折りたたみ自転車メーカーはチタンフレームコンポーネントにレーザー切断を使用しています

折りたたみ自転車は 1900 年頃に初めて考案されましたが、ピーターブタキスはこの長い歴史にひるむことなく、「地球上で最高の折りたたみ自転車」を開発するために Helix Labs を設立しました。 Helix の並列折りたたみデザインは、収納効率を高めるためにホイールをフレームの横とクランクの間に配置し、耐久性のためにチタンを使用しています。

市場は分裂します。いつも。新製品を考案したことのある発明家なら誰でも、同様の製品が登場して既存企業に対抗するのは時間の問題であることを知っているか、学んでいるはずです。ハンマーのような単純なものであっても、爪、そり、ボールピーンなど、さまざまなサイズとスタイルが用意されています。

自転車も同様です。 1817 年に開発された最初のバージョンは、ペダル、スプロケット、チェーンのない単純な装置でした。発明者カール・ドライスによって Laufmaschine (文字通り、ランニングマシン) と名付けられたこのマシンは、走る動作によって推進されました。乗りこなすのが難しい高輪車は 1870 年代に有名になりましたが、1885 年にそれは新しいコンセプトに置き換えられ、当初は安全自転車として販売されました。同じサイズの 2 つの車輪が装備され、スプロケットに取り付けられたペダルによって駆動され、後輪のギアと噛み合うチェーンによって駆動されるため、デザイン要素はそれ以来あまり変わっていません。

これは、市場の分断が続いていないという意味ではありません。確かに、そうなりました。今日のライダーは、マウンテン、ロード、ハイブリッド、クルーザー、リカンベント、タンデム、電動、折りたたみなど、スポーツやレジャー用にさまざまなスタイルの自転車を選択できます。

アパートに住む人の多くは、コンパクトなサイズの折りたたみ式自転車を好みます。また、本格的なライダーの多くは、車のトランクに自転車を積み込んで、走りやすい場所を探しに出かけます。

このニッチ市場は、エンジニアリングと製造の課題で注目に値します。折りたためる自転車を設計するのは並大抵のことではありません。折りたたんで乗り心地の良いものを設計するのはさらに困難です。乗りやすさ、重量、折りたたんだときのサイズという 3 つの制約のバランスが重要です。起業家、機械工、溶接工、CNC プログラマー、ソフトウェア開発者、サイクリング愛好家である Peter Boutakis は、トロントに製造会社 Helix Labs Inc. を設立し、野心的な目標を達成したとき、折りたたみ自転車市場に貢献できると考えました。市場で最高の折りたたみ自転車。

彼は振り返りませんでした。

折りたたみの概念は新しいものではありません。最も初期の折りたたみデザインは、1890 年頃に生じた移動手段として自転車を使用するという軍事的関心に基づいており、1941 年に英国陸軍省はパラシュートで配達する折りたたみ自転車の入札を募集しました。当時でも折りたたみ自転車市場は専門化していました。

最近、メーカーはいくつかの折り畳み戦略を採用しています。コンセプトの 1 つであるハーフフォールドは、水平方向に半分に折りたたまれるフレームを使用し、自転車の前端がほぼ 180 度スイングします。折りたたむと、前輪と後輪が並んで配置されます。これは、おそらく初期の折り畳みサイクルがどのように折りたたまれたのかです。もう 1 つのアプローチは、より複雑な垂直方向の折り畳みを使用します。フロントセクションは下に後ろに折り畳まれ、リアセクションは前に下に折り畳まれるため、多くの二つ折り自転車よりもコンパクトなプロファイルになります。他のデザインでは、これらのテーマのバリエーションを使用しています (詳細については、www.foldingcyclist.com を参照してください)。

折りたたみ自転車が標準自転車と同等であるとは誰も期待しませんが、折りたたみのデザインは常に違いを最小限に抑えることを目指してきました。メーカーによっては、コンパクトな折りたたみサイズを実現するために小さな車輪を使用しているため、走行安定性や快適性が多少犠牲になっています。一部の自転車では、頑丈なヒンジや頑丈なコンポーネントが使用されており、折りたたみ式でない自転車よりもかなり重い、頑丈で頑丈な自転車が作られています。

もう一つの懸念は安全性です。折りたたみ自転車は折りたたむように作られているため、クランプがしっかりしていないと折りたたむタイミングが悪くなってしまう可能性があります。

図1モデル 430 ビームディレクタは、そのコンパクトなサイズに加えて、いくつかのレベルの衝突保護、部品表面マッピング、Automatic Focus Control™、CCTV プロセスモニタ、統計的プロセス制御データ取得など、生産を強化する独自の機能をいくつか備えています。

サイズ感もポイントです。青少年市場向けに作られた自転車は大人用自転車ほど大きくないため、青少年市場向けフォルダーは折りたたむと非常にコンパクトになります。大人用自転車は大きなフレームと大きな車輪を備えているため、持ち運びや収納に便利なサイズに折りたためる大人用サイズのフォルダーを開発するのは大きな課題です。

1990 年代に大学生だったブタキス氏はコンピューターサイエンスプログラムに登録しましたが、それは彼が探していたものとはまったく異なりました。彼は別のカリキュラムを探し、いくつかの CNC プログラミングコースに登録した後、自分の得意分野を見つけたことに気づきました。そのニッチな分野は製造業でした。

彼は小型の 4 軸フライス盤を購入し、旋盤、ガス金属アーク溶接およびガスタングステンアーク溶接装置、数台の鋸、およびさまざまな手動工具を備えた、小さいながらも有能な工場を建設しました。彼は約 10 年間、機械工、溶接工、製造業者として働き、その過程で豊富な経験を積みました。

「これにより、機械加工、溶接、製造という 3 つの主要な分野で強固な基盤が提供されました」とブタキス氏は述べています。

彼はコンピューターサイエンスを完全に放棄したわけではありません。実際、この経歴は別の取り組みにも役立ちました。その取り組みでは、彼はフリーランサーとして、さまざまなクライアント向けに Web ベースのアプリケーションを開発していました。これにより、彼の店での仕事が増える追加収入が得られました。

この 2 つの使命を両立させるだけでは十分ではありませんでした。サイクリング愛好家であり、根っからの起業家でもある彼は、市販されている折りたたみ自転車についてよく考え、より良い折りたたみ自転車の作り方を開発できると考えました。 Boutakis の目標は、市販のどの折りたたみ自転車よりも安全で使いやすく、軽量で、折りたたんだときにコンパクトになる折りたたみ自転車を開発することで、折りたたみ自転車の妥協を減らすことでした。

まず、サイズです。 Helix モデルは、タイヤにもよりますが、折りたたむとホイールのサイズにほぼ直径約 24 インチになります。折りたたんだ状態の Helix サイズは 23 x 26 x 9.5 インチで、並列折りたたみの概念を使用したデザインによって実現されています。ホイールをフレームの横、クランクの間に配置することで、スペースを最も効率的に利用できると同社は主張している。

2つ目は安全性です。ブタキス氏によると、ほとんどの折りたたみ自転車のロック機構は 3 つの理由から懸念の原因となっています。まず、正しく動作していることを確認するために、定期的なメンテナンスと定期的な観察が必要です。次に、チューブの円周上の一点でクランプするため、通常は多少の遊びが生じます。第三に、溶接部の遊びと応力の上昇が組み合わさって、クランプの破損につながる可能性があります。

Helix は、フォークとステアラーチューブを通る独自の特許申請中のスプリング式ロック機構を使用しており、ブタキス氏によれば、これは市場にある他の多くのロック装置よりも安全なロック装置であるという。これらは、ライディングのストレス下で実際に増加するクランプ張力を最適化し、大きな力を発生させるように設計されています。また、クランプはクランプ力をより広い表面積に分散させるため、応力のピークがなくなり、壊滅的な故障が発生する可能性が大幅に低くなります。全方向に伸びることで360度全方位に剛性が生まれ、遊びがなくなりました。また、Helix のデザインには安全装置が組み込まれています。このデザインではチューブの中にチューブを使用しているため、走行中にスプリングアクチュエーターが故障してもバイクは折りたたまれません。

3 番目は使いやすさです。これは、並列折りたたみコンセプトと特許出願中の螺旋ヒンジに関するものです。ライダーは、後輪、前輪、ハンドルバーの 3 つの要素を任意の順序で折りたたむことができます。収納する順番を覚える必要はありません。

図2 Helix Labs は、チューブを水平に取り付けるための追加の回転テーブルを備えた 430BD システムを使用しています。ロータリーテーブルには、チタンチューブを正確に位置決めし、ベベル、穴、スロットを正確に位置決めするためにしっかりと保持するスルーボアチャックが備えられています。

4つ目は自転車の重量です。同社は、冷間加工され応力が緩和されたグレード 9 チタン (3Al、2.5V) をフレームコンポーネントに使用しています。宇宙時代の最愛の合金であるチタンは、航空宇宙技術者が離陸、着陸、打ち上げのストレスに耐えられる高度な航空機や宇宙船を開発するのに役立ちます。本質的に堅牢、軽量、耐腐食性を備えているため、これらの特性は自転車の製造にも適しています。

ブタキス氏は当初、チタン製の自転車フレームの組み立てが決して簡単ではないことを知っていました。これは珍しい材料ではありませんが、この比較的高価でニッチな材料の製造に誰もが精通しているわけではありません。ブタキス氏は、彼自身によるいくつかの研究と業界関係者からの支援により、チタンについての十分な理解を蓄積し、信頼性の高い一貫した製造プロセスを開発することができました。

それを溶接します。チタンの溶接には不活性雰囲気が必要であり、そのプロセスは厳格なパージと溶接後のプロトコルに依存します。自転車の場合、内径 (ID) を保護するためにパージダムを使用し、外径をガスで覆うためにカップを溶接すると、溶接プロセスに大きな課題が追加されます。小さなクリアランスと曲面、特に 2 つの曲面が交わる部分 (これは自転車フレームの製造の本質) により、堅牢な溶接を行う際の課題がさらに複雑になります。

最終的にブタキス氏は溶接をロボットで行うことを決定した。プロセスの一貫性と安定したペースが好まれるロボット溶接ユニットは、1 つの溶接から次の溶接まで、一日中細心の注意を払って作業します。人間の溶接工には技術にわずかな違いがあり、疲労、注意力の散漫、その他の不一致を引き起こす可能性のある要因が発生しやすいです。これは、溶接部の品質が標準以下であることを意味するわけではありませんが、溶接部の特性にばらつきが生じやすいため、溶接部の強度が変動する可能性がありますが、ロボットはこうした力学の影響を受けません。

ただし、ロボットの統合には、たとえベテランのメーカーであっても忍耐力が試されることがあります。

「適切なトーチが見つかりませんでした」とブタキスさんは語った。「問題は、ジョイントにクリアランスがほとんどないことです。これは基本的にマイクロ TIG アプリケーションであり、非常に狭い領域で動作しますが、ロボットに使用できるそのようなトーチはわずかしかありません。」もともと発明家だった彼は、最終的に自分の用途に合わせて、ワイヤ送給装置を備えた独自のトーチを開発しました。

溶接領域を酸素から保護するために必要な時間と手間を回避するために、Boutakis はロボットとチューブに必要なカスタム固定具を収容する大きなパージチャンバーを作成しました。

「基本的には非常に大きなグローブボックスです」と彼は言う。エアロックシステムが装備されているため、大気を汚染することなく原材料を搬入し、完成したフレームを取り出すことができます。

「これは自転車業界でこの種の唯一のものだと確信しています」と彼は言いました。

それをカットします。溶接ロボットを使用する場合の大きな欠点は、溶接準備の変動を補償するために自動調整できないことです。ベベルがわずかにずれていたり、ギャップが広すぎたり、狭すぎたり、一貫性がなかったりする場合は、ロボットがゆっくりと進み、プログラムされた指示に従って溶接します。ロボット溶接ユニットは、理想的な状況に基づいて各関節を作成しますが、理想的ではない取り付けのためにルーチンを変更することはできません。

図3 Helix 自転車コンポーネントには、さまざまな急なベベル角度を含む、多くの洗練されたカットが必要です。 Prima Power Laserdyne のエンジニアリングスタッフは、ファイバーレーザー切断機を納入し、チタン切断の専門知識を公開しました。これにより、切断プロセスでは、部品がバリを取ることなく完璧に嵌合できるエッジ仕上げが可能になります。

これは、ブタキスがもう 1 つの決断を下さなければならないことを意味し、おそらく作戦全体の中で最も重要な決断でした。彼はカットの長さとベベル角度に堅実な一貫性を必要とし、プロセスは迅速でなければなりませんでした。このシステムでは、最大 45 度までのかなり急なベベルカットを行う必要があるため、Boutakis は、その後のバリ取りを必要とせずにきれいなエッジを残すシステムを求めていました。チューブは、マテリアルハンドリングやバリ取りなどの中間ステップなしで切断から溶接まで行われるため、より多くの設備、より多くの処理時間、より多くの床面積が必要になります。

レーザー切断もオプションでしたが、注意点がありました。

「レーザーはスパッタを発生させます」とブタキス氏は言う。彼はその問題をどうやって回避すればいいのか分かりませんでしたが、最終的にはその必要はありませんでした。さまざまなオプションを比較検討した結果、彼は自分の会社に適していると思われるレーザーを見つけました。そのマシンは、Prima Power Laserdyne 製のファイバーレーザーユニット、モデル 430 Beam Director® です。

カスタムワーク保持治具を取り付けるための巨大なワークテーブルを装備しており、航空宇宙、医療、エレクトロニクスなど、厳しい寸法公差が必要な用途に必要な安定性を提供します。 X、Y、Z 軸の部品公差は ±12.5 µm です。

部品を動かすことなく 2 軸のレーザービーム動作を提供する同社の第 3 世代ビームディレクターを装備したこの機械は、切断と溶接の両方が可能です。この機械は 6 つの制御軸で部品の位置を操作します。この機械はプロトタイピングに適しているほど十分に小さいですが、正面と両側からアクセスできるため、生産にも役立ちます (参照)図1）。

Prima のエンジニアが持ち込んだのは機械だけではありません。彼らは、ブタキス氏のニーズに合わせて機能するプロセスを開発するために、ブタキス氏と協力する意欲をもたらしました。システムの主要な特徴は、ベベル、穴、スロットが正確に配置されるようにチューブをしっかりと保持する貫通穴チャックを備えた水平に取り付けられた回転テーブルです (「参照」を参照)。図2）。

彼らはまた、チタンの専門知識をテーブルにもたらしました。スパッタとドロスの問題はすでに解決されていました（図 3 を参照）。ブタキス氏は、チューブの内径に窒化ホウ素スプレーを塗布し、犠牲マンドレルを挿入するだけで済むことを知り、喜んでいます。

これは彼が使っているシステムですか？もちろん、そうではありません。ブタキスは革新者です。

「ID をスプレーするのは面倒だとわかったので、独自のやり方を開発しました」と彼は言いました。

フォルダーは万人向けではありませんが、Helix のデザインはほぼすべてのライダーに対応できます。デザインは汎用性が高く、5 フィートから 6 フィート 4 インチのライダーにフィットします。

シートポストには 20 ミリメートルのセットバックがあり、これを逆にすると 20 ミリメートルの前方位置を実現でき、ハンドルバーステムも同様に調整可能です。 20mm上昇し、反転して20mm下がります。これらの調整のいずれかが不十分な場合は、主要なコンポーネント (ステム、シートポスト、ハンドルバー、クランクアーム) を他の寸法の既製のコンポーネントと交換できます。

さまざまなライディングスタイルに合わせて、シングルスピード、10 スピードディレイラー、または 11 スピード内装ギアハブなど、いくつかのギアオプションが付属しています。

さまざまな熱意レベルにも対応します。超本格的なライダーの中には、整備されたトレイルや興味深い競技がある遠くの場所に旅行できるように、飛行機に積み込める自転車を必要とする人もいます。スーツケースに収まるほど小さいので、これはこのライダー向けのフォルダーです。

Helix Labs Inc.、www.helix.ca

Prima Power Laserdyne、www.primapowerlaserdyne.com

図1 図2 溶接します。それをカットします。図3 図1 図2