Kurbelsatz 530 g, laser-gesintert

[thomasmattes]

Tag auch, bin im Winter beim Stöbern nach neuem „Leichtbau-Potential“ zum ersten Mal über dieses Forum gestolpert. Ich fands so interessant, dass ich immer wieder mal reingeschaut und mich schließlich doch registriert habe. Mal sehen was ich beitragen kann.<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" /><o:p></o:p>
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Mein Background:<o:p></o:p>
Selbstbau/Tuning von Sportgerät seit ich ’ne Feile halten kann<o:p></o:p>
Radsport/Triathlon seit 1986<o:p></o:p>
L&R Studium, DA Leichtbau/Berechnungsmethoden Faserverbundstrukturen<o:p></o:p>
Entwicklung Adidtive Manufacturing Technologies seit 1994<o:p></o:p>
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Aditive Manufacturing Technologies bezeichnet eine relativ neue Klasse von Fertigungstechnologien, bei denen aus formlosen Grundmaterialien - in diesem Fall ein feines Pulver - direkt durch 3D-CAD-Daten beschriebene Bauteile aufgebaut werden. Die CAD-Daten werden dafür in dünne, virtuelle Schichten geschnitten (slicing) und in dem eigentlichen, nachfolgenden Fertigungsprozess durch eine Maschine Schicht für Schicht selektiv verfestigt und verbunden. Werkzeuge sind nicht nötig. Die Technologie, mit der ich mich beschäftige nennt sich Laser-Sintern (alt. auch Laser-Schmelzen). Dem pulverförmigen Grundwerkstoff ist historisch bedingt der eigentlich irreführende Begriff „Sintern“ geschuldet. Es können Polymere und Metalle verarbeitet werden. Die Verfestigung übernimmt ein Laser, dessen Strahl das Pulver aufschmilzt, während er über bewegliche Spiegel (Scanner) über die durch die CAD Daten vorgegebenen Stellen des Pulverbettes verfahren wird. Also ein dem Laserschweissen verwandtes Verfahren.<o:p></o:p>
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Was läßt sich daraus für dieses Forum Interessantes machen?<o:p></o:p>
Nun, die Tatsache, dass Bauteile wie oben beschrieben „aufgebaut“ werden, läßt viele von zerspanenden Verfahren in Fleisch und Blut übergegangene Gestaltungsregeln/Fertigungsrestriktionen bedeutungslos werden. Hohle Geometrien sind so problemlos herstellbar, d.h. in einem Stück, in einem Fertigungsschritt, auch in Stückzahl 1, wenn sinnvoll mit inneren Verstärkungen und voll automatisiert.

Ein Traum für jeden Tuner? :rolleyes: Total abwegige Spinnerei? :spinner:

Ein Beispiel:
Ein 185 mm Kurbelsatz aus AlSi10Mg (lt. Tour ergonomisches Optimum für meine langen Haxn). Hohl aufgebaut, Gewinde nachgeschnitten und poliert. (Bilder 1-2)

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Passende Innenlagerwelle 103 mm aus Ti6AL4V, klassischer Vierkantkonus, FEM-optimierte Verläufe von Durchmessern und Wandstärken. (Bild 3)<o:p></o:p>
Wärmebehandelt, Lagersitze gedreht, Gewinde nachgeschnitten.<o:p></o:p>
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Bild 4: 3D-Schnittansicht des Zusammenbaus.

Momentan komme ich mit 56/44er Kettenblättern (26“) und komplettem Inenlager auf 583 g. Ein wenig Kettenblatt-Tuning und Keramiklager sollen hier nochmal gut 50 g bringen. Und wer unbedingt vergleichen will (z.B. 175mm, 53/39) sollte dem Kurbelsatz ca. 20 g für Überlänge und 25 g für die großen Kettenblätter gutschreiben.
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Was haltet Ihr davon? Besteht Interesse an weiteren ähnlichen Projekten?

bytheway: kann ich Bilder nur über URL in den Text einbinden, oder stell ich mich nur an?

[coparni]

Was haltet Ihr davon? Besteht Interesse an weiteren ähnlichen Projekten?

Definitiv! So was schaue ich mir gerne an! :daumen:

[Fuchs]

ojojoj...ob intresse besteht? Und ob!! Ich überlege schon seit monaten drüber nach das man keine leichte alu kurbel finden kann, was mich traurig macht denn eine silber polierte kurbel würde mir so gut an meinem rad passen.
Wie ist die steifigkeit solcher kurbeln und ist dies deine erste oder hast du schon mehrere gebaut und langzeiterfahrungen?

[makko]

... wie schaut das mit der Festigkeit der Bauteile aus? Ist die Vergleichbar mit aus Vollmaterial hergestellten Bauteilen mit der selben Geometrie und Vergütung?

Hab das Laser-Sintern nur mal kurz (vor ein paar Jahren) in einem Unilabor gesehen und da waren die Bauteile recht "bröselig". Die von dir gezeigten Teile haben eine ganz andere Güte, soweit man das anhand von Bildern beurteilen kann.

[thomasmattes]

ojojoj...ob intresse besteht? Und ob!! Ich überlege schon seit monaten drüber nach das man keine leichte alu kurbel finden kann, was mich traurig macht denn eine silber polierte kurbel würde mir so gut an meinem rad passen.
Wie ist die steifigkeit solcher kurbeln und ist dies deine erste oder hast du schon mehrere gebaut und langzeiterfahrungen?

Die Steifigkeit hängt natürlich wie immer von Design und Werkstoff ab. Werkstoffmäßig gelten die gleichen 70.000 MPa wie für Alu allgemein. Das Design des Kurbelsatzses ist im Gegensatz zu der Achse weder belastungsorientiert (keine Durchmesser-/Wandstärkenvariation entlang der Kurbel) noch FEM optimiert. Ich hatte das damals schnell "hingerotzt" als Casestudy für das Fertigungsverfahren für nen Messeauftritt. Ist so ansprechend geworden, dass ich dann natürlich nicht wiederstehen konnte :D.
Die Kurbeln sind wohl in dieser Form etwas weniger steif als der etablierte Standard, aber sie fahren sich unauffällig (seit ca. 1000 km).

Prinzipiell wäre es natürlich kein Problem das Design an jede gewünschte Steifigkeit und Ergonomie anzupassen. Einzelstücke sind schließlich eine Verfahrensstärke.

[makko]

Die Steifigkeit hängt natürlich wie immer von Design und Werkstoff ab. Werkstoffmäßig gelten die gleichen 70.000 MPa wie für Alu allgemein.

Damit hat sich meine Frage ja auch schon erledigt... :D

[Pedä]

Klingt interessant! Ich kenn die ganzen Sachen als "Rapid Prototyping" aus Praktikum und Studium.

Bilder:
hier rein die url des Bildes ohne Lehrzeichen führt zum Erfolg was Bilder angeht. Wird automatisch auf 720px Breite skalliert... für bessere Bildqualität und schnellere Ladezeiten kannst du das natürlich gleich in passender Größe hinterlegen.

[J-CooP]

Sehr interessant! Ein paar Fragen:):

Das Pulver wird doch sicher Schichtweise aufgebracht und dann gelasert, oder?
Schmilzt das ohne Lunker richtig schön homogen zusammen?
Ist die Oberflächengüte wirklich so hoch, dass nur noch poliert werden musste?
Kommt es durch den punktuellen Wärmeeintrag nicht zu unerwünschten Spannungen im Bauteil?
Wie ist die Festigkeit (nicht Steifigkeit) im Vergleich zu Guß- oder Schmiedeteilen aus gleichen Materialien?
Findet der Vorgang in einer Schutzatmosphäre statt (speziell bei der Titanwelle)?

[mithrandir]

ojojoj...ob intresse besteht? Und ob!!
Geht mir absolut genauso... so eine Kurbel in Alu silber bei dem Gewicht... http://www.greensmilies.com/smile/smiley_emoticons_xmas1_thumbs1.gif

[felixthewolf]

Verstehe ich das richtig, dass das ein Verfahren wie das Rapid-Prototyping ist, nur das man den prototypen auch gleich als fertiges, nutzbares Produkt ansehen kann und nicht nur als Ansichtsexemplar?

Das Verfahren macht allerdings den Eindruck, dass es im Vergleich zur Serienproduktion durch Schmieden oder der spanenden Verabeitung recht aufwändig ist und damit recht teuer werden könnte.

Wie sieht es mit der Festigkeit aus? ist diese dem gegossenen Rohmaterial, welches geschmiedet oder befräst wird ebenbürtig?

Gruss, Felix

[thomasmattes]

Sehr interessant! Ein paar Fragen:):

Das Pulver wird doch sicher Schichtweise aufgebracht und dann gelasert, oder?
Schmilzt das ohne Lunker richtig schön homogen zusammen?
Ist die Oberflächengüte wirklich so hoch, dass nur noch poliert werden musste?
Kommt es durch den punktuellen Wärmeeintrag nicht zu unerwünschten Spannungen im Bauteil?
Wie ist die Festigkeit (nicht Steifigkeit) im Vergleich zu Guß- oder Schmiedeteilen aus gleichen Materialien?
Findet der Vorgang in einer Schutzatmosphäre statt (speziell bei der Titanwelle)?

Hut ab, wenn Du kein Insider bist, dann sind das gute Fragen.

ja, das Pulver wird schichtweise aufgebracht. Im Falle der Metallwerkstoffe i.d.R. mit 20 - 40 µm, Kunststoff mit 60 - 180 µm. Der Kurbelstern ist aus ca. 5000 Schichten aufgebaut.

Die Restporösität der Teile ist sehr gering. Teils geringer als bei konventionellen Grundwerkstoffen. Im Kusntstoffbereich geringfügig höher.

Spannungen aufgrund des lokalen Energieeintrages sind ein Thema wie auch beim Laserschweissen. Dem wird begegnet durch erhöhte Prozesstemperaturen und intelligente Scannstratiegien. Ausserdem wird bei Metall das Bauteil durch einen sogenannten Support mit einer massiven Metallplattform verunden, worurch Restspannungen aufgenommen werden, die erst bei der nachfolgenden Wärmebehandlung beseitigt werden. Bei Kunststoff ist das nicht nötig.

Die orginale Oberflächengüte ist vergleichbar mit der eines ordentlichen Gußteils, d.h. die Politur macht sich nicht von selbst. Für Titan und Stahl gibt es aber tolle automatische Verfahren.

Die Festigkeit der Bauteile liegt im orginalen Bauzustand auf vergleichbarem, teils höherem Niveau als üblich. Grund hierfür ist das sehr feine Gefüge aufgrund der extrem schnellen Abkühlung des kleinen Schmelzepools (Z.B. Titan ca. 1100 MPa, Al ca 400 MPa). Allerdings geht das oft einher mit einer hohen Sprödigkeit (kann ich ein Lied von singen, die erste Achse ohne Wärbebehandlung brach, auch in Folge eines Konstruktionsfehlers). Deshalb die thermische Nachbehandlung. Hierbei wird etwas Festigkeit abgebaut zugunsten höherer Dauerfestigkeit. Ausgelegt ist die Achse so, dass bei der nominellen Dauerfestigkeit von 320 MPa laut FEM noch Sicherheit drin ist.

Verschiedene F1-Teams behaupten steif und fest die Dauerfestigkeiten der aufgebauten Ti-Teile schlagen alles bisher dagewesene um Längen.

Titan wird unter Argon, Aluminium (und Kunststoff) unter Stickstoff verbaut.

[thomasmattes]

Verstehe ich das richtig, dass das ein Verfahren wie das Rapid-Prototyping ist, nur das man den prototypen auch gleich als fertiges, nutzbares Produkt ansehen kann und nicht nur als Ansichtsexemplar?

Das Verfahren macht allerdings den Eindruck, dass es im Vergleich zur Serienproduktion durch Schmieden oder der spanenden Verabeitung recht aufwändig ist und damit recht teuer werden könnte.

Wie sieht es mit der Festigkeit aus? ist diese dem gegossenen Rohmaterial, welches geschmiedet oder befräst wird ebenbürtig?

Gruss, Felix

Das siehst Du ganz richtig. Laser-Sintern ist eines der klassischen RP Verfahren. Es hat sich halt einfach weiterentwickelt => Rapid Manufacturing.:daumen:

Auch das mit den Kosten würde ich mal so vorsichtig bestätigen. Das Verfahren kommt heute noch überwiegend zum Einsatz bzw. wird evaluiert für sehr hochwertige Teile, bei denen die Herstellkosten eh schon sehr hoch sind. Z.B Turbinenschauleln für Flugtriebwerke oder Implantate.

Ein Trend geht allerdings auch in Richtung Fertigung kleiner und mittlerer Stückzahlen von Produkten, die ihren Wert aus Individualität und/oder Komplexität schöpfen (z.B. Lampenschirme, Cases für I-phones,..).

Wer Lust hat kann ja mal bei www.shapeways.com (http://www.shapeways.com) schmökern, was private Kreativlinge dort so verbrechen. Ich fands faszinierend (,obwohl mir dort noch keine Radsportanwendung über den Weg gelaufen ist).

[Vinario]

warum eine vierkantaufnahme bei all dem aufwand?
vielzahn hat sich doch auch als besser erwiesen !
sieht klassisch aus das teil

[thomasmattes]

warum eine vierkantaufnahme bei all dem aufwand?
vielzahn hat sich doch auch als besser erwiesen !
sieht klassisch aus das teil

Wie so oft starten die Dinge langsam. Zuerst war die Idee mit der Achse, die natürlich kompatibel sein musste mit dem alten DA Kurbelsatz. Dann mußte der Kurbelsatz natürlich kompatibel sein mit der Achse.

Natürlich hast Du recht heute würde ich das ganze völlig anders anfangen. Achse gleich an linker Kurbel integrieren bei vergrößertem Durchmesser. So ließe sich natürlich weiters Gewichtseinsparpotential heben. Wenn ich mal wieder Zeit und Muse habe...

[tune]

Schöne Sachen machst du da :daumen:

Ich hab auch schon gehört das in der F1 solche Verfahren verwendet werden.
Wäre es technisch denn nicht machbar ein Teil aus verschiedenen Materialien zu fertigen. z.B. ein Aluteil, das an den Stellen, an denen es benötigt wird aus Titan besteht. Ich kann mir gut vorstellen, das soetwas mehr Möglichkeiten bei einer Simulation zulässt und man nochmal einiges an Gewicht sparen kann.
Oder gibt es Probleme bei der Verbindung der Materialien?

[Vinario]

Natürlich hast Du recht heute würde ich das ganze völlig anders anfangen. Achse gleich an linker Kurbel integrieren bei vergrößertem Durchmesser. So ließe sich natürlich weiters Gewichtseinsparpotential heben. Wenn ich mal wieder Zeit und Muse habe...
nehm sie dir; denn dann wäre auch ein markt vorhanden.
mit 4-kant ziehste kaum noch nen hering vom tisch.

aber aus deiner sicht und den genannten gründen schon nachvollziehbar, nettes anschauungsobjekt

[mithrandir]

Wenn ich mal wieder Zeit und Muse habe...
Gute Idee, hoffentlich bald! http://www.greensmilies.com/smile/smiley_emoticons_xmas5_biggrin.gif

[thomasmattes]

Schöne Sachen machst du da :daumen:

Ich hab auch schon gehört das in der F1 solche Verfahren verwendet werden.
Wäre es technisch denn nicht machbar ein Teil aus verschiedenen Materialien zu fertigen. z.B. ein Aluteil, das an den Stellen, an denen es benötigt wird aus Titan besteht. Ich kann mir gut vorstellen, das soetwas mehr Möglichkeiten bei einer Simulation zulässt und man nochmal einiges an Gewicht sparen kann.
Oder gibt es Probleme bei der Verbindung der Materialien?

Noch ne gute Idee, da wären einige scharf drauf (ich auch:rolleyes:). Geht heute aber leider noch nicht. Aber wer weiß, Forschung und Entwicklung gehen schließlich weiter.

[thomasmattes]

so siehts übrigens aus "right out of the machine"

http://img63.imageshack.us/img63/8334/img2281d.jpg (http://img63.imageshack.us/i/img2281d.jpg/)

[Piktogramm]

Ok Welche Dateiformate nimmst du für CAD Modelle entgegen? :D

[Hugo]

Noch ne gute Idee, da wären einige scharf drauf (ich auch:rolleyes:). Geht heute aber leider noch nicht. Aber wer weiß, Forschung und Entwicklung gehen schließlich weiter.

doch geht heute schon....die richtige maschine vorausgesetzt;)

stahl und alu im selben aufbau miteinander zu verwursten geht auf alle fälle schon...aber frag mich jetz nich wer genau das anbietet, weiß nur dass bei uns ne anlage im gespräch war die genau das konnte, wobei sie sich nicht darüber ausgelassen haben wie genau das funktioniert

[Piktogramm]

Stahl und Alu kann man glaub löten mit mehr oder weniger großem Aufwand. Das dürfte in so ner Maschine umsatzbar sein, man müsste eben "nur" mit zwei verschiedenen Pülverchen arbeiten.
Kann mich zumindest dran erinnern das da ein Prof ma was von erzählt hat, dummerweise mit dem Zusatz "Nicht Prüfungsrelevant nur zu ihrer Information das geht und können se lernen wenn se in meinen Lehrstuhl kommen..."

[Mr.Hyde]

Sehr interessant und hübsch geworden! Der Lenker übrigens auch! Kompliment!

[thomasmattes]

doch geht heute schon....die richtige maschine vorausgesetzt;)

stahl und alu im selben aufbau miteinander zu verwursten geht auf alle fälle schon...aber frag mich jetz nich wer genau das anbietet, weiß nur dass bei uns ne anlage im gespräch war die genau das konnte, wobei sie sich nicht darüber ausgelassen haben wie genau das funktioniert

Eine enfernte Abwandlung von Laser-Sintern arbeitet mit einer Pulverringdüse, aus der Pulver konzentrisch austritt. Mittig und Achsparallel zur Ringdüse leuchtet ein Laser. Im Fokus des Pulverstroms trifft dieser mit dem Laserstrahl zusammen. Das Ganze sitzt auf einem Roboterarm od. einem 5-Achskopf und kann so ein Bauteil per Auftragsschweissen herstellen. Durch Pulverwechsel oder mehrere konzentrische Düsen können unterschiedliche Materialien in einem Bauteil verbaut werden.
Soweit die Theorie (und gemäß meinem Wissenstand). In der Praxis ist das alles nicht ganz so einfach soweit ich weiß. Jedenfalls hab ich noch keine nichttrivialen oder gar anspruchsvollen Teile gesehen.
Wurde mal unter dem Begriff "LENS-Verfahren" vermarktet, spielt heute aber keine Rolle mehr.
Trumpf setzt das Verfahren zum Reperaturschweissen von Werkzeugen ein.

Prinzipiell natürlich sehr interessant.

[RealNBK]

Das ist ja mal seh geil!
Musste die 4-Kant Passung noch nachgearbeitet werden? Hier kommt es ja schon sehr auf die genauigkeit an.

[spezi light]

Das ist ja mal seh geil!
Musste die 4-Kant Passung noch nachgearbeitet werden? Hier kommt es ja schon sehr auf die genauigkeit an.

Im Falle der Metallwerkstoffe i.d.R. mit 20 - 40 µm...
Ich glaube das sollte an Genauigkeit reichen :D

[thomasmattes]

Das ist ja mal seh geil!
Musste die 4-Kant Passung noch nachgearbeitet werden? Hier kommt es ja schon sehr auf die genauigkeit an.

Nur leicht glätten und fertig.

[RealNBK]

ja, aber die Oberfläche müsste doch noch bearbeitet werden wenn das teil so "rauh" aus der Anlage kommt.

[thomasmattes]

richtig, glätten ist nötig aber auch schnell erledigt. Auf die Achse werden die Lager aufgezogen und dann das Teil mit den Lagern im Schraubstock einspannen. So kann die Feile beim glätten nicht verkanten.

Das Auge der Kurbel ist etwas aufwändiger, da erst der Support entfernt werden muß. Muß aber nicht zu sorgfältig gemacht werden, da das härtere Titan die Restrauhigkeit vom Alu schon "passend" macht.

[RealNBK]

mich würden dauerschwingtests ja mal brennend interessieren. Das macht aber warscheinlich nur Sinn wenn man bei der Kurbel eine optimierte Geometrie hat. Am besten eine die sich halbwegs mit vorhandenem vergleichen lässt.

[mithrandir]

Btw, so 'ne Kurbel täte mir gefallen... http://www.smiles.kolobok.us/artists/just_cuz/JC_veryhappy.gif

[Fuchs]

wir können uns ja als testpersonen freiwillig melden :)

[mithrandir]

Das wär's doch. http://www.smiles.kolobok.us/artists/laie/Laie_82.gif