03. NOVEMBER 2021 VON MAXIMILIAN KÖNIG

Fahrradrahmen aus Metall 3D-Druckteilen und Karbonrohren

Fünf Studierende der Fachrichtung Maschinenbau an der FH Wels haben mit SOLIDWORKS ein maßgeschneidertes Fahrrad entwickelt, das auf den Körpermaßen des Fahrenden basiert.

 

DI Gerald Zauner hat uns erzählt, wie das Projekt abgelaufen ist und wie SOLIDWORKS zur erfolgreichen Umsetzung beigetragen hat. DI Zauner unterrichtet an der HTL Wels und ist Lektor an der FH Wels für Konstruktion und Maschinenbau.

 

Was war der Grundgedanke des Projekts „Maßgeschneiderter Fahrradrahmen“?

Das IPRT Projekt der FH Wels im Wintersemester 2020 mit fünf Studierenden der Fachrichtung Maschinenbau hatte das Ziel, mithilfe der Ressourcen Metall 3D-Druck, der auf Karbonteile spezialisierten Firma PEAK Technologies, und dem CAD-System SOLIDWORKS, einen Fertigungsablauf zu entwickeln, der mit der Eingabe der Parameter von Radkategorie und Körperabmessungen beginnt, und beim fertigen Rahmen für das maßgeschneiderte Bike endet.

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Rahmenteile werden verklebt
Quelle: FH Wels
Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Rahmen wird verklebt
Quelle: FH Wels

 

Wie sind Sie und Ihre Studierenden and das Vorhaben herangegangen?

In die Geometrie eines Fahrradrahmens fließen unterschiedliche Parameter ein. Allem übergeordnet ist die Fahrradkategorie. Ein Rennrad erfordert eine andere Körperposition auf dem Rad als ein Mountainbike oder ein Reiserad. Aber auch bei Mountainbikes reicht das Spektrum vom abfahrtsorientierten Downhillbike mit engem Abstand zwischen Lenker und Sattel, aufrechter Sitzposition und einem eher flachen Lenkwinkel bis zum rennorientierten Marathonbike.

Steht die Disziplin fest, für die ein Rad gebaut wird, wird die Körpergeometrie des Fahrenden ermittelt. Ausschlaggebend sind die Abmessungen von Fuß, Unter-, Oberschenkel, Ober-, Unterarm sowie die Rumpflänge. Mithilfe all dieser Parameter kann die Geometrie des Fahrrads ermittelt werden.

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Aufnahme Teil an fertigem Rad
Quelle: FH Wels

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Rendering Fahrrad Visualize Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Rendering Fahrrad Visualize

 

Welche Aufgaben hat SOLIDWORKS bei der Entwicklung des Fahrradrahmens?

Die Eingabe aller Parameter und die Generierung der Rahmenabmessungen erfolgt in Excel. Das CAD-System liest diese Parameter ein. Sie dienen als Grundlage für die Masterskizze. Von dieser Masterskizze hängen sämtliche in SOLIDWORKS erzeugten Einzelteile des Rahmens ab. Neben den, im Fachjargon als „Inserts“ bezeichneten Verbindungsteilen, sind dies die Kohlefaserrohre, die mit den Verbindungsteilen zum fertigen Rahmen verklebt werden.

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Skizze

Im CAD-System werden weitere Parameter definiert, die nicht unmittelbar mit der Rahmengeometrie einhergehen. Die Wanddicke der Rohre und der Klebespalt zwischen Inserts und Rohren beeinflussen den Klebeprozess und die Steifigkeit des Rahmens.

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Screenshot Rahmen in SOLIDWORKS Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Screenshot Teil in SOLIDWORKS

 

Die Bauweise des Rahmens ermöglicht eine kurze Fertigungszeit. Das Gewicht ist in Relation zur Festigkeit und Steifigkeit niedrig und mit dem eines Rahmens in Vollkarbonbauweise vergleichbar. Etwa 65 Prozent des Gewichts entfallen dabei auf die Verbindungsteile. Der Herstellprozess Metall 3D-Druck bietet dabei besondere Möglichkeiten. Die Festigkeit des verwendeten Hochleistungsstahls liegt bei über 1000N/mm2. Die Wandstärken eines Bauteils können dabei etwa 0,5mm betragen.

 

Mittels FE Simulation bereits konstruierter Teile, können die zu erwarteten Spannungen simuliert werden und Wandstärken von Inserts korrigiert werden.

SOLIDWORKS bietet dazu das Tool der Topologieoptimierung, das diesen Arbeitsschritt automatisiert. Voraussetzung dafür ist die genaue Kenntnis der auftretenden Belastungen.

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Screenshot Rahmen SOLIDWORKS Topologieoptimierung Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Screenshot Rahmen SOLIDWORKS Topologieoptimierung

 

Wie haben Sie die Daten für die Zusammenarbeit bereitgestellt?

Wir haben auf die Masterskizze über die Dropbox zugegriffen. Das Projekt fiel teilweise in die Zeit, als die Studierenden pandemiebedingt zu Hause waren. Daher war es notwendig, dass alle Beteiligten auf die verschiedenen Bauteile und Änderungen in der Masterskizze zugreifen konnten. Die Dropbox ersetzt kein PDM-System, funktioniert aber bei überschaubaren Projekten ausreichend.

 

Mehr Informationen über Projekte und Studienrichtungen finden Sie auf der Website der FH Wels.

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Aufnahme fertiges Rad
Quelle Bilder: FH Wels

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Rendering Fahrrad Visualize

Fahrradrahmen Metall 3D-Druck Karbonrohre - Rendering Fahrrad Visualize

 

 

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