Materialise Magics Suite: Der Unterschied liegt in den Details

Im Radrennen zählt jedes Gramm. Deshalb war es Pinarello so wichtig, ein Rennrad auf den Markt zu bringen, das wesentlich weniger Gewicht auf die Waage bringt als die Konkurrenz. Um dieses Ziel zu erreichen, konnte es aber nicht nur um Gewichtsreduktion gehen.

Die Geschwindigkeit und Genauigkeit der additiven Metallfertigung in Kombination mit dem Serienbauteil in Leichtbauweise brachten den Erfolg des hochmodernen Rennrads Dogma F.

Mehr als Gewichtsreduktion

Stattdessen musste das Team alles mit Kosten, Qualität, Produktionsgeschwindigkeit sowie der Anzahl der hergestellten Einheiten in Einklang bringen. „Die Herausforderung für die Forschung und Entwicklung bei Pinarello bestand darin, sich auf die Gewichtsreduktion zu konzentrieren“, erklärt Maurizio Bellin, Chief of Operations bei Pinarello. „Wenn Radfahrer bergauf fahren und viele Kilometer gegen den Wind sprinten, dann hilft jedes gesparte Gramm, das Rad schneller zu machen. Deshalb haben wir auf ein möglichst geringes Gewicht gesetzt.“ Pinarello begann das Projekt durch die Zusammenarbeit mit verschiedenen Lieferanten, die Erfahrung mit belastbaren Leichtbautechnologien haben. Es gab ein ursprüngliches Design für ihre Sitzspanner für herkömmliche Fertigungsmethoden. Aber die gewünschte Gewichtsreduktion sollte mithilfe von Materialise und 3D-Druck realisiert werden.

In unserem Metall-3D-Druck Kompetenzzentrum kombinieren wir Expertise und Know-how aus den Bereichen Software und Design & Engineering und setzen neue Maßstäbe mit Metall-3D-Druck.

Auftrag für die Additive Fertigung

Das Materialise-Team konnte dank ihrer Erfahrung und der Designfreiheit im Metall-3D-Druck zügig einen wesentlich leichteren Sitzspanner konstruieren. Die spezielle Herausforderung in diesem Fall lag allerdings in der maßstabgetreuen Fertigung innerhalb weniger Wochen. Die internen Teams bei Materialise für Design & Engineering, Software und Fertigung mussten zusammenarbeiten, um die Produktionsziele zu erreichen. „In unserem 3DP Metal Competence Center in Bremen verfügen wir über alle erforderlichen Kompetenzen unter einem Dach“, erklärt Philip Buchholz, Technischer Projektleiter bei Materialise. „An unserem neuen Standort kommt alles zusammen: Unsere internen Designkompetenzen, das umfangreiche Wissen unserer Forschungs- und Entwicklungsabteilung und unsere großindustriellen Fertigungsprozesse.“

„Konstruktion und Engineering erfolgte in enger Zusammenarbeit mit Pinarello“, sagt Tim Hermanski, Design Engineer bei Materialise. „Mit jeder Design-Iteration wurden zunächst virtuelle Simulationstests durchgeführt. Der Sitzspanner musste leicht sein aber auch genügend Festigkeit aufweisen, um das Gewicht des Radfahrers zu halten. Die internen Simulationen haben uns viel Zeit gespart, um die Druckbarkeit und Zuverlässigkeit des endgültigen Bauteils zu gewährleisten.“ Nach Abschluss der Prüfungen teilte das Team die 3D-gedruckten Designs mit Pinarello, die eigene physische Prüfungen durchführten, wie Ermüdungstests auf einem Prüfstand und auf der Straße.

Ein großer Vorteil des 3D-Drucks in diesem Fall war die Geschwindigkeit, mit der das Design finalisiert werden konnte. Während bei der herkömmlichen Fertigung für jedes Design-Update neue Formen und komplexe CNC-Programmierung erforderlich ist, lassen sich beim vollständig digitalen 3D-Druck Design-Iterationen sehr viel schneller durchführen.

Zusätzlich zur eigentlichen Konstruktion des Bauteils standen die Teams vor der Herausforderung, so viele Komponenten in so kurzer Zeit herzustellen. Das Projekt umfasste 2.000 Einzelteile, die in weniger als einem Monat gedruckt werden mussten. Hier konnte sich die interne Zusammenarbeit bei Materialise erneut bewähren. Ein dedizierter und umfassender Produktionsworkflow – einschließlich Etikettierung und Qualitätsprüfung – wurde aufgesetzt, sodass dieses Ziel erreicht werden konnte.

„Wir mussten unsere Produktionskette industrialisieren“, sagt Philip Buchholz. „Hierfür wurde ein Bauteil mit passendem Prozess entworfen, der ohne Stützstrukturen oder manuelle Nachbearbeitungsschritte auskommt. Diese Schritte zu eliminieren, brachte uns große Zeitgewinne während der Fertigung. Außerdem wurde ein benutzerdefinierter Druckparametersatz erstellt, der die Druckzeit verkürzte, die erforderlichen Materialeigenschaften erfüllte und das Projekt als Ganzes aufgrund der Kostenoptimierung erst möglich machte. All das erreichten wir mit dem Materialise Process Tuner – eine Lösung, die wir noch in diesem Jahr auf den Markt bringen werden und mit der die Prozessentwicklung umfassend abgestimmt werden kann.“

Diese Software beschleunigt nicht nur die Einrichtung von Parametern, sondern reduziert auch Fehler dank Automatisierung und liefert Einblicke und intelligente Statistiken, die alle in einer zentralen Datenbank für zukünftige Operationen gespeichert werden. „Auf diese Weise konnten wir die Druckparameter innerhalb von Wochen statt Monaten optimieren. Das hätten wir ohne das kombinierte Know-how unserer Teams aus den Bereichen Software und Design & Engineering im 3DP Metal Competence Center nicht erreichen können.“

Ergebnis

Dank der engen Zusammenarbeit mit Pinarello und der beachtlichen Anstrengungen im internen Team lieferte Materialise ein Bauteil, mit dem Pinarello sein gestecktes Ziel leicht erreichen konnte. Die 3D-Druck-Experten konzipierten das Bauteil so, dass die Designfreiheit der Additiven Fertigung voll ausgeschöpft wurde und das richtige Material zum Einsatz kam, um schlussendlich eine signifikante Gewichtsreduzierung zu erreichen. Die Materialwahl fiel auf Titan, das mittels selektivem Laserschmelzen verarbeitet wurde. Das finale Bauteil war schließlich um 42,5 % leichter als das traditionell gefertigte, ursprüngliche Aluminium-Design.

Beeindruckend war auch die Geschwindigkeit, mit der Materialise die 3D-gedruckten Bauteile in industriellem Maßstab fertigen konnte. Durch die Optimierung der Konstruktion und die Rationalisierung der Produktionsprozesse konnte das Team innerhalb von drei Wochen nach der Bestellung bereits 2.000 Bauteile ausliefern. Anschaulich wird diese Leistung, wenn man dieser Zeitspanne die übliche Dauer für die traditionelle Fertigung entgegenstellt: Bei Bestellungen dieser Größenordnung muss man zwischen sechs und zwölf Monate im Voraus planen. Dies gilt einmal mehr in Zeiten wie diesen, in denen Lieferketten von globalen Rohstoff- und Kapazitätsengpässen betroffen sind. In diesem Fall war außerdem die Lage in Europa ein großer Vorteil. Materialise sorgte für kürzere Lieferzeiten und mehr Nachhaltigkeit im Gegensatz zu Bestellungen bei einem Hersteller auf der anderen Seite der Welt.

„Dank Materialise und unserer besonderen Aufmerksamkeit für Details konnten wir 35 Gramm alleine bei dem kleinen Sattelspanner einsparen“, sagt Maurizio. „Nur zum Vergleich: Hier wurden 8 Gramm mehr eingespart als wir durch das endgültige Design der Sattelstütze einsparen konnten. Der Unterschied liegt in den Details. Und dank 3D-Druck können wir das wirklich zeigen. „Es geht aber nicht nur um die Gewichtsreduktion. 3D-Druck ist offen für alle. Daher können wir diese Technologie nicht nur der Elite im Radsport anbieten, die an der Tour de France teilnehmen, sondern wirklich jedem, der daran Interesse hat.“

Vortrag zum Artikel auf AMX Luzern:
https://www.materialise.com/en/events/corporate/am-expo-luzern-2021