Hersteller prahlen gerne mit Kohlefaserschichten, also beschloss Cyclist zu untersuchen, was das bedeutet und wie es die Leistung beeinflusst
Ein Fahrrad ist natürlich das beste Weihnachtsgeschenk aller Zeiten, aber mit Ausnahme eines Welpen vielleicht auch das am schwierigsten zu verpackende. Schade also um den armen Rahmendesigner, der Carbon um seine komplexen Kurven wickeln und drapieren muss, damit der Rahmen nach dem Backen und Fertigstellen das gewünschte Fahrgefühl liefert. Die Konstruktion eines Kohlefaserrahmens ist ein komplexes 3D-Puzzle, das den Zauberwürfel in den Schatten stellt.
Das Schöne an Carbon ist, dass im Gegensatz zu Metall mehrere Teile mit unterschiedlichen Schnitt- und Überlappungsgraden geschichtet werden können, um eine sehr genaue Kontrolle über die Leistungsmerkmale und die Festigkeit zu erh alten, die an einem bestimmten Punkt eines Fahrradrahmens erforderlich sind. Der Nachteil ist, dass Kohlenstoff anisotrop ist – er ist in einer Richtung stärker als in der anderen, ähnlich wie Holz – was bedeutet, dass die Festigkeit von der Richtung der Fasern abhängt. Damit Kohlenstoff erhebliche Lasten tragen kann, müssen die Kräfte entlang seiner Fasern geleitet werden, was die Faserrichtung absolut entscheidend macht. Die Bestandteile eines Fahrradrahmens erfahren Kräfte in mehrere Richtungen, was bedeutet, dass die Kohlenstofffasern auch in mehrere Richtungen verlaufen müssen. Aus diesem Grund haben verschiedene Schichten ihre Fasern in unterschiedlichen Winkeln, üblicherweise 0° (in einer Linie), +45°, -45°, +90° und -90°, und tatsächlich in jedem Winkel, der von den Designern gewählt wird, wenn er die gewünschten Attribute erzeugt.
In der Tiefe
So ist das bei allen Carbonrahmen. Unter dem glänzenden Äußeren befinden sich viele Schichten von Kohlefaserstücken, deren Steifigkeiten, Stärken, Formen, Größen, Positionen und Ausrichtungen sorgfältig geplant wurden, normalerweise durch eine Kombination aus Computersoftwarepaketen und dem Fachwissen von Ingenieuren. Dies ist als Lay-Up-Zeitplan oder einfach als Lay-Up bekannt. Wenn das Carbon-Puzzle fertig ist, muss das Fahrrad leicht, reaktionsschnell, kostengünstig und in der Lage sein, den extremsten Kräften des Radfahrens standzuh alten.
Professor Dan Adams, Direktor des Composites Mechanic Laboratory an der University of Utah in S alt Lake City, selbst ein begeisterter Radfahrer und an der Entwicklung von Treks ersten Carbonrahmen beteiligt, sagt, dass es alles ist, irgendetwas aus Carbon zu konstruieren über den richtigen Legeplan. „Es gibt die Ausrichtung einzelner Lagen oder Schichten aus Kohlenstoff-/Epoxid-Prepreg an, die aufeinandergestapelt werden, um die endgültige Dicke des Teils zu erreichen“, sagt er. „Einige Rahmenteile lassen sich leichter verlegen als andere. Die Rohre sind relativ einfach, aber die Verbindungen zwischen ihnen sind einige der komplexesten Lagenaufbauten, die Sie in Produktionsteilen in jeder Branche sehen werden, die Kohlenstoff strukturell verwendet, einschließlich Luft- und Raumfahrt und Automobil.’
Die anisotrope Natur von Kohlenstoff macht auch die Wahl des richtigen Kohlenstoffs entscheidend. Im einfachsten Fall gibt es zwei Möglichkeiten, wie Kohlenstoff zugeführt wird. Unidirektional (UD) bedeutet, dass alle Kohlenstofffasern parallel zueinander in eine Richtung verlaufen. Die Alternative zu UD ist ein gewebter Stoff oder „Tuch“. Es hat Fasern, die in zwei Richtungen verlaufen und rechtwinklig unter- und übereinander verlaufen, um das klassische Aussehen von Kohlenstofffasern zu erzielen. Beim einfachsten Stoff, der als Leinwandbindung bekannt ist, schnüren sich die Fasern bei jeder Kreuzung (genannt „1/1“), um ein gitterartiges Muster zu erzeugen. Es gibt viele andere mögliche Webmuster. Twill (2/2) ist etwas lockerer, lässt sich also leichter drapieren und ist leicht an seinem diagonalen Muster zu erkennen, das wie Winkel aussieht.
Der Modul (ein Maß für die Elastizität) der Faser ist ebenfalls grundlegend für einen bestimmten Aufbau. Der Modulus definiert, wie steif eine Faser ist. Eine Faser mit Standardmodul, bewertet mit 265 Gigapascal (GPa), ist weniger steif als eine Faser mit mittlerem Modul, bewertet mit 320 GPa. Es ist weniger Kohlenstoff mit höherem Modul erforderlich, um Komponenten mit der gleichen Steifigkeit herzustellen, was zu einem leichteren Produkt führt. Fasern mit höherem Modul scheinen daher die bevorzugte Wahl zu sein, aber es gibt einen Haken. Eine Analogie kann mit einem Gummiband gegenüber einem Stück Spaghetti hergestellt werden. Das Gummiband ist sehr elastisch (hat einen niedrigen Modul) und kann mit sehr geringer Kraft gebogen werden, bricht jedoch nicht und kehrt nach dem Biegen in seine ursprüngliche Form zurück. Die Spaghetti hingegen sind sehr steif (hoher Modul) und widerstehen daher einer Verformung bis zu einem gewissen Punkt und brechen dann einfach. Marketingabteilungen prahlen oft mit der Aufnahme eines bestimmten Fasermoduls in das neueste Rahmendesign, aber in den meisten Fällen ist ein Fahrradrahmen ein sorgfältiges Gleichgewicht verschiedener Modultypen innerhalb des Aufbaus, um eine wünschenswerte Kombination aus Steifigkeit, H altbarkeit und Flex zu liefern.
Es gibt noch eine weitere Variable zu berücksichtigen. Ein einzelner Kohlenstofffaserstrang ist extrem dünn – viel dünner als ein menschliches Haar, daher werden sie zu einem sogenannten „Kabel“gebündelt. Bei Fahrrädern kann ein Schleppseil alles zwischen 1.000 und 12.000 Strängen enth alten, obwohl 3.000 (geschrieben als 3K) am häufigsten vorkommen.
Faser das, Faser das
Das sind die Grundlagen, aber das Erstellen eines Lay-ups wird kompliziert. "Von reiner Festigkeits- und Steifigkeitssicht hätte der ideale Verbundstoff das höchstmögliche Verhältnis von Faser zu Harz und die geringste Krümmung der Faser", sagt Dr. Peter Giddings, ein Forschungsingenieur am National Composites Centre, Bristol, der dies getan hat arbeitete viele Jahre mit Fahrrädern und fuhr damit Rennen. „Hier sind unidirektionale Fasern zumindest theoretisch die beste Wahl. UD-Materialien haben ein erhöhtes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht in Faserrichtung. Leider sind UD-Verbundwerkstoffe anfälliger für Beschädigungen und versagen nach einer Beschädigung eher als gewebte Stoffe.“
Einen Rahmen ausschließlich aus UD-Carbonschichten zu bauen, würde ein Fahrrad schaffen, das gefährlich spröde wäre, ganz zu schweigen davon, dass es aufgrund der Material- und Arbeitsstundenkosten unerschwinglich wäre. Daher dominiert gewebtes Carbon und ist die offensichtliche Wahl für alle Bereiche, in denen es enge Kurven und komplexe Fugenformen gibt. Außerdem mögen die Leute sein Aussehen. „Aus ästhetischer Sicht sehen gewebte Materialien besser aus als unidirektionale Materialien, und in der Öffentlichkeit wird ein Verbundstoff als gewebter Stoff wahrgenommen“, sagt Giddings. „Tatsächlich streichen viele Hersteller [und verdecken] Bereiche, in denen die Rahmenkonstruktion ein glattes, gewebtes Aussehen verhindert.“
Eine einfache Herstellung muss auch in einen Lay-up-Plan einfließen, um die Arbeitskosten zu berücksichtigen. Bei komplexen Verbindungen und Formen dauert es viel länger, mit UD-Fasern das ideale Lay-up zu erstellen. Dies ist ein weiterer Grund, warum gewebte Stoffe die bevorzugte Wahl der meisten Carbon-Fahrradhersteller sind. „Gewebter Stoff ist einfacher zu verarbeiten als UD und erfordert weniger Geschick, um ihn in die gewünschte Form zu bringen“, sagt Giddings. ‘UD neigt dazu, sich um komplexe Formen zu sp alten oder zu knicken. Locker gewebte Stoffe passen sich leichter an und die Gesamtfestigkeit der Struktur wird weniger durch geringfügige Herstellungsfehler beeinträchtigt.’
Hersteller entscheiden sich wahrscheinlich für ein Lay-up mit gewebtem Carbon in den komplexesten Bereichen, wie z. B. Tretlager- und Steuerrohrverbindungen, aber es ist immer noch nicht so einfach, wie es sich anhört, da noch ein weiterer Faktor zu berücksichtigen ist. „Sie möchten die Kontinuität der Faserausrichtung nicht nur um Kreuzungen herum beibeh alten, sondern durch und darüber hinaus“, sagt Paul Remy, Fahrradingenieur bei Scott Sports. „Es kann komplexe Krümmungen an einer Verbindungsstelle wie dem Tretlager geben, also muss man sich überlegen, wie man die Ausrichtung der Fasern fortsetzt und die Belastung durch sie hindurch überträgt.“
Hier sind Rahmeningenieure wie Remy dankbar für die Unterstützung der Informatik. In der Vergangenheit war die einzige Möglichkeit zu wissen, wie sich die verschiedenen Änderungen des Lay-up-Zeitplans auf das Endergebnis auswirken könnten, der Bau und das Testen mehrerer Prototypen, aber jetzt kann ein Lay-up-Zeitplan mit einem sehr hohen Grad an Genauigkeit von Computern getestet werden, bevor a einzelner Faserstrang in einer Rahmenkokille aufgesetzt hat.
„Früher war es wirklich schwierig abzuschätzen, welche Auswirkungen die Änderung nur eines Teils des Lay-ups auf die Leistung des Rahmens haben würde“, sagt Remy.
Bob Parlee, Gründer des in Massachusetts ansässigen Unternehmens Parlee Cycles, erinnert sich gerne an die alten Zeiten, bevor Computer alle Zahlen knackten: „Wenn Sie die Belastungen auf einer Traversenstruktur wie einem Rahmen verstehen, sind Lay-Ups einfach, also konnte ich sie zunächst selbst in meinem Kopf ausarbeiten.“Parlee hat inzwischen eingeräumt, dass die Computer-Finite-Elemente-Analyse (FEA) ihren Platz hat. „Ursprünglich würde ich keine Löcher in Rahmenrohre [für Kabeleinführungspunkte oder Flaschenh alterh alterungen] bohren, weil sie potenzielle Schwachstellen waren, aber jetzt sagt uns FEA, was zu tun ist, um dieses Loch zu verstärken“, sagt er.
Zunehmende Rechenleistung zusammen mit immer ausgefeilterer Software ermöglicht es Ingenieuren, viele virtuelle Modelle in kurzer Zeit zu analysieren und die Grenzen von Design und Materialien zu erweitern. Laut Specialized-Konstrukteur Chris Meertens ist „Iteration der Name des Spiels. FEA-Tools erstellen ein repräsentatives Modell des Rahmens und das Ziel ist es, jede Faser zu berücksichtigen. Die Software ermöglicht es mir, jede Schicht basierend auf einem Optimierungsmodell für die 17 Lastfälle zu entwerfen, die wir für einen Modellrahmen haben.’
Das bedeutet, dass die Software Meertens anweist, wie viel Kohlenstoff in jedem Bereich des Rahmens vorhanden sein sollte, und die optimale Ausrichtung der Fasern. Die Kunst besteht jedoch darin, zu wissen, was mit Carbon-Layup möglich ist und was nicht. Manchmal spuckt der Computer Ideale aus, die alles andere als ideal sind. „Meistens schaue ich es mir an und sage: ‚Das können wir auf keinen Fall machen‘“, sagt Meertens. „Also beschäftige ich mich mit einer Laminatdrapierungssoftware, um virtuelle Lagen zu schneiden und sie auf einem virtuellen Dorn zu drapieren, basierend auf der Machbarkeit der Fertigung und Laminatoptimierungen.“
Selbst mit Computersoftware kann es Tage dauern, dies zu entschlüsseln, und es ist noch ein langer Weg, bis das Lay-up endgültig definiert ist. Ein Aspekt, bei dem das menschliche Element von entscheidender Bedeutung ist, besteht darin, sicherzustellen, dass die richtige Faserqualität am richtigen Ort verwendet wird. Meertens sagt: „0°-Fasern sind sehr steif, haben aber keine gute Schlagfestigkeit. Um den Verbundwerkstoff schadenstolerant zu h alten, müssen wir vermeiden, zu viel an Stellen wie dem Boden eines Unterrohrs anzubringen. Zu diesem Zeitpunkt weiß ich, welche Lagenformen ich brauche, aber jetzt möchte ich wissen, wie viele von jeder Lage. Also lasse ich ein anderes Optimierungsprogramm laufen, das mir sagt, wie dick ich sie machen soll – im Wesentlichen die Anzahl der Schichten. Es analysiert zwischen 30 und 50 Lagenkombinationen. Wir durchlaufen den Zyklus des virtuellen Drapierens und Optimierens vier- oder fünfmal und verfeinern die Lagen jedes Mal ein bisschen mehr. Aber irgendwann müssen wir auf „Go“drücken und es abschicken.“
Endgültige Anleitung
Der Lay-up-Plan ist wie eine 3D-Karte, die jedes Stück geformten Kohlenstoffs in jeder Schicht detailliert darstellt. „Der Rahmen ist in neun Zonen aufgeteilt: zwei Sitzstreben, zwei Kettenstreben, Tretlager, Sitz, Ober-, Steuer- und Unterrohr“, sagt Meertens.„Wir geben das Datum, das eine Achse ist, für jede Zone an. Die Ausrichtung jedes Kohlenstoffstücks in einer Zone wird dann auf dieses Datum bezogen. Ein Unterrohr kann Lagen bei 45°, 30° und 0° relativ zum lokalen Bezugspunkt haben. Im Allgemeinen wird das Material mit höherer Festigkeit in einem Winkel außerhalb der Achse verwendet. Das Material mit höherem Modul verwenden wir axial bei 0°.’
Die resultierende Datei kann bis zu 100 MB groß sein und wird schließlich an die Fabrik weitergegeben. Jeder Arbeiter in der Fabrik erhält nur den Teil, der für den Teil des Rahmens relevant ist, für dessen Erstellung er verantwortlich ist. Dies ist noch nicht der letzte Produktionslauf. Der gebaute Rahmen ist zu diesem Zeitpunkt ein Prototyp und muss getestet werden, um sicherzustellen, dass das digital entworfene Lay-up zu einem Rahmen führt, der in der Praxis funktioniert. Ultraschall, Röntgeninspektion und physikalische Dissektion zeigen Laminatdicken. An anderer Stelle wird die Harzmatrix weggebrannt, um die Qualität der Laminierung freizulegen und ob Material oder Fasern gewandert sind. Biegetests sollten die gleichen Ergebnisse wie die FEM-Analyse zeigen. Am Ende ist es aber ein Mensch, der damit auf die Straße geht.
„Fahrradfahren ist der einzige Weg, wie wir es wirklich quantifizieren können“, sagt Bob Parlee. „Wir können die Biege- und Belastungstests durchführen, aber wir müssen aussteigen und damit fahren, um zu sehen, ob es so funktioniert, wie wir es wollen.“Wenn das Modell die Musterung besteht, erhält die Produktion endlich grünes Licht.
Der größte Teil der Fahrradproduktion findet in Fernost statt, und dies legt eine noch größere Bedeutung für den Stapelplan fest. Der fein detaillierte Plan sollte, wenn er buchstabengetreu befolgt wird, sicherstellen, dass die Produkte, die aus diesen großen Fabriken kommen, identische Zwillinge der getesteten und in der letzten Prototypenphase bestandenen Produkte sind. Natürlich testen und testen die meisten Marken kontinuierlich Produktionsrahmen, um Konsistenz zu gewährleisten, damit die Fahrräder, die in die Geschäfte gelangen, die Kundenerwartungen erfüllen. In den meisten Fällen können Hersteller auch den gesamten Weg eines Rahmens zurückverfolgen, bis hin zu den Ursprüngen der allerersten Faserstränge. Daran sollten Sie denken, wenn Sie das nächste Mal stehen und Ihren Stolz und Ihre Freude bewundern.
