Un fabricant de vélos pliants utilise la découpe au laser pour les composants du cadre en titane

Bien que les vélos pliants aient été conçus pour la première fois vers 1900, Peter Boutakis n'a pas été intimidé par cette longue histoire, fondant Helix Labs pour développer "le meilleur vélo pliant de la planète". La conception pliante côte à côte Helix place les roues à côté du cadre et entre les manivelles pour un stockage efficace et utilise du titane pour la durabilité.

Les marchés se divisent. Toujours. Chaque inventeur qui a déjà conçu un nouveau produit sait, ou apprend, que ce n'est qu'une question de temps avant qu'un produit similaire n'arrive et défie le titulaire. Même quelque chose d'aussi simple qu'un marteau est disponible dans de nombreuses tailles et styles - griffe, traîneau, panne à bille, etc.

C'est donc avec le vélo. La première version, développée en 1817, était un simple engin sans pédales, pignons ou chaîne. Nommée Laufmaschine (littéralement, machine à courir) par son inventeur, Karl Drais, elle était propulsée par un mouvement de course. Le high-wheeler difficile à conduire a pris de l'importance dans les années 1870 et a été remplacé en 1885 par un nouveau concept, initialement commercialisé sous le nom de vélo de sécurité. Équipé de deux roues de même taille, alimentées par des pédales montées sur pignon et entraînées par une chaîne qui engage un engrenage sur la roue arrière, les éléments de conception n'ont pas beaucoup changé depuis lors.

Cela ne signifie pas que le marché n'a pas continué à se diviser. En effet, il a. Aujourd'hui, les cyclistes peuvent choisir des vélos pour le sport ou les loisirs dans différents styles : montagne, route, hybride, cruiser, couché, tandem, électrique et pliant.

De nombreux habitants des appartements préfèrent les vélos pliants pour leur taille compacte, et de nombreux cyclistes sérieux rangent souvent un vélo dans le coffre d'une voiture et partent à la recherche d'un bon endroit pour rouler.

Ce créneau de marché est remarquable pour les défis d'ingénierie et de fabrication. Concevoir un vélo à plier n'est pas une mince affaire ; en concevoir un qui se plie et roule bien est encore plus difficile. Il s'agit de concilier trois contraintes : la maniabilité, le poids et l'encombrement une fois plié. Entrepreneur, machiniste, soudeur, programmeur CNC, développeur de logiciels et passionné de cyclisme, Peter Boutakis s'est dit qu'il avait quelque chose à apporter au marché du vélo pliant lorsqu'il a fondé l'entreprise de fabrication Helix Labs Inc. à Toronto pour poursuivre un objectif ambitieux : concevoir et fabriquer le meilleur vélo pliant sur le marché.

Il n'a pas regardé en arrière.

Le concept de pliage n'est pas nouveau. La première conception pliante était basée sur l'intérêt militaire pour l'utilisation de vélos pour le transport, qui est apparu vers 1890, et en 1941, le British War Office a sollicité des offres pour qu'un vélo pliant soit livré par parachute. Déjà à cette époque, le marché des vélos pliants se spécialisait.

De nos jours, les fabricants utilisent plusieurs stratégies de pliage. Un concept, le demi-pli, utilise un cadre qui se plie en deux horizontalement de sorte que l'extrémité avant du vélo oscille de près de 180 degrés ; une fois pliées, les roues avant et arrière sont côte à côte. C'est probablement ainsi que les premiers cycles de pliage se sont pliés. Une autre approche utilise le pliage vertical, qui est plus complexe. La section avant se replie vers l'arrière, et la section arrière se replie vers l'avant, ce qui donne un profil plus compact que de nombreux vélos à demi-plis. D'autres conceptions utilisent des variations sur ces thèmes (pour une discussion approfondie, voir www.foldingcyclist.com).

Alors que personne ne s'attendrait à ce qu'un vélo pliant soit l'équivalent d'un vélo standard, les conceptions pliantes ont toujours cherché à minimiser les différences. Certains fabricants utilisent de petites roues pour obtenir une taille pliée compacte, sacrifiant une certaine stabilité et un certain confort de conduite. Certains utilisent des charnières robustes et des composants robustes, ce qui en fait un vélo robuste et robuste qui est un peu plus lourd que ses homologues non pliables.

Une autre préoccupation est la sécurité. Un vélo pliant est fait pour se replier, donc si les pinces ne sont pas sécurisées, il peut se replier au mauvais moment.

Figure 1En plus de sa taille compacte, le modèle 430 Beam Director dispose de quelques fonctionnalités exclusives qui améliorent la production, notamment plusieurs niveaux de protection contre les collisions, la cartographie de la surface des pièces, le contrôle automatique de la mise au point ™, un moniteur de processus CCTV et l'acquisition de données de contrôle statistique des processus.

La taille est un autre point. Un vélo conçu pour le marché des jeunes n'est pas aussi grand qu'un vélo pour adultes, de sorte qu'un dossier destiné au marché des jeunes peut être extrêmement compact lorsqu'il est plié. Un vélo pour adulte a un grand cadre et de grandes roues, donc développer un dossier de taille adulte qui se replie à une taille pratique pour le transport ou le rangement est un grand défi.

Étudiant à l'université dans les années 1990, Boutakis s'est inscrit à un programme d'informatique, mais ce n'était pas tout à fait ce qu'il recherchait. Il a cherché un programme différent et après s'être inscrit à quelques cours de programmation CNC, il s'est rendu compte qu'il avait trouvé son créneau. Ce créneau était la fabrication.

Il a acheté un petit moulin à quatre axes et a construit un atelier petit mais capable, l'équipant d'un tour, d'un équipement de soudage à l'arc au gaz et au tungstène, de quelques scies et d'une variété d'outils à main. Il a travaillé comme machiniste, soudeur et fabricant pendant environ une décennie, accumulant une riche expérience en cours de route.

"Il a fourni une base solide dans trois domaines principaux : l'usinage, le soudage et la fabrication", a déclaré Boutakis.

Il n'a pas complètement abandonné l'informatique. En fait, cette expérience l'a aidé dans une autre entreprise, dans laquelle il a travaillé en tant que pigiste en développant des applications Web pour une variété de clients. Cela a fourni un revenu supplémentaire qui a augmenté son travail de magasin.

Jongler entre ces deux vocations ne suffisait pas. Passionné de cyclisme et entrepreneur dans l'âme, il a beaucoup réfléchi aux vélos pliants disponibles sur le marché et s'est dit qu'il pourrait développer une meilleure façon d'en fabriquer un. L'objectif de Boutakis était de réduire les compromis dans un vélo pliant en en développant un qui serait plus sûr, plus facile à utiliser, plus léger et plus compact une fois plié que n'importe quel dossier sur le marché.

Tout d'abord, la taille. Les modèles Helix se replient à la taille des roues, environ, qui mesurent environ 24 pouces de diamètre, selon le pneu. La taille Helix pliée, 23 x 26 x 9,5 pouces, est réalisée par une conception qui utilise un concept de pliage côte à côte. Il place les roues à côté du cadre et entre les manivelles, ce que la société prétend être l'utilisation la plus efficace de l'espace.

Deuxièmement, la sécurité. Selon Boutakis, les mécanismes de verrouillage de la plupart des vélos pliants sont une source de préoccupation pour trois raisons. Tout d'abord, ils nécessitent un entretien programmé et une observation de routine pour s'assurer qu'ils fonctionnent correctement. Deuxièmement, ils se serrent en un seul point sur la circonférence du tube, de sorte qu'ils permettent généralement un peu de jeu. Troisièmement, la combinaison du jeu et des contraintes élevées au niveau de la soudure peut entraîner une défaillance du collier.

Helix utilise des mécanismes de verrouillage à ressort exclusifs, en instance de brevet, qui traversent les tubes de fourche et de direction, ce qui, selon Boutakis, est un dispositif de verrouillage plus sûr que la plupart des autres sur le marché. Ils sont conçus pour développer une force substantielle, optimisant la tension de serrage, qui augmente en fait sous les contraintes de la conduite. Les pinces répartissent également la force de serrage sur une surface beaucoup plus grande afin qu'il n'y ait pas de pics de contrainte, ce qui les rend beaucoup moins susceptibles de tomber en panne de manière catastrophique. Ils se dilatent dans toutes les directions, créant une rigidité sur 360 degrés, ce qui élimine le jeu. De plus, la conception Helix utilise une protection intégrée : la conception utilise un tube à l'intérieur d'un tube, donc si l'actionneur à ressort tombe en panne pendant un trajet, le vélo ne se replie pas.

Troisièmement, la facilité d'utilisation, qui concerne le concept de pliage côte à côte et les charnières hélicoïdales en instance de brevet. Ils permettent au cycliste de plier les trois éléments - roue arrière, roue avant et guidon - dans n'importe quel ordre. Pas besoin de mémoriser l'ordre pour le ranger.

Figure 2 Helix Labs utilise son système 430BD avec une table rotative supplémentaire pour le montage horizontal du tube. La table rotative comporte un mandrin à alésage traversant pour localiser les tubes en titane avec précision et les maintenir fermement pour localiser avec précision les biseaux, les trous et les fentes.

Quatrièmement, le poids du vélo. L'entreprise utilise du titane grade 9 (3Al, 2,5V), travaillé à froid et détendu, pour les composants du cadre. Alliage chéri de l'ère spatiale, le titane est essentiel pour aider les ingénieurs aérospatiaux à développer des avions et des engins spatiaux avancés capables de résister aux contraintes des décollages, des atterrissages et des lancements. Intrinsèquement robuste, léger et résistant à la corrosion, ces caractéristiques le rendent également bien adapté à la construction de vélos.

Dès le départ, Boutakis savait que l'assemblage de cadres de vélo en titane serait tout sauf facile. Ce n'est pas un matériau rare, mais encore une fois, tout le monde ne connaît pas bien la fabrication de ce matériau de niche relativement coûteux. Certaines recherches de sa part et l'aide d'autres personnes de l'industrie ont aidé Boutakis à accumuler suffisamment de connaissances sur le titane pour développer un processus de fabrication fiable et cohérent.

Le souder. Le soudage du titane nécessite une atmosphère inerte et le processus repose sur un protocole de purge et de post-soudage rigoureux. Pour une bicyclette, l'utilisation de barrages de purge pour protéger le diamètre intérieur (ID) et de coupelles de soudage pour la couverture de gaz sur le diamètre extérieur ajouterait des défis importants au processus de soudage. Les petits dégagements et les surfaces courbes, en particulier là où deux surfaces courbes se rencontrent, ce qui est l'essence même de la fabrication d'un cadre de vélo, compliquent les défis liés à la réalisation de soudures robustes.

Finalement, Boutakis a décidé que le soudage serait effectué par robot. Privilégiés pour la régularité des processus et un rythme régulier, les postes de soudage robotisés travaillent méticuleusement, d'une soudure à l'autre, tout au long de la journée. Les soudeurs humains ont de légères différences de technique et sont sujets à la fatigue, aux distractions et à d'autres facteurs qui peuvent introduire des incohérences. Cela ne signifie pas que leurs soudures sont de qualité inférieure aux normes, mais elles sont sujettes à des variations dans leurs caractéristiques, ce qui signifie que la résistance des soudures peut varier, alors qu'un robot est immunisé contre ces dynamiques.

Cependant, l'intégration d'un robot peut mettre à l'épreuve la patience même d'un fabricant chevronné.

"Je n'ai pas trouvé la bonne torche", a déclaré Boutakis. "Le problème est que les joints ne fournissent pas beaucoup de dégagement. Il s'agit essentiellement d'une application micro-TIG, fonctionnant dans une très petite zone, et seules quelques torches de ce type sont disponibles pour les robots." Toujours inventeur, il a fini par développer sa propre torche, une avec dévidoir, pour son application.

Pour contourner le temps et les tracas liés à la protection de la zone de soudure contre l'oxygène, Boutakis a créé une grande chambre de purge, qui abrite le robot et le montage personnalisé nécessaire pour le tube.

"C'est essentiellement une très grande boîte à gants", a-t-il déclaré. Il est équipé d'un système de sas afin qu'il puisse faire entrer les matières premières et sortir les cadres finis sans contaminer l'atmosphère.

"Je suis sûr que c'est le seul du genre dans l'industrie du vélo", a-t-il déclaré.

Le couper. Le gros inconvénient de l'utilisation d'un robot de soudage est qu'il ne peut pas s'auto-ajuster pour compenser les variations de préparation de la soudure. Lorsqu'un biseau est légèrement décalé ou qu'un espace n'est pas tout à fait correct - trop large, trop étroit ou incohérent - un robot avance péniblement, soudant selon ses instructions programmées. Une unité de soudage robotisée fabrique chaque joint en fonction d'une situation idéale, incapable d'apporter des modifications à sa routine pour un ajustement moins qu'idéal.

figure 3 Les composants de vélo Helix nécessitent de nombreuses coupes sophistiquées, y compris une variété d'angles de biseau raides. L'équipe d'ingénieurs de Prima Power Laserdyne a livré une machine de découpe laser à fibre et a divulgué son expertise en matière de découpe du titane, de sorte que le processus de découpe offre une finition des bords qui permet aux pièces de s'accoupler parfaitement sans ébavurage.

Cela signifiait que Boutakis avait une décision de plus à prendre, peut-être la plus critique de toute l'opération. Il avait besoin d'une cohérence à toute épreuve dans la longueur de coupe et les angles de biseau, et le processus devait être rapide. Le système devait effectuer des coupes en biseau assez raides, jusqu'à 45 degrés, et Boutakis voulait un système qui laisserait des bords nets qui ne nécessiteraient pas d'ébavurage ultérieur. Les tubes passeraient de la découpe au soudage sans aucune étape intermédiaire, telle que la manutention et l'ébavurage, ce qui nécessiterait plus d'équipement, plus de temps de traitement et plus d'espace au sol.

La découpe au laser était une option, mais avec une mise en garde.

"Les lasers font des éclaboussures", a déclaré Boutakis. Il ne savait pas comment il contournerait ce problème, mais à la fin, il n'en avait pas besoin. En évaluant diverses options, il a trouvé un laser qui, selon lui, conviendrait à son entreprise. Cette machine est le modèle 430 Beam Director®, une unité laser à fibre fabriquée par Prima Power Laserdyne.

Équipé d'une table de travail massive pour le montage de dispositifs de serrage personnalisés, il offre la stabilité nécessaire pour les applications nécessitant des tolérances dimensionnelles strictes, telles que l'aérospatiale, le médical et l'électronique. Les axes X, Y et Z atteignent une tolérance de pièce de ±12,5 µm.

Équipée de la troisième génération du directeur de faisceau de la société, qui fournit deux axes de mouvement du faisceau laser sans mouvement de pièce, la machine est capable de couper et de souder. La machine manipule la position de la pièce avec six axes de contrôle, et bien qu'elle soit suffisamment petite pour convenir au prototypage, l'accès par l'avant et les deux côtés la rend également utile pour la production (voirFigure 1).

Les ingénieurs de Prima ont apporté plus qu'une machine. Ils ont apporté une volonté de travailler avec Boutakis pour développer un processus qui répondrait à ses besoins. Une caractéristique clé du système est une table rotative montée horizontalement avec un mandrin à alésage traversant qui maintient les tubes fermement afin que les biseaux, les trous et les fentes soient localisés avec précision (voirFigure 2).

Ils ont également apporté leur expertise en titane à la table. Le problème des éclaboussures et des scories avait déjà été résolu (voir Figure 3). Boutakis a été ravi d'apprendre qu'il s'agissait simplement d'appliquer un spray de nitrure de bore sur l'ID du tube, puis d'insérer un mandrin sacrificiel.

Est-ce le système qu'il utilise ? Eh bien, bien sûr que non. Boutakis est un innovateur.

"J'ai trouvé que la pulvérisation de l'ID était fastidieuse, alors j'ai développé ma propre variante de la pratique", a-t-il déclaré.

Bien que les dossiers ne conviennent pas à tout le monde, le design Helix peut accueillir presque tous les cyclistes. La conception est suffisamment polyvalente pour convenir aux cyclistes de 5 pi à 6 pi 4 po.

La tige de selle a un recul de 20 millimètres qui peut être inversé pour atteindre une position avant de 20 mm, et la potence du guidon est également réglable. Il monte de 20 mm et peut être retourné pour descendre de 20 mm. Si l'un de ces ajustements ne suffit pas, les composants clés - potence, tige de selle, guidon et manivelles - peuvent être remplacés par des composants standard d'autres dimensions.

Il est livré avec plusieurs options de vitesse pour différents styles de conduite : un dérailleur à une vitesse, à 10 vitesses ou un moyeu à engrenages internes à 11 vitesses.

Il s'adapte même à une variété de niveaux d'enthousiasme. Certains cyclistes ultrasérieux ont besoin de vélos pouvant être rangés dans un avion afin de pouvoir se rendre dans un endroit éloigné avec de bons sentiers ou une compétition intéressante. C'est un dossier pour ce calibre de cavalier, car il est assez petit pour tenir dans une valise.

Helix Labs Inc., www.helix.ca

Prima Power Laserdyne, www.primapowerlaserdyne.com