und entsprechend hergestellter Pedelec-Rahmen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Pedelec-Rahmens, bei dem zwei Kunststoff-Halbschalen zusammengefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Pedelecs unterscheiden sich von einem normalen Fahrrad durch einen zusätzlichen Elektromotor, ein Batterieelement zum Motorantrieb sowie in der Regel durch eine Steuerelektronik für den Motor. In der Praxis werden Pedelec-Rahmen häufig manuell gefertigt.

Üblicherweise werden Fahrradrahmen aus Stahlrohren hergestellt, die zusammengelötet oder verschweißt werden. Neben Stahl werden seit einiger Zeit zunehmend auch andere Werkstoffe wie Aluminium, Titan und faserverstärkte Kunststoffe verwendet, um das Gewicht des Rahmens zu reduzieren. Diese werden dann verschweißt oder verklebt, um die gewünschte Rahmengeometrie zu erhalten. Der Fügeprozess ist sehr zeitaufwendig und arbeitsintensiv. Bei Pedelecs besteht die Besonderheit, dass diese - wie eingangs erwähnt - zusätzlich mit einem Elektro-Motor und wenigstens einem Batterieelement ausgestattet sein müssen. Der Elektro-Motor kann zur Unterstützung des Pedalantriebs durch den Fahrer zugeschaltet werden. Des Weiteren enthalten Pedelecs oftmals eine Steuerelektronik, die die aufgewandte Kraft oder die Geschwindigkeit misst und bei Erreichen bestimmter Werte den Mo- tor betätigt bzw. abschaltet. Die zusätzlichen Elemente eines Pedelecs haben zur Folge, dass die Rahmenrohre mit einem vergleichsweise großen Durchmesser gefertigt werden müssen, um die Versorgungselemente darin unterzubringen. Teilweise werden diese Elemente auch außen am Rahmen befestigt, was jedoch ästhetisch nicht sehr ansprechend ist. Es gab bereits einige Ansätze, Fahrradrahmen aus zwei Halbschalen herzustellen. Ein solcher Rahmen ist beispielsweise in der DE 10 2011 053 100 A1 offenbart. Die Halbschalen werden dabei in einem Schritt zusammengefügt und durch Kleben oder Schweißen mitei- nander verbunden. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Klebeverbindung bzw. die Schweißnaht nach dem Fügevorgang nur schwierig kontrolliert und nicht korrigiert werden kann. Des Weiteren ist der Fügevorgang auch bei dieser Konstruktion sehr zeitaufwändig, da sehr präzise gearbeitet werden muss und die Klebeverbindung anschließend aushärten muss. Zur Verbindung von zwei Halbschalen ist es aus der US 5 913 529 bekannt, zwischen den Fügerändern ein nutförmiges Zwischenelement vorzusehen. So können die Rahmenhälften passgenau zusammengefügt werden. Jedoch muss auch hier der Fügevorgang sehr sorgfältig durchgeführt werden, da der Kleber mit dem Zusammenfügen aufgetragen wird und somit auch bei diesem Verfahren eine Korrektur später nicht mehr möglich ist.

Es ist ferner auch bekannt, traditionelle Fahrrad-Rahmen aus Metall teilweise mittels eines Laserstrahls zu verschweißen. Dies zeigt zum Beispiel die DE 1 98 248 33 A1. Aufgrund der neuen Entwicklungen im Bereich der Elektrofahrräder haben sich die Bedürfnisse und die Anforderungen an ein Fahrrad geändert. Metall eignet sich für Pedelec-Rahmen nur sehr bedingt. Aufgrund der zusätzlichen Versorgungselemente ist es vorteilhafter, eine leichte Rahmenkonstruktion zu wählen, um das Gesamtgewicht des Rahmens möglichst gering zu halten. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Pedelec-Rahmens aus Kunststoff bereit zu stellen, das mit geringem Zeitaufwand durchführbar und gut kontrollierbar ist, so dass auf kostengünstige Weise ein hohes Fertigungsniveau erreichbar ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Pedelec-Rahmens aus Kunststoff,

- wobei dieser durch Zusammenfügen zweier entsprechender Kunststoff-Halbschalen hergestellt wird,

- wobei der Pedelec-Rahmen Aufnahmen für einen Lenker, für ein Tretlager und vorzugsweise für einen Fahrersattel aufweist, und

- wobei die beiden Kunststoff-Halbschalen randseitig, vorzugsweise umlaufend, mit- tels Laserstrahlung stoffschlüssig miteinander zum Pedelec-Rahmen verschweißt werden und hierbei mindestens einen inneren Hohlraum bilden, der vorzugsweise zur Aufnahme mindestens einer Pedelec-Komponente dient.

Die vom Hohlraum aufgenommene Pedelec-Komponente kann z.B. ein Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie und/oder ein Elektromotor des Pedelecs sein. Zweckmäßigerweise wird durch das Zusammenfügen der Kunststoff-Halbschalen für den Energiespeicher und/oder den Elektromotor und/oder das Tretlager im inneren Hohlraum jeweils eine definierte Positionierung geschaffen. Neben den Aufnahmen für Lenker, Tretlager und ggf. Fahrersattel kann der Pedelec-Rahmen einen in die Halbschalen integrierten Hinterbau für die Lagerung des Hinterrads aufweisen. Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, dass zur Lagerung des Hinterrads an dem Pedelec-Rahmen ein separater Hinterbau befestigt ist. Dieser Hinterbau kann mit einer Federung versehen sein.

Die Halbschalen sind dabei vorzugsweise im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander ge- formt. Durch ihr Zusammenfügen entsteht zwischen den Halbschalen ein innerer Hohlraum, in dem zumindest die wesentlichen Bestandteile eines Pedelecs untergebracht werden können. Die Innenseiten der Halbschalen enthalten zweckmäßigerweise Positionierungselemente für den Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, und/oder für den Elektromotor und/oder für das Tretlager. Diese Positionierungselemente sind zweckmäßigerweise einstückig an eine der beiden oder auch einstückig an beide Halbschalen angeformt. In den Aufnahmen des Pedelec-Rahmens können entsprechende Aufnahmehülsen für den Lenker, das Tretlager oder den Fahrersattel vorgesehen sein, um jeweils eine nahtfreie, stabile Aufnahmevorrichtung zu schaffen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es aufgrund der automatisierbaren Laserverschweißung eine kostengünstige Herstellung von qualitativ hochwertigen Pedelec-Rahmen bei hohen Stückzahlen ermöglicht. Ferner gestaltet es sich weniger zeitaufwendig als bekannte Klebeverfahren, da kein Aushärten des Klebstoffes erforderlich ist.

Das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren lässt sich auch deshalb sehr gut automati- sieren, weil nur zwei Bauteile in Form der zwei Halbschalen miteinander verbunden werden müssen. Diese Eigenschaft ist bei der Herstellung von Pedelec-Rahmen von besonderer Bedeutung, um die Herstellungskosten niedrig zu halten. Durch die Automatisierung entfällt zudem ein Wendevorgang, der bei der Verschweißung rohrförmiger Teile durchgeführt werden muss. Die Halbschalen werden vorzugsweise aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff hergestellt, der insbesondere ein teilaromatisches Polyamid enthalten kann. Diese Werkstoffgruppe eignet sich für die Rahmenkonstruktion besonders wegen ihrer hohen Steifigkeit, der geringen Wasseraufnahme sowie der hohen thermischen Beständigkeit. Überraschenderweise ist diese Werkstoffgruppe auch sehr gut für eine Laserverschwei- ßung geeignet. Das teilaromatische Polyamid kann aliphatische Dicarbonyl- Wiederholeinheiten und aromatische Diamino-Wiederholeinheiten enthalten oder alternativ aromatische Dicarbonyl-Wiederholeinheiten und aliphatische Diamino-Wiederholeinheiten. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Mischung der vorgenannten Substanzen. Insbe- sondere kann das teilaromatische Polyamid meta-Xylylendiamin-Wiederholeinheiten und 1 ,6-Hexandionyl-Wiederholeinheiten enthalten. Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass der thermoplastische Kunststoff neben dem teilaromatischen Polyamid auch ein aliphatisches Polyamid enthält. Der Gewichtsanteil des teilaromatischen Polyamids bezogen auf die gesamte Kunststoff masse ohne Faserverstärkung beträgt mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 %.

Der verwendete thermoplastische Kunststoff ist so ausgewählt, dass er zur Herstellung von Spritzgussteilen geeignet ist. Das Spritzgießen ist ferner auch der bevorzugte Verfahrensschritt zur Herstellung der beiden Halbschalen. Es ermöglicht eine extrem hohe Formvielfalt und eignet sich insbesondere auch dazu, die oben beschriebenen Positionierungselemente zur Positionierung von Elektromotor und Energiespeicher über eine entsprechende Formgestaltung der Spritzgusswerkzeuge auf einfachste Weise an die Halbschale/n anzuformen. Der Gewichtsanteil der Fasern im faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff beträgt zweckmäßigerweise 15 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 %. Überraschenderweise ist auch dieser hochgefüllte und daher hochbelastbare Kunststoff sehr gut zum Laserschweißen geeignet. Alternativ kann für etwas niedrigere Anforderungen der Gewichtsanteil 20 bis 40 % betragen. Mit einem Gewichtsanteil der Fasern unter 15% besäße das Marterial eine zu geringe Festigkeit. Bei einem Gewichtsanteil über 70% besäße das Material hingegen eine geminderte Formbarkeit. Außerdem sind Kunststoffe mit einem solch großen Faservolumen zu starr und spröde für die Verwendung in einem Pedelec-Rahmen.

Um die Festigkeit des Kunststoffes zu erhöhen, enthält er zweckmäßigerweise Glas- und/oder Carbon- und/oder Aramidfasern, vorzugsweise lediglich Glasfasern. Diese sind im Vergleich zu Carbon- und Aramidfasern kostengünstiger und besitzen trotzdem eine sehr gute Armierungswirkung bei gleichzeitig sehr hoher thermischer und chemischer Stabilität. Zweckmäßigerweise beträgt die durchschnittliche Länge der Fasern im fertigen hergestell- ten Bauteil, also dem Pedelec-Rahmen, weniger als 15 mm (z.B. bei Verwendung eines Langfasercompounds), vorzugsweise weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm. Es eignen sich insbesondere Kurzfasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm, z.B. weniger als 2 mm bzw. weniger als 1 mm, welche in der Kunststoff-Matrix fein verteilt im Spritzgussverfahren problemlos verarbeitet werden können. Zudem sind kurze Fasern wesentlich kostengünstiger als Langfasern.

Zweckmäßigerweise weist der Fügerand der einen Halbschale eine Nut und der Fügerand der anderen Halbschale eine in die Nut eingreifende Feder auf. Nut und Feder sind vor- zugsweise so dimensioniert, dass bereits bei deren Zusammenfügen vor dem Laserschweißvorgang eine Klemmverbindung entsteht. Dazu weist entweder die Feder ein leichtes Übermaß oder die Nut ein leichtes Untermaß auf. Dadurch werden die zwei Halbschalen vor dem Schweißvorgang zunächst gegeneinander vorfixiert. Dies ermöglicht eine Kontrolle des korrekten Zusammenfügens der Halbschalen vor dem irreversiblen Schweißvor- gang. Im Bedarfsfall kann die Nut-Feder- Verbindung noch einmal vor dem Schweißvorgang gelöst werden. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die korrekte Positionierung von Elektromotor und Energiespeicher in dem von den beiden Halbschalen gebildeten Hohlraum zu kontrollieren, bevor der Schweißvorgang durchgeführt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Laserdurchstrahlschweißverfahren verwendet. Dabei wird einer der Fügepartner, welcher lasertransparent ausgebildet ist, durchstrahlt und die Energie vom zweiten, laserabsorbierenden Fügepartner an dessen Oberfläche absorbiert. An dieser Oberfläche schmilzt der Kunststoff, so dass hierdurch die beiden Fügepartner stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Dazu ist es er- forderlich, dass eine der Halbschalen im Bereich der Laserwellenlänge einen hohen Transmissionsgrad aufweist, während die andere Halbschale bei dieser Wellenlänge einen hohen Absorptionsgrad aufweist. Die Laserabsorption kann beispielsweise erreicht werden, indem dem Kunststoff der einen Halbschale Laserpigmente, vorzugsweise Ruß, zugesetzt werden. Zweckmäßigerweise ist die Halbschale, deren Fügerand die Nut bildet, lasertransparent und die Halbschale, deren Fügerand eine Feder bildet, laserabsorbierend.

Der eingesetzte Laser kann ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 500 bis 1100 nm sein, z.B. ein Festkörper-Dioden-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder ein

Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 980 nm. In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 1300 nm bis 2200 nm, vorzugsweise von 1400 nm bis 2000 nm verwendet. Im Bereich dieser Wellenlängen können die Makromoleküle des Kunststoffes direkt durch die Laserstrahlung angeregt werden und dieser erreicht so die nötige Schweißtemperatur. Eine Pigmentierung des Kunststoffes ist daher bei diesen Wellenlängen nicht mehr notwendig. Vorzugsweise weist der Laser einen Dioden-Emitter mit Thulium und/oder Erbium auf. Die Schmelzzone wird bei diesem Schweißverfahren durch eine Fokussierung des Laserstrahls auf den gewünschten Bereich bestimmt.

Unabhängig vom eingesetzten Laserverfahren kann zumindest eine der beiden Halbschalen kann aus einem für das menschliche Auge durchsichtigen Kunststoff hergestellt werden, sodass nach dem Schweißvorgang eine optische Kontrolle der Schweißnaht möglich ist. Vorzugsweise ist dies die Nut bildende Halbschale.

Um den Pedelec-Rahmen ästhetisch ansprechend zu gestalten, wird in der Regel eine blickdichte Lackierung der zum Pedelec-Rahmen zusammen gefügten Halbschalen durchgeführt. Dadurch wird auch die ggf. unterschiedliche Optik der beiden Halbschalen, welche insbesondere beim Laserdurchstrahlverfahren aus der zuvor beschriebenen unterschiedlichen Pigmentierung der beiden Halbschalen resultieren kann, eliminiert.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Pedelec-Rahmen, hergestellt nach einem der vorstehenden Verfahren.

Kurzbeschreibunq der Zeichnungen

Nachfolgend werden lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer

Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen erfindungsgemäß hergestellten Pedelec-Rahmen in einer dreidimensionalen

Darstellung;

Fig. 2 den Querschnitt A-A in Fig. 1 während des Fügevorgangs;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer der Fig. 2 entsprechenden

Darstellung; Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig .2 in dreidimensionaler Darstellung und

Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3 in dreidimensionaler Darstellung.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Pedelec-Rahmen 1 , wobei dieser durch das Zusammenfügen zweier entsprechender Kunststoff-Halbschalen 2, 3 hergestellt wird. Der Pedelec-Rahmen 1 weist eine Aufnahme 12 für einen Lenker 4, eine Aufnahme 13 für ein Tretlager 5 und eine Aufnahme 14 für einen Fahrersattel 6 auf. Lenker 4, Tretlager 5 und Fahrer- sattel 6 sind in der Fig. 1 lediglich angedeutet. An dem Pedelec-Rahmen ist ein gestrichelt dargestellter Hinterbau 60 befestigt, der zur Aufnahme des (nicht dargestellten) Hinterrads des Pedelec dient und mit einer nicht näher dargestellten Federung versehen sein kann. Beim Zusammenfügen wurden die beiden Kunststoff-Halbschalen 2, 3 randseitig unter Bildung einer um den Pedelec-Rahmen 1 umlaufenden Schweißnaht 20 (s.a. Fig. 2 bis 5) mit- tels Laserstrahlung stoffschlüssig miteinander zum Pedelec-Rahmen 1 verschweißt. Hierdurch bilden die Kunststoff-Halbschalen gemeinsam einen inneren Hohlraum 7, der eine Batterie 30, einen Elektromotor 40 und auch das Tretlager 5 des Pedelec aufnimmt. Durch das Zusammenfügen der Kunststoff-Halbschalen 2, 3 werden ferner Batterie 30, Elektromotor 40 und das Tretlager 5 im inneren Hohlraum 7 jeweils an einer definierten Stelle positio- niert. Die mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellten Kunststoff-Halbschalen 2, 3 weisen hierzu einstückig angeformte Positionierungselemente 50 auf, die Elektromotor 40, Batterie 30 und Tretlager 5 jeweils in der gewünschten Position halten.

Die Halbschalen 2, 3 sind jeweils aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff hergestellt, wobei als Kunststoff-Material ein teilaromatisches Polyamid verwendet wurde. Die Faserverstärkung besteht aus fein in der Kunststoff-Matrix dieses Polyamids verteilten reinen Glasfasern mit einer durchschnittlichen Faserlänge von ca. 3 mm im fertigen Bauteil. Der Gewichtsanteil der Fasern im faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff beträgt im Ausführungsbeispiel 50 %. Nach dem Schweißvorgang werden die zum Pedelec-Rahmen zusammengeschweißten Halbschalen 2, 3 blickdicht lackiert.

Den Figuren 2 bis 5 ist zu entnehmen, dass der Fügerand der einen Halbschale 3 in Form einer Nut 9 gestaltet ist, während der Fügerand der anderen Halbschale 2 so ausgebildet ist, dass er eine Feder 10 bildet. Beim Zusammenfügen der Halbschalen 2, 3 werden die Stirnseiten 70 der beiden Fügeränder miteinander in Kontakt gebracht (s. Fig. 4, 5). Die in Fig. 2 dargestellte Querschnittsdarstellung zeigt den Schnitt A - A in Fig. 1 durch die Kunststoff-Halbschalen 2, 3, welche randseitig und umlaufend mittels Laserstrahlung 8 stoffschlüssig miteinander verschweißt wurden. Der Kunststoff der Halbschale 3, welche eine Nut bildet 9, ist für den verwendeten Laser 8 transparent. Die andere Halbschale 2 ist hingegen aus einem Material, das für den verwendeten Laser 8 absorbierend ist. Um die Laserabsorption zu erreichen, wurde dem Kunststoff dieser Halbschale 2 Ruß (durch Schraffur angedeutet) zugesetzt. Zum Verbinden der beiden Halbschalen 2, 3 gemäß Fig. 2 kommt das Laserdurchstrahlschweißverfahren zur Anwendung, wobei zur Erzeugung der Laserstrahlung ein Diodenlaser 8, z.B. mit einer Wellenlänge von 1064 nm, verwendet wird. Der Laserstrahl durchstrahlt die eine lasertransparente Halbschale 3 und die Energie des Lasers wird von der zweiten laserabsorbierenden Halbschale 2 an deren Oberfläche absorbiert. Dort schmilzt der Kunststoff auf, so dass dort unter Bildung der Schweißnaht 20 eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Halbschalen 2, 3 entsteht. Die Halbschale 3 besteht aus ferner auch aus einem für das menschliche Auge durchsichtigen Kunststoffmaterial, so dass die Schweißnaht 20 optisch kontrolliert werden kann.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Schweißverfahren. Zum Verbinden der beiden Halbschalen 2, 3 wird hier ein Diodenlaser 11 mit einer Wellenlänge von 1400 nm bis 2000 nm verwendet. Die Makromoleküle des Kunststoffs können bei dieser Wellenlänge direkt angeregt werden, indem der Laserstrahl entsprechend fokussiert wird. Die gewünschte Schmelzzone 20 entsteht durch eine entsprechende Fokussierung des Laserstrahls auf die Fügenaht zwischen den beiden Halbschalen 2, 3. Auch hier ist die Halbschale 3 aus einem für das menschliche Auge durchsichtigen Kunststoffmaterial hergestellt. Fig. 4 und 5 zeigen jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der Fügeverbindung der zwei Halbschalen 2, 3. Die Geometrie der Nut-Feder-Verbindung ist derart beschaffen, dass bereits durch das Einfügen der Feder 10 in die Nut 9 eine Klemmverbindung entsteht, die die zwei Halbschalen 2, 3 schon vor dem Laserschweißen gegeneinander vorfixiert. Dazu hat die Feder 10 gegenüber der Nut 9 ein leichtes Übermaß.

- Patentansprüche -