Leichtbau Dank additiver Fertigung zum individuellen und hochstabilen High-End-Mountainbike

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Das britische Start-up Robot Bike hat gemeinsam mit Altair Productdesign, Hieta Technologies und Renishaw ein vollständig auf Kundenwünsche anpassbares, additiv gefertigtes Mountainbike entwickelt. Zum Einsatz kamen die neuesten Design- und Fertigungstechniken.

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Brandneu ist das kundenspezifisch anpassbare Mountainbike vom britischen Start-up Robot Bike Company.
Brandneu ist das kundenspezifisch anpassbare Mountainbike vom britischen Start-up Robot Bike Company.
(Bild: Robot Bike)

In den letzten Jahren gab es einige interessante Beispiele, bei denen der 3D-Druck bzw. die additive Fertigung (AM) in der Fahrradbranche zum Einsatz kam. Allerdings hat man sich beim Einsatz dieser Fertigungsmethode bis heute eher auf Technologiedemonstratoren beschränkt. Im Mainstream-Markt hat sich diese Art der Herstellung noch nicht durchgesetzt. Die additive Fertigung ist für Fahrradhersteller jedoch sehr reizvoll, weil sie es ihnen ermöglicht, ganz auf die persönlichen Wünsche der Kunden einzugehen und jedes Fahrrad individuell anzupassen.

Dabei kommt es aber gerade beim Einsatz der additiven Fertigung auf das Design des Rades oder auch jedes anderen Produktes an. Die additive Fertigung bietet in Sachen Gestaltungsfreiheit Möglichkeiten, die andere Fertigungsmethoden nicht bieten. Um sie erfolgreich einzusetzen und das volle Potenzial des 3D-Druckes auszuschöpfen, bedarf es jedoch einer ganzen Reihe an Spezialfähigkeiten im Bereich Design und Berechnung.

High-End-Mountainbike nach Kundenwunsch

Das Unternehmen Robot Bike Company (RBC) ist ein Start-up aus Großbritannien, das von Ingenieuren aus der Luft- und Raumfahrt sowie von Mountainbike-Enthusiasten gegründet wurde. Die Gründer des Unternehmens haben früh erkannt, dass sich eine Kombination aus additiver Fertigung und Kohlefaser sehr gut für einen Fahrradrahmen eignet. Sie wollten, nach eigener Aussage, den „bestmöglichen Fahrradrahmen“ herstellen und die AM-Technologie verwenden, um ein High-End-Mountainbike zu entwickeln, das entsprechend den Kundenwünschen angepasst werden konnte. Bei jedem Fahrrad sollte der Rahmen individuell auf Gewicht, Größe und den Fahrstil zugeschnitten werden können. Außerdem war es den Jungunternehmern wichtig, akzeptable Lieferzeiten und Herstellungskosten zu bieten.

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Kohlefaser und additive Fertigung kombiniert

Auch wenn die Ingenieure der RBC bereits über umfangreiche Erfahrungen in der additiven Fertigung und der Entwicklung von Produkten und Systemen für die Luft- und Raumfahrt verfügten, wendete sich das Team an erfahrene Industriepartner, mit denen sie daran arbeiten konnten, aus ihren Ideen ein funktionierendes Geschäftsmodell zu machen. Im Rahmen dieses Projektes arbeitete das Team in der Folge mit Hieta Technologies, einem Spezialisten von Design- und Engineering-Lösungen für AM-Technologien, Renishaw, einem Anbieter von AM-Maschinen und mit Altair Productdesign, der Consulting und Services Abteilung Altairs, zusammen. Gemeinsam arbeiteten die Teams daran, die Vorteile der Flexibilität von AM durch den Einsatz von Design- und Optimierungstechniken bei der Auslegung des Bikes vollständig zu nutzen.

Hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht

Gerade das Gewicht spielt für Fahrradhersteller eine wichtige Rolle, da schwere Räder zur Fortbewegung mehr Energie benötigen. Ein Umstand, der insbesondere bei Offroad-Rädern ins Gewicht fällt, bei denen der Radfahrer das Bike auf unterschiedlichstem Terrain, inklusive starker Steigungen, fahren muss. Bei der Entwicklung eines Fahrrades darf die Gewichtsreduzierung jedoch keine negativen Auswirkungen auf die Festigkeit des Rahmens haben, da sich dies wiederum nachteilig auf das Fahrgefühl des Rades auswirkt und damit bei der Kaufentscheidung des Kunden ebenfalls eine wichtige Rolle spielt.

Leicht und steif dank Optimierungstechnologie

Um ein kundespezifisch angepasstes, hochstabiles Fahrrad in Leichtbauweise zu liefern, wurde der Rahmen des Rades aus Kohlefaser angefertigt, ein in der Industrie weit verbreitetes Material. Die Kohlefaserrohre sowie auch andere Komponenten und Systeme des Rades wurden mit additiv gefertigten „Knoten“ aus Titan verbunden. Diese wurden basierend auf den individuellen Vorgaben des jeweiligen Fahrers erstellt. Das Engineering-Team von Altair Productdesign wurde mit der Optimierung dieser Verbindungselemente beauftragt. Unter den zu optimierenden Komponenten des Rades befinden sich der Gabelschaft, die Sattelstütze sowie die Ösen der Kettenstrebe. Bei diesen Komponenten wurde Optimierungstechnologie verwendet und so sichergestellt, dass die einzelnen Bauteile einerseits so leicht wie möglich waren und andererseits immer noch den Kräften einer Mountainbike-Abfahrt standhielten und sie darüber hinaus mittels additiver Fertigung hergestellt werden konnten.

Materialeffizientes Design für die additive Fertigung

Die Aufgabe von Altair Productdesign war es, ein materialeffizientes Design zu finden, das den erforderlichen Leistungseigenschaften entsprach und dann auf die unterschiedlichen Vorgaben und Wünsche der jeweiligen Fahrer angepasst werden konnte. Um diese Untersuchung durchzuführen und so schnell wie möglich, im gegebenen engen Zeitrahmen des Projektes mit einer optimalen Designlösung aufwarten zu können, nutzte Altair Productdesign das Werkzeug Solidthinking Inspire. Die Technologie ermöglichte es dem Team, das existierende Design sehr schnell in die Entwicklungsumgebung zu importieren und in der Folge eine Vielzahl an Lastdaten, die der Fahrradrahmen während seines Einsatzes aushalten muss, aufzubringen. Darüber hinaus wurden weitere Randbedingungen, wie die maximal erlaubte „Knoten“-Größe sowie die Positionen der Befestigungspunkte definiert.

Material nur da, wo es wirklich nötig ist

Mit diesen Daten konnte in Solidthinking Inspire ein neues Geometrielayout erstellt werden, bei dem Material nur dort zum Einsatz kommt, wo es benötigt wird. Danach wurde die Geometrie in die Hyperworks Suite importiert, mit Hypermesh ein detailliertes Modell der Komponenten erstellt und die Materialdicken anschließend mit Optistruct, dem FE-Solver und Optimierungstool der Hyperworks Suite, weiter optimiert. Während des gesamten Prozesses musste das Design außerdem für die additive Fertigung optimiert und ausgelegt werden. Dies umfasste die Bestimmung der Orientierung der Komponenten im Drucker sowie die Platzierung von Stützstrukturen, um das Bauteil optimal zu fertigen. Dieser Prozessschritt wurde in enger Zusammenarbeit mit Hieta Technologies und Renishaw durchgeführt.

Weniger Bauteile und weniger Kosten

Neben dem Design der gewichtseffizienten Komponenten war Altair Productdesign darüber hinaus erfolgreich in der Lage, Bauteile zu konsolidieren und so das Rahmendesign zu vereinfachen. So konnten die Produktionskosten gesenkt werden. Eines der Beispiele dafür waren die Ösen der Kettenstrebe, die ursprünglich als Baugruppe aus drei Komponenten bestand: zwei symmetrische Titan-Komponenten und ein Verbindungsrohr aus Kohlefaser. Dank Hyperworks und der Erfahrung des Productdesign Teams konnte die Öse als eine einzelne, hinsichtlich Gewicht, Leistung und Fertigungskosten optimierte Komponente erstellt werden.

Dabei wurden außerdem die Fertigungsrandbedingungen der Verfahren von Hieta und Renishaw berücksichtigt. Auch hier kam wieder Solidthinking Inspire für die Optimierung zum Einsatz. Weitergehende Analysen und Verfeinerungen wurden mit Hyperworks durchgeführt. Am Ende des Entwicklungsprozesses übergab das Altair Productdesign Team sein Know-how an die Ingenieure von Hieta Technologies. So konnte sichergestellt werden, dass das Unternehmen Altairs Simulationstechnologie auch in zukünftigen Produktentwicklungsprozessen direkt nutzen kann.

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Optimiertes Design für die additiv gefertigten Rahmenknoten

Mit den durchgeführten Optimierungsarbeiten steuerte Altair Productdesign dem Projekt erfolgreich ein optimiertes Design für die additiv gefertigten Rahmenknoten aus Titan bei. Das neue auf den Optimierungsergebnissen von Solidthinking Inspire beruhende Materiallayout wurde vom Altair Team interpretiert und führte zu einer innovativen, organisch anmutenden Designlösung, die speziell für die additive Fertigung ausgelegt war. Wo immer möglich wurden Gewicht und die Anzahl der Bauteile reduziert, um sowohl die Fertigungskomplexität als auch die Herstellungskosten zu minimieren.

Das kundenspezifisch anpassbare Mountainbike von RBC ist revolutionär. Bei seiner Entwicklung kamen die neuesten Design- und Fertigungstechniken zum Einsatz. Die Beteiligung des Altair Productdesign Teams hat signifikant dazu beigetragen, einen extrem leichten und stabilen Rahmen zu entwickeln, der, mit der engen Unterstützung von Hieta Technologies und Renishaw, nun in die Produktion gehen kann.

„Altair hat Robot Bike Co. dabei unterstützt, das Gewicht des Rahmens weiter zu reduzieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Spannungen unter dem vorher definierten Maximum bleiben. Dies ermöglichte es uns, für unserer Räder eine Garantie auf Lebenszeit anzubieten und gibt unseren Kunden das Vertrauen, dass das Produkt nachhaltig sein wird,“ so Ed Haythornthwaite, Co-Founder Robot Bike Co.

Veranstaltungstipp: Converge 2016

Mehr über einzigartige Projekte wie dieses, bei dem Design und Technologie für die Entwicklung wahrhaft innovativer Produkte zusammenspielen, erfahren Sie auch auf der Converge 2016, die vom 20. - 21. September in Essen stattfindet. Die Converge Europe, eine Plattform für den Austausch mit kreativen Pionieren, findet in diesem Jahr zum ersten Mal statt und wird von Solidthinking ausgerichtet. Mehr erfahren und anmelden: event.converge2016.com/europe (mz)

Rückblick 1. Anwendertreff Leichtbau der konstruktionspraxis-Akademie

Der 1. Anwendertreff Leichtbau informierte am 01./02.06.2016 in Würzburg mit Vorträgen über die wichtigsten Leichtbauwerkstoffe und Leichtbaustrategien für den Maschinen-, Anlagen-, Geräte- und Fahrzeugbau. Ergänzend fanden praxisorientierte Workshops statt, in denen konkrete Fragen diskutiert wurden. Der Anwendertreff Leichtbau führte so Konstrukteure und Produktentwickler mit Experten zusammen und bot ein Forum zum gegenseitigen Austausch. Die Matchmaking-Plattform wurde durch eine begleitende Fachausstellung abgerundet.

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1. Anwendertreff Leichtbau 2016
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