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Aug 11, 2023

Wie Carbonfaser-Layup mit Alchemy Fahrradrahmen an den richtigen Stellen steif und nachgiebig macht

Da es sich um das leichteste/steifste/stärkste Material für den Bau eines Fahrradrahmens handelt,

Da es sich um das leichteste/steifste/stärkste Material für den Bau eines Fahrradrahmens handelt, hätte ich nicht erwartet, dass die Ingenieure von Alchemy Bikes Kohlefaser mit Kitt vergleichen würden. Aber im Vergleich zu Stahl, Aluminium oder Titan eröffnet Kohlefaser eine Welt voller Möglichkeiten zur Abstimmung der Steifigkeit und Fahrqualität eines Fahrrads.

„Man kann es wirklich formen“, sagte mir Brad Click, der Kohlefasertechniker von Alchemy.

Natürlich gibt es inhärente Unterschiede zwischen Kohlefaser und Metallen, die zur Fahrqualität beitragen und nicht austauschbar sind, aber Kohlefaser lässt sich tendenziell besser abstimmen, von der Dicke der Rohrwände über die Verbindung der Rohre bis hin zu die Form der Röhre selbst.

Wir lesen jedes Jahr Dutzende Pressemitteilungen von Marken, die davon sprechen, Compliance oder Flex durch einen Teil ihrer Rahmen zu gewährleisten und gleichzeitig andere Teile für mehr Steifigkeit zu verstärken. Warum? Einige Rohre sind auf den Trails stärkerer Kraft ausgesetzt und müssen so stark wie möglich sein, während andere Rohre etwas Flexibilität bieten können, um Vibrationen und Stöße für den oben sitzenden Menschen abzufedern. Wie bei vielen Fahrradkomponenten ist es ein Gleichgewicht aus Stärke und Sensibilität, wie „The Rock“ in einem dieser Filme, in denen er als unwahrscheinlicher Hausmeister besetzt ist.

Um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, wie dieses Gleichgewicht funktioniert, habe ich in Alchemys neuer Werkstatt in Golden, Colorado, vorbeigeschaut, um zu hören, wie die Ingenieure die besten/leichtesten/stärksten Fahrräder bauen, bei denen Fahrerkomfort und Rahmenleistung im Vordergrund stehen.

Alchemy bietet Straßen- und Gravelbikes an, deren Geometrie auf die Körpermaße des Fahrers abgestimmt ist. Wie passiert das bei einem Carbonrahmen? Bei der Tube-to-Tube-Konstruktion werden Oberrohre und Sitzrohre wie ein Stahlrohr auf die richtige Länge geschnitten und dann mit einem Carbon-Overwrap-Verfahren zusammengefügt.

Bevor das jedoch geschieht, ist Click im Legeraum mit Kohlefaserspulen bereit, um den Legeplan zu erstellen – die Ausrichtung der Kohlefaserplatten im Rohr selbst.

„Jeder einzelne Schlauch oder Teil des Fahrrads hat seinen eigenen Layup-Plan“, erklärt Ryan Cannizzaro, Gründer von Alchemy. „Das heißt, wie viele [Kohlefaser-]Schichten und in welchen Richtungen Sie sie ablegen werden.“

Alchemy verwendet größtenteils unidirektionale Kohlefasern anstelle von gewebten Kohlefasern. Bei unidirektionaler Ausrichtung verläuft die Faser in eine Richtung wie die Maserung bei einem 2×4, kann jedoch so geschnitten werden, dass die Faser in einem anderen Winkel verläuft. Durch die Ermittlung des besten Layup-Plans für jedes Rohr optimiert Alchemy die Fahreigenschaften, den Grad der Nachgiebigkeit und die Steifigkeit in jedem Abschnitt des Rahmens.

Eine Carbonfaserplatte selbst kann leicht in Stücke gerissen werden. „Sobald sie sich kreuzen, kämpfen zwei Fasern gegeneinander“, sagt Click. Wenn die Carbon-Handwerker von Alchemy den Layup-Plan erstellen und die Platten beginnen, sich in verschiedenen Winkeln zu überlappen, beginnt der Rahmen stabil zu werden. Wenn man zwei Blätter mit gegenüberliegenden Fasern zusammenfügt, wird es plötzlich sehr schwer, sie zu zerreißen.

Alchemy schichtet die Kohlenstofffaserplatten zu einem Rohr zusammen. Bei einem Blatt können die Fasern im 30°-Winkel verlaufen, bei einem anderen Blatt können die Fasern im 45°-Winkel verlaufen. Die Ingenieure bestimmen den besten Layup-Plan für jedes Rohr für die gewünschte Steifigkeit, anstatt gewebte Kohlefasern zu verwenden, bei denen die Fahrqualität nicht so gut einstellbar ist. Im Durchschnitt besteht jedes Rohr aus etwa sechs Lagen Kohlefaser.

Alchemy verwendet bei seinen Straßen- und Schotterrahmen ausschließlich eine Tube-to-Tube-Konstruktion, die immer noch im eigenen Haus in Golden, Colorado, hergestellt wird. Sie verleihen den Rahmen zudem eine geschlossene Kammerkonstruktion. Beispielsweise ist die Innenseite des Oberrohrs gegenüber dem Sitzrohr abgeschlossen. Dadurch erhält der Rahmen eine bessere Schwingungsdämpfung. Bei ihren Mountainbike-Rahmen verwenden sie jedoch eine Monocoque-Konstruktion mit offener Kammer. Bei Federung und größeren Reifen ist die Vibrationsdämpfung nicht so wichtig.

Cannizzaro erklärt, dass die Rohr-zu-Rohr-Konstruktion und die intensiven Layup-Zeitpläne besser zu seinen Straßen- und Gravel-Bikes passen und dass Monocoque besser zu seinen vollgefederten Mountainbike-Rahmen passt.

„Auf einem Mountainbike ist [Tube-to-Tube] nicht so notwendig“, sagt er. „Sie möchten, dass das Mountainbike so steif, langlebig und leicht wie möglich ist, damit die Federung die ganze Arbeit erledigen kann, denn bei einem Mountainbike ist es die Federung, aus der Sie die Fahreigenschaften herausholen, ebenso wie der Rahmen.“ ist steif und langlebig genug, damit die Federung ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten kann.“

Wie die meisten Carbonfaserrahmen verwendet Alchemy eine Kombination aus Formen und Blasen, um den Rahmen oder das Rahmenrohr herzustellen. In die Formen werden Kohlefaserplatten eingelegt und durch die Rahmenrohre werden Blasen eingeführt. Die Hitze wird hochgefahren, die Formen üben einen nach unten gerichteten Druck auf den Rahmen aus und die Blasen in den Rohren werden auf bis zu 200 psi aufgeblasen, um Druck von innen nach außen zu erzeugen, die Rahmenrohre einzuklemmen und die Carbonfaser stärker und dichter zu machen. Wenn bei diesem Vorgang das Harz in die Carbonfasern eingemischt wird, härtet der Rahmen aus.

In einem komplexeren Teil des Rahmens wie dem Tretlager verwendet Alchemy Silikon zur Druckausübung anstelle einer Blase. Sobald es erhitzt ist, dehnt sich das Silikon aus und füllt die Ecken des Tretlagers aus, um einen nach außen gerichteten Druck auf die Form auszuüben.

Alchemy gab uns einen allgemeinen Überblick darüber, was in den Layup-Zeitplänen für ihre Kohlefaser-Straßen- und Gravel-Bikes enthalten ist und wie ein Fahrradrahmen so gestaltet ist, dass Steifigkeit und Nachgiebigkeit in Einklang gebracht werden. Im Allgemeinen ist ein Fahrradrahmen in der unteren Hälfte, wo die Bodenkräfte auf das Fahrrad treffen, steifer und in der oberen Hälfte, wo der Fahrer sitzt, nachgiebiger. Dies ist offensichtlich bei starren Rahmen (Straße, Schotter, Hardtails) von größerer Bedeutung als bei vollgefederten Fahrrädern, bei denen voluminösere Reifen und Federung einen Großteil der über die Räder übertragenen Kräfte bewältigen. Bei vollgefederten Rahmen setzt Alchemy auf Steifigkeit und Haltbarkeit.

„Sie wollen mehr Schlagfestigkeit beim Mountainbike“, sagte Matt Maczuzak, Leiter der Produktentwicklung bei Alchemy. „Man wird Steinschlägen ausgesetzt sein und andere Kräfte haben [als bei einem Rennrad]. Der Aufbau eines Mountainbikes ist eher auf ultimative Steifigkeit ausgerichtet, weil die Federung, die Reifen und die Räder für den Komfort des Fahrrads sorgen.“ „Im Grunde möchte man den Rahmen isolieren, um ihn so steif wie möglich zu machen, damit die Federung tun kann, was sie soll. Wenn Ihr Rahmen flexibel und nachgiebig ist, bringen Sie Ihre Kinematik durcheinander.“

Oberrohre ähneln dem Brot in einem Erdnussbutter-Gelee-Sandwich. Sie sind nicht die aufregendsten Elemente, aber sie halten es zusammen. Das Oberrohr hat die einfachsten Aufgaben.

„Jedes Teil wird ein wenig anders gebaut, je nachdem, was es tut“, sagt Brad. „Die einfachste Grundebene ist wahrscheinlich das Oberrohr. Es ist ein Rohr, passend zugeschnitten. Es ist sehr einfach.“ Das Oberrohr, das größtenteils gegen Durchbiegung kämpft und nicht so viel Belastung ausgesetzt ist wie andere Rohre, wird mit den Fasern in eine geradere Richtung gelegt.

Da die Sitzstreben dort, wo der Fahrer sitzt, mit dem Sitzrohr verbunden sind, können Sitzstreben mit etwas Flexibilität gebaut werden. Alchemy baut einen gewissen Torsionswiderstand ein, um Verdrehkräften in der Sitzstrebe entgegenzuwirken, aber Nachgiebigkeit ist hier das A und O. Sie können Carbon leichter machen oder sogar einen Bogen oder eine Biegung in das Rohr einbauen, um ihm mehr vertikale Flexibilität zu verleihen.

Die Sitzstreben sind möglicherweise leichter und flexibler oder dünner als andere Rohre, aber das bedeutet nicht, dass sie unbedingt das schwache Glied in einem Rahmen sind. Cannizzaro sagt: „Dieses Stück ist so stark, wie es für seinen Zweck sein muss.“

Sitzrohre bestehen normalerweise aus geraden Lagen. Wie das Oberrohr soll auch das Sitzrohr der Durchbiegung entgegenwirken, ist aber auch so konstruiert, dass es eine gewisse Nachgiebigkeit für zusätzlichen Komfort bietet.

Im Hinblick auf die Fahrqualität kommt es beim Unterrohr darauf an, der Verdrehung standzuhalten. Beim Überqueren eines Trails kann das Unterrohr Steinschläge abwehren, den Torsionskräften beim Treten des Fahrrads widerstehen und abgesehen vom Tretlager oder den Ausfallenden die Aufgabe haben, einen Großteil der Stöße von Stürzen und Sprüngen zu absorbieren.

Kettenstreben sind schwerer gebaut und bestehen aus mehr 0°-Carbonfaserplatten, die für Steifigkeit und Haltbarkeit hinzugefügt werden. Maczuzak sagt, dass die Kettenstreben normalerweise schwerer sind als das Oberrohr, weil sie für viel mehr Kraft ausgelegt sind.

An diesen Teilen, an denen die Gabel oder das Hinterrad befestigt ist, bestehen die Teile möglicherweise aus einem soliden Viertelzoll Carbonfasermaterial. Sie müssen nicht nur steif, sondern auch langlebig sein.

Das Tretlager widersteht Aufprallkräften bei Landungen und Verdrehungen beim Treten des Fahrers. Auf und über unebene Felsbrocken reiten? Der BB sollte in der Lage sein, einen Treffer durch eine hinterlistige Haifischflosse einzustecken. Selbst wenn einige Fasern ausgegraben sind, sollte genügend Material zum Ausgleich vorhanden sein, eine gründliche Inspektion lohnt sich jedoch immer.

Aus dem gleichen Grund sind auch die Ausfallenden der Carbonrahmen von Alchemy einen Viertelzoll dick. Diese Stellen am Rahmen mit so vielen Variablen sind so konstruiert, dass sie auch dann bestehen bleiben, wenn eine Achse aus dem Ruder läuft oder die Kassette irgendwie mit der Innenseite des Rahmens in Berührung kommt. Alchemy verwendet an zwei Stellen seiner Rahmen gewebte Kohlefaser: an den Trinkflaschenvorsprüngen und an den Kettenstreben für pure Festigkeit.

Abschließend stellt Alchemy fest, dass die Stoßdämpferhalterungen genauso steif sein müssen wie die oben genannten Komponenten, denn das Letzte, was jemand will, ist, dass Energie, die ausschließlich in den Stoßdämpfer fließen sollte, woanders hin geschickt wird. Dies könnte zu einer schwerfälligen Federung führen oder die Leistung des Rahmens beeinträchtigen.

Es sollte jetzt offensichtlich sein, dass Alchemy stolz auf seine Kohlefaserarbeit ist. Aufgrund der praktischen Arbeit beim Auflegen weist der Rahmen beim Austritt aus der Form einige auffällige Rillen oder unebene Stellen am Rahmen auf, an denen einige Faserstreifen über andere hinausragen.

Cannizzaro sagt, dass einige Marken zusätzliche Kohlefaser hinzufügen werden, wohlwissend, dass sie diese vor dem Lackieren abschleifen. Anstatt Carbon abzuschleifen, um es zu glätten oder die Ästhetik der Faser zu beeinträchtigen, trägt Alchemy eine dicke Schicht Klarlack auf den Rahmen auf und schleift ihn dann ab, sodass die Schichtschicht unter der Farbe noch sichtbar ist.

Die meisten Menschen entscheiden sich für eine glänzende Farbe anstelle einer matten Farbe, weil sie die Handwerkskunst unter der Farbe sehen möchten. Mit bis zu 40 Arbeitsstunden pro Rahmen scheint es die richtige Wahl zu sein.