Carbon oder kein Carbon – das ist hier die Frage!

Frei nach dem Motto: E = 0,5 m * V² wird Leichtbau auch im Hobbysport immer wichtiger. Dieser Trend führt dazu, dass neue Wege gesucht werden unnötiges Gewicht zu reduzieren.

Was liegt da näher als auf ein leichteres Material zurück zu greifen?

Kohlenstoff verstärkter Kunststoff (CFK), häufig auch als Carbon bezeichnet, ist fast fünfmal leichter als Stahl und immerhin noch ca. 60% leichter als Alu.

Na dann ist ja alles klar! Das gewünschte Bauteil wird also nur 40% von dem ursprünglichen Bauteil wiegen, oder etwa nicht?

Denken wir beispielsweise an einen geschäumten Kunststoff, der nochmals gut 100-fach leichter ist als Carbon wird uns bewusst, dass das Gewicht nicht der einzige zu betrachtende Faktor sein kann.

Ganz entscheidende Kenngrößen bei der Entwicklung von leichten Bauteilen sind für Ingenieure die sogenannten gewichtsspezifischen mechanischen Kennwerte.

Das heißt also z.B.
• wie steif ist das Material im Verhältnis zu seinem Gewicht (spezifischer E-Modul)
• wie viel hält das Material aus im Verhältnis zu seinem Gewicht (spezifische Festigkeit)

Wie es genau um diese Eigenschaften bei den typischen Radmaterialien steht will ich in den folgenden Zeilen etwas beleuchten.

Häufig findet man im Internet die Aussage, dass Carbon weniger aushält als Aluminium. Diese Aussage ist so jedoch nicht richtig. Der Materialkennwert „Festigkeit“ steht vereinfacht gesagt nämlich genau für diese Belastungsresistenz. Aluminium ohne irgendwelche Zusatzstoffe (also unlegiert) hält nämlich nur sehr wenig aus. Erst durch das Beimengen von anderen Metallen wird die Aluminiumlegierung zu einem belastbaren Werkstoff.

Kohlenstofffasern haben dagegen je nach Art (ja, es gibt auch hier sehr große Unterschiede!) deutlich höhere Steifigkeiten und Festigkeiten in Faserrichtung. Genau dies ist auch der entscheidende Punkt! Viele technische Fasern haben in Faserrichtung ein deutlich besseres mechanisches Verhalten wie senkrecht dazu (anisotropes Materialverhalten). Um ein möglichst geringes Bauteilgewicht zu realisieren, sollten also die Fasern genau in Belastungsrichtung in die sogenannte Matrix (meist Epoxidharz) eingebettet werden. Je mehr Sicherheitslagen man in andere Richtungen einbaut, desto unempfindlicher wird das Bauteil zwar gegen Missbrauchslastfälle, jedoch verliert man auch wieder den großen Gewichtsvorteil gegenüber Aluminium. Je nach Lastfall und artgerechter Faserausrichtung im Bauteil kann also von knapp 20% bis zu 70% des Gewichts gegenüber Aluminium eingespart werden! Dies verdeutlicht die folgende Grafik.
Gibt Leichtbaupotenzial von uni- und multidirektionalem CFK im Vergleich zu Aluminium an
Bei Bauteilen die nur in wenige Hauptrichtungen belastet werden sollen und geeignete Geometrie besitzen, kann die Kohlenstoff-Faserverbundlösung also wirklich deutlich leichter werden. Voraussetzung hierfür ist eine fachgerechte Bauteilauslegung und –produktion, sowie eine 100% Qualitätskontrolle, die durch aufwändige Verfahren Fehler im Produktionsprozess aufdeckt. Das Ausgangsmaterial, das Produktionsverfahren, die Qualitätskontrollen sind deutlich kostenintensiver als in der Metallverarbeitung. Außerdem ist die Bauteilauslegung deutlich Zeit- und Know-how-intensiver als bei isotropen Werkstoffen wie Kunststoff, Alu oder Stahl. Wenn man also auf sehr kostengünstige Carbonbauteile stößt, sollte man dies kritisch hinterfragen -> metallischer Grundkörper mit Carbon Überzug, oder Ausschussbauteil?

Also ziehen wir jetzt alle los und kaufen uns einen richtig teures Carbon Rad und werden glücklich?

Leider kann man auch diese Frage wieder nicht eindeutig mit ja oder nein beantworten. Wie bereits oben gezeigt werden leichte Carbonbauteile belastungsgerecht ausgelegt und haben ihre Fasern hauptsächlich in Belastungsrichtung ausgerichtet. Dies macht sie empfindlich gegenüber Missbrauch (z.B. ungeplante Krafteinleitung durch Sturz).

Die eigentliche Versagensart ist von vielen Faktoren wie z.B. Krafteinleitungsgeschwindigkeit, Matrixzähigkeit, Faserbruchdehnung und Grenzflächenhaftung abhängig.
Da dieser Artikel keine wissenschaftliche Arbeit ist, gehe ich in den folgenden Zeilen vereinfacht von einem Standardlaminat (C-HS Faser & Standardepoxy), wie es häufig vorkommt, aus.

CFK besitzt kein duktiles Materialverhalten, das heißt es kann sich bei Überlast nicht einfach verformen, bevor es reißt. Abbildung a) auf dem folgenden Schaubild zeigt dies.

Aluminium und Stahl versagen dagegen Sortenabhängig eher wie Abbildung b) bzw c).

In der Praxis heißt das, dass zwar bei kurzfristiger,  kleiner Überlast zunächst nur die Fasern an hochbelasteten Stellen reißen und der Kraftfluss an die nebenliegenden Fasern umgeleitet wird. Danach hält das Bauteil aber nichtmehr viel aus und es kommt bei erneuter kleiner Überlast zum plötzlichen, kompletten Versagen.

Das Faserreißen ist bei leiser Umgebung hörbar und häufig macht das Bauteil danach bei erneuter Belastung Geräusche. Sieht man also irgendwelche Materialveränderungen, oder macht das Bauteil Geräusche, so sollte man sofort das Bauteil auswechseln, bzw. vom Fachmann untersuchen lassen.

Schön und gut, doch was sagt uns dies für die Praxis?

Schlägt also ein Stein gegen das Bauteil kann dies auf der Einschlagseite Fasern beschädigen und die Festigkeit herabsetzen. Je nach Krafteinwirkung und Geometrie kann es aber auch passieren, dass die Fasern genau auf der gegenüberliegenden Seite (also im Rahmen) versagen. Dort sieht man den Schaden nicht und es besteht die Gefahr dass bei einer Landung aus einer Rahmen plötzlich zwei halbe Rahmen werden.
Im Gegensatz dazu verformt sich ein metallisches Bauteil bei Überlast zunächst plastisch. Auch nach dieser plastischen Formänderung ist es immer noch belastbar (je nach Verformung aber auch nicht mehr so hoch!).

Fazit:

Bei Anwendungen mit vorhersagbarer Materialbelastung ohne die erhöhte Gefahr von Faserverletzung (z.B. Steinschlag & Aufsetzer) vorhersehbar ist und das Bauteil dementsprechend ausgelegt werden kann, ist Carbon also das optimale Mittel zum Zweck! Ein Rennrad wäre also ein optimales Beispiel dafür.

Kann es jedoch häufiger zur ungeplanten Lastfällen (Sturz, Steinschlag) kommen, so sollte man lieber ein Material mit duktilem Materialverhaltenbevorzugen (Alu) verwenden. Ein Mountainbike der Enduro, Freeride oder auch Downhillklasse gehören in diese Kategorie.

Wird man jedoch gesponsert und kann den Rahmen nach einem Sturz einfach gegen einen neuen Tauschen so spricht hier ebenfalls nichts gegen einen Carbonrahmen. Denn wie bereits am Anfang des Artikels beschrieben, besitzt das Material eine höhere Festigkeit als Alu und kann so bei gleicher Dimensionierung und sinnvoller Faseranordnung deutlich mehr aushalten.

Einige Hersteller schützen gefährdete Stellen mit Kunststoffüberzügen. Diese helfen bei leichten Aufsetzern gegen Abrieb, verteilen die Einschlagsenergie von Steinen, aber verhindern leider auch die Sichtprüfung der gefährdeten Stellen.

Zum Schluss noch etwas aus der gefährlichen Foren Halbwissenskiste:

Alurahmen halten deutlich länger als ein Carbonrahmen ! ?

Bei Artgerechter Belastung und UV schützender Lackierung ist diese Aussage falsch. Im Gegensatz zu Aluminium hat Carbon deutlich bessere Eigenschaften bezüglich seiner Dauerfestigkeit.

Carbon ist ein neuer unzuverlässiger Werkstoff ! ?
Falsch, Carbon kommt seit zig Jahren in hochbelasteten Stellen im Flugzeug und Rennautos zum Einsatz und wird auch in der Automobilindustrie zur Serienreife getrimmt, bzw. ist seit Jahren im Einsatz (BMW – i3; VW 1 Liter Auto; KTM X-Bow; Porsche Carrera GT, …)

Falls es noch weitere Fragen oder Anregungen zum Thema gibt, versuche ich gerne diese zu beantworten!

Auf Mountainbike-magazin.de findet Ihr auch einen guten, einfach gehaltenen Artikel zum Thema Carbon mit seinen Vor- und Nachteilen.

 

Ride free!

Euer Basti

Quellen:
Prof. Dr.-Ing. Gottfried Wilhelm Ehrenstein -Faserverbund-Kunststoffe: Werkstoffe – Verarbeitung – Eigenschaften
M.Eng. Sebastian Baumgärtner – Technical and economic analysis of crash absorbing components in vehicles made out of different composite materials
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Tetzlaff
Prof. Dr.-Ing. Helmut Schürmann – Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden
Manfred Neitzel, Peter Mitschang – Handbuch Verbundwerkstoffe
KTM_Technologies
VDI
Wikipedia
MTB-News
Sebastian Baumgärtner
Audi AG

AlpX2011 – Braking News

Nicht mal mehr vier Wochen bis zur Abfahrt und die Ereignisse überschlagen sich 🙂

Patrick hat sich ein neues Bike gegönnt und steht jetzt auch in Sachen Federweg in nichts mehr zurück – an dieser Stelle herzlichen Glückwunsch zum neuen Specialized Enduro Evo! Die Fox Van an der Vorderachse und der DHX4.0 am Hinterbau sorgen für den Kontakt zum Boden auch auf ruppigen Trails!

Patricks Bike

ENDURO EXPERT EVO

Unser Event „Biken – Schrauben – Grillen“ war ein voller Erfolg! Die Bikes sehen wieder aus wie neu und sind komplett gewartet – bereit um wieder komplett eingesaut zu werden – WIR LIEBEN DRECK! 🙂

Davor gings noch zum Hohen Neuffen und für ein paar von uns noch auf die Teck –  in diesem Zug muss auch der Fitnesscheck korrigiert werden! Alle werte bleiben unverändert bis auch Bastis – hier muss auf jeden Fall nach oben korrigiert werde: Satte 15 Punkte ohne weitere Kommentare! Hier gehts zum Artikel.

Und damit der Beitrag nicht zu kurz wird, hier noch ein paar Techniktipps 🙂

Serpentinenfahren: In den Steilkurven ist mit zunehmender Schräglage in Verbindung mit Verlagerung des Körpergewichts in Richtung Hinterrad mit abnehmenden Grip am Vorderrad zu rechnen.

Plötzlich auftretende Schleif- und Kratzgeräusche könnten von einem lose umherfliegenden Bike kommen – Bitte umgehend prüfen ob man selbst noch auf dem Bike sitzt 😉

Stürze auf engen Trails: Vor dem Absprung über eine Kante muss geprüft werden ob ein Stein nach der Landung das Vorderrad am weiterrollen hindert. Sollte das Prüfen vergessen und mit einer unfreiwillig akrobatischen Einlage bestraft werden, sind folgende Punkte zu beachten.

–       Bei Stürzen in unmittelbarer Nähe zu Matschlöchern ist auf einem Mindestabstand zwischen Gesicht und Pfütze von 10cm zu achten.

–       Nach einem Überschlag in einen Dornenbusch ist eine Landung auf dem Rücken in der Käferstellung nur bedingt zu empfehlen. Wichtig ist hierbei dass man sich möglichst unbeobachtet aus der Hecke herauswälzt um spöttisches Gelächter zu vermeiden 🙂

Biketransport: Beim Tragen der Bikes sollte auf die Pins der Plattformpedale geachtet werden. Wenn man sich diese schon ins Schienbein oder die Wade rammt ist es von Vorteil die Schrammen so zu platzieren dass man es später auch als Fahrunfall verkaufen kann 🙂

Zum Schluss noch ein Hinweis an alle Fahrer mit Scheibenbremsen – kommt nur nicht auf die Idee mit zu viel Öl in der Leitung zu starten. Als die Beläge auf 2500m Höhe getauscht werden mussten wurde festgestellt dass beim letzten Entlüften die Kolben nicht komplett zurückgedrückt waren und dadurch zuviel Öl in der Leitung ist. Das Resultat: Die neuen Beläge haben nicht mehr reingepasst! Also doch nochmal die alten Beläge rein in der Hoffnung dass alles hält – zum Glück ist das gut gegangen 🙂 Zum Glück haben die meisten von uns entweder neue Bremsen oder haben am Wochenende die Beläge getauscht!

Keep on riding – bis zum nächsten Countdown

 

AlpX2011 – Bikecheck

Dieses Jahr steht die Alpenüberquerung unter dem Motto: „Federweg ist durch nichts zu ersetzen, ausser durch noch mehr Federweg“. Seit letztem Jahr hat sich einiges an der Ausrüstung getan – neue Bikes, neue Laufräder, neues Cockpit, breite Lenker, alles neu und alles geil! Aber auch alles schwererJ Natürlich steht hier ausschliesslich der Gedanke an die Sicherheit im Vordergrund 😉

Basti hat sein Lapierre Zesty gegen ein Froggy vom selben Hersteller getauscht und ist mit seinen 180/180mm Federweg schon stark Freeridelastig unterwegs. Die FOX VAN Gabel ist Ölgedämpft und wird wohl nach dem Ölwechsel jede zu erwartenden Unebenheit einfach wegbügeln. Fürs präzise und knackige Schalten sorgt eine Kombination aus SLX-Umwerfer und X.0 Schaltwerk. Mit knapp 17kg das schwerste Bike im Feld, und damit 4kg mehr unterm Hintern als letztes Jahr.

Für die Verzögerung auf den Trails sorgt die Doppelkolbenbremse SAINT von SHIMANO mit 200er Bremsscheiben.

Sven hat sein Focus Thunder Pro gegen ein SOLID Blade Enduro getauscht und ist somit auch dem Trend nach mehr Federweg gefolgt. Für optimale Dämpfung sorgen hier eine ROCK SHOX Lyric 2-Step mit 160mm und ein Marzocchi TST am Hinterbau. Das technische Highlight ist die Hammerschmidtkurbel mit Planetengetriebe – yeeeaahhhh! Das Surren im Overdrive und das Rattern der Sperrklinken im Freilauf bieten die Vorlage für den neuen Nickname – The Rattlesnake – wir werden sehen ob es so bleibt. Für die optimale Bremskraft sorgt die AVID ELIXIR R mit 200mm Bremsscheiben. Mit einem Gesamtgewicht von ziemlich genau 16kg auch einer der schwereren Kandidaten im Feld.

 

Mit einem CUBE FRIZZ gehen Stefan und Sven K. ins rennen. Das Bike ist bereits bekannt aus dem letzten Jahr und wie sich gezeigt hat perfekt geeignet für eine Alpenüberquerung. Mit der FOX Talas und dem RP23 sind die Jungs auch bestens für alle Holperstrecken und technische Passagen ausgerüstet. Zur Bremse brauchen wir wohl keine weiteren Worte verlieren – FORMULA THE ONE – der Name ist Programm! Das Gewicht liegt wohl so bei 15kg. Die Cockpits wurden und werden umgebaut – breiter und kürzer ist der Trend!

 

Patrick, unsere Rennradler, wie sollte es auch anders sein, hat mit seinem SPECIALZICED STUMPJUMPER FSR Carbon das leichteste Bike von allen! Trotz einiger Skepsis von den anderen Teilnehmern hat er sich für ein Carbonrahmen entschieden und geht davon aus dass dieser alle Strapazen und eventuell unfreiwillige Abstiege übersteht – wir hoffen es! Mit einer Talas an der Vorderachse und einem Braindämpfersystem am Hinterbau steht dem alpinen Spaß nichts im Weg.

Leider gibts dazu kein aktuelles Bild!

 

Alles in allem sind wieder nur technische Leckerbissen unterwegs die uns hoffentlich sicher über die Alpen bringen!

Keep on rollin!

Neue Pix bei den Touren

Hier ein paar Bilder von unserem Ausflug an die Zugspitze – trotz Pleiten, Pech und Pannen war es ein sehr cooles Wochenende.

Die Babys beim ausruhen:

Absolut perfekter Style mit dem man es sogar in den hauseigenen Club schafft 🙂

Weitere Bilder gibts wie immer in der Gallerie.