Carbon statt Kondition? – CFK-Teile am Fahrrad

Aktuell höre ich in meinem Studium eine Vorlesung zum Thema Faserverbundstoffe. Gleichzeitig habe ich begonnen, mein Rennrad auf einen gebrauchten CFK-Rahmen umzubauen und habe mich daher noch intensiver mit dem Thema beschäftigt. Vor allem zu der Problematik, inwiefern man mit CFK-Bauteilen nach einem Sturz prüfen kann, habe ich recherchiert. Eine zufriedenstellende Antwort habe ich allerdings nicht gefunden. Da ich mich gerade also selbst ein wenig in die Thematik eingearbeitet habe, dachte ich, dass so ein grober Überblick für euch auch interessant sein könnte.

Was ist Carbon?

Was umgangssprachlich als „Carbon“ im Kontext mit Fahrradbauteilen bezeichnet wird, ist eigentlich kein reines Carbon, sondern Carbon-Faserverstärkter Kunststoff.

Zunächst aber zum Carbonanteil: Als Ausgangsstoff für die Fasern wird Polyacrylnitril (PAN), teilweise unter Schutzgas hoch erhitzt, sodass die Molekularstruktur umgebaut wird und der Kohlenstoff zuerst karbonisiert und anschließend gravitisiert wird. (Fast) alle übrigen Elemente werden aus dem Kohlenstoffverbund gelöst und es entsteht Rohmaterial mit sehr hoher Festigkeit, Steifigkeit und E-Modul (Bruchdehnung). Die reinen Carbonfasern mit einem Durchmesser von etwa 6 µm werden auch als Filamente bezeichnet. Diese Filamente werden zu sogenannten „Rovings“ gebündelt. Die Rovings wiederum werden zu unterschiedlichen textilen Halbzeugen verarbeitet: Als Bänder, vernäht zu sogenannten Gelegen, gewickelt oder verwoben zu Geweben. Die Struktur der Gelege und Gewebe ergeben dann auch den typischen Carbon-„Look“, wie bei der Gabel unten im Bild. [1]

Das textile Halbzeug aus Carbon wird von Kunststoff, meist Epoxidharz, in Position gehalten. Dieses Harz, in das die Fasern eingebettet sind, wird auch als Matrix bezeichnet. [1]

Wie die teils sehr komplexen Fahrradteile aus CFK hergestellt werden, ist in diesem Video sehr gut zu sehen. Bei der Fertigung werden mehrere Schichten aus vorgetränkten Carbon-Matten übereinander gelegt und unter Druck im Ofen verbacken.

Im Herstellungsprozess eines Fahrradrahmens ist bisher wenig automatisiert und viel Handarbeit. Dadurch wird der oft doch sehr hohe Preis für CFK-Bauteile am Fahrrad verständlich.

Mittlerweile sind viele Fahrradkomponenten auch als CFK-Ausfertigung erhältlich: Lenker, Sattelstütze, Sattel, Kurbel, Schaltwerk Laufräder und natürlich die Gabel (meist mit integrierter Aluhülse, an der Stelle, an der der Vorbau angreift) und der Rahmen.

Lisa beispielsweise hat an ihrem Hardtail sehr viele Komponenten aus Carbon, was sich auf der Waage positiv auswirkt:

Vor- und Nachteile von CFK

Welche Vor- und Nachteile bieten Fahrradkomponenten aus CFK? Hier eine Liste ohne Anspruch auf Vollständigkeit …

Vorteile:

• Die Gewichtsersparnis ist der wohl größte und bekannteste Vorteil. Bei gleicher Leistungsfähigkeit sind Bauteile aus Faserverbundstoffen etwa 25 Prozent leichter als Aluminium. [2]
• Dadurch, dass die Fasern nur in ihrer Längsrichtung hohe Kräfte aufnehmen können, kann gesteuert werden, in welcher Belastungsrichtung das Bauteil steif sein soll und in welcher Richtung etwas mehr Flex erwünscht ist. Die Faserbündel müssen dann in der entsprechenden Richtung verlegt oder entsprechende Gelege oder Gewebe ausgewählt werden. So kann beispielsweise ein Rahmen sehr torsionssteif sein, aber in Längsrichtung vom Sitzrohr eher dämpfend wirken, was bei einer Unebenheit auf der Straße sehr angenehm ist.
• Designer lieben CFK. Es sind fast alle Formen und variablen Wandstärken möglich, was bei einem klassischen Bauteil aus Metall schwierig bis unmöglich zu fertigen wäre.
• CFK ist korrosionsbeständig und rostet nicht.
• Ein weiterer Vorteil, gerade am Lenker ist, dass sich CFK nicht so kühl anfühlt, da es eine geringere Temperaturableitung als Aluminium hat.

Nachteile:

• Der hohe Preis ist wahrscheinlich der erste Grund, warum du dir zweimal überlegst, ob du wirklich Carbon möchtest.
• Die Empfindlichkeit bei Sturz oder anderen Schlägen und die Ungewissheit, ob das Fahrrad nach einem solchen Ereignis noch sicher ist, ist ein weiterer bedeutender Nachteil.
• Bei Laufrädern aus CFK sind die schlechteren Bremseigenschaften bei Nässe ein Nachteil. Wer das nicht möchte, kann auf Scheibenbremsen umrüsten, welche aber in der Regel schwerer sind.
• CFK als Verbundmaterial ist nicht recyclingfähig und außerdem gesundheitsschädlich in der Verarbeitung.
• Es müssen manche Besonderheiten beachtet werden, auf die ich im nächsten Abschnitt eingehe.

Was muss bei Carbonteilen beachtet werden?

• Beachte empfohlene Anzugsmomente: Es ist wichtig, dass du die vorgeschriebenen Drehmomente einhältst, am besten mithilfe eines Drehmomentschlüssels. Bei einem Lenker aus CFK entstehen an der Stelle, an der der Vorbau klemmt, sonst zu hohe Spannungen, die im schlimmsten Fall zum Lenkerbruch führen.
• Außerdem solltest du die Schraube nicht fetten. Durch die aufgrund des Fetts veränderten Reibwerte führt das Anziehen mit dem gleichen Drehmoment sonst trotzdem zu einer höheren Vorspannkraft in der Schraube und somit zu höheren Spannungen.
• Dasselbe Prinzip gilt für das Klemmen vom Carbonrahmen im Fahrradmontageständer oder am Fahrradträger am Auto. Spanne hier den Rahmen nicht unnötig fest ein, sondern mit Gefühl.
• Ein sorgsamer Umgang mit dem Fahrrad ist wichtig. Achte darauf, dass dein Fahrrad nicht umfällt und vermeide Stürze. Über eine sturzfreie Fahrt freut sich natürlich auch der Fahrer 😉 Nach einem Sturz kann es sein, dass das Material feine Risse hat oder sich Schichten voneinander abgelöst haben und die Festigkeit vom Material nicht mehr gewährleistet sein kann.
• Sei aufmerksam. Falls ein CFK-Bauteil während dem Fahren knarzt, sollte man hellhörig werden. So kann sich ein Materialbruch ankündigen.
• Bei Sattelstützen solltest du spezielle Carbon-Paste* nutzen. Diese ist verträglich mit dem Material und verhindert, dass die Sattelstütze im Rahmen festsitzt.

Letzte Aktualisierung am 19.04.2024 / Affiliate Links / Bilder von der Amazon Product Advertising API

Sturz mit dem Fahrrad aus Carbon und nun?

Wie im vorherigen Absatz schon erwähnt, kann ein harter Schlag zu Faserbruch oder zum Ablösen der einzelnen Schichten führen. Dann besitzt das Bauteil nicht mehr seine frühere Festigkeit und die Sicherheit ist nicht mehr gewährleistet.

Es gibt mehrere Prüfverfahren, mit denen solche Materialschäden festgestellt werden können. Jedoch gibt es nach einer Prüfung keine Garantie, nur eine Risikoabschätzung. Einzelteile kannst du schon ab 50 € prüfen lassen.[3]

• Röntgen ist die einfachste Lösung, jedoch werden Risse und Schichtablösungen, die so orientiert sind, dass sie nicht in der Durchleuchtungsebene liegen, nicht erkannt.[3]
• Bei der Thermoprüfung wird das Bauteil mithilfe von Ultraschall, Licht, Wirbelstrom oder Laserenergie angeregt. Unregelmäßigkeiten im Material erzeugen Wärme und können so detektiert werden.[3]
• CT, also Computertomografie, entspricht Röntgen aus mehreren Richtungen. Dadurch werden beim CT auch Materialfehler erkannt, die beim Röntgen übersehen werden. Eine CT-Prüfung ist allerdings auch teurer.[3]

Wenn man Schäden entdeckt, ist eine Reparatur teilweise möglich, jedoch je nach Schaden wirtschaftlich unrentabel, da ein neues Bauteil billiger und sicherer ist.

Auf dieser Seite gibt es eine hilfreiche Liste an Links zu Reparatur-Adressen für Carbon-Rahmen und Teile sowie zu Prüfinstituten.

Inwiefern du deinen Carbon-Fahrradbauteilen nach einem Sturz noch traust, musst du für dich selbst entscheiden.

Wer sehr sicherheitsbedacht ist, wird ein CFK-Teil direkt austauschen. Andere Personen vielleicht eher nicht. Für mich hilfreiche Kriterien zur Entscheidung sind folgende Punkte: Wie hart war der Sturz, wo wurde wie viel Kraft etwa eingeleitet? Sind optisch schon Schäden sichtbar? Wie hoch ist die Belastung von dem Bauteil in Betrieb? Was würde passieren, wenn das entsprechende Bauteil versagt? Handelt es sich um ein Fahrrad, mit dem ich über raues Gelände fahre oder doch eher nur ebene Asphaltstraße? Wie schwer bin ich? Wie viel „Reserve“ hat mein Bauteil, ist es extrem gewichtsoptimiert?

Als ich selbst einen Freund um Rat gefragt habe, ob er in meinem Fall ein gewisses Teil noch verwenden würde, kam von ihm folgendes Foto mit der Aussage „Wenn dein Rahmen so wie auf dem Bild aussieht, dann ist er übrigens nicht mehr fahrbar“. Vielleicht hilft euch dieser Rat auch bei zukünftigen Entscheidungen. 😉

Liebe Grüße, Johanna

Quellen:

[1] https://www.carbon-bike-service.eu/vom-rohstoff-carbon-zum-fertigen-carbonbike/; aufgerufen am 16.12.2020

[2] Textiltechnik und Flugzeugbau; Drechsler, Klaus; 2004; https://dx.doi.org/10.18419/opus-3727

[3] https://www.triathlon-tipps.de/carbonrahmen_des_rennrad_pruefen_lassen_si_440.html; aufgerufen am 16.12.2020