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Alt 09.02.2012, 07:57   #1
thomasmattes
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Standard Kurbelgarnitur 2. Generation



Einleitung/Rückblick

Der Eine oder Andere erinnert sich vielleicht noch an meine erste lasergesinterte Kurbelgarnitur und auch daran, dass sie leider nicht dauerfest war. Wurde ja hier im Forum ausgiebig diskutiert:

(http://www.light-bikes.de/forum/showthread.php?t=11436 siehe auch
http://www.light-bikes.de/forum/showthread.php?t=16072 ;
http://www.light-bikes.de/forum/showthread.php?t=11443 ;
http://www.light-bikes.de/forum/showthread.php?t=20344 ).

Seit einiger Zeit war deshalb wieder der alte 256 g schwere DA-Kurbelstern montiert (die linke Kurbel hält noch) doch die 100 g Mehrgewicht schmerzen schon sehr. Deshalb hab ich einen zweiten Anlauf gewagt, bei dem ich im Gegensatz zum ersten mehr Sorgfalt auf Auslegung und Konstruktion verwenden wollte.



Konzept

Eine erste Entscheidung viel früh: Der Bruch am Übergang von Kurbelarm zum Spiderarm lag auch an der systembedingten Spannungsspitze an dieser Stelle. Bei dieser (z.B. von Shimano verwendeten) Spider-Anordnung muss der Kraftfluss um 144° umgelenkt werden, bei der von Campagnolo bevorzugten dagegen nur um 108°. Weiterhin übernimmt die Krafteinleitung am Kurbelarm einen Teil des Kraftflusses, sodass die Last an der kritischen Stelle geringer ausfällt. Drittens entfällt einer der 5 Spiderarme, was schlicht einen Gewichtsvorteil verspricht.
Das restliche Konzept blieb unverändert. Klassische Optik, Vierkant aus Kompatibilitätsgründen, 130 mm Lochkreis.



Lastannahmen

Früher gab’s Fahrräder. Punkt. Man fuhr damit von A nach B. Wenn dazwischen ein Berg lag, fuhr (oder schob) man eben drüber.
Heute gibt’s mit Rennrädern, Zeitfahrrädern, MTB’s, City-, Trecking-, Downhill-, BMX-Rädern, um nur einige zu nennen, viele an den Anwendungsfall angepasste Varianten und Untervarianten von Fahrrädern. Man kann ein Fahrrad also schon viel individueller an seine Bedürfnisse anpassen. Wer hätte das damals gedacht?
Doch noch immer muss ein 2 Meter-Mann eine um lächerliche 5 mm, bestenfalls 10 mm längere Kurbel benutzen als die 1 Meter 50-Frau, die wiederum das volle Gewicht dieser, auf die Kräfte des 2 Meter-Mannes ausgelegten, Kurbel zu bewegen hat. Und wenn demnächst ein 2 Meter 20 Koloss trotzdem eine Kurbel zerstört, sich dabei verletzt und den Hersteller verklagt, wird die Norm eben nochmal angezogen und die arme Frau kriegt noch schwerere Teile ans Rad. Eine längere Kurbel kriegt der arme Mann deswegen aber noch lange nicht.

All das geht zurück auf die Zwänge der für die Fertigung eingesetzten Produktionsverfahren bzw. der damit verbundenen Kosten.

Genau diese Zwänge habe ich beim Lasersintern nicht.

Wie die meisten meiner Projekte zielt daher auch dieses, neben möglichst geringem Gewicht, auf Individualisierung. Es geht mir also nicht darum ein Bauteil zu erschaffen, das in Serie produziert werden kann und daher in ein und derselben Form für schwere wie leichte, starke wie schwache Fahrer geeignet ist. Ich will ein auf mein „Maß geschneidertes“ haben.
Ob dieses Bedürfnis mehr als eine/meine „individuelle“ Spinnerei ist, sich vielleicht sogar zu einem Trend auswachsen kann, wird die Zeit zeigen. In einigen Sportarten wie z.B. Stabhochsprung sind individualisierte Sportgeräte schon lange Standard.

Natürlich muss dafür erst mal „Maß genommen“ werden.

So ergibt sich aus meiner Schrittlänge von 90.5 cm ein individuelles physiologisches Optimum von 185 mm für die Kurbellänge (20 - 21% der Schrittlänge).



Individuelle Leistungsfähigkeit

Meine individuelle Leistungsfähigkeit habe ich in der Vorbereitung auf die Tour Transalp 2011 an einem durchschnittlich 10,8% steilen und recht genau 1000 m hohen Anstieg ermittelt (aus dem Inntal, unmittelbar westlich von Haiming, hinauf Richtung Höpperg/Hausegg bis zum Parkplatz auf der Passhöhe).



Dazu habe ich dieses Tool benutzt:
http://www.psycling.de/leistungsberechnung.html
und mit diesen Daten gefüttert:



Berechnung der Luftdichte mit Näherungsformel auf dieser Seite (mittlere Höhe der Strecke 1.100 m):

http://www.wind-data.ch/tools/luftdichte.php


Die resultierenden 288 W waren nicht voll gefahren, schließlich musste ich noch über‘s Küthai, runter Richtung Innsbruck, zurück nach Telfs und wieder rauf nach Leutatsch, aber schon mit ordentlich Druck.
Laut einem umfangreichen Test der Tour (Jan 2007 mit Uwe Peschel) auf der Bahn mit SRM Kurbel reicht das unter diesen (ebenen und windstillen) Bedingungen und sauber optimierter Aerodynamik für ca. 45 km/h. Das deckt sich ganz gut mit den Ergebnissen, die das Tool berechnet.




Eine Geschwindigkeit, die ich auf meinen üblichen Strecken, trotz wahrscheinlich ganz ordentlicher Aerodynamik, sicher nicht über eine Stunde im Schnitt erreichen kann. Schon für einen 40er über eine Stunde muss ich im Training einen guten Tag erwischen. Schwer abzuschätzen, was durch die Rythmuswechsel eines welligen Kurses im öffentlichen Straßenverkehr an Zeit eingebüßt wird. Aber diese Betrachtung lässt mich eher glauben, dass die 288 Watt nicht zu niedrig angesetzt sind.

Klar ist, dass die Spitzenleistung deutlich höher liegt. Aber für die Auslegung auf Dauerfestigkeit sollten ja Lasten angenommen werden, die mit hohen Lastspielanzahlen auftreten.

Nun, in 1 Stunde bei Trittfrequenz 90 kommen genau 5400 Lastzyklen zusammen, sagen wir 5000, weil man‘s ja auch mal rollen lässt. D.h. nach 200 Stunden wäre die Million voll und im individuellen Fall bei 288 W ständen 8 - 9000 km auf dem Tacho. In einem – wir erinnern uns – Schnitt irgendwo zwischen 40 und 45.


Ermittlung der auftretenden Lasten

Was heißt das nun für die auftretenden Tretkräfte? Wie kommt man von der Leistung zur Last?

Hier hilft eine Untersuchung von Dr. Martin Hillebrecht u. A. weiter
http://bildung.freepage.de/cgi-bin/feets/freepage_ext/41030x030A/rewrite/doc-hilli/VEROEFF/RUNDERTRITT.HTM
, durchgeführt unter Beteiligung von 8 Bahnfahrern der Spitzenklasse, die diesbezüglich sehr brauchbare Ergebnisse erbracht hat:





Bei höheren Leistungen steigt die tangentiale Maximalkraft leicht unterproportional, da hier bei allen Fahrern der Wirkungsgrad anstieg:






Abb. 9 Verlauf Tangentialkraft bei zunehmender Belastung

Man kann daraus erkennen, dass die tangentiale Maximalkraft bei etwa waagerechter Stellung der Kurbel, also 90°, auftritt (welch Überraschung), vor allem aber in welcher Größenordnung sich die tangentialen Maximalkräfte in Abhängigkeit von der Leistung bewegen:

Aus Abb. 9 liest man:
Leistung 200 W => tangentiale Maximalkraft ca. 330 N
Leistung 300 W => tangentiale Maximalkraft ca. 445 N (430 – 460)
Leistung 380 W => tangentiale Maximalkraft ca. 510 N

Aus Abb. 5 und 6 liest man:
Leistung 300 W => tangentiale Maximalkraft ca. 373.1 ± 25.2 N

Ich traue den Werten der Abbildung 5 und 6 mehr, da hier die Werte des Liniendiagrammes mit denen des Balkendiagrammes und den Angaben im Text übereinstimmen. Bei Abb. 9 hat sich wohl ein Fehler eingeschlichen.

Für die Auslegung der Kurbelgarnitur setzte ich 500 N bei 90° an. Der aus Momenten- und Kräftegleichgewichten resultierende Kettenzug (1044.314 N) wird auf die ersten 5 Zähne des kleinen Kettenblattes verteilt, wobei der erste Zahn die größte Kraft abkriegt (32% => 334.18 N) und jeder folgende Zahn etwas weniger als der jeweils vorherige (27% => 281.96 N, 20% => 208.87 N, 13% => 135.76 N, 8% => 83.544 N). Das ist zwar eine reine Schätzung der tatsächlichen Verteilung der Kraft auf die Zähne, aber sicher ist, dass der Zug oben von relativ wenigen Zähnen aufgenommen wird. Wenn es denn mehr wären, verteilten sich die Kräfte umso besser. Wären es weniger, wäre die Belastung des Kettenblattes höher, die des Spiderarms aber praktisch gleich, da schon die ersten 5 bei dieser Anordnung den Kraftfluss überwiegen über einen Spiderarm leiten.



Konstruktion und Auslegung

Bei dieser Belastung von Kurbel und Kurbelstern optimierte ich die Konstruktion, bis die auftretenden Vergleichsspannungen nach Mises maximal 75 MPa betrugen und natürlich so gleichmäßig wie möglich überall an den Bauteilen anlagen.
Hier einige Screenshots der finalen Version:








Die 75 MPa ergeben mit der Dauerschwingfestigkeit des eingesetzten Werkstoffes von 97 ± 7 MPa eine Sicherheit von 1.29 ± 0.09. Beim Auslegungspunkt 288 W (entspricht 358.2 ± 24.2 N anstatt den angesetzten 500N) wird daraus 1.81 ± 0.25. Selbst wenn die Form mit meinen 50 Jahren nochmal etwas steigen sollte, wäre also noch Luft.

Die rechnerische statische Sicherheit gegen Fließen liegt übrigens bei ca. 3,7 (bzw. 1,85 bei 1000 N oder 1 bei 1850 N) und die gegen Gewaltbruch bei über 6 (bzw. > 3 bei 1000 N oder ca. 1 bei 3000 N).



Diskussion

Von der Grundform der Hebel, einer aufrecht stehende Ellipse, habe ich das Profil vor allem in den entfernteren Bereichen hin zum Pedalauge zu einem Querschnitt mit mehr Material in den biegebelasteten Zonen oben und unten weiterentwickelt.





Die Hohlräume der Kurbelarme sind weiterhin aus aufrecht stehenden Ellipsen aufgebaut, deren Mittelpunkte sowie lange und kurze Halbachsen zum Zwecke der gezielten Anpassung des Spanungsniveaus variiert wurden.

Wie man aus den Schnittbildern insbesondere der Kurbelarme erkennen kann, ergeben sich Wandstärkenverläufe, die ich mir nicht in jedem Fall vollständig erklären kann. Das ist aber häufig der Fall bei solchen evolutionären Konstruktions-/Entwicklungsstrategien. Die teils beängstigend dünnen Wandstärken habe ich sogar schon deutlich höher gewählt, als das pure Simulationsergebnis es zugelassen hätte, wie ein Blick auf die FEM-Analysen oben zeigt. Dort werden an den Stellen mit den dünnsten Wandstärken deshalb nur moderate Spannungen ausgewiesen.







Der Spider, der anfangs eine Stärke von 3mm hatte, führte bei den oben beschriebenen Lastannahmen zu überraschend hohen Verformungen der Kettenblätter, die ich so nicht tolerieren wollte. Daher habe ich die Stärke auf 6 mm verdoppelt und das Mehrgewicht durch eine hohle Ausführung kompensiert. Die Steifigkeit stieg dadurch beträchtlich, die Verformungen der Kettenblätter erscheinen nun unkritisch.



Produkteigenschaften

Das Ergebnis dieser individuellen Auslegung ist eine 185er Kurbelgarnitur aus Alu, die inkl. Innenlager, exkl. Kettenblätter auf 388 g kommt. Zum Vergleich: Eine THM Clavicula 170 mm, eine High-End Carbon-Konstruktion, die sicherlich auf höhere Kräfte ausgelegt ist, liegt hier bei 420 g. Eine 170er Version der lasergesinterten Kurbelgarnitur läge bei etwa 373 g.



Ausblick

Aus der Erfahrung der bisherigen FEM-Optimierung schätze ich, dass mit der Differenz von 47 g, sinnvoll eingesetzt, das Spannungsniveau auf ca. 55 MPa gesenkt werden könnte (Absenkung von 90 auf 75 MPa hat bei der linken Kurbel etwa 12 g „gekostet“). Ein um 36% leistungsfähigerer Fahrer (393 W Dauerleistung über eine Stunde) wäre mit einer so verstärkten Kurbelgarnitur mit der gleichen Sicherheit unterwegs.

Oder anders rum: Eine 150er Garnitur für eine 1,5 m Frau (Schrittlänge 70 cm, Gewicht 50 kg, 3 W/kg, gerne gut proportioniert ;-), die etwa 50% „meiner“ Kraft aufs Pedal brächte, läge wohl so um die 310 g.


So genug der Theorie, so bunt und anschaulich sie in dem Fall auch sein mag. An’s Rad muss letztlich Hardware! Dazu Maschine gut füttern…


Job mit 4 Kurbelsätzen (2 x 185, 2 x 175), Deko-Abdeckkappen und 4 Sattelwippen, oben: ISO-View, unten: TOP-View



…dann spuckt sie auch was aus:


Zwischenstand 1: Gestrahlt und Support grob entfernt, 117 g


Zwischenstand 2: Support entfernt, teilweise grob geschliffen Ausdrückgewinde geschnitten, großes Kettenblatt eingepasst, 162 g.



Und fast fertig: Gewinde geschnitten, Vierkant bearbeitet, Kettenblätter eingepasst, Oberflächen poliert, 156 g

Sieht doch schon hübsch aus oder? Politur noch perfektionieren, Kleinteile fertigmachen und natürlich noch die linke Kurbel, aber dann kann das Frühjahr kommen.

Bin gespannt, ob's diesmal hält ;-)



An der Stelle darf ich mich herzlichen bedanken bei allen netten Kollegen bei EOS, besonders Peter H., Thomas R. und Hans P. und viele mehr, die mit Rat und Tat zur Seite standen und natürlich bei EOS für die genialen LS-Teile. Und nicht zuletzt bei allen Light-bikes-Mitgliedern, die mit Ihren Komentaren und Ratschlägen zu den früheren Projekten geholfen und motiviert haben.


Geändert von thomasmattes (07.05.2012 um 07:24 Uhr).
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Alt 09.02.2012, 08:12   #2
Michael
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Sehr fein
Auf den ersten Blick sieht die Auslegung doch ganz brauchbar aus.
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Alt 09.02.2012, 08:14   #3
der_lockere
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Ganz großes Kino!
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Alt 09.02.2012, 10:52   #4
lunatik
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Hallo,

sehr schöne Auslegung. Habe ich auch schon mal nachgedacht eine Kurbel in Carbon selbst zu basteln. Ich habe nur eine Frage zu deiner Auslegung. Du legst die Kurbel für 500N an. Warum betrachtest du aber nicht, was passiert bei einem Aufprall. Denn sicherheitstechnisch ist es doch eher sehr relevanter Fall.
Also, konstruieren wir unseren Worst-Case. Man stützte aus einem Meter Höhe horizontal auf Asphalt und prallt im stehen in 3-9-Fußstellung an. Wir nehmen erst an, alle Kräfte gehen über unsere Füße (man ist also im Stehen und die Kräfte auf den Lenker vernachlässige ich erstmal).

Weiterhin nehmen wir an, für die Abbremsung brauchen wir 10 cm. Man geht so viel in die Knie. Normalerweise müsste man bei der Sprunglandung auch das Abrollen vom Fuß mitberücksichtigt. Wir haben aber Rennradschuhe, die fest sind also müsste die Abbremsung nur durch das Kniegehen geschehen.

Ok. Also: h= 1m, s=0.1m

Daraus folgt: v^2=2*g*h= 20m^2/s^2

F= m*[v^2/(2*s)] = m*100 N/kg.

Für einen Menschen mit 75kg ergibt sich daraus 7500N die auf beide Pedalen wirken.
Also 3750N pro Kurbel.

Jetzt sagen wir mal bei dem Aufprall werden 20% durch die Arme auf den Lenker übertragen.

Es bleibt also 80% für die Beine. Das sind dann immer noch 3000N Pro Kurbel.

Im ungünstigsten Fall( ich verkrampfe bei dem Aufprall und absorbiere es in weniger als 10 cm etc.) können durchaus Kräfte bis 10g auftreten, denke ich mal oder.

Wird also sehr knapp oder ?!

Grüße

Geändert von lunatik (09.02.2012 um 10:59 Uhr).
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Alt 09.02.2012, 11:32   #5
thomasmattes
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ja, da muss ich passen. Die Kurbelgarnitur ist nicht auf Crash ausgelegt. Obwohl das ein interessanter Gedanke ist, werde ich das wohl auch bei zukünftigen Projekten nicht machen.
Für sicherheitrelevant halte ich den von Dir beschriebenen Fall nicht, schließlich wäre der Bruch eine Folge eines bereits geschehenen Sturzes. Wahrscheinlich löst sowieso, wie üblich, das Sicherheitspedal aus.
Ob ein Serienhersteller bewusst auf Crash auslegt, bezweifle ich. Jedenfalls glaube ich nicht, dass bei einem solchen Schaden Ansprüche irgedwelcher Art an einen Hersteller geltend gemacht werden können.

Es blieben die/Deine persönlichen/individuellen Ansprüche. Da würde ich mir an Deiner Stelle bei Deinen Projekten von niemandem reinreden lassen.

Bin gespannt auf Deine Kurbelgarnitur und wünsche viel Spass und Erfolg dabei.
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Alt 09.02.2012, 12:06   #6
lunatik
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Wie gesagt, sehr schönes Projekt.

… wollte nur paar Gedanken dazu bringen. Die Hersteller müssen/sollen das schon betrachten.

Ich habe sogar, denke ich, mehr oder weniger günstigen Fall beschrieben. In der Realität sieht es durch Verspannung etc. noch bisschen heftiger aus. Ich würde eben die DIN für die Kurbeln anschauen und dann deinem Gewicht anpassen, wenn man optimieren will.
Weißt jemand die DIN bzw. wo man es holen kann?! Was das kostet?
Und so selten passiert ja das nicht ab 13. te sec.

Ist wie gesagt, sehr mutig und toll sowas zu machen. Ich traue mich, ehrlich gesagt, nicht

Habe leider auch keine CNC für das Uhrmodell bzw. bin mir bei der Auslegung nicht sicher mit Toleranzen, die ich machen kann.

Beste Grüße
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Alt 12.02.2012, 10:07   #7
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Respekt !
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Alt 12.02.2012, 10:17   #8
Renn Maus
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Sehr interessantes Projekt.
Wie konstruierst du die Gewinde?
Ich habe gesehen, dass diese auch gedruckt sind?!
Aber ich denke diese sind nicht so belastbar wie geschnittene Gewinde?!
Oder sind täusche ich mich da?
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Alt 12.02.2012, 10:39   #9
thomasmattes
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Zitat:
Zitat von Renn Maus Beitrag anzeigen
Sehr interessantes Projekt.
Wie konstruierst du die Gewinde?
Ich habe gesehen, dass diese auch gedruckt sind?!
Aber ich denke diese sind nicht so belastbar wie geschnittene Gewinde?!
Oder sind täusche ich mich da?
Danke,
die Gewinde werden im CAD konstruiert, interessieren die die Details?
Dass sie vorgedruckt sind, erleichtert einfach das Nachschneiden. Danach sollte es keinen Grund geben, dass sie weniger belastbar sind als konventionell gefertigte (aus dem gleichen Material).
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Alt 12.02.2012, 14:01   #10
lunatik
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Kann man mit der Technologie auch Alufoam nachbilden? wie werden die Leerräume gemacht?

Man kann ja dann was Knochenartiges machen, oder? bzw. so leichte Alu-Glasfaser/Carbon Elemente.
lunatik ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 12.02.2012, 15:02   #11
thomasmattes
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Zitat:
Zitat von lunatik Beitrag anzeigen
Kann man mit der Technologie auch Alufoam nachbilden? wie werden die Leerräume gemacht?

Man kann ja dann was Knochenartiges machen, oder? bzw. so leichte Alu-Glasfaser/Carbon Elemente.
ja, grundsätzlich geht das. Man muss halt die Daten generieren (und handhaben) können. Klassisch in CAD ist das kompliziert bis unmöglich. Aber es gibt immer mehr Spezialsoftware, die das können.

siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Lasersintern
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Alt 12.02.2012, 17:53   #12
lunatik
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Ja, für die Daten kann man zur Not selbst ein Tool/Plugin schreiben.

Ich meine, wie werden geschlossene Hohlräume von dem Pulver befreit. Das Pulver wird Schicht für Schicht aufgetragen und verschmolzen. Der übriggebliebene Pulver wird am Ende vom Bauteil getrennt oder.

Wie werden aber geschlossene Hohlräume gebildet? Das stelle ich mir sehr schwierig vor. Wie hast du die Hohlräume in dem Kurbelsatz gemacht.

Der Prozess kann man ja auch nicht eventuell mehrmals unterbrechen oder?
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Alt 12.02.2012, 19:11   #13
thomasmattes
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Alles richtig soweit. Für Hohlräume ist sinnvollerweise ein Ausrieselloch vorzusehen, wenn man es nicht hinterher bohren will. Bei Kurbel und Kurbelstern ist das im Pedalgewinde angesiedelt, die Hohlräume im Spider haben ihre Ausriesellöcher (DM 1mm) aussen zur Zentrierfläche des großen Kettenblattes.

Das Metallpulver fließt sehr gut.
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Alt 13.02.2012, 00:48   #14
Mr.Hyde
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Sehr schön, gefällt wie auch schon die erste Kurbel! Sehr elegantes Design, sowas wäre was für mein Bahnradvorhaben

Zur Auslegung noch eine Kleinigkeit, Dauerfestigkeit gibt's nicht, auf welche Schwingspielzahl beziehst Du dich denn mit den 75 N/mm²? Stützwirkung einbezogen? (Könnte ja real höhere Sicherheiten bedeuten, wenn die 75 N/mm² auf eine ungekerbte Probe bezogen sind.)

Und warum eine Vierkantaufnahme? Die Welle hätte man ja schön mitsintern können, à la HT2?
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Alt 13.02.2012, 10:30   #15
thomasmattes
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Danke für die Komplimente, freu ich mich gleich nochmal mehr aufs Frühjahr.

Zur Auslegung:
Die angegebene "Dauerschwingfestigkeit" von 97 +/-7 MPa wurde laut Material-Datenblatt im "Umlaufbiegeversuch mit Prüffrequenz von 50 Hz, R=-1" ermittelt, wobei die "Messung bei Erreichung von 5 Mill. Zyklen ohne Bruch beendet" wurde. Die Messung wurde sicherlich an einer ungekerbten Probe durchgeführt und zwar einer in Z-Richtung (aufrecht stehend) aufgebauten, da dies bei Schichtbauverfahren als die kritische gilt. Ich vermute es wurde eine genormte Rund-Zugprobe verwendet.
Gute Frage, wie relevant diese Prüfung für diese Anwendung ist. Die 50 Hz sind ja schon etwas hochfrequenter als die 1-2 Hz, die man so kurbelt. Ich würde vermuten, dass höhere Frequenz eher schwieriger für den Werkstoff zu verkraften ist als eine geringe, kann mir aber auch vorstellen, dass das keinen Unterschied ausmacht. Kennst Du Dich da aus?
Weiterhin ist die Belastung wohl eher schwellend als schwingend, da, wie man an den Kraftkurfen oben sieht, der Zug, wenn überhaupt vorhanden, deutlich schwächer ist als der Druck bei 90°. Auch da weiß ich nicht, ob das die Sicherheit erhöht oder senkt, was meinst Du?
Die 75 Nm entspringen zugegebenrmaßen eher meinem Bauchgefühl denn einer Norm. Was ich definitiv nicht habe ist eine Wöhlerkurve. Wenn mich aber meine Erinnerungen an die Maschinenelementevorlesungen vor ca. 25 Jahren nicht täuschen "gingen damals" typische Wöhlerdiagramme bei etwa 1.000.000 Lastwechsel in die Horizontale über. So gesehen wurde zumindest Dauerfestigkeit "versprochen" .

Den Begriff "Stützwirkung" mußt Du mir erklären, der ist mir wirklich neu.

Tja, bliebe noch die berechtigte Frage nach dem betagten Vierkant, der in den Vorüberlegungen übrigens noch nicht geplant war.

Zwei Gründe:
  • die lasergesinterte Ti-Vierkantwelle inkl. (sündhaft teuren) Keramiklagern ist halt schon da und macht daher so schön wenig Arbeit.
  • Die integrierte Innenlagerwelle läßt sich m.E. nicht mehr bei mir im Keller finishen (Lagersitze). Dazu müsste das Rohteil wohl auf einen Drehautomaten oder ein Bearbeitungszentrum, wozu ich so einfach keinen Zugang habe. Wahrscheinlich müßten dazu auch spezielle Spannwerkzeuge hergestellt werden. Die könnte man sich zwar gut z.B. aus Kunststoff lasergesintert vorstellen, aber vor der Komplikationsstufe bin ich dann doch zurückgeschreckt.
Übrigens hab ich auch mal integrierte Pedalachen überlegt. Die Frage ist, ob es ein handelsübliches Pedal gibt, dessen Achse sich für die Ausführung in dem Werkstoff eignet, sonst kann man das auch noch selber machen.

Aber wer weiss? Vielleicht wäre ich ja von den richtigen (tatkräftigen und fähigen) Partnern und guten Konzepten sogar zu so einem Vorhaben zu überreden.
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Alt 13.02.2012, 11:47   #16
Mr.Hyde
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Ich gehe einfach mal der Reihe durch:

Umlaufbiegung: Liefert erstmal zu hohe Lebensdauern für Deinen Zweck, weil das höchstbeanspruchte Werkstoffvolumen nur sehr klein ist (nur die Randbereiche halt). Je kleiner das höchstbeanspruchte Werkstoffvolumen, desto höher die Festigkeiten (ist der gleiche Effekt, warum Werkstoffe in Faserform viel höhere Festigkeiten haben, als als kompaktes Material, alles reine Statistik über Fehlstellenverteilungen). Da geht's dann auch parallel zu Kerben: Wenn man eine Kerbe hat, wird ja nur ein mehr oder weniger kleiner Bereich des Bauteils maximal (versagensauslösend) beansprucht. Dort hat man dann eben durch den Spannungsgradienten eine sogenannte "Stützwirkung". Wenn das Bauteil überlastet wird, also plastisch beansprucht, vergleichmäßigt sich der Spannungszustand, man hat dehnungsgesteuertes Fließen. Dadurch wird dann der Bauteilquerschnitt gleichmäßiger beansprucht, wobei das Spannungsniveau in den vorher niedriger beanspruchten Bereichen steigt. Im Kerbgrund bleibt's mehr oder minder in Höhe der Rp0,2. Die niedriger beanspruchten Bereiche "stützen" also die hochbeanspruchten.
Daher sollte man für eine realistische Lebensdauereinschätzung in Probe und Bauteil ähnlich große höchstbeanspruchte Werkstoffvolumen haben - also das Volumen in dem meinetwegen >90% der maximalen Spannung herrscht. Dann sind die Werte vergleichbar. Wenn man eine ungekerbte Zugprobe nimmt, ist die ja homogen beansprucht, wenn das höchstbeanspruchte Werkstoffvolumen im Bauteil nicht zufällig genauso groß ist, unterschätzt man die Lebensdauer, ist er größer, überschätzt man sie.

Was die Prüffrequenz angeht, mit steigender Frequenz wird durch die Werkstoffdämpfung die Wärmeentwicklung größer, das wird halt kritisch, wenn man in Bereiche kommt, in denen die Temperatureinwirkung Auswirkungen auf die Festigkeit hat. Bei Metallen und 50Hz ist das aber glaube ich noch nicht so relevant. Bei Faser-Kunststoff-Verbunden wegen der weitaus höheren Werkstoffdämpfung hingegen schon. Prüfen kann man ja auch noch mit deutlich höheren Frequenzen, Giga-Cycle-Versuche werden auch gerne (sofern möglich) mit Ultraschall durchgeführt.

Die Mittelspannung (also von wegen schwellende Beanspruchung) wirkt sich festigkeitsmindernd aus, dafür gibt man für den Werkstoff dann eine Mittelspannungsempfindlichkeit an, mit der man das umrechnen kann auf den mittelspannungsfreien Versuch, kann man auch im Haigh-Diagramm ablesen. Aber da geht es um die ertragbare Spannungsamplitude, da Du ja nicht die Amplitude im Sinne der Schwingbreite betrachtest, sondern einfach nur das Maximum, dürfte das okay sein, wenn Du die Mittelspannungsempfindlichkeit nicht betrachtest. MÜsste da aber auch noch mal nachlesen...

Was die Dauerfestigkeit i.A. angeht, die gibt's eben nicht - die Wöhlerlinie knickt bei den allermeisten Werkstoffen irgendwo ab, bei 10^6-10^8 Schwingspiele sind das irgendwo, je nach Material, aber die verläuft eben nicht horizontal, sie fällt weiter ab, nur mit einer geringeren Steigung als im Kurzzeit- und Zeitfestigkeitsbereich. Wie stark der Abfall nach dem Abknickpunkt ist, hängt auch wiederum vom Material ab.
In dem Bereich streuen bei gleichem Spannungshorizont die Lebensdauern aber sehr stark, einfach weil die Wöhlerline da recht flach verläuft. Da kommt man mit minimalen Unterschieden in der Festigkeit bzw. in der Beanspruchung schon mal auf eine Vervielfachung der Lebensdauer oder eine Reduktion auf einen Bruchteil.
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Alt 13.02.2012, 13:24   #17
thomasmattes
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Danke, wieder einiges gelernt.

Unterm Strich lese ich da raus, dass es nicht trivial ist auf rein theoretischer Basis und auf diesem Erfahrungslevel (Material, Technologie, Anwendung) sichere Vorhersagen zu treffen, aber dass die Sache schon auch passen kann.

Also auf in den Test!

In 5 Jahren, falls die Teile sich nicht schon vorher verabschieden, erkläre ich dann die "individuell gefühlte Dauerfestigkeit" (bzw. in 3,5 Jahren für den Vorbau).

Mußt mir bei Gelegenheit mal erzählen, bei welchem Job Du das geballte Fachwissen brauchst, gerne per PN.

Ich überlege grade, ob ich Dich und alle anderen hier mal mit einem kleinen Ausflug ein wenig abseits Eurer Spezialgebiete unterhalten soll. Bin da beim Basteln am Zweitrad mal per Zufall auf was gestoßen, quasi falsch abgebogen auf 'ner neuen Radrunde, und dann, statt umzukehren, einfach mal weitergefahren...
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Alt 13.02.2012, 13:32   #18
Mr.Hyde
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Naja, man kann das konservativ angehen, dann kann man zumindest sicher gestalten. Das geht schon bei dem Wissensstand - mehr liegt ja häufig an Wissen gar nicht vor. Für absoluten Leichtbau in der Serie müsste man sicher noch ein bisschen mehr Informationen sammeln bzw. manches ein bisschen genauer machen, aber herrgott, ist ja nur ein wundehübsches Einzelstück im Einsatz beim Entwickler, so gesehen völlig unproblematisch.

Das Fachwissen ist halt das, was es hier so an der Uni gibt, M.Sc. Mechanical and Process Engineering, also Maschinenbau. Das oben ist konkret aus einer Vorlesung "Betriebsfestigkeit", von Prof. Sonsino, falls das wem was sagt, ist am Fraunhofer LBF und einer der Betriebsfestigkeitspäpste überhaupt, was Schweißverbindungen, Autoteile und sowas angeht. Der hat da eine ganz gute Vorlesung zu gehalten, hat man viel gelernt.

Zu Deinem Ausflug: na aber nur her damit!
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Alt 13.02.2012, 16:55   #19
Renn Maus
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Ich bin auch für Ausflüge zu haben
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Alt 13.02.2012, 18:20   #20
lunatik
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Wie man sieht, hat die Software die 75MPa als maximale Spannung von Mises bei dem gegeben Last herausgespuckt. Die berücksichtigt natürlich auch elastische Verformung des Volumenkörpers.

Somit auch Stützwirkung?! In wie fern sollte man die Stützwirkung miteinbeziehen?
Durch künstlicher Kerben (Simulation des Reisens des Bauteils), um das Verhalten des Bauteils während des Versagens zu optimieren?

Die Simulation wurde in Inventor durchgeführt?


...bin auch gern für Ausflüge zu haben

Geändert von lunatik (13.02.2012 um 18:32 Uhr).
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Alt 13.02.2012, 21:32   #21
Mr.Hyde
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Was Du gerade meinst ist das örtliche Konzept zur Bewertung der Betriebsfestigkeit, das geht dann auch zusammen mit Wöhlerlinien für das ungekerbte Bauteil, aber eben nur dann, wenn das höchstbeanspruchte Werkstoffvolumen gleich ist.
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Alt 13.02.2012, 21:41   #22
thomasmattes
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Hallo lunatik,

die SW spuckt 75 MPA bei der angesetzten Kraft aus, weil ich halt so lange an der Geometrie rumgefrickelt habe, bis sie das tat.
Stützwirkung (den Effekt kannte ich, aber nicht unter dem Namen) kann die Simulation nicht erfassen, gerade weil sie (nur) elastisch rechnet.

Der Effekt tritt, wie Mr. Hyde beschreibt, ein, wenn Bereiche des Bauteils, z.B. durch Kerben (Kratzer, Risse, Poren) oder Überlast, über die Fließgrenze belastet werden (in dem Fall ca. 270 MPa). D.h. diese Bereiche verformen sich plastisch und erstmal ohne dass durch diese plastische Verzerrung mehr Last aufgenommen wird (Spannung bleibt mehr oder weniger konstant). Sie versagen also nicht, wenn die Festigkeit größer ist als die Fließgrenze. Die benachbarten, geringer und noch nicht bis an die Fließgrenze belasteten Bereiche müssen aber wohl oder übel mit (Randbedingung). Da diesie noch im elastische Bereich sind, nehmen sie aber durch die Verzerrung durch Spannungsaufbau noch Last auf und "entlasten" so die schon maximal belasteten Bereiche. Das kann so durchaus ne Weile gutgehen.
Die Sim (SolidWorks Simulation Express) ist da überfordert.

Ob man den Effekt bewusst einbeziehen sollte ist ne gute Frage. Auf jeden Fall bei der Materialauswahl (wenn man die hat). Sprich je besser die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffes, desto kerbunempfindlicher ist er.

richtig?

Nun aber zu unserem Ausflug:
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Alt 13.02.2012, 22:02   #23
thomasmattes
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Na gut, wie Ihr wollt.

Beschwert Euch aber dann nicht, wenn der alte Mann in‘s Erzählen kommt!

Der Ausflug fing, wie auch die meisten Radrunden, erst mal ganz unscheinbar und normal an.

Mein altes Principia aus den frühen 90ern, als Alurahmen so innovativ waren wie 10 Jahre später solche aus Carbon, hatte ich gegen Ende seiner Wettkampfeinsätze (`94), fasziniert von einem verrückten Schotten, der Waschmaschinenteile in seine Fahrräder verbaute, auf Obree-Position umgebaut. Die UCI hatte das in der Saison schon verboten, die DTU aber noch nicht. War, nebenbei erwähnt, ein sehr erfolgreiches Jahr.



Übrigens nicht notwendigerweise unbequem, wenn man Obrees Erfindung mit Bruststützen kombiniert. Allerdings, wie Euch wohl schon aufgefallen ist, ergibt sich durch die Position eine recht extreme, weit nach vorne verschobene Sitzposition. Damals war ich wohl noch leidensfähiger. Jedenfalls, als ich das gute alte Stück 2008 in einem sentimentalen Anflug wieder fahrfertig aufbaute und eine Runde damit drehte…, naja, ich hatte den Ritt auf der Sattelspitze nicht so schmerzhaft in Erinnerung. Aber gut, inzwischen gab‘s da ja die neuen Möglichkeiten durch Lasersintern. Wir hatten gerade für die Messe im Dezember eine nagelneue LS-Anlage auf der Pfanne, mit der Teile aus dem Hi-End Polymer PEK (ein Verwandter des bekannteren PEEK) gefertigt werden konnten, hatten aber praktisch keine Demoteile für die Vitrinen.

Das ist praktische eine Situation wie Freibier, wenn man gerne bastelt/konstruiert. Doch wie beim Freibier heißt das auch schnell sein. Also ran ans CAD und schnell mal eine stark nach vorne gekröpfte PEK-Sattelstütze reingehackt. Natürlich aerodynamisch profiliert, wenn man schon dabei ist.

Und dann… zack! Beim Finishen der Stütze, ist’s passiert: ein kurzer Augenblick der Abgelenktheit und schon war ich falsch abgebogen! Sozusagen auf dem Holzweg.

Könnt Ihr‘s sehen?




Es war die durch das Finisch der speziellen Geometrie in Verbindung mit ihrer Schichtaufbaurichtung entstehende holzähnliche Maserung auf dem Bauteil, die mich faszinierte.

Ok, mal sehen wo’s da hin geht.

Die Messe war gut, aber (für mich) unverständlicherweise war niemand so recht von dem Potential beeindruckt, das sich durch diese neue Gestaltungsmöglichkeit ergab.

Gibt’s doch nicht! Hier müsste es doch nach Hause gehen? Egal, umkehren gilt nicht. Es müsste irgendwie in diese Richtung…., ah, diese Seitenstraße könnte passen.

Kennt Ihr das?

Ich dachte mir: Vielleicht lag es ja an der schrägen Sattelstütze, die sich dann doch nicht jedem auf Anhieb erschloss (Hackebeil??).

Aber, es muss doch ein Bauteil geben, das für den Zweck besser geeignet ist. Es müsste etwas sein, das wirklich jeder kennt. Und es müsste „an sich“ schon etwas Faszinierendes haben, ein makelloses Image natürlich auch. Es müsste eine Form haben, die, lasergesintert, ganz natürlich die Maserungs-ähnliche Struktur hervor- und zur Geltung brächte. Und natürlich müsste dieses Bauteil normalerweise aus Holz sein.

Tja, morgen um 5 muss ich raus. Mein Fertighaus wird grade aufgestellt und ich muss den Schnee aus dem ersten Stock schippen, bevor der Bautrupp um 7 aufläuft. Und arbeiten muss ich auch noch. Also Schluss für heute, morgen Abend geht’s weiter.

Allerdings würde mich ja schon interessieren, was Euch so einfiele zu dem Kriterienkatalog da oben. Any ideas?
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Alt 14.02.2012, 17:12   #24
espresso
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Fetter Respekt! Finde den Ansatz der Maßteilefertigung sehr interessant.

Für dein PEK Teil hab ich evtl. eine Idee. Wie wärs mit einem Messergriff? Oft aus Holz gefertigt, leicht gewölbte Oberfläche zwecks Maserung, hygienischer als Holz und in Verbindung mit einer hochwertigen Messerklinge sicher eine nette Kombination.

Aber zurück zum Rad. Interessant wär dein Ansatz in Sinn einer Look ZED 2 Kurbel (konzeptionell meiner Meinung nach das Genialste was in letzter Zeit zum Thema Kurbel entwickelt wurde)! Und wenn man den Gedanken der Maßteilefertigung zu Ende denkt (und auch mal ignoriert dass es vernünftig ist Kettenblätter tauschen zu können) könnte man damit eine komplette Kurbel samt Kettenblätter aus einem Stück fertigen. Absolut keine Verschraubungen zuhaben wäre doch eine Ansage und außerdem wäre das ein mördermäßiges Demoteil.
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Alt 14.02.2012, 21:02   #25
thomasmattes
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Hey espresso, definitiv gute Idee!

So gut, dass sie sogar schon Markterfolge aufweisen kann, was nur Deine Kreativität bestätigt. Neben dem Griff für ein Polizei-Multifunktions-Taschenmesser in Kleinserie wurden lasergesinterte Griffe für eine Serie hochwertiger Messer mit mehrfach „gefaitheter“ Sarazener-Klinge eingesetzt (kann sein dass das jetzt nicht ganz richtig ausgedrückt ist). Die Schichtstruktur des Griffes passte in dem Fall gut zur Schichtung des Stahls. (die ZED 2 schaue ich mir demnächst mal an)

Ich weiß nicht, was Euch sonst noch so alles durch den Kopf gegangen ist.

Ich hatte mich schließlich zu diesem Teil entschlossen:



Mal was anderes oder?

Aber eins nach dem anderen. Die Idee ist das eine, die Umsetzung ganz was anderes. Vor allem wenn man so viel von und vom Geigen versteht wie ich ;-)
Problem Nr.1: Wie an die Daten rankommen?

Monika, eine Geige spielende Kollegin ist schließlich im Internet fündig geworden. Allerdings als „Solid“, d.h. ein geigenförmiger aber massiver „Klotz“ ohne F-Löcher und Innenleben. Dank Monika‘s Geschick, den physikalischen Kenntnissen von Jochen, einem virtuosen Kollegen aus der Vorentwicklung und wiederum im Internet auffindbarer Basisinformationen zum Geigenbau, kamen wir schließlich zu einer Geometrie, der wir zumindest eine gewisse Chance gaben, dass sie auch spielbar sein würde. Denn obwohl die Grundintention ja war, ein publikumswirksames Demoteil zu haben, das die Holzstruktur gut rüberbringt, wollten wir doch diese Chance nicht ohne Not „vergeigen“.

Problem Nr.2: 1 Shot, 1 Opportunity

Nun ist PEK kein wirklich günstiger Werkstoff (Kosten der fertigen Geige > 5.000 €). D.h. viele Versuche damit konnten wir uns sicher nicht leisten. Die erste PEK-Geige musste sitzen. Da wir uns das nicht zutrauten, beschlossen wir einige Prototypen aus dem deutlich günstigeren Werkstoff Polyamid 12 zu bauen (aus dem auch der Aerobar ist http://www.light-bikes.de/forum/showthread.php?t=11443). So konnten wir die Schichtzeichnung, quasi die Maserung, testen, die ja von der Positionierung abhängt. Auch der Aufbau zur fertigen Geige von einem professionellen Geigenbauer wurde mit den Prototypen abgecheckt sowie, last not least, der Klang.

Und siehe da, das Ding war tatsächlich spielbar!

Allerdings war’s nicht gerade eine klangliche Offenbarung. Der Ton war etwas dumpf und wenn man über Nacht die Saiten zu entspannen vergaß, hat die PA-Geige das für einen erledigt (Relaxation). Aber in Verbindung mit dem deutlich höheren E-Modul, der geringeren Eigendämpfung sowie des deutlich günstigeren Kriechverhalten des Zielwerkstoffes PEK hat uns das ermutigt den Versuch zu wagen. Hier schlug nun Frank’s Stunde, unserem PEK Materialexperten, der das Teil auf Anhieb und in Top Qualität aus das Anlage holte.

Problem Nr. 3: Wie wird aus dem rauen, mit Pulver gefüllten Rohteil eine Geige die auch die Augen erfreut?

Antwort: 13!

…Stunden Finishaufwand nachts in meinem Keller. Und natürlich wieder einem Geigenbauer, der gute Mine zum bösen Spiel machte. Immerhin war der Einer der Ersten, die der PEK Geige erheblich bessere Klangeigenschaften assistierte als dem PA12 Instrument.

Ok, das war gerade mal der halbe Weg.

Glaubt bloß nicht, dass die Geige auf einhellige Begeisterung stieß, als wir sie intern vorstellten. Die Meinungen gingen bis in die Extreme auseinander. Von „Zeit und Geldverschwendung“ bis „Geniale Idee“ war alles dabei und je nach Blickwinkel war jede dieser Meinungen zu dem Zeitpunkt auch nachvollziehbar.

Entschieden hat die Frage letztlich die Hartnäckigkeit von Frank bei der internen Vermarktung und die guten Medienkontakte von Lisa, einer Mitarbeiterin einer „befreundeten“ SW-Firma, die der „violin“ mit dem Titelbild auf der Zeitschrift „Economist“ unter dem pressetypisch plakativen (man könnte auch sagen übertriebenen) Motto „Print me a Stadivarius“ zum medialen Durchbruch verholfen haben (http://i.materialise.com/blog/entry/the-economist-on-3d-printing-print-me-a-stradivarius).

Seither ist das Medieninteresse für die Verhältnisse unserer Branche sehr hoch und niemand bezweifelt mehr, dass der Aufwand hierdurch mehr als gerechtfertigt ist.

Zielecheck:

· Teil das jeder kennt?
· Teil mit gewisser „in situ“ Faszination und positivem Image?
· Holzstruktur und Message rübergebracht?






Ziel erreicht, oder?

Na ja… hier kommt die Kür: WIE KLINGT DAS TEIL??

Inzwischen haben mehrere professionelle Geiger und Geigenbauer das Instrument gespielt und Ihre Anerkennung ausgesprochen. Ok es waren auch skeptische Stimmen dabei, aber was soll‘s? Für den ersten Schuss? Nun, ich verstehe inzwischen höchstens eine halbe Nuance mehr von Geigen, aber mir gefällt ihr Klang.

Doch hört einfach selbst:

http://www.youtube.com/watch?v=-3pD9mYKCNw
http://www.youtube.com/watch?v=bJA6J5girlo
http://backstory.blogs.cnn.com/2012/01/20/the-revealer-3-d-violin/


http://img46.imageshack.us/flvplayer.swf?f=Pprel"width="1280" heigh
t="740" allowFullScreen="true" type="application/x-shockwave-flash"/>


Nun, ich habe meine Chancen abgewogen in meinem Alter noch ein passabler Geiger zu werden und mich (mit einem weinenden Auge) schließlich entschlossen dem Bau von Fahrradkomponenten und dem Radsport treu zu bleiben.

Aber den Ausflug werde ich sicher nie vergessen!!

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