Anwenderbericht NVIDIA / Trek Bicycle Corporation
NVIDIA-Quadro-Grafikprozessoren unterstützen Trek Bicycle bei der Entwicklung des schnellsten Downhill-Bikes Bei der Entwicklung neuer Rennräder begegnet Trek Bicycle wie zahlreiche Mitbewerber folgender Aufgabenstellung: Die Produkte müssen robust und trotzdem leicht sein, Fehler müssen bereits während der Designphase erkannt werden, und die Entwicklung vom Entwurf bis zum ersten Prototyp sollte möglichst schnell erfolgen. Die Trek Bicycle Corporation, ein Fahrradhersteller aus Waterloo (Wisconsin, USA), setzt bei seinen Entwicklungen auf aktuelle NVIDIA-Technologien in DellPrecision-Workstations.
(Bild 1 © Trek Bicycle Corporation) Bei der Entwicklung des Carbon-Series-9.9-Downhill-Mountainbikes stand Trek vor der Herausforderung, das ideale Verhältnis zwischen Gewicht und Belastbarkeit zu finden. Die Annahme, dass leichter gleich mehr Leistung bedeutet, gilt für Straßenfahrräder, aber nicht für DownhillMountainbikes. Letztere müssen besonders robust sein, damit der Rahmen unter Belastung nicht bricht. „Trek wurde 1976 mit dem Ziel gegründet, die besten Fahrräder der Welt zu bauen“, erklärt Michael Hammond, der als Industriedesigner das Design-Team für Mountainbikes bei Trek leitet. „Bei Trek vertreten die Industriedesigner die Interessen der Kunden, und wir begleiten jeden Schritt bis hin zur
Produktion. Das Entwicklungsteam hat sicherzustellen, dass die Leistungsmerkmale und das Fahrgefühl jedes neuen Fahrrads die hohen Ansprüche von Trek und unserer Kunden erfüllt. Dazu gehört auch, dass die Fahrräder so schnell wie möglich die Produktionsreife erreichen. Diese Umstände führten zu der Entscheidung, auf NVIDIA-Quadro-Grafikprozessoren zu setzen.“ Das kürzlich von Trek vorgestellte Carbon Session 9.9 ist das leichteste Downhill-Mountainbike, das jemals gebaut wurde. Bei diesem Bike kam das gesamte Know-how der Designer von Trek zum Einsatz, ebenso hochmoderne Design-Tools wie die SolidWorks-3D-CAD-Software mit der Leistung von professionellen NVIDIA-Quadro-Grafikprozessoren auf Dell-Precision-Workstations. Das Ergebnis der Quadro-basierten Entwicklungsumgebung bei Trek ist das schnellste auf dem Markt erhältliche Downhill-Bike, das die Entwicklungs-, Prototyp- und Produktionsphasen etwa doppelt so schnell wie üblich durchlief. Aaron Gwin fuhr damit beim World Cup Championship 2011 zum Sieg.
DIE HERAUSFORDERUNG Die Fahrradhersteller stehen heute vor denselben schwierigen Designentscheidungen. Das Produkt muss einerseits so leicht wie nötig und andererseits so robust wie möglich sein. „Außerdem muss das Fahrrad gut aussehen, angefangen beim Rahmen und Styling bis hin zum letzten Hebelchen“, erklärt Hammond. Die Vorgängergeneration von Trek, das Session 88, war mit seinem Aluminiumrahmen bei der Markteinführung im Jahr 2008 ebenfalls das schnellste Downhill-Bike. Seitdem haben andere Hersteller Konkurrenzprodukte auf den Markt gebracht und Treks Vorsprung schrumpfte.
(Bild 2 © Trek Bicycle Corporation) Das Team von Trek musste fortschrittliche Materialien und die patentierte OCLV-Technologie (Optimum Compaction, Low Void) einsetzen, um ein noch erfolgreicheres Nachfolgeprodukt für das Modell „Session 88“ zu entwickeln.
Die Geometrie des Aluminiumrahmens wurde auf einen noch leichteren, aber weniger robusten und teureren Karbonfaserrahmen übertragen, um Geschwindigkeit und Stabilität für das Traumrad jedes Downhill-Rennfahrers zu gewährleisten. DIE LÖSUNG Mit Karbonfasern ist Trek in der Lage, viele seiner Ziele umsetzen. Fahrräder aus Karbonfasern sind aber wesentlich schwieriger zu entwickeln und zu bauen als aus Aluminium. Dünne Schichten aus Karbonfasermaterial müssen gemäß einem präzisen Layout-Muster von Hand in halboffene Stahlformen gelegt werden. Die Formen werden geschlossen und die Teile unter Druck gefertigt. Die Entwicklung des perfekten Entwurfs, der optimalen Spezifikationen und der komplizierten Oberflächenbearbeitung bei Karbonrahmen ist ein extrem komplexer Prozess.
(Bild 3 © Trek Bicycle Corporation) Dieser Herausforderung begegnete Trek mit Dassault Systèmes SolidWorks auf mobilen, NVIDIAQuadro-basierten Dell-Precision-Workstations. „Wir wussten, wie groß die Anforderungen bei der Entwicklung eines so komplexen Produkts sind und dass wir wenig Zeit dafür hatten“, sagt Hammond. „Deshalb wollten wir möglichst viele Design-Iterationen nutzen, ohne Zeit zu verlieren.
(Bild 4 © NVIDIA Corporation)
DIE AUSWIRKUNGEN Nachdem die Ausgangsparameter für das neue Fahrrad feststanden, benötigte das Trek Team nur noch vier Monate vom ersten Entwurf bis zum ersten Prototypen. Dabei wurden zirka 20 Konzepte geprüft und simuliert. Bevor das Produktdesign auf NVIDIA-Quadro-Grafikprozessoren durchgeführt wurde, dauerte es doppelt so lange, bis Prototypen gebaut und wenige Konzepte vorher geprüft werden konnten.
(Bild 5 © Trek Bicycle Corporation)
Zuvor mussten für jedes Projekt vier oder mehr SLA-Prototypen des gesamten Rahmenmodells ausgedruckt werden, um die notwendige Oberflächendetailliertheit für alle Einzelteile zu erzielen. Jeder Ausdruck benötigte mindestens eine Woche und kostete mehr als 2.000 US-Dollar. Mit den NVIDIA-basierten Simulationstools kann sich Trek die Ausdrucke − und die damit verbundenen Kosten − sparen. Auch ein Prototyp, der gleich beim ersten Mal perfekt ist, senkt die Kosten beträchtlich. Die Einstellung der Produktionssysteme für ein neues Rahmendesign kann zehntausende US-Dollar kosten, und das ohne spätere Korrekturen. Somit kann sich das Trek-Team durch die Fähigkeit, auch kleine Änderungen sofort zu implementieren und präzise anzuzeigen, auf einen einzigen, perfekten Prototypen beschränken und zehntausende US-Dollar sparen. „Für uns war extrem wichtig, Oberflächenfehler und Übergänge sofort und ohne Leistungseinbußen in unseren Modellen und Simulationen erkennen zu können“, so Hammond. „Früher konnten wir nicht schnell genug rendern, um ausreichend detaillierte Prüfungen für die Abstände bei Zahnrädern, Rädern und Schaltungen oder für die Stärke unterschiedlicher Rahmensegmente innerhalb der Software durchzuführen. Mit 3D-Simulationen in SolidWorks auf NVIDIA-Quadro-Grafikkarten können wir Schwachstellen der Rahmenstruktur sofort erkennen und beheben – so sparen wir immense Kosten. Durch schnellere Iterationen bei Simulationen konnten wir das Fahrrad kosteneffektiver entwerfen und wesentlich schneller Prototypen kreieren.“ Hammond führt weiter aus: „Jede Woche, um die sich die Produktion des Rades verzögert, verlieren wir Geld durch entgangene potenzielle Geschäfte, und beim Carbon Session 9.9 war es für die Konkurrenzfähigkeit besonders wichtig, schnell auf den Markt zu kommen.“ Auf dem neuen Carbon Session 9.9 holte sich der professionelle Downhill-Rennfahrer Aaron Gwin im Jahr 2011 den Gesamtsieg des World Cup Championship. „Ich denke, das Carbon Session 9.9 ist allen anderen Bikes einen Schritt voraus, und das gibt mir bei Rennen einen großen Vorteil − die Zuversicht, dass ich einfach das bestmögliche Fahrrad habe“, sagt Gwin.
(Bild 6 © Trek Bicycle Corporation)
„Mit dem Carbon Session 9.9 ist es uns gelungen, das beste Karbonfaser-Downhill-Rennrad aller Zeiten zu bauen, und das wäre ohne die Geschwindigkeit und Qualität der NVIDIA-Quadro Grafikprozessoren nicht möglich gewesen“, so Hammond. „Wir sind besonders begeistert, weil wir dieselben Quadro-basierten Tools einsetzen können, um bei allen unseren Produkten die Qualität zu steigern und die Marktreife zu beschleunigen.“