WO2023072920A1 - Fahrradrahmenelement - Google Patents

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WO2023072920A1 PCT/EP2022/079754 EP2022079754W WO2023072920A1 WO 2023072920 A1 WO2023072920 A1 WO 2023072920A1 EP 2022079754 W EP2022079754 W EP 2022079754W WO 2023072920 A1 WO2023072920 A1 WO 2023072920A1
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support structure
frame element
outer skin
element according
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Johannes THUMM
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Canyon Bicycles Gmbh
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    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K19/00—Cycle frames
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    • B62K19/04—Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members the material being wholly or mainly metallic, e.g. of high elasticity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B62K19/02—Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members
    • B62K19/16—Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members the material being wholly or mainly of plastics

Definitions

  • the invention relates to a bicycle frame member, and more particularly to an entire bicycle frame.
  • High-quality bicycle frames are often made of fiber composite materials such as carbon.
  • This material has the advantage that it has good material properties with low weight, so that high-quality, light bicycle frames can be made from fiber composite materials.
  • fiber composite materials have the disadvantage that they cannot be recycled or can only be recycled with great difficulty. In particular, the quality deteriorates during recycling, so that recycled fiber composite materials are no longer suitable for the production of high-quality bicycle frames, at least after a few cycles.
  • Completely recyclable materials are, for example, metals, which, however, have the disadvantage that, for example, bicycle frames made of aluminum are heavier than bicycle frames made of fiber composite materials.
  • the object of the invention is to create a bicycle frame element that is easily recyclable.
  • the bicycle frame element according to the invention can be a single element of a bicycle frame, such as a top tube, a down tube, a Bottom bracket mount, a seat tube, a head tube, chainstays, seat stays or the like but also be a combination of several of these elements.
  • the entire rear structure can be constructed from a bicycle frame element according to the invention.
  • the entire frame with or without a rear structure, depending on the design of the bicycle, can also be manufactured as a bicycle frame element, so that the entire frame may be manufactured from a bicycle frame element according to the invention.
  • the bicycle frame element according to the invention has a skeletal support structure which is at least partially covered by an outer skin.
  • a skeleton-like support structure can thus be used, which can be constructed in such a way that it is optimized in terms of topology and microstructure and thus optimum material utilization is possible.
  • a lightweight construction of the skeletal support structure is also possible as a result.
  • This skeletal support structure can have an open surface, since according to the invention the outside of the support structure is at least partially, preferably completely, spanned or covered by an outer skin.
  • the carrier structure can be covered, for example, only in areas in which the carrier structure itself does not have a closed surface. However, it is preferred that the entire carrier structure is an open structure and in this respect is completely covered or covered on the outside by an outer skin.
  • the support structure has a multiplicity of web elements connected to one another, so that in particular a highly stable, light support structure is constructed.
  • the individual web elements are preferably connected to one another at nodes.
  • the web elements can have a small cross section of preferably less than 10 mm 2 , in particular less than 5 mm 2 . At the cross-sections may be larger for the node points or connection points of the bar elements that may be provided.
  • a carrier structure it is particularly preferred that due to the provision of a carrier structure according to the invention, this can be produced from recyclable material.
  • material can be used that is completely recyclable, i.e. suitable for the production of support structures for bicycle frame elements even after a large number of recycling cycles.
  • recyclable materials due to the particularly preferred use of recyclable materials according to the invention, it is possible to use high-quality, cost-intensive materials.
  • metallic materials is particularly preferred, it being particularly preferred that the entire support structure consists of metallic material. In particular, it is possible to use high-quality metallic materials such as titanium.
  • the skeletal support structure by additive methods, for example 3D printing methods. It is possible here to produce individual elements of the bicycle frame, which are then connected to one another, for example by welding or gluing, or else to produce the entire bicycle frame as a one-piece element in an additive process.
  • the skeletal support structure is made of recyclable material, in particular metal, in a preferred embodiment, it is possible to reuse the material completely.
  • the material can be re-pulverized to be reused to produce a skeletal support structure using additive processes.
  • the outer skin spans the support structure at least partially, preferably completely.
  • the outer skin can be a thin plastic film or the like, for example, so that the outer surface is smooth can be made.
  • the outer surface can then be designed, for example, by applying paint.
  • the outer skin can also consist of a material that is already colored, for example, and a corresponding design of the outer layer is thus directly implemented.
  • the outer skin is made of, in particular, completely recyclable material.
  • the outer skin is preferably made of recyclable plastic material, it being particularly preferred that a single plastic material, in particular a single-type plastic material, is used.
  • a single plastic material in particular a single-type plastic material
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • the outer skin is also possible for the outer skin to be made at least partially, in particular completely, from biodegradable material, in particular to have only biodegradable material.
  • a support structure is first produced.
  • this is produced with the aid of additive processes, with high-quality materials such as high-quality metals in particular being used.
  • the outside of the support structure is spanned or covered with an outer skin, the entire outside of the support structure preferably being spanned with the outer skin, so that a closed outer surface is formed.
  • the materials described above are used to produce the outer skin.
  • paint or the like can be applied to the outside of the outer skin.
  • the outer skin preferably has a thickness of less than 3mm, in particular less than 2mm. If necessary, the outer skin can have a greater thickness in particularly stressed areas.
  • the individual elements can be connected, in particular before the support structure is covered with an outer skin.
  • the connection can take place, for example, by welding or gluing.
  • the outer skin is damaged, it is possible to completely or partially free the support structure from the outer skin. This is possible, for example, when using an outer skin made of plastic material by melting. Because of the relatively low temperatures, there is no damage to the support structure, which is made in particular from a metal. It is then possible to replace the partially or completely removed, in particular melted, outer skin with a new outer skin. This allows damaged areas to be repaired in a simple manner. It is also possible, for example, to remove the entire outer skin and apply a new outer skin, so that the frame design can be changed in a simple manner, with the skeletal support structures being retained and not having to be replaced. Instead of being melted on by an outer skin, this could also be removed mechanically, for example by grinding or the like.
  • Figure 1 shows a section of a bicycle frame which is designed as a skeletal support structure
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of a bicycle frame with a skeletal support structure and a schematically represented outer skin.
  • FIG. 1 Part of a bicycle frame is shown in FIG. 1, with parts of a down tube 10 and a seat tube 12 being involved. These are connected to one another via a bottom bracket mounting element 14 that is partially shown. Chain stays 16 , likewise designed as a carrier structure, are also shown in part with the bottom bracket receiving element 14 .
  • the support structure is made up of a large number of web elements 18 .
  • the web elements 18 are connected to one another via nodes 20 .
  • the design and arrangement of the individual web elements 18 and nodes 20 is calculated, for example, using an FEM simulation, so that an optimized structure related to the load that occurs is implemented.
  • the thickness and/or the length of the individual web elements 18 can be designed differently depending on the type of load, so that, for example, in areas of higher load, such as in the transition area between the down tube and the bottom bracket mounting element 14, a denser structure is realized than in other areas.
  • the corresponding structure is preferably not only designed in such a way that it forms an in particular tubular outer surface on an outer side 26, but also web elements are arranged inside this tubular structure. This can be seen in particular from the area 22 of the down tube shown in section, as well as the area 24 of the seat tube.
  • the outside 26 of the support structure element shown in FIG. 1 can be covered with an outer skin. This is not shown in the illustrated embodiment so that the skeletal internal structure of the carrier element is visible.
  • bar elements 18 can again be seen, which are connected to one another at nodes 20 .
  • nodes 20 In this area of the bicycle frame, there are no webs arranged within the structure in the exemplary embodiment shown, although this is of course also possible in accordance with the embodiment shown in FIG.
  • an outer skin 30 is shown schematically in FIG.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

Ein Fahrradrahmenelement weist eine skelettartige Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) auf. Die Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) ist vorzugsweise durch additive Verfahren hergestellt und besteht in besonders bevorzugter Ausführungsform aus metallischem Material. An einer Außenseite (26) der Trägerstruktur ist eine die Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) vorzugsweise vollständig überspannende Außenhaut (30) vorgesehen. Die Außenhaut (30) ist vorzugsweise aus kreislauffähigem, recyclebaren Material hergestellt.

Description

Fahrradrahmenelement
Die Erfindung betrifft ein Fahrradrahmenelement und insbesondere einen gesamten Fahrradrahmen.
Hochwertige Fahrradrahmen sind häufig aus Faserverbundwerkstoffen, wie Karbon, hergestellt. Dieses Material weist den Vorteil auf, dass es bei geringem Gewicht gute Materialeigenschaften aufweist, sodass aus Faserverbundwerkstoffen hochwertige leichte Fahrradrahmen hergestellt werden können. Faserverbundwerkstoffe weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese nicht oder nur sehr schlecht recyclebar sind. Insbesondere verschlechtert sich die Qualität beim recyclen, sodass recycelte Faserverbundwerkstoffe zumindest nach einigen Zyklen nicht mehr für die Herstellung von hochwertigen Fahrradrahmen geeignet sind.
Vollständig kreislauffähige Werkstoffe sind beispielsweise Metalle, die allerdings den Nachteil aufweisen, dass beispielsweise auch als Aluminium hergestellte Fahrradrahmen ein höheres Gewicht als aus Faserverbundwerkstoffen hergestellte Fahrradrahmen aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Fahrradrahmenelement zu schaffen, das gut recyclebar ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Fahrradrahmenelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Fahrradrahmenelement kann es sich um ein einzelnes Element eines Fahrradrahmens, wie ein Oberrohr, ein Unterrohr, eine Tretlageraufnahme, ein Sattelrohr, ein Steuerrohr, Kettenstreben, Sattelstreben oder dergleichen aber auch um eine Kombination mehrerer dieser Elemente handeln. So kann beispielsweise bei einem Rahmen für ein gefedertes Fahrrad ein gesamter Hinterbau aus einem erfindungsgemäßen Fahrradrahmenelement aufgebaut sein. Auch der gesamte Rahmen mit oder ohne Hinterbau, je nach Ausgestaltung des Fahrrads, kann als ein Fahrradrahmenelement hergestellt sein, sodass ggf. der gesamte Rahmen aus einem erfindungsgemäßen Fahrradrahmenelement hergestellt ist.
Das erfindungsgemäße Fahrradrahmenelement weist eine skelettartige Trägerstruktur auf, die zumindest teilweise von einer Außenhaut überspannt ist. Erfindungsgemäß kann somit eine skelettartige Trägerstruktur genutzt werden, die derart aufgebaut sein kann, dass diese hinsichtlich der Topologie und der Mikrostruktur optimiert ist und somit eine optimale Materialausnutzung möglich ist. Auch ist hierdurch ein Leichtbau der skelettartigen Trägerstruktur möglich. Diese skelettartige Trägerstruktur kann hierbei eine offene Oberfläche aufweisen, da die Außenseite der Trägerstruktur erfindungsgemäß zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig von einer Außenhaut überspannt, bzw. überdeckt wird. Gegebenenfalls kann eine Überdeckung der Trägerstruktur beispielsweise nur in Bereichen erfolgen, in dem die Trägerstruktur selbst keine geschlossene Oberfläche aufweist. Bevorzugt ist es jedoch, dass die gesamte Trägerstruktur eine offene Struktur ist und insofern vollständig an der Außenseite von einer Außenhaut überspannt bzw. überdeckt ist.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Trägerstruktur eine Vielzahl miteinander verbundene Stegelemente aufweist, sodass insbesondere eine hochstabile leichte Trägerstruktur aufgebaut ist. Vorzugsweise sind die einzelnen Stegelemente an Knotenpunkten miteinander verbunden. Die Stegelemente können hierbei in bevorzugter Ausführungsform einen geringen Querschnitt von vorzugsweise weniger als 10mm2, insbesondere weniger als 5mm2 aufweisen. An den ggf. vorgesehenen Knotenpunkten bzw. Verbindungspunkten der Stegelemente sind die Querschnitte ggf. größer.
Besonders bevorzugt ist es, dass aufgrund des erfindungsgemäßen Vorsehens einer Trägerstruktur diese aus kreislauffähigem Material hergestellt werden kann. Insbesondere kann Material verwendet werden, das vollständig kreislauffähig, d.h. auch nach einer Vielzahl von Recyclingzyklen wieder für die Herstellung von Trägerstrukturen für Fahrradrahmenelemente geeignet ist. Insbesondere ist es aufgrund der erfindungsgemäßen besonders bevorzugten Verwendung kreislauffähiger Materialien möglich hochwertige kostenintensive Materialien zu verwenden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von metallischen Materialien, wobei es besonders bevorzugt ist, dass die gesamte Trägerstruktur aus metallischem Material besteht. Insbesondere ist es möglich hochwertige metallische Materialien, wie Titan, einzusetzen.
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, die skelettartige Trägerstruktur durch additive Verfahren, beispielsweise 3D-Druckverfahren herzustellen. Hierbei ist es möglich einzelne Elemente des Fahrradrahmens herzustellen, die sodann, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben, miteinander verbunden werden, oder auch den gesamten Fahrradrahmen als einstückiges Element in einem additiven Verfahren herzustellen.
Da die skelettartige Trägerstruktur in bevorzugter Ausführungsform aus kreislauffähigem Material, insbesondere Metall hergestellt ist, ist es möglich, das Material vollständig wieder zu verwenden. Beispielsweise kann das Material wieder pulverisiert werden, um erneut zur Herstellung einer skelettartigen Trägerstruktur mit Hilfe additiver Verfahren verwendet werden zu können.
Die Außenhaut überspannt die Trägerstruktur zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig. Bei der Außenhaut kann es sich beispielsweise um eine dünne Kunststofffolie oder dergleichen handeln, sodass eine glatte Außenoberfläche hergestellt werden kann. Die Außenoberfläche kann sodann beispielsweise durch Farbauftrag gestaltet werden. Auch kann die Außenhaut aus einem Material bestehen, das beispielsweise bereits eingefärbt ist und somit unmittelbar eine entsprechende designerische Gestaltung der Außenschicht realisiert ist.
Besonders bevorzug ist es, dass die Außenhaut aus insbesondere vollständig kreislauffähigem Material hergestellt ist. Vorzugsweise ist die Außenhaut aus kreislauffähigem Kunststoffmaterial hergestellt, wobei es besonders bevorzugt ist, dass ein einziger, insbesondere sortenreiner Kunststoff verwendet wird. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von sortenreinem Thermoplast, wie insbesondere thermoplastisches Polyurethan (TPU).
Ebenso ist es möglich, dass die Außenhaut zumindest teilweise, insbesondere vollständig aus biologisch abbaubarem Material hergestellt ist, insbesondere ausschließlich biologisch abbaubares Material aufweist.
Die erfindungsgemäße Herstellung eines Fahrradrahmenelements kann somit derart erfolgen, dass zunächst eine Trägerstruktur hergestellt wird. Diese wird in bevorzugter Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, mit Hilfe additiver Verfahren hergestellt, wobei insbesondere hochwertige Materialien, wie hochwertige Metalle verwendet werden. Im nächsten Schritt erfolgt eine Überspannung bzw. ein Überdecken der Außenseite der Trägerstruktur mit einer Außenhaut, wobei vorzugsweise die gesamte Außenseite der Trägerstruktur mit der Außenhaut überspannt wird, sodass eine geschlossene äußere Oberfläche entsteht. Hierbei werden insbesondere die vorstehend beschriebenen Materialien zur Herstellung der Außenhaut verwendet. Anschließend kann beispielsweise ein Farbauftrag oder dergleichen auf der Außenseite der Außenhaut erfolgen. Die Außenhaut weist vorzugsweise eine Dicke von weniger als 3mm, insbesondere weniger als 2mm auf. Gegebenenfalls kann die Außenhaut in besonders belasteten Bereichen eine größere Dicke aufweisen.
Sofern es sich bei der Trägerstruktur nur um einen Teil eines gesamten Fahrradrahmens handelt, kann insbesondere vor dem Überziehen der Trägerstruktur mit einer Außenhaut ein Verbinden der einzelnen Elemente erfolgen. Das Verbinden kann beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben erfolgen.
Sollte beispielsweise die Außenhaut beschädigt sein, ist es möglich die Trägerstruktur vollständig oder teilweise von der Außenhaut zu befreien. Dies ist beispielsweise beim Verwenden von einer Außenhaut aus Kunststoff material durch Aufschmelzen möglich. Aufgrund der relativ geringen Temperaturen erfolgt hierbei kein Beschädigen der insbesondere aus einem Metall hergestellten Trägerstruktur. Es ist sodann möglich die teilweise oder vollständig abgetragene, insbesondere aufgeschmolzene Außenhaut durch eine neue Außenhaut zu ersetzen. Hierdurch können auf einfache Weise beschädigte Stellen repariert werden. Auch ist es möglich beispielsweise die gesamte Außenhaut zu entfernen und eine neue Außenhaut aufzubringen, sodass auf einfache Weise das Rah- mendesign geändert werden kann, wobei die skelettartigen Trägerstrukturen beibehalten und nicht ersetzt werden müssen. Anstelle des Aufschmelzens durch eine Außenhaut könnte diese auch mechanisch beispielsweise durch Abschleifen oder dergleichen entfernt werden.
Sollte auch die Trägerstruktur beispielsweise beschädigt sein oder aus einem anderen Grund nicht wiederverwendet werden können, ist es möglich die Trägerstruktur zu recyclen, indem das Material beispielsweise wieder pulverisiert wird und das entsprechende Pulver in additiven Verfahren zur Herstellung einer neuen Trägerstruktur wiederverwendet werden kann. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Ausschnitt eines Fahrradrahmens der als skelettartiges Trägerstruktur ausgebildet ist und
Figur 2 einen schematischen Querschnitt eines Fahrradrahmens mit skelettartiger Trägerstruktur und schematisch dargestellter Außenhaut.
In der dargestellten Figur 1 ist ein Teil eines Fahrradrahmens dargestellt, wobei es sich um Teile eines Unterrohrs 10 und eines Sattelrohrs 12 handelt. Diese sind über ein teilweise dargestelltes Tretlageraufnahmeelement 14 miteinander verbunden. Ferner sind mit dem Tretlageraufnahmeelement 14 ebenfalls als Trägerstruktur ausgebildete Kettenstreben 16 teilweise dargestellt.
Die Trägerstruktur ist aus einer Vielzahl von Stegelementen 18 aufgebaut. Die Stegelemente 18 sind über Knotenpunkte 20 miteinander verbunden.
Die Ausgestaltung und Anordnung der einzelnen Stegelemente 18 und Knotenpunkte 20 ist beispielsweise über eine FEM-Simulation berechnet, sodass eine auf die auftretende Belastung bezogene optimierte Struktur realisiert ist. So kann die Dicke und/oder die Länge der einzelnen Stegelemente 18 je nach Belastungsart unterschiedlich ausgestaltet sein, sodass beispielsweise in Bereichen höherer Belastung, wie beispielsweise im Übergangsbereich zwischen dem Unterrohr und dem Tretlageraufnahmeelement 14 eine dichtere Struktur realisiert ist, als in anderen Bereichen. Die entsprechende Struktur ist vorzugsweise nicht nur derart ausgebildet, dass sie an einer Außenseite 26 eine insbesondere rohrförmige Außenfläche ausbildet, sondern auch im Inneren dieser rohrförmigen Struktur Stegelemente angeordnet sind. Dies ist insbesondere aus dem im Schnitt dargestellten Bereich 22 des Unterrohrs, sowie dem Bereich 24 des Sattelrohrs ersichtlich.
Die Außenseite 26 des in der Figur 1 dargestellten Trägerstrukturelements kann mit einer Außenhaut überspannt werden. Diese ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht dargestellt damit die skelettartige Innenstruktur des Trägerelements sichtbar ist.
Aus der schematischen Darstellung in Figur 2 sind wiederum Stegelemente 18 sichtbar, die an Knotenpunkten 20 miteinander verbunden sind. In diesem Bereich des Fahrradrahmens sind im dargestellten Ausführungsbeispiel keine innerhalb der Struktur angeordneten Stege vorhanden, wobei dies selbstverständlich zusätzlich entsprechend der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform möglich ist.
In Figur 2 ist zusätzlich eine Außenhaut 30 schematisch dargestellt, wobei diese zur Verdeutlichung der innerhalb der Außenhaut 30 angeordneten Trägerstruktur transparent dargestellt ist.

Claims

- 8 - Ansprüche:
1. Fahrradrahmenelement mit einer skelettartigen Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) und einer die Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) teilweise überspannenden Außenhaut (30).
2. Fahrradrahmelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) eine Vielzahl miteinander verbundene Stegelemente (18) aufweist.
3. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegelemente (18) über Knotenpunkte (20) miteinander verbunden sind.
4. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) durch ein additives Verfahren hergestellt ist.
5. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) aus kreislauffähigem Material hergestellt ist.
6. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) metallisches Material aufweist, insbesondere aus metallischem Material besteht. 9 Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegelemente (18) einen Querschnitt von weniger als 10mm2, insbesondere weniger als 5mm2 aufweisen. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (30) die Trägerstruktur (10, 12, 14, 16) an einer Außenseite (26) vollständig bedeckt. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (30) aus kreislauffähigem Material hergestellt ist. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (30) aus insbesondere kreislauffähigem Kunststoffmaterial besteht. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (30) aus sortenreinem Thermoplast, insbesondere TPU (thermoplastisches Polyurethan), besteht. Fahrradrahmenelement nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (30) biologisch abbaubares Material aufweist, insbesondere aus biologisch abbaubarem Material besteht. Fahrradrahmen bestehend aus mehreren miteinander verbundenen Fahrradrahmenelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 12. Fahrradrahmen bestehend aus einem einzigen Fahrradrahmenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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