Radsportler auf Spritztour
mit additiver Fertigung

Für amerikanische Erfinder ist die heimische Garage seit jeher ein Symbol für alles, was möglich ist: Ein Ort für Tüftler, an dem Innovationen geschaffen werden. So gründeten vor mehr als 100 Jahren die Gebrüder Wright ein kleines Fahrradgeschäft mit Reparaturwerkstatt, um kurz darauf die selbstölende Radnabe zu erfinden. Ihre späteren Verdienste um die Luftfahrt sind allgemein bekannt. Auch die erste Harley Davidson wurde in einem Schuppen im Hinterhof gebaut. Die das Computerzeitalter prägenden Duos William Hewlett und David Packard (HP) sowie Steve Jobs und Steve Wozniak (Apple) begannen in vorstädtischen Garagen.

Selbst im 21. Jahrhundert halten Garagen noch so manchen Erfinder bereit: Vor etwa vier Jahren entwickelte Russ Kappius, ein passionierter Mountainbiker, Gewinner von sechs Masters-Wettbewerben und Forschungsgeophysiker sowie Softwareentwickler, ein neuartiges Design für eine übergroße Nabe mit hochleistungsfähiger Antriebseinheit. Mit ihrer Hilfe wird mehr Kraft vom Pedal aufs Rad übertragen.

Herausforderung

Zunächst probierten Russ Kappius und sein Sohn Brady, Ingenieur und professioneller Mountainbiker, Wasserstrahlschneiden und Drahterodieren aus, um ihre Radnaben zu optimieren. Jedoch reichte entweder die Leistung des Prozesses für die Herstellung maßhaltiger und komplexer Bauteile nicht aus, die Teile entsprachen nicht den geforderten Spezifikationen oder die Umlaufzeiten waren zu lang.

Ende 2011 entdeckte das Duo das Direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS). Das Schichtbauverfahren ist für die geforderten kurzen Umlaufzeiten wie geschaffen und kann das inzwischen noch komplexer gewordene Design nach genauesten Spezifikationen reproduzieren.

Lösung

Die Besonderheit der leichten und strapazierfähigen Nabe ist die handgefertigte, glatte Karbonfaserhülle mit der darin enthaltenen 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. Dadurch wird mehr Antriebskraft erzeugt, was Radrennen und hochtechnisches Fahren erfolgreicher macht. „Unsere Antriebseinheit ist also eine bahnbrechende Erfindung“, erklärt Kappius.

Durch den Einsatz des DMLS-Verfahrens konnte Russ Kappius die Sperrklinken neu gestalten und den unteren Bereich zylindrisch um einen Millimeter erweitern. Dadurch ist die Nabe beim Eingriff besser positioniert. Das additive Fertigungsverfahren lässt die Einzelteile, entsprechend dem digitalen 3D-Modell, Schicht für Schicht in einem Bett aus Metallpulver „heranwachsen“. Ein Laserstrahl verfestigt den pulverförmigen Werkstoff, indem er die Konturen sowie die Innenfläche des Bauteilquerschnitts belichtet.

Nachdem eine Schicht fertiggestellt ist, senkt sich der Tisch um Mikrometer ab und der Prozess beginnt erneut. Nach Abschluss des Bauvorgangs werden die Teile auf einer CNC-Fräse bearbeitet. Die für die Fertigung benötigten Stützstrukturen sowie zusätzlich 20 Tausendstel des Materials werden 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 Endmontage führt das Vater-Sohn-Team in der heimischen Werkstatt aus.

Ergebnisse

Zwei Jahre lang haben Russ und Brady Kappius additiv gefertigte Modelle ihrer Radnabe erprobt und optimiert. Bereits beim ersten Feldversuch mit der neuen Nabeneinheit gewann Russ Kappius ein Rennen. „Wir hatten es geschafft, das Konzept in nur einem Monat in fahrradtaugliche Bauteile umzusetzen“, schwärmt der Sportler, „ich fuhr schneller als jemals zuvor.“

Die von Kappius Components hergestellten Naben wurden seit Aufnahme des Garagengeschäfts im Jahr 2008 etlichen Konstruktionsänderungen unterzogen. Nach dem Umstieg auf die additive Fertigung hat die Verbesserung deutlich zugenommen. „DMLS hat uns die Freiheit gegeben, Verbesserungen an allen Elementen im System vorzunehmen“, erzählt Russ Kappius begeistert. Zudem hat das Verfahren dem Zweimannbetrieb Ausgangsbedingungen geboten, von denen sonst nur die großen Anbieter der Fahrradbranche profitieren können. „Als Start-up-Unternehmen haben wir rasch erkannt, dass wir neue Teile nach Designänderungen schnell zu unseren Kunden bringen müssen“, erinnert sich Kappius. „Um wettbewerbsfähig zu bleiben, mussten wir also die Produkteinführungszeit verkürzen.“

Für eine typische Bestellung von zehn Antriebseinheiten sind zwei Bauvorgänge auf einer EOSINT M 270 nötig. Die Fertigungssoftware 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 25 Stunden pro Platte beziehungsweise 50 Stunden für zehn Einheiten.

Der Produktionsausstoß des jungen Unternehmens nimmt rasant zu: 2012 wurden fast 100 Naben verkauft; für 2014 werden Verkaufszahlen im Bereich von 500 angestrebt. Die Radnabe wird an innovationsbegeisterte Radfahrer auf der ganzen Welt versandt. Als Material wählte Kappius martensit-aushärtenden Werkzeugstahl (maraging steel), denn die Strapazierfähigkeit der Einzelteile ist für diese Anwendung von höchster Bedeutung. Das wärmebehandelbare Metall zeichnet sich durch exzellente Härte- und Festigkeitseigenschaften aus. Russ Kappius ist mit den Ergebnissen zufrieden. „Der Werkzeugstahl ist extrem hart“, freut er sich. „Bisher ist nicht eine Nabe ausgefallen.“

Der Erfinder der Radnabe fasst die Vorteile des DMLS zusammen: „Der wichtigste Pluspunkt ist die gestalterische Freiheit. An zweiter Stelle steht die Materialfestigkeit gefolgt von der Umlaufzeit.“ Und dann wäre da noch das Erlebnis als Radfahrer. „Unsere Kunden lieben die Nabe“, berichtet Kappius. „Sie sind damit schneller unterwegs und haben noch mehr Spaß an der Bewegung.“