Neue Kapuzenpullover – Kondition statt Carbon

Lange hat’s gedauert, endlich sind sie fertig! Die brandneuen Pullis von less2m.de! (Wer nicht weiterlesen will: Hier gehts direkt Shop)

Alle die Ihr Bike gerne auch mal ein paar Höhenmeter auf der Schulter tragen müssen diesen Pulli haben – nichts für Weicheier 🙂 Natürlich kommen alle anderen auch nicht an den stylishen Pullis vorbei – es gibt also keine Grund zu warten – SHOPPING!

Wie immer werden wie von allen Einnahmen die mit unseren eigenen Klamotten gemacht werden den Gewinn an eine wohltätige Einrichtung spenden. Wer für dieses Jahr von uns unterstützt wird ist noch nicht geklärt, dazu folgt in den nächsten Tagen noch eine kleine Abstimmung.

Genug gelabert, hier sind einige der möglichen Kombinationen:

Alle Varianten findet Ihr in unserem Shop oder gleich direkt zu den Produkten: Männer mit Rückenwerbung, Männer ohne Rückenwerbung und für die Ladies.

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