WO2025219087A1

WO2025219087A1 - Verfahren zur herstellung eines strukturbauteils für ein fahrrad, verfahren zur herstellung eines fahrradrahmens sowie ein fahrradrahmen

Info

Publication number: WO2025219087A1
Application number: PCT/EP2025/059000
Authority: WO
Inventors: Magnus ORTH
Original assignee: Igus GmbH
Current assignee: Igus GmbH
Priority date: 2024-04-19
Filing date: 2025-04-02
Publication date: 2025-10-23
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: TW202602644A; DE102024111080A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wenigstens teilweise als Hohlprofil ausgebildeten Strukturbauteils für ein Fahrrad (1), umfassend die Verfahrensschritte : Bereitstellen einer Spritzgießeinrichtung, Herstellen und/oder Bereitstellen wenigstens eines ausschmelzbaren und/oder auflösbaren und/oder mechanisch zerstörbaren verlorenen Kerns (30), der wenigstens an einen ersten Teil einer Innenkontur des Strukturbauteils angepasst ist, Einbringen des verlorenen Kerns (30) in ein Formwerkzeug, Schließen und Zuhalten des Formwerkzeugs und Umspritzen des verlorenen Kerns ( 30 ) mit einem thermoplastischen Kunststoff, Öffnen des Formwerkzeugs und Entnehmen eines gespritzten Zwischenerzeugnisses, Ausschmelzen und/oder Auslösen und/oder mechanisches Entfernen des verlorenen Kerns (30), wobei sich das Verfahren insbesondere dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein weiterer Teil der Innenkontur des Strukturbauteils mittels wenigstens eines beweglichen Werkzeugkerns (31) oder beweglichen Formschiebers des Formwerkzeugs abgeformt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Strukturbauteil eines Fahrrads (1).

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES STRUKTURBAUTEILS FÜR EIN FAHRRAD, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG

EINES FAHRRADRAHMENS SOWIE EIN FAHRRADRAHMEN

Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung eines wenigstens teilweise als Hohlprofil ausgebildeten Strukturbauteils für ein Fahrrad, welches zumindest überwiegend aus thermoplastischem Kunststof f durch Spritzgießen unter Verwendung wenigstens eines verlorenen Formkerns durchgeführt wird .

Die Erfindung betri f ft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrradrahmens , ein Strukturbauteil für einen Fahrradrahmen sowie einen Fahrradrahmen .

Es ist im Stand der Technik grundsätzlich bekannt , Fahrradteile , insbesondere auch Fahrradrahmen aus Faserverbundwerkstof fen herzustellen . Im Zuge der Gewichtsoptimierung von Fahrrädern sind insbesondere aus Carbon hergestellte Verbundbauteile weit verbreitet . Dabei finden als Matrixwerkstof f e weitestgehend temperaturaushärtbare Kunststof fe , insbesondere Epoxidharz , Anwendung . Solche Fahrradrahmen zeichnen sich durch ein besonders günstiges Verhältnis von Stei figkeit zu Gewicht aus . Diese sind allerdings mit dem Nachteil behaftet , dass der Kunststof f auf Basis von Epoxidharz , beispielsweise bei einem Sturz , leicht brechen kann . Weiterhin ist die Rezyklierbarkeit solcher Rahmen oder anderer Bauteile auf der Basis von Epoxidharz nicht gewährleistet .

Die bei der Hersteilbarkeit von Carbonrahmen verwendeten Fasern werden in der Regel als Gewebe oder Gelege nach einem vorgegebenen Zuschnitt miteinander verklebt und von Hand in ein Werkzeug eingelegt . In das geschlossene Werkzeug wird ein Kunststof f auf der Basis von Epoxidharz so eingebracht , dass das Harz die Fasergewebe oder Fasergelege durchdringt . Anschließend wird das Bauteil durch Temperatureinwirkung ausgehärtet . Dieses Herstellungsverfahren ist aufwendig und erfordert einen hohen Anteil an handwerklicher Arbeit , sowohl vor der Aus formung des Bauteils als auch in Form der erforderlichen Nacharbeit .

Es ist grundsätzlich auch im Stand der Technik bekannt , Fahrradteile und insbesondere auch Fahrradrahmen aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststof f herzustellen . Thermoplastische Kunststof fe lassen sich besser rezyklieren als duroplastische Kunststof fe und können beispielsweise durch Spritzgießen ausgeformt werden .

Eine Herstellung durch Spritzgießen ist insbesondere bei Hohlprofilen mit dem Nachteil behaftet , dass die hierzu benötigten Werkzeuge mit beweglichen Formschiebern oder Formkernen/Werkzeugkernen ausgebildet sein müssen . Darüber hinaus ist die Herstellung von Bauteilen mit Hinterschnitten im Hinblick auf eine Entformung des fertig gestellten Bauteils schwierig .

Grundsätzlich lassen sich thermoplastische Strukturbauteile als Hohlprofile auch durch Extrusionsblas formen, Rotationssintern oder mittels Fluidinj ektionstechnik herstellen . Diese Verfahren sind mit dem Nachteil behaftet , dass die damit hergestellten Strukturen keine definierte Wandstärke und insbesondere auch keine glattwandigen Innenkontur aufweisen .

Aus der DE 10 2016 015 538 Al ist ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrradrahmens aus mehreren Modulen bekannt , die j eweils durch Spritzgießen unter Anwendung der Fluidinj ektionstechnik erhalten wurden . Das Verfahren der Fluidinj ektionstechnik bietet eine verfahrenstechnisch günstige Möglichkeit , die einzelnen Bauteile gewichtsoptimiert als Hohlkörper aus zubilden .

Ein solches Verfahren ist , wie vorstehend bereits erwähnt , j edoch mit dem Nachteil behaftet , dass die Bauteile keine konstante und definierte Wandstärke und insbesondere auch keine durchgängig glatte Oberfläche innerhalb der Hohlräume aufweisen . Das ist aus verschiedenen Gründen nicht vorteilhaft . Dadurch ergeben sich beispielsweise Masseunterschiede zwischen Bauteilen einer Serie . Auch ist das Durchführen von Kabeln durch den Rahmen unter Umständen erschwert .

Aus der WO 99/29484 ist die Verwendung eines Kernausschmel zverfahrens zum Herstellen von Fahrradrahmen bekannt . Diese Rahmen oder Hohlprofile werden aus thermoplastischem Kunststof f in einem mehrteiligen Formwerkzeug spritzgegossen, wobei ein zuvor in das Formwerkzeug eingelegter Ausschmel zkern mit dem eingespritzten thermoplastischen Kunststof f ummantelt wird . Dieser Ausschmel zkern entspricht dem Negativ des Hohlrahmens . Er wird in der Trennebene des Formwerkzeugs mit Kernhalterungen gehalten, sodass etwa gleiche Wandstärken des Hohlrahmens gewährleistet sind . Nach Entnahme des Artikels aus dem Spritzgießwerkzeug wird der verlorene Formkern ausgeschmol zen . Dieser besteht aus einem niedrigschmel zenden Metall , dass unterhalb der Plasti fi zierungstemperatur des thermoplastischen Kunststof fs schmil zt und so durch Erhitzen des Bauteils den Hohlraum erzeugt bzw . freigibt .

Das aus der der WO 99/29484 bekannte Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von großvolumigen Hohlprofilen, insbesondere zur Herstellung eines einteilig ausgebildeten Zweiradrahmens . Solche verhältnismäßig großen Bauteile benötigen entsprechend große Werkzeuge , die teuer sind . Insbesondere für die Herstellung von Fahrradrahmen wird eine Viel zahl von großen Werkzeugen benötigt , da Fahrradrahmen üblicherweise in verschiedenen Größen bereitgestellt werden müssen . Weiterhin ist das Verfahren gemäß der der

WO 99/29484 nur bedingt geeignet , Hohlräume mit komplexen Strukturen aus zuformen .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich verhältnismäßig einfach Strukturbauteile für ein Fahrrad mit komplexen Innenkonturen herstellen lassen . Solche komplexen Innenkonturen sind beispielsweise im Bereich von Tretlagergehäusen oder Durchführungen von Leitungen sinnvoll und notwendig .

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem eine modulare und insbesondere kostengünstige Herstellung von Fahrradrahmen möglich ist , die zumindest überwiegend aus thermoplastischem Kunststof f bestehen . Der Erfindung liegt schließlich die Aufgabe zugrunde , ein in diesem Sinne vorteilhaft ausgebildetes Strukturbauteil und insbesondere auch ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrradrahmens bereitzustellen .

Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines wenigstens teilweise als Hohlprofil ausgebildeten Strukturbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .

Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Fahrradrahmens unter Verwendung mindestens eines als Hohlprofil ausgebildeten Strukturbauteils aus thermoplastischem Kunststof f , welches vorzugsweise nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wurde .

Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines Strukturbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 16 sowie durch die Bereitstellung eines Fahrradrahmens mit den Merkmalen des Anspruchs 21 .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen beschriebenen Merkmalen .

Ein erster Gesichtspunkt der Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung eines wenigstens teilweise als Hohlprofil ausgebildeten Strukturbauteils für ein Fahrrad, umfassend die Verfahrensschritte :

- Bereitstellen einer Spritzgießeinrichtung mit wenigstens einer Spritzeinheit mit Mitteln zum Bereitstellen und Einbringen eines plasti fi zierten thermoplastischen Kunststof fs unter Druck in ein mehrteiliges Formwerkzeug mit wenigstens einer Kavität , wobei die wenigstens eine Kavität wenigstens teilweise die Gestalt des Strukturbauteils definiert ,

- Herstellen und/oder Bereitstellen wenigstens eines ausschmel zbaren und/oder auflösbaren und/oder mechanisch zerstörbaren verlorenen Kerns , der wenigstens an einen ersten Teil einer Innenkontur des Strukturbauteils angepasst ist ,

- Einbringen des verlorenen Kerns in das Formwerkzeug,

- Schließen und Zuhalten des Formwerkzeugs und Umspritzen des verlorenen Kerns mit einem thermoplastischen Kunststof f ,

- Öf fnen des Formwerkzeugs und Entnehmen eines gespritzten Zwischenerzeugnisses mit dem umspritzten, verlorenen Kern,

- Ausschmel zen und/oder Auslösen und/oder mechanisches Entfernen des verlorenen Kerns aus dem Zwischenerzeugnis , wobei sich das Verfahren gemäß der Erfindung insbesondere dadurch aus zeichnet , dass wenigstens ein weiterer Teil der Innenkontur des Strukturbauteils mittels wenigstens eines beweglichen Werkzeugkerns oder wenigstens einen beweglichen Formschiebers des Formwerkzeugs abgeformt wird .

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unterschieden zwischen einem verlorenen Kern oder einem verlorenen

Formkern einerseits und einem Werkzeugkern oder einem Formschieber des Formwerkzeugs andererseits . Der Werkzeugkern oder der Formschieber sind feste Bestandteile des Formwerkzeugs . Die Begri f fe Kern oder Formkern im Zusammenhang mit dem verlorenen Kern werden im Folgenden synonym verwendet .

Unter einem verlorenen Kern oder einem verlorenen Formkern wird ein Bauteil verstanden, welches in das Formwerkzeug eingelegt und in diesem temporär gehalten oder fixiert wird und welches als Negativ für eine Innenkontur des herzustellenden Sprit zgussteils aus thermoplastischem Kunststof f ausgebildet ist . Der verlorene Kern wird mit dem fertig gestellten Zwischenerzeugnis aus dem Formwerkzeugs entnommen . Als Zwischenerzeugnis im Sinne der vorliegenden Erfindung wird das Strukturbauteil bezeichnet , welches den verlorenen Kern noch umschließt .

Die Verfahrensweise gemäß der Erfindung ist mit dem Vorteil behaftet , dass dadurch Strukturbauteile als Hohlprofile mit einer komplexen Innenstruktur herstellbar sind .

Unter einem Strukturbauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil eines Fahrrads zu verstehen, das bei bestimmungsgemäß em Gebrauch strukturell belastet , d . h . Bedienkräften, die durch den Benutzer hervorgerufen werden oder Kräften resultierend aus dem Fährbetrieb ausgesetzt ist . Ein Strukturbauteil in diesem Sinne wird daher in der Regel ein Bauteil sein, welches einer Zug- und/oder Biegebelastung unterliegt .

Ein Strukturbauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein Fahrradrahmen, ein Teil eines Fahrradrahmens oder auch ein Anbauteil eines Fahrradrahmens , wie beispielsweise ein Lenker, ein Lenkervorbau, ein Laufrad, eine Felge eines Laufrads oder eine Sattelstütze sein .

Das Strukturbauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung kann weiterhin als ein Rahmenprofil-Abschnitt eines Fahrradrahmens oder beispielsweise als Hauptrahmen oder Gabel oder als Hinterbauschwinge oder dergleichen ausgebildet sein .

Eine Rahmenprofil-Abschnitt des Fahrradrahmens kann beispielsweise als Oberrohr, Unterrohr, Steuerrohr, Sitzrohr, Sattelstrebe bzw . Sitzstrebe , Kettenstrebe oder als ein Batteriegehäuse für ein Elektrofahrrad oder als Motoraufnahme oder Tretlagergehäuse ausgebildet sein .

Ein Strukturbauteil , welches beispielsweise als Rahmenprofil-Abschnitt ausgebildet ist , kann beispielsweise mehrere unterschiedlich gestaltete Abschnitte mit verschiedenen Innenkonturen aufweisen, die gegebenenfalls auch miteinander kommuni zieren können oder als miteinander verbundene Hohlräume ausgebildet sein können .

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass beispielsweise ein Hohlraum, der mittels des verlorenen Kerns hergestellt ist , komplexer ausgebildet ist , als ein Hohlraum der mittels eines beweglichen Werkzeugkerns oder Werkzeugschiebers hergestellt wird . Letzterer kann beispielsweise ein glattwandiges und dementsprechend einfach entformbares Innenprofil entsprechend dem Außenprofil des Werkzeugkerns aufweisen, wobei der mittels des verlorenen Formkerns hergestellte Hohlraum eine komplexe , gegebenenfalls hinterschnittene , Kontur aufweisen kann . Auf diese Art und Weise lassen sich beispielsweise Rahmenrohre bzw . Rahmenprofil-Abschnitte mit unterschiedlich ausgebildeten Endabschnitten herstellen, die mit anderen Rahmenrohren oder Rahmenprofil-Abschnitten zu einem modularen Rahmen zusammenfügbar sind .

Im Rahmen der Erfindung kann das Verfahren grundsätzlich auch die Herstellung eines einteiligen Fahrradrahmens in einer einzigen Kavität eines großen Formwerkzeugs umfassen .

Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus , dass der erste Teil der Innenkontur und wenigstens ein weiterer Teil der Innenkontur des Strukturbauteils so abgeformt werden, dass diese ein Hohlprofil mit wenigstens einem durchgehenden Hohlraum bilden, was insbesondere zur Durchführung von Leitungen, Bowdenzügen und Kabeln vorteilhaft ist . Auf diese Art und Weise ist es möglich, miteinander kommuni zierende Hohlräume mit unterschiedlichen Querschnitten in einem Bauteil bereitzustellen .

Bei einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Teil der Innenkontur über wenigstens einen Teilabschnitt mit einer von dem zweiten Teil der Innenkontur abweichenden lichten Weite , vorzugsweise mit einer geringeren lichten Weite und/oder mit wenigstens einer Hinterschneidung und/oder mit wenigstens einem Gewinde ausgeformt wird .

Grundsätzlich kann dadurch beispielsweise ein Strukturbauteil beispielsweise auch als Knotenelement eines Fahrradrahmens , bereitgestellt werden, beispielsweise in Form eines Tretlagergehäuses , welches einseitig einen Steckverbinder ausbildet , der mit einem anderen Rahmenprofil des Fahrradrahmens zusammenfügbar ist . Auf einer anderen Seite das Knotenelements kann beispielsweise ein Innengewinde eingeformt werden, welches ein anderes

Raumbauteil mit einem Außengewinde aufnehmen kann .

Unter einem Knotenelement im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Teil eines Fahrradrahmens verstanden, dass als Kraftknoten des Fahrradrahmens ausgelegt ist , der in der Regel so gestaltet sein wird, dass die Haupt- Rahmenrohre bzw . Haupt-Rahmenprofil-Abschnitte im Bereich der Knotenelemente zusammengeführt sind und diese Haupt- Rahmen Profil-Abschnitte wie beispielsweise ein Oberrohr, ein Unterrohr oder ein Sitzrohr, hauptsächlich zur Aufnahme von Zug- oder Druckkräften ausgebildet sind, wohingegen die Knotenelemente , beispielsweise in Form eines Tretlagergehäuse oder eines Anschlussbereichs zur Anbindung der Sitzstreben oder der Kettenstreben, auch zur Aufnahme von Biegemomenten ausgelegt sind .

Weiterhin kann ein gemäß dem Verfahren hergestelltes Strukturbauteil so ausgebildet sein, dass es beispielsweise zwei oder mehrere größere Hohlräume aufweist , die miteinander über wenigstens einen Kanal mit einem verhältnismäßig kleinerem Innenquerschnitt verbunden sind .

Nach einer Aus führungs form des Verfahrens gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teilabschnitt einer Innenkonturen glattwandig ausgebildet wird und das Strukturbauteil in diesem Teilabschnitt vorzugsweise eine konstante , definierte Wandstärke aufweist .

Glattwandig im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet , dass die Oberfläche vorzugsweise eine Rautiefe besitzt , die der Oberflächengüte entspricht , die durch elektroresistives Bearbeiten der Kavität der Form erzeugt wurde . Die Oberflächengüte gemäß Standard VDI 3400 kann zwischen 12 und 45 betragen, was einer Oberflächenrauheit Ra zwischen 0 , 4 und 18 pm entspricht .

Bei einer Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass während des Spritzgießvorgangs wenigstens ein verlorener Kern mittels wenigstens eines beweglichen Formkerns oder mittels wenigstens eines beweglichen Formschiebers in dem Formwerkzeug, beispielsweise innerhalb der Trennebene des Formwerkzeugs gehalten wird . Dadurch ist es möglich, komplexe Hohlräume mit variablem Innenquerschnitt und/oder mit Hinterschnitten unter Verwendung eines im Sinne einer Ent f ormbarkeit einfach ausgebildeten Werkzeugschiebers herzustellen .

Eine mögliche Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich durch die Verwendung oder Herstellung wenigstens eines verlorenen Formkerns aus einem Werkstof f aus , der ausgewählt ist aus einer Gruppe von Werkstof fen umfassend niedrigschmel zende Metalle und/oder Metalllegierungen, keramische Werkstof fe , insbesondere auf der Basis von Aluminium, Zirkon, Zirkonerde , verschmol zenem Quarz oder Mischungen aus Quarz , Zirkon und Aluminium .

Eine zur Ausbildung eines Formkerns zur Verwendung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung geeignete Keramik ist beispielsweise eine Keramik mit einem Anteil von größer gleich 95 % Zirkon . Ein solcher Kern kann beispielsweise mittels eines Wasserstrahls aufgelöst und aus dem gespritzten Zwischenerzeugnis entfernt werden . Keramiken mit größer gleich 94 % Zirkonerde lassen sich ebenfalls beispielsweise mittels eines Wasserstrahls entfernen und kommen zur Verwendung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung in Betracht . Anders zusammengesetzte keramische Kerne zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung von wässrigen Lösungen ausgelaugt bzw . ausgespült werden . Grundsätzlich kommt aber auch die Verwendung eines Formkerns in Betracht , der durch mechanische Zerstörung, beispielsweise durch Einbringen von Vibrationen, ausgelöst werden kann .

Obwohl grundsätzlich im Rahmen der Erfindung Formkerne aus niedrig schmel zenden Materialien bzw . Metallen oder Metalllegierungen verwendet werden können, die durch Erhitzen entfernt werden können, ist bevorzugt die Verwendung wenigstens eines verlorenen Formkerns vorgesehen, der mittels Wasser oder mittels einer wässrigen Suspension oder wässrigen Lösung auflösbar ist , wobei das Verfahren den Verfahrensschritt des Auflösens und Ausspülens des verlorenen Formkerns nach der Entnahme aus dem Formwerkzeugs umfassen kann .

Eine Variante des Verfahrens zeichnet sich durch die Verwendung wenigstens eines gefüllten und/oder faserverstärkten, vorzugsweise sortenreinen, thermoplastischen Kunststof fs aus , insbesondere eines mit zugfesten Fasern verstärkten thermoplastischen Kunststof fs , wobei die Fasern bevorzugt eine Länge von größer 0 mm und kleiner gleich 50 mm aufweisen . Zugfeste Fasern mit einer Länge bis zu 50 mm werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als Kurz fasern bezeichnet , wohingegen Fasern mit einer Länge von mehr als 50 mm bis zu einer unendlichen Länge als Langfasern bezeichnet werden . Ein zur Herstellung eines Fahrradrahmens geeigneter thermoplastischer Kunststof f ist beispielsweise ein Polyamid, beispielsweise ein PA6 .

Als thermoplastischer Kunststof f zur Verwendung mit dem vorliegenden Verfahren kommen beispielsweise ein thermoplastischer Kunststof f in Betracht , der ausgewählt ist aus einer Gruppe von Kunststof fen umfassend PA, PP, PPA, PS , PE , PE , ABS , PC, POM, PEK, PEEK, PA610 , HPPA, PARA, PBT , PK .

Die zugfesten Fasern können ausgewählt sein aus einer Gruppe von Fasern umfassend Carbonfasern, Glas fasern, Aramid Fasern, Kevlar Fasern und Basalt Fasern .

Alternativ zu einer Faserverstärkung kommt auch eine Verwendung eines thermoplastischen Kunststof fs mit einer granulären Füllung, in Form von Beads oder Minibeads beispielsweise aus einem keramischen Werkstof f in Betracht .

Bevorzugt besitzt der gefüllte thermoplastische Kunststof f einen Füllgrad von 20 bis 60 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des Strukturbauteils .

Bei einer besonders vorteilhaften und bevorzugten Variante der Erfindung umfasst das Verfahren auch die Herstellung des verlorenen Kerns . Es ist grundsätzlich möglich, den verlorenen Kern durch Feinguss , beispielsweise von keramischen Materialien, herzustellen . Allgemein bevorzugt wird j edoch bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der verlorene Kern mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellt , insbesondere mittels PIM, insbesondere mittels CIM . Damit lassen sich besonders komplexe Geometrien mit dünnen Wandstärken, beispielsweise auch Gewinde bzw . ein Negativ eines im Kunststof f Spritzguss herzustellenden Gewindes erzeugen .

Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, wenigstens einen verlorenen Kern durch 3-D Druck herzustellen . Das Strukturbauteil kann als einteiliger Fahrradrahmen ausgebildet sein, obwohl erfindungsgemäß bevorzugt wird, einen modularen Fahrradrahmen aus einer Viel zahl von Strukturbauteilen herzustellen, die beispielsweise durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt werden .

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung für welchen unabhängig Schutz begehrt wird, betri f ft ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrradrahmens unter Verwendung wenigstens eines als Hohlprofil ausgebildeten Strukturbauteils aus thermoplastischem Kunststof f , welches wenigstens einen Rahmenprofil-Abschnitt des Fahrradrahmens bildet , wobei der Fahrradrahmen nach diesem Gesichtspunkt der Erfindung mehrteilig gefügt wird .

Die Rahmenprofil-Abschnitte können beispielsweise stof f schlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden, wobei insbesondere wenigstens einige der Rahmenprofil-Abschnitte über wenigstens eine Steckverbindung gefügt werden und vorzugsweise im Bereich der Steckverbindung miteinander verklebt und/oder verschweißt und/oder verschraubt werden . Letztere Variante ist insbesondere dann vorteilhaft , wenn das Strukturbauteil nach dem eingangs beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wird .

Eine bevorzugten Variante des Verfahrens zur Herstellung des Fahrradrahmens zeichnet sich durch die Verwendung wenigstens eines Strukturbauteils als Rahmenprofil-Abschnitt aus , wobei das Strukturbauteil über seine gesamte Länge eine definierte Wandstärke und wenigstens einen ersten und einen zweiten Teilabschnitt mit einer unterschiedlichen bzw . verschiedenen Wandstärke und/oder mit verschiedenem lichten Querschnitt/ Innenmaß und/oder mit einem variierenden lichten Querschnitt/ Innenmaß und/oder mit einer unterschiedlichen Innenkontur aufweist .

Eine definierte Wandstärke im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet , dass das I st-Maß der Wandstärke einem Soll-Maß bzw . einem Nennmaß der Wandstärke unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen bedingt durch Feuchtigkeitsaufnahme/Quellung des thermoplastischen Kunststof fs , Nachkristallisation oder Nachschwindung insbesondere im Bereich von Materialakkumulation ( Schwindungsdi f ferenzen in verschiedenen Geometriebereichen des Formteils ) entspricht .

Ein weiterer für sich genommen schutzwürdiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein spritzgegossenes Strukturbauteil aus thermoplastischem Kunststof f als Hohlprofil , insbesondere als Hohlprofil-Abschnitt eines Fahrradrahmens , welches über seine gesamte Länge eine definierte Wandstärke und wenigstens einen ersten und einen zweiten Teilabschnitt mit einer unterschiedlichen Wandstärke und/oder mit verschiedener lichter Innenweite und/oder mit unterschiedlicher Innenkontur aufweist . Bevorzugt ist das Strukturbauteil nach dem eingangs beschriebenen Verfahren hergestellt .

Bei einer besonders bevorzugten Variante des Strukturbauteils gemäß der Erfindung umfasst dieses wenigstens einen Abschnitt mit einem Innengewinde , der sich in besonders vorteilhafter Art und Weise durch die Verwendung eines entsprechend ausgebildeten spritzgegossen keramischen verlorenen Kerns bei der Herstellung herstellen lässt .

Der Rahmenprofil-Abschnitt ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Rahmenprofil-Abschnitten umfassend ein Oberrohr, ein Unterrohr, ein Sitzrohr, Sitzstreben, Kettenstreben, ein Steuerrohr, ein Tretlagergehäuse , ein Batteriefach, eine Batterieaufnahme .

Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Strukturbauteil als Lenker, Lenkervorbau, Gabel , Hinterradschwinge , Laufrad, Felge oder Sattelrohr eines Fahrrads ausgebildet ist .

Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung, wenn das Strukturbauteil mit zugfesten Langfasern verstärkt ist , beispielsweise in Form von Carbonfasern . Hierzu kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung vorgesehen sein, den verlorenen Kern vor dem Einbringen in das Formwerkzeug mit einem Gewebe oder Gelege aus Langfasern zu umhüllen und/oder mit zugfesten Endlos fasern zu wickeln, bevor dieser mit thermoplastischen Kunststof f umspritzt wird .

Das Strukturbauteil kann beispielsweise , wenn es als Rahmenprofil-Abschnitt eines Fahrradrahmens ausgebildet ist , mit einer definierten Wandstärke von 3 bis 8 mm ausgebildet sein, die über die Länge des Profilabschnitts sprunghaft oder konstant variiert . Die Wandstärke kann beispielsweise an einem Anschlussende oder Verbindungsende des Rahmenprofil-Abschnitts in Richtung auf das andere Anschlussende des Rahmenprofilabschnitts kontinuierlich variieren, beispielsweise von einer größeren Wandstärke j eweils an den Enden des Rahmenprofil-Abschnitts hin zu einer geringeren Wandstärke in demj enigen Teilstück des Rahmenprofil-Abschnitts , welches bei bestimmungsgemäßen Gebrauch einer geringeren Biegebelastung unterliegt und dementsprechend ein geringeres Flächenträgheitsmoment aufweisen muss . Die Erfindung betri f ft weiterhin einen vorzugsweise mehrteilig gefügten Fahrradrahmen, der wenigstens überwiegend aus thermoplastischem Kunststof f besteht und der zumindest überwiegend aus Strukturbauteilen der vorstehend beschriebenen Art zusammengefügt ist , wobei die Strukturbauteile bevorzugt mit dem eingangs beschriebenen Verfahren hergestellt werden .

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf und anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Aus führungsbeispiels erläutert .

Es zeigen :

Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Fahrrads , welches Strukturbauteilen umfasst , die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurden;

Figur 2 : eine schematische Schnittansicht eines

Lenkers für ein Fahrrad als Strukturbauteil gemäß der Erfindung;

Figur 3A: eine Teil-Schnittansicht eines Fahrradrahmens gemäß der Erfindung; und

Figur 3B : eine vergrößerte Teil-Schnittansicht des

Fahrradrahmens gemäß Figur 3A.

Die Figur 1 , auf welche nachstehend zunächst Bezug genommen wird, zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrrads 1 gemäß der Erfindung, welches überwiegend aus thermoplastischem Kunststof f durch Spritzgießen mit dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde . Das Fahrrad 1 umfasst in bekannter Art und Weise einen näherungsweise als Diamantrahmen ausgebildeten Fahrradrahmen 2 , der bei dem beschriebenen Aus führungsbeispiel einstückig bzw . einteilig aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststof f spritzgegossen ist .

Wie eingangs bereits erwähnt wurde , kann der Fahrradrahmen 2 gemäß der Erfindung auch mehrteilig ausgebildet sein . Im vorliegenden Fall ist der Fahrradrahmen 2 als einteiliger Fahrradrahmen eines Elektrofahrrades ausgebildet . Dieser umfasst ein Oberrohr 3 , ein Unterrohr 4 und ein Sitzrohr 5 , die über eine Motoraufnahme 6 und ein Steuerrohr 7 , die zu einem Rahmendreieck verbunden sind . Der Fahrradrahmen 2 umfasst weiterhin an die Motoraufnahme 6 angeschlossene Kettenstreben 8 und an das obere Ende des Sitzrohres 5 angeschlossene Sitzstreben 9 . Die Kettenstreben 8 und die Sitzstreben 9 sind j eweils über Aus fallenden 10 miteinander verbunden . Letztere sind in bekannter Art und Weise zur Aufnahme einer Steckachse für ein Hinterrad 11 ausgebildet .

Entsprechend der Ausbildung des Fahrrads 1 als Elektrofahrrad umfasst das Unterrohr 4 eine Batterieaufnahme 12 , die einstückig mit dem Unterrohr 4 ausgebildet ist . Das Unterrohr 4 kann beispielsweise einen geschlossenen Hohlprofil-Querschnitt aufweisen, wobei die Batterieaufnahme 12 ein etwa C- förmig oder U- förmig ausgebildetes , in Gebrauchslage des Fahrrads 1 nach unten geöf fnetes und durch eine Batterie oder einen Batteriefach-Deckel verschließbare Querschnittsprofil aufweist .

Die funktional verschiedenen Teile des Fahrradrahmens 2 werden nachstehend zusammenfassend als Rahmenprofil- Abschnitte bezeichnet , wobei auch diej enigen Rahmenprofil- Abschnitte des Fahrradrahmens 2 , die Kraftknoten oder Knotenelemente des Fahrradrahmens 2 bilden, wie beispielsweise das Steuerrohr 7 , die Motoraufnahme 6 , der Anschluss der Sitzstreben 9 an das Sitzrohr 5 sowie die Aus fallenden 10 als Rahmenprofil-Abschnitte im Sinne der Erfindung bezeichnet werden .

Alle Rahmenprofil-Abschnitte des Fahrradrahmens 2 sind als spritzgegossene Hohlprofile aus thermoplastischem Kunststof f mit einem weitestgehend durchgängigen Hohlprofil-Querschnitt ausgebildet , der bei der Herstellung teilweise mit einem in einem Spritzgießwerkzeug eingelegten verlorenen Kern 30 und teilweise mit beweglichen Formschiebern 31 ( Figur 2 ) als Bestandteil des Spritzgießwerkzeugs ausgeformt wurden . Dabei weisen die Rahmenprofil-Abschnitte unterschiedlich ausgebildete Innenquerschnitte auf , wie nachstehend anhand der Figuren 3A und 3B erläutert . Das ist insbesondere dem Umstand geschuldet , dass es wünschenswert und sinnvoll ist , an einem Fahrradrahmen Hohlprofil-Abschnitte mit unterschiedlich komplex gestalteten Innenquerschnitten und Innenwanderungen vorzusehen .

Das betri f ft nicht nur den Fahrradrahmen selbst , sondern auch bestimmte Anbauteile wie beispielsweise die Laufräder, eine nicht dargestellte Sattelstütze sowie beispielsweise den in Figur 2 dargestellten Lenker 20 .

Der in Figur 2 dargestellte Lenker 20 besitzt ein durchgängiges Hohlprofil mit einem etwa kreisrunden Querschnitt . Dieser ist als sogenannter koni f i zierter Lenker ausgebildet , d . h . , dass sich dessen Durchmesser von einem zur Klemmbefestigung in einem Lenkervorbau ausgebildeten Mittelbereich 22 (beispielsweise 31 , 8 mm Durchmesser ) hin zu den Lenkerenden 23 verj üngt . Darüber hinaus ist der Lenker 20 in dem Mittelbereich 22 gekröpft ausgebildet , was bei konventioneller Herstellung des Lenkers mit Formschieber in einem konventionellen Spritzgießwerkzeug wegen der damit verbundenen Schwierigkeiten bei der Entformung kaum zu bewältigen wäre . Der Lenker 20 gemäß der Erfindung wurde daher erfindungsgemäß unter Verwendung eines verlorenen Kerns 30 , der in Figur 2 schematisch in dem eng schraf fierten Mittelbereich 22 dargestellt ist , und unter Verwendung zweier zylindrisch ausgebildeter, beweglicher Formkerne 31 des als Vereinfachungsgründen nicht dargestellten Formwerkzeugs hergestellt . Durch die Kombination der Verwendung eines verlorenen Kerns 30 , beispielsweise aus einer wasserlöslichen Keramik, und mechanisch bewegbaren Formkernen 31 als Bestandteile des Formwerkzeugs lässt sich, wie im Fall des in Figur 2 dargestellten Lenkers eine Hohlstruktur mit verschiedenen Innenquer schnitt en/ Durchmessern verhältnismäßig kostengünstig durch Spritzgießen herstellen . Dabei kann beispielsweise der Lenker 20 so hergestellt worden sein, dass wenigstens einer der bewegbaren Formkerne 31 , vorzugsweise beide , den verlorenen Kern 30 zwischen sich aufnehmen . Nach dem Umspritzen des verlorenen Kerns 30 und der beweglichen Formkerne 31 können dann letztere gezogen werden . Das so hergestellte Zwischenerzeugnis kann dann aus dem Formwerkzeug entnommen werden . Der durch thermoplastischen Kunststof f geformte Körper 21 des Lenkers 20 ist in Figur 2 als schraf fierte Mantel fläche dargestellt .

Figur 3A zeigt eine vergrößerte Darstellung des Fahrradrahmens 2 , der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde . Bei dem in Figur 3A dargestellten Fahrradrahmen wurde das Oberrohr 3 , das Steuerrohr 7 , der Bereich der Anbindung der Sitzstreben 9 an das Sitzrohr 5 sowie ein Ubergangsbereich 13 zwischen dem Unterrohr 4 , dem Steuerrohr 7 als auch die Motoraufnahme 6 , mit verlorenen Kernen 30 spritzgegossen . Wie die Schnittansicht in Figur 3B veranschaulicht , ist gerade dieser Übergangsbereich 13 mit einer verhältnismäßig komplexen Innenkontur gestaltet . Der verlorene Kern 30 ist durch den eng schraf fierten Bereich in den Figuren 3A und 3B hervorgehoben . Das Sitzrohr 5 und das Unterrohr 4 wurden j eweils mit beweglichen Werkzeugkernen des Formwerkzeugs ausgeformt .

Die verlorenen Kerne 30 werden als Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Spritzgießen von keramischem Material hergestellt und in der Trennebene des Formwerkzeugs mittels beweglicher Formkerne 31 gehalten . Anschließend wird das Formwerkzeug geschlossen und zugehalten . Uber eine Spritzeinheit und wenigstens einen in dem Formwerkzeug vorgesehenen Anguss wird plasti fi zierter thermoplastischer Kunststof f unter Druck in das Formwerkzeug eingespritzt , während das Formwerkzeug zugehalten wird . Die beweglichen Formkerne 31 werden sodann durch Betätigung eines Verstellmechanismus im Formwerkzeug gezogen, das Formwerkzeug wird anschließend geöf fnet . Das so hergestellte Zwischenerzeugnis , beispielsweise als Fahrradrahmen 2 , wird aus dem Formwerkzeug entnommen . In einem weiteren Verfahrensschritt werden die verlorenen Kerne 30 vorzugsweise mittels Wassers oder einer wässrigen Lösung aus den Hohlräumen des Fahrradrahmens 2 entfernt .

Bezugszeichenliste Fahrrad Fahrradrahmen Oberrohr Unterrohr Sitzrohr Motoraufnahme Steuerung Kettenstreben Sitzstreben Aus fallenden Hinterrad Batterieaufnahme Ubergangsbereich vom Unterrohr zum Steuerrohr Lenker Körper des Lenkers Mittelbereich verlorener Kern bewegbaren Formkerne des Formwerkzeugs

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines wenigstens teilweise als Hohlprofil ausgebildeten Strukturbauteils für ein Fahrrad (1) , umfassend die Verfahrensschritte:

- Bereitstellen einer Spritzgießeinrichtung mit wenigstens einer Spritzeinheit mit Mitteln zum Plastifizieren und Einbringen eines plastifizierten thermoplastischen Kunststoffs unter Druck in ein mehrteiliges Formwerkzeug mit wenigstens einer Kavität, wobei die wenigstens eine Kavität wenigstens teilweise die Gestalt des Strukturbauteils definiert,

- Herstellen und/oder Bereitstellung wenigstens eines ausschmelzbaren und/oder auflösbaren und/oder mechanisch zerstörbaren verlorenen Kerns (30) , der wenigstens an einen ersten Teil einer Innenkontur des Strukturbauteils angepasst ist,

- Einbringen des verlorenen Kerns (30) in das Formwerkzeug,

- Schließen und Zuhalten des Formwerkzeugs und Umspritzen des verlorenen Kerns (30) mit einem thermoplastischen Kunststoff, - Öf fnen des Formwerkzeugs und Entnehmen eines gespritzten Zwischenerzeugnisses ,

- Ausschmel zen und/oder Auslösen und/oder mechanisches Entfernen des verlorenen Kerns ( 30 ) , dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens ein weiterer Teil der Innenkontur des Strukturbauteils mittels wenigstens eines beweglichen Werkzeugkerns ( 31 ) oder beweglichen Formschiebers des Formwerkzeugs abgeformt wird .

2 . Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der erste Teil der Innenkontur und wenigstens ein weiterer Teil der Innenkontur des Strukturbauteils so abgeformt werden, dass diese ein Hohlprofil mit wenigstens einem durchgehenden Hohlraum bilden .

3 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass der erste Teil der Innenkontur über wenigstens einen Teilabschnitt mit einer von dem zweiten Teil der Innenkontur abweichenden lichten Weite , vorzugsweise mit einer geringeren lichten Weite und/oder mit wenigstens einer Hinterschneidung und/oder mit wenigstens einem Gewinde ausgeformt wird .

4 . Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens ein Teilabschnitt der Innenkontur glattwandig ausgebildet ist und das Strukturbauteil in diesem Teilabschnitt vorzugsweise eine konstante definierte Wandstärke aufweist .

5 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass während des Spritzgießvorgangs wenigstens ein verlorener Kern (30) mittels wenigstens eines beweglichen Formkerns (31) oder mittels wenigstens eines beweglichen Formschiebers als Bestandteil des Formwerkzeugs in dem Formwerkzeug gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung oder Herstellung wenigstens eines verlorenen Kerns (3) aus einem Werkstoff, der ausgewählt ist aus einer Gruppe von Werkstoffen umfassend niedrigschmelzenden Metalle und/oder Metalllegierungen, keramische Werkstoffe, insbesondere auf der Basis von Aluminium, Zirkon, Zirkonerde, verschmolzenem Quarz oder Mischungen aus Quarz, Zirkon und Aluminium.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung wenigstens eines verlorenen Kerns (30) , der mittels Wasser oder mittels einer wässrigen Suspension oder wässrigen Lösung auflösbar ist, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt des Auflösens und Ausspülens des verlorenen Kerns (30) nach der Entnahme aus dem Formwerkzeug .

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung wenigstens eines gefüllten und/oder faserverstärkten, vorzugsweise sortenreinen, thermoplastischen Kunststoffs, insbesondere eines mit zugfesten Fasern verstärkten thermoplastischen Kunststoffs, wobei die Fasern bevorzugt einer Länge von größer 0 mm und kleiner 50 mm aufweisen .

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff ausgewählt ist aus einer Gruppe von Kunststoffen umfassend PA, PP, PPA, PS, PE, PE, ABS, PC, POM, PEK, PEEK, PA610, HPPA, PARA, PBT, PK.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zugfesten Fasern ausgewählt sind aus einer Gruppe von Fasern umfassend Carbonfasern, Glasfasern, Aramid Fasern, Kevlar Fasern und Basalt Fasern.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gefüllte thermoplastische Kunststoff einen Füllgrad von 20 bis 60 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des Strukturbauteils aufweist .

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der verlorene Kern (30) mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellt wird.

13. Verfahren zur Herstellung eines Fahrradrahmens (2) unter Verwendung wenigstens eines als Hohlprofil ausgebildeten Strukturbauteils aus thermoplastischem Kunststoff, welches vorzugsweise nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 erhalten wurde, und welches wenigstens einen Rahmenprofil-Abschnitt des Fahrradrahmens (2) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrradrahmen mehrteilig gefügt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenprofil-Abschnitte stoff schlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden, wobei insbesondere wenigstens einige der Rahmenprofil- Abschnitte über wenigstens eine Steckverbindung gefügt werden und vorzugsweise im Bereich der Steckverbindung miteinander verklebt und/oder verschweißt und/oder verschraubt werden .

15 . Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14 , gekennzeichnet durch die Verwendung wenigstens eines Strukturbauteils als Rahmenprofil-Abschnitt , welches über seine gesamte Länge eine definierte Wandstärke und wenigstens einen ersten und einen zweiten Teilabschnitt mit einer unterschiedlichen Wandstärke und/oder mit verschiedenem lichten Querschnitt und/oder mit einer unterschiedlicher Innenkontur aufweist .

16 . Strukturbauteil als spritzgegossene Hohlprofil aus thermoplastischem Kunststof f , insbesondere als Rahmenprofil-Abschnitt eines Fahrradrahmens ( 2 ) , insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 , welches über seine gesamte Länge eine definierte Wandstärke und wenigstens einen ersten und einen zweiten Teilabschnitt mit einer unterschiedlichen Wandstärke und/oder mit verschiedener lichten Innenweite und/oder mit unterschiedlicher Innenkontur aufweist .

17 . Strukturbauteil nach Anspruch 16 , umfassend wenigstens einen Abschnitt mit einem Innengewinde und/oder einer Hinterschneidung .

18 . Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 16 oder 17 , dadurch gekennzeichnet , dass der Rahmenprofil-Abschnitt ausgewählt ist aus einer Gruppe von Rahmenprofil- Abschnitten umfassend ein Oberrohr ( 3 ) , ein Unterrohr (4) , ein Sitzrohr (5) , Sitzstreben (9) , Kettenstreben (8) , ein Steuerrohr (7) ein Tretlagergehäuse, eine Motoraufnahme (6) ein Batteriefach, eine Batterieaufnahme (12) .

19. Strukturbauteil nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Lenker (2) oder Sattelrohr eines Fahrrads (1) ausgebildet ist.

20. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 16 bis 18 als Rahmenprofil-Abschnitt eines Fahrradrahmens (2) mit einer definierten Wandstärke von 3 bis 8 mm, die über die Länge des Profilabschnitts sprunghaft oder konstant variiert .

21. Fahrradrahmen (2) hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15.

22. Fahrradrahmen (2) umfassend wenigstens ein Strukturbauteil mit den Merkmalen eines der Ansprüche 15 bis 20.