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Mit Laserbearbeitung die Reifen von morgen entwickeln

Die Prototypenphase ist ein teurer Schritt auf dem Weg, ein neues Produkt auf die Straße zu bekommen. In manchen Fällen sogar buchstäblich: Der Autoreifen als einziger Kontaktpunkt zur Straße ist für die Sicherheit, den Komfort und für die Energieeffizienz eines Fahrzeugs besonders wichtig. Von einem Rapid Prototyping sind die aktuellen Prozesse bei der Reifenentwicklung jedoch weit entfernt. Bis jetzt.

, Torsten Reichl
Die Anforderungen an heutige Reifen sind hoch und scheinen sich zunächst teilweise zu widersprechen: Moderne Reifen sollen einerseits bestmögliche Haftung bei einer immer größeren Bandbreite an Bedingungen bieten, andererseits möglichst wenig Rollwiderstand haben, um dadurch Benzin oder Strom zu sparen. Robust und langlebig sollen sie ebenfalls sein. Dazu wünschen wir uns, dass sie leise abrollen und kleine Unebenheiten unmerklich abfedern. Der anhaltende Trend zu Ganzjahresreifen vergrößert den erforderlichen Spagat. Im Zeitraum von 2016 bis 2020 ist der Marktanteil der neu verkauften Ganzjahresreifen um über 70 Prozent gestiegen. Der Markt verlangt nach Alleskönnern.

Trotz des immer breiteren Anforderungsprofils nimmt die Spezialisierung der Reifen ebenfalls weiter zu: Fahrzeughersteller wünschen sich individuelle Reifenvarianten für ihre jeweiligen Modelle. Das bedeutet einen enormen Entwicklungsaufwand für Reifenhersteller. Die Konkurrenz ist hier ebenso groß wie der Innovationsdruck.

Bevor ein neuer Reifen auf den Markt kommt, durchläuft dieser eine Prototypenphase. Hierbei werden die Gummimischung und das Profil gründlich getestet. Für die Sicherheit und Fahreigenschaften ist das Profil ganz besonders wichtig: Bei Winterreifen und Ganzjahresmodellen ist das Reifenprofil maßgeblich für die Traktion auf Schnee und Eis, bei Sommerreifen für die Aquaplaning-Eigenschaften verantwortlich. Das Abrollgeräusch und ein großer Teil des Rollwiderstands hängen ebenfalls von der Ausführung des Profils ab.


Care driving between trees in winter

Harte Handarbeit

Die Vielzahl der Anforderungen macht die Entwicklung innovativer Reifenprofile wichtig und zugleich komplex. Hier stehen Reifenhersteller vor einer Herausforderung. In der Serienproduktion können Reifen in maschinell gefertigten Gussformen „gebacken“ werden. Für Prototypen und Produktmuster sind feste Gussformen aber viel zu zeitaufwendig und teuer.

Daher werden bis heute neue Reifentypen meist manuell gefertigt. Experten schnitzen das Profil für Reifenprototypen in mühsamer, fachmännischer Handarbeit.

Nur wenige, spezialisierte „Reifenflüsterer“ beherrschen das anspruchsvolle Handwerk, komplexe Profildesigns mit viel Geduld und Präzision in einen Reifenrohling zu schnitzen. Es dauert rund 40 Stunden – eine ganze Arbeitswoche –, um einen einzigen Reifenprototypen mit einem komplexen Profil herzustellen. Von echtem Rapid Prototyping, wie Entwicklungsabteilungen sich das heutzutage wünschen, sind viele Reifenhersteller deshalb weit entfernt.

Hands with flour.

Rapid Prototyping für Reifenprofile

Ein Grund, warum Profilprototypen bisher häufig manuell hergestellt werden: Reifenrohlinge sind nicht perfekt und identisch, sie können beispielsweise einen leichten Höhen- oder Seitenschlag haben. Die bereits existierenden teil-automatisierten maschinellen Lösungen für die Produktion von Prototypen beschleunigen den Vorgang nur minimal. Hier bremsen die Programmierung und Vorbereitung die Produktion deutlich aus. Diese Faktoren machen die maschinelle, automatisierte Bearbeitung schwierig.

Zumindest bis jetzt.

Car prototype

Innovative, effiziente Laserbearbeitung für die Reifen von morgen

Mit gepulster Laserbearbeitung ermöglicht es JENscan® Tire von Jenoptik, Reifenprototypen deutlich schneller und mit weniger Aufwand zu produzieren. Aus CAD-Daten werden in kürzester Zeit nahezu vollautomatisch reale Prototypen, um die neuen Ideen für Reifenprofile bereits am nächsten Tag in der Realität testen zu können. Die Laserbearbeitung der Reifenrohlinge geschieht völlig berührungslos und benötigt keine Nachbearbeitung. Jenoptik setzt hier die bewährte Expertise für Laserbearbeitung von Werkstücken in einem neuen Anwendungsfeld um.

In der vollen Ausbaustufe ist ein automatischer Radwechsel möglich, um beispielsweise die Maschine an einem Wochenende durchzuarbeiten zu lassen. In Verbindung mit der vorbereiteten Industrie 4.0-Fähigkeit könnte der Bediener den Bearbeitungsprozess von zu Hause beobachten.

Mit der Expertise für Bauteilbewertung und Laserbearbeitung hat Jenoptik mit der JENscan® Tire ein System entwickelt, das Varianzen im Rohreifen bestimmt und ausgleicht, dadurch können jederzeit identische Ergebnisse produziert werden.

Vorteile des Laser Carvings

  • schneller als manuelle und halbautomatische Prozesse
  • 200µm Strukturbreite für präzise Bearbeitung
  • geringere Kosten in der Entwicklung
  • ermöglicht schnellere Produkt-Iteration.

Der größte Praxisvorteil der JENscan® Tire ist die Prozessgeschwindigkeit: Statt nur einen Reifen-Prototypen pro Arbeitswoche herzustellen, bearbeitet eine einzige Lasermaschine mehr als ein halbes Dutzend Reifen pro Woche. In weniger als 24 Stunden ist ein Prototyp einsatzbereit. Feierabend kennt JENscan® Tire nicht. Damit können Änderungen am Profildesign bereits am nächsten Tag in der Praxis getestet werden. Dies verkürzt Entwicklungszyklen, erhöht die Innovationsgeschwindigkeit und reduziert die Time to Market neuer Modelle.

Mit einer minimalen Strukturbreite von 0,2 Millimetern ist die Laserbearbeitung für feinste Profile geeignet und zugleich schonend für das Material. Alle Tests zeigen bisher, dass der Laser keine negativen Auswirkungen auf die Materialeigenschaften der Gummimischung hat. Feine Lamellen für Winterprofile – der größte Arbeitsaufwand bei Reifenprototypen – sind damit kein Problem mehr für die automatisierte Produktion.

Die Intelligenz liegt in der Software

Die größte Herausforderung liegt hier nicht nur darin, den Reifenrohling exakt zu bestimmen und per Laserbearbeitung mit einem Profil zu versehen. Die größte Schwierigkeit ist stattdessen die Datenverarbeitung. Denn Reifenhersteller verwenden jeweils unterschiedliche Datenformate für die Konstruktions- beziehungsweise Profildaten. Die Konstruktionsdaten, mit denen Ingenieure die Reifenprofile entwickeln, sind nicht für die 3D-Laserbearbeitung ausgelegt und zum anderen unterscheiden sich Datenstruktur und Dateiformate von Hersteller zu Hersteller in der Praxis deutlich. Der USP von Jenoptik ist die eigene Lösung, um ein möglichst einheitliches CAD-Datenformat zu verarbeiten und für die Maschine nutzbar zu machen.

Das Produkt JENscan® Tire ist aus der Praxis geboren und entstammt der direkten Zusammenarbeit mit einem namhaften Reifenhersteller. Die erste Anlage, in welcher aus einem Reifenrohling in kürzester Zeit ein Prototyp für die Teststrecke wird, arbeitet nun schon seit zwei Jahren erfolgreich. So unterstützt Jenoptik Reifenhersteller bei der aufwändigen und teuren Produktentwicklung mit Kosteneinsparungen und enormer Zeitersparnis.

Die Laserbearbeitung von Reifen mit JENscan® Tire live erleben

Jenoptik bietet in Jena ein eigenes Kunden-Applikationszentrum, um dort Lösungen zu entwickeln und es Kunden zu ermöglichen, die Lasertechnik von Jenoptik unter realen Bedingungen in der Praxis zu erleben. Dabei unterstützen wir Interessenten mit Profilmustern und Beratung bei der Evaluierung, wie sich JENscan® Tire in den jeweiligen Entwicklungsprozess integrieren lässt.

Produktempfehlung


Torsten Reichl

Über Torsten Reichl

Torsten Reichl ist seit 2007 bei der Jenoptik in unterschiedlichen Positionen tätig. Als Produktmanager Laser Processing verantwortet er den Bereich der Laserschneidanlagen bei der Jenoptik. Mit seinem Team übernimmt er die Konzeption und Entwicklung von zuverlässigen und effizienten Laserschneidanlagen. Ein besonderer Schwerpunkt seiner Arbeit liegt bei den Produktreihen JENscan® Tire, JENOPTIK-VOTAN® BIM und JENOPTIK-VOTAN® S.

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