Carbon-Verarbeitung in der Fahrradherstellung

High-Tech vom Feinsten. Beim Triathlon spielen Innovationen und technische Errungenschaften eine wichtige Rolle. Das Equipment entwickelt sich ständig weiter. Carbon, Membran-Technologie oder Sportzeitmesser mit Trainingsfunktionen, Fahrräder werden immer leichter, Helme immer sicherer und Laufschuhe für die Gelenke immer schonender. Und überall ist Kunststoff mit im Spiel. (Bildquelle: Felix Rüdiger)

Die Freude der Deutschen am Radfahren ist ungebremst. Man mag es nicht glauben, aber mittlerweile werden in Deutschland mehr Fahrräder als Autos verkauft. Heute sind 70 Mio. Fahrräder in Deutschland unterwegs. Jeder Fünfte fährt heutzutage tagtäglich mit dem Rad – und das nicht nur in Studentenstädten, sondern auch in Großstädten wie München, Frankfurt und Köln. Der Zweirad-Industrie-Verband (ZIV) vermeldete im März 2015, dass der anteilige Umsatz mit Fahrrädern und E-Bikes mit 2,16 Mrd. EUR um 9,6 Prozent im Vergleich zum Vorjahr anstieg. Die Zahl der verkauften Fahrräder und E-Bikes stieg auf 4,1 Mio. Siegfried Neuberger, Geschäftsführer des ZIV, erklärte auf der Fachmesse Eurobike Mitte 2015: „Das Jahr 2014 war ein erfolgreiches Jahr für die Fahrradbranche. Umso erfreulicher ist es, dass die Industrie ähnlich positiv in das Jahr 2015 gestartet ist. Gute Marktbedingungen und ein ungebremstes Interesse an dem Produkt Fahrrad stimmen uns zuversichtlich, dass auch das Jahr 2015 ein gutes für die Branche wird.“ Aber auch das Qualitätsbewusstsein der deutschen Radfahrerinnen und Radfahrer ist gestiegen. Sie geben mehr Geld für höherwertige Produkte im Fachhandel aus. Es wird mehr Geld in den Drahtesel investiert und nicht mehr unbedingt ins Auto. Denn längst sind Fahrräder nicht mehr nur ein Alltags- sondern ein Hightech-Produkt mit innovativen Lösungen wie WLAN-basierende elektrische Schaltungen, GPS oder Leichtlauf-Räder aus Carbon. Da ist es fast nicht erwähnenswert, das der Rahmen eines solchen Bikes meist ebenso aus faserverstärktem Kunststoffen ist.

Profisport legt die Messlatte
Kunststoffe haben natürlich auch in diesem Industriezweig vielfältigen Einsatz gefunden. Und so interessierte es die Redaktion des Plastverarbeiter wie ein solches Bike überhaupt entsteht. Welche einzelnen Schritte durchläuft ein Produkt, bis es von der Skizze auf Papier wirklich auf der Straße oder auf Trails bewegt werden kann? Wir sprachen mit Lukas Schuchnigg, Ingenieur und Produkt-Entwickler beim Hersteller Canyon Bicycles (kurz: Canyon), einem deutschen Fahrradhersteller von Rennrädern, Mountainbikes und Triathlonrädern mit Sitz in Koblenz. Er lieferte uns spannende Einblicke in die Abläufe der Entwicklung und Produktion des preisgekrönten Triathlonrades Speedmax CF SLX.
Canyon Bicycles wurde im Jahre 1985 als Radsport Arnold von Roman Arnold zunächst als Fachhandel für den Radsport gegründet. 1996 erschienen die ersten eigenen Räder unter der Marke Canyon. Es ist nicht unüblich, dass Radsport-Fachhändler eigene Räder im Programm haben. Bei Arnold wurde jedoch zusätzlich der Direktvertrieb via Internet gewählt. 2001 vollzog das Unternehmen den Schritt vom Fachhändler zum reinen Fahrradhersteller und benannte sich in Canyon Bicycles um. Mit Lutz Scheffer konnte das Unternehmen einen anerkannten Rahmendesigner verpflichten. Im Laufe der Jahre engagierten man dann weitere Szenegrößen. Im Jahr 2006 präsentierte man ein neues Corporate Design, das mehrere Auszeichnungen erhielt (European Design Award für das Corporate Design, iF Industrie Forum Design für das Corporate Design und das Webdesign, für das Corporate Design).
Seit der Gründung war Radsport Arnold im Spitzensport engagiert. Mit dem Triathleten Jürgen Zäck wurde 1985 der erste Sportler unter Vertrag genommen. Aktuell unterstützen die Koblenzer mit dem Canyon Tri-Team unter anderem den Olympia-Sieger von 2008 und Ironman-Hawaii-Sieger (2015) Jan Frodeno, die britische Ironman-Siegerin und vierfache Weltmeisterin Leanda Cave, die Ironman-Sieger Nils Frommhold und Boris Stein. Im Rennradsport setzt das Unternehmen auf Kooperationen mit verschiedenen Teams, unteranderem das russische Pro-Team Katjuscha und das spanische Team Movistar. Das Sponsoring umfasst neben Triathleten und Rennradfahrern auch Mountainbiker.

Carbon-Verarbeitung in der Fahrradherstellung

Das CT-System erstellt aus 1.000 Einzelaufnahmen eine exakte 3D-Animation des Rahmens oder des Anbauteils und ermöglicht so eine präzise und detaillierte Prüfung der Materie im Hinblick auf die Struktur und mögliche Material- und Herstellungsfehler. (Bildquelle: Canyon)

Der Fahrradhersteller erwirtschaftet seinen Umsatz zu 95 Prozent im Direktvertrieb, der Rest kommt über den Showroom des Firmensitzes. Die Wachstumsrate betrug in den letzten Jahren kontinuierlich zwischen 20 bis 40 Prozent. Verschickt werden die Bikes weltweit. Den europäischen Markt hat Canyon bereits erschlossen, in den USA und Asien schreitet das Geschäft stetig voran und bereits Ende  2015 wurde auch der Markteintritt in Down Under angestoßen. Kunden sind vor allem ambitionierte Hobby- oder Profi-Radfahrer. Auch die Räder der Rheinländer wurden in den letzten Jahren mit zahlreichen Designpreisen ausgezeichnet. Genau wie das Triathlonrad Speedmax CF SLX von Jan Frodeno, Olympiasieger 2008 in Peking, Ironman-Europameister 2015 in Frankfurt und Weltmeister auf der Halbdistanz 2015 in Zell am See. Im Oktober folgte noch der Weltmeistertitel auf Big Island Hawaii. „Jeden Tag habe ich das Bild vor Augen, wie ich über die Ziellinie in Kona laufe und mich in den kleinen Kreis der Legenden einreihe, die diesen Ironman einmal gewonnen haben.“ Jan Frodeno verwirklichte sich diesen Traum nach 3,86 Kilometer Schwimmen, 180 Kilometer Radfahren und 42,195 Kilometer Laufen bei extremer Hitze und nach 8 Stunden 14 Minuten und 40 Sekunden. Der Athlet hat somit Außergewöhnliches geleistet und neue Maßstäbe gesetzt, auch dank einer innovativen Radtechnologie mit Carbonrahmen und -komponenten.
Zwei Jahre Entwicklungszeit
Wenn Canyon ein Produkt entwickelt, dann werden früh die Profis mit eingebunden. So fuhr Frodeno bei der Europameisterschaft 2015 in Frankfurt einen Prototypen. Dieser wurde zwar in einem ersten Produktionswerkzeug hergestellt, dass sich aber noch in der Optimierungsphase befand. Die Zielsetzung der Koblenzer Fahrradschmiede ist immer innovative und kreative Lösungen auf den Markt zu bringen, die sich von anderen Herstellern abheben. Deshalb ist es auch nicht verwunderlich, dass viel Zeit und Geld für Entwicklungsarbeit ausgeben wird. Das R & D-Team besteht aus Produkt- und Projektmanagement mit insgesamt 10 Personen. Diese analysieren den Markt und definieren, wie das Rad aussehen muss, wie schwer und wie steif es sein muss. Sowie welche Kundenkategorie soll angesprochen werden? Dieses Lastenheft mit den ganzen Anforderungen an das neue Projekt erhalten dann die Entwicklungs-Ingenieure als Zielsetzung für das neue Rad-Projekt. Im Bereich Ingenieurswesen sind 15 Entwickler beschäftigt, die an allen Kategorien vom Rennrad, Mountainbike, Triathlon, Fitness sowie Alltags-Bike arbeiten. Einzelne Entwicklungs-Ingenieure sind dann für das Projekt verantwortlich und begleiten es bis zum Serienstart ab.
Ein ganz wichtiger Punkt ist das Industriedesign, denn bei Canyon legt man viel Wert auf das Gestalterische, auf das Visuelle eines Rades. Ähnlich wie in der Automobil-industrie, denn auch dort wäre es undenkbar, dass ein Fahrzeug entwickelt wird, ohne dass ein Industriedesigner involviert ist. Sie definieren, was soll ein Produkt aussagen und bilden dies im Rad ab. Canyon setzt aber auch neben dem eigenem Designteam externe Agenturen ein, wie zum Beispiel Artefakt Industrie Design, Darmstadt. Die Agentur wurde auch für die Speedmax CF Studie mit dem IF Eurobike Award ausgezeichnet. Externe denken etwas anders, sind nicht so unternehmensorientiert und denken oft etwas kreativer, so Lukas Schuchnigg. „Auch der Umstand, dass wir relativ viele Räder parallel entwickeln, macht den Einsatz von externen Industriedesignern sinnvoll. Übrigens wurde auch das Rad von Jan Frodeno gemeinsam mit Artefakt Industrie Design entworfen.“

Das Industriedesign ist für die Flächengestaltung zuständig, also wie das Rad wirkt, das Grafikdesignteam hingegen für die Farben und die Farbgestaltung am Rad. Natürlich erfolgt dies in enger Absprache mit dem Industriedesign. Hier steht im Vordergrund, was man mit dem Rad ausdrücken möchte und wie ich diese Aussage mit den Farben verstärken kann. Im Anschluß steht das Surfacedesign an, bei dem die Designer die Sketches mittels der Software Rhinoceros von McNeel Europa, Barcelona, Spanien, digital umsetzen. Sie erstellen die Außenhülle des Rades anhand der Sketches-Skizzen. Parallel dazu startet man mit dem Bau von Prototypen. Dabei wird mit 3D-Druckern der komplette Rahmen gefertigt und lackiert. So lässt sich schon an einem realen Rahmen die Wirkung des Rad-Konzepts beurteilen. Beim 3D-Druck nutzt der Koblenzer Radspezialist die Kompetenz des PTZ-Prototypenzentrum Dresden, Dresden, da man nur im Haus nur einen kleinen 3D-Drucker vom Typ Ultimakers hat. „Wenn wir wirklich einen kompletten Rahmen benötigen, lassen wir diesen immer extern fertigen,“ kommentiert Schuchnigg. „Es ist ganz wichtig, relativ früh diese Prototypenteile zu haben, damit wir überprüfen können, ob die Montage und Demontage reibungslos funktioniert. Teilweise haben wir, wie hier beim Speedmax, etwa 100 bis 150 Einzelteile. Deswegen ist 3D-Prototyping auch ganz wichtig für die funktionellen Tests. In dieser Phase  werden auch sehr viel Aerodynamik-Tests im Windkanal am Bodensee durchgeführt. Dies ist ein ehemaliger Airbus-Windkanal, der jetzt in privater Hand ist.“ Die Aerodynamik-Test kann man sich wie ein Puzzlesystem vorstellen, bei dem die verschiedensten 3D-Prototyping-Komonenten immer wieder neu zusammen gesteckt werden und man dann überprüft, wie verhält sich die Aerodynamik mit zum Beispiel einem breiteren Unterrohr. Oder wie verhält sich die Komponente mit einem anderen Profil oder passt die Dimensionierung der Rohrquerschnitte. Im Anschluss beginnt man mit der Entwicklung eines ersten Rahmen-Werkzeuges. Meist ist dies ein Aluminium-Werkzeug mit vielen Einsätzen, sodass man erste Carbonlagen legen kann.

Carbon-Verarbeitung in der Fahrradherstellung

Canyon hat gemeinsam mit der Hochschule Pforzheim über 50 Prüfmaschinen entwickelt, konstruiert
und umgesetzt. Diese Maschinen
kommen in fünf Prüflaboren zum
Einsatz. (Bildquelle: Canyon)

Parallel dazu kommen das Stücklisten-Management und die technischen Zeichner ins Spiel. Für das Stücklistenmanagement wurde gerade ein neues ERP-System von SAP SE, Walldorf, installiert. Bereits im Herbst 2013 traf der Radproduzent die Entscheidung SAP ERP einzuführen. Davor war das System MS Navision im Einsatz, womit man jedoch nicht mehr alle Datenthemen umsetzen konnte. Datensilos und Redundanzen erschwerten die tägliche Arbeit. „Canyon Bicycles ist ein innovationsstarkes Unternehmen, doch die IT war bis dato noch mit dem Dreirad unterwegs“, beschreibt Schuchnigg den damaligen Zustand. Weil der Manufacturing-Anteil groß ist, entschied man sich bewusst für ein Standard-SAP-System. Hier lassen sich auch unternehmensspezifische Prozesse der separaten Logistik- und Montagesteuerungs-Systeme, also Nicht-SAP-Systeme, leicht anbinden. Im Ingenieurswesen und bei den technischen Zeichnungen kommt das CAD-System Solid Works V2015 von Dassault Systems, München, zum Einsatz, sowohl für das Computer Aided Design als auch für einige FEM-Analysen. Für Aerodynamik-Analysen wird mit Ansys von Ansys Germany, Darmstadt, gearbeitet. „Da Ansys aber nur so gut ist, wie man die Analyse-Bedingungen setzt, muss man sehr viel Praxiswissen einbringen,“ merkt Schuchnigg an. „Und wenn man nicht weiß, wie die Bedingungen sind, kann man das nicht nachbilden. Ich muss wissen, wie ist die Kraftverteilung auf dem Rahmen, wenn man zum Beispiel mit einem Mountainbike eine Stufe runter springt? Wo treten dann die Kraftspitzen auf? Erst wenn ich das definiert habe, kann ich mit Aansys die Dimensionierung des Rahmens angehen.“
Interessenvertretungen und Ausschüsse sind wichtig
Ähnlich wie in der Automobilindustrie ist es auch für Canyon wichtig, in in einigen Komitees und Interessengruppen vertreten zu sein. Neben der WFSGI, die die Rahmenbedingungen generell für den Fahrradsport definiert, und die UCI, dem Dachverband des Radsports, sind dass der Normenausschuss und der Ausschuss für Material. Der Normenausschuss ist wichtig, damit die Norm für die Komponenten-Prüfungen erfüllt werden. In dieser Norm ist zum Beispiel festgelegt, wie steif und wie schwer die Räder sein müssen. Dann gibt es noch einen Ausschuss für das Material. Dies ist insofern für Canyon wichtig, da die Produktion hauptsächlich in Asien durchgeführt wird. Das bedeutet, dass die Hersteller meist ihr eigenes Carbon-Material, dass sie oft auch selbst produzieren, verwenden. Um immer einen Überblick über den Stand der Dinge zu haben, also wie man die Materialien einsetzen kann, ist Canyon in diesem Ausschuss vertreten. „Prinzipiell ist es so, dass wir die Elastizitäts- und Steifigkeitsmodule der Carbonfaser vorgeben. Aber auch das maximale Gewicht des Rahmens. Und da die Hersteller in Asien mittlerweile so viel Erfahrung haben, können sie anhand der Gewichtsvorgaben und dem Zielpreis, oft schon einen Materialvorschlag machen. Unsere Produktionsunternehmen haben seit 20 Jahren Erfahrung mit der Materie Carbon und verfügen über sehr viel Fertigung-Know-how.“
Werkzeug als gemeinsame Entwicklungsarbeit
Das Werkzeug für die Rahmenfertigung ist immer eine gemeinsame Entwicklung zwischen dem Koblenzer Radspezialisten und dem Rahmen-Hersteller in Asien. Auch weil  die Hersteller den kompletten Produktionsprozess im Blick haben. Natürlich sind auch die Ingenieure von Canyon häufig in Asien vor Ort. Die Auswahl des jeweiligen Rahmenhersteller erfolgt durch einen asiatischen Partner.
Da ein solcher Rennrad-Rahmen aus filigranen und feinstrukturierten Teilen besteht, ist eine Automatisierung des Layup-Prozess nicht möglich und wird weitgehend noch von Hand ausgeführt. Automatisiert ist aber mittlerweile der ganze Nachbearbeitungs-Prozess. Das heißt, der Rahmen wird aus der Form genommen und in einer Aufnahmestation für den Roboter abgelegt. So erfolgt das Trennen der Überschnitte und die Kantenglättung an den Übergängen und Löchern automatisiert. Der Layup- bzw. der Auflegeprozess jedoch wird noch immer per Hand ausgeführt. „Es gibt ein paar Hersteller die teilweise in Europa und auch in Deutschland fertigen lassen, aber auch dort wird ausschließlich per Hand gearbeitet. Meines Wissens gibt es keinen Hersteller, der dies wirklich vollautomatisch durchführt,“ schließt Schuchnigg an.
Die Rahmenhersteller verwenden ausschließlich Prepregs welche sie auch selbst herstellen. Das heißt, sie kaufen die Carbonfäden zu und produzieren die Prepreg und imprägnieren auch das Harz. Nach dem die Rahmenhälften geschlossen sind und werden sie unter Druck bei einer bestimmten Temperatur ausgehärtet. Etwas spezieller ist es beim Triathlonrad Speedmax, denn dort hat man im Oberrohr-Bereich zum Beispiel einen Werkzeugeinsatz integriert sowie eine Box für Gels, Powerbars. Eine solche Integration weist ein zu großes Volumen auf, das definitiv mit dem angewendeten Schlauch-Blasverfahren nicht gefertigt werden kann. „Wir verwenden in Bereichen, wo dünne Wandstärken und konstante Wandstärken gefordert sind, einen Kunststoffschlauch, der mit 8 bar aufgeblasen wird. Das heißt, man drückt quasi von innen die Carbonfasern gegen die Werkzeugwand,“ erklärt Schuchnigg. „Ein Weg um große Volumenbereich abdecken zu können, sind Styropor-kerne. Um diese zweiteiligen Formkerne werden dann die Carbonlagen gewickelt.

Carbon-Verarbeitung in der Fahrradherstellung

Viele Komponenten eines Triathlonbike sind heute aus Kunststoff oder Carbon. (Bildquelle: Redaktion Plastverarbeiter, hw)

Die Kerne verbleiben dann auch im Werkzeug und werden erst nach dem Aushärten des Rahmens entfernt. Die Aushärte-Temperaturen liegen je nach Heizsystem im Bereich von 120 ° bis 130 °C.“ Die Knotenpunkt-Schnittstellen an Tretlagern, Steuer- und Sattelrohr sind konstruktiv möglichst klein gestaltet, um Füllmaterialien zu vermeiden. Jede Schnittstelle bedeutet auch ein mehr an Gewicht. Denn diese Schnittstellen müssen geklebt werden und wofür man mehr überlappendes Material braucht, damit man diese Komponenten auch zusammenfügen kann. „Das Gewicht ist natürlich bei einem solchen Bike auch entscheidend. Bei dem neuen Rennrad Ultimate sind wir mittlerweile unter 600 g für den kompletten Rahmen. Und da ist nur noch sehr wenig Luft nach unten,“ sagt Schuchnigg stolz. Pro Tag werden 24 Rahmen pro Form gefertigt. In der RTM-Presse ist die Rahmen-Form etwa 20 Minuten inklusive der Aushärtung. Das heißt, man kann pro Stunde zwei Rahmen mit einer Form fertigen. Bei durchschnittlichen 12-Stunden-Schichten sind 24 Rahmen also realistisch.
Canyon hat bei jedem Rahmenproduzenten ein Prüflabor installiert, damit auch sichergestellt ist, dass die Rahmen die geforderten Standards und Kriterien einhalten. „Wir prüfen auf der einen Seite die Rahmen auf die Steifigkeit, messen also welche Tretlagersteifigkeit gegeben ist oder welche Steuerkopfsteifigkeit. Eine Qualitätssicherung führen wir mit einem CT-Scanner durch. Von der Produktionsüberwachung über die Qualitätskontrolle bis hin zur Entwicklung von Prototypen – der Einsatz von industriellen Computertomographie-Systemen hat sich bereits vielfach bewährt und etabliert. In der Radindustrie wurden nicht zerstörende Materialprüfungen bis dato zumeist per Ultraschall oder Endoskopie durchgeführt. Erprobte Verfahren, die jedoch vor allem bei der Prüfung von Carbon keine ausreichenden und zuverlässigen Aussagen liefern können. Durch den Einsatz von Computertomographie bekommt die Prüfung von Aluminium- und Carbonrahmen und Anbauteilen eine neue Dimension.“ Das CT-System erstellt aus circa 1.000 Einzelaufnahmen eine exakte 3D-Animation des Rahmens oder Anbauteils und ermöglicht so eine präzise und detaillierte Prüfung der Materie im Hinblick auf die Struktur und mögliche Material- und Herstellungsfehler. „Die gewonnenen Schnittbilder eröffnen neue Erkenntnis für uns Entwickler und bringen uns einen großen Schritt weiter in den Bereichen Qualitätssicherung und Kundenservice.“  Neben gezielten Prüfungen von erkennbar defekten Anbauteilen und Rahmen werden die Carbonteile bei Wareneingang auch stichpunktartig einer Qualitätsprüfung unterzogen. Aus den gewonnenen Ergebnissen werden Standards erarbeitet, anhand derer sich auch Verbesserungs- und Gewichts-Einsparungspotenziale ableiten lassen – und das bei steigender Sicherheit der Produkte. „Alle Rahmen-Hersteller haben mittlerweile einen CT-Scanner um überprüfen zu können, wo Fasern aufgegangen, Falten oder teilweise Fremdkörper im Rahmen sind. Auch wichtig ist dieser Scanner für das Überprüfen der Rahmen- und Wanddicken.“ Die Testkriterien basieren auf der ISO- und der DIN-Norm. Darüber hinaus gibt es noch eine gewisse Canyon-Zusatzprüfung. Die asiatischen Rahmenhersteller lassen hier auch größtmögliche Sorgfalt walten und sind bestrebt keine Ausschussteile zu produzieren. Denn Ausschuss heißt auch Kosten. So werden die Mitarbeiter explizit für das Legen der Prepregs ausgebildet. Meist beginnen diese mit dem einfachsten Modell und arbeiten sich über die Jahre in der Modellpalette nach oben. Das bedeutet, dass die Superleicht-Modelle nur von ganz erfahrenen Leuten betreut werden.

Carbon-Verarbeitung in der Fahrradherstellung

Das Prototypen-Werkzeug für den ersten Rahmen des neuen Speedmax CF SLX mit den weißen Styroporkernen für die großen Volumenbereiche. (Bildquelle: Redaktion Plastverarbeiter, hw)

Spezieller Fokus auf die Anforderungen
Stelle einem Athleten ein schnelles Bike zur Verfügung und er wird schnell sein. Stelle einem Athleten das schnellste Komplettsystem zur Verfügung und er wird imstande sein, ein Rennen zu entscheiden. Das war das Entwicklungsziel des neuen Speedmax CF SLX, dem bislang aufwändigsten Entwicklungsprojekt der Koblenzer Radschmiede. Die Entwickler haben die Herausforderung angenommen, eines der schnellsten Triathlon-Bikes der Welt, in das schnellste Komplettsystem zu transformieren. Der spezielle Fokus auf die Anforderungen der Athleten öffnete die Tür für eine völlig neue Integration der Komponenten. Aber nicht nur die Zusammenarbeit mit den besten Athleten der Welt ausschlaggebend, um aus einem starken Setup das beste System zu kreieren, auch das Material-Know-how bei der Rahmenherstellung und der Carbonverarbeitung half die Effizienz beim Fahren zu maximieren. n