En Hafif Bisiklet Nasıl Tasarlanır?

Günümüzde her alanda kaliteyi belirleyen verim faktörü bisiklet sektöründe de kullanıcılar için son derece önemli bir nokta. Bisikletlerin insan enerjisini en iyi şekilde hareket enerjisine çevirebilmesiyle bu alandaki verimlerde de oldukça artış gözlenebilecek. Bunun içinse bisiklette ağırlık, aerodinamik gibi belirli bazı parametrelerin oldukça hassas bir şekilde tasarlanıp belirlenmesi gerekir. Peki bu işlemler nasıl yapılır ve hangi yazılımlarla gerçekleşir? Detaylar içeriğimizde.

A- A+

26.03.2017 tarihli yazı 13133 kez okunmuştur.

Tasarım Yazılım Enerji Verimlilik Siemens PLM Aerodinamik

Bisiklet modelleri, kullanıcıları bisikletlerin dış görüntüsü kadar ağırlık olarak da ilgilendirmektedir. Sürekli olarak bisiklet kullanan kullanıcılar için bisikletin katalog bilgilerindeki en önemli parametre ağırlıklarıdır. Profesyonel bir bisiklet kullanıcısı bisiklet üzerindeki her bir gram fazla ağırlığın olabildiğince bisiklet üzerinden kaldırılmasını ister. Özellikle profesyonel yarışlara katılan yarışçılar bu konuya fazlaca özen göstermektedir.

Karbon Bir Bisiklet Kadro Anatomisi

İleri seviye bisiklet imalatı yapan üretici şirketleri için ağırlık büyük bir saplantı olmuş durumda. Ağırlık konusu göz önüne alınınca da bisikletin en büyük parçalarından olan bisiklet kadroları büyük öneme sahip oluyor. Bisiklet kadroları günlük hayatta evden markete gitmek için veya hafta sonu gezintiye çıkmak için bisiklete binen kullanıcılar için basit bir yapı olarak görünse de profesyonel kullanıcılar için durum hiç de öyle değil. Bir kilogramdan az bir kadroyu bir insan sadece parmaklarıyla kavrayarak kaldırabilir. Fakat bu denli hafif bir bisiklet tasarlarken nasıl daha az para harcanır? Maalesef bu denli hafif bir bisikletin sokakta gördüğümüz bisikletler kadar ucuz olması neredeyse imkansız fakat minimum maliyetle üretmenin çeşitli yolları var. Maliyet minimuma indirilse bile bugün profesyonel bir bisiklet satıcısındaki en pahalı bisiklet sıfır araba piyasasındaki araçlara fiyat bazından rakip olacak düzeyde.

En hafif bisikleti tasarlamak için öncelikli önemli parametre bisiklet kadrosunun imal ederken kullanacağınız ham maddedir. Ham madde devreye girince de günümüzde en iyi sağlamlık/ağırlık oranına sahip maddelerden biri olan karbon fiber akla geliyor. Bir bisikletin hafif olması için öncelikle tasarlanacak olan kadronun karbon fiberden üretilmiş olması gerekmektedir. Karbon fiber günümüzde yakıt verimliliği sağlamaya çalışan otomotiv mühendisleri için bile bir vazgeçilmez. Sadece araçlarda da değil karbon fiber artık hayatımızın içinde oldukça yaygın bir şekilde yer etmiş durumda.

► İlginizi Çekebilir: Bisikletten Enerji Üretimi

Özellikle yarışlarda bisikletlerin daha da hafif olmalarını sağlamak için kadro tüplerinin çevreleri ince bir malzeme ile kaplanıyor. Bu gibi birçok önemli detayın yer aldığı araştırma geliştirme çalışmalarından bulunan sektörün önden gelen tasarımcılarından biri bisikletleri daha hafif yapabileceğini fakat bunun için gece gündüz uyumadan çalışması gerektiğini söyledi. Dünyadaki büyük yarışları yöneten kuruluş olan UCI, yarış güvenliği için yarışçılara ait bisikletlerin ağırlıklarının alt limitini 6.8 kilogram olarak belirledi.

Peki en hafif kadro nasıl tasarlanır? Bunun için kadroların tasarlandığı bir simülasyona göz atalım.

Analiz ve İmalatı Zor Kompozitler

Kompozit malzemeleri analiz etmek göründüğü kadar da kolay olmayan bir durumdur. Kompozit malzemelere kıyasla bir metali analiz etmek oldukça kolaydır. Öte yandan bir karbon fiber parçası ise sadece iki katlı bir yapıya sahip olmakla kalmıyor. Karbon fiber analizinden her katta değişebilen anizotropik malzemenin yönlendirilmesine oldukça dikkat edilmesi gerekmektedir. Karbon fiber içine koyulduğu kalıp gibi malzemelere bir şekilde bağlı kalmalıdır. Bunu genellikle epoksit reçineler sağlamaktadır. Bu yapıyla birlikte karbon fiber güçlü metal alaşımlardan daha yüksek mukavemete sahip bir hal almaktadır. Kalıbın işi burada karbon liflerini yerinde tutmaktır. Kısaca karbon kullanılarak şekillendirme yöntemi başka hiçbir kalıplandırma yöntemine benzememektedir.

► İlginizi Çekebilir: Otomotiv Sektörü Kompozit Malzeme İle Hafifleyecek

Kompozit Analizi

Bertram Stier, hevesli bir dağ bisikletçisi ve aynı zamanda Collier Research firmasında bir araştırma mühendisi. Stier, alüminyum alaşımlı bisiklet kadrolarından üç adet dağ bisikleti kadrosuna sahip. Stier daha hafif kompozit kadrolu bisikletlere geçmek istiyor. Fakat bunun için yazılımsal çözümlerin kendisine tam bir çözüm sağlamasını ve bisikletlerin daha ucuza gelmesini bekliyor. Stier, yapısal mekanik ve hafif tasarım alanlarında yüksek lisans derecesine sahip ve aynı zamanda Almanya'daki RWTH Aachen Üniversitesi'nde fiberle güçlendirilmiş kompozitlerin analizinde doktora yapıyor.

Collier Research firmasına ait bir yazılımsal mühendislik programı olan HyperSizer kompozit malzemelerin analizinden ve optimizasyonunda kullanılıyor. Bisiklet kadrosu söz konusu olduğunda programda kadronun kalınlığını ağırlık dağılımlarına göre tepki verecek şekilde ayarlanabiliyor ve ağırlığın maksimum olduğu yerler kalınlaştırılıyor ve ağırlığın az olduğu yerlerde olabildiğince inceltiliyor. Program ayrıca kalınlığı etkileyecek olan karbon fiber enjekte edilmiş katmanların sayısını da gösteriyor. Program ile gerekli yerlerde içten katlar atılabiliyor. Böylelikle kadronun dış görünümünden değişiklik olmadan mukavemet artırılabiliyor.

Test Aşaması

Hiç şüphesiz ki yeni bir tasarım üretime geçirilmeden önce test edilmelidir. Aşırı baskı karbon fiber bir kadroyu parçalayabilir. Ayrıca bisikletler çok farklı taşıma koşullarında, kazalarda aşırı kuvvet uygulamalarına maruz kalabiliyorlar. Yeni bir kadro tasarımı mümkün olduğu kadar ağır koşullara tabi tutularak test edilecek ve karşılaşılacak her bir sıkıntı muhtemel ki bisikleti tekrardan tasarımcısına götürecek.

Bu deneme yanılmalara genellikle uzun süreçlere mal olabiliyor fakat Stier çalıştığı şirketin geliştirdiği yazılımın bu tür varsayımların çoğunu hesaba kattığını söylüyor. Bu alanda HyperSizer birçok farklı tasarımı değerlendiriyor ve testlerde en umut verici olabilecek ürünü size sunuyor ve böylelikle tasarımcı sürprizlerden uzak, testlerden geçebilecek nihai bir kadroyu ortaya koyabiliyor. Stier doğru analiz araçlarının gerekli test miktarını büyük ölçüde azalttığını da söylüyor.

Optimizasyon

HyperSizer kullanıcıları genel bir yapısal analiz programı gibi kuvvetleri ve ağırlıkları hesaplamak için yazılımsal bir çözüm metodu sunar. Böylelikle yüksek ağırlıkların geleceği yerler optimize edilerek malzeme ekleme işlemi gerçekleştirilir. HyperSizer içeriden veya dışarıdan eşit katmanlar ekleyerek orta katı koruyacak şekilde malzeme eklenilmesini sağlayacak kadar kullanışlı bir yapıya sahiptir.

Bisiklet kadroları kompozit malzemeler için uygun bir pazar yeri olma durumuna gelmişken sektörün ileri gelenlerine göre asıl odaklanılması gereken nokta kompozit analizi için geliştirilen etkili araçlar. Altair firmasının yazılımsal optimizasyon programı olan OptiStruct kompozit analizinde katman sayısını, her katın şeklini ve oryantasyonunu belirlemeye olanak sağlıyor.

3D Kompozit Katmanlar

OptiStruct bir form ortaya koymak amacıyla topoloji, topografik ve serbest form optimizasyonlarının kullanılmasına olanak sağlıyor. Altair müşterilerinin her biri için özelleştirilmiş karbon kompozit/titanyum kadro kombinasyonu yapan İngiliz bir dağ bisikleti üretici firması. Özelleştirme yükseklik, pozisyon gibi sürücü parametrelerini kadroya işleyerek gerçekleştiriliyor. Kadro, karbon kompozit tüplerinin doğru uzunlukta yukarıdan aşağıya kesilmesiyle ölçeklendiriliyor. Tüpü bir arada tutan titanyum pabuçlar 3D baskı ve OptiStruct topoloji optimizasyonuna dayalı bir teknoloji ile tasarlandı.

Dünyanın en büyük bisiklet üreticilerinden biri olan ve en gelişmiş bisikleti olan S-Works ile Tour de France bisiklet turundaki takımları destekleyen firma S-Works modelinde karbon fiber malzemeleri oldukça sık bir şekilde kullandı. Bisiklette mukavemet için belirlenen bölgelere malzeme eklenmesinin dışında üstün bir aerodinamik tasarım mevcut. Firma S-Works'ün karbon fiber yerleştirme ve yapısal analiz optimizasyonu için OptiStruct yazılımsam çözümünden yararlanıyor.

Siemens Ürün Yaşam Döngüsü ve Sunduğu Çözümler

Yüksek mühendislik ve mühendislik tasarımları içeren Siemens PLM (Ürün Yaşam Döngüsü) yazılımı kullanıcılara bisiklet kadro tasarımları için Fibersim ve Simcenter 3D yazılımlarını sunuyor. Fibersim tasarım ve imalat için kullanılabiliyor ayrıca simülasyon içinse Siemens Simcenter portfolyösünün bir parçası olan Simcenter 3D kullanılabiliyor. Otomotiv ve havacılık sektörlerinden her iki uygulamanın da yaygın bir şekilde kullanılması uygulamaların altyapılarının oldukça sağlam olduğunun en büyük göstergelerinden biri. Bu araçlar tasarım piyasasının en üst düzey markalarından biri ve Siemens'in amiral gemisi olarak da görülen NX ile oldukça iyi bir entegrasyona sahipken ayrıca Dassault Systèmes firmasının geliştirdiği CATIA ve PTC firmasının geliştirdiği Creo uygulamaları ile de oldukça iyi entegrasyona sahiptirler.

Fibersim birçok MCAD (Mekanik Bilgisayar Destekli Tasarım) ürünü ile entegre olabilirken aynı zamanda malzeme seçimine, katmanları yönlendirmesine ve üretim süreçlerini planlamasına da yardımcı olur. Kullanıcılar parametrelerde değişiklikler yapabilmektedirler ve bu değişiklikler bisiklet kadrosunun üretiminde çok açık bir şekilde gözlemlenebilmekte. Siemens yetkilileri, Simcenter 3D'nin 3D CAE (Bilgisayar Destekli Mühendislik) ile birlikte tasarım, tek boyutlu simülasyon, test ve veri yönetimi için birleşik, ölçeklenebilir, açık ve genişletilebilir bir ortam sunduğunu açıkladı. Yetkililer ayrıca, uygulamanın kompozit simülasyonundaki özel yeteneklerinin yanı sıra birçok alanda da gelişmiş yeteneklere sahip genel amaçlı bir simülasyon yazılımı olduğunu dile getirdiler.

Simcenter 3D bisiklet parçalarında uygulanan laminat kompozit yapıların yapısal sonuçlarını hesaplamak için sınıfının en iyi çözümlerini kullanıyor. Simcenter 3D sunduğu çözümlerle geri tepme tahmini, termomekanik simülasyon ve akustik gibi sadece iki tekerin ihtiyaç duyduğu şeylerin ötesinde bir çok veri sunuyor. Simcenter kısaca her türlü yapısal, termal, akışkan, akustik ve hareket sorunlara çözüm sunabilen bir simülasyon platformu. Fibersim de sadece kompozit ürünü tanımlamakla kalmaz aynı zamanda üretimini taklit etmek ve değerlendirmek için eşsiz bir simülasyon ortamı sunar. Fibersim'in tasarımcı kullanıcısı ve aynı zamanda tasarım mühendisi olan Hudson geçmişte bir CAD programı kullanan insanların bu uygulamayı oldukça tamamlayıcı bulacaklarını söyledi.