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EMO 2017Hyfra: Intelligente Prozesskühlung für Laser- und Werkzeugindustrie

Hyfra-Kühler mit FleXX-Technologie

Hyfra, Hersteller für industrielle Kühlanlagen, präsentiert seine neue FleXX-Technologie auf der EMO 2017 in Hannover. Auf der jährlichen Messe der Metallbauer im September wird die SPS-gesteuerte FleXX-Technologie erstmals in praktischer Anwendung vorgestellt.

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CAD/CAMMit Full-Speed zu neuem Design

Santa Cruz Bicycles setzt von der Konstruktion über Analyse und NC-Programmierung bis zum Datenmanagement Lösungen des Softwareherstellers PTC ein. Chefredakteur Hajo Stotz beschreibt, wie es der Bike-Schmiede damit gelang, eine neue Federungskinematik zu entwickeln und gleichzeitig die Berechnungszeiten der komplexen Mechanik von Tagen auf Minuten zu reduzieren.

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CAD/CAM: Mit Full-Speed  zu neuem Design

„Als sich damals einer unserer Tester schwer verletzte, weil das Suspension-Gelenk an dem Prototyp bei einem Sprung umklappte und zu einer starren Einheit wurde, war das der Weckruf für uns, den Entwicklungsprozess zu optimieren“, beschreibt Joe Graney einen der Gründe für sein Unternehmen, 2001 zur Konstruktion, Entwicklung sowie Festigkeits- und Mechanik-Berechnung das CAD/CAM-System Pro/E von PTC einzuführen. Der 35-jährige ist verantwortlich für Entwicklung und Qualität bei dem Mountainbike-Hersteller Santa Cruz Bicycles (SCB) mit Sitz im kalifornischen Santa Cruz.

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Kalifornien ist der Geburtsort des Mountainbikes (MTB). Die ersten entstanden in den frühen 70ern im kalifornischen Marin County und waren umgebaute Strassenräder mit dicken Reifen und breitem Lenker. Sie waren alles andere als sportlich, aber stabil gebaut - und bleischwer: sie wogen 25 kg und mehr und wurden daher auch nur genutzt, um Schotterpisten am Mount Tamalpais hinunter zu rasen.

Im Lauf der Jahre hat sich aus dem ehemaligen Nischensport eine Breitenbewegung entwickelt, die in eine Vielzahl von Varianten aufgesplittert ist: vom Trail-Riding über Cross-Country (XC) bis zum Downhill. Die Technik hat sich ebenfalls enorm weiterentwickelt: Rahmengeometrien und –Materialien, Federungen, Schaltung und Bremsentechnologie. Und trotz wesentlich besserer Funktionen sind die Bikes heute – im Gegensatz zu Autos - weit leichter als ihre Urahnen: Ein vollgefedertes XC-Mountainbike mit 120mm Federweg, Carbonrahmen und Scheibenbremsen wiegt heute unter 10 kg. Und kostet so viel wie ein Kleinwagen. Reine Downhill-Bikes sind etwas schwer, aber extrem stabil gebaut und bieten Federwege teilweise über 200 mm.

Die Popularität des Mountainbikes explodierte Mitte der 80er Jahre auch in Deutschland. Heute werden von den etwa 5 Millionen in Deutschland verkauften Fahrrädern in der Preislage über 300 Euro rund zwei Millionen der Kategorie Sportrad zugerechnet. Davon sind etwa 40 Prozent Mountainbikes - mit weiterhin steigendem Marktanteil.

Mit der Marktsegmentierung haben sich immer mehr, meist relativ kleine Bike-Schmieden gebildet. So wie SCB, die auf voll-gefederte MTB, sogenannte Full-Suspensions oder kurz Fullys, spezialisiert sind – im Unterschied zu den hinten starren Hardtail-Bikes. „Wir bauen keine Hardtails“, erklärt Joe Graney. „Denn niemand von uns fährt eines. Das ist sicherlich einer der Hauptgründe für unseren Erfolg: Alle Bikes, die wir bauen, fahren wir auch selbst gerne.“

Bessere Federung erfordert bessere CAD-Lösung

Seit seiner Gründung 1993 hat sich das 50-Mitarbeiter-Unternehmen einen guten Ruf in der Szene für leichte, stabile Full-Suspensions aufgebaut und bedient heute mit seinen verschiedenen Modellen nahezu jede MTB-Disziplin. Besonders erfolgreich ist SCB im Downhill-Bereich.

Downhill-Bikes werden auf den Berg geliftet, und die Fahrer „fliegen“ mit ihnen auf speziell angelegten Strecken über Trails, felsigen und wurzeligen Untergrund den Berg hinunter – für Adrenalin-Junkies der reinste Traum. „Unsere Kunden sind meist junge Männer, die den Kick suchen – und immer das beste Material“, beschreibt der SCB-Ingenieur. Dementsprechend arbeitet die Bike-Schmiede ständig an technischen Weiterentwicklungen, vor allem im Federungsbereich. In seinen Anfangsjahren brachte SCB eine Serie von Fullys auf den Markt, die für damalige Verhältnisse moderne Federungsmechanik boten und die Grundlage für den Erfolg des jungen Unternehmens legten. „Von 1993 bis 2000 hatten wir eine gute, aber relativ simple Federung“, erklärt Joe Graney, „Diese Konstruktion konnten wir noch auf dem Papier mit Lineal und Zirkel oder einem einfachen CAD-Programm entwickeln.“

Zwar bieten Fullys bessere Kontrolle bei hoher Geschwindigkeit auf rauem Terrain als Hardtails, doch dieser Vorteil wird durch höheres Gewicht sowie einen weiteren Nachteil erkauft: „Eine der Herausforderungen bei der Konstruktion eines gefederten Bikes liegt darin“, erklärt Joe Graney, „dass beim Pedalieren jedes Mal ein Impuls auf die Federung wirkt, der zum Wippen des Bikes führen kann. Das macht die Konstruktion echt schwierig, die Anforderungen sind viel grösser als bei einem Motorrad. Dieses Problem beschäftigt die gesamte MTB-Industrie seit 16 Jahren und wird es auch weiter tun.“

Seit Anfang des Jahrtausends arbeitete SCB an einer Suspension-Lösung, die die abwärts gerichtete Kraft des Pedaltritts durch eine gleich große, entgegengesetzt wirkende Kraft ausgleicht, gleichzeitig aber ihrer Federungsaufgabe nachkommt. „Wir haben eine 4-Gelenk-Federung entwickelt, die die Einflüsse durchs Pedalieren wesentlich besser beherrscht“, erläutert Joe Graney. „Diese Federung haben wir seit 2005 zu unserer Virtual Pivot Point (VPP) weiterentwickelt.“ Wird bei der Konstruktion der extrem komplexen Mehr-Gelenk-Konstruktion ein Hebelarm nur einen Millimeter verschoben, erhält man ein komplett anderes Feder- und damit Fahrverhalten. Bei vier Hebelarmen sind die Möglichkeiten nahezu unendlich. Dies konstruktiv erfassen zu wollen, erwies sich als sehr anspruchsvolle Aufgabe.

Mehr Berechnungen in kürzerer Zeit

Bis 2001 setzte SCB für die Entwicklung das CAD-System Autocad ein. „ Wir haben eine Konstruktion gezeichnet und die Kräfte dann von Hand berechnet. Das dauerte etwa eine Stunde“, erinnert sich Graney. „Dann wurde das Ganze wieder neu gezeichnet, berechnet, und so iterativ an ein Ergebnis herangetastet. Waren wir der Meinung, das könnte funktionieren, wurde ein Prototyp gebaut. Im Jahr 2000 führten wir pro Modell vielleicht 10 Iterationen von Hand durch. Heute machen wir hunderte, fast tausende im Pro/E.“

Der rechnerische Aufwand, dazu der eingangs beschriebene Unfall, führten bei den Kaliforniern zu dem Entschluss, das 2D-System durch ein 3D-System zu ersetzen. Es sollte umfassende Konstruktions-, Simulations- und Analyse-Fähigkeiten bieten und die Ingenieure dabei unterstützen, die Entwicklung zu beschleunigen und dem Verhalten der Bikes in der Realität so nahe wie möglich zu kommen.

Nach dem Vergleich verschiedener Lösungen entschied sich Santa Cruz für PTC´s Pro/Engineer-Lösung in der Entwicklung und Pro/Mechanica, um die Modelle vor der ersten realen Fahrt virtuell bis ins Detail zu testen. Durch den Einsatz der PTC-Lösungen gelang auch die Entwicklung des VPP-Systems, das bis heute in seiner Wirkung vom Wettbewerb nicht übertroffen wurde.

Bei der Entwicklung müssen auch ästhetische Gesichtspunkte berücksichtigt werden. „Die Kunden erwarten, dass unsere Bikes ein charakteristisches Aussehen haben“, erläutert Joe Graney. „Daher sind unsere Ingenieure sehr sensibel hinsichtlich ästhetischer Anforderungen. Wenn die Bikes nicht sexy sind, kauft sie keiner.“

Die vielleicht größte Herausforderung für das Entwicklungs-Team ist der Zeitfaktor. Den Konstrukteuren stehen nur rund 14 Monate zur Verfügung. „Das Bike muss pünktlich fertig sein, die Verkaufszeit liegt zwischen Februar und Mai“, beschreibt Joe Graney den Zeitdruck. „Die Käufer wollen das neueste Modell für die Rennen in der Sommer-Saison. Wer diesen Zeitpunkt verpasst, verpasst den Markt.“

Damit dieses Zeitraster eingehalten werden kann, nutzt SCB heute fast die komplette PTC-Werkzeugkiste: Wildfire 4.0 (3D-CAD), Pro/Mechanica und Mechanism (Simulation und Analyse), Behavioral modeling (Kinematik), ISDX surfacing (Design) und Pro/Manufacturing (NC-Programmierung). Mit diesen Werkzeugen wird das gesamte Gebiet der Produkt- entstehung abgedeckt. Zudem helfen die Lösungen bei der Kommunikation mit den asiatischen Partnern. Denn die SCB-Bikes werden zwar komplett in Kalifornien entwickelt, gebaut werden sie hier aber nur zum Teil. Weitere Produktionsstandorte sind in Taiwan und China. „Die sprechen manchmal nicht besonders gut Englisch, aber die Bilder einer Festigkeitsanalyse verstehen sie“, erklärt Joe Graney.

Mittels den PTC-Lösungen sind die SCB-Ingenieure heute in der Lage, schneller und produktiver zu arbeiten. Joe Graney: „Die Iterationen konnten wir so von 10 auf mehrere Hundert steigern und gleichzeitig die Berechnungszeiten drastisch von Stunden auf wenige Minuten verringern. Insgesamt konnten wir die durchschnittliche Entwicklungszeit eines Bikes von 22 auf 14 Monate und die Zahl der Reklamationen um 70 Prozent reduzieren. Gleichzeitig haben wir es geschafft, unseren Bikes ein unverwechselbares Aussehen zu verleihen.“

Um die internen Prozesse weiter zu optimieren, plant SCB zukünftig die PTC-Lösung PLM On Demand einzusetzen; damit soll auch die Kommunikation zwischen den asiatischen Produktionspartnern und dem kalifornischen Entwicklungsteam weiter verbessert werden. Bezüglich der Produktentwicklung will SCB dieses Jahr sein erstes Carbon-Bike auf den Markt bringen, das „das leichteste und gleichzeitig stabilste auf dem Markt sein wird“, formuliert Joe Graney die Ziele.

Dann muss sich der Wettbewerb wieder warm anziehen: Bereits 2008 stand SCB mit dem V-10 bei jedem der weltweit acht Worldcups ganz oben auf dem Siegertreppchen.

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