Thok E-Bike 3D gedruckter Aluminium-Prototyp

Thok Prototyp – 3D gedruckt und fahrbar

Auf der Eurobike 2023 zeigte Thok ein vollkommen neues E-Mountainbike, ein Light-E-MTB mit Bosch Performance SX-Motor, welches aktuell noch Prototyp-Status hat. Das Besondere an diesem Aluminium-Prototyp: er wurde komplett im 3D-Druck gefertigt und ermöglicht so eine stimmigere Nähe – optisch und technisch – zu Formen, Radien, Ecken und Kanten moderner Carbonrahmen. Weiterer Vorteil dieser Methode: der Rahmen ist voll fahrbar.

Obwohl in der Vergangenheit bereits mit ähnlichen Technologien experimentiert wurde, markiert die Vorstellung eines funktionsfähigen E-Fully-Prototypen einen bedeutenden Fortschritt. Dabei spielen Aspekte wie das passende Gewicht, die Steifigkeit und Flexibilität eine entscheidende Rolle.

Das Besondere hierbei ist nicht nur die neuartige Entwicklungstechnologie für ein Projekt dieser Art, sondern auch die Tatsache, dass das Endprodukt etwas völlig Neues im Thok-Katalog darstellen wird: ein Light-E-MTB, das mit dem brandneuen Bosch Performance SX-Motor (Test gibt’s hier) ausgestattet ist und die Möglichkeit bietet, zwischen verschiedenen Batteriekapazitäten zu wählen, um den individuellen Anforderungen des Fahrers besser gerecht zu werden.

„Thok Project P4“ (P4 steht für die endgültige Form und den Namen des Fahrrads) markiert den Beginn dessen, was voraussichtlich 2024 realisiert wird: das erste Leichtgewicht von Thok. Die Entwicklung befindet sich in vollem Gange, mit Tests auf den technischen Strecken von Finale Ligure, bei denen der auf der Eurobike präsentierte Rahmen zum Einsatz kommt.

Eine der bedeutenden Innovationen besteht darin, dass es sich um einen voll funktionsfähigen Prototyp handelt, der realistische Tests ermöglicht. Mit herkömmlichen Polyurethan- oder PC-ABS-Modellen wäre dies undenkbar gewesen.

Wahrscheinlich wird das endgültige Fahrrad größtenteils aus Kohlefaser bestehen, doch die Herstellung von Prototypen aus diesem Material wäre zeitaufwendig und kostspielig. Daher werden bei der 3D-Drucktechnologie andere Materialien verwendet. In diesem Fall handelt es sich um Aluminium- und Siliziumpulver, das mit einem Laserstrahl verfestigt wird. Die Struktur ist wabenförmig gestaltet, um Gewicht einzusparen.

Der Thok-Prototyp besteht aus sechs 3D-gedruckten Teilen, die anschließend miteinander verschweißt werden. Das resultierende Produkt wird auf verschiedenen Geländearten getestet, in der Regel auf mittelschweren bis schweren All-Mountain-Strecken. Mithilfe dieser Technologie kann alles, was man sich in Carbon vorstellen kann, in Aluminium als Prototyp realisiert werden.

Es ist eine Sache, Prototypen mit runden Rohren zu testen, denn das schränkt die möglichen Formen ein und erlaubt fast nie eine optimale Integration der Teile, aus denen ein E-MTB besteht. Eine andere Herausforderung ist es, solche Tests mit doppelt gefederten Prototypen durchzuführen, die dem Endprodukt sehr ähnlich sehen.

Es ist unmöglich, einen funktionierenden Prototyp zu erhalten und die notwendige Integration von Batterie und Motor mit einer herkömmlichen Methode zu reproduzieren. Es gibt Bauteile, die durch Hydroforming hergestellt werden, für fürs Formen erforderlich sind und die sonst nicht als Prototyp verwendet werden könnten. Selbst Karbonprototypen sind nicht funktionsfähig und halten langen Tests nicht stand. In diesem Sinne löst das erste vollständig geformte, vollgefederte E-Bike, das wir hergestellt haben, ein großes Problem

Luca Burzio, Industriedesigner bei Thok

Der Rapid Prototyping mit 3D-Druck bietet den Vorteil, dass Geometrien und Konstruktionen in der Praxis getestet werden können und Anpassungen sowie Designänderungen an Versuchsmodellen schnell vorgenommen werden können. Bei der Entwicklung eines Fahrrads sind in der Regel mindestens zwei Jahre Arbeit erforderlich, darunter Besprechungen, Marktstudien, Zeichnungen, Entwicklungsarbeit, Haltbarkeits- und Belastungstests, Gespräche mit Zulieferern und insbesondere die Herstellung von Prototypen. Dies gilt insbesondere für Unternehmen wie Thok, die keine vorgefertigten Rahmen verwenden, sondern ihre E-Bikes von Grund auf neu gestalten. Dies bedeutet Neuland in der Entwicklungsphase. Es spart Zeit und hat den wesentlichen Vorteil, dass ein funktionsfähiger Prototyp entsteht, der dem endgültigen Produkt zu 99 % ähnelt.

Um einen solch anspruchsvollen Übergang erfolgreich zu bewältigen, suchte Thok einen erstklassigen Partner und entschied sich für Materialise, ein belgisches Unternehmen mit Niederlassungen in 20 Ländern. Das Unternehmen ist auf den 3D-Druck für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Medizintechnik spezialisiert.

Bei der angewandten Technologie handelt es sich um das selektive Laser-Schmelzen (Selective Laser Melting, SLM), ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Laser zum Schmelzen von Metallpulver eingesetzt wird. Für das Thok P4 wurde eine Legierung aus Aluminium und Silizium (AlSi10Mg) gewählt, da sie in Bezug auf Festigkeit, thermische Eigenschaften, Gewicht und Flexibilität nach der Bearbeitung am besten geeignet ist.

Diese Legierung ermöglicht einzigartige Formen und löst strukturell komplexe Probleme, die bei einem E-Bike eine große Anzahl von CNC-gefrästen Teilen und Einwegformen erfordern würden. Sie ermöglicht auch die Herstellung größerer Modelle als jedes andere im 3D-Metalldruck verwendete Material, weshalb es häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie im Rennsport eingesetzt wird.

Das Ziel des Rapid Prototyping mit 3D-Druck besteht darin, Arbeitsmodelle herzustellen, mit denen die Geometrie, Aufhängung und Integration der Komponenten getestet werden können. Durch SLM können Teile hergestellt werden, die leicht genug sind, um das Gewicht des endgültigen Carbon-Rads zu simulieren. Mit diesem additiven Verfahren werden halbhohle Rohre mit einer Dicke von einem halben Millimeter (2 mm für Strukturteile), die für dieses Material erforderlich ist, produziert.

In der Vergangenheit haben wir die Projekte nacheinander überarbeitet. Wir haben nicht weniger als drei Prototyp-Rahmen studiert, bevor wir das erste Modell gebaut haben. Beim Thok P4 ist die erste Überarbeitung bereits ein Modell mit den für Kohlefaser typischen Dicken und Abständen, das von der Montage und vor allem vom Fahren her dem Gefühl des endgültigen Fahrrads sehr nahe kommt.

Stefano Migliorini, CEO Thok E-Bikes

Diashow: Thok E-Bike: 3D gedruckter Aluminium-Prototyp

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Stefano Migliorini ist verantwortlich dafür, den neuesten Prototypen persönlich unter extremen Bedingungen zu testen, genauso, wie es bei jedem anderen Thok-Projekt der Fall ist. Dieser Test stellt sowohl Thok als auch Materialise vor bisher unbekannte Herausforderungen und war für beide Seiten ein Lernprozess. Besonders hinsichtlich der Zusammenarbeit von Metallformteilen und der Bearbeitung von Gehäusen kinematischer Mechanismen und Komponenten-Schnittstellen gab es noch viel zu erforschen. Simone Cannella, Business Development Manager bei Materialise, erklärt: „Die Zusammenarbeit mit Thok hat es uns ermöglicht, unser Know-how im Fahrradsektor zu erweitern und den 3D-Druck von Metall auf ein neues Level zu heben. Durch diese Zusammenarbeit konnten wir unsere Fähigkeiten in der additiven Metallfertigung weiterentwickeln, um den genauen Anforderungen des italienischen Unternehmens gerecht zu werden.“

Die Zukunft des 3D-Drucks ist noch nicht vollständig absehbar, jedoch markieren die Experimente von Thok und Materialise ein bahnbrechendes Kapitel in dieser Geschichte. Es ist nicht ausgeschlossen, dass aufgrund der gemeinsamen Arbeit von Thok und Materialise Patentanmeldungen für Designlösungen in Zusammenhang mit dieser Technologie eingereicht werden.

Das erste Light-E-MTB der italienischen E-Bike-Marke wird voraussichtlich im Jahr 2024 erhältlich sein. Der 3D-Druck wurde bereits für starre Straßenrahmen sowie in einigen Tests für stoßgedämpfte Rahmen ohne Motor- und Batteriekomponenten angewendet. Thok E-Bikes ist das weltweit erste Unternehmen, das den SLM-Druck für ein vollgefedertes E-MTB erfolgreich eingesetzt hat.

Das Thok Project 4, das auf der Eurobike präsentiert wurde, befindet sich noch in der Entwicklungsphase. Es werden noch Änderungen an der Geometrie, der Positionierung der Batterie und technischen Lösungen vorgenommen, bevor das neue Produkt voraussichtlich im Jahr 2024 auf den Markt kommt.

Dieses neue E-Bike markiert nicht nur den Einstieg von Thok in das Segment der leichten E-MTBs, sondern es verwendet auch den neuen Bosch SX-Motor – auch andere Hersteller zeigten auf der Eurobike Light-E-MTB mit Bosch SX – und bietet maximale Akkumodularität (400 Wh, 500 Wh, 625 Wh, 750 Wh, plus 250 Wh Range Extender). Dadurch kann der Fahrer die Fahrtzeit und das Gewicht des Fahrrads nach seinen individuellen Bedürfnissen anpassen.

Direktmetall-3D-Druck

Seit 2023 nutzt Thok den Direktmetall-3D-Druck (selektives Laserschmelzen, SLM) zur Herstellung und Geländeerprobung seiner vollgefederten E-Bike-Prototypen.

Aufgrund der Notwendigkeit, die Geometrie und Komponenten einer Konstruktion direkt im Gelände zu testen („Performance First“, lautet das Motto von Thok), hat sich das Unternehmen für die Prototypenfertigung an ein Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrtbranche gewandt.

Der Metall-3D-Druck eignet sich hervorragend zur Erstellung voll funktionsfähiger Prototypen und Komponenten für den endgültigen Einsatz, die mit herkömmlichen Methoden unmöglich wären oder um Kosten und Zeit zu sparen. Diese Technologie kombiniert die gestalterische Flexibilität des 3D-Drucks mit den mechanischen Eigenschaften leistungsstarker Metalllegierungen, um einzigartige, robuste und leichte Komponenten auch für komplexe Anwendungen zu ermöglichen.

Das verwendete Material ist Aluminium (AlSi₁₀Mg), das aufgrund seiner Festigkeit, thermischen Eigenschaften, geringen Gewichts und der flexiblen Nachbearbeitung ideal für die Prototypenherstellung und die Produktion im Automobil- und Luft- und Raumfahrtsektor ist.

Bei dieser Herausforderung standen Thok und seine Zulieferpartner vor bisher noch nie dagewesenen Problemen bei der Anwendung dieser Technologie, was für beide Seiten eine wertvolle Lernerfahrung darstellte. Hierbei ging es um das Zusammenspiel mehrerer 3D-gedruckter Bauteile, deren Anpassung an die Kinematik, Schnittstellen mit anderen Komponenten usw. Dabei wurde erneut deutlich, dass ein E-Bike keine einfache Angelegenheit ist.

Die Bearbeitung dieses Verfahrens dauerte etwa vier Wochen, ohne eine separate Designphase. Es ermöglichte den direkten Übergang von einem Rapid-Prototyped-Modell aus Kunststoff mit rein ästhetischer Funktion zu einem voll funktionsfähigen Prototyp, der im Gelände getestet werden konnte, ohne dass spezielle Prototypenformen oder CNC-gefräste Teile erstellt werden mussten. Denn aufgrund der heutzutage erforderlichen engen Integration der Bauteile ist es unmöglich, ein E-Bike ohne speziell entworfene Rohre oder Komponenten zu konstruieren.

Wie findet ihr den Prototypen und die Technologie, die Thok hierfür nutzt?