Radsport: Mit 3D-Druck zum optimalen Zeitfahr-Anzug

Das erste Einzelzeitfahren der Tour de France am 15. Juli gewann Tom Dumoulin. Vielleicht hat dazu auch das neuartige vom Team Giant-Alpecin und der TU Delft entwickelte Trikot einen Beitrag geleistet. Die Universität hat dabei ein neuartiges Verfahren angewandt, um die Aerodynamik der Bekleidung zu erforschen: Aus einem Körperscan von Dumoulin entstand ein gedrucktes 3D-Modell. Der Luftwiderstand des modellierten Körpers wurde jedes mal mit einem anderen Anzug im Windkanal der TU Delft getestet und optimiert.

Einer der Bereiche, in denen Profi-Radsportler immer noch punkten können, ist die bessere Aerodynamik. Die ergibt sich teilweise aus der Haltung des Fahrers auf dem Rad, aber ein stromlinienförmiges Outfit kann genauso eine Rolle spielen. Grund genug für das Team Giant-Alpecin, mit den Wissenschaftlern an der TU Delft zusammenzuarbeiten, um einen verbesserten Anzug zu entwickeln. Bruchteile von Sekunden würden im Radsport entscheiden, ganz besonders im Zeitfahren. Wenn ein schnellerer Anzug auch nur eine kleine Verbesserung bedeute, könne er doch den Unterschied ausmachen, wie Tom Dumoulin anmerkt. Der Abstand zwischen Tom Dumoulin und seinem Verfolger im Prolog des Giro d’Italia betrug übrigens nur eine 22 Tausendstel Sekunden.

Idealerweise hätte man unbeschränkten Zugang zum Athleten, um ausgedehnte Tests im Windkanal zu fahren und die perfekte Bekleidung für ihn zu entwickeln. Doch natürlich kann man für diesen Zweck einen Radsportler nicht wochenlang in den Windkanal versetzen. Und kam an der TU Delft die Idee auf, nicht den Radfahrer selbst, in dem Fall Tom Dumoulin, sondern ein gedrucktes Abbild mit exakt denselben Maßen im Windkanal zu platzieren. Ein noch wichtigerer Vorteil des physischen Modells: es hält perfekt still, so dass die Messung der Luftströme um den Körper viel schneller und genauer erfolgen kann. Der neue Anzug kam beim Zeitfahren am 15. Juli zum Einsatz. Dr. Daan Bregman vom TU Delft Sports Engineering-Institut erklärt: „Es brauchte mehrere Anläufe, um den Anzug aerodynamisch zu optimieren. Zuerst wurde der Körper von Dumoulin präzise gescannt. Mit diesen Daten wurde dann ein genaues, lebensgroßes Modell seines Körpers 3D-gedruckt. Diese Modell diente dann für Messungen mit unterschiedlichen Anzügen und Materialien im Windkanal der TU Delft.“

150 Kameras auf Tom Dumoulin

Dr. Jouke Verlinden von der Faculteit Industrieel Ontwerpen an der TU Delft hat sich hauptsächlich damit beschäftigt, ein gutes Modell zu erstellen. „Der erste Schritt in diesem Prozess ist das akkurate Scannen des Radfahrers. Wir haben diese Aufgabe an eine spezialisierte Firma, th3rd, ausgelagert, die ein fotogrammetrisches Verfahren anwenden. Kurz, wir verwendeten 150 Spiegelreflexkameras um eine Menge Bilder des Körpers aus vielen verschiedenen Winkeln aufzunehmen, und alle gleichzeitig. Tom Dumoulin war in rund 30 Minuten fertig, aber für uns fing die Arbeit erst an.“

„Als Ergebnis der digitalen Aufnahmen waren wir nun mit riesigen Datenmengen konfrontiert. Es ist enscheident, die Daten korrekt zu verwenden, indem man etwa die Dateien intelligent aufteilt: die so genannte 3D-Segmentierung. Man sollte auch die Stellen im Scan und dem daraus folgenden Druck festlegen, wo es etwas weniger auf die Genauigkeit ankommt. In diesen Bereichen kann man die Menge der benötigten Daten stark reduzieren. Wenn man in allen Bereichen ein mikrometergenaues Modell anstrebt, wird man viel zu viel Zeit beim Druck des Modells aufbringen müssen.“

3D-Druck

Der nächste Schritt ist die Herstellung des Menschmodells, für das der 3D-Druck gewählt wurde. „3D-Druck wird zunehmend genauer und erschwinglicher und liegt daher näher. Tatsächlich haben wir einen ziemlich normalen 3D-Drucker eingesetzt, wenn auch einen, der recht schnell arbeitet. Mit einer ziemlich einfachen Anpassung erreicht der Drucker eine Bauhöhe von 2 Metern. Es hat uns rund 50 Stunden gekostet, das Modell mit bis zu 20 Mikrometer Genauigkeit zu drucken. Das von uns verwendete Verfahren nennt sich Fused Deposition Modeling, mit dem das Modell in einem Kunstharz Schicht für Schicht aufgebaut wird. 

„Wir haben das Modell übrigens in acht separaten Teilen gefertigt und dabei mehrere Drucker gleichzeitig verwendet. Vergessen Sie nicht, dass die Teile in ihrem Verhältnis zueinander beweglich sein mussten, um das Modell in eine wirklichkeitsnahe Haltung auf dem Fahrrad bringen zu können. Und natürlich sollte es auch möglich sein, das Modell in einen neuen Anzug zu stecken. Die acht Teile sind mit einfachen Stiftverbindungen aneinander befestigt.“

 Im Windkanal

Das Modell erreichte dann Wouter Terra, einen Doktoranden an der Fakultät Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek der TU Delft. Er nahm mehrere Messungen im Windkanal vor und verwendete dabei unterschiedliche Anzüge und Textilien. Man würde erwarten, dass ein glatteres Material weniger Luftwiderstand bedeute, sagt Terra. Aber das sei nicht immer der Fall, besonders wenn man die Luftströmung um einen gerundeten stumpfen nicht strömungsgünstigen Körper betrachte, wie den Körper eines Radfahrers. Warum zeigt eine kantige Oberfläche in bestimmten Bereichen die besseren Ergebnisse? Terra erklärt: „Luftwiderstand baut auf zwei Komponenten auf. Erstens, den Widerstand durch Reibung und zweitens den Widerstand durch Druck.“ Durch die Rauhheit eines gerippten Musters würde der Widerstand durch Reibung zunehmen, aber jener durch Druck drastisch sinken. Eine einfallsreiche Kombination von rauhen und glatten Flächen auf dem Anzug könnte den Luftwiderstand nur um ein halbes Prozent reduzieren, aber das würde möglicherweise jene wertvollen Sekunden liefern, die den Unterschied zwischen Sieg und einem Platz unter den ersten zehn ausmachten, ist Terra überzeugt.

Zylinder

Zunächst hat man alle verfügbaren Textilien des Ausrüsters Etxeondo im Windkanal auf einem Zylinder getestet: der Oberarm, der Unterschenkel und der Oberschenkel kommen dem in der Gestalt sehr nahe. Somit konnte man sich einen Eindruck von den Textilien verschaffen, die für die verschiedenen Körperteile am besten geeignet sind. Die Aerodynamik-Experten haben dann nach den Tests mit dem Menschmodell im Windkanal verschiedene Anzüge mit den leistungsfähigsten Textilien hergestellt, indem sie unterschiedliche Rauigkeiten und Muster einsetzten. Das Verfahren zum Abbilden der Luftströme ist recht speziell. Hier kam PIV (Particle Image Velocimetry) zum Einsatz: die Bewegung der kleinen Partikel wird analysiert, um einen gesamthaften Blick auf den Luftstrom zu gewinnen. Um das in der Größenordnung des Radfahrers zu tun, hat man mit Helium gefüllte Seifenblasen zur Abbildung der Strömung und für genaue Messungen verwendet.

Zeitersparnis

Terra hat sich vom neuen Zeitfahr-Outfit für Tom Dumoulin eine Zeitersparnis erwartet. „Wir haben einen klaren Unterschied im Luftwiderstand zwischen den unterschiedlichen Materialien festgestellt.“ Nur ein Prozent Unterschied könne in einer zehn Sekunden schnelleren Zeit in einem einstündigen Einzelzeitfahren resultieren.

Interdisziplinär

Für Daan Bregman liegt die Attraktivität des Projekts in seinem interdisziplinären Charakter. Ohne das Wissen aus verschiedenen Fachbereichen wäre man nie so gut zu recht gekommen. Team Giant-Alpecin und die TU Delft haben eine längere Zusammenarbeit vereinbart, die mittlerweile vier Schlüsselbereiche umfasst, einer davon ist die Aerodynamik. 

Bild oben: 3D-gedrucktes Modell von Tom Dumoulin in Zeitfahrposition. Foto Cees Vos | Team Giant-Alpecin