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Back 2.1.2017

Wie sich Zipp Bionik zunutze machte

Aus Neugier studierten Zipp-Ingenieure die Flossen von Buckelwalen für die Entwicklung des Zipp 454 NSW

 Photo by Beardy Mcbeardy

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Zipp-Ingenieure hatten eine radikale Idee: Die Entwicklung eines Laufrads, das nicht vollkommen rund ist… zumindest nicht entlang des Innendurchmessers, wo die Speichen befestigt werden. Sie glaubten, dass wellenförmige Carbon-Höcker die aerodynamische Effizienz und Stabilität verbessern könnten.

Diese Prämisse wurde in Form des neuen 454 NSW Carbon-Clincher mit seiner Sawtooth™-Felgenarchitektur mit Hyperfoil™-Verzweigungspunkten und Hexfin™-Vertiefungen zur Realität. Die Entwicklungsreise dauerte vier Jahre und wurde erst möglich, weil sich die Ingenieure ein Konzept aus der Natur – insbesondere das der Flossen von Buckelwalen – zunutze machten und so das innovativste und effizienteste Laufrad in der 28-jährigen Geschichte von Zipp schufen.

Michael Hall ist Advanced Development Director von Zipp und hat, als er im Motorsport tätig war, bereits wellenförmige Tragflächen an Autos und bei Schiebedächern beobachtet. Er wollte unbedingt ein ähnliches Konzept an Fahrrädern testen. Seine Ingenieurskollegen bei Zipp teilten seine Neugier und produzierten daraufhin Laufradprototypen mit einer unkonventionellen auf- und absteigenden Form entlang des Innendurchmessers der Felge. Die ersten Ergebnisse im Windkanal waren wenig überzeugend. Halls Team probierte ständig neue Formen, doch die Ingenieure waren sich immer noch nicht ganz darüber im Klaren, wie sie diese wellenförmigen Carbon-Höcker weiterentwickeln konnten.

Somit versetzte sich David Morse, Entwicklungsingenieur bei Zipp, zurück in seine Studienzeit und begann, Bücher zu wälzen.

Zu diesem Zeitpunkt wurden Begriffe wie „Tuberkel“ und „Bionik“ in den Wortschatz der Zipp-Ingenieure aufgenommen.

Tuberkel sind kleine, runde Ausbuchtungen an der Oberfläche einer Pflanze oder eines Tieres. Während seiner Forschung zu welligen Formen und Strömungsmechanik stieß Morse auf akademische Studien zum Effekt von Tuberkeln an den Flossen von Buckelwalen. In der Einleitung eines Artikels im Fachjournal „Integrative and Comparative Biology“ stand: „Buckelwale nutzen äußerst mobile, flügelartige Flossen zum Neigen und Wenden. Bei den großen, runden Tuberkeln entlang der Vorderseite der Flosse handelt es sich um in der Natur einzigartige morphologische Strukturen.“ 

„Die Natur gilt mittlerweile als Vorlage zur Optimierung mechanischer Geräte und Abläufe.“

Bionik ist das Thema zahlreicher Forschungsartikel, unter anderem auch „Die Tuberkel auf den Flossen von Buckelwalen: Anwendung von biologisch inspirierten Technologien“ im Fachjournal „Integrative and Comparative Biology“.

Die Natur macht selbstverständlich vieles richtig. Aber wie kann all das auf Laufräder angewendet werden? Derselbe Artikel erwähnt auch das Potenzial eines innovativen Ansatzes namens Bionik: die Orientierung an Systemen aus der Natur zur Lösung menschlicher Probleme. „Die Natur gilt mittlerweile als Vorlage für die Optimierung mechanischer Geräte und Abläufe sowie für die Entwicklung völlig neuer Technologien“, so die Autoren der Studie, darunter der renommierte Bionik-Forscher Frank Fish von der West Chester University in Pennsylvania, USA. Wie sich herausstellte, sind Buckelwale trotz ihres Gewichts von 25-40 Tonnen flinke und akrobatische Schwimmer, wenn sie sich auf die Jagd nach Krill begeben. Das liegt zu einem großen Teil an Tuberkeln an der Vorderseite ihrer Flossen.

Tuberkel bei HyperFoils

Die Zipp-Ingenieure hatten einen neuen Bezugspunkt für ihre Experimente. Die Tuberkel brachten neue Entwurfsideen und Inspirationen hervor, unter anderem tuberkelähnliche Formen für eine höhere Effizienz von Windmühlenflügeln.

„Wir haben versucht herauszufinden, warum diese Form in anderen Branchen so gut funktioniert. Wie ist es dazu gekommen? Die Idee kam nicht vom Buckelwal, doch wir studierten zunächst die Forschungen über den Buckelwal und entwickelten die Idee dann weiter“, so Ruan Trouw, Entwicklungsingenieur bei Zipp.

Zipp-Ingenieure haben 35 Felgenprototypen getestet und verworfen, bevor sie die Form entdeckten, die später als die Sawtooth-Felgentechnologie des 454 NSW bekannt wurde.

Fortschritt benötigt Zeit. Die Entwicklung des 454 NSW – mit seinen Hyperfoils, die aus dem umfangreichen Studium der Tuberkel entstanden – dauerte vier Jahre. Dazu zählten 36 Prototypen und 252 Stunden im Windkanal. Die Zipp-Ingenieure setzten auch einen Windsensor für Tests auf der Straße ein. Das Ergebnis ist ein Laufradsatz mit deutlich höherer aerodynamischer Effizienz und Stabilität bei Seitenwinden als bei Laufrädern mit herkömmlicher Form. So ermöglicht das 454 NSW unter den Gierwinkeln in den am häufigsten auftretenden Fahrbedingungen beispielsweise eine Senkung der seitlich wirkenden Kräfte um 5 Prozent.

Zipp-Ingenieure entwickelten Windsensoren für Tests am Fahrrad.

Hall, Trouw und Morse arbeiten in einem Labor mit beschränktem Zugang und in einer Minifabrik in der Ecke des Zipp-Werks. Hall gab dem Raum den Spitznamen „das Nest“, weil Zipp früher häufig Vogelgattungen als interne Projektnamen verwendete („Firecrest“, zu Deutsch Sommergoldhähnchen, war ein interner Name, aus dem auch der offizielle Produktname wurde). Das Nest ist eine eigenständige Minifabrik mit Carbon-Frästisch und Laufradpresse, die eine schnelle Fertigung von Laufradprototypen ermöglicht, ohne dabei die Produktion in der Hauptfabrik von Zipp zu stören. Halls Team ist dafür zuständig, bei der Produktentwicklung zwei bis vier Jahre in die Zukunft zu blicken. Die besten Ideen werden den größeren Design- und Fertigungsteams sowie Testingenieuren von Zipp im gleichen Gebäude in Indianapolis übergeben.

Dank der Abgeschiedenheit im Nest konnte das Advanced Development-Team flexibel seinen Kurs ändern und sich unter anderem dem Thema Bionik zuwenden. Hall, Morse und Trouw sind sich zwar einig, wie man einen guten Kaffee kocht, aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Hintergründe wird über so ziemlich alles andere diskutiert. Hall kommt ursprünglich aus dem Motorsport. Trouws Schwerpunkt lag auf Luft-/Raumfahrt und Fertigung. Und Morse war seine gesamte Karriere über in der Fahrradbranche tätig.

Unter Halls Leitung konzentriert sich Morse auf aerodynamische Effizienz und Stabilität, Trouw dagegen auf die Struktur und die notwendigen Fertigungsmethoden, um aus diesen Konzepten echte Produkte zu machen. Zipps leitender Laufradbauer Nic James ist ebenfalls Mitglied von Halls Team und bereichert es mit wertvoller Erfahrung zur optimalen Fertigung von steifen und widerstandsfähigen Laufradprototypen.

Michael Hall, Zipps Director of Advanced Development, am Carbon-Frästisch.

„Science Fridays“

Das Ingenieurstrio im Nest veranstaltet regelmäßig informelle „Science Fridays“. An diesen Tagen weichen die täglichen Aufgaben zwanglosen Diskussionen über wichtige technische Themen, die die Teammitglieder beschäftigen. Die Gespräche könnten sich beispielsweise um ein neues Carbon-Ummantelungsverfahren oder eine neue Felgenform drehen. „Wir scheuen uns nicht davor, auch teils verrückte Wege zu gehen, denn wenn es nicht funktioniert, ist jedem klar, dass es eine verrückte Idee war“, sagt Morse.

Bei diesen Diskussionen wird auch besprochen, wie Bionik auf weitere Zipp-Produkte angewendet werden kann. Die Natur bietet wissbegierigen Ingenieuren endlose Möglichkeiten. Zu den vom American Institute of Aeronautics and Astronautics veröffentlichten Artikeln gehören unter anderem „Die Eigenschaften von Ahornsamen als Windrad“ und „Experimenteller Entwurf eines Mikro-Flugzeugs mit Flügeln anhand von Bionik bei Hummeln“.

Wer sich vorstellt, wie hohe Geschwindigkeiten in der Natur studiert werden, denkt vermutlich sofort an einen Falken im Sturzflug oder einen wendigen Hai und nicht unbedingt an einen schwerfälligen Buckelwal. Allerdings können Antworten im Bereich der Aerodynamik auch kontraintuitiv sein, was Zipp 2010 mit der Einführung einer breiteren, deutlicheren Felgenform bei seinen Firecrest-Laufrädern unter Beweis stellte. Bis dato ging man davon aus, dass eine V-förmige Felge schneller sei.

Das Advanced Development-Team von Zipp (von links): David Morse, Ruan Trouw und Michael Hall. Sie arbeiten im Entwicklungslabor „das Nest“ in Indianapolis. Häufig trifft man sie im Windkanal oder draußen auf der Straße an.

„Die Aerodynamik eines Falken lässt sich nicht wirklich auf ein Fahrrad übertragen, weil ein Falke viel schneller fliegt und deutlich kleiner ist. Die physikalischen Eigenschaften des Stroms, der sich über einen Falken bewegt, sind nicht mit denen der Luft zu vergleichen, die über eine Person auf einem Fahrrad hinwegströmt“, erläutert Morse. „Während sich die Idee hinter der Form des 454 am besten anhand der Flossen eines Buckelwals beschreiben lässt, orientierten wir uns bei der Entwicklung an Forschungspapieren, in denen mit Tuberkeln in der Luft experimentiert wurde, die sich im gleichen Bereich von Reynolds-Zahlen bewegte, in dem auch ein Laufrad betrieben wird.“

Genau wie sich ein Wanderer an der Landschaft und natürlichen Gegebenheiten orientiert, bietet die Bionik Anhaltspunkte für innovative Konstruktionen. „Beim nächsten Produkt, an dem wir arbeiten, gibt es auch Verbindungen zur Natur“, verrät Hall.

Doch auf die Frage, welches natürliche System sein Team genau studiert, schweigt Hall noch wie ein Grab. 

Weitere Informationen zum Zipp NSW und zum 454 NSW