Maßanfertigung

Leichtbau auf Maß – Made in Germany

Viele Radsportler stehen vor der Herausforderung, den richtigen Rennradrahmen aus den vordefinierten Geometrien der Hersteller auszuwählen, welcher auf die individuellen Körpermaße am besten passt. Dies ist schwierig, da Standardrahmen in Abständen von teilweise mehreren Zentimetern abgestuft sind und unterschiedliche Körperproportionen nur begrenzt berücksichtigen können. In diesem Fall wird das Fahrrad durch individuelle Komponenten an den Körper angepasst. Oft trifft man deshalb auf Rennräder mit sehr langen oder kurzen Vorbauten und einem zusätzlichen Spacerturm. Daher hat sich die Fraunhofer-Projektgruppe "Prozessinnovation" an der Universität Bayreuth in einem Forschungsprojekt zusammen mit der ax-lightness GmbH das Ziel gesetzt, einen frei konfektionierbaren Fahrradrahmen aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff – umgangssprachlich Carbon genannt – zu entwickeln. So stellt der Rahmen durch die Verwendung von speziellen Materialien, welche in der Formel 1 eingesetzt werden, einen der weltweit leichtesten Fahrradrahmen mit Renntauglichkeit dar. Die Herausforderung in der Entwicklung lag darin, dass speziell auf die Anforderungen des Kunden jeder einzelne Fahrradrahmen konstruiert und hergestellt wurde und somit jedes Exemplar ein Unikat darstellt. Dazu wurde eine Prozesskette von der Vermessung des Kunden über die Produktion bis zum abgestimmten Fahrrad erarbeitet. Ein speziell entwickeltes Berechnungsprogramm stellt hierbei die Schnittstelle zwischen der Kundenvermessung und der Produktion dar. Einzelne Rohre und die gesamte Rahmenstruktur werden mit Simulationen und Festigkeitsanalysen untersucht.

Eine kundenindividuelle Maßanfertigung des Rahmens unterstützt nicht nur den Fahrkomfort durch die optimale Sitzposition des Fahrers auf dem Rad, sondern verbessert auch die Kraftübertragung des Fahrers auf das Pedal. Um die optimale Rahmengeometrie für den Fahrer zu fertigen, wurde von der Fraunhofer-Projektgruppe eine Prozesskette erarbeitet, welche einen optimierten Ablauf von der Aufnahme der Körpermaße bis zum fertigen Fahrradrahmen erlaubt. In Zusammenarbeit mit „Bike-Fittern“, wie beispielsweise Herrn Jürgen Schulz aus Neuenmarkt, die ihr Expertenwissen in der biometrischen Vermessung und Positionsanalyse auf dem Fahrrad einbringen, kann eine Erfassung der Kundenanatomiedaten durchgeführt werden. Ausgehend von diesen Geometriedaten wird eine für den Kunden individualisierte Rahmengeometrie abgeleitet. Zur Aufwandsreduzierung und Maßhaltigkeit für die Produktion wurde ein Berechnungsprogramm entwickelt, welches anhand von der eingegebenen Sitzposition die Geometrie des Rahmens berechnet und somit die Eingangsparameter für dessen Produktion darstellt.

Gewicht, Steifigkeit und Komfort bilden neben der Betriebsfestigkeit die Grundsteine eines erfolgreichen Fahrradrahmens. Ein wesentlicher Arbeitsschritt zur Optimierung von Steifigkeit und Gewicht des Rahmens ist die rechnergestütze Simulation (Finite Elemente Simulation) des Rahmens im Belastungsfall (siehe Abbildung 2). Hierzu wurden zunächst Messfahrten durchgeführt, um die anliegenden Kräfte am Rahmen zu ermitteln. Anhand dieser Messfahrten können verschiedene maximale Lastfälle definiert werden, um anschließend die Simulation durchzuführen. Durch die Simulation konnte der Lagenaufbau des anisotropen (richtungsabhängigen) Materials anhand von Verschiebungen und Festigkeitskriterien virtuell untersucht werden, um die Anzahl und die bestmögliche Orientierung der Fasermatten zu gewährleisten.

Heute wird der Rahmen im „Tube to Tube“-Verfahren hergestellt, wobei einzelne Rohre zu einem Rahmen zusammengefügt werden. Im Laufe des Projektes wird auch eine Möglichkeit entwickelt, den Rahmen in „Monocoque“-Bauweise zu fertigen, da mit durchgehenden Fasermatten an den Fügestellen die Steifigkeit bei gleichbleibendem Gewicht gegenüber anderen Fertigungsverfahren verbessert werden kann. Ein modulares Formenkonzept zur Herstellung des Rahmens in „Monocoque“-Bauweise soll es ermöglichen, den Rahmen weiterhin wirtschaftlich in Deutschland zu fertigen.