Maßgefertigte Fahrradhelme aus dem 3D-Drucker
Die digitalen Zwillinge für Produkt, Produktion und Performance ermöglichen kostengünstige industrielle 3D-Druckverfahren. Für den 3D-Druck individueller Fahrradhelme haben HEXR, EOS und Siemens gemeinsam eine durchgängig digitale Lösung entwickelt.
„Als Maschinenbaustudent am University College in London wurde mir klar, dass es bei Fahrradhelmen nie echte Innovationen gegeben hatte“, sagt Jamie Cook, einer der Gründer und heute CEO des Fahrradhelmherstellers HEXR. „Dies brachte mich auf die Idee, Helme auf einem 3D-Drucker herzustellen.“
Auf Haaresbreite genaue Daten für den 3D-Druck
Wenn keine zwei Köpfe gleich sind, warum sollten dann Helme gleich sein? Am Anfang wurde der Kopf jedes Radfahrers mit iPads in speziellen Fachgeschäften gescannt, um maßgefertigte Fahrradhelme bei HEXR herzustellen.
HEXR stellt jeden Helm so her, dass er sich haargenau an die eingescannte Kopfform anschmiegt. Innerhalb von Sekunden generiert der Scan ein virtuelles Modell, das sich aus 30.000 Punkten zusammensetzt. Anhand dieser Daten werden die Helme im 3D-Druckverfahren (selektives Lasersintern) gefertigt und sind nach fünf Wochen versandbereit.
Dank einer neuen iPhone-App kann der Scan inzwischen an jedem beliebigen Ort durchgeführt werden. HEXR stellt jedes Jahr rund 2.000 individuelle Helme im 3D-Druckverfahren her und geht davon aus, dass es seine Kapazitäten schrittweise auf 50.000 Helme hochfahren kann. Das Unternehmen legt dabei großen Wert auf eine kostengünstige Massenproduktion und eine hohe Stabilität der Prozesse.
Neue Lösung für den industriellen 3D-Druck
Eine von HEXR, EOS und Siemens gemeinsam entwickelte durchgängige Lösung soll den neuen Prozess beschleunigen und bei gleichbleibender Qualität effizienter und profitabler machen. Dadurch kann HEXR eine noch größere Zielgruppe ansprechen.
Der Workflow umfasst das Design und die Simulation einer industriellen AM-Fabrik für die Serienfertigung. Um die optimale Produktion für HEXR zu ermitteln, simulierte Siemens auch die Kosten pro Teil bei verschiedenen Produktionsvolumina und -konfigurationen.
Durchgängige Lösung für die kundenindividuelle Produktion
Für die Industrialisierung des Produktdesigns und der Simulation kommen das CAE-System Simcenter und das CAD-System NX als Bestandteile des Xcelerator portfolio von Siemens zum Einsatz. Mit Hilfe des digitalen Helmmodells lassen sich virtuelle Aufprall- und Aerodynamiktests durchführen.
Auf Basis der 30.000 Datenpunkte, die durch den Scan des Kundenkopfes mit der HEXR App gewonnen worden sind, wird ein perfekt passender Helm gestaltet. Die Daten werden dabei automatisch in eine 3D-Geometrie und das Druckformat übertragen.
Digitaler Zwilling der Fabrik
Auf Basis eines digitalen Zwillings gestaltet Siemens mit seiner Software und Expertise die optimale Fabrik zunächst in der digitalen Umgebung – und berechnet dabei sogar den Preis des Produkts. Cloudbasierte Überwachungslösungen können dabei helfen, die Stabilität der Prozesse und die Gesamtanlageneffizienz (OEE) zu erhöhen, während Automatisierungslösungen die Durchlaufzeiten verkürzen und die Herstellungskosten senken.
Die optimale virtuelle Fabrik wird dann mit Hilfe der Fabrikplanungs- und Simulationssoftware Tecnomatix Plant Simulation erstellt. Mit Tecnomatix können Ingenieure beliebig viele Produktionsszenarien in einer virtuellen Umgebung durchspielen. Der digitale Zwilling der Fabrik bot dem Team die Möglichkeit, aus mehr als 100 Planungsvarianten den idealen Produktionsaufbau auszuwählen.
Virtueller Rundgang durch die Fabrik
Virtual Reality (VR) ermöglicht es den Planern zudem, ein digitales Modell der Fabrik zu „durchschreiten“, um Mängel zu erkennen und zu beseitigen. Auch im weiteren Verlauf erhalten die Maschinenbediener dank VR detaillierte Ansichten der Maschinen.
Digitale Plattform für Kundenaufträge
Die an einem beliebigen Ort eingescannten Daten der Kopfform müssen schließlich als Auftrag an die Produktion weitergeleitet werden. Dies geschieht über das cloudbasierte AM-Netzwerk. Die Aufträge werden direkt auf die Plattform hochgeladen und direkt bestimmten Produktionsstandorten und Druckern zugeordnet.
Durch kontinuierliches Überwachen, Analysieren und Optimieren der Lösung macht MindSphere, die offene, cloudbasierte IoT-Plattform, den gesamten Produktionsprozess bis hin zum Endkunden transparent. Mit der Low-Code-Entwicklungsplattform Mendix wird die Programmierung verschiedener Apps für den Einsatz vor Ort oder in der Cloud stark erleichtert.
Gleichmäßige Auslastung des Maschinenparks
Damit der Maschinenpark relativ gleichmäßig ausgelastet ist, kann die Zuordnung von Aufträgen zu bestimmten Maschinen durch das Product-Lifecycle-Management (PLM) -System Teamcenter und die Manufacturing-Operations-Management(MOM)-Lösung Opcenter erfolgen.
NX sorgt durch das sogenannte Nesting für die optimale Verschachtelung der Bauteile innerhalb des Bauvolumens mit dem Ziel, den Platz bestmöglich auszunutzen. Dadurch werden die Wechselrahmen schnell und zuverlässig befüllt, das Bauvolumen optimal ausgeschöpft und der erforderliche Mindestabstand zwischen den Teilen eingehalten.
NX ermöglicht auch den Vergleich verschiedener Designoptionen, beispielsweise das Drucken des gesamten Helms oder das Drucken verschiedener Segmenten So kann HEXR vergleichen, wie viele Teile sich in einem Druckauftrag drucken lassen, was sich erheblich auf die Kosten pro Teil auswirkt.
3D-Drucker mit selektivem Lasersintern
Die Helme werden auf EOS P 500 3D-Druckern gedruckt, die mit Simatic S7-1500-Steuerungen ausgestattet sind. Unter Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens SLS (selektives Lasersintern) entstehen so Schicht für Schicht Helme aus Polyamid-11, einem pflanzlichen Material aus Rizinusöl.
Umweltfreundlich ist das Verfahren aber auch deshalb, weil das für den Druck nicht genutzte Pulver wiederverwendet werden kann und weil beim kundenindividuellen 3D-Druck zudem kein einziges Produkt auf Lager gehalten werden muss, das eventuell nicht verkauft werden kann. Und schließlich nutzt HEXR für Verpackung und Versand der Produkte nachhaltige Materialien.
Vom Einscannen zur industriellen Produktion
Der im 3D-Druck hergestellte Fahrradhelm nach Maß ist ein Beispiel dafür, wie sich der industrielle additive Fertigungsprozess nahtlos über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg gestalten lässt – von Kopfscans und virtuellen Aufpralltests bis hin zur industriellen Helmproduktion. Die durchgängige Lösung ermöglicht eine kostengünstige, ressourcenschonende und individualisierte Massenproduktion auch für viele weitere Produkte, besonders für Produkte, die anatomisch passgenau auf den Nutzer abgestimmt sein müssen.
Die Ergebnisse des Projekts sprechen für sich: Die auf verschiedenen Konstruktions- und Automatisierungs-Szenarien basierende Simulation veranschlagt die Kosteneinsparungen pro Teil auf etwa 80 Prozent, wobei rund 15 Prozent auf eine verbesserte Prozessautomatisierung zurückzuführen sind. Strategien für weitere Optimierungen zeichnen sich bereits ab.
Helme für alle Sportarten
Was plant Jamie Cook als Nächstes? Sein Unternehmen möchte sich nicht nur auf Fahrradhelme aus dem 3D-Drucker beschränken. HEXR plant auch maßgefertigte Helme für Mountainbiker, Kanuten, Skifahrer und sogar Rennwagenfahrer. Und weil der virtuelle Kopf des Kunden bereits bei HEXR gespeichert ist, kann der Kunde weitere Helme ohne erneuten Scan bestellen.
HEXR wurde von Ingenieuren wie Jamie Cook aus Frustration darüber gegründet, dass es bei Fahrradhelmen seit mehr als 30 Jahren keine bedeutenden Innovationen mehr gegeben hatte. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeit für die Helme wurde an der Universität Oxford mit British Cycling als Aerodynamik-Partner durchgeführt. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in London, Großbritannien.
HEXR-Helme basieren auf einer Wabenstruktur, welche die Energie bei einem Aufprall wesentlich besser verteilt als Schaumstoff. Jeder Fahrradhelm wird für jede Kopfform des Radfahrers individuell und hochpräzise im 3D-Verfahren gedruckt. Dadurch bieten die maßgefertigten Helme optimalen Schutz für die empfindlichsten Bereiche. Gleichzeitig macht die Wabenstruktur den Helm auf dem Kopf so leicht, dass „man ihn praktisch nicht bemerkt“, heißt es auf der Website, auf der HEXR seine Innovation – den ersten maßgefertigten Fahrradhelm der Welt – beschreibt.
„Herkömmliche Schaumstoffhelme nehmen nur etwa 30 Prozent der Energie bei einem Aufprall auf“, erklärt Cook. „Sie wurden für flache Oberflächen konzipiert, nicht für unsere Köpfe mit ihren natürlichen Rundungen. So kamen wir auf die Idee, eine Wabenstruktur in gekrümmter Form im 3D-Druck herzustellen.“ Cook und sein Team entwickelten später einen 3D-gedruckten Helm, der doppelt so viel Energie aufnehmen kann wie ein herkömmlicher Helm mit Schaumstoffkern.
November 2020
