Langlebigkeit trifft auf leichtes Design: Effekitve Zusammenarbeit und Simulation machen die 3D-gedruckte Titan-Kurbelgarnitur von Alugear 50% leichter

Wie viele andere Hersteller war sich auch Alugear der Vorteile des 3D-Drucks bewusst, wusste aber nicht so recht, wie man die Technologie erfolgreich einsetzen sollte. Materialise war an dieser Stelle der richtige Partner.

Unser Ruf als Produktionspartner war ein Faktor für diese Entscheidung, aber nicht der wichtigste. Vielmehr war es unsere Fähigkeit, sie durch den gesamten Prozess des 3D-Drucks zu führen, indem wir unser Design-Know-how mit der Skalierbarkeit der Produktion und der Anleitung zum Business Case kombinierten - was dazu beitrug, die Kosten zu senken und das Projekt realisierbar zu machen -, was die Partnerschaft so attraktiv machte. 

"Wir drucken nicht nur Teile", sagt Simone Cannella, Innovation Manager bei Materialise. "Wir passen sowohl das Produkt an und industrialisieren den Produktionsprozess, um sicherzustellen, dass der Business Case für alle Beteiligten machbar ist. Es hilft den Kunden bei der Herstellung besserer Produkte und zeigt, dass der 3D-Druck die ideale Technologie für diese Aufgabe ist. Das zeichnet uns in der 3D-Druckbranche aus."

So begann ein spannendes Projekt: die Einführung des 3D-Drucks in den herkömmlichen Produktionsablauf von Alugear.

Wie in allen erfolgreichen Fällen bestand der erste Schritt darin, die richtige Anwendung durch eine gemeinsame Analyse aller Produkte des Unternehmens zu ermitteln. Vor allem die Kurbelgarnitur für High-End-Mountainbikes erwies sich als idealer Kandidat für den 3D-Druck.

"Als wir das Potenzial sahen, eine leichtere und stärkere Kurbelgarnitur zu entwickeln, die in einer Vielzahl von Disziplinen eingesetzt werden kann, wussten wir, dass dies die perfekte Komponente für den Beginn unserer 3D-Druck-Reise war", sagt Dawid Dyngosz, Mitbegründer von Alugear. "Wir wussten, dass der 3D-Druck die Leistungsvorteile bieten würde, die wir suchten, und Materialise war der richtige Partner, um uns vom Konzept zur Produktion zu führen. Ihre Erfahrung im 3D-Druck hat uns dazu bewogen, dieses Projekt zu verfolgen.

Die bekannte Fähigkeit der Technologie, langlebige und leichte Teile herzustellen, passte perfekt zu den Anforderungen von Alugear: ein einziges System zu entwickeln, das sich an verschiedene Disziplinen anpassen lässt, vom MTB bis zum Rennrad, und das Spitzenqualität für professionelle Radfahrer garantiert. Es müsste viel leichter und stärker sein als herkömmlich hergestellte Produkte und gleichzeitig die strengen Anforderungen der ISO 4210 an die Ermüdungsfestigkeit übertreffen.

Auch die Nachbearbeitung wurde berücksichtigt, da Alugear die Nachbearbeitungsschritte für jedes Teil im eigenen Werk durchführt. Die Teams mussten sicherstellen, dass das endgültige Design während der gesamten CNC-Bearbeitung innerhalb der vorgegebenen Toleranzen bleibt, um in jeder Phase Gleichmäßigkeit zu gewährleisten.

"Dies war ein besonders komplexer Teil des Prozesses", erinnert sich Simone. "Wir mussten den goldenen Mittelweg zwischen den mechanischen Eigenschaften, der Leistung des Teils, dem richtigen Design für die Nachbearbeitung, den Kosten des Projekts, der Bauausrichtung und unseren Druckparametern finden. Diese Aspekte stehen in der Regel im Widerspruch zueinander, so dass es entscheidend war, unser ganzheitliches Optimum zu finden, um die Dinge wirklich zu verwirklichen."

Die mechanischen Prüf- und Simulationsfunktionen des Simulationsmoduls von Materialise Magics halfen den Teams, diesen Prozess auf Kurs zu halten. Nach der Kalibrierung mit unseren eigenen 3D-Druckparametern führten beide Teams regelmäßig eine Reihe komplexer Simulationen durch, um die Abweichung nach dem Druck abzuschätzen und sicherzustellen, dass jedes Teil innerhalb der Spezifikationen blieb.

"Zunächst haben wir die Teile für den spezifischen Lastfall mitentwickelt und dann die resultierende Geometrie mit der Fertigungstechnologie abgestimmt. Wir simulierten das gedruckte Teil, bewerteten sein Verhalten, verglichen es mit den Nachbearbeitungs- und Festigkeitsanforderungen und nahmen dann die notwendigen Korrekturen vor", erklärt Simone. "Dies durchlief mehrere Iterationen, um zunächst unser ideales Rohteil für die Nachbearbeitung und dann das ideale nachbearbeitete Endteil zu erhalten."

Nachdem wir mit den Ergebnissen dieser Simulationen zufrieden waren, erstellten wir ad hoc eine verschachtelte Bauplattform und optimierten den Produktionsmix und die Teilequalität. Da der gesamte Produktionsprozess nun abgeschlossen war, konnte Alugear bis zu vier Längen seiner Titan-Kurbelgarnitur gleichzeitig und konsistent produzieren und so den Weg für die Serienproduktion ebnen.

"Das Ziel war nicht, ein Teil so schnell wie möglich zu drucken", sagt Dawid. "Es ging darum, mehrere kritische Fertigungslösungen zu kombinieren und dabei ein geringes Gewicht, eine unglaubliche Festigkeit und ein hervorragendes Design zu gewährleisten. Anhand von Simulationen konnten wir Probleme erkennen, bevor sie auftraten, und wir unterzogen die nachfolgenden Prototypen bei Alugear einem realen Ermüdungstest. Nur so konnten wir die perfekte Kombination finden, die zur Optimierung der Produktionskosten beiträgt." 

Das Ergebnis ist eine einteilige, hohle Titan-Kurbelgarnitur, die nach ISO 4210 hergestellt wird, 100.000 Ermüdungszyklen standhält und nur 345 Gramm wiegt - über 50 % leichter als das Original. Seine einzigartige Konstruktion umfasst CNC-Funktionen (Halterungen für vier Längen), die sicherstellen, dass Alugear seine Nachbearbeitung durchführen kann, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen oder Abweichungen von den Teilespezifikationen zu verursachen.

Auch hier hilft der Druck in einem einzigen Stück. Da keine Schweißarbeiten oder entsprechende Zertifizierungen erforderlich sind, ist die Wahrscheinlichkeit von Fehlern geringer, und die Wirtschaftlichkeit bleibt auch im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsalternativen erhalten. Seine Konstruktion ist außerdem selbsttragend, was die Automatisierung erleichtert und den Zeitaufwand für manuelle Arbeitsschritte reduziert, so dass er sich für die Serienproduktion eignet.

"Was dieses Teil wirklich bahnbrechend in der Branche macht, ist seine Wiederholbarkeit. Alugear war das erste Unternehmen, das eine 3D-gedruckte, vollständig CNC-gefräste Titan-Kurbelgarnitur auf den Markt gebracht hat, die zuverlässig und kostengünstig in der industriellen Massenproduktion hergestellt werden kann", sagt Dawid stolz. "Es gibt zwar einzelne Prototypen auf dem Markt, aber sie wurden nicht so streng getestet oder in einem so ausgefeilten Verfahren entwickelt. Unser Produkt ist ein Garant für Qualität, Langlebigkeit und Leistung, gestützt durch Erfahrung und mehrere Prototyping-Phasen".

Die Auswirkungen auf den Markt spiegeln sich im Portfolio des Unternehmens wider. Da das Verfahren sorgfältig entwickelt und kontrolliert wurde, kann das Team es als Grundlage für die Entwicklung von Varianten für andere Fahrradtypen verwenden. Es wird nicht lange dauern, bis sie neben den sechs Versionen dieses ersten Modells auch eine breitere Palette für verschiedene Fahrradformate anbieten werden. 

Was die langfristige Einführung des 3D-Drucks angeht, so hat Alugear wertvolle Erfahrungen gesammelt. Wenn sie andere Teile in ihrem Portfolio finden, die für die Technologie geeignet sind, sind sie sicherlich bereit, diese Erfahrung zu wiederholen - und Materialise ist stolz, sie dabei zu unterstützen.

"Das Aufregendste daran ist, dass unsere Kurbelgarnitur nicht nur ein Prototyp ist - wir können sie durchgängig, in großem Maßstab und zu einem Preis herstellen, der wettbewerbsfähig ist", schließt Dawid. "Und jetzt, da wir bewiesen haben, dass es bei uns funktioniert, sehen wir ein großes Potenzial, den 3D-Druck auf unser gesamtes Portfolio auszuweiten."