Neben dem klassischen Prototyping liegen die grossen Vorteile des Additive Manufacturing in der Auslegung und Konstruktion von individualisierten Bauteilen. Eine mögliche Herangehensweise soll hier am Beispiel eines personalisierten Bauteils für ein Profisportgerät vorgestellt werden.
Ausgangslage
Eines der grössten Einsatzgebiete für die additive Fertigung ist das Erstellen von individuellen Produkten. In diesem Anwendungsbesipiel geht es um einen Liegeaufsatz für den Lenker eines speziellen Zeitfahrrads für einen Triathleten, das sogenannte Aerobar. Mit der auf den Profisportler individuell angepassten Ausrüstung wird ihm ermöglicht, auf sein volles Potential zugreifen zu können.
Statt des gebogenen Rennlenkers hat ein Triathlon Bike einen Liegeaufsatz, bestehend aus dem Aerobar, in Kombination mit einem Hornlenker. Der Liegeaufsatz dient zur Verbesserung des Luftwiederstandes. Untersuchungen haben ergeben, dass ein normaler Radfahrer 90% seiner Leistung für die Überwindung des Luftwiederstandes benötigt. Die liegende Haltung sowie die Verschmälerung der Silhouette des Fahrers auf dem Triathlonrad senkt den Luftwiederstand merklich.
Mit der Neuentwicklung des Aerobar sollten die folgenden Bedingungen erfüllt werden:
- Nutzung der Möglichkeiten des Additive Manufacturing
- Verbesserte Ergonomie
- Bessere Aerodynamik
- Gleiche oder bessere Festigkeiten und Steifigkeiten
- Möglichst gleiches Gewicht wie die bisherige Lösung
Umsetzung
Bevor mit der Festigkeitsauslegung gestartet wurde, war es erforderlich das geeignetste Fertigungsverfahren zu evaluieren. Jedes AM-Verfahren hat wieder seine eigenen Besonderheiten. Das Bauteil sollte aus Kunststoff gefertigt werden. Als Ergebnis fiel die Entscheidung auf das selektive Lasersintern (SLS). Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass es isotrope Eigenschaften bezüglich der Festigkeit in allen Baurichtungen bietet.
Um die optimale Innenstruktur im Aerobar zu erhalten, wurden die einwirkenden Kräfte ermittelt und verschiedene Prototypen der Strukturen gefertigt und getestet. Damit konnten die Ergebnisse aus den FEM-Berechnungen verifiziert werden.
Zur Erzeugung der personalisierten Geometrie wurde ein Ergonomie-Prüfstand entworfen, um anschliessend mit Knetmasse die optimale Form der Unterarmauflage und der Handgriffe zu ermitteln. Dieser Abdruck wurde mit einem professionellen Scan-System digitalisiert. Zur besseren Weiterverarbeitung mussten die Scandaten, bestehend aus einer Punktewolke, in einen CAD-System zu einem parametrischen Körper verarbeitet werden. Somit konnte nun die getestete Innenstruktur mit der ergonomischen Aussenhülle vereint werden.
Um die Forderungen an die Aerodynamik umzusetzen, wurde zur Befestigung am Lenker ein aerodynamisch optimiertes Profil konstruiert. In einem letzten Schritt wurden alle "harten" Übergänge geglättet.
Weitere Wünsche des Profisportlers wie die Integration des Schaltknopfes für die elektronische Kettenschaltung, ein dafür erforderlicher interner Kabelkanal sowie eine optimale Befestigung des Fahrradcomputers konnten auch umgesetzt werden.
Nach der Fertigung durch den SLS-Prozess erfolgten einige Nacharbeitsschritte. Die Oberfläche und die inneren Strukturen wurden gründlich vom Restpulver befreit. Anschliessend wurde die Oberfläche mechanisch egalisiert damit im nächsten Schritt eine gleichmässige Einfärbung erfolgen konnte. Folgend wurde das Bauteil chemisch geglättet und zuletzt mit einem speziellen Infiltrat behandelt. So ist das Bauteil nicht nur gegen Schmutz und Schweiss unempfindlich, sondern auch gegen eine mögliche Wasseraufnahme perfekt geschützt.
Fazit
Der erste Test mit dem Profisportler ergab eine sehr positive Rückmeldung. Die Steifigkeit ist fühlbar besser als bei der Standardlösung mit den Carbon-Rohren. Auch die Ergonomie konnte überzeugen. Durch die schmale aber längere Unterarmauflage entsteht ein angenehmeres Fahrgefühl. Auch die Handgriffe mit den Schaltknöpfen konnten überzeugen, wie auch die verbesserte Position des Fahrrad-Computers.
