Per i bambini, le parti pi interessanti del design di una biciclettasono il colore e gli accessori alla moda. Quel che interessa agliadulti sicuramente diverso, soprattutto per chi partecipa a com-petizioni agonistiche. Per loro, le prestazioni, la comodit e lo sti-le sono fondamentali, e per queste caratteristiche sono disposti apagare. Questo il motivo per cui i produttori di biciclette di alto

livello preferiscono occuparsi di tutto il ciclo produttivo quando si tratta di co-struire biciclette da corsa.

Prendiamo in considerazione lesempio di societ che costruiscono bicicletteda corsa come la Trek Bicycle e la Kestrel USA. Entrambe hanno usato softwareavanzati di CAD e di surfacing per creare i loro ultimi modelli da corsa. Ma an-che se gli strumenti e le tecniche erano simili, i loro obiettivi di progettazioneerano molto diversi.

La Trek ha concentrato i suoi sforzi per creare un modello il pi possibile velo-ce per un corridore particolare: Lance Armstrong, medaglia di bronzo alle Olim-piadi e due volte vincitore del Tour de France. Inoltre, il progetto doveva rispet-tare le rigide regole stabilite dalla struttura che controlla le gare internazionali,che vengono applicate nella maggior parte delle gare a cui Armstrong partecipa.

Al contrario, la bicicletta della Kestrel stata creata per piacere ai corridori ditriathlon, quindi nel processo di progettazione lestetica e laerodinamica eranosullo stesso piano. Per attirare i clienti, la bicicletta doveva sembrare tanto velo-ce quanto lo era in realt. E doveva rispettare un insieme di norme diverse cheregolano le gare di triathlon.

Questo articolo racconter la storia di biciclette costruite con duescopi diversi: due criteri di progettazione per due tipi di clien-ti. Verr descritto anche come la Trek e la Kestrel hannoaffrontato i loro obiettivi e hanno realizzato prodottiaerodinamici e dalle linee pulite in tempi da re-cord, dimostrando la flessibilit della pro-gettazione digitale e facendo diventa-re gli strumenti e i processi diCAD i veri vincitori di que-sta ricerca.

SPECIALE CAD DI KAREN MOLTENBREY E DAVID COHN

26 - Febbraio 2001

CHI COSTRUISCE

BICICLETTE USA

CICLI DI

PROGETTAZIONE

SIMILI PER

RAGGIUNGERE SCOPI

DIVERSI. I CASI

DI TREK BICYCLE

E KESTREL USA:

DALLA VITTORIA

AL TOUR DE FRANCE

AL TRIATHLON

CHI COSTRUISCE

BICICLETTE USA

CICLI DI

PROGETTAZIONE

SIMILI PER

RAGGIUNGERE SCOPI

DIVERSI. I CASI

DI TREK BICYCLE

E KESTREL USA:

DALLA VITTORIA

AL TOUR DE FRANCE

AL TRIATHLON

La progettazionedigitale alla Trek

Le corse di ciclismo negli Stati Unitinon sono considerate tra gli sport piimportanti. Ma la splendida doppia vit-toria di Lance Armstrong al Tour deFrance e la medaglia di bronzo conqui-stata alle Olimpiadi del 2000 nella cor-sa a cronometro hanno suscitato inte-resse per questo sport e un nuovo se-guito di fan. In entrambi gli eventi, ilcampione incontrastato di ciclismo sta-tunitense arrivato alla vittoria su unanuova creazionedellalta tecnologiarealizzata dallAd-vanced ConceptGroup (ACG)della Trek Bicy-cle Corp., pro-gettata usandouna combina-zione degli ul-timi softwaredi MCAD (CADmeccanico) e didisegno industriale.

Il Tour de France,la corsa ciclistica piimportante del mon-do, un faticosotest di sopravviven-za che dura 23 gior-ni lungo 3 mila e 500chilometri di strada,che si svolge attraversouna serie di gare separatechiamate tappe. Ogni gior-no si tiene una nuova e di-versa tappa: un giorno cipu essere una corsa in pia-no, un altro giorno una lungascalata ai Pirenei. Per la corsa diquestanno, la Trek ha fornito ad Arm-strong e ai suoi compagni della squa-

dra US Postal Service tre diverse bici-clette: una per le tappe in pianura,unaltra pi leggera per le tappe inmontagna e una terza per le tre tappe acronometro. Anche se le biciclette sustrada erano basate su alcuni dei telaigi esistenti in fibra di carbonio dellasociet, la Trek ha fatto limpossibileper progettare una nuova bicicletta perla corsa a cronometro.

In queste gare, un corridore gareggiacontro il tempo, andando pi veloce

che pu. Quando i miglioriciclisti del mondopartecipano a unagara di questo tipo,il vantaggio di unafrazione di secondofa la differenza. Labicicletta di Arm-

strong per le corse

a cronome-tro del 1999 aveva un

telaio in titanio realizzato dalla Li-ghtspeed, ma per lanno 2000 lebiciclette di tutta la squadrasono state fornite dalla Trek. Ilcompito della Trek stato diprogettare una bicicletta con la

forma aerodinamica ideale.Nellagosto del 1999, un mese

dopo la prima vittoria di Armstrongal Tour de France, lingegnere capodellACG Doug Cusack, anchegli un

bravo ciclista dilettante, ha raccolto lasfida. Il suo scopo: guidare una squa-dra in segreto allinterno della societper creare una bicicletta per le corse acronometro in fibra di carbonio e mo-dellata su un unico stampo, da aggiun-gere allarsenale di Armstrong per ilTour de France del 2000. Gli altrimembri della squadra avrebbero corsosu biciclette della Trek con strutture inalluminio saldato.

Ingegneria inversa

Cusack ha iniziato la misurazionedelle coordinate della bicicletta diArmstrong del 1999 per analizzare lageometria del suo telaio in titanio.Quando Cusack ha riprodotto le lineecentrali dei suoi tubi col softwareCADKey della CADKey Corp., ha im-portato i disegni in Pro/Engineer dellaPTC, dove ha iniziato a preparare leforme tubolari aerodinamiche, basatesugli studi precedenti fatti originaria-mente per il progetto dei montanti del-le ali di un caccia. Le forme aerodina-miche di Cusack non solo dovevano ri-durre la resistenza aerodinamica, madovevano anche rientrare nelle specifi-che della Union Cycliste Internationale(UCI), la struttura direttiva del cicli-smo internazionale.

In settembre, Cusack e un famosospecialista nella preparazione delle bi-ciclette nella galleria del vento, JohnCobb, sono andati alla A&M Univer-sity del Texas, dove hanno incontratoArmstrong, che aveva portato la bici-cletta per le corse a cronometro usatanel 1999 per svolgere una serie di testnella galleria del vento. Cusack e Cobbavevano anche portato un telaio in al-luminio saldato della Trek, su cui Cu-

sack aveva aggiunto dei prototipi in ar-gilla del suo nuovo progetto aerodina-

mico. Coi risultati dei testdella galleria del vento,

Cusack tornato nel Wi-sconsin, dove con laiutodellesperto in disegnoindustriale dellACGMichael Sagan ha creato

il progetto, le forme e laerodinamicadelle superfici della nuova bicicletta.Lavorando con lesperto di progetta-zioni in fibra di carbonio della TrekJim Colegrove, Sagan ha importato idati di Pro/E in Studio Tools dellaAlias|Wavefront su workstation SGIcon Windows NT e processori Pentium,dove ha iniziato a sviluppare schemi esuperfici per la nuova struttura.

Un mese dopo, utilizzando file realiz-zati da Sagan con Studio Tools, i mo-dellatori Paul Andrews, Paul Towne eJarod Brown hanno usato SurfCAMdella Surfware per creare un modello

La bicicletta e Lance Armstrong, il cicli-sta per cui stato realizzato il progetto,hanno percorso la strada che li ha portatidalla progettazione alla vittoria usandostrumenti di CAD 3D e software di surfacing

Per il progetto originale della bicicletta,la Trek ha evidenziato le parti che subiva-no maggiori sollecitazioni usando ilsoftware danalisi a elementi finiti (FEA)Cosmos/DesignStar della Structural Re-search & Analysis

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in scala reale della nuova bicicletta daun materiale di prototipazione simile allegno. Seguendo i test successivi ese-guiti da Armstrong e da Crobb, il grup-po ha calcolato che in una gara a cro-nometro di 40 chilometri la nuova for-ma avrebbe fatto risparmiare circa 25secondi (il Tour de France ha tre tappea cronometro di 16, 69 e 49 chilometri.Ai Giochi Olimpici di Sidney cera unasingola gara a cronometro di 46,8 chi-lometri). Cusack e Sagan hanno ancheprovato a usare una forcella su un sololato invece di quella convenzionalecon due diramazioni. Anche se questoprogetto riduceva del dieci percento laresistenza aerodinamica, non rientravanelle specifiche dellUCI, quindi nonhanno potuto usarla.

Correre con unabicicletta diversa

Dopo una seconda fase di test nellagalleria del vento nel novembre del1999, Cusack e Sagan hanno usato Stu-dio Tools per modificare il loro model-lo e iniziare a considerare altri punti incui potevano migliorare le capacitagonistiche di Armstrong. Per esempio,nel Tour de France i corridori spessoportano una borraccia dacqua durantele tappe a cronometro, non tanto per ri-manere idratati durante il giorno dellacorsa, ma per non avere negli altrigiorni del Tour deficit dacqua nel cor-po. Abbiamo inserito un recipiente al-linterno del tubo inferiore della bici-cletta e abbiamo fatto passare una can-nuccia fino al manubrio, in questomodo Lance poteva bere rimanendo inposizione da corsa, afferma Cusack.La stima che la riduzione della resi-stenza aerodinamica dovuta a una bor-raccia per lacqua esterna, e il tempo

risparmiato eliminando la necessit perArmstrong di muoversi dalla posizioneraccolta per riuscire a bere, in un per-corso di 40 chilometri facevano rispar-miare 15 secondi.

Oltre a concentrarsi sulle prestazioni,il team dellACG ha iniziato anche aconsiderare laspetto produttivo dellabicicletta. Concepito inizialmentecome un pezzo unico, la Trek ha decisodi vendere il telaio come un modello aproduzione limitata, disponibile adesso

per corridori con intenzioni serie al co-sto di 4500 dollari (circa 9 milioni emezzo di lire). Entro dicembre, conqualche modifica per aumentare le di-mensioni del tubo trasversale e per in-cassare la parte posteriore dei freni,Sagan ha messo a disposizione le su-perfici create con Studio Tools per lalavorazione dei pezzi. Invece di appal-tare questa fase di lavoro ai fornitoriesterni a cui si affida di solito la so-ciet, il personale dellACG che si oc-cupa della realizzazione del modelloha importato direttamente i modelli diStudio Tools in SurfCAM e in Master-

CAM della CNCSoftware. Quindiallinterno dellasociet hanno ta-gliato tre dei seipezzi da fresare,cos come tutti ipezzi per i com-ponenti in alluminio come i perni sucui le ruote si attaccano al telaio e imorsetti per il sellino.

Portare a termine il lavoro

Nel mese di febbraio, coi minuti con-tati, Sagan ha iniziato a lavorare conChad Bailey, il progettista grafico dellaTrek. Dopo aver importato in StudioTools il materiale illustrativo bidimen-

sionale realizzatoda Bailey con Il-lustrator dellaAdobe, Sagan hacollocato accura-tamente gli ele-menti decorativisul telaio, assicu-randosi che unavolta prodotte, le

decalcomanie avrebbero coperto cor-rettamente le strane forme tubolari infibra di carbonio.

In marzo, lesperto di analisi a ele-menti finiti della Trek, Chris Jones, hausato il software Cosmos/DesignStardella Structural Research & Analysisper una serie di esami sui file di StudioTools realizzati da Sagan. I risultatihanno mostrato che dovevano esserefatti dei cambiamenti per migliorare larigidit dei perni sulla ruota di trazio-

ne. Sagan ha fatto le modifiche in Stu-dio Tools, quindi ha importato di nuo-vo i file in SurfCAM, cos che i pezzipotevano essere intagliati nuovamente.

In aprile, Brian Shummann, ingegne-re della Trek per la struttura composita,ha collegato le strutture in carbonio,quindi sono state applicate la vernice ele decalcomanie. I meccanici del-lACG hanno assemblato la bicicletta,e Cusack ha fatto la prima corsa di pro-va. Quindi la bicicletta stata speditaad Armstrong in Europa, dove si stavaallenando, diversi mesi prima dellascadenza che si era data la squadra. In

maggio, dopo ulteriori sviluppi del si-stema didratazione montato sul telaioe altre modifiche, la Trek ha prodottouna struttura simile per Tyler Hamil-ton, ciclista della Postal Service. An-che Armstrong ha ricevuto un nuovotelaio, ma alla fine ha corso con la ver-sione originale su cui si era allenato.

Infine, a giugno, Armstrong ha vintola tappa a cronometro della DauphineLibre, lultima corsa della stagione pri-ma del Tour de France del 2000. Lavittoria di Armstrong nella diciannove-sima tappa del Tour, sulla nuova bici-cletta della Trek per le corse a crono-metro, stato il punto di svolta nellagara dello scorso anno; dopo quellavittoria, il suo vantaggio era cos am-pio che solo un incidente gli avrebbenegato la vittoria.

Secondo Sagan, lo sviluppo del nuo-vo progetto per la bicicletta costatodiverse centinaia di milioni di lire, masenza luso dei vari software usati dallaTrek afferma che la cifra sarebbe statamolto pi alta. Anche il risparmio ditempo stato significativo. Sagan so-stiene che la Trek non sarebbe riuscitaa produrre in tempo la bicicletta per lepi importanti competizioni del 2000,comprese le Olimpiadi, usando altrimetodi. La normale programmazionedella societ, dal progetto alla distribu-zione, sarebbe stata di circa 15 mesi.Siamo riusciti a dimezzare i tempiperch potevamo realizzare la lavora-zione dei pezzi allinterno della so-ciet. Tutte le modifiche sono state ap-portate su un modello digitale, che dal-la progettazione ci ha portato alla vitto-ria.

Armstrong, il cui nome adesso si-nonimo di ciclismo, ha recentemente

La Trek ha usa-to Studio Toolsanche per siste-mare in modo ac-curato gli elemen-ti decorativi intor-no al telaio

I progettistihanno usato lefunzioni di analisidi shading di Stu-dio Tools per va-lutare la superfi-cie del braccio in-feriore del telaiodella bicicletta

28 - Febbraio 2001

fatto crescere lentusiasmo per questosport nella coscienza americana. E glistrumenti di progettazione digitalestanno aiutando la Trek a essere unadelle societ di punta in questo settoredi mercato in espansione.

Il design digitalemarchiato Kestrel

Il triathlon un esame che mette allaprova il valore atletico e la resistenzadi persone con un fisico dacciaio: una

maratona di 42 chilometri, una gara dinuoto su una distanza di quasi quattrochilometri e una corsa ciclistica di 180chilometri. Solo veri atleti in buonecondizioni osano partecipare a questotipo di gare, basandosi soltanto sulleloro forze e sulla loro abilit nella cor-sa e nel nuoto. Ma per il ciclismo, laloro prestazione dipende anche dallascelta della bici-cletta. per que-sti atleti che laKestrel USA haintrodotto il suoprimo telaio di bi-cicletta progettatoin digitale: sichiama KM40Airfoil, ed unprogetto leggero,costruito su ununico pezzo in fi-bra di carbonio,che incorpora lun-go la sua strutturafluida linee aerodinamiche con unabassa resistenza al vento.

Il modello KM40 si adatta perfetta-mente alle distanze pi lunghe, dove lasua aerodinamica e la linea fluida lohanno reso il nostro telaio pi famosoe una della pi popolari biciclette perle corse di resistenza, afferma PrestonSandusky, presidente della Kestrel ecorridore agonistico casuale. La suageometria adattata specificamentealla posizione di corsa abbassata dellegare a tempo, mentre la flessibilit inverticale del progetto isola il ciclistadai colpi e dagli urti sulla strada. La

forma e le dimensioni dei tubi del te-laio, comunque, non permettono agliatleti di usare la bicicletta in alcunegare internazionali come le Olimpiadie il Tour de France.

Per circa 15 anni, la Kernel ha pro-gettato telai per biciclette di alto livellousando tecniche tradizionali di model-lazione a mano, che richiedevano mol-to tempo ed erano costose. Mostrava-mo una bicicletta a una fiera, realizza-vamo il prototipo lanno seguente,quindi distribuivamo il prodotto lannodopo ancora, ricorda Kent Whiting,progettista della Kestrel. Per tagliare i

tempi e i costi di sviluppo, lo scorsoanno la Kestrel si associata alla IDE,unazienda che si occupa di progetta-zione, per creare un nuovo e stilizzatotelaio di bicicletta con unestetica chefosse allo stesso livello dellaerodina-mica. Per attirare i clienti, la biciclettadoveva sembrare ed essere veloce, af-ferma. Usando tecniche digitali, i pro-

gettisti hanno risposto a queste esigen-ze realizzando un prodotto ben propor-zionato e matematicamente preciso cherispettava i regolamenti delle gare spe-cifiche. E sono riusciti a farlo in tempirecord: dal progetto alla distribuzionetutto nello stesso anno. La chiave peruna bicicletta con migliori prestazioni un telaio costruito meglio, afferma

Sandusky. In una gara, il tempo de-cisivo, quindi qualsiasi cambiamento,non importa quanto sia piccolo, pufare la differenza al traguardo.

Dave Moriconi, presidente della IDE,aggiunge: Gli atleti moderni di triath-lon hanno bisogno di ogni possibilevantaggio per riuscire a gareggiare almeglio delle loro possibilit. Il nostroscopo era quello di progettare un telaiodi bicicletta speciale usando le tecni-che pi avanzate di design e produzio-ne col computer per dare ai ciclisti ilmaggior aiuto possibile nella loro ri-cerca di tempi sempre migliori.

Inoltre, il telaio KM40 viene vendutoa circa 2.700 dollari (5 milioni e 700mila lire); con lequipaggiamento com-pleto la bicicletta pu costare circa5.000 dollari (poco meno di 11 milionidi lire). Quindi gli atleti che compranoil telaio sono estremamente discrimi-nanti. Nellindustria automobilistica,sarebbe come comprare una Porsche ouna Ferrari, afferma Moriconi.

Progettazione complessa

Le biciclette della Kestrel si identifi-cano facilmente per il loro telaio aero-dinamico costruito su un unico pezzo.Dato che non ci sono giunture nellastruttura finita, viene eliminato il mate-riale (e il peso) sovrabbondante per legiunture di collegamento, che possonoaggiungere al peso complessivo dellabicicletta quasi mezzo chilo. Comun-que per il team della IDE, la cui espe-rienza con la progettazione digitale siera limitata a piccoli dispositivi elettro-nici di consumo, perfezionare il pro-getto della geometria del modelloKM40 si dimostrato un compito par-ticolarmente difficile, perfino usandostrumenti di CAD e di creazione di su-

perfici NURBS.Di solito, lavoriamo con molte su-

perfici pi piccole e usiamo raccordistandard, che hanno una sezione tra-sversale con raggio costante, oppurecurve spline, per lintera lunghezza.Ma le direttive della Kestrel erano cheil telaio doveva essere un pezzo conti-nuo, con un disegno continuo, cosa dif-

Attraverso laprogettazione di-gitale, la IDE hacreato un telaio dibicicletta perfet-tamente simme-trico con unaero-dinamica miglio-rata, accorciandoallo stesso tempoil ciclo di sviluppodella Kestrel, lasociet che haprodotto la bici-cletta

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ficile da ottenere, spiega Doug Jones,progettista capo della IDE. Ha richie-sto molti ripensamenti da parte nostraper ottenere raccordi progressivi, conproporzioni variabili per tutta la lun-ghezza del telaio. Alla fine, abbiamorealizzato tre superfici principali chedovevano essere collegate e fuse insie-me come una superficie unica.

Quando i progettisti della IDE hannoiniziato a lavorare al progetto, il loroobiettivo principale era quello di ela-borare un proget-to complementareper una biciclettacreata due anniprima usando tec-niche tradizionali.Ma quando il pro-getto digitale andato avanti, lebiciclette hannoiniziato ad avereun aspetto diver-so. Lo scopo eradi continuare la sezione trasversale ae-rodinamica del modello precedente,racconta Andy Hooper, responsabiledel disegno industriale della IDE. Mamentre il progetto si sviluppava e il la-voro di fusione delle superfici andavaavanti, il telaio appariva pi elegante,come se fosse stato scolpito dal ven-to.

Sandusky aggiunge: Quando si fan-no scorrere le mani sul telaio, ci si ac-corge che la forma e il diametro cam-biano continuamente. Per ottenerequesta forma unica, Jones ha iniziato ilprocesso di design creando uno schele-tro del telaio in Pro/Engineer dellaPTC su piattaforma Windows NT. Laforma aerodinamica senza giunture,tuttavia, non permetteva di usare i soli-ti strumenti di CAD, con le loro formesferiche e cilindriche prestabilite. Cosdopo aver creato la forma di base dellabicicletta, Jones ha importato i dati nelmodellatore basato su NURBS Rhino-ceros della Robert McNeel & Associa-tes, dove ha realizzato la maggior partedel lavoro di design, ovvero creare se-zioni trasversali, realizzare superfici

lungo i profili, delimitare le curve etrasformare gli elementi con sistemi disuperfici.

Questa superficie unica e uniformeaveva un livello di complessit per lacostruzione che non avevamo mai do-vuto affrontare prima, spiega Morico-ni. Abbiamo passato quasi il trentapercento del nostro tempo per svilup-pare le superfici primarie della bici-cletta, e il 70 percento ad adattare lesuperfici, il che dimostra quanto fosse

importante la fusione dei dettagli. Avolte, Doug adattava lunione delle su-perfici aggiustando letteralmente unnodo per volta.

Pronte per la strada

Per aumentare il controllo dei desi-gner quando si manipolava e si univala geometria complessa del telaio, Jo-nes ha passato gli ultimi tre anni acreare 750 macro-comandi e uno spa-zio di lavoro personalizzato in Rhino.Per esempio, per ottenere piccoli spo-stamenti numerici incrementali deinodi, Jones ha sviluppato quasi 150

file script a cui sipu accedere condelle icone pereseguire specifi-che funzioni cheaiutano il proces-so di design.

Una volta com-pletato, il modellodi solidi di Rhino stato usato per

produrre un modello CNC (ComputerNumerical Control) in scala reale peruna verifica, una valutazione e per ilmontaggio delle ruote, della forcella edi altri componenti della bicicletta.Dato che il modello KM40 si basavasu un progetto precedente che era statoesaminato a fondo, non stato neces-sario sottoporlo a rigorose analisi a ele-menti finiti. Basandosi sui test la squa-dra della IDE ha fatto piccoli aggiusta-menti sul modello di Rhino, e ha im-portato il modello NURBS in Pro/Eper la lavorazione diretta del negativo.

Era la prima volta che la Kestrel e laIDE progettavano una bicicletta in di-gitale, e questo ha richiesto un investi-mento per entrambe le societ. Quan-do abbiamo iniziato, facevamo duepassi in avanti e uno indietro, com-menta Marconi, tuttavia adesso stia-mo realizzando il nostro quinto telaioper la Kestrel e siamo diventati pi ef-ficienti. Whiting della Kestrel stimache per la KM40, realizzata un anno

fa, la societ abbia ridotto il ciclo disviluppo del 25 percento. Quel tempo stato ora ridotto del 50 percento.Adesso possiamo ideare, progettare eprodurre una bicicletta tutto nello stes-so anno, afferma.

Complessivamente, la KM40 stataun successo sia tecnico sia commercia-le. Nei test di prova, il progetto in me-dia aveva dei tempi inferiori di sei se-condi rispetto al modello precedente.Anche se la bicicletta non ha vinto nel-la competizione Hawaiian Ironmandi questanno, si guadagnata la me-daglia dargento agli Industrial DesignExcellence Awards del 2000.( CGW)

La maggiorparte del designdel modello KM40 stata realizzatain Rhino, nel qua-le uno spazio dilavoro personaliz-zato dalla IDE ecomandi macrohanno reso il pro-cesso pi efficien-te

Il maggior pro-blema per i pro-gettisti statoquello di unire larete di superficiNURBS di Rhino,che costituisconoil complesso desi-gn aerodinamicodel telaio dellabicicletta

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