Aluminium:
Aluminium wird in den letzten Jahren verstärkt im Rahmenbau eingesetzt. Während die ersten Aluminiumrahmen als eher mißglückt anzusehen sind, ist jetzt eine hohe Perfektion erreicht worden.
Selbst das Endverstärken von Aluminium Rohren wird einigermaßen beherrscht. Aluminium besitzt ca. 1/3 der Festigkeit von Stahl, etwas unter 1/3 der Steifigkeit, bei etwas unter 1/3 der Dichte. Keine berauschenden Werte, allerdings läßt die geringere Dichte eine größere Dimensionierung zu, was sich wie schon vorher erwähnt, in der Steifigkeit positiv niederschlägt.
Ein Problem der Aluminiumrahmen klingt im ersten Moment eher paradox: Die hohe Steifigkeit. Während ein Stahlrahmen permanent bei jedem Tritt und Stoß federt, und durch dieses Nachgeben Spannungsspitzen abbaut, ist dies bei einem Aluminiumrahmen weit weniger der Fall. Ein Aluminiumrahmen muß daher von Haus aus viel fester ausgelegt sein. Ein weiteres Problem stellen die Schweißnähte dar.
Aluminium bildet bei Kontakt mit Sauerstoff blitzartig eine Oxidschicht. Diese Oxidschicht ist in der Schweißnaht höchst unerwünscht, sie muß also vor O2 geschützt werden. Dies geschieht durch das sogenannte Schutzgasschweißen.
WIG steht für Wolfram Inert Gas. (TIG = engl.: TungstenInertGas) Das heißt, ein Wolframstab wird als nichtabschmelzende Elektrode verwendet, und ein inertes Gas, meist Argon, schirmt die Schweißnaht gegen O2 ab. Zusätzlich wird, im Vergleich zu einer Stahlschweißung, mit Wechselstrom geschweißt, so daß die bereits vorhandene Schutzschicht "weggerissen" wird.
Das Zusatzmaterial wird per Hand zugeführt. Aluminium muß auch gegen Korrosion geschützt werden.
Vorteile:
- geringe Dichte
- einfach recyklierbar
Nachteile:
- etwas schwieriger zu verarbeiten als Stahl
- Korrosionsschutz notwendig
- bei Herstellung viel Energie notwendig (Umwelt)
- durch die geringere Bruchdehnung rißgefährdet
Titan:
Titan ist von einem Mythos des ultimativen Rahmenmaterials umgeben. Auch wenn es uns leid tut, etwas von diesem Mythos müssen wir zerstören.
Ein sehr angenehmer Vorteil von Titan ist die absolute Korrosionsbeständigkeit. Ein Besitzer eines Titanrahmen muß sich über keine Lackschäden etc. aufregen. Weiters sind bestimmte Titanlegierungen hochfest, manche liegen sogar knapp über den im Rahmenbau verwendeten Stählen.
Die Nachteile von Titan sind allerdings deren viele: Titan ist ziemlich teuer, und benötigt bei der Herstellung Unmengen von Energie. Es hat zwar eine geringere Dichte als Stahl, (etwas über der Hälfte), aber nur die halbe Steifigkeit.
Titanrahmen gehören also eher zu den nachgiebigen Zeitgenossen. Wie auch bei Aluminiumrahmen läßt sich durch die Dimensionierung einiges an Steifigkeit gewinnen. Das erhöht allerdings auch den Preis sowie das Gewicht. Titan ist außerdem auch außerordentlich schwer zu verarbeiten.
Das Konifizieren von Titanrohren ist zwar möglich aber aufwendig. Ebenso das Endverstärken von Rohren und wird aus kostengründen sehr oft unterlassen. Weiters ist das Bearbeiten und Zuschneiden der Titanrohre nicht einfach. Besonders knifflig wird es beim Schweißen.
Titan bildet ebenso wie Aluminium eine Oxidschicht, die aber bei Hitzeeinwirkung drastisch an Dicke und Härte, aber auch Sprödigkeit, zunimmt. Sauerstoff ist also während des Schweißens von der gesamten Wärmeeinflußzone fernzuhalten. Der Rahmen muß also in Edelgas- oder Vakuumkabinen geschweißt werden. Und das ist sehr teuer.
Vorteile:
- sehr fest
- noch geringe Dichte
- absolut Korrosionsbeständig
- edle Optik
Nachteile:
- schwer zu verarbeiten
- geringerer E-Modul sollte durch Konstruktion ausgeglichen werden
- benötigt bei Herstellung viel Energie
Carbon, Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, CFK
Einleitung:
Faserverstärkte Kunststoffe werden bereits seit längerem erfolgreich im Sportgerätebau eingesetzt. Während bei herkömmlichen Sportgeräten wie Tennischlägern, Skiern etc. überall wo Carbon draufsteht in Wahrheit Glasfasern drinnen sind (höchstens mit ein paar Prozenterln Carbonfasern), werden bei Fahrradrahmen tatsächlich hauptsächlich Carbonfasern eingesetzt.
Die Steifigkeits und Festigkeitswerte ersetzen einen immer wieder in staunen. Traumhaft! Warum wiegen dann Carbonrahmen mehr als 250gr?
Ganz einfach deswegen, weil die Traumwerte der Fasern nur in einer, nämlich der Faserrichtung Gültigkeit besitzen, während die Festigkeits- und Steifigkeitswerte bei Metallen in allen Richtungen dieselben sind. Außerdem müssen die Fasern untereinander abgestützt werden. (Wer kann schon auf einem Pullover fahren?)
Dies geschieht durch eine sogenannte Matrix. Dazu können Kunststoffe eingesetzt werden, bei Fahrradrahmen ist dies meist Epoxydharz. Wenn nun eine Kraft nicht in Faserrichtung wirkt, so hält nur die Matrix dagegen, und Epoxydharz wie auch andere Kunststoffe besitzen genau das Gegenteil von Traumwerten. Die Fasern müssen also unidirektional, also in mehreren Richtungen, gelegt werden. Dadurch wird der Gewichtsvorteil zusehends geringer.
Außerdem muß der Kräfteverlauf in einem Rahmen genauestens bekannt sein, da überall wo eine Kraft auftritt, Fasern gelegt werden müssen. Dieser Vorgang ist sehr kompliziert und mit hohem Arbeitsaufwand verbunden. Das macht den Rahmen zwar leichter, aber auch teurer. Weiters macht es wenig Sinn, einfach nur Rahmenrohre durch Carbonrohre zu ersetzen. Genauso wie Holz, das eigentlich auch ein faserverstärktes Material ist, muß ein Carbonrahmen weiche Übergänge besitzen, wie wir es von Bäumen gewohnt sind.
Anmerkung: Dieses Prinzip der Spannungsminimierung gilt überall und bei jedem Material. Deswegen machen kunstvoll fachwerkartig ausgefräste (zB.) Kurbelgarnituren nur in einer Vitrine als Austellungsobjekt Sinn.
Grundformen:
als Strang oder Bündel von Parallelfasern (Rovings),
als Gewebe und Geflechte in ihren unterschiedlichsten Formen und...
als ungerichtete Matten oder Wirrfasern (nur Glasfaser).
Neben den genannten Rovings gibt es noch Garne und Zwirne, die durch Verdrehung einzelner oder mehrerer Spinnfäden entstehen. Durch die Verdrehung entsteht ein widerstandsfähiger, in sich fest gebundener Faden, der sich leicht textil verarbeiten (zB. weben) läßt.
Rovings:
Carbonfasern:
Carbonfasern sind in verschiedensten Ausführungen und Qualitäten erhältlich. Im Rahmenbau werden meist niedrigere Qualitätsklassen verwendet, da hochfeste Carbonfasern mit ca. 3000 ATS/kg schlicht zu teuer sind. Aber selbst normalfeste Carbonfasern sind durch die geringe Dichte noch sehr attraktiv. Carbonfasern sind sehr spröd, deswegen werden Rahmen oder auch anderen Bauteilen zB. Lenkern Aramidfasern (=Kevlar®) beigefügt, die eine größere Bruchdehnung besitzen, und daher nicht sofort brechen.
Vorteile:
- sehr fest
- steif leicht
- attraktive Optik
Nachteile:
- teuer
- schwierig zu verarbeiten
- schwierig zu dimensionieren
geklaut bei
http://www.besserbiken.at/standard.xml?vpID=476
für mich ist titan das material schlechthin
langlebig sexy und auf mass auch noch bezahlbar
(...) Ich verneige mich.
