Maßgeschneiderte, 3D-gedruckte Fahrradhelme bieten Komfort und Sicherheit

Als Gründer und CEO von KAV mit Sitz in Redwood City, Kalifornien, hat Whitman Kwok mit seinem Team sieben Jahre lang an der Verfeinerung der Materialien, Prozesse und des Designs gearbeitet, die für die Herstellung der 3D-gedruckten, auf Bestellung gefertigten Fahrradhelme seines Unternehmens erforderlich sind.

Der Ingenieur mit einem MBA der Columbia Business School war Mitte der 1990er Jahre Mitglied des Radsportteams am Harvey Mudd College in Südkalifornien. Er nahm an Wettkämpfen teil und stellte fest, dass ihm die Helme leider nicht wirklich passten.

Die folgenden über 20 Jahre seiner Karriere verbrachte er im Bereich Unternehmenssoftware und war inzwischen an sechs Start-ups beteiligt. Aber da er immer noch mehr Kilometer mit dem Fahrrad als mit dem Auto fuhr, ging ihm einfach nicht aus dem Kopf, dass es einen besseren Weg geben musste, Helme herzustellen. Also gründete er 2017 KAV und machte sich an die Arbeit, eine Lösung zu finden.

In einem Interview im März dieses Jahres berichtete Kwok von seinen damaligen Überlegungen: „Jeder geht an dieses Problem als ein Problem des Maschinenbaus heran, aber eigentlich ist es ein Softwareproblem.“ Er war auch der Meinung, dass herkömmliche Helmhersteller trotz ihrer guten Absichten „durch die Zwänge der Verwendung von EPS-Schaum behindert wurden“. Wenn es um die Dämpfung von Stößen ging, stellte er fest: „Die Architektur war EPS-Schaum. Das ist sehr preiswert und leicht zugänglich, hat aber viele Einschränkungen."

Er sagte, dass die Industrie seit 30 Jahren auf diesem EPS-Trip sei und die Gesellschaft in dieser Zeit das Internet, iPhones und Elektroautos entwickelt habe. Daher war er der Meinung, dass man es auch bei der Helmtechnologie besser machen könnte.

„Von Anfang an", so Kwok, „wussten wir, dass die Materialien für die Helme, die wir bauen, von grundlegender Bedeutung sein würden, und zwar aus ganz offensichtlichen Gründen. Man kann etwas nur so gut machen, wie es das zugrundeliegende Material zulässt, vor allem beim 3D-Druck."

Außerdem habe sich die Technologie des 3D-Drucks enorm weiterentwickelt und biete neue Möglichkeiten für Design und Herstellung.

Aber nur wenige hatten einen solchen Ansatz ausprobiert, da die meisten Helmhersteller traditionell auf Spritzgussprodukte aus Übersee vertrauten. Kwok und seine Kollegen erkannten, wie weit sowohl die Materialwissenschaft als auch der 3D-Druck fortgeschritten waren – durch Softwaretechnologien, künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen.

„Wir sahen uns die Schnittmenge dieser Dinge an und dachten, dass wir damit einen Helm aus völlig neuen Materialien herstellen können." Außerdem könne man die Helme so anpassen, dass sie gut aussehen und sich gut anfühlen. Außerdem bietet ein besser passender Helm auch einen besseren Schutz.

Kwok tat sich 2018 mit dem Ingenieur Dave Stoutamire zusammen, der zuvor bei Google gearbeitet hatte und nun als Chief Technology Officer tätig ist. Dann holten sie Mike Lowe an Bord, der als Vice President of Advanced Concepts bei Easton-Bell Sports tätig war und auch bei BRG Sports und als VP of Wearables für Podtek Inc. gearbeitet hatte. Lowe kam im Juli 2019 als VP of Product zu KAV Helmets und ist für Ergonomie und Design zuständig. Gemeinsam haben die drei KAV mitbegründet.

Die drei waren der Meinung, dass sie über die Branchen- und Produktexpertise verfügen, um diese Herausforderung anders anzugehen – „und viel, viel besser, nicht nur schrittweise", so Kwok. „Hier bietet sich eine Gelegenheit", dachte er, „für ein 10faches Produkt. Das ist sehr selten und ich finde es aufregend, denn man kann nicht nur etwas Neues schaffen, sondern auch tatsächlich Leben retten, ohne zu übertreiben.“

Als Teil ihrer Mission, Dinge anders zu machen, sagte Kwok, dass KAV auch beschlossen habe, ein eigenes Sicherheitslabor einzurichten. Er sagte, dies sei für ein Unternehmen dieser Größe beispiellos. "Wir haben eines der modernsten Sicherheitslabors aufgebaut, indem wir mit der Virginia Tech zusammenarbeiten und unsere Aufprallgeräte so ausstatten, dass wir nicht nur Daten über den Kopfaufprall sammeln, sondern auch darüber, was mit dem Helm selbst passiert."

KAV musste jedoch noch die verwendeten Materialien perfektionieren. Hier kam Jabil Inc. ins Spiel.

Jabil mit Sitz in St. Petersburg, Florida, ist ein riesiges Produktionsunternehmen mit mehr als 250.000 Mitarbeitern an 100 Standorten in 30 Ländern. In seinem letzten Geschäftsjahr erzielte das Unternehmen einen Umsatz von mehr als 25 Milliarden Dollar. Aber das Unternehmen versuchte auch, sein Geschäft mit der additiven Fertigung auszubauen, und war von KAV begeistert.

„Sie waren begeistert, dass wir eine klare Vorstellung davon hatten, wie wir die kundenspezifische Massenfertigung umsetzen wollten", so Kwok. KAV hatte nicht vor, 1.000-Dollar-Helme zu vermarkten. Der aktuelle Preis des Unternehmens für einen Helm liegt bei 300 Dollar, was mit anderen Hochleistungsangeboten vergleichbar ist, und das Unternehmen möchte diesen Preis noch weiter senken. Kwok sagte, dass Jabil von den technischen Fähigkeiten von KAV beeindruckt war.

„Und so", sagte er, "gaben wir ihnen sehr klare Spezifikationen. Wir hatten das Labor und die Verfahren, um zu testen und zu validieren. Und sie verfügten über fantastische Fähigkeiten, um die Formulierungen und Toleranzen zu erfüllen, die wir benötigten, sowie über Zugang zu vielen Lieferanten."

Jabil nahm die Herausforderung an. „Herkömmliche 3D-Druckmaterialien erfüllten nicht die Anforderungen von KAV für den Druck eines individuellen Fahrradhelms", so Jabil in einer Fallstudie über das Projekt.

Das Unternehmen benötigte ein Material, das extremen Umweltbedingungen und hohen Aufprallgeschwindigkeiten standhalten konnte. KAV musste einen Helm entwickeln, der nicht nur Schutz bietet, sondern auch gut aussieht. Sie wollten ein additives Material, das nach dem Druck keine sichtbaren Schichten auf dem Endprodukt aufweist.

Jabil nutzte sein umfangreiches Fachwissen in der Materialwissenschaft, um „in nur neun Monaten ein völlig neues und maßgeschneidertes Material zu entwickeln, das die Anforderungen von KAV erfüllte, und in weiteren sechs Monaten die ISO 9001-Zertifizierung erhielt."

Der Jabil-Verfahrenstechniker Levi Loesch bezeichnete dies als „ziemlich erstaunlich, wenn man bedenkt, wie viel Innovation wir leisten mussten und dass es kein anderes Material auf dem Markt gab, das auch nur annähernd so leistungsfähig war wie das, das wir schließlich entwickelt haben."

Darüber hinaus sagte Jabil, dass seine globale Produktionspräsenz und seine effiziente Lieferkette KAV helfen werden, ihr Geschäft zu erweitern. KAV nennt das resultierende Material PolyCarbon Composite – eine spezielle Formulierung in Form von 3D-Druckfilamenten, die das Unternehmen zusammen mit Jabil nach etwa 35 Iterationen entwickelt hat. Sie haben es aus Polycarbonat mit einer proprietären Polymermischung hergestellt, die laut KAV „Festigkeit, hervorragende Energieabsorption und eine achtmal bessere natürliche Wärmeableitung als EPS-Schaumstoff bietet, selbst unter extremsten Bedingungen".

Anfangs experimentierten die Partner mit einem Kohlefaser-Nylon-Verbundwerkstoff, der zwar gute Leistungen erbrachte, aber einen großen Nachteil aufwies: Wegen der Karbonfasern musste jeder Helm schwarz sein.

„Für die Massenanwendung", so Kwok, „war es natürlich eine gewisse Ironie, dass wir ein vollständig maßgeschneidertes Produkt herstellen konnten, das auf 8 Milliarden verschiedene Köpfe passte, aber nur eine Farbe hatte. Der PolyCarbon war also ein langer Weg, um eine Alternative zu schaffen. Es hat eine völlig andere Basis."

Er merkte an, dass Änderungen in der Farbpigmentierung auch die Materialeigenschaften erheblich verändern. Deshalb musste KAV für jede gewählte Farbe eine Reihe von Tests durchführen, um sicherzustellen, dass sie sich konsistent mit dem Basismaterial für PolyCarbon verhält.

Jabil stellt das Filament für KAV her, aber der Rest der Produktion findet in der Hauptniederlassung des Helmherstellers in Nordkalifornien statt. KAV ist mit dem Bau eines neuen Werks in Buffalo, N.Y., beschäftigt, das bis zu fünfmal mehr Produktionskapazität bieten wird als das Unternehmen jetzt im Silicon Valley hat.

Laut Kwok wird sich das Werk in Buffalo „hauptsächlich auf unsere Produktionsplattform der sechsten Generation (Hardware, Software und Materialien) konzentrieren. Es ist ein bisschen wie bei der Herstellung von Siliziumchips, wo wir mit jeder Generation der Fabrik immer anspruchsvollere Helme herstellen können. Bei Chips sind es kleinere Transistoren, die schnellere CPUs ermöglichen. Bei uns ist es ein immer ausgefeilteres Helmdesign.

Zur kontinuierlichen Weiterentwicklung der Materialien sagte er: „Wir verfeinern die Produktionsprozesse, um mit demselben Grundmaterial immer höhere Qualitäten zu erzielen. Es gibt nur sehr wenige Hersteller, die in der Lage sind, die Materialien in der von uns geforderten Reinheit und Spezifikation herzustellen. Jede Materialcharge wird getestet, und wir haben die Messlatte für das, was akzeptabel ist, immer höher gelegt."

Ein weiterer Schlüssel zu den KAV-Helmen ist die Verwendung der sogenannten Hex Honeycomb Structure. Kwok hat früher auch an Raketentriebwerken gearbeitet und ist daher mit der Verwendung von Wabenstrukturen in der Luft- und Raumfahrt sehr vertraut. Diese Technologie bietet ein sehr gutes Verhältnis zwischen Gewicht und Festigkeit. KAV verfügt über ein Portfolio von Patenten für seine 3D-gedruckten Helminnenschalen sowie über verschiedene Geschäftsgeheimnisse für die Herstellung. Das anisotrope Material mit geringer Dichte verfügt über hervorragende Scherungs- und Druckeigenschaften und behält gleichzeitig seine Steifigkeit bei. Im Falle eines Aufpralls, so das Unternehmen, „kollabiert und zerknittert es, absorbiert den Aufprall und schützt den Träger".

Die obersten Prioritäten von KAV, so erinnert sich Jabil, bestanden darin, ein additives Material zu entwickeln, das die Köpfe von Radfahrern schützt, nach den Kopfmaßen des Kunden bedruckt werden kann und dabei auch noch fantastisch aussieht. Jabil konnte KAV dabei helfen, auf die individuellen Bedürfnisse seiner Kunden einzugehen, indem es auf die Produktion und nicht auf den Lagerbestand hin baute.

„Unsere Kunden waren verblüfft, dass sie etwas für sich anfertigen lassen konnten, das ungefähr den gleichen Preis hat wie andere High-End-Helme", so Kwok. "Sie lieben ihn absolut. Der Komfort hat sie umgehauen."

KAV bietet maßgefertigte Helme in drei verschiedenen Farben an – grau, schwarz und weiß, sodass die Kunden die Wahl haben. Die Helme werden auf Bestellung in einem einfachen Anpassungsprozess mittels 3D-Druck hergestellt und innerhalb von zwei bis drei Wochen geliefert.

KAV veröffentlichte Anfang April sein Color Exploration Program, mit dem Radfahrer ihren eigenen Helm mit 400.000 einzigartigen Farbkombinationen und einer wirklich perfekten Passform kreieren können. Jeder Helm wird auf Bestellung über einen einfachen Anpassungsprozess mit der iPhone-App hergestellt, anschließend wird der Helm in 3D gedruckt und innerhalb von nur zwei Wochen ausgeliefert.