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THOK E-Bikes baut den ersten vollgefederten E-MTB-Prototypen aus Aluminium – hergestellt mit 3D-Drucktechnologie

30. Juli 2023 rsch Mountainbike, Mountainbiken, mtb

Light E-MTB ist mit dem neuesten Bosch SX-Motor ausgestattet
Der Prototyp wurde auf der Eurobike vorgestellt und ist testfähig

Während in der Vergangenheit bereits mit einigen Fahrrädern mit ähnlicher Technologie experimentiert wurde, ist dies das erste Mal überhaupt, dass ein
funktionsfähiger Prototyp eines vollgefederten E-MTB enthüllt wurde. Dazu gehören das richtige Gewicht, Steifigkeit und Flexibilität.
Das Neue daran ist, dass nicht nur die Entwicklungstechnologie eine absolute Weltneuheit für diese Art von Projekt ist, sondern dass das Endprodukt auch etwas sein wird, das es im THOK-Katalog noch nie gegeben hat: ein leichtes E-MTB, ausgestattet mit dem brandneuen Bosch SX-Motor und der Möglichkeit, zwischen verschiedenen Batteriekapazitäten zu wählen, um sich besser an die Bedürfnisse des Bikers anzupassen.

Ein geformter, aber perfekt fahrbarer Prototyp
“THOK Project P4“ (P4 ist die Abkürzung für die endgültige Form und den Namen des Bikes) ist der Start dessen, was es voraussichtlich 2024 geben wird: das erste Leichtgewicht von THOK. Die Entwicklung ist in vollem Gange, mit Tests auf den technischen Tracks von Finale Ligure, bei denen der auf der Eurobike ausgestellte Rahmen zum Einsatz kommt.
Es handelt sich nämlich, und das ist eine der großen Innovationen, um einen perfekt funktionierenden Prototyp, mit dem realistische Tests möglich sind. Mit herkömmlichen Polyurethan- oder PC-ABS- Modellen wäre das alles nicht denkbar.

Aluminiumdruck bildet Kohlefaserformen nach
Höchstwahrscheinlich wird das endgültige Rad aus Kohlefaser bestehen, aber die Herstellung von Prototypen aus diesem Material wäre zeitaufwändig und teuer. Die 3D- Drucktechnik verwendet daher andere Materialien. In diesem Fall handelt es sich um ein Aluminium- und Siliziumpulver, das mit einem Laserstrahl verfestigt wird. Die Struktur ist wabenförmig, um Gewicht zu sparen.
Der Prototyp von THOK besteht aus sechs 3D-gedruckten Teilen, die dann zusammengeschweißt werden. Das resultierende Produkt wird auf verschiedenen Geländetypen getestet, in der Regel auf mittelschweren bis schweren All-Mountain-Strecken. Mit dieser Technologie kann alles, was man sich in Carbon vorstellen kann, in Aluminium prototypisiert werden.

Äußerst schnelle Entwicklungszeiten
Der Vorteil des Rapid Prototyping mit 3D-Druck liegt in der Möglichkeit, Geometrien und Aufbauten in der Praxis zu testen, Anpassungen und Designänderungen an Versuchsmodellen sehr schnell vorzunehmen. Die Herstellung eines Fahrrads erfordert in der Regel mindestens zwei Jahre Arbeit: mit Besprechungen, Marktstudien, Zeichnungen, Entwicklung, Haltbarkeits- und Belastungstests, Gesprächen mit Zulieferern und vor allem mit der Herstellung von Prototypen. Dies gilt insbesondere für diejenigen, die wie THOK keine open-mold Rahmen verwenden, sondern ihre E-Bikes von Grund auf neu entwerfen. Damit wird in der Entwicklungsphase Neuland betreten. Es spart Zeit, hat aber vor allem den Vorteil, dass ein lauffähiger Prototyp entsteht, der dem fertigen Produkt zu 99 % ähnelt.

Technologie, Materialien und der richtige Partner
Für einen solch heiklen Übergang suchte THOK einen Partner der Extraklasse. Die Wahl fiel auf 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 Technologie handelt es sich um Selective Laser Melting (SLM), ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Laser zum Schmelzen von Metallpulver eingesetzt werden. Für den 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.
Es ist ein Material, das einzigartige Formen ermöglicht und strukturell komplexe Probleme löst, die bei einem E-Bike zahlreiche CNC-gefräste Teile (ein „subtraktives“ Produktionsverfahren, bei dem stattdessen Materialschichten abgetragen werden) und Einwegformen erfordern würden.
Mit dieser Legierung lassen sich auch größere Modelle herstellen als mit jedem anderen im 3D-Metalldruck verwendeten Material, weshalb sie häufig in der Luft- und Raumfahrt und im Rennsport eingesetzt wird.

Vorteile und Schwierigkeiten
Das Ziel des Rapid Prototyping mit 3D-Druck ist die Herstellung von Arbeitsmodellen, mit denen Geometrie, Aufhängung und Integration der Komponenten getestet werden können. SLM ermöglicht die Herstellung von Teilen, die leicht genug sind, um das Gewicht des endgültigen Karbon-Rads zu simulieren: Mit dem additiven Verfahren werden halbhohle Rohre mit der für dieses Material erforderlichen Dicke von einem halben Millimeter (2 mm für Strukturteile) hergestellt.
“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,” erklärt Luca Burzio, Industriedesigner bei THOK, der die Projekte von der technischen Seite her begleitet.
„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“, so Burzio weiter.

Die Herausforderung für THOK und Materialise
„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,“ erklärt THOK-CEO Stefano Migliorini. Er ist der Mann, der diesen neuesten Prototyp persönlich unter Stress setzt, wie auch jedes andere THOK-Projekt, um die getroffenen Entscheidungen zu testen und die notwendigen Änderungen zu bewerten.
Diese Herausforderung hat THOK und Materialise vor nie dagewesene Probleme gestellt und war für beide ein Lernprozess. Insbesondere was das Zusammenspiel der Metallformteile sowie die Bearbeitung der Gehäuse der kinematischen Mechanismen und der Komponenten-Schnittstellen betrifft. „Das Projekt mit THOK hat es uns ermöglicht, unsere Erfahrung im Fahrradsektor zu erweitern und den 3D-Druck von Metall auf ein neues Niveau zu heben. Diese Zusammenarbeit gab uns die Möglichkeit, unsere Fähigkeiten im Bereich der additiven Fertigung von Metall zu verfeinern, um Antworten auf die genauen Anforderungen des italienischen Unternehmens zu finden,” erklärt Simone Cannella, Business Development Manager bei Materialise.
Die Zukunft des 3D-Drucks ist noch nicht abzusehen, aber die von THOK und Materialise durchgeführten Experimente sind ein bahnbrechendes Kapitel in dieser Geschichte. Patentanmeldungen für Designlösungen im Zusammenhang mit dieser Technologie, die sich aus der Arbeit von THOK und Materialise ergeben könnten, sind nicht ausgeschlossen.

THOKs leichtes E-Bike wird für 2024 erwartet
Der 3D-Druck wurde bereits für starre Rahmen im Straßenbereich sowie in einigen Tests für stoßgedämpfte Rahmen ohne Motor- und Batteriekomponenten eingesetzt. THOK E-Bikes ist das erste Unternehmen weltweit, das den SLM-Druck für ein funktionierendes vollgefedertes E-MTB eingesetzt hat.
Das auf der Eurobike ausgestellte THOK Project 4 befindet sich noch in der Entwicklungsphase: Geometrie, Batteriepositionierung und technische Lösungen werden vor der Markteinführung des neuen Produkts, die voraussichtlich im Jahr 2024 erfolgen wird, geändert. Das neue E-Bike markiert nicht nur den Einstieg von THOK in das leichte E-MTB-Segment, sondern verwendet auch den neuen Bosch SX-Motor und verfügt über eine maximale Akkumodularität (400 Wh, 500 Wh, 625 Wh, 750 Wh, plus 250 Wh Range Extender), die es dem Fahrer ermöglicht, die Dauer der Fahrt und das Gewicht des Fahrrads seinen Bedürfnissen anzupassen.