Leichtbau: Endlos gewickelt aus Carbon

Leichtbau

Endlos gewickelt aus Carbon

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Der gewickelte Fahrradrahmen aus Carbon wiegt höchstens 3 kg und verkörpert die individuellen Maße des Bikers. Er macht extrem sportlich. Ideal sind solche Isogrid-Strukturen aber auch für lange Tragarme wie von Robotern oder Kranen.

Ein Traum, ein solches Fahrrad. Aus Carbon und dem Besitzer auf den Leib geschneidert. Ein Traum aber auch für den Designer. „Eine Art Eiffelturm auf Rädern“, sagt Martin Paul Hoffmann von Paul Martin Design. In dem Projekt mit der CirComp GmbH ging es ihm darum, die Machbarkeit von Isogrid-Strukturen zu zeigen, die höchst belastbar sind und auch schön.

Nur zwischen 2,5 und 3 kg wiegt der Rahmen. Er ist aus fünf Carbonfaser-Strängen endlos gewickelt. Der Sattel ist nach den individuellen Maßen des Fahrers gestaltet und in den Rahmen integriert. Die Fachwerk-Struktur ist etwas fürs Auge.

„Ein Fahrrad schafft Emotionen und stellt hohe Anforderungen an die Physik. Hiermit liefern wir den Nachweis für die Machbarkeit der Isogrid-Struktur. Die Abwandlung für andere industrielle Anwendungen wird dann wesentlich einfacher“, sagt Hoffmann. Zum Beispiel für einen Roboterarm, für strukturelle Bauteile in der Architektur oder im Maschinenbau. Oder für Anwendungen, an die bisher noch niemand denkt. „Wir wollen Firmen für das Verfahren begeistern.“

„Wir“ – das ist Martin Paul Hoffmann und CirComp-Geschäftsführer Dr. Ralph Funck, der die Isogrid-Strukturen fertigt. „Der Vorteil liegt in der kontinuierlich faserverstärkten bionischen Stabwerkstruktur“, sagte Dr. Funck, als er seine ersten Isogrid-Körper auf der JEC Composites 2014 vorstellte – damals noch rein zylindrisch. Seither hat sich viel getan. Das Grundprinzip: Mit Epoxidharz getränkte Kohlenstofffaser-Rovings werden endlos auf einen Kern gewickelt, Lage für Lage. Der Kern verkörpert die spätere Form und hat dort Nuten, wo die Stränge zu liegen kommen sollen. Da die Carbon-Stränge bereits mit Harz imprägniert sind, haften sie aufeinander.

Nach dem Aushärten ist die Isogrid-Struktur fertig – jetzt muss nur noch das wasserlösliche Kernmaterial ausgewaschen werden. Dieser „H2O-Sand 410“ ist eine CirComp-Eigenentwicklung. Und elementar wichtig, um von der starren Zylinderform weg zu kommen (www.carbon-24.de), die für Tragarme durchaus eine Option ist, aber doch Einschränkungen mit sich bringt. Beim Isogrid-Rahmen hingegen ließen sich sogar Lenkrohr, Tretlager und Radaufnahmen als metallische Komponenten einwickeln.

Die vielleicht größte Mühe machte den beiden Kaiserslauterern das Erarbeiten der Wickelstrategie. Das „Spiel mit dem Faden“ erwies sich als kompliziert, verrät Hoffmann: „Zum Beispiel bei der Radschwinge hinten kommen wir von zwei Seiten und schwenken dann auf eine ein. Wir vollziehen Richtungswechsel und umwickeln Komponenten. Außerdem mussten wir darauf achten, dass die Knoten nicht zu dick werden und Kreuzungspunkte trennen.“

Verursacht das Carbon-Material nicht zu hohe Kosten? Nicht unbedingt, meint er. Aufwändig beim Demonstrator waren eher die manuelle Herstellung und die Vorarbeit. Das Kennzeichen der Isogrid-Technologie seien gerade geringe Kosten. Alles ließe sich automatisieren. „Für die Industrialisierung könnten wasserlösliche Kerne mit Hilfe eines Werkzeugs in Serie hergestellt werden. Und für die Zuführung der Faser-Rovings käme ein Roboter in Frage“, sagt Hoffmann. Beim Umsetzen des Wickelplans haben sich Funck und er noch damit beholfen, das Fadenmuster abzufotografieren und auf den dreidimensionalen Kern zu projizieren. In Zukunft könnte ein 3D-Scanner diese Arbeit vereinfachen. Und zweifellos würde mit der Zeit alles systematisiert und in Software gegossen. Die Freiheiten in der Formgebung machen die Isogrid-Technologie zwar komplizierter. Doch das Faserwickeln ist eine Kernkompetenz von CirComp. Funck zählt Firmen wie Lamborghini und Airbus zu seinen Kunden.

Bionik ermöglicht extremen Leichtbau

„Das Fortschrittliche sind die Freiformflächen und die offene Struktur“, betont Hoffmann. In Design und Architektur sind Skelettstrukturen im Trend – erste Anfragen aus dieser Richtung gingen bereits ein.

Ästhetik ist der eine Vorteil, extremer Leichtbau und hohe Funktionsintegration der andere. Die Isogrid-Bauweise mit Carbon ermöglicht sehr leichte Strukturen, die sich bionisch mit minimalem Materialeinsatz gestalten lassen. Lasten verteilen sich auf dem Isogrid-Gitter relativ homogen, die Gefahr von Rissen und Brüchen sinkt.

Unabhängig davon, ob es jemals auf den Markt kommt: Das „IsoGridBike“ soll inspirieren. Das haben seine Väter beschlossen. Neben Funck und Hoffmann gehören dazu noch weitere Akteure aus dem Kunststoffnetzwerk Kaiserslautern, die regelmäßig ihre Erfahrungen austauschen. Als Ralph Funck ihnen die Isogrid-Technik vorgestellt hatte, fiel dem Designer unter ihnen die Aufgabe zu, aufrüttelnde Konzeptentwürfe für ein neuartiges Fahrrad vorzulegen. Ein Ansatz ganz nach dem Geschmack von Martin Paul Hoffmann. „Müssen die Dinge so sein, wie sie sind?“, liebt er zu fragen, wenn er konzeptionell arbeitet. Drei Entwürfe legte er vor.

„Das Netzwerk entschied sich aber spontan für den extremen.“ Das passt zur Technologie. Wo Isogrid zum Zug kommt, ändert sich das Aussehen der Dinge.

Olaf Stauß

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