Drei Wochen bis zum Start

Rapid Prototyping für ein Solarbike

Abdeckhaube	Das solarbetriebene E-Bike

Der Sieg beim Rennen durch den australischen Busch war der Schlusspunkt einer rasanten Entwicklung eines solarbetriebenen E-Bikes. Für die Produktion der wichtigsten Komponenten dieses Rads standen weniger als drei Wochen zur Verfügung. Unter Einbeziehung der Stereolithographie konnte diese Herausforderung bewältigt werden.

Gestartet wurde das Projekt Anfang Juni 1999 von einer Gruppe von Radenthusiasten. Das Ziel war es, ein schweizerisches Team für die World Solar Cycle Challenge in Australien zu formieren und das Renngefährt dafür zu entwickeln. Die technische Verantwortung für die Projektentwicklung wurde von den Unternehmen Velocity Engineering AG (Biketechnik), Proform AG, Marly/Schweiz (Rapid Prototyping) und Creaholic SA, Biel/Schweiz (Projektmanagement) übernommen. Die involvierten Unternehmen mussten in lediglich vier Monaten ein Rennteam zusammenstellen. Das Projektteam skizzierte verschiedene Aufgabenmodule, die von Spezialisten der Gruppe zusammen mit externen Fachkräften vorangetrieben wurden. Die gesamte Radtechnik (Bild 1), Motorensteuerung und Antrieb wurde von Velocitv zusammen mit Creaholic produziert. Das Antriebssystem verfügte über eine Dauerleistung von 250 Watt und brachte seine Kraft tretfrequenzabhängig, gesteuert über ein stufenloses Automatikgetriebe, aufs Hinterrad.

Abdeckungen mussten grosser Hitze trotzen

Eine besondere Schwierigkeit bei der Entwicklung dieses Rads waren die Abdeckungen zum Schutz des Motorengehäuses (Bild 2) und der Batteriekoffer (Bild 3). Für die Produktion der insgesamt 26 Teile standen der Proform AG weniger als drei Wochen zur Verfügung. Für das Rennen mussten 20 Batteriekofferabdeckungen und sechs Motorhauben, bestehend aus je einer linken und rechten Halbschale, gefertigt werden. Die Abdeckungen mussten dabei verschiedene Anforderungen erfüllen. Neben einer hohen Passgenauigkeit und Oberflächenqualität sollten die Teile auch als Werbeträger einsetzbar sein und die vom Hauptsponsor festgelegte Farbe haben. Außerdem sollten sie den Erschütterungen von 1400km Straßenfahrt in der australischen Hitze trotzen und Anfang Oktober zur Endmontage vorliegen.

Auf Grund der vorgegebenen Anforderungen ergab sich die Strategie für die Fertigung der 52 Teile. Vier Prototypen sollten mittels Stereolithographie gefertigt werden und anschließend zur Herstellung entsprechender Silikongießformen Verwendung finden. Im Vakuumgießverfahren sollte dann ein geeignetes Zwei-Komponenten-Polyurethanharz, versetzt mit einem entsprechenden Farbpigment, zum fertigen Solarrad verarbeitet werden.

Datenversand via Internet

Ausgangspunkt waren 3D-CAD-Daten im STL-Format, die über das Internet zur Proform AG transferiert wurden. Diese wurden zunächst auf ihre mathematische Integrität überprüft. Nach der Orientierung und Platzierung auf einer virtuellen Plattform wurden mittels einer speziellen Software Stützkonstruktionen eingesetzt. Als letzter Schritt erfolgte die Darstellung aller Objekte als eine Vielzahl von Schichten längs einer ausgezeichneten Achse (slice). Diese Daten wurden anschließend über das interne Netz auf eine Stereolithographieanlage (Typ: SLA-500/40 H, Hersteller: 3D Sytems Inc.) mit einer Plattformgrösse von 50 x 50 cm² überspielt.

Dieses generative Fertigungsverfahren basiert auf der schichtweisen Härtung eines flüssigen Photopolymers, mittels eines fokussierten und ablenkbaren UV-Laserstrahls. Das Bearbeitungswerkzeug ist hier ein fokussierter Laserstrahl, dessen Breite üblicherweise etwa 0,3 bis 0,4 mm beträgt. Dies setzt der Auflösung auf herkömmlichen Stereolithographieanlagen eine untere Grenze, die für die geforderte Anwendung jedoch genügte.

Die gleichzeitige Fertigung aller vier Prototypen auf der Anlage nahm wegen der Grösse der Teile (bis zu 350mm) und der gewählten Orientierung (ca. 2800 Schichten von je 0,125mm Dicke) rund zwei Tage in Anspruch. Verwendet wurde ein Epoxidharz (Typ: SL5180, Hersteller: Ciba Specialty Chemicals). Nach Beendigung des Bauprozesses wurden die teilgehärteten Prototypen von anhaftendem Harz gereinigt und in einem Breitband-UV-Belichtungsschrank vollständig ausgehärtet.

In einem weiteren Schritt wurden die SL-Prototypen in der Werkstatt nachbearbeitet. Neben den üblichen Arbeiten wie Schleifen, Feinverputzen von Sichtflächen oder Sandstrahlen wurden einige Änderungen auf Grund von Angaben (oder mittlerweile vorliegenden Gegenstücken) des Radfahrer-Teams direkt an den Urmodellen vorgenommen. Als letzte Oberflächenbehandlung wurde auf den Sichtflächen eine leichte Erodierstruktur aufgebracht.

Nach dem Anbringen von Angüssen an geeigneten Stellen und der Fixierung in Formkästen wurden die Urmodelle mit transluszentem Silikonkautschuk vollständig eingegossen, welcher über Nacht zu einem elastischen, reißfesten Formmaterial aushärtete. Anschließend wurden die Formen entlang der vorgesehenen Trennlinien zu je zwei Hälften aufgeschnitten und die Urmodelle vorsichtig entfernt.

Abdeckung für Batteriekoffer	Abdeckungen für das Motorgehäuse

Temperaturstabilität

Auf Grund der vielfältigen Anforderungen wurde ein Polyurethan-Gießharz (Typ: 8051, Hersteller: MCP) mit einer Temperaturstabilität von rund 90°C ausgewählt. Die Farbgebung in der Masse erfolgte mit einem beigemischten Pigment definierter RAL-Farbe. Aus Festigkeitsgründen schieden die Ureole bei der Materialauswahl aus, so dass PUR-Typen eingesetzt werden mussten. Da vom Sponsor eine Einfärbung gefordert wurde, konnten die Hochtemperatur-Typen nicht verwendet werden. Übrig blieb der UV-stabilisierte Typ und der ABS-Typ, die mit einer Glasübergangstemperatur von knapp über 70°C thermisch nicht stark belastet werden konnten. Mangels Fahrtwind am Berg und infolge der hohen Leistung von bis zu 600 Watt entwickelten sich am Motorengehäuse bis zu 100°C, wobei die Abdeckungen jedoch keinen Schaden nahmen. Die zu erwartende hohe Hitze in Australien, die Wärmeentwicklung beim Laden der Batterien und die Temperaturmessungen am Elektromotor führten letztlich zum Einsatz des PUR-Gießharzes.

Auf einer Vakuumgießanlage (Herstel1er: MCP) wurden die beiden Harzkomponenten nach dem Vorevakuieren gemischt und in die rund 60°C warme Silikonform gegossen. Nach einer Aushärtezeit von rund einer Stunde bei 60°C und einer Abkühlphase, erfolgte das Entformen und das Vorbereiten der Form für den nächsten Gießvorgang. Pro Tag konnten so etwa vier bis fünf Teile hergestellt werden. Als Nacharbeit an den Gießteilen verblieb das Entfernen des Angusses und einiger Brauen längs der Formtrennung. Dank der strikten Einhaltung der Gießzyklen lagen zwei Wochen nach Erhalt der Daten alle Teile passgenau und in der benötigten Stückzahl vor.

Die einzelnen Bauteile, Energiespeicher, Leistungselektronik, Gehäuserahmen und Kunststoffabdeckungen, wurden wenige Tage vor Abreise nach Australien endmontiert. Sämtliche Systeme haben sich im Renneinsatz in Australien pannenfrei bewährt.

Der Autor dieses Beitrages

Dipl.-Ing. Matthias Hell, geb. 1966, ist Gründungsmitglied der Arbeitsgemeinschaft Spirit of Bike in der Schweiz und Teilhaber der Creaholic SA, Biehl/Schweiz.
Kontakt: maettu@creaholic.com

Die Arbeitsgemeinschaft Spirit of Bike ist ein Netzwerk Schweizer Fahrrad-Enthusiasten und will vorrangig das E-Bike als umweltschonendes und schnelles Individualverkehrsmittel fördern.
Kontakt: www.spirit-of-bike.ch

Creaholic SA ist ein multidisziplinäres Innovationshaus, welches für viele internationale Marktführer tätig ist. Creaholic ist im Advanced Developement der Bereiche Medizin, Verpackung, Sportartikel und Uhrenindustrie für unkonventionelle Ideenfindung bekannt und ist ein Team von 15 Querdenkern im Bereich Technik, Design und Software.
Kontakt: www.creaholic.com

Die Proform AG ist ein Unternehmen auf dem Gebiet Rapid Prototyping. Die Dienstleistungen umfassen u. a. Stereolithographie von Kleinstteilen bis hin zu großen und massiven Teilen, Fertigung von Kleinserien in einer breiten Palette von thermoplast- und elastomerähnlichen Gießharzen mittels Vakuumgießen sowie Metallprototypen mittels einer eigenen Metallgießanlage oder in Zusammenarbeit mit ausgesuchten Gießereipartnern.
Kontakt: www.proform.ch