O Design Generativo Quadro de Bicicleta

Introdução

Desde a sua invenção, em meados do século XIX, os velocípedes tornaram-se num meio de transporte bastante comum no quotidiano. É principalmente popular entre os mais jovens que não têm ainda possibilidade de conduzir veículos motorizados, mas também muitos utilizam para deslocamentos diários curtos, praticante de esportes e a mais nova atividade em grupo o cicloturismo. Nos dias atuais, depois de um longo período de desenvolvimento, as bicicletas apresentam-se como um meio de transporte cômodo, eficiente, ecologicamente correto e um meio de atividade saudável.

Os materiais constituintes da bicicleta tiveram um longo percurso de evolução, sendo os modelos primordiais feitos essencialmente em madeira, passando pelos tradicionais aços até chegar aos materiais mais modernos como alumínio, fibra de carbono e titânio.

Assim como o material empregado na constituição da bicicleta, evoluiu também os processos produtivos de manufatura e desenvolvimento. As ferramentas CAD e CAE no desenvolvimento do produto possibilitou um grande avanço nas possibilidades de criação de novas bicicletas mais leves e resistentes para sua performance desejada. Assim como a aplicação de manufatura aditiva para a concepção de novos formatos de peças mais eficientes quanto sua resistência mecânica, com baixo custo de manufatura e mais leves. Analisar e otimizar produtos já fabricados anteriormente, como a bicicleta, pode trazer novas concepções sobre o comportamento deles, abrindo assim espaços para modificações que visem uma maior confiabilidade e menor custo de produção.

A indústria se reinventa constantemente, por isso, a busca por soluções que atendam a crescente necessidade de redução de custos e aprimoramento da qualidade exige a definição de um produto ideal. Este produto deve apresentar uma geometria que resista aos esforços impostos, como condição de trabalho, somado a necessidade de ser acessível, leve e com a menor complexidade possível. Como estes objetivos são conflitantes, (normalmente adicionamos massa em um determinado componente para incrementar a rigidez e, consequentemente, a resistência) encontrar o modelo ideal exige a avaliação de dezenas ou centenas de diferentes configurações até que se determine um perfil que atenda às condições citadas. Esse processo pode ser realizado através de corpos de prova e ensaios, entretanto, o custo para projetar, produzir e testar as diferentes geometrias, além do tempo disponibilizado para todo esse ciclo, torna o processo impeditivo. A execução virtual deste processo passa a ser a opção ideal, com custo e tempo extremamente reduzidos. Com a ferramenta de otimização topológica é possível projetar componentes duráveis e leves para qualquer aplicação, tornando-se um excelente caminho a seguir no desenvolvimento e atualização de produtos.

Objetivo do Projeto

O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de um quadro de bicicleta para uso infantil, otimizado em relação à massa, respeitando sua performance estrutural original, utilizando a ferramenta CREO Parametric para o modelamento, Creo Generative Design para otimização topológica e Creo Ansys simulation para análise estrutural. Após viabilidade do projeto será reduzido em sua escala para ser possível a impressão na impressora 3D modelo GTmax3D H5.

O modelo de bicicleta é destinado a crianças em torno dos 7 anos, usadas no lazer, com baixa frequência e distâncias curtas. É nessa faixa de idade que os modelos começam a ganhar formas e características de bicicletas maiores, com estrutura de alumínio e os pneus possuem câmera de ar. Foi escolhido este modelo justamente pois já possuem características de bicicletas maiores e são relativamente pequenas, possibilitando sua manufatura por impressora 3D convencional. Na realização da análise de viabilidade será considerado como referência um quadro, cujo o modelo tridimensional foi retirado do site grabcad.com. Este modelo de quadro de bicicleta infantil deve reunir algumas características como: o custo, que deve ser o menor possível; elevada resistência e rigidez; e peso reduzido. O quadro de referência é produzido numa liga de aço carbono pelo que detém algumas das características mencionadas, como elevada rigidez e resistência, porém, as ligas de aço carbono não têm baixa densidade, em relação a outros materiais, apresentando peso elevado em relação a outros materiais, como o alumínio, material comumente usada em bicicletas como alternativa para redução de massa total do quadro, porém o alumínio é penalizado em termos de resistência e custo final. Alguns outros materiais como fibra de carbono e ligas de titânio são excelentes em relação às características de resistência e baixa densidade, porém apresentam custos elevados no produto final, sendo mais destinados às bicicletas esportivas de alta performance.

Modelo padrão aro 16”

O modelo a ser otimizado de quadro de bicicleta segue o tamanho de aro 16”, que normalmente obtém as dimensões padrões para faixa etária de criança de 5 a 8 anos de idade, com o peso máximo de 30kg e altura até 1,20m.

Definições das Métricas

Materiais

O quadro de bicicleta infantil é comumente fabricado em aço, no caso do quadro original, do modelo 3D retirado do site, também é feito em aço, porém utiliza-se muito o alumínio em bicicletas que requerem menos peso, para a análise das ligas comuns de fabricação de bicicleta, serão utilizadas as ligas 6061-T4 e aço AISI 1020 para análise mecânica, as propriedades mecânicas básicas das ligas são:

Alumínio liga 6061-T4:

• Densidade - 2.70 g/cm³

• Módulo de Elasticidade - 68.9 GPa

• Coeficiente de Poisson - 0.33

• Tensão máxima de escoamento - 145 Mpa

• Tensão máxima de ruptura - 241 Mpa

Aço liga AISI 1020:

• Densidade - 7.87 g/cm³

• Módulo de Elasticidade - 186 GPa

• Coeficiente de Poisson - 0.29

• Tensão máxima de escoamento - 350 Mpa

• Tensão máxima de ruptura - 420 Mpa

Análise das condições de contorno

Para garantir um produto seguro e confiável, as bicicletas são garantidas conforme