Skateboard als Wegweiser

Text: Thomas Masuch; Fotos: Philipp Manger / Thomas Masuch

Philipp Manger zeigt seinem mit Projekt T.O.S.T. Extrem-Leichtbau am Beispiel von Skateboard-Achsen aus Titan. Die Kombination aus bionischem Design und interner Gitterstruktur lässt sich auf viele andere Anwendungen übertragen.

Philipp Manger ist zwar kein Profisportler, aber er fährt wohl eines der teuersten Skateboards weltweit. Einige tausend Euro kosten allein die additiv gefertigten Titan-Achsen. Viel schneller hat ihn das Skateboard nicht gemacht, dafür aber um ein großes Stück additiver Erkenntnis und zahlreiche Branchenkontakte reicher.

»Anfangs war es eigentlich nur eine spontane Idee«, erzählt der 31-jährige Manger. »Doch daraus ist schnell das größte Projekt geworden, das ich bisher auf die Beine gestellt hatte.« Manger ist selbst leidenschaftlicher Skateboard-Fahrer und schon seit fast zehn Jahren in der Longboardszene aktiv. Hier geht es nicht um Tricks, sondern um Geschwindigkeit. Bei Abfahrten von Bergen und Passstraßen werden leicht 90 km/h und mehr erreicht. Entsprechend groß ist die Belastung des Materials, speziell der Achsen.

Man könnte das Prinzip auf sämtliche Bereiche anwenden, wo materialsparender Leichtbau eingesetzt wird.

Der Vortrag eines Airbus-Ingenieurs zum Thema Additive Fertigung animierte Manger, sich selbst mit den Möglichkeiten der metallischen Laserschmelzverfahren intensiver zu beschäftigen. Und letztendlich entstand die Idee, die wichtigsten Teile seines Skateboards zu »drucken«. Dabei konnte der gelernte Konstrukteur auf bereits 15 Jahre CAD-Erfahrung zurückgreifen.

»Hybrid-Topologie«

Schließlich entstanden daraus das Forschungsprojekt »T.O.S.T.« (Topology Optimized Skateboard Trucks) in Kooperation mit dem Fraunhofer IWU aus Dresden und Mangers Abschlussarbeit an der Fachhochschule Jena, wo er Feinwerktechnik studiert. Dabei waren die Skateboard-Achsen der Aufhänger für die Weiterentwicklung von Design und Konstruktion von additiven Bauteilen.

»Ich wollte die verschiedenen Optimierungsmöglichkeiten für die additive Herstellung untersuchen und miteinander vergleichen«, erklärt Manger. Neben der Topologie-Optimierung setzte Manger auf Gitterstrukturen im Inneren der Bauteile. Bei den letztendlich gefertigten Achsen wurden dann beide Ansätze in einer »Hybrid-Topologie« kombiniert.

Um die benötige Stabilität zu ermitteln, führte Manger mehrere Belastungstests selbst durch. Ein eigens entwickelter Datenlogger zeichnet Werte während der Testfahrten auf, unter anderem auch Stöße durch Schlaglöcher und die Kräfte, wenn der Fahrer zum Bremsen das Skateboard querstellt. Des Weiteren wurden experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der Steifigkeitswerte handelsüblicher Skateboard-Achsen am Fraunhofer IWU in Dresden durchgeführt.

Da die benötigten Ressourcen für das T.O.S.T.-Projekt nicht unmittelbar zur Verfügung standen, war Manger auf die Unterstützung von Partnern angewiesen. Diese fand er im Fraunhofer IWU, bei Autodesk und später bei Concept Laser. Autodesk stellt die Software NetFabb und Fusion 360 zur Verfügung.

Die Arbeit mit verschiedenen Softwaretools (möglichst wenige) war dabei auch ein Schwerpunkt des Forschungsprojekts, denn für Manger kam es darauf an, »die Gitterstrukturen bei einer vernünftigen Rechnerleistung zu überprüfen.«

DIE GRENZEN DES MACHBAREN AUSREIZEN

Am Fraunhofer IWU in Dresden wurden die Titan-Achsen auf einer M2 Cusing von Concept Laser »gedruckt«. Fertigungsdauer: rund 40 Stunden pro Achse. Das recht teure Material (TiAl6V4) verwendete Manger wegen der hohen spezifischen Festigkeit und auch aus Gründen des Korrosionsschutzes. Im Anschluss wurden die Achsen unter Vakuum wärmebehandelt, um Spannungen zu minimieren und die Duktilität des Werkstoffs zu erhöhen.

Manger versuchte die Grenzen des Machbaren auszureizen: Die internen, optimierten Gitterstäbe haben einen Durchmesser von 0,2 bis 0,5 mm, die Außenhülle größtenteils weniger als 0,8 mm. »So lässt sich extremer Leichtbau verwirklichen«, freute sich Manger. »Und so lassen sich auch deutliche Gewichtseinsparungen erzielen.«

Zwar werden die teuren Achsen wahrscheinlich nie in Serie gehen, doch das Prinzip der Kombination aus bionischem Design und interner Gitterstruktur lässt sich gut auf andere Anwendungen übertragen. »Man könnte das Prinzip in sämtlichen Bereichen anwenden, in denen materialsparender Leichtbau eingesetzt wird«, erklärt Manger. Auch deshalb wurde das Projekt unter anderem für das Finale der TCT Awards nominiert.

Eine weitere Erfolgsgeschichte konnte Manger auf der formnext 2017 schon berichten. An allen vier Ständen seiner Projektpartner war sein Board zu sehen. Und jeder Aussteller hatte zuvor das nicht gerade günstige Schmuckstück beim Fraunhofer IWU erworben.

Video zum Projekt