Motivation und Problemstellung
Für viele Bergwanderer stellt der Abstieg die größte physische Belastung dar. Bestehende Alternativen wie Seilbahnen oder Paragliding sind jedoch infrastrukturell gebunden oder mit hohem organisatorischem Aufwand verbunden. Vor diesem Hintergrund wurde der Hill-Cruiser als leichtes, tragbares Downhill-Fahrzeug entwickelt, das es ermöglicht, abschüssige Wegabschnitte fahrend zu bewältigen.
Der Demonstrator soll zeigen, wie durch den Einsatz additiver Fertigung und der konsequenten Umsetzung bestehender Leichtbauprinzipien:
- extrem leichte und gleichzeitig tragfähige Strukturen realisiert werden können
- Funktionsintegration in strukturelle Bauteile umgesetzt wird
- Optimierte Klebeverbindungen entwickelt werden können
Somit dient der Hill-Cruiser als Lehr- und Forschungsdemonstrator an der Professur für Konstruktion und Leichtbau (MB), an dem Studierende im Rahmen von Lehrveranstaltungen, Projektstudien sowie Bachelor- und Masterarbeiten die gesamte Entwicklungskette eines technischen Produkts praxisnah durchlaufen können.
Der Demonstrator ermöglicht die Anwendung zentraler Forschungsbereiche der Professur:
- Konstruktion und Leichtbau
- Finite-Elemente-Methode (FEM)
- Einsatz von Messtechnik (z. B. Dehnungsmessstreifen (DMS))
- Additive Fertigung
- Hybridbauweise und Fügetechnik
Demonstrator im Überblick
Der Hill-Cruiser ist ein dreirädriges, antriebsloses Downhill-Fahrzeug, das speziell für den Einsatz auf Forststraßen konzipiert wurde. Das Fahrzeug wird vom Nutzer demontiert bergauf getragen und ermöglicht anschließend eine rollende Abfahrt. Aus dieser Nutzung ergeben sich die zentralen Anforderungen eines möglichst geringen Gesamtgewichts sowie struktureller Integrität.
Der Demonstrator ist modular aufgebaut und wurde über mehrere Generationen hinweg kontinuierlich weiterentwickelt. Einzelne Baugruppen, wie beispielsweise das Fahrgestell, die Laufräder oder die Verbindungselemente, wurden im Rahmen studentischer Arbeiten konstruiert, optimiert und experimentell untersucht. Dadurch entsteht ein iterativer Entwicklungsprozess, bei dem bestehende Lösungen analysiert, Schwachstellen identifiziert und neue Konzepte umgesetzt werden können. Der Hill-Cruiser stellt somit nicht nur ein technisches System, sondern eine fortlaufend genutzte Plattform für Lehre und Forschung dar.
Methodik und Umsetzung
Bei der Entwicklung des Hill-Cruisers sind Konstruktion, Simulation, Fertigung und experimentelle Validierung eng miteinander verzahnt. Die Umsetzung erfolgt im Rahmen studentischer Arbeiten und Lehrveranstaltungen.
Ausgangspunkt für die konstruktive Auslegung des Fahrzeugs ist das neuartige Fahrzeugkonzept mit drei Rädern, strukturintegrierter Federung und einfachster Lenkung. Die CFK-Rohre tragen die Hauptlasten und sind durch additiv gefertigte Knoten über optimierte Klebeverbindungen zu einem Hybridrahmen verbunden. Auf Grundlage der geometrischen Gestaltungsfreiheit können Funktionen wie Rad- oder Bremssattelaufnahme in Knoten mit optimierter Topologie integriert werden.
Bei den eingesetzten additiven Fertigungstechnologien handelt es sich um das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) und Polymeren (PBF-LB/P). Während die hochbelasteten Verbindungsknoten aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg realisiert werden, bestehen einzelne Komponenten wie die Laufräder oder die Sitzverstellung aus Polyamid 12 (Nylon) (Abbildung 1).
Abbildung 1. Hybridfertigung des Hill-Cruisers: Konventionelle CFK-Rohre werden über PBF-LB/AlSi10Mg-Verbindungsknoten verbunden und durch PBF-LB/PA12-Anbauteile ergänzt
Die bei Bergabfahrten äußerst wichtigen Bremsen sind bei diesem Fahrzeug dreifach vorhanden (jedes Rad ist gebremst) – es wird auf bewährte und sichere Bremstechnologien aus dem Fahrradbereich zurückgegriffen.
Zur Bewertung und Optimierung der Lösungen werden experimentelle und numerische Methoden kombiniert. So können reale Lastdaten im Fahrbetrieb mittels DMS erfasst (Abbildung 2), mit der Finite-Elemente-Methode analysiert und auf Grundlage der Betriebsfestigkeit bewertet werden.
Abbildung 2. Impressionen einer Testfahrt am Blomberg zur Ermittlung eines Lastkollektivs als Auslegungsgrundlage für aufbauende Fahrzeugvarianten
Ergebnisse und Erkenntnisse
Der Hill-Cruiser konnte mehrfach als funktionsfähiger Demonstrator realisiert und im Feld erprobt werden. Dabei wurde gezeigt, dass trotz einer signifikanten Gewichtsreduktion gegenüber früheren Konzepten eine anforderungsgerechte Tragfähigkeit gewährleistet ist. Während erste Funktionsprototypen aus Aluminiumhohlprofilen ein Gesamtgewicht von über 10 kg aufwiesen, konnte dieses mittels Hybridfertigung auf ca. 6 kg reduziert werden. Unterschiede ergeben sich vorrangig durch variierende Bereifungen. Dies entspricht einer Gewichtsreduktion um über 30 % und stellt einen wesentlichen Beitrag zur Praxistauglichkeit dar, da das Fahrzeug bergauf getragen werden muss.
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Weiterführende Informationen
Publikationen:
Ascher M, Späth R Joining Technology of Additively Manufactured Components: Design Measures for Optimizing the Strength of Adhesively Bonded Joints. In: Innovative Product Development by Additive Manufacturing 2021, pp 63–81.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-05918-6_
Ansprechpartner:
Prof. Dr.-Ing. Ralf Späth
Gebäude 83, Zimmer 083/0115
+49 (0)89 6004 3330
ralf.spaeth@unibw.de
Projektkontext:
Steigerung der Klebfestigkeit additiv gefertigter Bauteile
https://www.unibw.de/flab-3dprint/forschung-1/verbindungstechnik-additiv-gefertigter-bauteile-massnahmen-zur-steigerung-der-klebefestigkeit