25.10.2021 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

Digitale Fertigung: So optimiert 3D-Druck die E-Bike-Produktion

Digitale FertigungQuelle: Markus Mainka/shutterstock

Fahrräder sind durch die Corona-Pandemie beliebt wie nie. Da sind Innovationen gefragt, um dieses Momentum mitnehmen zu können. Wie können Fahrradhersteller mithilfe von digitaler Fertigung die Produktentwicklung beschleunigen und auch E-Bikes kundenspezifisch anpassen?

Digitale Fertigung: Sowohl herkömmliche Fahrräder als auch E-Bikes finden reißenden Absatz – und das nicht nur in Zeiten der Pandemie, sondern bereits vorher. Der europäische Fahrradindustrieverband Conebi hat prognostiziert, dass sich der europäische Markt für Elektrofahrräder bis 2025 verdreifacht. Italien, das Land, das europaweit die meisten Elektrofahrräder produziert, verkaufte im Jahr 2019 1,52 Millionen herkömmliche Fahrräder und 195.000 E-Bikes. Im Vergleich zum Vorjahr bedeutet dies ein Plus von 7 beziehungsweise 13 Prozent.

Der Markt wächst weiter

Alleine diese Zahlen sind schon beachtlich. Doch scheint sich das Wachstum noch zu beschleunigen und die Schätzungen vonseiten Conebi wirken nun eher zurückhaltend.

Die Covid-19-Pandemie sorgte für weniger Autos auf den Straßen und für mehr Leute, die sich für das Fahrrad entschieden. Dieser Trend dürfte sich durch Pendler, die öffentliche Verkehrsmittel meiden, weiter fortsetzen.

Auch einige Regierungen fördern den Trend: Großbritannien etwa stellt aus einem Notfallfonds Mittel in Höhe von 250 Millionen Pfund Sterling zur Unterstützung von Radfahrern und Fußgängern bereit und will damit die Bevölkerung zum Radfahren bewegen. In Italien gibt es einen Gutschein für alternative Mobilität für alle, die E-Bikes und ­E-Scooter kaufen und in Städten mit mehr als 50.000 Einwohnern leben. Der Gutschein deckt 60 Prozent des Preises beziehungsweise einen Höchstbetrag von 500 Euro ab. Die Initiativen zeigen Wirkung: In Italien war der Umsatz an E-Bikes und E-Scootern im Mai 2020 um 60 Prozent höher als im Mai 2019.

Der Markt für Elektrofahrräder wächst also zweifellos rapide, und mit der steigenden Nachfrage werden auch Innovationen begünstigt, da Hersteller versuchen, sich zu differenzieren und den Trend bestmöglich auszuschöpfen.

Technik-Trends

Das Augenmerk liegt bei E-Bikes oft auf dem Akku und der Frage, wie er möglichst leicht und effizient werden kann. Die aktuelle Forschung konzentriert sich beispielsweise auf Graphen-Lithium-­Nanotechnologie zur Steigerung der Energiedichte. Ziel sind leichtere Akkus, die mit einer Ladung eine größere Distanz ermöglichen. Die ersten Prototypen mit diesen Akkus werden bereits getestet.

Bedenken haben E-Bike-Pendler bei der Sicherheit – eine bessere Mensch-Maschine-Integration könnte hier Verbesserungen bringen. Ein Beispiel ist eine laufende Forschungsarbeit an der Universität Southampton, bei der ein E-Bike-Prototyp die Gehirnaktivität des Fahrers analysiert, um potenzielle Unfälle zu vermeiden. Hierzu trägt der Radfahrer eine Elektrodenmütze, die misst, ob sich seine periphere Wahrnehmung verändert. Verengt sie sich, deutet dies auf eine Gefahr oder Bedrohung hin. Als Reaktion wird die Fahrt computergesteuert verlangsamt.

Digitale Fertigung
Der junge E-Bike-Hersteller Coboc setzt auf schnelle Teile vom Fertigungsdienstleister. Die können aus dem 3D-Drucker, der CNC-Maschine oder aus einer Spritzgießmaschine kommen. Bild: Coboc

Direkte Innovation durch 3D-Druck und „schnelle“ Teile

Solche Entwicklungen sind vielversprechend. Hersteller suchen aber auch nach schnelleren Neuerungen, die ihnen helfen, sich durch ihre Produkte schon heute zu differenzieren.

Auch hier spielt die digitale Fertigung und insbesondere der 3D-Druck zunehmend eine Rolle. Die modernen Fertigungstechnologien sind sowohl bei der Herstellung der ersten Prototypen zur Validierung von Ästhetik und Funktion als auch bei der Produktion von leichteren, stabileren und besser funktionierenden Komponenten von enormer Bedeutung. Dazu gehört alles von schwingungsabsorbierenden Reifen und Griffen bis zu leichteren und stabileren Pedalen aus Nylon.

Dank 3D-Druck können Designer und Ingenieure ihrer Kreativität freien Lauf lassen, da sich mithilfe dieser Fertigungsmethoden Formen und Geometrien realisieren lassen, die anders nicht umsetzbar wären. Die zugrundeliegende Technologie hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte erzielt und ist nun ein gängiges Herstellungsverfahren für Kunststoff- und Metallkomponenten. Zusätzlich wird die Vielfalt der Materialen, die sich im 3D-Druck verarbeiten lassen, zunehmend größer.

Im Rahmen der digitalen Fertigung kann der 3D-Druck mit CNC-Schnellbearbeitung und Schnellspritzgießen kombiniert werden, wodurch der gesamte Produktentwicklungszyklus unterstützt wird. Diese Kombination kann sowohl zur Prototypenherstellung als auch zur Produktion von Kleinserien zur schnelleren Markteinführung vor einem offiziellen Serienstart dienen. Der wohl wichtigste Vorteil der digitalen Fertigung besteht jedoch in der Möglichkeit zur kundenspezifischen Anpassung von E-Bikes und Fahrrädern.

Digitale Fertigung: So nutzt Coboc 3D-Druck

Die Physiker und Fahrrad-Enthusiasten ­David Horsch und Pius Warken, Co-Gründer des E-Bike-Start-Ups Coboc, nutzen die digitale Fertigung. Im Zuge ihrer Vision, ein zweirädriges Pendant zum klassischen Sportwagen auf die Straße zu bringen, entwarfen sie eine neue Generation von E-Bikes. Das Besondere ist sein Aussehen. Gleichzeitig soll es in puncto Fahrspaß und Dynamik höchsten Ansprüchen gerecht werden.

Das Design besteht aus einem, im Rahmen verborgenem Akku, dessen Ladezustand am Oberrohr via LEDs ablesbar ist und der sich über Anschlüsse an der Unterseite aufladen lässt. Die Kunststoffklammern, die die Stromversorgung innerhalb des Rahmens befestigen und vor Kollisionen mit ebendiesem schützen, stammen dabei vom Fertigungsdienstleister Protolabs. Das Unternehmen ist für das Start-Up ein zuverlässiger Lieferant von hochwertigen Kunststoffteilen. Die Baugruppe der LEDs ist eingebettet in eine UV-stabile Hülse, die durch das Express-Spritzgussverfahren von Protolabs hergestellt wird. Durch schnelle Teile in unterschiedlichen Verfahren gefertigt, sind die beiden Gründer in der Lage, der wachsenden Nachfrage und dem hohen Qualitätsanspruch zeitlich gerecht zu werden.

Digitale Fertigung
Ein Sportwagen-Pendant mit zwei Rädern ist das Ziel dieses auf Fahrdynamik ausgerichteten Modells.
Es gibt sich dabei nicht direkt als E-Bike zu erkennen. Bild: Coboc

Wie dieses Beispiel und sicherlich auch alle Fahrradbegeisterten bestätigen, ist es für den langfristigen Komfort und Nutzen eines Fahrrads außerordentlich wichtig, dass es genau auf die Maße und Anforderungen seines Besitzers zugeschnitten ist. Wenn ein E-Bike langfristig zum regelmäßigen Verkehrsmittel für die Fahrt zur Arbeit werden soll, spielen solche Überlegungen eine noch größere Rolle.

Die digitale Fertigung auslagern

Die Investition in digitale Fertigungsverfahren wie 3D-Druck, CNC-Schnellbearbeitung oder Schnellspritzgießen scheint zunächst naheliegend, aber viele Hersteller entscheiden sich dafür, diese Produktionsverfahren an Fertigungsdienstleister auszulagern. Diese sind darauf ausgerichtet, eine solche Auslagerung einfach und schnell zu ermöglichen. Automatische Angebotserstellung und Analyse mit Prototypenschnellfertigung und Kleinserienproduktion aus vielen verschiedenen Werkstoffen bilden ein Geschäftsmodell, bei dem es auf Schnelligkeit, Präzision und Zuverlässigkeit ankommt.

Dazu lädt bei Protolabs ein Ingenieur das CAD-Design in die Angebots- und Analysesoftware hoch. Der Entwurf wird automatisch auf seine Machbarkeit geprüft, und innerhalb weniger Stunden kann ein Angebot erstellt werden. Wird das Angebot akzeptiert, können die Teile unverzüglich in Produktion gehen und sind oft schon am nächsten Tag versandfertig.

Fazit

Voraussichtlich wächst der Markt für Elektrofahrräder weiterhin rapide und Hersteller sowie anwendungsnahe Forschungseinrichtungen arbeiten daran, das E-Bike zu einem noch komfortableren und sichereren Verkehrsmittel in zu machen. Schnelle Innovationen können Hersteller schaffen, indem sie Fertigungsverfahren wie 3D-Druck und weitere Verfahren einführen. Wenn sie nicht selbst die Expertise aufbauen wollen oder können, besteht die Möglichkeit auf entsprechende Fertigungsdienstleister zurückzugreifen. Damit können sie sich direkt durch kundenspezifisch zugeschnittene Produkte differenzieren und ihre Fahrräder schneller weiterentwickeln.

Der Autor Daniel Cohn ist Managing Director bei Protolabs Deutschland.

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