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Additive Fertigungstechniken

Deutlich schneller zum fertigen Produkt

20. August 2014, 9:31 Uhr | Alfred Goldbacher

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Kappius Components nutzt additive Fertigung für neue Antriebseinheit

Vor mehreren Jahren entwickelte Russ Kappius – passionierter Mountainbiker, Gewinner von sechs Masters-Wettbewerben und Forschungsgeophysiker/Software-Entwickler – ein neuartiges Design für eine übergroße Nabe mit leistungsfähiger Antriebseinheit. Mit ihr wird mehr Kraft vom Pedal aufs Rad übertragen.

Die Besonderheit der leichten und strapazierfähigen Nabe (Bild 3) ist die handgefertigte glatte Karbonfaserhülle und die darin befindliche Antriebseinheit. Die Einheit besteht aus drei Komponenten: einem äußeren Antriebsring, einem Innenring mit 60 Zähnen und acht Sperrklinken, die paarweise in die Zähne des Innenrings greifen. Die Sperrklinken dienen dazu, die Vorwärtsbewegung zuzulassen, das Rückwärtsdrehen aber zu vermeiden.

Innovativ sind die Übergröße – doppelter Standarddurchmesser – und die viel höhere Anzahl an Eingriffspunkten. Während Standardantriebe über 18 bis 36 Eingriffspunkte verfügen, sind es bei der Nabe von Kappius Components 240. So kann das Pedal alle anderthalb Grad greifen und dem Radfahrer einen zusätzlichen Viertel- oder Halbpedaltritt bieten. Beim Pedale Treten wird auf diese Weise mehr Antriebskraft erzeugt, was für Radrennen und hochtechnisches Fahren fantastisch ist.

Da Russ Kappius für die Prototypenfertigung das DMLS-Verfahren einsetzte, konnte er die Sperrklinken neu gestalten und den unteren Bereich zylindrisch um 1 mm erweitern. Dadurch ist die Nabe beim Eingriff besser positioniert. Als Material wählte Kappius martensitaushärtenden Werkzeugstahl, denn die Strapazierfähigkeit der Einzelteile ist für diese Anwendung von höchster Bedeutung.
Das additive Fertigungsverfahren lässt die Einzelteile, entsprechend dem digitalen 3D-Modell, Schicht für Schicht in einem Bett aus Metallpulver „heranwachsen“. Ein fokussierter Laserstrahl verfestigt dazu den pulverförmigen Werkstoff, indem er die Konturen sowie die Innenfläche des Bauteilquerschnitts belichtet.

Nachdem eine Schicht fertiggestellt wurde, senkt sich das Pulverbett um wenige Mikrometer ab und der Prozess beginnt erneut. Nach Abschluss des Bauvorgangs werden die Teile aus dem System entnommen und auf einer CNC-Fräse die für die Fertigung benötigten Stützstrukturen sowie zusätzliche 20 Tausendstel des Materials von der Teilerückseite entfernt, damit das Teil eine glatte Oberfläche erhält.
Anschließend werden die Bauteile in einem Brennofen auf einen Wert von 52 HRC gehärtet. Die Herstellung und Nachbearbeitung realisiert der DMLS-Anbieter Harbec aus Ontario, und die Endmontage führt das Kappius-Team in der heimischen Werkstatt aus.

Für eine typische Bestellung von zehn Antriebseinheiten sind zwei Bauvorgänge auf einer EOSINT M 270 nötig. Die Fertigungs-Software unterstützt eine platzsparende Anordnung der Bauteile im Bauvolumen und minimiert die Chargengröße auf zehn Außenringe, zehn Innenringe und 80 Sperrklinken (je acht für jeden Antrieb) sowie einige Zubehörteile. Die Bauzeit beträgt etwa 25 h pro Platte bzw. 50 h für zehn Einheiten. Der Produktionsausstoß des jungen Unternehmens nimmt rasant zu: Für 2014 wird eine Stückzahl im Bereich von 500 angestrebt.