Harz ist der unbesungene Held, der Ihren Carbonrahmen zusammenhält, und es ist ebenso entscheidend für die Leistung
Fragen Sie die meisten Roadies, woraus ihr Fahrradrahmen besteht, und die Antwort wird wahrscheinlich „Carbon“sein. Fragen Sie jeden, der an der Herstellung von Fahrradrahmen (oder anderen Produkten aus diesem gewebten Wundermaterial) beteiligt ist, und Sie erh alten eine komplexere Antwort.
„In der Fahrradbranche wird normalerweise von Carbon gesprochen, aber das ist eigentlich zu einfach – eine Verallgemeinerung“, sagt Thomas Leschik, technischer Leiter des deutschen Laufradherstellers Lightweight. „Eigentlich ist es eine Matrix aus Kohlefasern und Epoxidharz. Der genauere Begriff ist CFK – kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff.’
Also sind unsere begehrten Rösser kaum mehr als verstärkte Plastikfahrräder. Es ist eine einfache Abkürzung und erklärt die Bedeutung von Harzen – die der Kunststoff- (oder Polymer-) Teil von CFK sind. Im Wesentlichen verleiht das Harz dem Verbundmaterial seine Steifigkeit. Wie Phil Dempsey von Aprire, einem auf Kohlefaser-Fahrräder spezialisierten Unternehmen, es ausdrückt: „Kohlefaser ist ein reiner Stoff. Alleine ist es nur ein Stück Stoff.“
Wenn es um Produktbeschreibungen und die damit verbundenen Marketing-Geschwätz geht, wird die Marke oder Art der Kohlefaser (z. B. Toray, T800, 65HM1K, Ultra High Modulus) routinemäßig als grundlegendes Merkmal der Eigenschaften des Endprodukts herausposaunt. Es scheint, als ob nichts anderes im Spiel wäre, aber tatsächlich machen die Fasern etwas mehr als die Hälfte des Rahmenmaterials aus. Der Rest ist das Epoxidharz, das eindeutig eine wichtige Rolle bei der Leistung eines modernen Fahrrads spielen muss. Warum wird es dann selten im Marketing-Klappentext erwähnt?
CFK-ABC
| CFK |
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (oder Polymer). Das Verbundmaterial bezeichnet als Kohlenstoff oder Kohlefaser. |
| Heilung |
Der Prozess der Anwendung von Wärme und häufig Druck auf eine CFK-Struktur, um die Harz und verleiht dem fertigen Stück Steifigkeit. |
| Glasfaser | Stränge aus Kohlenstoff, die miteinander verwoben oder verstrickt werden, um das Verstärkungselement einer CFK-Struktur zu bilden. Oft als „Filamente“bezeichnet. |
| Schimmel | Die physische Komponente, in und um die Kohlefaserplatten gelegt werden, um den Rahmen zu bilden. |
| Ply book | Im Wesentlichen ein Buch mit verherrlichten Schnittmustern. Diese beschreiben im Detail, wie jedes einzelne Kohlefaserstück geschnitten und zusammengesetzt wird, und sie sind die am besten gehüteten Geheimnisse. |
| Pre-preg | Blätter aus Kohlefaserfäden, die mit ungehärtetem Harz imprägniert sind. |
| Harz | Ein flüssiges Polymer, das verwendet wird, um Fasern innerhalb einer CFK-Struktur miteinander zu verbinden. |
Insiderwissen
Um zu verstehen, welche Rolle Harz in einem fertigen Kohlefaser-Fahrrad spielt, müssen wir den Herstellungsprozess und die Einarbeitung des Harzes verstehen.
Im Wesentlichen gibt es zwei Arten von Kohlefaserkonstruktionen: nass und trocken. Für die Nassherstellung kauft ein Unternehmen bereits mit Harz imprägniertes Kohlefasergewebe, das sogenannte Pre-Preg. Diese klebrigen Blätter werden in oder um eine Form gelegt und dann unter Verwendung von Hitze und Druck gehärtet, um Steifheit zu verleihen. Die Herstellungstechnik der Trockenharzinfusion kann zwei unterschiedliche Formen annehmen. Die erste ähnelt der Art und Weise, wie Prepregs hergestellt werden, wobei geschnittene Formen aus trockenem Stoff über eine Form gelegt werden, wobei das Harz als Teil des Aushärtungsprozesses hinzugefügt wird. Die zweite Technik, die von Unternehmen wie Time und BMC (mit seinen Impec-Bikes) verwendet wird, besteht darin, eine durchgehende röhrenförmige sockenähnliche Struktur über eine Form in einer einzigen Länge zu strecken. Von hier aus wird das Harz unter Druck zu den bereits geformten Formen hinzugefügt.
Giant ist die einzige Marke, die alle ihre eigenen Carbon-Prepreg-Produkte von der Spule bis zum Finish herstellt – das heißt, sie kauft ihre Carbonfaser als Faden auf großen Spulen, fügt ihr eigenes Harz hinzu und fährt mit der Herstellung von Rahmen, Stangen, Vorbauten und Zubehör fort. Giant scheint also ein gutes Unternehmen zu sein, um nach der Bedeutung von Harzen zu fragen.
Der britische Produkt- und Schulungsmanager David Ward sagt: „Unser Kohlefaser-Filament wird direkt von Toray [dem weltgrößten Kohlefaserhersteller] an die Spulerei geliefert. Von dort wird es zu den Webstühlen gefädelt und zu riesigen Kohlenstoffgewebebahnen gewebt. Nach dem Weben wird das Harz hinzugefügt. Das Harz befindet sich in einer Rinne über der Walzenanordnung und wird auf das sich bewegende Tuch geleitet, das über Walzen auf die Filamente aufgetragen wird.“Das Verfahren ist einfach, und die von Giant verwendete Technik ist ziemlich identisch mit der aller Hersteller von Pre-Preg Kohlefaser. Obwohl es in seiner Mechanik einfach sein mag, sind Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Kontrolle für die Integrität des Endprodukts von entscheidender Bedeutung.
„Das Harz muss zwischen jedes einzelne Filament fließen und es perfekt umhüllen“, sagt Ward. „Eine gute Harzverteilung ist entscheidend, um am Ende einer Produktionslinie ein gutes Prepreg zu erh alten.“Dempsey von Aprire fügt hinzu: „Es ist so wichtig, dass das Harz durch die Schichten hindurchgeht. Wenn Sie das Harz falsch verstehen, haben Sie einen Riss im Rahmen. Es ist wirklich kritisch.’
Mittendrin
„Da Harz nach dem Aushärten 40 % eines Giant-Rahmens ausmacht, ist das Harz ein sehr wichtiger Bestandteil“, sagt Ward. „Sobald es duroplastische [ausgehärtet] ist, ist es das Harz, das der Struktur Steifigkeit verleiht.“Neben den grundlegenden strukturellen Eigenschaften spielt Harz eine weitere wichtige Rolle. Dempsey sagt: „Man muss Spannungen von einem Teil zum anderen übertragen. Es sind Harze, die die Übertragung von Lasten zwischen den Faserschichten ermöglichen.“
Unterschiedliche Harze wirken sich auf die Leistung des Endprodukts aus. Dempsey sagt: „Wenn das Harz zu viskos ist, läuft es nicht durch den Kohlenstoff und am Ende berühren sich die Fasern. Idealerweise möchten Sie sie minutiös voneinander trennen.’
Dann gibt es da noch das Problem der Kompressibilität, das sich auf die Dicke von Kohlenstoffstrukturen auswirkt. „Verschiedene Additive im Harz beeinflussen die Kompressibilität“, sagt Dempsey.„Abhängig von den Eigenschaften des Harzes kann man unterschiedliche Schichtdicken erzielen. Im Allgemeinen sind billigere Harze dicker. Bei einem guten Harz können die Kohlenstofffasern Mikrometer voneinander entfernt sein. Das gibt Ihnen dünnere Wände für die gleichen Festigkeitsqualitäten, was einen leichteren Rahmen bedeutet. Ein billigeres Harz lässt mehr Material zwischen Fasern und Schichten.’
Da Giant vollständig im eigenen Haus fertigt, konnte es seine eigenen Harze entwickeln. Ward sagt: „Wir befinden uns jetzt in der dritten Generation der Harzentwicklung. Die kleineren Details des Form- und Aushärtungsprozesses hängen alle von den Harzeigenschaften ab – der Temperatur, bei der es abgeht, und der Zeit, die die Aushärtung dauert.“Aufgrund der großen Preisspanne seiner Carbonprodukte verwendet Giant zwei Arten von Harz. „Unser Standardharz wird in allen Produktlinien außer den Advanced SL-Produkten verwendet“, sagt Ward. „Für den Advanced SL verwenden wir ein nanotechnologisches Additiv. Nanopartikel erhöhen die Stoßfestigkeit unserer Rahmen um 18 %, ohne die Steifigkeit oder das Gewicht zu beeinträchtigen. Sie kosten aber viel mehr.’
Ein weiteres Nebenprodukt der Partikel ist eine verbesserte Wandverdichtung während der Aushärtung. „Die Nanopartikel ermöglichen es dem Harz, die Mikrohohlräume im Lay-up zu füllen. Das Harz fließt tatsächlich besser, wodurch das Potenzial für Hohlräume und die Wandstärke verringert wird “, fügt Ward hinzu.
Die Rolle eines Harzes bei der Reduzierung von Hohlräumen ist ein entscheidender Punkt für die strukturelle Integrität eines Rahmens, wie Dempsey erklärt. „Hohlräume im Harz sind Löcher, die Spannungen ansammeln“, sagt er. „Dies sind potenzielle Bruchstellen, und Hohlräume versagen, indem sie auseinanderblasen, wenn sich die Schichten delaminieren. Sie können immer noch Delaminierung ohne Hohlräume erreichen, aber Sie sollten auf minimale Lufteinschlüsse im Verbundwerkstoff abzielen.’
Neben der Lastübertragung, der Wandstärke und der Robustheit können sich Harze auch auf das Fahrverh alten des Fahrrads auswirken. Dempsey sagt: „Von einem einfachen Standpunkt aus kann man sich Harze als zweikomponentiges Produkt im Araldite-Stil mit einem Harz und einem Härter vorstellen. Die Menge des Härters, der mit einem bestimmten Harz verwendet wird, kann einen erheblichen Einfluss auf die Fahrqualität haben. Für einen guten Fahrradrahmen benötigen Sie etwas Flexibilität in einem ausgehärteten Harz, um die Übertragung von Spannungen zwischen den Kohlefaserschichten zu ermöglichen. Sie können dies erreichen, indem Sie ein stärkeres Harz mit weniger Härter verwenden. Kluge Designer können eine steifere oder konformere Struktur für ein bestimmtes Gewicht erh alten. Sie können sich nicht auf die Steifigkeit eines Harzes verlassen, aber als Ingenieur müssen Sie sich der potenziellen Eigenschaften bewusst sein, die das Harz einer fertigen Struktur hinzufügen kann.“
Harze sind eindeutig wichtig für die Qualität des fertigen Rahmens, also kehren wir zu der Frage zurück, warum wir so wenig über sie hören.
‘Resin ist ein Allower, kein Feature-Treiber‘, sagt Dempsey. „Harz ermöglicht es uns, die verschiedenen Schichten von Kohlenstofffasern miteinander zu verbinden – zum Beispiel T700 bis T800 – um die unterschiedlichen Eigenschaften zu nutzen, die uns die Fasern bieten. Es ist schwer zu verkaufen und sehr schwer zu drehen, aber die Rolle, die sie spielen, sollte nicht unterschätzt werden.’
David Ward von Giant bringt es auf den Punkt: „Harze sind nur ein Klebstoff. Sie sind einfach nicht sexy.’
Hitze des Augenblicks
Da die meisten Fahrradhersteller Pre-Preg-Carbon verwenden, sind ihre Möglichkeiten in Bezug auf die Verwendung von Harz zur Beeinflussung der Leistung eines Rahmens begrenzt. Aber das hält die Leute nicht davon ab, nach neuen Richtungen zu suchen oder Harz- und Pre-Preg-Unternehmen dazu zu drängen, andere Produkte herzustellen.
Dempsey sagt: „Wir arbeiten daran, Partner dazu zu bringen, ein Harz herzustellen, das bei Raumtemperatur nicht abgeht. Ein einschränkender Faktor beim Design ist, dass Pre-Pregs an der Luft aushärten, sobald Sie sie aus dem Kühlhaus nehmen. Außerhalb des Einbrennofens wird es nie ganz hart, aber es „geht ab“. Ein Pre-Preg, das es uns ermöglichte, einen komplexeren Layup-Prozess zu verwenden und unser Lagenbuch [siehe Glossar, links] auf das gewünschte Niveau zu bringen, würde es uns ermöglichen, viel mehr aus unserem Endergebnis herauszuholen. Das wäre genial für uns.“
Ein Bereich, in dem Harze eine große Rolle spielen, ist die Herstellung von Carbonrädern. Hier sind Harze der Schlüssel, nicht nur für die strukturelle Integrität und Steifigkeit des Laufrads, sondern auch für die Bremsleistung.
Leschik von Lightweight sagt: „Der schwächste Punkt eines Harzes ist sein Temperaturverh alten. Die meisten Harze haben Probleme über 150°C. In den letzten 10 Jahren haben wir die Temperaturbeständigkeit unserer Harze verdreifacht.“
Fast jeder Radfahrer wird schon einmal eine Horrorgeschichte über ein Carbonlaufrad gehört haben, das bei einer langen Abfahrt aufgrund von Hitzestau versagt, aber was passiert eigentlich, wenn Bremsbelag auf Felge trifft? Leschik sagt: „Tribologie ist die Wissenschaft und Technik der interagierenden Oberflächen in relativer Bewegung. Es umfasst das Studium und die Anwendung der Prinzipien von Reibung, Schmierung und Verschleiß. Das Bremsen auf einer CFK-Felge mit Gummibremsbelägen bei Nässe oder Trockenheit ist ein solches tribologisches System. Die Optimierung dieses Systems für eine gute Bremsleistung ist ohne hochtemperaturbeständige Harze nicht möglich.“
Wie bei der Rahmenleistung sind es die Additive in den Harzen, die zur Hitzebeständigkeit und zum Preis beitragen. Ein solches Additiv ist eine Keramik – Kieselsäure. Während Aprire keine Räder herstellt, versteht Dempsey den Prozess: „Harze machen einen massiven Unterschied in einer Carbonfelgenstruktur. Beispielsweise entzieht die Zugabe von Silika dem Körper der Struktur viel Wärme und lässt den Luftstrom die Felge weitaus besser kühlen als bei einer Standard-CFK-Felge. Kupfer wäre ein großartiges Additiv, da es große Mengen an Wärme aufnehmen kann, aber es besteht die Möglichkeit, dass Schwefel in das Harz auslaugt, wenn Feuchtigkeit durch Mikrorisse eindringt. Dies würde zu einer fast sicheren Delaminierung führen. Kühlkörper – Maschen innerhalb des Harzes – haben großes Potenzial. Diese Technologie kann durchaus kommen.’
Leschik von Lightweight setzt ebenfalls auf Harz-Entwicklungen: „Wir beschäftigen uns mit der Optimierung der felgenbremsenden Felgen. Mit intelligenten Harzen sind wir sicher, dass wir dem Fahrer die gleiche Bremsleistung wie mit Scheiben bieten können, ohne ein einziges zusätzliches Gramm Gewicht.“
Die harte Wahrheit
Es ist klar, dass Harz ein unbesungener Held des Fahrradbauprozesses ist. Es kann sich auf die Steifigkeit, Robustheit, das Gewicht, die Sicherheit und den Preis von Kohlefaserprodukten auswirken. Können wir also erwarten, dass Hersteller anfangen, über die Wunder ihres klebrigen Materials ins Schwärmen zu geraten? Wahrscheinlich nicht, denn es ist immer noch nur ein Teil eines komplexen Systems. Hochwertiges Harz wird minderwertige Kohlefaser oder uninspirierte Konstruktionstechniken nicht wettmachen. Wie Leschik von Lightweight es ausdrückt: „Es ist jedes Mal dasselbe: Um einen schönen Kuchen zu backen, braucht man die richtigen Zutaten im richtigen Verhältnis, gut gemacht.“
Carbon-Jargon: Was bedeutet das alles?
