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Erster 3D gedruckter Fahrradrahmen aus Titan - Eine Kooperation von Renishaw und Empire Cycles

Renishaw, Großbritanniens einziger Hersteller einer generativen Fertigungsanlage zum Drucken von Metallteilen, hat sich mit einem führenden britischen Fahrradkonstrukteur/ -hersteller zusammengetan, um den weltweit ersten 3D-gedruckten Fahrradrahmen zu schaffen.

Dienstag, 4. Februar 2014

Renishaw, Großbritanniens einziger Hersteller einer generativen Fertigungsanlage zum Drucken von Metallteilen, hat sich mit einem führenden britischen Fahrradkonstrukteur/ -hersteller zusammengetan, um den weltweit ersten 3D-gedruckten Fahrradrahmen zu schaffen. Empire Cycles hat das Mountainbike extra so entwickelt, um sich Renishaws additive Fertigungstechnologie zu Nutze machen zu können. Der anhand der Topologieoptimierung entstandene Titanrahmen ist stabil und 33% leichter als der originale Rahmen.

Der Rahmen wurde im additiven Laserschmelzverfahren in Teilstücken aus einer Titanlegierung gefertigt und zusammengefügt. Das bietet eine Reihe an Vorteilen:

Gestaltungsfreiheit

  • Schnelle Iterationen; Flexibilität, Designverbesserungen bis kurz vor der Produktion durchführbar; 
  • Komplexe Topologieoptimierung bis hin zur Bionik (siehe unten) 
  • Optimale kundenspezifische Anpassung - sogar in der Serienproduktion

Konstruktion

  • Komplexe Geometrien mit integrierten Verstärkungen 
  • Vielfältige Möglichkeiten des Leichtbaus 
  • Integrierte Merkmale, wie z.B. Name des Fahrers

Hochleistungs-Titanlegierung

  • Sattelstützhalter 44% leichter als die Version aus Aluminiumlegierung 
  • Extrem stark – geprüft nach EN 14766 
  • Korrosionsbeständig und langlebig

Empire Cycles

Development process of the Empire Cycles 3D printed seat post

Empire Cycles ist ein einzigartiger, britischer Entwickler und Hersteller für Fahrräder in Nordwestengland. Das Unternehmen fertigt mit Leidenschaft hochwertige Produkte und bietet Mountainbikern und Downhill-Bikern innovative Designs.

Durch die Zusammenarbeit von Renishaw und Empire Cycles konnte das Fahrraddesign für die additive Fertigung optimiert werden und viele der nach unten zeigenden Oberflächen, die sonst unnötige Stützkörper benötigt hätten, eliminiert werden.

Optimale Festigkeitseigenschaften

Vertical force fatigue test diagram

Bei einer Verarbeitung mit additiven Fertigungsverfahren besitzen Titanlegierungen eine Zugfestigkeit von über 900 MPa, sowie eine nahezu perfekte Dichte von mehr als 99,7%; dies ist besser als jedes Gussverfahren und, da die Restporosität sowohl klein als auch kugelförmig ist, hat sie wenig Einfluss auf die Festigkeit.

Ziel des Projektes ist es, ein voll funktionsfähiges Fahrrad herzustellen; der Sattelstützhalter wurde gemäß Norm EN 14766 (Mountainbikes) geprüft und hat 50.000 Zyklen von 1.200 N standgehalten. Weitere Prüfungen mit bis 6-fach höherer Belastung als die Norm erfordert konnten ohne Ausfall durchgeführt werden.

Darüber hinaus ist gegenwärtig die Dauerfestigkeit gegenstand aktueller Untersuchungen, sowohl im Labor (Kooperation mit Bureau Veritas UK) als auch am Berg unter Verwendung von tragbaren Sensoren, (Kooperation mit der Swansea University).

Was ist eine topologische Optimierung?

Aus dem griechischen Wort für Ort "topo"; Topologieoptimierungs-Software sind Programme, die verwendet werden, um den "logischen Ort" für Material zu bestimmen - in der Regel unter Verwendung aufeinanderfolgender Schritte und einer Finite-Elemente-Analyse. Material wird aus den Bereichen mit geringer Belastung so lange entfernt, bis ein optimiertes Design für Stützlasten entsteht. Das daraus resultierende Modell ist sowohl leicht (aufgrund des geringen Volumens) als auch stabil. Die historische Herausforderung bei der Herstellung dieser Formen wird mithilfe der additiven Fertigung, bei der physische 3D-Modelle realisiert werden, überwunden.

Ultimativer Leichtbau

The entire bike frame was arranged in sections with the seat post bracket on one build plate and fabricated in one go

Titanlegierungen haben eine höhere relative Dichte als Aluminiumlegierungen (ungefähr 4 g/cm3 Titan, bzw. 3 g/cm3 Aluminium). Die einzige Möglichkeit, eine Gewichtsreduktion an einem Originalbauteil aus Aluminium durch die Verwendung einer Titanlegierungen zu erzielen,besteht also in einer wesentlichen Designänderung. Beim Ansatz für Leichtbaustrukturen wird jegliches Material, welches nicht zur Festigkeit des Bauteils beiträgt entfernt.

Der originale Sattelstützhalter aus Aluminiumlegierung hat eine Masse von 360 g und die hohle Version aus Titan 200 g - eine Gewichtseinsparung von 44%.

Dies ist aber nur der erste Schritt, weitere Ansätze, z.B. die forcierte Anwendung bionischer Strukturen mit komplexen Innengeometrien, versprechen weitere Einsparungen des Bauteilgewichts.
Insgesamt hatte der ursprüngliche Fahrradrahmen ein Gewicht von 2.100 g. Nach der Neugestaltung, zur Anwendung von additiven Fertigungsverfahren, fiel das Gewicht auf 1400 g - eine Gewichtseinsparung von 33%.

Zwar gibt es leichtere Fahrräder aus Kohlefaser, aber Chris Williams, Geschäftsführer bei Empire Cycles hat seinerseits gute Gründe gegen die Verwendung dieses Werkstoffes: "Die Lebensdauer von Kohlefaser steht in keinem Vergleich zu einem Metallfahrrad. Kohlefaser eignet sich wunderbar für Straßenräder, aber wenn man sich Berghänge runterstürzen möchte, riskiert man damit Beschädigungen am Rahmen. Meine Fahrräder sind überspezifiziert, um sicherzugehen, dass keine Mängelansprüche aufkommen."

Wie wurde das Projekt realisiert?

Complete bike with 3D printed titanium alloy frame and seat post bracket

Chris hatte bereits ein 3D-gedrucktes Modell (Maßstab 1 : 1) seines aktuellen Rads hergestellt, bevor er mit Renishaw in Kontakt trat. Er wusste also ziemlich genau, was er erreichen wollte.

Renishaw hatte ursprünglich zugestimmt, nur den Sattelstützhalter zu optimieren und herzustellen. Nachdem dies so erfolgreich vonstatten ging, wurde entschieden, dass der nächste Meilenstein durch ein im Laserschmelzverfahren hergestellten Fahrradrahmen definiert werden sollte. Renishaws Anwendungsspezialisten haben Chris sodann beraten, worauf hin dieser sofort eine Idee für ein neues Design hatte. Der Rahmen wurde in Segmente aufgeteilt, damit die 300 mm Bauhöhe der AM250 Anlage voll ausgenutzt werden konnte.

Der wesentliche Vorteil für Empire Cycles liegt in der Leistungsüberlegenheit, die diese Bauweise mit sich bringt. Das Design verfügt über alle Vorteile von gepresstem Stahl in Schalenbauweise, wie es für Motorräder und Autos verwendet wird, ohne jedoch in die Werkzeuge investieren zu müssen, was für einen kleinen Hersteller nicht tragbar wäre.

Die potenzielle Leistung wurde noch nicht vollständig erforscht, aber wir hoffen auf eine Weiterentwicklung des Projekts. Da keine Werkzeuge erforderlich sind, können kontinuierlich Verbesserungen am Design problemlos durchgeführt werden. Vorteilhafter Weise basieren die Komponentenkosten im Laserschmelzverfahren nicht auf der Komplexität, sondern ausschließlich auf dem Bauteilvolumen. Dadurch wird die Herstellung von komplexen Leichtbaustrukturen mit einem minimalen Kostenaufwand möglich.

Nachforschungen im Bereich Fügeverfahren führten dazu, dass das Haftmittel von Mouldlife geliefert und durch 3M, die technischen Spezialisten, die Prüfeinrichtungen bereitgestellt wurde. Wir werden dies zusammen weiter entwickeln und uns iterative Verbesserungen in Bezug auf die Fügeverfahren, wie z.B. spezifische Oberflächenbeschaffenheiten, vornehmen.

Laufräder, Antrieb und Komponenten zur Fertigstellung des Fahrrads wurden von Hope Technology Ltd geliefert.

Dieses Projekt hat gezeigt, dass durch eine enge Zusammenarbeit mit dem Kunden sehr gute Ergebnisse erzielt werden können. Wenn Sie eine Komponente haben, die von der additiven Fertigung profitieren könnte, kontaktieren Sie bitte Ihre Renishaw-Niederlassung für weitere Informationen.


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