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Anwendungen im Rampenlicht: 3D Druck – Fahrrad

Der 3D-Druck erweitert die Branche der Fahrradherstellung um eine neue Dimension, indem er dazu beiträgt, leichtgewichtige Fahrräder herzustellen und gleichzeitig die Produktion von maßgeschneiderten Fahrradkomponenten zu beschleunigen.
 
Diese Woche setzen wir unsere Serie 3D-Druckanwendungen im Rampenlicht fort und beschäftigen uns mit dem Einsatz von 3D-Druck in der Fahrradproduktion sowie den Vorteilen und den aktuellen Anwendungen.
 
Die Ausgabe der letzten Woche, 3D-Druck für Kugellager, lesen Sie hier.
 

Was macht den 3D-Druck zu einer guten Lösung für die Fahrradherstellung?

Stahl ist traditionell immer noch der bevorzugte Werkstoff für die Fahrradherstellung. In den letzten Jahren liegt der Trend jedoch bei leichten Materialien wie Titan und Kohlefaser, die unter anderem dazu beitragen können, das Gesamtgewicht eines Fahrradrahmens zu reduzieren.
 
Ein leichtes Fahrrad bietet dem Radfahrer eine Reihe von Vorteilen. Zum einen können Radfahrer schneller und leichter bergauf fahren. Zweitens ist es einfacher zu transportieren und zu tragen. Schließlich ist ein leichteres Fahrrad während der Fahrt leichter zu kontrollieren und reagiert auch schneller auf die Bewegungen des Fahrers reagieren. Dies bietet besonders im Sport entscheidende Vorteile für den ehrgeizigen Radfahrer.
 
Die Herstellung von Titan- oder Kohlefaserfahrrädern innerhalb von herkömmlichen Herstellungsmethoden ist jedoch nicht zuletzt aufgrund der zeitaufwändigen und oft arbeitsintensiven Herstellungsprozesse eine Herausforderung. Fahrradrahmen aus Kohlefaser werden z.B. aus mehreren Teilen hergestellt, und es ist erforderlich, dass jedes Teil manuell hergestellt wird. Die Herstellung von Titanrahmen ist nicht weniger manuell, da Stunden für das Schweißen und Zusammenbinden von Rahmenteilen aufgewendet werden müssen.
 
Der 3D-Druck bietet dagegen eine bessere Möglichkeit, Teile aus Titan und Kohlefaser herzustellen.
 
Zum einen ist der 3D-Druck ein digitaler Fertigungsprozess, bei dem 3D CAD Modelle verwendet werden. Dies bedeutet, dass ein Teil direkt hergestellt werden kann, ohne dass spezielle Werkzeuge dazu erforderlich sind.
 
Darüber hinaus kann der 3D-Druck den Fahrradherstellern möglicherweise helfen, Zeit zu sparen und die Markteinführung zu beschleunigen. Fahrraddesigner können viel mehr Gestaltungsmöglichkeiten ausloten, die sie mit herkömmlichen Herstellungsmethoden nicht erreichen würden.
 
Neben Rahmen können mit dem 3D-Druck auch funktionale Fahrradkomponenten wie Lenker, Kettenhalter, befestigende Teile (kleine Laschen in einem Rahmen oder einer Gabel, an denen die Radachse befestigt ist) und Dübel (Teile, die zum Befestigen eines Rahmens verwendet werden) hergestellt werden.
 

Die Vorteile des 3D-Drucks für die Fahrradproduktion

Design Flexibilität

Fahrrad mit Titanrahmen 3D gedruckt [Bildnachweis: Empire Cycles]
Fahrrad mit Titanrahmen 3D gedruckt [Bildnachweis: Empire Cycles]

 
Einer der größten Vorteile des 3D-Drucks ist die Designflexibilität Dies bietet für Fahrradhersteller eine besondere Attraktivität. Mit dem 3D-Druck können Fahrradhersteller Teile mit komplexen Formen konstruieren die sonst nicht herstellbar wären. Dies gibt ihnen die Möglichkeit, die Fahrradleistung durch die Konstruktion von Leichtbauteilen zu optimieren. Dies kann durch Topologieoptimierungssoftware und Gitterstrukturen erreicht werden.
 
Die Topologieoptimierungssoftware verwendet komplexe Algorithmen, um die Materialverteilung eines Teils zu optimieren. Dies bedeutet, dass die Software anhand spezifischer Parameter die Bereiche bestimmt in denen das Material entfernt werden kann, ohne die Festigkeit des Teils zu beeinträchtigen.
 
So hat beispielsweise das britische Fahrradherstellerunternehmen Empire Cycles in Zusammenarbeit mit dem 3D-Druckerhersteller Renishaw einen topologisch optimierten Titan-Fahrradrahmen entwickelt. Renishaw entwickelte ein neues Rahmendesign, das 33% leichter war als das Original. Das optimierte Design zeichnet sich durch hohle Strukturen und kundenspezifische Elemente aus, die mit herkömmlichen Verfahren kaum zu erreichen sind.
 

Erschwingliche Anpassung

 

3D gedrucktes maßgeschneiderte Stahldübel [Bildnachweis: ExOne]
3D gedrucktes maßgeschneiderte Stahldübel [Bildnachweis: ExOne]

 
Wenn es um die Herstellung von Fahrrädern geht, spielt Individualisierung eine große Rolle. Die Anpassung verleiht dem Design eines Fahrrads nicht nur eine einzigartige Note, sondern kann auch die Leistung des Fahrrads selbst verbessern.
 
Die Designflexibilität des 3D-Drucks geht mit der Möglichkeit einher, Fahrradteile dank werkzeugloser Produktion kostengünstig anzupassen.
 
In einer Fallstudie verwendete das Fahrradingenieurunternehmen ideas2cycles den Metall 3D Drucker von ExOne, um eine Reihe von Stahl 3D gedruckten, benutzerdefinierten Fahrradteilen zu erstellen. Diese Teile umfassten Dübel, Halterungen, Befestigungen und Gabelkronen.
 
Die Herstellung personalisierter Fahrradkomponenten erfordert umfangreiche Handarbeit, da jedes Design ein Unikat ist und Spezialwerkzeuge teuer sind. Für ein kleines Unternehmen wie ideas2cycles wären diese Kosten unerschwinglich, wenn sie traditionelle Methoden anwenden müssten.
 
Dank der Metallbindemittel-Spritztechnologie von ExOne wurden die Teile jedoch in 4 Tagen hergestellt, anstelle von den 3 – 4 Wochen die traditionell für die Erstellung von Feingussmustern und die manuelle Änderung der Teile erforderlich gewesen wären. Darüber hinaus reduzierte der 3D-Druck die Herstellungskosten von 1.000 USD (einschließlich Arbeitsaufwand) um mehr als 50% auf 425 USD pro Baugruppe.
 
Hier sparte die direkte Herstellung der Bauteile mittels 3D Metalldrucks nicht nur Zeit und Geld, sondern ermöglichte es den Designern von ideas2cycles auch sich ohne herkömmliche Fertigungsbeschränkungen auf den kreativen Aspekt des Designs zu konzentrieren.
 

Schnellere Marktpräsentation

Bei Fahrrädern aus Kohlefaser kann der 3D-Druck die Vorlaufzeiten erheblich verkürzen.
 
Beispielsweise kann der Prozess der Entwicklung, des Prototyps und der Herstellung traditioneller Fahrradrahmen aus Verbundwerkstoffen fast ein Jahr dauern. Darüber hinaus ist der Herstellungsprozess überaus manuell und zeitintensiv. Rahmen können aus 20 bis 30 Teilen bestehen, die durch Überlagern von Folien aus dem Verbundmaterial von Hand hergestellt werden. Dieser mehrstufige und arbeitsintensive Prozess spiegelt sich oft in hohen Produktkosten wider.
 
Ein 3D-gedruckter Kohlefaserrahmen hingegen ermöglicht es den Fahrradherstellern den sehr langen Prozess der Markteinführung eines neuen Fahrrads weitaus zu verkürzen und zu vereinfachen.
 
Arevo ist ein Unternehmen, das eine Composite-3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Fahrradrahmen aus Kohlefaser entwickelt hat.
 

Arevo reduziert die Entwicklungs- und Produktionszeit für ein Carbon E-Bike von Monaten auf nur wenige Tage

Das Emery ONE E-Bike mit einem 3D-gedruckten Verbundrahmen [Bildnachweis: Arevo]
Das Emery ONE E-Bike mit einem 3D-gedruckten Verbundrahmen [Bildnachweis: Arevo]

 
Der Boutique-Fahrradhersteller Franco Bicycles hat eine neue E-Bike Linie mit einem 3D-gedruckten Verbundrahmen des kalifornischen Startups Arevo auf den Markt gebracht. Das Emery ONE E-Bike ist Teil der Emery Fahrradserie und damit das erste Fahrrad der Welt mit einem 3D-gedruckten Rahmen.
 
Einer der einzigartigen Aspekte bei der Herstellung des 3D-gedruckten Carbon Rahmens ist es, dass er als ein Einzelteil hergestellt wurde und nicht mehr als mehrteilige Baugruppe, wie sie für herkömmliche Fahrradrahmen typisch ist. Dies wird durch Arevos proprietären 3D-Roboterdruckprozess und die patentierte generative Design-Software ermöglicht.
 
Vor der Produktion optimiert die Arevo-Software das CAD-Design und ermöglicht die Anpassung der Rahmeneigenschaften.
 
“[Mit unseren Software-Tools] können wir die Steifigkeit in bestimmten Regionen des Fahrrads optimieren und auf Wunsch eine noch dynamischere Fahrt ermöglichen”, sagt Arevos Mitbegründer und CEO, Wiener Mondesir. „Ein 3D-gedruckter Rahmen… eröffnet dieser Branche die an den sehr langen Prozess der Markteinführung eines neuen Fahrrads gewöhnt ist ein neues Geschäftsmodell.“
 
Sobald das Design genehmigt ist, wird es von Arevos Roboter-3D-Drucker unter Verwendung von PEEK-Filamenten hergestellt, die mit durchgehenden Kohlefasern verstärkt sind. Der Drucker verfügt über einen Druckkopf, der an einem sechsachsigen Roboterarm befestigt ist.
 
Durch die Bewegung des Roboterarms kann der Druckkopf das Material kontinuierlich ablegen um die verbesserte Leistung des Teils sicherzustellen. Dieser Ansatz erzeugt einen einteiligen Rahmen, der in allen drei Dimensionen gleichmäßig stark ist.
 
Dank dieses Prozesses konnte die Vorlaufzeit für den Emery ONE Fahrradrahmen von einem 18-monatigen Zyklus auf nur wenige Tage reduziert werden. Darüber hinaus konnte das Unternehmen die Produktentwicklungskosten deutlich senken.
 

Revolutionierung der Fahrradherstellung durch 3D Druck

Der 3D-Druck bietet in der Fahrradproduktion eine Reihe einzigartiger Vorteile. Deshalb werden3D-gedruckte Komponenten von einer Handvoll von spezialisierten Fahrradherstellern in ihre Produkte integriert.
 
Zusätzlich zu den bereits erwähnten Herstellern nutzt das britische Unternehmen Reynolds den 3D-Metalldruck, um personalisierte Rahmenteile aus Edelstahl und Titan herzustellen. Das Unternehmen gibt an, dass der 3D-Druck es ermöglicht Teile mit saubereren Kanten und engeren Toleranzen herzustellen, was den zeitaufwendigen Montageprozess somit rationalisiert.
 
Wir sind jedoch weit davon entfernt den 3D-Druck in der Massenproduktion der Fahrradindustrie zu sehen. Derzeit wird der 3D-Druck hauptsächlich in einmaligen Projekten wie maßgeschneiderten High-End-Fahrrädern eingesetzt, bei denen die Vorteile für die Anpassung wirklich zum Tragen kommen.
 
Der 3D-Druck ermöglicht jedoch auch die Herstellung weitaus komplexerer Formen als dies beim Gießen oder Schmieden möglich ist. Letztendlich führt die Nutzung des 3D-Drucks in der Fahrradproduktion zu ästhetisch ansprechenden, leichten und leistungsstärkeren Fahrrädern.
 
In unserem nächsten Artikel beschäftigen wir uns mit dem 3D-Druck in der Dentalindustrie und hier speziell mit klaren Ausrichtern. Bleiben Sie dran!