Additive Fertigung Mit 3D-Druck zum maßgeschneiderten Fahrrad

Nur wenige Branchen haben so sehr von der Corona-Pandemie profitiert wie die Fahrradbranche – in Zeiten von Lockdown und Co. hatten sowohl E-Bikes als auch klassische Fahrräder Hochkonjunktur. Wie der 3D-Druck für individuellen Fahrspaß sorgen kann, zeigen wir hier an drei Beispielen.

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1. Individuelle Fahrradsättel machen Polsterungen in Fahrradhosen überflüssig

Die deutsche Designagentur DQBD verwendet den 3D-Drucker H350 von Stratasys, um kundenspezifische Fahrradsättel herzustellen. Durch die spezielle Bauweise werden Polsterungen in Radhosen überflüssig. SAM heißt der Fahrradsattel abgekürzt – die drei Buchstaben stehen für Saddle Additive Manufacturing. Additiv gefertigt werden bei dem gleichnamigen Projekt die tragenden Teile des Sattels. Und das kundenspezifisch und in großem Maßstab. Der 3D-Drucker H350 von Stratasys, der mit der SAF-Technologie arbeitet, bietet dafür die nötige Designflexibilität und Fertigungsqualität.

Personalisiert und nachhaltig

Der Sattel wird nach den Anforderungen des Kunden hergestellt und besteht aus einem 3D-gedruckten Unterteil sowie einem 3D-thermogeformten Sitzpolster. Die Geometrie wird auf den Körper des Fahrers abgestimmt, um eine perfekte Passform zu erreichen. Die Kombination von starren und flexiblen Zonen im Sattelrücken bietet Unterstützung und Anpassung genau dort, wo sie benötigt werden. Diese Bauweise bietet mehr Flexibilität und Komfort als andere Hochleistungssattel – der Fahrer ermüdet nicht so schnell und Polsterungen in Radhosen werden überflüssig.

Als Material verwendet DQBD den Kunststoff High Yield PA11 von Stratasys. Dieser biobasierte Kunststoff wird aus dem Öl des nachhaltig angebauten Rizinusbaums hergestellt. Die gesamte Sattelbaugruppe ist kleberfrei, sodass die Komponenten am Ende der Produktlebensdauer leicht getrennt werden können.

Fertigung mittels SAF-Technologie

Gefertigt werden die Sattelunterteile mit dem 3D-Drucker H350 von Stratasys, der mit der SAF-Technologie arbeitet. Die Selective-Absorption-Fusion-Technologie ist eine industrietaugliche additive Fertigungstechnologie, die einen Durchsatz auf Produktionsniveau für Endbauteile verspricht. Sie verwendet eine gegenläufige Walze, um Pulverschichten auf ein Druckbett aufzutragen, und druckt mit Absorberflüssigkeit die entsprechenden Geometrien. Die einzelnen Schichten werden verschmolzen, indem ein Infrarot-Strahler über das gesamte Druckbett geführt wird.

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2. Maßgefertigte Griffe reduzieren Handbeschwerden beim Fahrradfahren

Das Start-up Personomic ist eine Ausgründung der Universität Stuttgart mit dem Ziel, personalisierte Produkte für die Hand herzustellen. Die maßgefertigten Fahrradgriffe sind die erste Entwicklung von Personomic und werden seit Oktober 2021 am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) gefertigt.

Der neue Griff wurde von Beginn an zusammen mit Fahrradfahrern entwickelt und in mehreren Iterationsschleifen optimiert. So stand neben der perfekten Passform auch die Materialauswahl im Vordergrund: Während die meisten Fahrradgriffe aus Gummimischungen gefertigt werden, verwendet Personomic Silikon.

Der Grund: Die in Gummimischungen enthaltenen Weichmacher lösen sich mit der Zeit durch Umwelteinflüsse aus dem Material, welches dadurch klebrig wird. Silikon dagegen ist abriebfester und resistent gegen Verkleben. Darüber hinaus biete Silikon auch optimale Dämpfungseigenschaften. Diese sind für den Bereich der Handballenauflage wichtig, heißt es.

Additive Fertigung der Gussform

Um die personalisierten Silikongriffe fertigen zu können, kommt der 3D-Druck ins Spiel. Die für den Vakuumguss benötigten Gussformen stellt Personomic mithilfe der Stereolithographie additiv her. Dafür ging das Start-up eine Kooperation mit Rapid Shape, einem Hersteller automatisierter hochauflösender DLP-Produktionsanlagen ein. Die 3D-gedruckten Gussformen sind das Abbild der auf die Nutzerhand personalisierten Griffe. Ihre Oberfläche, und damit die des späteren Griffes, kann individuell konfiguriert werden. Es gibt insgesamt 350 mögliche Designkombinationen. Der Kunde wählt dabei aus verschiedenen Texturen und versieht den Griff auf Wunsch mit einer Gravur. Außerdem können Silikon und Klemmring in verschiedenen Farben nach Belieben kombiniert werden.

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Wie der personalisierte Griff automatisiert entsteht

Das Start-up hat zur Produktion der Fahrradgriffe eine zum Patent angemeldete Prozesskette entwickelt, mit der automatisiert gefertigt werden kann. Sie besteht aus vier Schritten:

• 1. Handscan: Um die Griffe möglichst einfach einer breiten Masse zugänglich zu machen, setzt Personomic auf ein einziges Foto zum Vermessen der Hand. In einem geführten Prozess wird über den Smartphone-Browser ein Foto der Hand auf einem DIN-A4-Blatt aufgenommen. Dieses dient als millimetergenaues Referenzobjekt.

• 2. Digitaler Zwilling: Die relevanten Handmaße werden mithilfe einer Machine-Learning-Pipeline bestimmt. Tiefeninformationen werden dabei statistisch interpoliert. Mit diesen Daten wird ein digitaler Zwilling der Nutzerhand generiert.

• 3. Virtueller Abdruck: Die Software von Personomic simuliert die ideale Griffposition des digitalen Zwillings. Dabei wird die Form der Hand auf einen Griffrohling übertragen. Dieser entspricht somit der Negativform der Hand. In einem mehrstufigen Finishing-Prozess wird der Griff geglättet und optisch aufgewertet.

• 4. Fertigung: Die Fertigung erfolgt im Vakkumguss. Die Herstellung der dafür benötigten Gussform erfolgt in industriellen 3D-Druckern. Die Gussform wird im Anschluss unter Vakuum mit Silikon befüllt.

3. Wie kundenindividuelle Fahrradrahmen hergestellt werden können

Verschiedene Rahmengrößen bei Fahrrädern gibt es schon immer. Individuelle Zwischengrößen, die auch das Gewicht des Fahrers berücksichtigen, sind jedoch neu. Innerhalb eines Forschungsprojektes sollen solche individuellen Produkte mittels Umformen und 3D-Druck automatisiert entstehen.

Im Projekt Customized Production System will ein Team der Fachhochschule Südwestfalen maßgeschneiderte Produkte vollautomatisiert fertigen. Die entstehenden Produkte sollen leicht, groß und belastbar sein. Und sie sollen in einer Kombination aus Umformtechnik und 3D-Druck hergestellt werden. Als Versuchsobjekt wurde ein Fahrrad gewählt. Wie die Fachhochschule mitteilt, wird der Rahmen des Fahrrades aus gebogenen Rohren und bionisch optimierten, 3D-gedruckten Verbindungsknoten hergestellt. Dabei werde er individuell auf Größe und Gewicht des Fahrers abgestimmt.

Jeder Rahmen hat einen digitalen Zwilling

Im Konstruktions- und Produktionsprozess wird jeder Fahrradrahmen zunächst als digitaler Zwillingangelegt, heißt es weiter. Dies ermögliche einen vollautomatisierten Produktionsprozess: Zuerst werden die Rahmenprofile aus hochfestem Aluminium umgeformt. Dann fertigt ein Roboter mit 3D-Druckkopf die Verbindungsknoten aus Kunststoff um den Rahmen herum. Dazu muss der Druckkopf sechsachsig geführt werden, um Kollisionen mit den Bauteilen zu vermeiden und die Druckschichten optimal an der Bauteilgeometrie auszurichten.

Laut Fachhochschule Südwestfalen bietet das Verfahren einige Vorteile:

• So könnten Fahrräder oder Prothesen aus Aluminiumprofilen und Kunststoff kostengünstiger gefertigt werden als aus Kohlefaser.

• Für Medizinprodukte ergäben sich sinnvolle Anwendungen in Entwicklungs- oder Schwellenländern.

• Im Vergleich zu vollständig aus Kunststoff gedruckten Bauteilen schneide die Multimaterial-Struktur aus Kunststoff und Metall vor allem in puncto Fertigungszeit, Belastbarkeit und Recyclingfähigkeit besser ab.

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