Topologieoptimierung Rahmenkonstruktion neu gedacht

Anbieter zum Thema

Urwahn Engineering GmbH

Altair Engineering GmbH

invenio AG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

Der Fahrradhersteller Urwahn Bikes setzt mit Stahl zwar auf einen traditionellen Werkstoff, hat aber die Rahmenkonstruktion für seine Räder von Grund auf neu gedacht und dabei die Vorteile der 3D-Druck-Technologie genutzt – dank Topologieoptimierung konnte das Team das Gewicht des Stahlrahmens bei gleichbleibender Steifigkeit deutlich senken.

Für Radfahrer aller Alters- und Leistungsklassen ist das Gewicht ihres Zweirades ein wichtiger Faktor – entscheidet er doch über das Maß an Energie, den die Radler aufbringen müssen, um voranzukommen. Und ein geringes Gewicht spielt auch für einen ressourcenschonenden Rohstoffeinsatz eine wichtige Rolle.

Traditions-Stahl modern verarbeitet

Wo andere Hersteller deshalb auf leichtgewichtige Materialien wie Kohlefaser zurückgreifen, hat sich die Urwahn Engineering Gmbh, die mit ihren Urban Bikes, Gravel Bikes und Road Bikes bereits etliche Nachhaltigkeits-Preise gewonnen hat, bei ihrem Softride-Rahmenkonzept ganz bewusst für das Material Stahl entschieden. Urwahn kombiniert traditionelle Fertigungsverfahren mit additiven Technologien und schafft es dadurch, das Rahmengewicht so niedrig wie möglich zu halten und dabei höchste Performance und Funktionalität zu erreichen. Um den Stahlrahmen serienreif nach hohen Qualitätsstandards zu produzieren, arbeitet das Unternehmen für den 3D-Druck mit Partnern in Deutschland zusammen.

Simulation spielt zentrale Rolle im PEP

Doch Fahrräder müssen nicht nur möglichst leicht sein, auch zahlreiche sicherheitstechnische Anforderungen müssen erfüllt werden. Um weltweit anerkannte Test- und Belastungsszenarien nach der Norm DIN ISO 4210 und DIN ISO 15914 zu bestehen, müssen die Rahmen bestimmte Steifigkeitsvorgaben einhalten. Gleichzeitig müssen sie leicht sein, um den Materialeinsatz zu reduzieren und ein optimales Nutzererlebnis zu schaffen. Um hier die perfekte Balance herzustellen und die Funktionalität und Leistung zu maximieren, kommen bei Urwahn moderne Werkzeuge und disruptive Technologien zum Einsatz, wobei die Simulation bei dem Start-up eine zentrale Rolle spielt.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 6 Bildern

Das richtige Tool für den perfekten Rahmen

Während der Betreuung einer Bachelorarbeit über die Reduzierung der Wandstärke eines neuen Fahrradrahmens benötigten die Urwahn-Ingenieure ein Werkzeug, um die Struktur des Stahlrahmens zu optimieren. Das primäre Ziel war es, das Gewicht des Rahmens so weit wie möglich zu reduzieren, indem Bereiche wie 3D-gedruckte Rohr- und Verbindungselemente bis an die Material- und Funktionsgrenzen des Machbaren optimiert werden, und dabei die erforderliche Produktsicherheit zu gewährleisten.

Dazu konnte das Urwahn-Team nicht auf seine bestehende Simulationsumgebung zurückgreifen, da der abzubildende Prozess zu komplex und die Simulation zu zeitintensiv sein würde. Daher mussten die Entwickler eine geeignete Plattform finden, mit der sie Strukturen mit Verbesserungspotenzial identifizieren konnten und die ihnen dabei half, Bauteile im Hinblick auf die bestehenden, von der DIN ISO vorgeschriebenen Lastfälle zu untersuchen, die Simulationen durchzuführen und zeitnah eine optimierte Leichtbaulösung zu finden.

Am richtigen Rad gedreht

Zur Umsetzung dieser Ziele erhielt das Start-up Zugang zu Altair Inspire, einer Plattform für die Topologieoptimierung, die Urwahn im Rahmen des Altair-Start-up-Programms kostengünstig nutzen konnte. Dank der intuitiven Benutzerführung von Inspire konnte das Team sofort mit seinen Untersuchungen beginnen – ohne dass eine spezielle Schulung für die Simulationsumgebung notwendig war.

Um die Sicherheitsanforderungen der DIN ISO 4210 und 15194 zu erfüllen, mussten die Komponenten auf ihre Belastungen am Fahrrad getestet werden. Urwahn simulierte dafür fünf Lastfälle an der Stahlrahmenkonstruktion (drei dynamische Tests mit vertikalen, horizontalen und alternierenden Kräften sowie zwei statische Tests mit fallendem Rahmen und fallender Gabel), und untersuchte das Verhalten der einzelnen 3D-gedruckten Teile sowie die Auswirkungen der Materialverteilung auf das Verhalten des Gesamtsystems – immer mit dem Ziel, das Gewicht zu minimieren.

Simulation im Motorsport

Mehr Fahrspaß mit weniger Masse

Sicher ans Ziel

Im Ergebnis konnte das Team das Gewicht des Stahlrahmens bei gleichbleibender Steifigkeit deutlich senken. Nicht nur konnten die Wandstärken der Rohrkonstruktion um bis zu 15 Prozent reduziert werden, sondern die Ergebnisse von Inspire zeigten auch, dass es noch Raum für weitere Verbesserungen innerhalb der Sicherheitsvorschriften gibt. Für Urwahn Engineering ein großer Vorteil: Altair Inspire vereinfacht die Simulation und liefert schnelle und genaue Ergebnisse. Die mit der Software gewonnenen Erkenntnisse haben dem Team geholfen, die Wandstärke zu reduzieren und gleichzeitig die Steifigkeit des Stahlrahmens zu erhalten. Und sie werden auch zweifellos dabei helfen, das Bauteil-Design noch weiter an seine Grenzen zu führen.

Simulation

Leichtbau mit 3D-Druck auf die Spitze treiben

* Sebastian Meinecke, Gründer und Geschäftsführer der Urwahn Engineering GmbH

(ID:48630797)