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Fahrradteile aus dem Drucker

27.05.2013, 15:17 Uhr | Hanna Engler

Gedrucktes Ausfallende aus Titan. (Quelle: Charge Bikes)

Man sieht es dem Ausfallende nicht an, aber - es ist tatsächlich mit einem Druckverfahren aus Titanpulver hergestellt worden! (Quelle: Charge Bikes)

Gedruckte Fahrradkomponenten - leichter und robuster

Fahrradkomponenten, die aus dem Drucker kommen? Ja, das gibt es bald tatsächlich! Natürlich nicht aus einem herkömmlichen Papierdrucker - inzwischen gibt es eine spezielle Maschine, die aus Metallstaub einzelne Teile drucken kann. Das hat einige Vorteile gegenüber den üblichen Methoden der Fahrradkomponenten- herstellung, wenngleich das Verfahren zugegebenermaßen noch nicht völlig ausgereift ist. Momentan testet der Radhersteller Charge Bikes den Prozess und will bald einen Fahrradrahmen mit gedruckten Metallteilen herausbringen - sehen Sie die gedruckten Komponenten und den Rahmen in unserer Foto-Show. Zur Verdeutlichung des Druck-Verfahrens schauen Sie sich hier das Video (Englisch) dazu an.

Herkömmliche Methoden zur Herstellung von Fahrradkomponenten

Es gibt einige Methoden, wie einzelne Metallteile von Fahrrädern hergestellt werden: Stahlrohre und Speichen werden durch eine Art Düse gezogen, um die richtige Form zu erhalten; einige Strukturen wie Felgen sind extrudiert, also durch eine Form geschoben anstatt gezogen. Viele andere Komponenten werden mit Werkzeugen und unter großem Druck geschmiedet. Auch CNC(Computer Numerical Control)-Maschinen werden immer häufiger eingesetzt, um aus Rohmaterial oder von vorgeschmiedeten Teilen Einzelteile herauszufräsen.

Doch die Verfahren, ob CNC-Bearbeitung oder Schmieden, haben verschiedene Nachteile: Die Art der Formen, die man damit herstellen kann, ist begrenzt. Dazu haben die Maschinen einen hohen Aus- und Überschuss - oft 70 Prozent oder mehr des Rohmaterials landen im Schrott. Beim Schmieden kommen hohe Werkzeugkosten dazu: Verändert sich ein Fahrradteil, müssen die Werkzeuge angepasst oder neu hergestellt werden. Das bedeutet Zeitverlust und weitere Ausgaben.

Gedruckte Metallteile - die Lösung?

Ein vergleichsweise neues Verfahren bietet die Lösung für einige der Probleme: Beim "Direct MetalLaserSintern" (DMLS) wird das Fahrradteil wird nach einer computerbasierten Vorlage (CAD-Darstellung)einfach gedruckt. Damit sind alle Formen möglich, die mit dem Computer programmiert und vorgegeben werden. Das Element wird in Schichten, die nur wenige Mikrometer hoch sind (jede Schicht 0,03 Millimeter dick), aus feinem Metallpulver zusammengesetzt. Dabei arbeitet die Maschine mit Titan, Aluminium, Stahl,Gold und Platin. Zuvor konnten die Ingenieure von EADS (European Aeronautic Defence and Space Company, globaler Marktführer in den Bereichen Luft- und Raumfahrt und Verteidigung), die die AdditiveLayer-Methode entwickelten, bereits Kunststoffteile aus Nylon herstellen - Metall ist nun die nächste Stufe, die in Zusammenarbeit mit dem britischen Radhersteller Charge Bikes getestet wird.

Das Verfahren im Detail

Ein Laser schmilzt das Metallpulvergemäß derKonstruktion. Die entstandene Grundform wird dann mit der nächsten Ebene aus Metall überzogen. Diese Schicht wird ebenfalls geschmolzen und verbindet sich dabei mit der unteren Schicht und so weiter. So besteht die Fahrradkomponente am Ende aus einem einzigen Stück. Das übriggebliebene Metallpulver wird für den nächsten Druck verwendet, so dass kaum Abfallprodukte entstehen. Zudem lassen sich auch komplexe Teile herstellen: Hohlstrukturen stellen kein Problem dar, überstehendes Material kann leicht entfernt werden. Zudem können Wände extrem dünn und somit leicht produziert werden oder wahlweise auch stärker bei gleichem Gewicht.

Nach dem Druck wird die fertige Komponente in den Ofen geschoben. Raus kommt sie isotrop, also mit gleichmäßigenMaterialeigenschaftenin allen Ebenen, was eine starke Festigkeit garantiert und sie somit weniger anfällig für Risse, Brüche und ähnliches macht. Danach wird das gedruckte Teil in einer Poliermaschine voller Keramikkugeln fein geschliffen und am Ende getrocknet. Sobald das erledigt ist, ist das Titan so korrosionsbeständig, dass kaum zusätzlicher Rostschutz benötigt wird – es kann im Fahrradrahmen verbaut werden.

Titan – das Metall der Wahl

Das Druckverfahren ist vor allem für Fahrradteile aus Titan nützlich, da es ein relativ teures Metall ist und wenige Abfälle gleich wenig Geldverlust bedeuten. Dazu schmilzt es bei höheren Temperaturen (im Vergleich zu Aluminium beispielsweise) und kann so sehr präzise geschmolzen werden. Dazu ist Titan mit herkömmlichen Methoden schwer und damit teuer und zeitaufwendig zu produzieren, denn es ist extrem hart (insbesondere als6al/4vLegierung: 6% Aluminium und 4%Vanadium).

Die Zusammenarbeit mit Charge Bikes

Die Partnerschaft kam durch Zufall zustande: Der Radhersteller Charge Bikes war gerade dabei, dem Rahmen Freezer CX eine neue Form aus Titan zu geben (in der die Scheibenbremsen prominenter gesehen werden sollen), als zur gleichen Zeit EADS nach einer lokalen Fahrradmarke suchte, die die neue Technologie testen sollte. Nach einigen Tests stellte sich heraus, dass die Drucktechnik am besten für die Ausfallenden (Aufnahme für die hintere Achse) am Rahmen geeignet ist. Zunächst wurde also das neue Design am Computer programmiert, verworfen, verbessert, neu programmiert und in Kunststoff-Modellen geprüft, bis die endgültige Form feststand – um schließlich mit der Technologie von EADS das erste Werkstück aus echtem Titan zu drucken.

Das Design der Ausfallenden ist so, dass es mit keinem der üblichen Verfahren hätte hergestellt werden können – sie sind hohl und in der Finite-Elementen-Analyse (Methode in der Produktentwicklung, unter anderem zur mechanischen Festigkeitsberechnung einzelner Komponenten) stärker und gleichzeitig leichter als das, was mit einer CNC-Maschine hergestellt werden kann. Der neue Rahmen Freezer CX mit dem gedruckten Ausfallende soll in diesem Sommer für etwa 2000 Britische Pfund (rund 2400 Euro) erhältlich sein.

Verfahren noch nicht ausgereift

Doch es ist nicht alles Titan was glänzt: Die Technik steckt noch in Kinderschuhen! Der Zeitaufwand ist nämlich nicht so unerheblich wie die Techniker von Charge wohl gerne hätten. Die gesamte Laufzeit zur Herstellung eines Ausfallendes beträgt etwa 18 Stunden. Dazu kommen die Zeit im Ofen und etwa ein Tag für die Endbearbeitung in der Poliermaschine: Das ist nicht schnell. Und "nicht schnell“ ist gleich „teuer“ - was sich wiederum auf den Preis der Fahrradkomponente im Handel niederschlägt.

Momentan gibt es also nur wenige Anwendungen, bei denen das Prinzip eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Methoden darstellt. Doch die Techniker schauen positiv in die Zukunft: Sie haben das AdditiveLayer-Verfahren bei der Fertigung von Teilen fürLuft-und Raumfahrttechnik getestet. In einem Projekt konnten die Entwickler dank einer Verschachtelung auf der Basisplatte der DMLS-Maschine 50 Teile auf einmalproduzieren, die alle eine etwas andere Form aufwiesen. Das ist wohl der richtige Weg: Die Maschine wird weiterentwickelt, sie wird größer werden (um Platz für mehr und größere Komponenten zu haben), schneller und billiger – und irgendwann, wer weiß, wird vielleicht ein kompletter Rahmen gedruckt...

Weitere Informationen: www.chargebikes.com

Quelle: trax.de

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