Hersteller von Falträdern nutzt Laserschneiden für Rahmenkomponenten aus Titan

Obwohl Falträder erstmals um 1900 erfunden wurden, lässt sich Peter Boutakis von dieser langen Geschichte nicht einschüchtern und gründete Helix Labs, um „das beste Faltrad der Welt“ zu entwickeln. Beim Helix-Side-by-Side-Faltdesign sind die Räder für eine effizientere Lagerung neben dem Rahmen und zwischen den Kurbeln angeordnet und für die Haltbarkeit wird Titan verwendet.

Märkte spalten sich. Stets. Jeder Erfinder, der jemals ein neues Produkt entwickelt hat, weiß oder lernt, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis ein ähnliches Produkt auf den Markt kommt und den etablierten Hersteller herausfordert. Sogar etwas so Einfaches wie ein Hammer ist in vielen Größen und Ausführungen erhältlich – mit einer Klaue, einem Schlitten, einem Kugelhammer und so weiter.

So ist es auch mit dem Fahrrad. Die früheste Version, die 1817 entwickelt wurde, war ein einfaches Gerät ohne Pedale, Kettenräder oder Kette. Von ihrem Erfinder Karl Drais erhielt sie den Namen „Laufmaschine“ und wurde durch eine Laufbewegung angetrieben. Das schwierig zu fahrende Hochrad erlangte in den 1870er Jahren große Berühmtheit und wurde 1885 durch ein neues Konzept ersetzt, das zunächst als Sicherheitsfahrrad vermarktet wurde. Ausgestattet mit zwei gleichgroßen Rädern, angetrieben durch auf Kettenrädern montierte Pedale und angetrieben durch eine Kette, die in ein Zahnrad am Hinterrad eingreift, haben sich die Designelemente seitdem kaum verändert.

Das bedeutet nicht, dass sich der Markt nicht weiter spaltet. Tatsächlich ist es so. Heutzutage können Radfahrer zwischen Sport- und Freizeitfahrrädern in verschiedenen Ausführungen wählen: Berg-, Straßen-, Hybrid-, Cruiser-, Liege-, Tandem-, Elektro- und Faltfahrräder.

Viele Wohnungsbewohner bevorzugen Falträder wegen ihrer kompakten Größe, und viele ernsthafte Fahrradfahrer verstauen ihr Fahrrad oft im Kofferraum eines Autos und machen sich auf die Suche nach einem guten Platz zum Fahren.

Diese Marktnische zeichnet sich durch ihre technischen und fertigungstechnischen Herausforderungen aus. Ein Fahrrad so zu konstruieren, dass es sich zusammenklappen lässt, ist keine leichte Aufgabe. Noch schwieriger ist es, ein Modell zu entwerfen, das sich zusammenfalten und gut fahren lässt. Es geht darum, drei Einschränkungen in Einklang zu bringen: Fahrbarkeit, Gewicht und die Größe im zusammengeklappten Zustand. Der Unternehmer, Maschinist, Schweißer, CNC-Programmierer, Softwareentwickler und Radsportbegeisterte Peter Boutakis kam zu dem Schluss, dass er etwas zum Markt für Falträder beitragen konnte, als er in Toronto das Produktionsunternehmen Helix Labs Inc. gründete, um ein ehrgeiziges Ziel zu verfolgen: das zu entwerfen und herzustellen bestes Faltrad auf dem Markt.

Er hat nicht zurückgeschaut.

Das Faltkonzept ist nicht neu. Der früheste Faltentwurf basierte auf dem militärischen Interesse an der Verwendung von Fahrrädern als Transportmittel, das um 1890 entstand, und 1941 holte das britische Kriegsministerium Angebote für ein Faltfahrrad ein, das per Fallschirm geliefert werden sollte. Schon damals spezialisierte sich der Markt für Falträder.

Heutzutage verwenden Hersteller verschiedene Faltstrategien. Ein Konzept, die Halbfaltung, verwendet einen Rahmen, der sich horizontal in zwei Hälften faltet, sodass das vordere Ende des Fahrrads um fast 180 Grad schwenkt; Im zusammengeklappten Zustand sitzen Vorder- und Hinterräder nebeneinander. Dies ist wahrscheinlich die Art und Weise, wie die frühesten Faltzyklen stattfanden. Ein anderer Ansatz nutzt die vertikale Faltung, die komplexer ist. Der vordere Teil lässt sich nach hinten umklappen und der hintere Teil lässt sich nach vorne umklappen, was zu einem kompakteren Profil führt als bei vielen halb zusammenklappbaren Fahrrädern. Andere Designs verwenden Variationen dieser Themen (eine ausführliche Diskussion finden Sie unter www.foldingcyclist.com).

Während niemand erwarten würde, dass ein Faltrad einem Standardfahrrad gleichkommt, wurde bei Faltkonstruktionen stets versucht, die Unterschiede zu minimieren. Einige Hersteller verwenden kleine Räder, um ein kompaktes Packmaß zu erreichen, was zu Einbußen bei Fahrstabilität und Fahrkomfort führt. Einige verwenden kräftige Scharniere und hochbelastbare Komponenten, wodurch ein robustes, robustes Fahrrad entsteht, das um einiges schwerer ist als seine nicht klappbaren Gegenstücke.

Ein weiteres Anliegen ist die Sicherheit. Ein Faltfahrrad ist zum Zusammenklappen konzipiert. Wenn die Klemmen nicht sicher sind, kann es daher passieren, dass es zur falschen Zeit zusammengeklappt wird.

Abbildung 1Zusätzlich zu seiner kompakten Größe verfügt das Modell 430 Beam Director über einige proprietäre Funktionen, die die Produktion verbessern, darunter mehrere Ebenen des Aufprallschutzes, Teileoberflächenkartierung, Automatic Focus Control™, eine CCTV-Prozessüberwachung und statistische Datenerfassung zur Prozesssteuerung.

Die Größe ist ein weiterer Punkt. Ein für den Jugendmarkt hergestelltes Fahrrad ist bei weitem nicht so groß wie ein Erwachsenenfahrrad, daher kann ein Jugendmarktfalter im zusammengeklappten Zustand äußerst kompakt sein. Ein Erwachsenenfahrrad hat einen großen Rahmen und große Räder. Daher ist es eine große Herausforderung, einen Faltkoffer in Erwachsenengröße zu entwickeln, der sich auf eine praktische Größe zum Tragen oder Verstauen zusammenfalten lässt.

Als Student in den 1990er-Jahren schrieb sich Boutakis für ein Informatikprogramm ein, doch es war nicht ganz das, wonach er suchte. Er suchte nach einem anderen Lehrplan und nachdem er sich für einige CNC-Programmierkurse angemeldet hatte, wurde ihm klar, dass er seine Nische gefunden hatte. Diese Nische war die Fertigung.

Er kaufte eine kleine, vierachsige Mühle und baute eine kleine, aber leistungsfähige Werkstatt auf, die er mit einer Drehmaschine, Geräten zum Gas-Metalllichtbogenschweißen und Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen, ein paar Sägen und verschiedenen Handwerkzeugen ausstattete. Er arbeitete etwa ein Jahrzehnt lang als Maschinist, Schweißer und Hersteller und sammelte dabei einen großen Erfahrungsschatz.

„Es bot eine solide Grundlage in drei Hauptbereichen – Bearbeitung, Schweißen und Fertigung“, sagte Boutakis.

Er hat die Informatik nicht ganz aufgegeben. Tatsächlich half dieser Hintergrund bei einem anderen Unterfangen, bei dem er als Freiberufler webbasierte Anwendungen für eine Vielzahl von Kunden entwickelte. Dies verschaffte ihm ein zusätzliches Einkommen, das seine Werkstattarbeit ergänzte.

Es reichte nicht aus, diese beiden Berufe unter einen Hut zu bringen. Als Radsportbegeisterter und Unternehmer im Herzen machte er sich viele Gedanken über die auf dem Markt erhältlichen Falträder und kam zu dem Schluss, dass er einen besseren Weg entwickeln könnte, eines zu bauen. Ziel von Boutakis war es, die Kompromisse bei einem Klappfahrrad zu verringern, indem es ein Fahrrad entwickelte, das sicherer, benutzerfreundlicher, leichter und im zusammengeklappten Zustand kompakter ist als alle Falträder auf dem Markt.

Erstens die Größe. Helix-Modelle lassen sich etwa auf die Größe der Räder zusammenklappen, die je nach Reifen einen Durchmesser von etwa 24 Zoll haben. Die gefaltete Helix-Größe von 23 x 26 x 9,5 Zoll wird durch ein Design erreicht, das ein Side-by-Side-Faltkonzept verwendet. Die Räder werden neben dem Rahmen und zwischen den Kurbeln platziert, was nach Angaben des Unternehmens die effizienteste Raumnutzung darstellt.

An zweiter Stelle steht die Sicherheit. Laut Boutakis geben die Verriegelungsmechanismen der meisten Falträder aus drei Gründen Anlass zur Sorge. Erstens erfordern sie eine planmäßige Wartung und routinemäßige Überwachung, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren. Zweitens klemmen sie an einem einzigen Punkt am Rohrumfang, sodass sie normalerweise etwas Spiel lassen. Drittens kann die Kombination aus Spiel und erhöhten Spannungen an der Schweißnaht zum Versagen der Klemme führen.

Helix verwendet proprietäre, zum Patent angemeldete, federbelastete Verriegelungsmechanismen, die durch die Gabel- und Gabelrohre verlaufen und laut Boutakis eine sicherere Verriegelungsvorrichtung sind als viele andere auf dem Markt. Sie sind so konzipiert, dass sie eine beträchtliche Kraft entwickeln und so die Klemmspannung optimieren, die sich unter den Belastungen beim Fahren tatsächlich erhöht. Außerdem verteilen die Klemmen die Klemmkraft auf eine viel größere Fläche, so dass keine Spannungsspitzen entstehen und die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Ausfalls deutlich geringer ist. Sie dehnen sich in alle Richtungen aus und erzeugen so eine Steifigkeit über 360 Grad, wodurch Spiel vermieden wird. Außerdem verfügt das Helix-Design über eine eingebaute Sicherung: Das Design verwendet ein Rohr in einem Rohr, sodass das Fahrrad nicht zusammengeklappt werden kann, wenn der Federantrieb während der Fahrt ausfällt.

An dritter Stelle steht die Benutzerfreundlichkeit, die sich auf das Side-by-Side-Faltkonzept und die zum Patent angemeldeten Spiralscharniere bezieht. Sie ermöglichen es dem Fahrer, die drei Elemente – Hinterrad, Vorderrad und Lenker – in beliebiger Reihenfolge zusammenzuklappen. Sie müssen sich die Reihenfolge zum Verstauen nicht merken.

Figur 2 Helix Labs nutzt sein 430BD-System mit zusätzlichem Drehtisch zur horizontalen Montage von Rohren. Der Drehtisch verfügt über ein Bohrfutter, um die Titanrohre genau zu positionieren und festzuhalten, um die Fasen, Löcher und Schlitze präzise zu positionieren.

Viertens ist das Gewicht des Fahrrads. Für die Rahmenkomponenten verwendet das Unternehmen kaltverformtes und spannungsarm geglühtes Titan der Güteklasse 9 (3Al, 2,5 V). Titan, die Lieblingslegierung des Raumfahrtzeitalters, trägt entscheidend dazu bei, dass Luft- und Raumfahrtingenieure fortschrittliche Luft- und Raumfahrzeuge entwickeln, die den Belastungen bei Starts, Landungen und Starts standhalten. Aufgrund dieser Eigenschaften ist es von Natur aus robust, leicht und korrosionsbeständig und eignet sich auch gut für den Fahrradbau.

Boutakis wusste von Anfang an, dass die Montage von Fahrradrahmen aus Titan alles andere als einfach sein würde. Es ist kein ungewöhnliches Material, aber andererseits ist nicht jeder mit der Herstellung dieses relativ teuren Nischenmaterials vertraut. Einige eigene Recherchen und die Unterstützung anderer in der Branche halfen Boutakis dabei, genügend Kenntnisse über Titan zu erlangen, um einen zuverlässigen, konsistenten Herstellungsprozess zu entwickeln.

Schweißen. Das Schweißen von Titan erfordert eine inerte Atmosphäre und der Prozess erfordert ein strenges Spül- und Nachschweißprotokoll. Bei einem Fahrrad würde die Verwendung von Spüldämmen zum Schutz des Innendurchmessers (ID) und Schweißbechern zur Gasabdeckung am Außendurchmesser den Schweißprozess vor erhebliche Herausforderungen stellen. Geringe Abstände und gekrümmte Oberflächen, insbesondere dort, wo zwei gekrümmte Oberflächen aufeinandertreffen – was bei der Herstellung eines Fahrradrahmens ausschlaggebend ist – erschweren die Herstellung robuster Schweißnähte.

Schließlich entschied sich Boutakis dafür, dass das Schweißen robotergesteuert erfolgen sollte. Roboterschweißgeräte zeichnen sich durch Prozesskonsistenz und ein gleichmäßiges Tempo aus und arbeiten den ganzen Tag über akribisch von einer Schweißnaht zur nächsten. Menschliche Schweißer weisen geringfügige Unterschiede in der Technik auf und sind anfällig für Ermüdung, Ablenkung und andere Faktoren, die zu Inkonsistenzen führen können. Das bedeutet nicht, dass die Qualität ihrer Schweißnähte minderwertig ist, aber sie neigen zu Abweichungen in ihren Eigenschaften, was bedeutet, dass die Schweißnahtfestigkeit variieren kann, während ein Roboter gegen diese Dynamik immun ist.

Allerdings kann die Integration eines Roboters selbst einen erfahrenen Hersteller auf die Probe stellen.

„Ich konnte nicht die richtige Taschenlampe finden“, sagte Boutakis. „Das Problem besteht darin, dass die Verbindungen nicht viel Spielraum bieten. Es handelt sich im Grunde genommen um eine Mikro-WIG-Anwendung, die in einem sehr kleinen Bereich arbeitet, und für Roboter sind nur wenige solcher Brenner verfügbar.“ Als Erfinder entwickelte er schließlich für seine Anwendung einen eigenen Brenner, einen mit Drahtvorschub.

Um die Zeit und den Aufwand zu umgehen, die mit dem Schutz des Schweißbereichs vor Sauerstoff verbunden sind, hat Boutakis eine große Spülkammer geschaffen, in der der Roboter und die für die Rohre erforderlichen kundenspezifischen Vorrichtungen untergebracht sind.

„Es ist im Grunde ein wirklich großes Handschuhfach“, sagte er. Es ist mit einem Luftschleusensystem ausgestattet, so dass er Rohmaterialien hinein und fertige Rahmen herausbefördern kann, ohne die Atmosphäre zu verunreinigen.

„Ich bin mir sicher, dass es das einzige seiner Art in der Fahrradbranche ist“, sagte er.

Schneiden. Der große Nachteil bei der Verwendung eines Schweißroboters besteht darin, dass er sich nicht selbst anpassen kann, um Schwankungen bei der Schweißvorbereitung auszugleichen. Wenn eine Abschrägung leicht abweicht oder ein Spalt nicht ganz stimmt – zu breit, zu schmal oder inkonsistent – ​​trottet ein Roboter weiter und schweißt gemäß seinen programmierten Anweisungen. Eine Roboterschweißeinheit stellt jede Verbindung auf der Grundlage einer idealen Situation her und ist nicht in der Lage, ihre Routine für eine nicht ideale Montage zu ändern.

Figur 3 Helix-Fahrradkomponenten erfordern viele anspruchsvolle Schnitte, einschließlich verschiedener steiler Fasenwinkel. Die Ingenieure von Prima Power Laserdyne lieferten eine Faserlaser-Schneidemaschine und gaben Fachwissen über das Schneiden von Titan preis, sodass der Schneidprozess eine Kantenbearbeitung liefert, die eine perfekte Verbindung der Teile ohne Entgraten ermöglicht.

Das bedeutete, dass Boutakis eine weitere Entscheidung treffen musste, vielleicht die kritischste der gesamten Operation. Er benötigte eine grundsolide Konsistenz bei der Schnittlänge und den Fasenwinkeln, und der Prozess musste schnell sein. Das System musste relativ steile Schrägschnitte von bis zu 45 Grad ausführen, und Boutakis wollte ein System, das saubere Kanten hinterlässt, die kein anschließendes Entgraten erfordern. Die Rohre würden vom Schneiden zum Schweißen gehen, ohne Zwischenschritte wie Materialhandhabung und Entgraten, was mehr Ausrüstung, mehr Bearbeitungszeit und mehr Stellfläche erfordern würde.

Laserschneiden war eine Option, allerdings mit einer Einschränkung.

„Laser erzeugen Spritzer“, sagte Boutakis. Er wusste nicht, wie er dieses Problem umgehen sollte, aber am Ende war es auch nicht nötig. Nach Abwägung verschiedener Optionen fand er einen Laser, der seiner Meinung nach für sein Unternehmen geeignet wäre. Bei dieser Maschine handelt es sich um das Modell 430 Beam Director®, eine Faserlasereinheit von Prima Power Laserdyne.

Ausgestattet mit einem massiven Arbeitstisch zur Montage individueller Werkstückhalterungen bietet es die erforderliche Stabilität für Anwendungen, die enge Maßtoleranzen erfordern, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, Medizin und Elektronik. Die X-, Y- und Z-Achsen erreichen eine Teiletoleranz von ±12,5 µm.

Ausgestattet mit der dritten Generation des Beam Director des Unternehmens, der zwei Achsen der Laserstrahlbewegung ohne Teilebewegung ermöglicht, ist die Maschine in der Lage, sowohl zu schneiden als auch zu schweißen. Die Maschine manipuliert die Position des Teils mit sechs Steuerachsen, und obwohl sie klein genug ist, um für den Prototypenbau geeignet zu sein, macht sie der Zugang von vorne und von beiden Seiten auch für die Produktion nützlich (sieheAbbildung 1).

Die Ingenieure von Prima brachten mehr als eine Maschine mit. Sie brachten die Bereitschaft mit, mit Boutakis zusammenzuarbeiten, um einen Prozess zu entwickeln, der seinen Bedürfnissen gerecht wird. Ein wichtiges Systemmerkmal ist ein horizontal montierter Drehtisch mit einem Bohrfutter, das die Rohre festhält, sodass Fasen, Löcher und Schlitze genau positioniert sind (sieheFigur 2).

Sie brachten auch ihre Titan-Expertise mit. Das Problem der Spritzer und Krätze war bereits gelöst (siehe Abbildung 3). Boutakis war erfreut zu erfahren, dass es lediglich darum ging, einen Bornitrid-Spray auf den Innendurchmesser des Rohrs aufzutragen und dann einen Opferdorn einzuführen.

Ist das das System, das er verwendet? Nun, natürlich nicht. Boutakis ist ein Innovator.

„Ich fand, dass das Aufsprühen des Ausweises mühsam war, also habe ich meine eigene Variante dieser Übung entwickelt“, sagte er.

Obwohl Folder nicht jedermanns Sache sind, ist das Helix-Design für nahezu jeden Fahrer geeignet. Das Design ist so vielseitig, dass es für Fahrer mit einer Größe von 5 Fuß bis 6 Fuß und 4 Zoll geeignet ist.

Die Sattelstütze verfügt über einen 20-Millimeter-Rücksprung, der umgekehrt werden kann, um eine 20-mm-Vorwärtsposition zu erreichen, und der Lenkervorbau ist ebenfalls verstellbar. Er steigt um 20 mm und kann umgedreht werden, sodass er um 20 mm sinkt. Wenn eine dieser Anpassungen nicht ausreicht, können die Schlüsselkomponenten – Vorbau, Sattelstütze, Lenker und Kurbelarme – durch handelsübliche Komponenten mit anderen Abmessungen ersetzt werden.

Es verfügt über mehrere Gangoptionen für verschiedene Fahrstile: eine Single-Speed-Schaltung, eine 10-Gang-Kettenschaltung oder eine 11-Gang-Nabenschaltung.

Es ist sogar für unterschiedliche Begeisterungsniveaus geeignet. Einige sehr ernsthafte Fahrer benötigen Fahrräder, die in einem Flugzeug verstaut werden können, damit sie an einen entfernten Ort mit guten Wegen oder einem interessanten Wettbewerb reisen können. Dies ist ein Ordner für Fahrer dieses Kalibers, da er klein genug ist, um in einen Koffer zu passen.

Helix Labs Inc., www.helix.ca

Prima Power Laserdyne, www.primapowerlaserdyne.com