mm.
L’adattabilità del telaio BRBike alle differenti soluzioni motoristiche (kit) può essere raggiunta prevedendo, già in fase di progetto, una flangia motore polivalente (Figura 6) o appositi intermediari utili all’installazione di vari propulsori, sino a conseguire la configurazione desiderata.
Propulsione / Kit – Il concetto di kit (Figura 7) è applicato anche allo stesso telaio privo di propulsione elettrica (motore e batteria). In questo caso, tramite un apposito adattatore in alluminio (0,75 Kg circa), si ottiene una MTB con risparmio di costi e peso (5 Kg circa), senza rinunciare alla sua possibile successiva motorizzazione.
Il modello FEM / Analisi statica – A partire dalla geometria 3D, è stato possibile generare un modello ad elementi finiti con circa 8000 elementi (Figura 8), in grado di fornire una mappa delle deformazioni (Figura 8a) e delle sollecitazioni (Figura 8b) della struttura sotto carico. I risultati sono stati ottenuti utilizzando il materiale termoplastico PETG ed uno spessore di parete da 3 a 6 mm, a fronte di un peso complesivo del telaio di circa 2.5 Kg.
Buckling – A seguito dell’analisi statica, è stata effettuata anche una valutazione sulla instabilità globale-locale del telaio. La verifica a buckling non ha evidenziato alcuna criticità in quanto l’area di eventuale instabilità si manifesta solo con un carico e corrispettivo fattore di riserva, 3.5 volte superiore a quello considerato.
Carico applicato – Il carico applicato per la verivica strutturale, pari a 2250 N totali, è stato suddiviso in 750 N per pedale e 750 N per la sella, a fronte di un peso conducente di circa 90 Kg (900 N) ed un fattore di carico G di 2250 / 900 = 2,5.
Materiale – Il materiale selezionato per la possibile stampa FDM e per le relative valutazioni strutturali è stato il termoplastico PETG (Polietilene Tereftalato modificato con Glicole) privo di fibre di carica/rinforzo. Le caratteristiche meccaniche dello stesso sono visibili in Figura 9.
La stampa 3D – Il materiale PETG, pur non costituendo l’unica soluzione in ambito FDM, è stato selezionato in base al suo largo impiego, alle sue caratteristiche meccaniche ed alla attuale disponibilità di Stampanti FDM (Figura 10) per grandi formati (volume di stampa 1 m3), in grado di gestire filamento e modello 3D con dimensioni indicative (X,Y,Z) di 1000 x 170 x 725 mm.
Anisotropia – É importante ricordare che la stampa FDM genera materiali anisotropi che hanno caratteristiche meccaniche, a differenza di quelli isotropi, diverse a seconda delle direzioni X, Y, Z (Figura 11). Le aziende produttrici di filamenti forniscono solitamente dati sul Modulo di Elasticità e sulla Resistenza a Trazione nella direzione X (parallela ai layers) che normalmente sono i più elevati, specie se paragonati a quelli in direzione Z (perpendicolare ai layers).
Nota: Nell’analisi dei risultanti di un modello complesso come BRBike è quindi importante:
- Verificare la stratificazione FDM mediante un apposito visualizzatore (slicer);
- Considerare gli ammissibili del materiale anche nella direzione meno resistente Z;
- Contenere i livelli di sollecitazione a valori compatibili con gli ammissibili minimi del materiale (es. 20 MPa) e non massimi (es. 40 MPa).
Controlli – Particolare attenzione deve essere mantenuta anche per la verifica degli spessori effettivamente ottenibili mediante stratificazione FDM (Figura 12). In questo caso sono stati verificati gli spessori di da 3 a 6 mm, a fronte dei parametri di stampa impostati con il programma di simulazione utilizzato (rif. ideaMaker).
Conclusioni – Lo studio sul nuovo telaio polivalente BRBike per bicicletta MTB a pedalata assistita è stato condotto per verificare la sua funzionalità e prevalente fattibilità mediante tecniche di fabbricazione additiva (Additive Manufacturing).
La polivalenza del telaio, concepita sin dalle prime fasi della progettazione, è realizzabile attraverso appositi kit che consentono di configurare BRBike, sia con vari accoppiamenti motore-batteria sia con un semplice dispositivo per pedalata non assistita ed una riduzione di peso di circa 5 Kg su quello complessivo.
La valutazione strutturale del telaio BRBike ha previsto un peso conducente pari a 90 Kg (900 N). A scopo cautelativo e in una stessa condizione di carico, sono stati applicati complessivamente 2250 N (fattore di carico = 2,5) ripartiti i tre distinti punti di carico (sella/pedali). Nell’analisi eseguita con materiale PETG e spessori di parete da 3 a 6 mm, le deformazioni massime sono risultate di circa 5 mm, con sollecitazioni generalmente contenute in 20 MPa.
La fabbricazione di BRBike è stata principalmente associata alle innovative tecniche di stampa 3D (Additive Manufacturing). Non sono escluse, allo stesso tempo, quelle tecniche più tradizionali tipo formatura, saldatura dell’alluminio o laminazione in composito, già utilizzate nel panorama MTB. Dopo approfondita analisi, la stampa del modello mediante FDM (Fused Deposition Modeling), associata al possibile utilizzo del materiale PETG (Polietilene Tereftalato modificato con Glicole), è risultata al momento la via di più facile realizzazione. Anche se la gestione dei materiali anisotropi necessita una doverosa attenzione (specie le caratteristiche in dir. Z), la tecnica FDM è oggi l’unica che permette di stampare volumi di 1 m3, compatibili con le dimensioni indicative del modello BRBike (1000 x 170 x 725 mm).
Sulla base dei risultati esposti in questo studio è possibile affermare che il telaio BRBike per bicicletta MTB a pedalata assistita è funzionalmente proponibile ed al momento realizzabile in soluzione prototipica, monolitica mediante la tecnica di fabbricazione additiva FDM.
Riferimenti
01 – Shimano, morore – https://www.shimano-steps.com/e-bikes/italy/it/product-information/mtb/e8000
02 – Darfon, batteria – http://www.darfon.com/en/product/18071309102090/18071615475913
03 – Bosch, motore – https://www.bosch-ebike.com/it/prodotti/performance-line/
04 – Bosch, batteria – https://www.bosch-ebike.com/it/prodotti/batterie/
05 – UNI-Padova-Tesi «Analisi dei carichi di pedalata mediante pedali dinamometrici integrati in un sistema di tipo motion capture». 2015, A. Schiavon.
06 – UNI-Bologna-Tesi «Proprietà meccaniche a trazione di compositi polimerici rinforzati con fibre lunghe di carbonio di interesse per il settore automotive». 2012, B. Tuberosa.
07 – UNI-Padova-Tesi «Proprieta’ meccaniche di componenti polimerici ottenuti via additive manufacturing». 2016, D. Rizzo.
08 – POLI-Torino-Tesi «Comportamento anisotropo di materiali compositi a matrice polimerica realizzati mediante additive manufacturing: effetto dell’orientazione del rinforzante». 2019, R. De Camillis.
09 – POLI-Torino-Tesi «Caratterizzazione meccanica avanzata di lega AlSi10Mg realizzata mediante additive manufacturing: studio del comportamento a trazione e a fatica». 2018, V.P. Leone.
10 – BigRep, stampanti FDM – https://bigrep.com/it/
11 – CreatBot, stampanti FDM – https://www.creatbot.com/en/creatbot-f1000.html
__________