Carbon-Bearbeitung

Andrea Gillhuber,

Maßgeschneiderte Monocoques für Rennräder

Gewöhnliche Rahmen für Fahrräder konnten es bislang nicht mit der Steifigkeit von Monocoque-Fahrgestellen aufnehmen. Mit Siemens vereint das italienische Startup Exept unterschiedliche Herstellungsverfahren, um maßgeschneiderte Monocoque-Rahmen produzieren zu können. Von Julie Dörr

Maßgeschneiderte Monocoques für Rennräder von Exept. © Exept / Siemens

„Bei der Fahrradproduktion kommt es auf die Kosten für die Werkzeuge an“, gibt Alessandro Giusto, Mitgründer von Exept und Leiter für Innovation und Simulation zu bedenken. Die Entwicklung einer Rahmenform koste bis zu 60.000 Euro. Dementsprechend seien bislang nur die großen Marken in der Lage gewesen, eine Form für jede Rahmengröße herzustellen. „Wir haben eine Methode entwickelt, um alle Größen mit einer einzigen verstellbaren Form zu produzieren.“

Von der Luftfahrt zum Fahrrad

Rennrad von Exept mit maßgeschneidertem Monocoque. © Exept / Siemens

So habe Exept das eigene Rad von Anfang an nach einem neuen Konzept konstruiert. Zunächst habe man sich nicht auf Carbon-Fasern fokussiert, so Giusto, denn die Konstruktion von Verbundwerkstoffen sei komplex und nehme den ganzen Tag in Anspruch. Als die Mittel zur Finanzierung der innovativen Idee zur Verfügung standen, konnten sich alle voll und ganz dem Vorhaben widmen und die bisherigen Jobs aufgeben.

Vor der Gründung von Exept arbeitete Giusto in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Sportartikelbranche. Dort arbeitete er bereits mit der Simcenter-Nastran-Software von Siemens PLM Software, insbesondere der Finite-Elemente-Modellierung sowie der Vor- und Nachbearbeitungsumgebung mit der Femap Software. „In der Luft- und Raumfahrt hat sich Nastran durchgesetzt. Außerdem kam Femap zum Einsatz. In meinen sechs Jahren dort konnte ich viel über die Werkzeuge lernen.“

Anzeige

Als das Exept-Projekt startete, nahm Giusto wieder Kontakt zu Siemens auf. „Wir haben keine Evaluierung und kein Benchmarking gebraucht“, erklärt er. „Mir war klar, dass wir Simcenter Nastran benötigen würden, und auch das Preis-Leistungs-Verhältnis für Femap war hervorragend. Ich musste lediglich die Siemens-Partner SmartCAE und Francesco Palloni kontaktieren und unsere Anforderungen erläutern. Schließlich haben wir das Angebot ohne zu zögern angenommen.“

Exept hat sich für ein so genanntes Node Locked Bundle entschieden, das Femap mit NX Nastran Basic in einer integrierten Lösung vereint. Schritt für Schritt erhöhte das Exept-Team während der Entwicklung die Komplexität. So ließen sich die Belastungen identifizieren, die auf die Rahmen-Struktur einwirken. Daraufhin folgte die Ausarbeitung des ersten vereinfachten FEM-Modells.

Modell des Rahmens: Mittels Simulation wurden mögliche Schwachstellen am Rahmen identifiziert. © Exept / Siemens

Exept erstellte ein simples Modell, das in der Luft- und Raumfahrt als Global FEM bezeichnet wird. Es besteht aus eindimensionalen Elementen, in Exepts Fall aus Rohren. So wurden die Belastungseigenschaften der Rohre unter verschiedenen Fahr-, Brems- und Stoßbedingungen geprüft. „Im Anschluss gingen wir zu einem Modell aus isotropem Material über. Dann simulierten wir einen Aluminiumrahmen mit konstanter Dicke. So konnten wir anhand der Informationen aus dem FEM-Modell analysieren, wo wir die Querschnitte verringern oder erhöhen mussten, um Steifigkeit und Gewicht zu optimieren. Abschließend arbeitete unser Team an der Geometrie, die durch vier Modifikationen neu vernetzt wurde. Dadurch konnten wir die Steifigkeit um 27 Prozent erhöhen.“

Carbon-Challenge

Nach der Optimierung der Rahmensteifigkeit konzentrierten sich die Ingenieure von Exept auf die Konstruktion mit Carbon. Um die Laminiersequenz zu bestimmen, passte Giusto und sein Team die Struktur nicht weniger als 82 Mal an. Damit erzielten sie außergewöhnliche Ergebnisse.

„Verglichen mit dem ersten Prototypen konnten wir die Verwindungssteifigkeit um 150 Prozent erhöhen, während das Gewicht des Monocoques um nur zwölf Prozent gestiegen war“, so Giusto. In dieser Phase brachte Femap enorme zeitliche und wirtschaftliche Vorteile. Die Schichtenbildung und Ausrichtung der Fasern wurde im virtuellen Bereich getestet und analysiert, ohne dass die eingesetzte Materialmenge erhöht werden musste.“

Exept führte eine vergleichende Leistungs-Analyse mit mehr als 800 Lagerrahmen durch, die in den letzten drei bis vier Jahren entwickelt und verkauft wurden, um die Ziele in Bezug auf Steifigkeit und Gewicht ermitteln und erreichen zu können. „Wir haben einen guten Kompromiss zwischen Steifigkeit und Fahrbarkeit gefunden.“

Ende Juni 2018 wurde die Leistung des maßgeschneiderten Monocoques von Exept und die Zuverlässigkeit der Femap-Simulationen bestätigt und durch Tests eines unabhängigen deutschen Labors zertifiziert: Die Abweichung zwischen realem Test und Simulation lag bei unter fünf Prozent.

Femap mit Simcenter Nastran verfügt über die geeignete Infrastruktur für die lineare Spannungsanalyse von Verbundstrukturen, die für unsere Aufgaben passt. © Exept / Siemens

„Wir haben Femap mit Simcenter Nastran im September 2017 erworben. Im Januar 2018 haben wir mit der Laminierung von Carbon begonnen. Ende März war das Schichtbuch fertig. Mit Femap dauerte das weniger als drei Monate für mehr als 80 Durchläufe“, erinnert sich Giusto. Die durchschnittliche Lieferzeit für ein Markenrad betrage zwei Jahre. Exept habe es geschafft, ein Modell in weniger als einem Jahr auf den Markt zu bringen. „All das war nur dank der Simulationstechnik möglich. Physische Durchläufe waren nicht nötig. Niemand in der italienischen Fahrradindustrie verfügt derzeit über vergleichbare Werkzeuge.“

Kombination aus Software- und Serviceleistungen

Giusto ist von Femap überzeugt: „Der entscheidende Erfolgsfaktor ist die Nachbearbeitung. Femap eignet sich dafür bestens. Femap mit Simcenter Nastran verfügt über die geeignete Infrastruktur für die lineare Spannungsanalyse von Verbundstrukturen, die für unsere Aufgaben passt. Die Siemens-Software ermöglicht es uns, die Modelleigenschaften abzufragen und so viele Informationen wie möglich aus Strukturen wie unseren Rahmen zu extrahieren.“

Femap mit Simcenter Nastran verfügt über die geeignete Infrastruktur für die lineare Spannungsanalyse von Verbundstrukturen, die für unsere Aufgaben passt. © Exept / Siemens

Die übersichtliche und intuitive visuelle Darstellung von Femap hilft dem Benutzer, das Modell zu verstehen, und bietet gleichzeitig hochentwickelte Reporting-Tools für die Datenextraktion. Dadurch ist die Modellerstellung intuitiv, schnell und unkompliziert. Verstärkt werden die Vorteile der Software durch SmartCAE, dem Siemens-Partner, der das Startup von Anfang an begleitete.

„Ich kenne SmartCAE und Palloni seit 2001“, so Giusto. „Als ich angefangen habe, komplett mit Femap und Simcenter Nastran zu arbeiten, habe ich zwar nicht bei null angefangen, aber ich habe dennoch ein paar Schulungen gebraucht. Immer wenn ich eine Frage hatte, griff ich zum Hörer. Die SmartCAE-Ingenieure standen mit Rat und Tat zur Seite.“

Entwickelt und produziert in Italien: Die Rennräder von Exept. © Exept / Siemens

Mit der fachkundigen Beratung von SmartCAEs, der Expertise der drei Gründer sowie den fortschrittlichen FEM-Funktionen von Femap kann Exept nun sogar anspruchsvolle Simulationen und Tests für komplexe mechanische Ereignisse wie Stürze und Stöße fahren.

Die Autorin: Julie Dörr, freie Journalistin aus München

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Carbonschaum

Schaum als Wärmeleiter

Leichte und poröse Graphitkörper gefüllt mit einem Phasenwechselmaterial, verfügen über hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende Wärmespeichereigenschaften und optimale Flexibilität bei der Konstruktion.

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige

AMB 2020

Strategisch handeln gegen die Krise

Der deutsche Maschinenbau befindet sich im Abschwung. Vor allem automobilnahe Unternehmen sind betroffen, so auch Werkzeugmaschinenhersteller. Doch sie lassen sich nicht unterkriegen. Für sie ist die Zeit strategischer Entscheidungen gekommen.

mehr...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem SCOPE Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite