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Aug 23, 2023

Kohlefaser

Das geheime Leben von Kohlefaser – dem allgegenwärtigsten Material im Radsport. Da Kohlenstoff

Das geheime Leben von Kohlefaser – dem allgegenwärtigsten Material im Radsport.

Seitdem Carbonfaser vor fast zwei Jahrzehnten im Wesentlichen die Welt des Hochleistungsradfahrens erobert hat, hat die Fahrradindustrie weiterhin immer leichtere, steifere und beeindruckendere Designs hervorgebracht, die aus Metall nicht herzustellen waren.

Aber Kohlefaserprodukte können auch undurchsichtiger und mysteriöser sein als ihre Gegenstücke aus Metall. Hier sind 11 Fakten, die Sie möglicherweise nicht über das Material wissen.

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Es scheint einfach so. Tatsächlich kommen die meisten Kohlefaserprodukte der Fahrradindustrie aus China, Taiwan und zunehmend auch aus Vietnam und Indonesien. Einige Carbonfaserrahmen und -teile werden aber auch in US-amerikanischen Fahrradfabriken (z. B. Allied, Guerrilla Gravity, Zipp, Enve und Argonaut), Portugal, Tunesien (Look) und Italien (Sarto, Basso, Colnagos C68) hergestellt.

Trotz seines Rufs als Material für die Luft- und Raumfahrt lässt sich Kohlefaser im kleinen Maßstab genauso einfach verarbeiten wie Metallrohre. Kleinere amerikanische Geschäfte und sogar einzelne Hersteller können mit Kohlenstoff arbeiten und nicht nur mit den fertigen Rohren, die von Unternehmen wie Dedacciai in Italien oder Rock West in Utah erhältlich sind. Hersteller wie Craig Calfee, Nick Crumpton und Matt Appleman, die alle auf der North American Handmade Bike Show ausstellten, stellen ihre eigenen Rahmen aus Carbonplatten her, ganz ähnlich wie große Hersteller wie Giant.

[Die Unterschiede zwischen Fahrradrahmenmaterialien – erklärt]

Kohlefaser selbst besteht typischerweise aus einem Material namens Polyacrylnitrilfaser (PAN). Ein weniger verbreiteter Vorläufer heißt Pech. Die PAN-Faser wird bei extrem hohen Temperaturen gekocht, wodurch das gesamte Nicht-Kohlenstoff-Material verbrennt und eine Reihe sehr dünner, langer Fasern zurückbleibt. Je mehr Bearbeitung, desto mehr nimmt die Steifigkeit zu.

Es handelt sich um einen hochentwickelten industriellen Prozess, und nur wenige Unternehmen weltweit sind in der Lage, Rohkohlenstofffasern herzustellen. Laut einem Bericht des US-Energieministeriums stammen im Jahr 2010 mehr als 90 Prozent des weltweiten Kohlenstofffaserangebots von nur sechs Unternehmen: Toray, Teijin (Toho Tenax), Mitsubishi Chemical Corporation, Zoltek, Hexcel und Cytec. Auf Toray, Teijin und Mitsubishi entfallen fast zwei Drittel der weltweiten Kohlefaserproduktion. Zoltek, Hexcel und Cytec haben ihren Hauptsitz in den USA und produzieren etwas weniger als ein Drittel der weltweiten Kohlefaser.

Kohlenstofffasern gibt es in verschiedenen Formen: rohe Faden- oder Blattfasern (beides Endlosfasern) und Kurzfaserfasern, die entweder als Blätter oder als Klumpen geschnittener, sehr kurzer Fasern vorliegen können. Gehackte Fasern werden in Produkten wie Pedalkörpern verwendet. Bei Fahrradrahmen kommt der Blattstil am häufigsten vor und er hört sich auch so an: durchgehende Schichten aus Kohlefaser (sogenannte Lagen), die wie Stoffballen aussehen und normalerweise etwa genauso breit sind und auf riesigen Spulen aufgewickelt werden. Rohgarn ist in der Fahrradindustrie weitaus seltener; Nur eine Handvoll Fahrradhersteller wie Giant und Time verfügen über die technische Fähigkeit, mit rohem Gewinde zu arbeiten.

Wir sagen „Carbonfaser“, aber was wir wirklich meinen, ist „Carbonfaser-Verbundwerkstoff“ – es ist nicht das einzige Material in Ihrem Rahmen. Das liegt daran, dass die unglaublichen Steifigkeitseigenschaften von Kohlefaser ihren Preis haben: Für sich genommen ist sie ziemlich spröde und anfällig für Risse und Risse. Um seine Fähigkeiten zu bewahren, wird es vor dem Formen in ein klebstoffähnliches Material namens Epoxidharz eingehängt, wodurch ein Verbundmaterial entsteht. Die meisten in der Fahrradindustrie verwendeten Carbonfasern liegen in dieser Form vor, die als „Pre-Preg“ bezeichnet wird.

Das Harz erfüllt zwei Aufgaben. Erstens hält es den Kohlenstoff zusammen – sowohl die einzelnen Fasern innerhalb einer Lage als auch, nach dem Aushärten, die Ausrichtung zweier Lagen zueinander. Zweitens sorgt Harz für entscheidende Zähigkeit und Haltbarkeit. Es ist leicht plastisch und verformt sich bei Stößen, um scharfe Schläge wie einen Aufprall oder einen Steinschlag abzufedern, ohne dass es zu einer entscheidenden Spaltung zwischen den Fasern kommt.

Jeder Fahrradhersteller würzt seine Literatur zum Thema Rahmendesign großzügig mit Schlagworten wie „Hochmodul“ oder sogar „Ultrahochmodul“. Aber diese Begriffe sind nicht die Sache der Fahrradindustrie. Kohlenstofffasern werden nach ihrer Steifigkeit klassifiziert, ausgedrückt als Zugmodul oder danach, wie stark sich ein Material unter Last verformt. Für Kohlefasern werden diese Bewertungen und der jeweils abgedeckte Steifigkeitsbereich von der Japan Carbon Fibre Manufacturers Association (JCMA) festgelegt.

Die meisten in der Fahrradindustrie verwendeten Kohlenstofffasern haben Standardmodul- oder Zwischenmodulfasern. Bei teureren Rahmen kommen höhere Qualitäten ins Spiel. Aber das hört sich nicht sehr sexy an, daher kommt es häufig zu einer gewissen Gradierung auf der Kurve, wenn Unternehmen High-Mod und UHM in ihre Kopie integrieren. Einige Unternehmen gehen davon aus, das Bewertungssystem insgesamt zu vereinheitlichen, und erstellen einfach ihr eigenes Kohlenstoffbewertungssystem mit unternehmensspezifischen Marketingbegriffen wie FACT oder Advanced Grade.

Ein guter Carbonfaserrahmen besteht aus einer Mischung von Carbonfasern unterschiedlicher Art, die jeweils an unterschiedlichen Stellen im Rahmen für ganz bestimmte Zwecke verwendet werden. Hochmodul-Fasern sind teuer (dank all dieser Verarbeitung), daher verwenden Fahrradhersteller mit Bedacht relativ kleine Mengen in Schlüsselbereichen wie dem Unterrohr, dem Tretlager und den Kettenstreben, um den Tretkräften standzuhalten und das Fahrrad steifer zu machen. Aber sie werden zusammen mit Fasern mit Standard- und mittlerem Modul sowie hochfesten Fasern in die Form eingebracht, um die Art von Haltbarkeit, Leistung und Fahrqualität zu schaffen, die ein guter Carbonrahmen bietet.

Kohlefaser ist aus zwei Gründen ein großartiges Fahrradmaterial. Erstens ist es bei geringerem Gewicht steifer als fast jedes andere uns bekannte Material. Zweitens kann die Steifigkeit von Kohlefasern im Gegensatz zu Metall fein manipuliert werden. Seine Steifigkeitseigenschaften wirken nur unidirektional oder entlang der Längsachse der Fasern selbst, sodass die Steifigkeit je nach Ausrichtung des Kohlefaserverbundwerkstoffs oder seiner Platzierung in der Form angepasst werden kann. Das nennt man Anisotropismus. Im Gegensatz dazu sind Metalle isotrop und weisen entlang jeder Achse des Materials die gleichen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auf.

Ingenieure verwenden ausgefeilte Softwareprogramme, die den Kohlenstoffgehalt, das Harz, die Form, Größe und Ausrichtung der Kohlenstofffaserlage und sogar ihre Position in der Form berücksichtigen. Auf diese Weise werden Rahmen für extreme Leichtigkeit oder Steifigkeit oder beides optimiert, aber diese Programme und das Fachwissen für den Abschluss eines Hochschulstudiums, um sie durchzuführen, sind teuer. Das – und die Kosten für das High-Modulus-Carbon, das zur Realisierung der am stärksten optimierten Designs erforderlich ist – macht die schönsten Carbonfaser-Fahrräder so viel teurer als selbst ihre Mittelklasse-Kollegen.

Dieser klassische, kreuzgewebte Carbonfaser-Look ist eigentlich kein großes Leistungsmerkmal. Eine gewebte Schicht sorgt für etwas Steifigkeit, aber einer ihrer Hauptzwecke besteht darin, eine Oberschicht hinzuzufügen, die unempfindlich gegen Beulen, Kratzer und Dellen ist, da die meisten strukturellen Eigenschaften des Rahmens oder Teils von der unidirektionalen Faser darunter herrühren.

Es stellt auch eine kosmetische Schicht dar, die das handwerkliche Können eines Bauunternehmers unter Beweis stellt, da das Ausrichten der Kanten einer gewebten Bahn in der Form zur Schaffung einer perfekten Naht erhebliches Fachwissen erfordert. Fahrrad- und Teilehersteller verzichten jedoch zunehmend ganz auf eine gewebte Oberschicht und lassen einfach die unidirektionale Faser als kosmetische Haut dienen.

Der Bau individueller Rahmen wird oft mit Stahl und Titan in Verbindung gebracht, aber jeder Carbonrahmen, jedes Rad, jeder Lenker oder jedes andere Teil aus Carbonfaserplatten erfordert intensive praktische Arbeit, unabhängig davon, ob es sich bei dem Rahmen um ein kundenspezifisches Modell eines kleinen Herstellers wie Crumpton handelt oder ein Serienmodell von Giant oder Trek.

Die einzelnen Carbonlagen werden oft von einer computergesteuerten Maschine aus einer Platte geschnitten, aber das ist so ziemlich der einzige automatisierte Prozess in der gesamten Produktion: Ein Carbonfaser-Verbundrahmen oder -teil muss genau nach dem Layup-Plan in einer Form zusammengefügt werden, a Prozess, der noch automatisiert werden muss. In kleineren Anlagen kann eine Person einen ganzen Rahmen aufbauen. Bei größeren Modellen erstellen die Arbeiter eine Schichtung für einen bestimmten Teil des Rahmens, beispielsweise einen Tretlagerbereich, und geben das Teil dann an andere Arbeiter weiter, um es um die Rohre herum zu legen und zum Aushärten in die endgültige Form zu legen.

Sogar der Nachhärtungsprozess – bei dem ein Rahmen aus der Form herausgebrochen, gereinigt und lackiert wird – erfordert besondere Aufmerksamkeit. Fachkräfte untersuchen den Rahmen oder das Teil auf Probleme wie Falten im Carbon oder Stellen, an denen die Schichten nicht gleichmäßig verdichtet sind, was zu einem Ausfall führen könnte.

Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass ein einmal beschädigter Carbonfaserrahmen oder -teil kaputt ist. Aber wie ein Stahl- oder Titanrahmen kann auch ein Carbonfaserrahmen manchmal repariert werden. Der Prozess ist nicht viel anders: Der beschädigte Bereich wird herausgeschnitten und dann mit neuem Material überbrückt, das ausgehärtet, geschliffen und passend lackiert wird. Bei den fachmännischsten Carbon-Reparaturen können Sie den betroffenen Teil möglicherweise nicht einmal sehen.

Aber das ist eine Aufgabe für Experten. Es gibt DIY-Kohlefaser-Reparatursätze, die jedoch in erster Linie für Produkte wie Kajakpaddel gedacht sind. Fahrradrahmen sind komplexe, tragende Strukturen, die der Belastung durch Kräfte wie Sprints und schnelle Kurvenfahrten standhalten müssen. Wenn Ihr Kohlefaserrahmen beschädigt ist, verfügt der Hersteller möglicherweise über einen internen Reparaturprozess, oder Sie können sich an einen seriösen Drittanbieter wie Calfee Design wenden. Aber auf keinen Fall sollten Sie selbst eine Reparatur versuchen.

Der Aufstieg der Kohlefaser hat eine Explosion einzigartiger Rahmenstile ermöglicht. Es ist möglich, ein Pinarello oder ein Specialized allein an der Silhouette eines Rahmens zu erkennen. Doch das unverwechselbare Industriedesign macht Fassungen auch besonders anfällig für Nachahmungen durch Fälscher.

Es ist relativ einfach, eine Form aus einer echten Version eines fertigen Rahmens (oder sogar detaillierten Fotos des Produkts) zu erstellen. Aber die Materialien, der Aufbau und die Bauweise können völlig unterschiedlich sein. Vielen Fälschern mangelt es an ausgefeilten Fertigungsmöglichkeiten und sie verwenden billige Füllmaterialien, um bei gefälschten Fahrrädern das äußere Erscheinungsbild des Originals nachzuahmen. Santiago Morales, ehemaliger Leiter des Testlabors von Specialized, sagte über Fälschungen: „Es handelt sich in keiner Weise um ein technisches Produkt; es ist wie eine Leinwand, die so bemalt ist, dass sie gleich aussieht.“

Joe Lindsey ist ein langjähriger freiberuflicher Journalist, der über Sport und Natur, Gesundheit und Fitness sowie Wissenschaft und Technik schreibt, insbesondere dort, wo sich die drei Elemente in diesem Venn-Diagramm überschneiden.

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