Festigkeits- und leichtbauoptimierte Konstruktion und Auslegung eines additiv gefertigten Fahrradvorbaus

Die Zielsetzung beim Radfahren ist das Leistungspotential des Fahrers vollständig auszunutzen. Dabei muss das Fahrrad optimal an die Körpermaße des Fahrers angepasst werden. Besonders im Radrennsport ist neben dem hohen Leichtbaupotential eine aerodynamische Sitzhaltung von enormer Bedeutung. Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen sind individuelle Bauteile und Strukturen zu entwickeln, da nicht in allen Fällen die Abmessungen der Standardbauteile eine optimale Anpassung zulassen. Im Hinblick auf einen groß gewachsenen Fahrer ist ein verlängerter Vorbau – Gabel-Lenker-Verbindung – für eine aerodynamische Sitzhaltung und somit einen geringen Luftwiderstand unumgänglich. Für die Herstellung solcher maßgeschneiderten Strukturen ist die additive Fertigung aufgrund der hohen gestalterischen Freiheiten und des hohen Individualisierungsgrades besonders geeignet. Im Rahmen dieses Beitrags wird ein Fahrradvorbau für einen überdurchschnittlich langen Fahrer festigkeits- und leichtbauoptimiert konstruiert und nach der Norm DIN EN ISO4210 unter Berücksichtigung der verfahrensspezifischen Randbedingungen beziehungsweise Gestaltungsrichtlinien des Laserstrahlschmelzens ausgelegt. Ausgangsbasis für die Geometriegestaltung sind die Grundlagen der Festigkeitsberechnung. Ein CAD-Modell wird erstellt und aufgrund der komplexen Belastungssituation mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch untersucht sowie optimiert. Nach mehreren Iterationsschritten wird für den Werkstoff TiAl6V4 ein gewichtsreduzierter überlanger Fahrradvorbau von 140mm entwickelt und generativ hergestellt. Der anschließende Vergleich zu einem handelsüblichen Vorbau zeigt eine Gewichtsreduktion von ca. 30%.