ANWENDERBERICHT

Materialise liefert innerhalb von sechs Wochen einen voll funktionsfähigen 3D-gedruckten Fahrradrahmen aus Metall an Kalkhoff

5 Min. Lesezeit

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Die Produktion eines Fahrrads dauert Jahre, daher ist es für Fahrradhersteller von entscheidender Bedeutung, jede einzelne Produktionsphase richtig zu gestalten. Eine kritische Phase der Produktentwicklung ist die Prototyping-Phase. In dieser Phase können die Eigenschaften des Fahrrads – wie Geometrie, Komfort und Stützkraft – getestet werden, bevor endgültige Anpassungen für die Produktion vorgenommen werden.

Die Produktion eines Fahrrads dauert Jahre, daher ist es für Fahrradhersteller von entscheidender Bedeutung, jede einzelne Produktionsphase richtig zu gestalten. Eine kritische Phase der Produktentwicklung ist die Prototyping-Phase. In dieser Phase können die Eigenschaften des Fahrrads – wie Geometrie, Komfort und Stützkraft – getestet werden, bevor endgültige Anpassungen für die Produktion vorgenommen werden.

Herausforderung

Erstellung eines 3D-gedruckten Prototyps eines neuen E-Bikes

Kalkhoff ist ein deutscher Fahrradhersteller mit mehr als 100 Jahren Erfahrung in der Fahrradindustrie. Dank seiner langjährigen und bewegten Geschichte weiß das Unternehmen, worauf es bei der Herstellung eines guten Fahrrads ankommt. Dennoch ist die Produktentwicklung für ein neues Kalkhoff-Fahrrad immer ein Balanceakt. Insbesondere müssen die Designer die einzigartige Geometrie des Kalkhoff E-Bikes beibehalten und gleichzeitig die in das Design integrierten zusätzlichen Teile und Anbauten berücksichtigen. Das Unternehmen strebt nach komfortablen, wendigen und zuverlässigen Fahrrädern, um jedem Kunden ein unbeschwertes und angenehmes Fahrerlebnis zu ermöglichen.

Um diese Ziele zu erreichen, testet das Unternehmen die Räder eines jeden Fahrrads über die üblichen Anforderungen der Branche hinaus. Normalerweise müssen Räder einer Belastung von bis zu 150 kg standhalten – einige Hersteller verzichten jedoch auf solche Tests. Im Vergleich mit anderen halten die Räder von Kalkhoff rund 170 kg aus. „Unser Unternehmen ist stolz darauf, seinen Kunden die Möglichkeit der Freiheit und Unabhängigkeit beim Radfahren zu bieten“, sagt Rik Maes, Industriedesigner der Kalkhoff Derby Cycle Werke GmbH. „Radfahren soll unser Firmenmotto widerspiegeln: ‚Kalkhoff moves you everywhere‘“, sagt er.

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Normalerweise müssen Räder Lasten von bis zu 150 kg aushalten, während die Rahmen von Kalkhoff rund 170 kg standhalten können. Quelle: Kalkhoff.

Um dieses Niveau aufrechtzuerhalten, stützt sich das Unternehmen auf strenge Tests, die während der Prototyping-Phase durchgeführt werden. Kalkhoff braucht fahrbare Modelle, an denen Standard- und Sonderteile montiert und überprüft werden können, um das Design zu perfektionieren. Die Prototypen müssen also genauso aussehen und sich genauso anfühlen wie das endgültige Fahrrad. Da dies mit Kunststoffrahmen nur schwer zu erreichen ist, suchte das Unternehmen nach anderen Möglichkeiten – vor allem interessierte es der Metall-3D-Druck.

Lösung

3D-gedruckte Prototypen aus Metall, die vor Ort von AM-Experten hergestellt werden

Kalkhoff previously used Materialise Manufacturing for plastic printed prototypes and was impressed by the service and quality. However, the Kalkhoff team recently became aware of Materialise’s aluminum 3D printing capabilities at a trade fair and further explored this avenue for their new e-bikes. “Kalkhoff is already a well-known customer of ours, which simplified things. And as our new Metal Competence Center for 3D printing in Bremen is close to Kalkhoff’s headquarters in Cloppenburg, it seemed obvious to continue the relationship for this project,” says Philip Buchholz, Innovation Manager Metal 3D Printing at Materialise. 

Initially, Kalkhoff’s design and engineering team created the 3D models and converted them into a printable file. The team then worked with Materialise to optimize the designs and choose the most favorable aspects before printing the model. Finally, the multi-part frame was welded, heat-treated, and straightened by a dedicated chain of suppliers and additive manufacturing (AM) experts. “Kalkhoff benefited from our expertise and state-of-the-art 3D manufacturing network that processes over 30 materials when switching from plastic to metal,” explains Philip. 

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Kalkhoff hatte Materialise Manufacturing bereits zuvor für gedruckte Kunststoffprototypen genutzt und war von dem Service und der Qualität beeindruckt. Vor kurzem wurde das Team von Kalkhoff jedoch auf einer Messe auf die Möglichkeiten des 3D-Drucks von Aluminium, den Materialise im Portfolio hat, aufmerksam und entschied sich, diesen Weg für seine neuen E-Bikes weiter zu verfolgen. „Kalkhoff ist ein uns bereits sehr vertrauter Kunde, was die Sache vereinfachte. Da unser neues Metall-Kompetenzzentrum für 3D-Druck in Bremen zudem in der Nähe des Kalkhoff-Hauptsitzes in Cloppenburg liegt, schien es offensichtlich, die Geschäftsbeziehung für dieses Projekt fortzusetzen“, sagt Philip Buchholz, Innovation Manager Metall-3D-Druck bei Materialise.

Zunächst erstellte das Design- und Ingenieurteam von Kalkhoff die 3D-Modelle und wandelte sie in eine druckbare Datei um. Das Team arbeitete dann mit Materialise zusammen, um die Entwürfe zu optimieren und die vorteilhaftesten Merkmale auszuwählen, bevor das Modell gedruckt wurde. Schließlich wurde der mehrteilige Rahmen von einer speziellen Kette von Zulieferern und Experten für additive Fertigung (AM) geschweißt, wärmebehandelt und gerichtet. „Kalkhoff profitierte bei der Umstellung von Kunststoff auf Metall von unserem Know-how und unserem hochmodernen 3D-Fertigungsnetzwerk, in dem über 30 Materialien verarbeitet werden“, erklärt Philip.

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ACTech kümmerte sich um die Wärmebehandlung des geschweißten Rahmens, die in zwei Schritten – Lösungsglühen und Warmauslagern – durchgeführt wurde.

„Der zur Verfügung stehende Platz für Metall-3D-Drucker ist ziemlich begrenzt, daher musste der Rahmen in mehreren Segmenten fertiggestellt werden“, erklärt Philip. „Nach dem Druck wurde der Rahmen bei unserem zuverlässigen Partner, der Seefried GmbH in Bremen, geschweißt und getestet. ACTech kümmerte sich um die Wärmebehandlung des geschweißten Rahmens, die in zwei Schritten – Lösungsglühen und Warmauslagern – durchgeführt wurde", fährt er fort.

Bestimmte Schritte wurden parallel durchgeführt, um den Prozess noch weiter zu optimieren. „Während des 3D-Drucks der einzelnen Komponenten wurden gleichzeitig das Konstruktionsschweißen und die Wärmebehandlung des Rahmens anhand der CAD-Daten des Fahrradrahmens durchgeführt“, erklärt Michael Röhner, Produktmanager für Metall-3D-Druck bei ACTech. „Situationen wie diese und Momente wie die nach der Glühphase (die Echtzeitmessungen des Rahmens mit millimetergenauer Geometrie erfordern) sind ohne enge Zusammenarbeit und das Fachwissen aller Beteiligten nicht möglich“, sagt er.

Ergebnis

Innerhalb von sechs Wochen wurde ein funktionaler Prototyp hergestellt, der die strengsten Tests erfüllt

Normalerweise dauert die komplette Entwicklung eines Fahrrads zwischen 2 und 2,5 Jahren. Durch den Einsatz von Metall-3D-Druck und AM-Experten in diesem Bereich konnte jedoch in der letzten Entwicklungsphase viel Zeit eingespart werden. „Wir haben es geschafft, den gesamten Rahmen innerhalb von sechs Wochen zu liefern“, sagt Philip. „Mit diesem neuen Prozess werden in der Entwicklungsphase etwa drei Monate eingespart“, fügt Rik hinzu.

Für Kalkhoff ist die Fertigungsqualität von entscheidender Bedeutung. Beim 3D-gedruckten Prototyp aus Metall gelang es dem Fertigungsteam, die Schnitte am Fahrrad unter Berücksichtigung der vorhandenen Belastungen neu zu positionieren, um Spannungsspitzen an den Schweißnähten zu vermeiden.

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Das gesamte Team war begeistert von dem endgültigen 3D-gedruckten Prototyp aus Metall und freute sich, diesen testen zu können. Außerdem ist der Aluminiumrahmen ein voll funktionsfähiger Prototyp – ein deutlicher Vorteil gegenüber den Kunststoffvarianten, die hauptsächlich zu Werbezwecken dienen. „Wir haben gelernt, dass es sich sehr gut mit einem 3D-gedruckten Aluminiumrahmen fahren lässt“, sagt Rik. Der Materialwechsel ermöglichte es dem Team von Kalkhoff, realistische und genaue Funktionstests durchzuführen und die Montage von Anbauteilen zu prüfen. „Der Motorflansch und das Lager der Gabel sind besonders wichtige Schnittstellen, die auf Funktionalität und Sicherheit geprüft werden müssen“, sagt Philip.

„Das Fahrrad hat einen unserer dynamischsten Belastungstests mit 170 kg ohne Probleme bestanden. Das hat uns ein wenig überrascht; wir sind vom technischen Standpunkt aus sehr beeindruckt“, fährt Rik fort.

Neben den Funktionstests ist der Metall-Prototyp auch für Veranstaltungen geeignet. Kunden können das Fahrrad auf Messen Probe fahren und so die Marke vor der Markteinführung kennen lernen. Rik betont, dass solche Demonstrationen für das Markenbewusstsein und die Verdeutlichung der Vorteile des 3D-Drucks im Allgemeinen von großer Bedeutung sind.

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The metal prototype is suitable for events and test rides.

„AM eignet sich hervorragend für unsere Tests und Veranstaltungen. Zum Beispiel ist unsere Ausstellung Kalkhoff Brand World ein hervorragender Ort, um solche Prototypen zu präsentieren. Außerdem eröffnet sich eine großartige Möglichkeit, in Zukunft produktiver und nachhaltiger zu produzieren, da beim 3D-Druck weniger Material verloren geht.

„Der Metall-3D-Druck hat unsere Erwartungen übertroffen, und wir können kurzfristig Änderungen vornehmen, da für dieses Modell keine speziellen Werkzeuge oder Formen gebaut werden mussten. In der Entwicklungsphase oder dem ‚Engineering Design Freeze‘ werden wir mobile Design-Prototypen haben, an denen wir alle ausgewählten Teile testen können. Das war in dieser Form zuvor nicht möglich. Dank des Metall-3D-Drucks können wir schneller Testergebnisse erzielen und unseren Produktionszyklus beschleunigen. Das ist gut für uns, denn so sind wir die Ersten auf dem Markt mit innovativen Fahrrädern für unsere Kunden.“


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Dieser Anwenderbericht in ein paar Worten

Branche

Cycling

Warum dieser Ansatz

Functional prototypes

Efficiency and performance

Design freedom

Eingesetzte Lösungen

Selective laser melting 

Aluminum 

Materialise Magics Suite 

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