Rahmenwerkstoff
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Werkstoffe für Fahrradrahmen
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[Bearbeiten] Stahl
Stahl ist der wohl am weitesten verbreitetste Werkstoff für Fahrradrahmen. Stahl ist in sehr vielen verschiedenen Legierungen erhältlich. Im Rahmenbau üblich sind Chrom-Molybdän Legierungen, wie 25CrMo4 (in den USA 4130) und ganz selten 34CrMo4 (US 4135), das eine geringfügig höhere Festigkeit besitzt. Ebenfalls selten anzutreffen sind rostfreie Stähle. Hersteller von Stahlrahmenrohren sind zum Beispiel: Tange, Reynolds, Columbus (Stand: 2002).
CrMo-Stahl ist ein zäher Vergütungsstahl mit einer (bei allen Stählen) hohen Steifigkeit und ist daher für langlebige Rahmen besonders geeignet. Stahl ist außerdem sehr leicht zu verarbeiten. Er lässt sich problemlos löten und schweißen, selbst kleben ist möglich, erscheint aber nicht sinnvoll. Durch die langjährigen Erfahrungen der Hersteller ist es auch möglich, exotische Rohrformen wie konifizieren, endverstärken, spiralig verstärken, etc. herzustellen.
Die Vorteile von Stahl zusammengefasst:
- hohe Festigkeit
- hohe Steifigkeit
- sehr zäh
- leicht zu verarbeiten
- billiger Rohstoff
- einfach wiederverwertbar
Nachteile
- hohe Dichte (schwer)
- Korrosionsschutz notwendig
- durch die hohe Festigkeit werden sehr geringe Wandstärken hergestellt, das erhöht die Beulgefahr
[Bearbeiten] Aluminium
Aluminium wird in den letzten Jahren verstärkt im Rahmenbau eingesetzt. Während die ersten Aluminiumrahmen problematische Stabilitätswerte hatten, ist jetzt eine hohe Perfektion erreicht worden. Selbst das Endverstärken von Aluminiumrohren wird beherrscht. Aluminium besitzt ca. 1/3 der Festigkeit von Stahl, etwas unter 1/3 des E-Moduls (also hohe Steifigkeit), bei etwas unter 1/3 der Dichte. Die geringere Dichte lässt eine größere Dimensionierung zu, die sich 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 Sauerstoff 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 Sauerstoff ab. Zusätzlich wird, im Vergleich zu einer Stahlschweißung, mit Wechselstrom geschweißt, sodass die bereits vorhandene Schutzschicht „weggerissen“ wird. Das Zusatzmaterial wird per Hand zugeführt. Aluminium muss auch gegen Korrosion geschützt werden.
Vorteile
- geringe Dichte
- einfach wiederverwertbar
Nachteile
- etwas schwieriger zu verarbeiten als Stahl
- Korrosionsschutz notwendig
- bei Herstellung viel Energie notwendig (Umwelt)
- durch die geringere Bruchdehnung rissgefährdet
[Bearbeiten] Titan
Manche Titanlegierungen sind hochfest, manche liegen sogar knapp über den im Rahmenbau verwendeten Stählen. Titan benötig absolut keinen Korrossionsschutz. Es hat allerdings viele Nachteile: 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. Das Steifigkeits-/Gewichtsverhältnis ist ungünstiger als bei Stahl oder Aluminium. Titan ist außerdem auch außerordentlich schwer zu verarbeiten. Das Konifizieren von Titanrohren ist zwar möglich aber aufwendig. Das Endverstärken von Rohren wird aus Kostengründen sehr oft unterlassen. Außerdem 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
- teuer
- schwer zu verarbeiten
- geringerer E-Modul sollte durch Konstruktion ausgeglichen werden
- benötigt bei Herstellung viel Energie
[Bearbeiten] Magnesium
Wenn von Magnesium gesprochen wird, ist immer von Magnesium-Aluminium-Legierungen die Rede. Magnesium wird als Rahmenwerkstoff gar nicht bzw. nur sehr selten eingesetzt. Es ist zwar sehr leicht, aber auch spröde. Es lässt sich nur sehr eingeschränkt walzen, daher ist die Rohrherstellung nahezu unmöglich. Außerdem muss Magnesium gegen Korrosion besonders gut geschützt werden. Im Fahrradbereich kommt Magnesium nur vereinzelt zum Einsatz, ausgenommen bei Federgabeln, bei denen die Tauchrohre gerne aus diesem Material gegossen werden. Doch auch als fertiges Teil ist die große Sprödigkeit von Magnesium ein Problem. Dieser Werkstoff bricht ohne Verformung, also ohne Vorwarnung. Besonders Ausfall-Enden von Federgabeln müssen erstens überdimensioniert und zweitens sehr sorgfältig gegossen werden.
Vorteile
- geringe Dichte
- etwas billiger als Aluminiumlegierungen
Nachteile
- spröde
- nicht zu Rohren verarbeitbar (nur Gießen möglich)
- nicht schweißbar
- gegen Korrosion sehr empfindlich
[Bearbeiten] Scandium
Auch sogenannte Scandium-Rahmen sind hauptsächlich aus Aluminium. Die Legierung enthält eine geringe Menge Scandium. Dadurch wird der Rahmen etwas leichter schweißbar. Allerdings sind Aluminium-Scandium-Legierungen nicht so steif wie gewöhnliche Aluminium-Legierungen.
[Bearbeiten] Beryllium
Nur von rein theoretischer Bedeutung ist der Werkstoff Beryllium. Beryllium ist hart und sehr spröde, teuer und zudem giftig. Das erhöht die Verarbeitungskosten (Arbeitsschutz). Außerdem ist es schwer zu verarbeiten. Von Konifizieren oder Endverstärken ist nicht einmal die Rede, und Schweißen ist derzeit noch nicht möglich, Beryllium muss in Muffen (meist aus Aluminium) verklebt werden.
Vorteile
- sehr leicht
- hohe Steifigkeit
- gute Festigkeit
Nachteile
- sehr teuer
- giftig
- spröde, schwer zu verarbeiten
[Bearbeiten] Carbon, Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, CFK
Einleitung:
Faserverstärkte Kunststoffe werden bereits seit längerem erfolgreich im Sportgerätebau eingesetzt. Die theoretischen Steifigkeits- und Festigkeitswerte sind sehr hoch, gelten aber nur in einer, nämlich der Faserrichtung, während die Festigkeits- und Steifigkeitswerte bei Metallen in allen Richtungen dieselben sind. Außerdem müssen die Fasern untereinander abgestützt werden. 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 sind nicht sehr fest. Die Fasern müssen 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, die Verstärkungsfasern in der richtigen Menge und in der richtigen Richtung 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. Diese Übergänge sichern ein gewisses Maß an Flexibilität und somit an Komfort des Rahmens. Geradlinige Übergänge hingegen fördern die Steifigkeit des Gesamtbauteils.
Anmerkung des Autors: Dieses Prinzip der Spannungsminimierung gilt überall und bei jedem Material.
Grundformen:
Die verschiedenen Verstärkungsfasern kommen in drei Grundformen zum Einsatz: als Strang oder Bündel von Parallelfasern (Rovings), als Gewebe und Geflechte in ihren unterschiedlichsten Formen und als ungerichtete Matten oder Wirrfasern. 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 (z. B. weben) lässt. Rovings: Stränge oder Bündel von Parallelfasern werden Rovings, oder, wenn sie relativ dünn sind, Fäden oder Garn genannt. Die einzelnen Fasern innerhalb eines Rovings oder eines Fadens, die bei Glas ca. 5-15 µm, bei Kohle ca. 7-10 µm und bei Kevlar® ca. 12 µm Durchmesser haben, werden Elementfasern oder Filaments genannt. Die Anzahl der Filaments kennzeichnet die Dicke bzw. das Metergewicht des Rovings oder des Fadens.
Carbonfasern
Carbonfasern sind in verschiedensten Ausführungen und Qualitäten erhältlich. Aber selbst normalfeste Carbonfasern sind durch die geringe Dichte noch sehr attraktiv. Carbonfasern sind sehr spröd, deswegen werden Rahmen oder auch anderen Bauteilen z. B. Lenkern Aramidfasern (=Kevlar®) beigefügt, die eine größere Bruchdehnung besitzen, und daher nicht sofort brechen.
Vorteile
- sehr fest
- steif
- leicht
- attraktive Optik
Nachteile
- sehr spröde
- teuer
- schwierig zu verarbeiten
- schwierig zu dimensionieren
[Bearbeiten] Aramidfasern (=Kevlar®)
Aramidfasern werden Carbonfasern beigemischt, um die Bruch- und Schlagfestigkeit des Bauteils zu erhöhen. Aramidfasern sind an ihrer gelben Farbe erkennbar. Als Rahmenmaterial sind diese Fasern aufgrund ihres Preis/Festigkeitsverhältnisses nicht sehr attraktiv.
[Bearbeiten] Metal Matrix Composite, MMC
Dieses Material gehört eigentlich zu Aluminium, aber auch zu den faserverstärkten Werkstoffen. Einfach deswegen, weil in einer Aluminiummatrix Fasern oder Partikel zur Verstärkung eingelegt werden. Vor einigen Jahren (ca. 1998) haben zwei Firmen Produkte vorgestellt: Spezialized mit einem partikelverstärkten Rahmen (Aluminiumoxidpartikel), Univega mit einem borfaserverstärkten Gefährt. Die Festigkeit von Aluminium wird kaum verbessert, die Steifigkeit aber um bis zu 30% laut Hersteller. Diese Rahmen sind allerdings wieder vom Markt verschwunden.
Vorteile (Herstellerangaben)
- geringe Dichte (=Aluminium)
- sehr steif
Nachteile
- noch schwerer zu schweißen als Aluminium
- nicht wiederverwertbar
- sonst siehe Aluminium
[Bearbeiten] Anforderungen an das Rahmenmaterial - Welche Materialeigenschaften sind für einen Fahrradrahmen wichtig?
Steifigkeit: Die Steifigkeit eines Rahmens ist wohl eine der wichtigsten Größen. Womit kann ich nun die Steifigkeit erhöhen? Ich kann einerseits ein Material nehmen, das von sich aus sehr steif ist, das heißt, dass es einen hohen E-Modul besitzt. Stahl besitzt unter den Metallen die für einen Fahrradrahmen geeignet sind, wohl den höchsten E-Modul, ist also der steifste Werkstoff. Die für die Steifigkeit eines Rohres ausschlaggebende Größe ist allerdings nicht das Material (E-Modul), sondern der Durchmesser. Der Durchmesser geht bei einer Steifigkeitsberechnung eines Rohres mit der dritten Potenz!!!, der E-Modul jedoch nur linear ein. Darum können Aluminiumrahmen deutlich steifer als Stahlrahmen sein. Die geringe Dichte von Aluminium lässt es zu, dass die Rohre "aufgeblasen" werden können, um die Steifigkeit zu erhöhen. Dabei kann gleichzeitig noch ein relativ geringes Gewicht realisiert werden. Doch warum kann ich ein Stahlrohr nicht einfach genauso dick machen? Der Grund ist, dass ich die Wandstärke radikal verringern müsste, um bei gleichem Rahmengewicht die Steifigkeit zu erhöhen. Durch diese Maßnahme wächst jedoch Gefahr des Knickens bzw. Beulgefahr! (= Cola Dosen Effekt).
Festigkeit: Die Festigkeit eines Rahmens ist meistens hoch genug, da der klassische Diamantrahmen von der Bauform her bereits festigkeitsoptimiert ist. Durch Überbelastungen kann es natürlich trotzdem zu einem Versagen kommen. Wichtig für einen stabilen Rahmen ist das Ausnützen der Diamantform, fließende Übergänge und wenig Spannungsspitzen, also saubere Schweißnähte ohne Kerben und Stufen, sowie sinnvolles Einsetzen von Verstärkungsblechen, und Ausnützen der natürlichen Elastizität des Werkstoffes, sowie der Konstruktion.
Es gibt keinen Rahmen der alles aushält. Wenn Überbelastungen - meistens durch Fahrfehler - auftreten, so muss ein Bauteil nachgeben. Solange dies im elastischen Bereich geschieht, merkt der Fahrer davon nichts. Sobald aber ein Bauteil plastisch nachgibt, sich also verformt, ist das Bauteil beschädigt. Schlimm sind natürlich Risse, die vermehrt dann auftreten, wenn ein Werkstoff mit geringer Zähigkeit verwendet wird, oder das Bauteil vorgeschädigt war, z. B. durch fehlerhafte Schweißnähte, fehlerhafte Verarbeitung, falsche Konstruktion, Dellen oder Bohrungen. Den typischen "Materialfehler" gibt es praktisch nicht mehr. Sämtliche im Rahmenbau verwendeten Materialien können für sich als fehlerfrei angesehen werden.
Dauerfestigkeit: Für Fahrradrahmen praktisch ohne Bedeutung, aber kurz erklärt: Sämtliche Metalle verlieren durch Beschädigungen an der Oberfläche - Mikrorisse - laufend an Festigkeit. Nur Stahl gilt als Dauerfest, da bei einer gewissen Anzahl an Lastwechseln Stahl nicht mehr an Festigkeit verlieren kann, alle anderen Metalle jedoch schon. Diese Anzahl an Lastwechseln wird Dauerfestigkeitsgrenze genannt. Sie ist allerdings so hoch, dass sie selbst für Rennfahrer nicht interessant ist.
Gewicht: Wünschenswert ist natürlich ein möglichst geringes Gewicht, allerdings muss der Rahmen auch sicher sein und die notwendigen Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen erfüllen. Daher werden hochspezialiserte Fahhradrahmen für verschiedene Einsatzbereiche konstruiert, um für jeden Einsatzzweck möglichst optimale Eigenschaften zu erfüllen.
Korrosionsschutz: Aluminium ist entgegen landläufiger Meinung korrosionsgefährdet: Salzwasser in Form von Schweiß, isotonischen Getränken, Salzstreuung, etc. greifen das Material an. (Randbemerkung: Besonders das im Rahmenbau nicht verwendete AL-7075 muss unbedingt geschützt werden.) Eine Oberflächenbehandlung ist also notwendig. Aluminium kann lackiert, pulverbeschichtet und eloxiert (anodisiert) werden. Stahl rostet bekannterweise, muss also auch geschützt werden z. B. durch Lackierung oder Pulverbeschichtung. Titan ist korrosionsfest und benötigt keinerlei Oberflächenbehandlung. Carbonrahmen sollten zumindest klar lackiert sein, da die Kunststoffmatrix gerne Wasser aufnimmt und dadurch gering an Festigkeit verliert.
Bruchdehnung und Schlagzähigkeit: Damit bei einer Überbelastung ein Bauteil nicht komplett versagt, sind Reserven notwendig. Stahl ist in dieser Hinsicht sehr gutmütig, bevor ein Bauteil aus Stahl reißt, findet eine deutlich sichtbare plastische Verformung statt. Der Bauteil wird als schadhaft erkannt und wird ausgetauscht, bevor er versagt. Auch Titan ist in dieser Hinsicht ein gutmütiger Werkstoff, wenn richtig geschweißt wurde. Aluminium kann bei vorhandenen Vorschäden (Korrosion, ungünstiger Spannungsverlauf durch falsche Konstruktion, Oberfläschenschäden, Schweissfehler..) ohne Vorwarnung komplett durchreißen. Das Bauteil versagt plötzlich. Daher sollten Vielfahrer Lenker aus Aluminium einmal jährlich tauschen. Für Rahmen aus Aluminium bedeute das: Regelmäßige Kontrolle beim Reinigen, vor allem bei den Schweißnähten. Carbon ist sehr spröde und empfindlich gegen Schläge. Stürze können das Material schädigen, ohne dass optisch eine Veränderung zu sehen ist. Daher gilt auch für Carbon: Bauteile lieber regelmäßig tauschen. Rahmen sind davon kaum betroffen, da diese meist stark genug dimensioniert sind, aber nach Überbelastung (z. B. Sturz) sollte eine genaue Kontrolle stattfinden.
