Leichtbau Additive Fertigung für die Tour de France

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3D-Druck steht fast als Synonym für Leichtbau. So wurden bei Dogma F, dem neuen Rennrad von Pinarello, 35 g eingespart – bei der Sattelstütze. Das war nur mit entsprechendem Know-how der Konstrukteure möglich.

Verbissen kämpfen sie gegen die Konkurrenz, den stetigen Gegenwind, die nachlassende Kraft. Sie erklimmen steile Hügel und sprinten über lange Strecken. Am Ende zählt jede Sekunde, Sieg und Niederlage liegen dicht beieinander. Jedes Gramm, das gespart wird, ist eine Erleichterung für Radrennfahrer und entscheidend für ihren Erfolg. Deshalb war es dem italienischen Fahrradhersteller Pinarello wichtig, für die Tour de France 2021 ein Rennrad zu entwickeln, das wesentlich weniger Gewicht auf die Waage bringt als die Räder der Konkurrenz. Neben dem Hauptziel der Gewichtsreduktion, musste das Team alles mit Kosten, Qualität, Produktionsgeschwindigkeit sowie der benötigten Anzahl Räder in Einklang bringen.

Zwar begann Pinarello das Projekt mit verschiedenen in Leichtbau erfahrenen Lieferanten, doch entschieden sie sich um. Zumindest der Sitzspanner, sollte additiv gefertigt werden. Das Vorgängermodell des neuen Rennrads wurde komplett aus Aluminium gefräst. Für das neue Fahrrad Dogma F hat sich Pinarello für Titan als Werkstoff entschieden. Dafür sprachen nicht nur seine Leichtigkeit sondern auch die sehr hohen, mechanischen Kennwerte bei sehr geringer, spezifischer Dichte. Außerdem ist das Rennrad bei der Tour de France starken Dauerbelastungen ausgesetzt. Auch das spricht für Titan.

Erster Schritt: von subtraktiv auf additiv

Um den Sitzspanner per 3D-Druck herzustellen wandte Pinarello sich an Materialise. Da der Spanner noch als Modell für subtraktive Verfahren konstruiert war, galt es, ihn umzudesignen. Dazu und um weiteres Einsparpotenzial zu finden, hat sich das Team von Materialise das Original genauer angesehen. Die nicht auf 3D-Druck ausgelegten Originaldaten lieferte Pinarello als STEP-Datei für CAD, so konnte Materialise die Daten problemlos übertragen. „Für die Konstruktion und statische Simulation haben wir ein CAD-Programm verwendet und die Dauerbelastung im konservativ, statischen Verfahren simuliert“, sagt Philip Buchholz, Process Engineer bei Materialise. Eine weitere Anforderung an die Konstrukteure: Die EU-Normen für das Auslegen und Konstruieren im Road-Bike-Segment mussten eingehalten werden. Die folgende Datenaufbereitung fand in Magics statt, der Software von Materialise.

Zweiter Schritt: von der Simulation zum fertigen Design

Die Konstruktion und das Engineering erfolgten in enger Zusammenarbeit mit Pinarello. „Mit jeder Design-Iteration wurden zunächst virtuelle Simulationstests durchgeführt. Der Sitzspanner musste leicht sein aber auch genügend Festigkeit aufweisen, um das Gewicht des Radfahrers zu halten“, sagt Tim Hermanski, Design Engineer bei Materialise. „Die internen Simulationen haben uns viel Zeit gespart, um die Druckbarkeit und Zuverlässigkeit des endgültigen Bauteils zu gewährleisten.“ Nach Abschluss der Prüfungen teilte das Team die 3D-gedruckten Designs mit Pinarello, die reale Dauerfestigkeitsprüfung durchführten, wie Ermüdungstests sowohl auf einem Prüfstand als auch auf der Straße. Ein großer Vorteil des 3D-Drucks war die Geschwindigkeit, mit der das Design finalisiert werden konnte.

Für Profis: Drucken ohne Supports

Gefertigt wurde im SLM-Verfahren (selektives Laserschmelzen; auch LPBF, Laser Pulverbett Fusion). Hierin lag eine Herausforderung für die Konstrukteure: „Wir mussten die Restriktionen des Produktionsprozesses berücksichtigten, die es auch bei den Verfahren der Additiven Fertigung gibt“, so Buchholz. Außerdem müssen Konstrukteure bereits an die Nachbearbeitung denken. Denn sie haben es in der Hand, dass der Aufwand im Postprocessing auf ein Minimum reduziert wird. Dazu gehört auch mit so wenigen Supports wie möglich zu drucken. Das Team hatte sich zum Ziel gesetzt, ohne Supports zu drucken. Supports oder Stützstrukturen werden im Pulverbettverfahren beispielsweise dann benötigt, wenn Winkel größer als 45° sind oder bei Bohrungen über 6 mm. Ohne Supports zu drucken ist bei manchen Bauteilen möglich, erfordert aber Erfahrung mit dem additiven Verfahren.

Die AM-Produktionskette industrialisieren

Doch auch zeitlich war das Ziel hoch gesteckt. Nur wenige Wochen blieben Materialise, um 2000 Sitzspanner zu liefern. „Wir mussten unsere Produktionskette industrialisieren“, sagt Buchholz. Hier half auch die Support-freie Konstruktion. Denn „die Schritte zu eliminieren, die nötig sind, um die Supports zu entfernen, brachte uns große Zeitgewinne während der Fertigung. Außerdem wurde ein benutzerdefinierter Druckparametersatz erstellt, der die Druckzeit verkürzte, die erforderlichen Materialeigenschaften erfüllte und das Projekt als Ganzes aufgrund der Kostenoptimierung erst möglich machte.“ Unterstützt wurde das Team dabei von der Software Materialise Process Tuner, mit dem sich die Prozessentwicklung umfassend abstimmen lässt. Zudem soll die Software das Einrichten von Parametern beschleunigen, Fehler reduzieren und Einblicke und intelligente Statistiken liefern, die in einer zentralen Datenbank für zukünftige Operationen gespeichert werden. „Auf diese Weise konnten wir die Druckparameter innerhalb von Wochen statt Monaten optimieren“, sagt Buchholz. Somit war das Team Betatester der hauseigenen Software. Denn der Process Tuner ist noch nicht auf dem Markt. Sein Release ist für 2021 geplant.

Das finale Bauteil war schließlich um 35 g (42,5 %) leichter als das traditionell gefertigte, ursprüngliche Aluminium-Design und konnte innerhalb von drei Wochen ausgeliefert werden, anstatt in sechs bis zwölf Monate.

* Frank Küchelmann ist Marketing Manager bei Materialise in 28359 Bremen.

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