Konstruktion, Simulation, Generatives Design und Digitale Fabrik
Konstruktion, Simulation, Generatives Design und Digitale Fabrik
12.12.2018 – Kategorie: Fertigung & Prototyping, Hardware & IT, Werkstoffe
Lamina setzt bei der Herstellung von federleichten und umweltfreundlichen Surfbrettern auf Autodesk-Tools. Mithilfe von Autodesk Fusion 360 bindet das Unternehmen die neuesten digitalen Design-, Simulations- und Produktionswerkzeuge in seinen Produktionsprozess ein.
Lamina setzt bei der Herstellung von federleichten und umweltfreundlichen Surfbrettern auf Autodesk-Tools. Mithilfe von Autodesk Fusion 360 bindet das Unternehmen die neuesten digitalen Design-, Simulations- und Produktionswerkzeuge in seinen Produktionsprozess ein.
Für viele Surfer ist ihr Sport Ausdruck einer harmonischen Verbindung des Menschen mit der Natur. Der Umgang mit den Surfbrettern steht allerdings im Konflikt zu dieser vielfach hervorgehobenen Verbindung: Da sie aus petrochemischen Derivaten bestehen, zerbrechen sie bei häufiger Beanspruchung oft schon nach einem halben, spätestens nach einem Jahr. Oder sie verlieren ihre Schwungkraft. Dies resultiert darin, dass sie auf einer Mülldeponie oder im schlimmsten Fall im Meer selbst entsorgt werden. Dort setzen sie Giftstoffe frei, die dann die Umwelt verschmutzen.
„Der aktuelle Industriestandard besteht darin, nicht erneuerbare Ressourcen wie Polyurethan- oder mit Polyester- oder Epoxidharzen beschichten Polystyrolschaum zu verwenden. Damit lassen sich Boards herstellen, die extrem leicht sind, aber eine sehr kurze Lebensdauer haben“, erklärt Stu Bowen, Circular-Designer und Gründer von Lamina Flow, einem Surfboard-Technologieunternehmen. „Wenn die Bretter dann brechen, werden sie im Grunde genommen zu Giftmüll. Das ist das Problem. Es ist offensichtlich, aber es wird nicht darüber gesprochen. Der Grund: Surfen wird als Teil eines fitten und ambitionierten Lebensstils wahrgenommen.“ Auf Basis der Verkaufszahlen von rund einer halben Million Surfbrettern pro Jahr und der durchschnittlichen Lebensdauer von einem halben Jahr lässt sich schließen, dass jedes Jahr eine Million Surfbretter entsorgt werden.
Ein Blick in die Vergangenheit zeigt, dass die von den Polynesiern verwendeten Original-Surfboards aus natürlichen Materialien wie Holz hergestellt wurden. Das machte Surfboards langlebig und biologisch abbaubar – aber auch extrem schwer. Als sich das Surfen im 20. Jahrhundert weltweit durchsetzte, kamen modernere Fertigungstechniken zum Einsatz. Hier wurden dieselben Schaumstoffe und Glasfasermischungen verwendet, wie sie in der Herstellung moderner Boote zu finden waren. Diese reduzierten das Gewicht der Surfbretter deutlich.
Heute enthalten die meisten Surfboards einen Polyurethan- oder Polystyrolschaumkern, um den Auftrieb der Bretter zu gewährleisten. Der Längs- und Vertikalschnitt wird aus Holz hergestellt und dient der Steifheit des Brettes. Das Obermaterial besteht aus einer mit Harz beschichteten Glasfaserschicht. Damit kann das Board bei einer zu starken Biegung zerbrechen. Darüber hinaus sind alle verwendeten Materialien mit Ausnahme des Längsträgers aus nicht erneuerbaren Rohstoffen hergestellt. Bowen hingegen zeigt mit Lamina-Surfbretten jetzt einen neuen Weg auf.
Bowen, der bereits seit langer Zeit selbst surft, möchte Wirtschaft und Umweltschutz sinnvoll verknüpfen: „Ich glaube, dass Unternehmen die Lösung für viele unserer Umweltprobleme sein können“, sagt er. „Wir müssen nur zusammenarbeiten, um kreative Alternativen und Lösungen auf den Markt zu bringen.“
Als er die Idee für das Lamina-Konzept hatte, begann er in seiner Garage von Hand Prototypen zu bauen. Er wandte sich an Taylor Stein, einen Technologie-Experten bei Autodesk, um Unterstützung bei der Auswahl und dem Einsatz der richtigen Software zu erhalten. Stein half Bowen bei der Implementierung von Autodesk Fusion 360, dem cloud-basierten Tool für die End-to-End-Produktentwicklung. So konnte Bowen nicht nur das Board entwerfen, sondern auch die Dynamik des Boards simulieren, optimieren und dann die Fertigung begleiten.
Inspiriert von biegsamen Skiern und Snowboards ergibt sich hieraus der neue Ansatz von Lamina: Im Kern besteht das Board aus mehreren Schichten, die flächig verklebt werden. Auf den Träger aus Holz wird komplett verzichtet – die Steifheit des Boards und die anderen Eigenschaften können so von Grund auf präzise ausgelegt werden. Zwischen den Schichten befinden sich verschiedene Verstärkungen, die beim Aushärten vorgespannt werden. Dies gibt dem Board mehr Dehnungspotential und Rückfederung und dadurch eine höhere Bruchfestigkeit.
Zusätzlich zur Erhöhung der Haltbarkeit entwickelt Lamina ein Board, das nicht nur bezüglich der Form, sondern auch in Hinblick auf die Fahrdynamik reproduziert werden kann. Die von Lamina speziell entwickelte Struktur bietet auch eine bessere Leistung: Das Board tariert die Kräfte, die auf das Surfbrett einwirken, perfekt aus. Dazu gehören die Wassergravitation, der Auftrieb, die Meeresenergie, das menschliche Gewicht, die Kompression sowie die Spannung. „Lamina-Boards wurden entwickelt und konstruiert, um Flexibilität, Performance und Beweglichkeit im Handumdrehen zu ermöglichen“, erläutert Bowen.
Anstelle der fehleranfälligen, arbeits- und abfallintensiven Handarbeit an Prototypen tritt die digitale Planung und Konstruktion eines 3D-Modells, mit dem sich Simulationen durchführen und in mehrfachen Wiederholungen optimieren lassen: „Wir haben vielleicht 100 verschiedene Iterationen über sechs Monate hinweg gemacht. Wenn ich das per Hand machen würde, hätte es Monate gedauert und ein kleines Vermögen gekostet“, sagt Bowen.
Die hoch präzise digitale Konstruktionsplanung bietet viele Vorteile: Das Team verwendet derzeit Substraktionsverfahren, um einen Prototyp herzustellen. Jeder Fertigungsschritt lässt sich dabei in Autodesk Fusion 360 planen und digital konstruieren. So werden auch die verschiedenen Lamellen entworfen. Eine dreiachsigen CNC-Fräsmaschine, die auf die zuvor in Fusion programmierten Werkzeugwege zurückgreift, schneidet sie dann zu. „Durch die Zusammenarbeit mit Autodesk konnte ich das Engineering digitalisieren, optimieren und perfektionieren, indem ich tief in die Makro-, Mikro- und sogar Nano-Präzision eintauchte“, so Bowen. Er weist darauf hin, dass Fusion ihm auch die Anwendung additiver Fertigungsstrategien ermöglicht.
Darüber hinaus ist in Autodesk Fusion 360 eine zeitzonen- und standortunabhängige Zusammenarbeit möglich: Datenaustausch auf dem stets neusten Stand und die Mitverfolgung von Fortschritten innerhalb des Teams in Echtzeit erfolgen problemlos durch die Cloud-basierte Plattform.
Während momentan Polystyrol-Schaumstoffe für Rapid Prototyping verwendet werden, erforscht das Team die zukünftige Verwendung umweltfreundlicherer Materialien wie Bio-Schaumstoffe, Bio-Harze und Bio-Fasern. Dank der neuen Herstellungsprozesse können sie aus einer großen Materialvielfalt auswählen.
Der von Lamina entwickelte Fertigungsansatz ermöglicht es, die Produkte an die unterschiedlichen Bedingungen und Anforderungen der Surfer anzupassen und zu entwickeln. Die Konstrukteure beginnen auch mit Experten zu arbeiten, die Boards für die Profis entwickeln. „Ich möchte den besten Konstrukteuren der Welt kontinuierlich einen Mehrwert bieten, um die Grenzen des Sports zu erweitern, sowohl in Bezug auf Leistung als auch auf Nachhaltigkeit“, so Bowen. Für Stein hingegen ist die Zusammenarbeit mit Lamina eine Chance, die Autodesk Fusion 360-Plattform „nicht nur zu testen, sondern auch voranzutreiben“. Letztendlich geht es für Bowen darum, bei seinem Lieblingssport Spaß mit Nachhaltigkeit zu verbinden: „Die Leute sagen oft, dass man nachhaltige Surfboards nicht besser machen kann als normale Surfboards“, so Bowen. „Ich habe festgestellt, dass dies möglich ist.“
Bild oben: Das Lamina-Board weist mit seiner Bauweise eine höhere Bruchfestigkeit auf. Bild: Lamina Flow
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