Non-pneumatic bicycle tyres using filament-based material extrusion: design and production challenges

Manuel de Figueiredo Cravo Relvas Sardinha

Key information

Authors:

Manuel de Figueiredo Cravo Relvas Sardinha (Manuel de Figueiredo Cravo Relvas Sardinha)

Supervisors:

Luís Filipe Galrão dos Reis (Luís Filipe Galrão dos Reis); Maria de Fátima Reis Vaz (Maria de Fátima Reis Vaz); Tânia Rodrigues Pereira Ramos (Tânia Rodrigues Pereira Ramos)

Published in

May 20, 2025

Abstract

A crescente preocupação global com a sustentabilidade e a procura por soluções económica e ambientalmente eficientes impulsionam avanços em áreas de desenvolvimento como a mobilidade urbana. Motivada pela gestão de resíduos de pneus e a dependência excessiva dos automóveis nas cidades, esta tese explora o potencial da produção descentralizada de pneus não pneumáticos (NPTs) utilizando fabrico por filamento fundido (FFF). O principal objetivo é avaliar a viabilidade dos FFF-NPTs como alternativa futura aos pneus convencionais de bicicleta, promovendo soluções de transporte sustentáveis e avanços na investigação de elastómeros impressos em 3D. O estudo começa com uma revisão do estado da arte sobre NPTs, abordando a influência de designs geométricos complexos e de materiais elastoméricos na funcionalidade do pneu. Segue-se a investigação dos desafios técnicos no processamento destes materiais, juntamente com a caracterização mecânica de dois filamentos de poliuretano termoplástico: TPU genérico e TPU reciclado. Com base nesta análise, foram desenvolvidos diversos designs de NPTs, incluindo estruturas hexagonais e esferoidais. A rigidez estática destas geometrias foi avaliada experimental e numericamente. Como resultado do processo iterativo de design e desenvolvimento, foram obtidos NPTs com desempenho comparável ao de pneus convencionais. O estudo finaliza com uma avaliação da viabilidade económica e de impacto ambiental, destacando-se o elevado peso do consumo energético do processo de FFF, que pode comprometer os benefícios da reciclabilidade do material. Por fim, protótipos de NPTs selecionados foram produzidos e a sua utilização validada utilizando uma bicicleta elétrica citadina. No entanto, é necessária mais investigação que aborde aspetos como o mecanismo de fixação do pneu ao aro ou a durabilidade do pneu a longo prazo. Apesar destes desafios, os resultados sugerem que os NPTs têm potencial para aplicações mais amplas que a bicicleta como são exemplo, trotinetes elétricas, cadeiras de rodas e pequenos robôs autónomos. The growing global emphasis on sustainability and eco-efficient solutions has driven advancements in fields such as mobility-related technologies. Motivated by environmental concerns related to tyre waste and urban car dependency, this thesis explores the potential for decentralized production of non-pneumatic tyres (NPTs) using filament-based material extrusion, specifically fused filament fabrication (FFF). The main objective is to assess the viability of FFF-NPTs as a future alternative for bicycle tyres, while promoting sustainable mobility solutions and advancing the field of 3D-printed elastomers. The study begins with a state-of-the-art review of NPT research, highlighting the role of complex geometrical designs in achieving the required stiffness and damping properties of tyres. This is followed by an investigation into key technical challenges related to the manufacturability of thermoplastic elastomers, and a mechanical behaviour analysis of two thermoplastic polyurethanes: a generic TPU 95A and a recycled TPU material. Building on this material-process study, various bicycle NPT designs are developed, incorporating hexagonal honeycomb cores (both functionally graded and non-graded) as well as spherical lattices. The static stiffness behaviour of these designs is evaluated through experimental and numerical analysis. Following an iterative design and development process, NPTs with vertical stiffness comparable to conventional tyres are achieved. The study concludes with an assessment of the economic viability and environmental impact of FFF-NPTs using life cycle-based methodologies. Among other findings, it highlights that the energy consumption of the FFF stage may diminish the environmental benefits associated with the potential recyclability of its material. Prototyping of selected NPT designs confirms the feasibility of producing functional bicycle NPTs using FFF. However, further research is needed to address tyre-rim mounting mechanisms, fatigue performance, and long-term durability. Despite these challenges, the findings suggest that the developed bicycle NPTs could be adapted for broader applications such as e-scooters, wheelchairs, and small autonomous robots.