Erklärte Fahrradrahmenmaterialien: Kohlefaser

Kohlefaser hat sich scheinbar als Fahrradrahmenmaterial der Wahl durchgesetzt.

Dies war jedoch nicht immer der Fall. In den 80er und 90er Jahren dominierten Stahl und Aluminium die Branche. Titan war die Speerspitze für maßgeschneiderte Rahmen oder Fahrräder. Carbonfaser-Fahrradrahmen waren auf dem Vormarsch, aber das Material war für die meisten immer noch unerreichbar.

Die Preise haben sich in den letzten über 30 Jahren der Entwicklung von Fahrradrahmen interessanterweise verändert. Kohlefaser, früher das seltenste Rahmenmaterial, ist heute weit verbreitet. Obwohl immer noch teuer, sind die Preise gesunken.

Stahl war früher erschwinglich und kann es immer noch sein. Aber jetzt erhalten kundenspezifische Hersteller Premium-Preise für das, was früher das gängigste Rahmenmaterial war. Titan und Aluminium scheinen in der Preishierarchie der Rahmenmaterialien ihre relative Position gehalten zu haben.

Dies ist unsere Aufschlüsselung des Wie und Warum von Carbonfaser-Fahrradrahmen.

Kohlefaser ist ein hervorragendes Material für die Herstellung eines Fahrradrahmens. Das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht von Carbon-Fahrradrahmen ist unübertroffen und Marken können andere Eigenschaften „programmieren“. Hersteller können die Fasergröße und -richtung, das Webmuster (falls vorhanden), die Anzahl der Schichten, die Form der Teile und das Bindemittel ändern.

Carbonfaserrahmen beginnen mit dem, wonach es sich anhört; dünne Filamente, 10 bis 20 Mal kleiner als ein menschliches Haar. Lieferanten von Kohlenstoffgewebe gruppieren die Filamente, um ein „Kabel“ oder Band zu bilden. Die Anzahl der Filamente pro Kabel beschreibt üblicherweise Kohlenstoff in der Fahrradindustrie. „3K“-Carbon hat 3.000 Filamente pro Kabel.

Zulieferer kombinieren die Kohlefaserkabel mit einem Bindemittel, meist einem zweiteiligen Epoxidharz. Zu diesem Zeitpunkt sind das Harz und das Werg nun ein Verbundmaterial, das die Industrie als kohlenstofffaserverstärktes Polymer (CFRP) bezeichnet.

Allein die Carbonfilamente sind unglaublich leicht. Das Epoxidharz hingegen ist schwer. Daher tun die Hersteller alles, was sie können, um die Menge an Harz und eventuelle Hohlräume im Verbundwerkstoff zu begrenzen.

Das „Rezept“ der Filamente und des Harzes, dem die Carbonfaserhersteller folgen, beeinflusst den „Modul“ der Carbonfaser. Dieser Begriff taucht häufig in Marketingmaterialien für Fahrradrahmen und -räder aus Kohlefaser auf. Modul bezeichnet die Steifigkeit des CFK.

Obwohl es den Anschein hat, dass mehr Steifigkeit besser ist, bedeutet dies auch, dass die Kohlefaser weniger Festigkeit hat. Wie viele Aspekte eines Fahrrads ist es also ein Kompromiss. Außerdem ist die Herstellung von Kohlenstofffasern mit höherem Modul teurer.

Das Kohlefasergewebe wird normalerweise in „Prepreg“-Rollen an Rahmenhersteller geliefert. Der Carbonfaserlieferant imprägniert das Gewebe mit Epoxidharz, sodass der Rahmenhersteller diesen Schritt nicht durchführen muss. Das Material kann nun in Stücke geschnitten und in Formen gelegt werden.

Mindestens eine Marke trägt Harz auf trockenes Kohlefasergewebe auf, das über Wachsformen drapiert ist. Andere Prozesse, wieBedrucken von Fahrradrahmen aus Kohlefaser, entwickeln sich.

Heutzutage verwenden die meisten Fahrräder und Komponenten aus Kohlefaser Epoxidharz als Bindemittel. Einige kleinere Unternehmen nutzen langkettige Polymere als Bindemittel. Dies verleiht dem Endprodukt eine andere Biegeeigenschaft. Und macht es außerdem recycelbar, wohingegen Kohlefaserprodukte, die Epoxidharz verwenden, dies nicht tun.

Rahmenhersteller erstellen ihre eigenen „Rezepte“ aus Kohlefaserstücken, die in von ihnen hergestellte Formen gelegt und in ihrem speziellen Verfahren „gebacken“ werden. Jede der vielen Variablen verleiht dem Fahrradrahmen die seitliche Steifigkeit, vertikale Nachgiebigkeit, Schlagfestigkeit und andere physikalische Eigenschaften, die das Designteam anstrebt.

Arbeiter legen das Carbonfaser-Prepreg-Gewebe flach auf Tische und schneiden daraus Hunderte einzelne Teile, die einen Rahmen bilden. Diese Teile werden dann von Hand in Formen gelegt, die normalerweise aus Metall bestehen, und zwar in einer von den Ingenieuren festgelegten Reihenfolge und Faserrichtung.

Carbonfaser-Rahmenmarken bestimmen das Ausmaß der Überlappung und die Anzahl der Schichten, die erforderlich sind, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Die „Bedienungsanleitung“ für diesen Layup-Prozess ist der Layup-Zeitplan, der je nach Rahmengröße variieren kann, um den unterschiedlichen Belastungen gerecht zu werden.

Marken können für verschiedene Stücke unterschiedliche Kohlefaserstoffe verwenden. Dabei werden Kohlenstofffasern mit höherem und niedrigerem Modul genutzt, um bestimmte Ziele oder Kostenvorgaben zu erreichen.

Die Formen bestehen im Allgemeinen aus zwei Hälften. Wenn die Schichten auf beiden Seiten fertig sind, klemmen die Arbeiter die Hälften zusammen, und normalerweise befindet sich darin eine interne, aufblasbare Blase.

Fachkräfte erhitzen die Muschelformen, die Kohlenstoffschicht und die innere Blase, um das vorimprägnierte Epoxidharz zu aktivieren. Während dieses Vorgangs setzt der Hersteller die innere Blase unter Druck, um den Kohlenstoff gegen die inneren Formwände zu drücken und so Hohlräume zu reduzieren. Diese Hohlräume können zu Schwachstellen führen, wenn sie beim Aushärten des Epoxidharzes noch vorhanden sind.

Marken von Carbon-Fahrradrahmen streben danach, die Layup-Verdichtung zu verbessern, um Hohlräume zu vermeiden, und haben verschiedene Strategien entwickelt. Die meisten verwenden immer noch eine aufblasbare Blase. Andere verwenden nicht aufblasbare, aber expandierende Innenformen aus Silikon (das bei steigender Temperatur wächst). Ich erwarte weitere Fortschritte bei der Verdichtung, da Ingenieure effizientere Methoden zum Formen von Fahrradrahmen aus Kohlefaser entwickeln.

Sobald der Rahmen ausgehärtet ist und der Hersteller ihn aus der Form und der Blase löst, ist noch viel zu tun, bevor er versandbereit ist oder Teile eingebaut werden können. Diese Post-Mold-Prozesse erfordern, wie auch der Layup-Prozess, einen erheblichen Teil der gesamten Arbeitszeit.

Zu diesen Schritten gehören Entgraten, Schleifen, Bearbeiten, Oberflächenbehandlungen und letzte Vorbereitungen für die Lackierung. Der Post-Mold-Prozess kann 50–60 % der gesamten Arbeitszeit ausmachen und bietet eine Möglichkeit, Kosten durch Vorab-Engineering zu senkenWelt der Verbundwerkstoffe.

Ein Beispiel wäre die Erstellung von Formen und Layup-Plänen, die eine gleichmäßigere Oberflächenbeschaffenheit des Rahmens gewährleisten. Die Reduzierung der Nachbearbeitungsarbeit ist ein Bereich, in dem amerikanische Hersteller die Preislücke zur asiatischen Rahmenproduktion schließen können.

Einige negative Wahrnehmungen sind entstanden, da Carbonfaserrahmen häufiger, kostengünstiger und hauptsächlich im Ausland hergestellt werden. Radfahrer können sagen, dass sie „seelenlos“ sind. Visionen von riesigen, rauchspeienden Fabriken ersetzen den idyllischen Gedanken eines Herstellers, der in einer kleinen Werkstatt geduldig einen Rahmen lötet.

Aber die menschliche Arbeit ist fast ausschließlich für die Herstellung von Carbonfaser-Fahrradrahmen verantwortlich. Dabei geht es in erster Linie um praktische Arbeit, vom Schneiden des Carbongewebes über das Einlegen in die Formen bis hin zur anschließenden Endbearbeitung und Lackierung.

Ich war dieser Vorstellung von „Fabrik-Carbon“ schuldig, bis ich Zeuge der Produktion von Carbonfaser-Fahrradrahmen bei ENVE Composites wurde. Es ist wirklich ein arbeitsintensiver Prozess. Und obwohl Marketingmaterialien mit ausgefallenen Begriffen wie „Computational Fluid Dynamics“ übersät sind, beschränken sich die letzten Anforderungen an Design und Technik letztendlich darauf, dass ein Mensch Entscheidungen trifft. Vieles davon basiert auf Fahrerfahrungen. Nein, es ist kein Mensch mit einem Lötbrenner in einem Schuppen, der Rohrlängen und -winkel auf Papier notiert. Aber es ist weit entfernt von der Fließbandvision, die viele haben.

„Was die meisten Menschen bei Carbonrahmen nicht verstehen, ist, dass es nicht unbedingt das Material selbst ist, das die Kosten eines Carbonrahmens in die Höhe treibt. Es ist der Arbeitsaufwand, den Kohlenstoff in ein nutzbares Produkt umzuwandeln. Der Carbon-Herstellungsprozess ist nur in sehr geringem Maße automatisiert.

„Normalerweise liegt der Unterschied zwischen einem 3.000-Dollar-Carbonrahmen und einem 5.000-Dollar-Rahmen nicht im Modul oder in der Qualität der Faser; Vielmehr geht es um die Menge an Zeit und Energie, die in die Verfeinerung jeder Komponente des Aufbaus investiert wird, und um die Zeit, die benötigt wird, um jede dieser Komponenten in die Formen zu legen“, sagt Jake Pantone, VP of Product and Brand beiENVE-Verbundwerkstoffe.

Jetzt verstehen Sie die Grundlagen der Herstellung von Fahrradrahmen aus Kohlefaser. Ich hoffe, Sie bekommen ein Gefühl dafür, wie bemerkenswert das Material ist. Marken von Carbon-Fahrradrahmen können nahezu jedes Merkmal durch spezifische Carbongewebe, Bindemittel, Layup-Zeitpläne, Formgebung und Verdichtungsprozesse bestimmen. Carbonfaser ist wirklich das am besten anpassbare Material für die Herstellung von Fahrradrahmen.

Rahmenbauer müssen mit den verfügbaren Rohrformen für Titan, Stahl und Aluminium arbeiten, was die Gestaltungsmöglichkeiten stark einschränkt. In der additiven Fertigung gab es in jüngster Zeit Fortschritte, beispielsweise beim Drucken von Titan. Aber diese aufregenden Technologien sind bei weitem nicht so weit verbreitet wie Fahrradrahmen aus Kohlefaser.

Aber Innovation treibt die Radsportbranche an, ein Großteil davon durch den Schmelztiegel des professionellen Rennsports. In den oberen Rängen des Sports stürzen sich gut finanzierte Teams in jeden erdenklichen marginalen Gewinn. Und vor nicht allzu langer Zeit war der Ersatz von Stahl oder Aluminium durch Kohlenstofffasern „marginal“. Und durch zusätzliche Material- und Fertigungsentwicklung werden die Preise für Fahrräder und Komponenten aus Kohlefaser hoffentlich weiter sinken.

Fahrradrahmen aus Kohlefaser sind im Vergleich zu Stahl, Aluminium oder Titan immer noch nicht sturzsicher. Heutzutage ist es jedoch viel wahrscheinlicher, sie zu reparieren, da nur eine Handvoll US-Einrichtungen Rahmenreparaturen zeitnah und kostengünstig durchführen. Dies war eine enorme Verbesserung im Vergleich zu vor einigen Jahrzehnten, als die wenigen Hersteller von Carbonfaserrahmen die einzige Option waren.

Carbon, Titan, Aluminium oder Stahl? Wenn es um Fahrradrahmen geht, geht die Debatte weiter. Folgendes müssen Sie wissen: Mehr lesen…