IT202000003016A1 - Procedimento per l’assemblaggio di un telaio - Google Patents

Description

Procedimento per l?assemblaggio di un telaio

Descrizione

La presente invenzione ha come oggetto un procedimento per l?assemblaggio di un telaio, e il telaio cos? assemblato.

Nello stato dell?arte, la produzione di telai si avvale in genere di tecnologie diverse tra loro, per trasformare i materiali classici, ovvero alluminio, ferro, fibra di carbonio, titanio, magnesio, nelle parti costituenti il telaio.

A titolo esemplificativo ma non limitativo, verr? fatto riferimento a un telaio di bicicletta come forma di telaio semplice, ma si intende che quanto detto potr? valere in generale per un telaio di qualunque tipo, e in particolare per telai di mezzi di locomozione, che richiedono l?assemblaggio di alcune parti di natura sostanzialmente tubolare, e che devono consentire l?alloggiamento di componenti accessorie (batterie, BMS, etc.) nonch? di collegamenti elettrici e cavi per collegamenti meccanici. In questi ambiti, spesso si ricorre all?utilizzo di interfacce in metallo e/o plastica stampata che fanno aumentare il costo complessivo del prodotto finito e della manodopera necessaria.

In ambito ciclistico e affini, i procedimenti pi? comuni sono l?hydroforming, la lavorazione dal pieno, la forgiatura e la forgiatura 3D, la pressofusione e la saldatura di elementi tubolari pretagliati.

L?hydroforming consente di modellare un tubo in materiale plasmabile, come per esempio l?alluminio, facendo scorrere all?interno di un semilavorato tubolare un liquido a pressione elevatissima, che schiaccia e deforma le pareti esterne del tubo contro lo stampo che lo contiene.

In quest?ambito, la principale difficolt? consiste nel riuscire a progettare tutte le procedure da adottare, per poter controllare gli spessori finali dell?alluminio per non rischiare rotture o, all?opposto, per evitare elementi tubolari troppo pesanti. In generale, questa soluzione ha pi? valenza estetica che tecnica, e gli elementi tubolari cos? ottenuti sono mediamente pi? pesanti di un normale tubo trafilato.

La lavorazione da pieno, con macchine utensili a controllo numerico computerizzato (CNC), avviene mediante l?azione di frese su un blocco grezzo, generalmente di alluminio. Le frese sono controllate direttamente da un computer, potendo cos? ottenere pezzi di assoluta precisione. La lavorazione CNC ? utilizzata per realizzare particolari di telaio di piccole e medie dimensioni, per esempio dalle scatole del movimento centrale ai forcellini, agli attacchi manubrio e cos? via. Il vantaggio di questa lavorazione risiede nella relativa facilit? di realizzazione dei pezzi, ma richiede macchine utensili complesse e un?adeguata progettazione della produzione.

La forgiatura consiste in un procedimento che prevede di preriscaldare un semilavorato di partenza, per esempio una barra d?alluminio, e poi di sottoporla a una fase di formatura ad altissima pressione mediante una coppia di semi-stampi. Durante questo procedimento, i cristalli di materiale si allineano secondo le linee di sollecitazione e, proprio grazie alla pressione elevatissima, vengono eliminate tutte le impurit? e le bolle d?aria. Terminata la lavorazione, i pezzi forgiati vengono solitamente rifiniti con una procedura di anodizzazione. La resistenza offerta dai pezzi forgiati e notevole ma questa lavorazione ? piuttosto costosa a causa della necessit? di realizzare uno stampo per ogni serie di pezzi.

Nella forgiatura 3D, il procedimento ? analogo, ma la lavorazione permette di intervenire contemporaneamente su pi? piani di lavoro ottenendo pezzi leggeri, con le caratteristiche dei forgiati ma dalla lavorazione pi? rapida e, in definitiva, leggermente meno onerosa dal punto di viste economico.

Questa tecnologia viene per esempio utilizzata per la realizzazione di pedivelle cave e di attacchi manubrio.

La pressofusione ? un procedimento utilizzato per la realizzazione di prodotti pi? in economia: i pezzi cos? realizzati devono essere progettati con dimensioni maggiori rispetto a quelli forgiati per via della minore resistenza meccanica che si riesce ad ottenere, e i cristalli metallici non si allineano come nella forgiatura, ma rimangono in una disposizione casuale con seguente minore qualit? meccanica ed estetica del pezzo finito, e anche la resistenza alla corrosione dovuta ad agenti atmosferici ? inferiore, cos? i pezzi pressofusi sono generalmente finiti con una verniciatura protettiva.

Infine, la saldatura prevede due principali metodologie, la saldatura TIG (ad arco con elettrodo in tungsteno e in atmosfera inerte) e la saldobrasatura. Esse prevedono fasi complesse nella preparazione degli elementi tubolari da assemblare e delle superfici da saldare, oltre che nell?effettuazione stessa del lavoro, ma che comunque comportano molti scarti e delicate ed onerose procedure di saldatura e finitura.

Il problema tecnico che ? alla base della presente invenzione ? di fornire un procedimento di assemblaggio alternativo ai metodi di assemblaggio tradizionali, che consenta quindi di ovviare ai loro inconvenienti.

Tale problema viene risolto da un procedimento di progettazione, produzione ed assemblaggio come definito nell?annessa rivendicazione 1.

La presente invenzione verr? qui di seguito descritta secondo un suo esempio di realizzazione preferita, fornito a scopo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

* la figura 1 mostra una prima vista assonometrica di un terzo anteriore di telaio ciclistico ottenuto mediante il procedimento secondo la presente invenzione, in esploso;

* la figura 2 mostra una seconda vista assonometrica del terzo anteriore di telaio ciclistico di figura 1, in esploso e visto da una differente angolazione;

* la figura 3 mostra una vista laterale e in sezione del terzo anteriore di telaio ciclistico di figura 1;

* la figura 4 mostra una vista assonometrica di un elemento articolato di connessione tra le parti di telaio;

* la figura 5 mostra una prima vista assonometrica di un terzo centrale di telaio ciclistico ottenuto mediante il procedimento secondo la presente invenzione, in esploso;

* la figura 6 mostra una seconda vista assonometrica del terzo centrale di telaio ciclistico di figura 5, in esploso e visto da una differente angolazione;

* la figura 7 mostra una terza vista assonometrica del terzo centrale di telaio ciclistico di figura 5;

* la figura 8 mostra una vista laterale e in sezione del terzo centrale di telaio ciclistico di figura 5;

* la figura 9 illustra una fase di lavorazione del procedimento secondo la presente invenzione;

* la figura 10 mostra una prima vista assonometrica di un terzo posteriore di telaio ciclistico ottenuto mediante il procedimento secondo la presente invenzione;

* la figura 11 mostra una vista laterale e in sezione del terzo posteriore di telaio ciclistico di figura 10;

* la figura 12 mostra una vista prospettica parziale di un telaio ciclistico assemblato mediante il procedimento secondo la presente invenzione, con una parte in esploso; e

* la figura 13 mostra una vista laterale di un mezzo di locomozione, in particolare una bicicletta, che incorpora un telaio assemblato mediante il procedimento secondo la presente invenzione.

Con riferimento alle figure, verr? descritto un telaio di bicicletta e un relativo procedimento di assemblaggio, laddove si intende che l?ambito ciclistico ? usato a scopo puramente esemplificativo.

Una struttura di telaio 1 di una bicicletta 100 (figura 13) ? sostanzialmente scomponibile in tre elementi principali: un terzo anteriore 2 (figure da 1 a 3), che consente l?inserimento del cannotto di sterzo 101 e il collegamento con la ruota anteriore 102 mediante le forcelle anteriori 103 connesse al cannotto ed il collegamento meccanico, idraulico ed elettrico con un terzo centrale attraverso un?interfaccia 20; un terzo centrale 3 (figure da 5 a 8), che consente l?inserimento del sellino 104 e del mozzo 105 dei pedali 106 ed il collegamento meccanico, idraulico ed elettrico con un terzo centrale attraverso l?interfaccia 14; e un terzo posteriore 4 (figure 10 e 11), costituito dalle forcelle posteriori 5, che consentono l?inserimento della ruota posteriore 107 e di accessori, quali l?impianto frenante, il cambio e cos? via.

Nelle figure, i tre terzi 2, 3, 4 sono rispettivamente composti da semi-elementi longitudinali anteriori 6, centrali 7 e posteriori, atti a essere accoppiati su un piano di connessione longitudinale sul quale giacciono sostanzialmente le rispettive superfici di connessione.

Si intende che tali semi-elementi 6, 7 possono anche essere pi? di due per ciascuna parte di telaio, e vengono in generale accoppiati tra loro su sezioni longitudinali.

Vantaggiosamente essi sono prodotti mediante un procedimento di formazione additivo, come per esempio una stampa 3D, che garantisce un?estrema flessibilit? di realizzazione.

L?accoppiamento tra le parti potr? avvenire mediante collegamenti meccanici di tipo a spina, oppure mediante incollaggio.

L?accoppiamento tra le parti tubolari di telaio potr? avvenire mediante collegamenti meccanici di tipo a spina, cardini, inserto filettato, inserto ad espansione, saldatura, oppure mediante incollaggio.

Secondo una versione preferita, ciascun semielemento presenta, all?interno della superficie che definisce la struttura tubolare dell?elemento di telaio, appositi vani utili all?alloggiamento di collegamenti elettrici, idraulici, guaine e cavi di trasmissione meccanica, come per esempio comandi a tirante per freni o cambio, sensori, antenne GPS, antenne radio (Wireless<TM>, GPS, Bluetooth<TM>, avvisatori acustici, sensori di qualunque tipo.

I vani sono realizzati dall?accoppiamento dei vari semi-elementi, determinati da semi-vani 10 realizzati nel semi-elemento, cooperanti tra loro.

Si intende che queste componenti destinate a essere alloggiate in detti semi-vani prima dell?accoppiamento dei semi-elementi.

Con riferimento alle figure da 1 a 4, il terzo anteriore 2 ? l?elemento di telaio destinato ad accogliere il cannotto di sterzo 101, che viene inserito all?interno di un apposito foro passante 11 predisposto nel terzo anteriore 2, e per bloccarlo al suo interno, nel terzo anteriore, sulla superficie interna del foro passante 11, verr? realizzata una scanalatura 12 che consentir? l?alloggio del cannotto 101, che avr? a sua volta una scanalatura solidale a quella del terzo anteriore 2.

Una boccola 9, come elemento di supporto del telaio 1, pu? essere pre-inserita negli incavi che formano il foro passante 11 per facilitare l?inserimento e la rotazione del cannotto dello sterzo 101.

Sullo scheletro del terzo anteriore 2 sono realizzati degli inserti che consentono l?installazione dei cavi o una parte dei dispositivi di accumulo elettrico e, attraverso dei fori di interfaccia realizzati sulla superficie di interfaccia 20, sul cardine che collega il terzo anteriore e il terzo centrale, attraversano tutta la struttura del telaio. I cavi possono anche collegare una batteria a un BMS per portare a un display di bordo le informazioni sul monitoraggio della stessa e fornire quindi informazioni sul ciclo di carica/scarica.

Gli altri inserti possono consentire l?installazione di sistemi di sensoristica e a seconda del numero e del tipo di accessori richiesti dal cliente si pu? di volta in volta predisporre lo scheletro ad accoglierli, modificando o implementando il disegno di base.

Anche il terzo centrale 3 possiede tutte le scanalature per accogliere la sensoristica e i cavi necessari al BMS, come evidenziato dalle figure da 5 a 8. Sul terzo centrale 3 potr? inoltre essere installata una batteria in un apposito vano batteria 8, che consentir? di assistere la pedalata e il cui monitoraggio avverr? mediante l?impianto BMS, osservabile da display di bordo. Un ulteriore alloggio cilindrico 13 realizzato per accogliere il sellino 104 verr? bloccato alla stessa maniera di come avviene per il cannotto dello sterzo 101.

Per il collegamento tra il terzo anteriore 2 e il terzo centrale 3, ? previsto, come alternativa ad un possibile collegamento meccanico rigido, un elemento a cardine 14 che prevede due piastre 15 articolate mediante una cerniera 16, che che garantisce la rotazione fino a 180? del terzo anteriore 2 rispetto al terzo centrale 3 per poter piegare il telaio e facilitare il trasporto della bicicletta 100.

Il terzo posteriore 4, che in questo esempio realizza ed ? formato dalle singole forcelle 5, pu? presentare fori passanti all?interno di sporgenze 17 che formano sostanzialmente corrispondenti boccole, e che consentono l?inserimento di un rispettivo giunto di rinforzo cos? da aumentare la resistenza a flessione cos? da scongiurare un?eventuale rottura dell?intero componente.

L?accoppiamento strutturale tra i semi-elementi 6, 7 pu? essere realizzato unendoli tra loro e successivamente avvolgendoli con filamenti sotto tensione, ovvero utilizzando l?elemento di telaio come fosse un mandrino in un procedimento di filament winding. I filamenti possono essere realizzati in fibra di vetro o in fibra di carbonio, impregnati con una resina che poi subisce un processo di indurimento.

Il filamento pu? anche consistere in un nastro adesivo che possa realizzare un rinforzo strutturale dell?elemento di telaio.

Secondo una tecnica alternativa, per ciascun elemento realizzato da semi-elementi 6, 7 ? prevista la realizzazione di un controstampo, per esempio mediante stampa 3D , e tra elemento e controstampo viene iniettato a vuoto una fibra di rinforzo, come una vetroresina, un gelcoat o simili. In questo modo, la fibra di rinforzo aderisce completamente al semi-elemento garantendo, oltre alla resistenza richiesta, anche un?estrema leggerezza.

Sul terzo centrale 3 ? realizzato un ulteriore foro che consente l?installazione del cilindro dei pedali che dovr? avere una scanalatura solidale a quella presente nel foro, cos? da garantire il bloccaggio cos? come avviene per il cannotto di sterzo. All?interno della scanalatura possono alloggiare i sensori per dare comando al motore elettrico presente entro il mozzo della ruota di trazione. Alternativamente il terzo centrale 3 pu? non presentare il foro per l?installazione del cilindro dei pedali, ma presentare una forma rientrante sul lato inferiore con interfacce adatte ad alloggiare un motore elettrico posizionato al centro.

Per il collegamento delle singole scocche di telaio vengono realizzate delle predisposizioni costituite da fori che operano da riferimenti per il successivo accoppiamento, e che potranno accogliere delle spine o perni per il collegamento; in alternativa, si pu? optare per l?incollaggio delle parti. Dato che l?inserimento delle spine non conferisce ulteriore resistenza meccanica, nel caso in cui si renda necessario implementare la consistenza del telaio, si possono realizzare dei fori pi? grandi per inserire in anima dei profilati che possono massimizzare la robustezza dello scheletro.

Dopo le fasi sopra descritte, ? possibile procedere con una fase di verniciatura che ha una duplice funzione: estetica e protettiva nel confronto degli agenti atmosferici. Nella maggior parte dei casi, prima della verniciatura vera e propria, il telaio necessita di protezioni o mascherature a disegno per parti da non verniciare, quali zone di massa, filetti, fori, svasi, ecc. Altre zone possono presentare zone da carteggiare, stuccare e spianare prima di essere verniciate.

Secondo un?ulteriore variante, gli elementi tubolari di telaio possono presentare un riempimento reticolare, ad esempio a nido d?ape, per aumentare rigidezza e resistenza.

In questo modo, viene ottenuto un telaio che ? parametricamente customizzabile e componibile, particolarmente adatto ai veicoli terrestri, marini, anfibi e aeronautici, le cui parti ultraleggere possono essere realizzate attraverso un sistema di progettazione e di produzione avanzato attraverso una tecnologia che prevede la progettazione, anche online, direttamente da parte del cliente quando la piattaforma di interfaccia utente ? collegata a una linea di produzione additiva, ibrida e robotizzata, che preveda un posizionamento su dime, un assemblaggio robotizzato, un incollaggio robotizzato, un trattamento superficiale automatizzato, con una linea di produzione dedicata super flessibile.

In particolare, nel presente procedimento, i elementi di telaio 2, 3 sono predisposti a interfacce di collegamento e a trattamenti superficiali mediante manipolazione assistita da robot.

I singoli componenti del telaio possono essere progettati parametricamente in maniera automatizzata da software avanzati in base a specifiche misure indicate dal cliente su una piattaforma predisposta per interfacciarsi anche col mondo dell?e-commerce.

Le componenti del telaio sono dimensionate attraverso un algoritmo parametrico che consente la trasformazione di parametri numerici fisici in linguaggio CAD, per poter lavorare sulla matematica del disegno.

Un sistema di produzione cos? concepito ? in grado di funzionare H24 mediante il processo di produzione in Stampa 3D.

Al sopra descritto procedimento di assemblaggio un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare ulteriori e contingenti esigenze, potr? apportare numerose ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro comprese nell'ambito di protezione della presente invenzione, quale definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l?assemblaggio di un telaio (1), che prevede le fasi di: ? fornire una pluralit? di semi-elementi (6, 7) di telaio (1), atti a essere accoppiati tra loro su rispettive sezioni di interfaccia, per realizzare elementi di telaio (2, 3) tubolari, in cui, all?interno delle superfici di ciascun semi-elemento (6, 7) che definisce il rispettivo elemento di telaio (2, 3) tubolare, sono realizzati semi-vani (10) atti a cooperare tra loro con l?accoppiamento di detti semi-elementi (6, 7) per formare vani atti ad accogliere componenti da preassemblare, in cui all?esterno delle superfici di ciascun semi elemento (6,7) che definisce il rispettivo elemento di telaio (2, 3) tubolare, sono realizzati vani atti ad alloggiare dispositivi di accoppiamento meccanico, idraulico, elettrico; ? disporre detti componenti da pre-assemblare nei rispettivi semi-vani (10) e realizzare detto accoppiamento, unendo tra loro i rispettivi semi-elementi (6, 7) di telaio; e ? avvolgere gli elementi di telaio (2, 3) con filamenti di rinforzo sulla loro superficie esterna.
2. 2. Procedimento per l?assemblaggio di un telaio (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti elementi di telaio (2, 3) sono predisposti a interfacce di collegamento e a trattamenti superficiali mediante manipolazione assistita da robot.
3. 3. Procedimento per l?assemblaggio di un telaio (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti filamenti sono realizzati in fibre realizzate in resina, essendo prevista, dopo l?avvolgimento, una fase di indurimento di detta resina.
4. 4. Procedimento per l?assemblaggio di un telaio (1) secondo la rivendicazione 1, in cui i semielementi (6, 7) presentano accoppiamenti di tipo meccanico.
5. 5. Procedimento per l?assemblaggio di un telaio (1) secondo la rivendicazione 1, in cui i semielementi (6, 7) vengono uniti mediante incollaggio o saldatura.
6. 6. Procedimento per l?assemblaggio di un telaio (1) secondo la rivendicazione 1, in cui i semielementi (6, 7) sono realizzati mediante una procedura di fabbricazione additiva, come una stampa 3D.
7. 7. Telaio, in particolare di mezzo di locomozione, assemblato secondo un procedimento di assemblaggio come da rivendicazioni da 1 a 6.