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Die Bedeutung von 3D-Druck in der Fahrradentwicklung

Die Möglichkeiten rund um das Thema 3D-Druck erleben einen regelrechten Hype. Mittlerweile nutzen selbst Hobby-Tüftler kleine, kompakte Geräte um ihre kreativen Ideen dreidimensional umzusetzen. Seit mehreren Jahren hat der 3D-Druck auch im Engineering von ROTWILD einen festen Platz eingenommen und wird in der Konstruktionsphase neuer Bikes immer wichtiger.

Wie setzt ROTWILD 3D-Druck im Engineering ein?

Im Entwicklungsprozess eines ROTWILD Bikes entsteht eine Vielzahl an 3D-gedruckten Teilen, ausgehend von der Konstruktion am Bildschirm bis hin zum fertigen Modell. Jede Form und jedes Bauteil durchlaufen dabei eine eigene, umfangreiche Entwicklungsphase im Zusammenspiel mit der gesamten Konstruktion. Hierbei dient das Herstellen von einzelnen Teilen im 3D-Druck vorrangig zur Überprüfung des Projekts.

Die vielfältigen Möglichkeiten, welche die 3D-Drucktechnologie bietet, sind zu einem festen Bestandteil im ROTWILD Engineering geworden. Schon in frühen Entwicklungsphasen lassen sich 3D-Modelle vom Rechner in reale Bauteile übertragen.

Viele Teile aus dem 3D-Drucker entstehen in Kunststoff. Einzelne Strukturbauteile können aber auch im Metalldruckverfahren aus Aluminium oder Stahl hergestellt werden. Diese bieten den großen Vorteil, dass sie schon in der Prototypenphase als belastbare Bauteile in Fahrversuchen eingesetzt werden können.

Vorteile von 3D-Druck Verfahren

Die Entwicklung eines neuen Bikes ist aufwändig und komplex. Von der ersten Idee bis zum finalen, serienreifen Produkt vergehen oft mehr als zwei Jahre. In dieser Zeit müssen einzelne Konstruktionsschritte immer wieder überprüft werden. Der 3D-Druck ist dafür ein effizientes und schnelles Tool. Die Technologie des 3D-Drucks bietet hierbei zwei wesentliche Vorteile:

  • Die Einzelstückfertigung oder die Produktion kleiner Serien erspart Formen- und Werkzeugbau sowie das aufwändige Programmieren von CNC Maschinen.
  • Die Umsetzung komplexer Strukturen funktioniert schnell und es muss nur wenig Material eingesetzt werden.

Auch die neue Quick Release Akku Schnellentnahme für die IPU375 entstand vorab in mehreren Iterationsschritten mit Hilfe von 3D-Druck. Ziel war ein Mechanismus mithilfe dessen sich die Batterie einfach und sekundenschnell auf Knopfdruck entriegeln und entnehmen lässt.

Ergänzend zur Konstruktion am Rechner lassen sich durch den 3D-Druck Dimensionen, Bauräume und mögliche Konstruktionsprobleme bereits vor dem aufwändigen und kostenintensiven Formenbau des Rahmens analysieren. Notwendige Änderungen werden so frühzeitig erkannt und die Konstruktion kann entsprechend angepasst werden.

Entwicklungsingenieur Christoph Scheuvens erläutert: "Es ist ein großer Unterschied, ob ich eine Konstruktion nur am Bildschirm sehe, oder ob ich die Möglichkeit habe, einen realen Rahmen in Originalgröße – auch wenn er noch aus Kunststoff ist – zu einem Komplettrad aufzubauen. Das gibt mir vom finalen Produkt einen ganz anderen Eindruck, wir sehen den Formfaktor und das Design im richtigen Maßstab. Dieser 1:1 Modellbau ist schon zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung möglich."

Wie läuft der Prozess ab?

Mächtige Software-Tools sind permanente und unentbehrliche Begleiter im Entwicklungsprozess. Ausgehend von der dreidimensional angelegten CAD Konstruktionszeichnung wird ein zusätzliches Dokument erstellt, das die sogenannten Funktionsflächen, wie beispielsweise Gewindedurchmesser, exakt definiert. Anschließend muss der Werkstoff ausgewählt werden, aus dem das gedruckte 3D Modell entsteht. Das ROTWILD Engineering arbeitet hier intensiv mit den Spezialisten der Fa. Sauer Product zusammen. Dort wird die finale Bauteil-Datei in einzelne Schichtinformationen zerlegt, auf die entsprechende Maschine eingespielt und der Druckprozess gestartet. Die abschließende Nachbearbeitung erfolgt je nach Verwendungszweck bis hin zur Lackierung.

Nur mit Know-how und EDV-Unterstützung funktioniert das Einstellen der Daten und die Übertragung an den 3D-Laserdrucker für das gewünschte Ergebnis.

Innovatives Verfahren Metalldruck

Der Metalldruck ist ein innovatives und erst seit wenigen Jahren verfügbares Verfahren zum Herstellen von metallischen Werkstücken. Wie bei den herkömmlichen spanenden Bearbeitungsverfahren (CNC) wird das Bauteil unmittelbar aus den 3D-CAD-Daten aufgebaut. Der Unterschied zum CNC-Verfahren besteht darin, dass das Bauteil nicht aus einem Block herausgearbeitet wird, sondern gewissermaßen aus dem Nichts entsteht bzw. wächst.

Schicht für Schicht arbeitet der Laser das finale Bauteil heraus. Dieser Vorgang zieht sich über mehrere Stunden, am Ende steht dafür ein funktionsfähiges und belastbares Bauteil.

Dabei werden Metalle in Pulverform durch einen hochenergetischen Laserstrahl mit hoher Energiedichte aufgeschmolzen. Der Aufbau der Bauteile erfolgt Schicht für Schicht. Nach jedem Laserdurchlauf fährt die Platte mit dem Metallpulver einen Schritt nach unten und das Metallpulver wird gleichmäßig neu verteilt. Dieser Vorgang wieder holt sich, bis das komplette Bauteil fertiggestellt ist.

Am Ende des Laserdruck-Vorgangs lässt sich das finale Bauteil bereits erkennen.

Die Dichte der Bauteile, die in diesem Verfahren gefertigt werden, entspricht annähernd dem Grundwerkstoff und damit auch dessen mechanischen Eigenschaften – es ist also kein poröses Material. In der Fahrwerks- und Geometrieentwicklung der ersten R.E375 Prototypen hat sich das ROTWILD Engineering bewusst für diese Form des 3D-Drucks entschieden.

Frisch aus dem Drucker, vor dem Einsatz im Prototypen-Bike erfolgen jedoch noch aufwändige Finish-Arbeiten und mehrere Kontrolldurchläufe.

Ausgiebige Prototypen-Tests dank 3D-Druck

Der Einsatz von 3D-Metalldruck sorgte speziell in der Prototypen-Phase des R.E375 für einen entscheidenden Vorteil: Denn Monate bevor die ersten neuen Shimano EP8 Motoren überhaupt lieferbar waren, konnten wir im Gelände intensive Testfahrten unter Realbedingungen absolvieren.

Funktioniert es wie am Rechner konstruiert? Auch bei 3D-gedruckten Bauteilen ist die erste Montage immer ein besonders spannender Moment.

Hierzu fertigten unsere Ingenieure im 3D-Druck eine spezielle Tretlager-Konstruktion, die anstelle des Motors in den Rahmen eingebaut wurde. Damit war der Prototyp des neuen R.E375 auch ohne E-Antrieb voll einsatzbereit. So konnten wir über ein ganzes Jahr zahlreiche Testfahrten auf den Trails absolvieren und in der Praxis überprüfen, ob Fahrwerk und Geometrie zum geplanten Einsatzbereich passen. Bevor das Bike dann endgültig in Serie ging, ermöglichte erst der Einsatz des 3D-Metalldruck optimale Feinabstimmungen der Fahreigenschaften.

Platzhalter: Anstelle des neuen Shimano EP8 Motors sitzt hier die extra entwickelte Tretlager-Konstruktion zur Montage von Kurbeln und Antrieb.

Dieses Beispiel zeigt, dass sich Mithilfe der 3D-Drucktechnik die Produktionszeit für fahrtüchtige Prototypen enorm verkürzen lässt. So bleibt bis zur Serienfertigung mehr Zeit neue Bike-Konzepte ausgiebig zu testen und so zu optimieren, dass echte Innovationen spürbare Verbesserungen in der Bike-Performance bringen.

Ready for the first ride! Passen Geometrie und Ansprechverhalten des Fahrwerks? Intensive Fahrversuche mit diesem ersten Prototypen des R.E375 erfolgten über mehrere Monate auf unseren Local Trails. Dank 3D-Druck auch ohne Motor möglich.

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