CNC-Bearbeitungszentren und PLM-Lösungen

Fahrräder im High-End-Bereich fertigen

Die Konstruktion und Herstellung von Fahrrädern gehört mit der Automobilherstellung zur Königsklasse der Produktentwicklung. Immer häufiger kommen Hochleistungs-Bearbeitungszentren und -Software-Werkzeuge in Konstruktion, Entwicklung und Organisation zum Einsatz - wie SCOPE-Chefredakteur Hajo Stotz beim Blick hinter die Kulissen der Markenhersteller Sram, BMC und Santa Cruz erfuhr.

Der einstige Drahtesel hat sich zu einem High-Tech-Produkt entwickelt, das auch Chefredakteur Hajo Stotz gern intensiv testet.

„Bei keiner anderen Erfindung ist das Nützliche mit dem Angenehmen so innig verbunden, wie beim Fahrrad“, zitierte Bundeskanzlerin Angela Merkel bei der Eröffnung der Eurobike Ende August den Opelgründer Adam Opel. Merkel war damit die erste Regierungschefin, die die größte Fahrradmesse der Welt eröffnete und trug damit einem unübersehbaren Trend Rechnung. „Die Eurobike ist von der gleichen Bedeutung wie die Cebit und die Internationale Automobil-Ausstellung. Eine umfangreiche Wahrnehmung der Verkehrsträger unserer Zeit kann nur inklusive des Fahrrads dargestellt werden. Deutschland ist nicht nur eine Auto- sondern auch zunehmend immer mehr eine Fahrrad-Nation“, erkannte die Bundeskanzlerin. Bereits jetzt würden zehn Prozent aller Wege in Deutschland mit dem Drahtesel zurückgelegt. Merkel: „Aber wir werden hier noch eine Steigerung erleben, davon bin ich überzeugt.“ Bereits heute hat statistisch jeder Deutsche ein Fahrrad im Keller stehen, und seit Jahren nimmt der Markt weiterhin jährlich weitere vier Millionen auf. Allerdings werden die verkauften Fahrräder in der Ausstattung hochwertiger, was auch den Umsatz steigen lässt. Besonders gefragt sind E-Bikes, ultraleichte Rennräder und vollgefederte Mountainbikes, beide in den höheren Preisklassen gern mit Carbonrahmen und -Komponenten.

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Doch nicht nur auf der Produktseite hat sich die Erfindung von 1817 des Mannheimer Försters Karl Drais vom einstigen Drahtesel zu einem High-Tech-Produkt weiterentwickelt – auch auf der Produktions- und Entwicklungsseite wird nicht mehr mit Löteisen und Handskizze gearbeitet. Stattdessen kommen fertigungsseitig immer häufiger Hochleistungs-Maschinen und -Softwarewerkzeuge in Konstruktion, Entwicklung und Organisation zum Einsatz.

Wie etwa bei Sram. Das Unternehmen wurde 1987 in Chicago gegründet und mit der Grip-Shift-Drehgriffschaltung weltweit erfolgreich. Durch zahlreiche Übernahmen im Komponentenbereich, wie Rock-Shox-Federgabeln, Avid-Bremsen, Truvativ-Kurbeln, Zipp-Laufräder und Quarg mit Produkten für die Leistungsmessung wuchs Sram zum heute zweitgrößten Fahrradkomponenten-Hersteller der Welt mit 2.000 Mitarbeitern und einer umfassenden Produktpalette.

„Unsere Supply-Chain reicht von einer Vielzahl von Zulieferern über unsere weltweiten Produktionsstätten, den Fahrradherstellern, den Zwischenhändlern bis zu den vielen Bikeshops“, erläutert Mike Johnson, Global PLM Manager bei Sram. „Damit haben wir eine Supply-Chain, die mit Sicherheit wesentlich komplexer ist als bei vielen anderen Herstellern.“ Das machte es 2010 erforderlich, das langjährige Produktdatenmanagement-Konzept zu überdenken. Sram benötigte ein PLM-System, das den Zugriff auf seine Produktdaten in allen 16 Niederlassungen ermöglicht, die auf insgesamt neun Länder verteilt sind. Außerdem wurde eine Lösung gesucht, die es erlaubte, das Management seiner Produktdaten kontinuierlich zu verbessern.

„Damit wir stets die neueste Design-Technologie zur Verfügung haben, setzen wir für unsere unternehmensweite, bereichsübergreifende Business Process-Initiative auf die PLM-Lösung von PTC“, erklärt Michael Johnson. „Das wirkt sich nicht nur auf unser eigenes Unternehmen aus, sondern auch auf alle Lieferanten und Kunden, die unsere Produktdaten verwenden. Dank PTC können wir im Vergleich zu früher neue Produktchancen wesentlich schneller erkennen und umsetzen.“ Die PLM-Lösung definiert Teile (Produktspezifikationen, Stücklisten und Qualifizierungsanforderungen) und verwaltet diese über einen geschlossenen Änderungskreislauf. Dabei ermöglicht die Lösung ein effektives Management von komplexen Prozessen sowie die Koordination von global verteilten Teams. „In der globalen Produktentwicklung geht es nicht nur um die Reduzierung der Kosten, es geht auch um Geschäftswachstum in neuen Märkten“, sagt Brian Shepherd, Executive Vice President, PLM, bei PTC. „Damit Unternehmen diese Marktchancen ergreifen können, müssen sie Informationen intern und mit ihren Partnern teilen und Prozesse standardisieren.“

Welchen Mehrwert leistungsfähige Maschinen und Anlagen in der Produktion bringen, hat auch der Schweizer Fahrradhersteller BMC erkannt. Dieser fertigt in seinem neuen Werk Team-Räder für Rennradställe. Daneben baut man auch Sonderanfertigungen mit von Hand fertiggestellten Karbon-Rahmen für Profi- und Amateur-Radrennfahrer und für wohlhabende Dilettanten. Am anderen Ende des Preisspektrums finden sich die Massenrahmen, die BMC in China und Taiwan fertigen lässt. „Wenn die Räder hier ankommen, sind sie zu 80 % fahrtauglich“, meint Martin Känzig, Chief Operating Officer (COO) bei BMC. „Wir ergänzen lediglich die Räder und die Gabel. Nur die wirklichen High-End-Fahrräder werden von Anfang bis Ende hier im Impec-Werk gefertigt.“ („Impec“ ist die Abkürzung von „Impeccable“ – „makellos“).

Der Besucher von Grenchen, den diese Spezialanfertigungen weniger beeindrucken, begeistert sich vielleicht für den mehrere Millionen Euro teuren, dreistufigen Prozess zur Herstellung der Karbon-Rohre, der das Werk dominiert und in der Welt seinesgleichen sucht. Aktuell werden für jeden BMC Impec-Rahmen etwa 4 km Karbonfaser benötigt. „Die nahtlosen Karbonrohre sind kritische und charakteristische Komponenten eines Impec-Rades. Unser Prozess beginnt mit dem Flechten. Hier wird jeder Silikon-Rohrkern von einem Roboter geladen und anschließend mit vier Schichten Karbonfasern umflochten.“

Nach sieben Minuten geflochten

Der Roboter erkennt, um welches Rohr es sich handelt, lädt die passenden Programme und startet den Flechtprozess. In einem zweiten Schritt folgt das Verharzen. Hierbei erhält das Rohr seine endgültige Form und das Harz wird eingepresst und härtet aus. Zu guter Letzt werden die Rohre von einem 6-Achsen-Roboter und einer Diamantsäge auf die richtige Länge geschnitten. „Gegenwärtig produzieren wir auf diese Weise pro Jahr etwa 1300 Fahrräder, wobei die Fertigungskapazität bei über 2500 Stück liegt.“

Kleiner und weniger durchdringend als die Maschinen zur Herstellung der Rohre, aber genauso wichtig, ist das CNC-Bearbeitungszentrum VF4-SS Super Speed von Haas, das im Jahr 2010 im Unternehmen installiert wurde. „Die Maschine wird verwendet, um Montagestelle und Befestigungsvorrichtungen, Kunststoffteile und F+E- oder Prototypenteile für neue Fahrräder zu fertigen. Für die letzteren arbeiten wir mit 3D-CAD-Programmen. Die Teile werden auf der Haas bearbeitet. Wir glauben, das geht einfacher als mit anderen Technologien, wie 3D-Druck.“

„Außerdem erhalten wir so ein Teil“, ergänzt Känzig, „das die tatsächlichen mechanischen Eigenschaften besitzt und für Tests unter realen Einsatzbedingungen verwendet werden kann. Für die nächste Produktgeneration schwebt uns vor, die VF4-SS zum Fräsen von Rahmenrohren einzusetzen, damit diese enger zusammen montiert werden können. Um diese Strategie möglichst effektiv umzusetzen, werden wir wohl eine zweite VF4-SS benötigen. Letztendlich planen wir, ein völlig neues Fahrrad mit weniger Teilen als beim aktuellen Modell herzustellen.“

BMC produziert selten Rahmen mit einem konventionellen runden Querschnitt. „Das bringt keine technischen Vorteile“, erläutert Känzig, „sondern ist eher ein Konstruktionsmerkmal, das unsere Marke kennzeichnet. Allerdings erschwert diese Form die Herstellung der notwendigen Werkzeuge.“ Das war der Hauptgrund, aus dem das Unternehmen in eine Haas Maschine investierte.

Heute wird die Maschine nicht nur für die Befestigungsvorrichtungen und Werkzeuge genutzt, sondern auch für einige der kleineren Teile, die man an manchen Modellen findet. Martin Känzig: „Wir haben auch begonnen, Kunststoffteile, d. h. die Rohrverbindungen, zu fräsen. Nach ein paar Änderungen an der Konstruktion hatte sich die Form leicht verändert. Anstatt die Spritzgießwerkzeuge zu zerstören und neu anzufertigen, was sehr teuer gewesen wäre, haben wir beschlossen, sie lieber auf der Haas Fräsmaschine zu bearbeiten.“ Zwar ist die weltweit wachsende Nachfrage nach Fahrrädern für BMC wichtig, doch sind es eindeutig die nach Kundenwünschen angefertigten High-End-Modelle, die das einst relativ unbekannte Unternehmen zu einem der weltweit begehrtesten Fahrradmarken haben werden lassen. Mit den flexiblen Werkzeugen und Fertigungsprozessen ist BMC in der Lage, mit Produktentwürfen und Innovationen zu experimentieren und, was genauso wichtig ist, die Montagestelle und Befestigungsvorrichtungen zu bauen, die es für seine neuen Rahmen und Komponenten benötigt.

Auch der Mountain-Bike-Hersteller Santa Cruz Bicycles (SCB) fertigt seine Mountainbikes nicht für den Massenmarkt, sondern positioniert sich im High-End-Bereich. Das in Kalifornien beheimatete Unternehmen setzt dabei PTC-Lösungen für die Konstruktion, Fertigung und Simulation ein, um neue Modelle vor der ersten realen Fahrt virtuell bis ins Detail zu testen. Durch den Einsatz der PTC-Lösungen gelang den Kaliforniern die Entwicklung eines Federungssystems, das bis heute in seiner Wirkung vom Wettbewerb nicht übertroffen wurde. Die vielleicht größte Herausforderung für das Entwicklungs-Team ist der Zeitfaktor. Den Konstrukteuren stehen nur rund 14 Monate zur Verfügung. „Das Bike muss pünktlich fertig sein, die Verkaufszeit liegt zwischen Februar und Mai“, beschreibt Joe Graney den Zeitdruck. Der 39-jährige ist verantwortlich für Entwicklung und Qualität bei SCB. „Die Käufer wollen das neueste Modell für die Rennen in der Sommer-Saison. Wer diesen Zeitpunkt verpasst, verpasst den Markt.“ Damit dieses Zeitraster eingehalten werden kann, nutzt SCB heute fast die komplette PTC-Werkzeugkiste: Creo und Wildfire (3D-CAD), Pro/Mechanica und Mechanism (Simulation und Analyse), Behavioral modeling (Kinematik), ISDX surfacing (Design) und Pro/Manufacturing (NC-Programmierung). Mit diesen Werkzeugen wird das gesamte Gebiet der Produktentstehung abgedeckt. Zudem helfen die Lösungen bei der Kommunikation mit den asiatischen Partnern. Denn die SCB-Bikes werden zwar komplett in Kalifornien entwickelt, gebaut werden sie hier aber nur zum Teil. Weitere Produktionsstandorte sind in Taiwan und China. „Die sprechen manchmal nicht besonders gut Englisch, aber die Bilder einer Festigkeitsanalyse verstehen sie“, erklärt Joe Graney. Mittels der PTC-Lösungen sind die SCB-Ingenieure heute in der Lage, schneller und produktiver zu arbeiten. Joe Graney: „Insgesamt konnten wir die durchschnittliche Entwicklungszeit eines Bikes von 22 auf 14 Monate und die Zahl der Reklamationen um 70 Prozent reduzieren. Gleichzeitig haben wir es geschafft, unseren Bikes ein unverwechselbares Aussehen zu verleihen.“

Das Fahrrad lernt fliegen

Dass die Evolution des Fahrrades mit Mountainbikes und E-Bikes noch lange nicht am Ende ist, zeigt ein Projekt, das tschechische Konstrukteure auf Basis von 3D-Software-Lösungen von Dassault Systèmes entwickelt haben: ein fliegendes Fahrrad. Mit ihm wurde für drei tschechische Firmen ein lang gehegter Traum wahr. Ihr erklärtes Ziel war es, ein attraktives und praktisches Produkt zu entwerfen sowie einen Prototypen zu bauen. Das Rad und seine Eigenschaften wurden auf der 3D-Experience-Softwareplattform von Dassault Systèmes komplett virtuell entwickelt, getestet und simuliert. Um das Fahrrad in die Luft zu heben, spielten sie verschiedene Alternativen durch und entschieden sich schließlich für das sogenannte Multicopter-Prinzip: Damit steigt das Fahrzeug dank des Schubs von sechs feststehenden, horizontalen Propellern in die Luft. Die Gesamtleistung der Antriebe beträgt 54kW, wobei die vier Hauptmotoren mit je 10 kW vorne und hinten in einer Längsachse als entgegengesetzte Paare angebracht sind. Für die Stabilisierung sorgen zwei Motoren mit je 7 kW, die auf drehbaren Konsolen an der Seite angebracht sind. Seinen Jungfernflug absolvierte das Fahrrad im Juni in Prag. Möglicherweise kann die Bundeskanzlerin ja das Flug-Fahrrad auf der nächsten Eurobike probefliegen... Hajo Stotz

Ein Video und weitere Infos zur 2D- und 3D-CAD-Software PTC Creo finden Sie hier.

Lesen und sehen Sie in unserem Beitrag "Zuverlässige Werkzeugmaschinen" auch, was BMC, der international agierende Schweizer Hersteller von Fahrrädern, über die Produkte von Haas Automation zu berichten hat.

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