Vorteq nutzt Artec Leo zur Entwicklung von extraschnellem Profirennrad

Von Matthew McMillion

Herausforderung: Ein auf Sporttechnologie spezialisiertes Forschungs- und Entwicklungsunternehmen stellt mithilfe hochauflösender 3D-Aufnahmen von Profifahrrädern ein außergewöhnlich aerodynamisches Rennrad her.

Lösung: Artec Leo, Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Wrap

Ergebnis: Verschiedene Profirennräder wurden mit dem professionellen 3D-Handscanner Artec Leo erfasst. Die präzisen 3D-Modelle der Rahmen und Bauteile wurden mit 3D-Daten des industriellen 3D-Scanners mit messtechnischer Genauigkeit Artec Space Spider in FEA (Finite Element Analysis)- und CFD (Computational Fluid Dynamics) -Analysen zusammengeführt, um ein einzigartiges Bahnrad zu entwerfen.

Beim Profi- und olympischen Radsport dreht sich alles um die Überwindung des Luftwiderstands. Nun hat das britische Unternehmen Vorteq sich der Sache angenommen und gemeinsam mit den Ingenieuren des Fahrradproduzenten Worx ein Track Bike entworfen, das die Luft durchschneidet und in der Rennradbranche Aufsehen erregt. Möglich wurde dies mithilfe modernster handgeführter 3D-Scantechnologie sowie durch den Einsatz wegbereitender CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics), CAD-Expertise und dem innovativen Problemlösungsansatz des Design Thinking.

Das Vorteq Bahnrad WX-R. Quelle: Vorteq

Gemeinhin sind bis zu 80 Prozent des Luftwiderstands, dem ein Radfahrer ausgesetzt ist, auf seinen Körper zurückzuführen, während das Fahrrad für die restlichen 20 Prozent verantwortlich ist. Doch diese Zahlen sind nicht in Stein gemeißelt. Angenommen der Körper eines Radprofis ist durch das Tragen eines Vorteq Zeitfahranzugs so aerodynamisch wie möglich, kann er damit seinen Widerstandskoeffizienten im Vergleich zu jemandem mit herkömmlicher Fahrradbekleidung drastisch senken. Danach bleibt nur noch das Fahrrad selbst, um entscheidende Sekunden zu sparen. Wer hier die beste Stromlinienform findet, ist klar im Vorteil.

So kann sich bei einer fünfstündigen Fahrradetappe eines Triathlons der Einsatz eines aerodynamischen Fahrrads gegenüber dem eines regulären Rennrads durchaus auszahlen und der Fahrer überquert die Ziellinie mehrere Minuten vor seinem Konkurrenten. Doch was, wenn ein noch schnelleres Fahrrad ins Spiel kommt – eines, das sich selbst von der Spitzengruppe absetzt?

Das Vorteq WX-R von vorn mit Blick auf die Gabel. Quelle: Vorteq

Schon seit Jahrzehnten versuchen Fahrradhersteller, ihre Produkte zu optimieren, doch oft kopieren sie dabei lediglich das Design der Konkurrenz. Zwar nutzen sie gelegentlich auch Windtunnel und CFD-Analysen, doch einen wesentlichen Aspekt in der Geschwindigkeitsgleichung lassen sie meist außer Acht: den menschlichen Faktor. Die Radprofis selbst, ihre Räder und insbesondere die Sitzhaltung der Athleten – dies alles zusammen stellt eine wichtige Datenquelle dar, die nur darauf wartet, ausgewertet zu werden.

Mit ihrer jahrelangen, durch die Arbeit im Formel-1- und Motorsportbereich erworbenen CFD-Expertise sowie ihrer Erfahrung bei der Lösung kniffliger ingenieurtechnischer Herausforderungen und der Entwicklung anspruchsvoller Kundenlösungen haben die Konstrukteure von dem TotalSim-Unternehmen Vorteq sich zum Ziel gesetzt, das schnellste Bahnrad der Welt zu entwerfen.

Vorteqs Lenker aus der Tokyo Edition. Quelle: Vorteq

In der ersten Projektphase erfasste Vorteq eine Reihe von Profirädern in hochauflösendem 3D. Die dabei gewonnenen 3D-Modelle der Fahrräder wurden für moderne CFD-Analysen sowie für neueste Forschungs- und Prüftechniken im Windkanal eingesetzt. Im Zuge dessen untersuchten die Spezialisten auch das kinesiologische Fahrverhalten der Radprofis (bei denen es sich um die Besitzer der Räder handelte). Nach Auswertung all dieser Informationen wurde schließlich das ultimative Bahnrad Vorteq WX-R entwickelt.

Bei der Suche nach einem professionellen handgeführten 3D-Scanner, der alle Anforderungen hinsichtlich Präzision, Scangeschwindigkeit und mobiler Flexibilität erfüllt, schälte sich rasch ein Gerät heraus: Artec Leo, ein preisgekrönter, kabelloser 3D-Scanner, der eigens für die Erfassung mittelgroßer Objekte in hochauflösenden Farben konzipiert ist. Mit diesem Scanner, der Vorteq von Artec Ambassador Central Scanning empfohlen und zur Verfügung gestellt wurde, konnte jedes Profirennrad in weniger als einer Minute vollständig erfasst werden.

Der Artec Leo. Quelle: Artec 3D

Alex Chung vom britischen Unternehmen Central Scanning meint dazu: „Vorteqs Muttergesellschaft TotalSim war im Januar 2019 das erste Unternehmen Großbritanniens, das auf das Flaggschiff Artec Leo setzte – mit vollem Erfolg. Als erfahrener Artec-Nutzer profitierte Vorteq bei der 3D-Erfassung der Athleten bereits damals vom hohen Aufnahmetempo, der Tragbarkeit und der Wendigkeit des Artec Leo und revolutionierte damit den Workflow seines Skinsuitdesigns. Ein ähnlicher Coup gelang ihnen nun bei seinem neuen Vorteq-Projekt: Hier nutzten die Scanspezialisten Leos einzigartige Kombi aus Scanleistung und Flexibilität zur Entwicklung des sensationellen WX-R Bikes. Central Scanning ist stolz darauf, so innovationsfreudige Unternehmen wie TotalSim und Vorteq unterstützen zu dürfen.“

Ein Athlet wird im SSEH-Windtunnel mit dem Artec Leo gescannt. Quelle: Artec 3D

Vorteqs Messtechnik-Ingenieur Sam Quilter erläutert die Vorgehensweise seines Teams: „Als erstes scannten wir mit unserem Leo eine bestimmte Auswahl an Fahrrädern. Die auf diese Weise gewonnenen, äußerst präzisen digitalen Modelle verglichen wir in unserem CFD-System auf ihren Luftwiderstand und veränderten dann ihre Struktur so, dass die Leistung stieg. Auf diese Weise konnten wir aus den einzelnen Fahrrädern jeweils die günstigsten Eigenschaften extrahieren und zu einem einzigen Design vereinen. Dieses Modell bildete den Ausgangspunkt unserer Arbeit.“

„Parallel zum Designprozess testeten wir die Athleten auf ihren Rädern im Windkanal des Silverstone Sports Engineering Hub (SSEH), um die Kraftübertragung im Detail zu verstehen, und herauszufinden, welche Auswirkungen sie auf das Fahrrad hat. So gewannen wir zahllose wertvolle Daten, die den Dreh- und Angelpunkt unserer weiteren Designarbeit bildeten“, so Quilter weiter.

„Auch in dieser Entwicklungsphase profitierten wir vom 3D-Scanning: Wir spannten die Fahrräder in eine fest montierte Vorrichtung und setzten dann das Tretlager unterschiedlich starker Belastung aus. Zusätzlich veränderten wir die Neigung des Fahrrads, um herauszufinden, wie stark die Verwindung des Rahmens war. Dabei steigerten die Athleten sich stufenweise bis zur Höchstleistung, um die Physik des Drehmoments von den Pedalen über die Tretlager bis zu den Radnaben abzubilden. Mit unserem 3D-Scanner Artec Space Spider erfassten wir das Rahmenverhalten und generierten Abweichungsdiagramme, um herauszufinden, wie und wo genau sich der Rahmen bog.“

„Da die Rahmen aus Karbonfaser bestanden, traten beträchtliche Abweichungen auf, was bei dieser hohen Krafteinwirkung zu erwarten war. Diese Werte wollten wir quantifizieren – schließlich wissen wir von den Profiradfahrern, dass sie ihre Rennräder gerade auch wegen ihrer Biegsamkeit und Reaktionsfreudigkeit lieben. Zu große Flexibilität führt jedoch zu einem Energieverlust, da ein Teil der Kraft nicht bei den Rädern ankommt, sondern in den Rahmen abgeleitet wird. Natürlich hat uns besonders interessiert, an welchen Stellen sich der Rahmen biegt.“

Fest positionierter Sattel mit Halterung aus Vorteqs Tokyo Edition. Quelle: Vorteq

Quilter und sein Team entwickelten ihren eigenen Workflow für die Nachbearbeitung der Scans von Artec Leo: „Wir importierten die 3D-Daten in die Bearbeitungssoftware Artec Studio, die bei unseren Bike-Scans wirklich schnell war. Danach prüften wir, ob alle Details exakt erfasst wurden – eher eine Vorsichtsmaßnahme, da nie etwas fehlte. Hier und da entfernten wir mit dem Radierer-Tool überflüssige Fragmente. Für die anschließende globale Registrierung nutzten wir die Standardeinstellungen, die für unsere Zwecke perfekt geeignet waren.“

„Wir entschieden uns für eine scharfe Fusionierung, da wir es mit festen Bauteilen und steifen Strukturen zu tun hatten. Anders war es bei der Verarbeitung der Körperscans für unsere Skinsuits, wo wir wegen der organischen anatomischen Oberfläche des menschlichen Körpers eine weiche Fusionierung wählten. Bei der scharfen Fusionierung blieben alle komplexen geometrischen Details erhalten, die wir für das Fahrradmodell benötigten. Schließlich exportierten wir die Daten als OBJ-Datei in Geomagic Wrap, wo wir ein paar zusätzliche Designarbeiten vornahmen, bevor wir das abschließende 3D-Modell an unser maßgeschneidertes CFD-System sendeten“, so Quilter weiter.

Das Vierspeichenvorderrad aus Vorteqs Tokyo Edition. Quelle: Vorteq

Nach der Forschungs- und Entwicklungsphase holte Vorteq zur Realisierung seiner Konstruktion den britischen Fahrradhersteller Worx ins Boot, ein Unternehmen mit Erfahrung in der Produktion von Bahnrädern – wenn auch nicht in der Kategorie des Vorteq WX-R.

Das Vorteq WX-R wurde bereits bei verschiedenen Wettbewerben gefahren und soll bei den Olympischen Spielen in Tokio zum Einsatz kommen. Schon den UCI-Bahn-Weltmeisterschaften Anfang des Jahres 2020 holte es zwei Medaillen, drei persönliche Bestzeiten, zwei Nationalrekorde und einen neuen Asienrekord.

Azizulhasni Awang bei den UCI-Bahnweltmeisterschaften 2020 in Berlin mit seinem Vorteq WX-R auf dem Weg zum Sieg. Quelle: Vorteq

Neben der Entwicklung der weltweit schnellsten Zeitfahranzüge und Bahnräder bietet Vorteq mit seinen Scannern Artec Leo und Space Spider eine breite Palette an 3D-bezogenen Scanservices an – egal ob in seiner Niederlassung in England oder bei Einsätzen rund um den Globus.