Kohlefaser: Schichten abziehen | Fahrrad fahren

Anonim
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(Höflichkeit)

Materielle Mythen
Wir entlarven fünf anhaltende Missverständnisse über Kohlefaser

Mythos: Ein Carbonrahmen hält nicht so lange wie ein Metallrahmen.
Realität: Solange Sie nicht hart aufschlagen oder mit einem Hammer auf den Rahmen fahren, kann ein Carbonrad theoretisch ewig halten. Tatsächlich halten Stahl und Aluminium nur so lange vor der Metallermüdung und können nicht mehr sicher verwendet werden, aber Kohlenstoff bleibt auf unbestimmte Zeit stabil.

Mythos: Nach einem Unfall sollten Sie Ihren Rahmen von einem Fachmann überprüfen lassen.
Realität: Die meisten Risse, die die Integrität Ihres Fahrrads beeinträchtigen könnten, sind leicht zu erkennen. Sie können auch ein weiches Tuch über die Röhren führen. Wenn Sie auf Probleme stoßen oder eine zweite Meinung einholen möchten, wenden Sie sich an Ihren Hersteller oder eine renommierte Carbon-Werkstatt. Die ansässigen Sachverständigen können mit einem Ultraschallreflektor oder einer Infrarotkamera auf Beschädigungen prüfen.

Mythos: Gerissene Rahmen können nicht repariert werden.
Realität: Shawn Small, Inhaber von Ruckus Composites, ist schnell dabei, diese Fiktion zu zerstreuen. „In vielen Fällen lässt sich Kohlenstoff leichter reparieren als Aluminium“, sagt er. Er sollte es wissen. In seinem Laden werden jährlich 1.500 Fahrräder repariert. Um einen beschädigten Rahmen zu reparieren, schleift Ruckus den Schaden weg, überzieht den Hohlraum mit Prepreg-Carbon und lackiert das Fahrrad neu.

Mythos: Fahrräder aus Carbon sind zerbrechlicher als Modelle aus Aluminium oder Stahl.
Realität: Carbonrahmen sind relativ stark und können eine erhebliche Menge an Kraft aushalten, aber nur, wenn sie in der von Ingenieuren vorgesehenen Richtung angewendet werden - zum Beispiel bei einem Straßenschlag aus einem Schlagloch. Wenn diese Kraft jedoch aus einer unerwarteten Richtung kommt - wenn Sie gegen einen Baum stoßen oder auf die Kettenstrebe treten -, ist das Material so zerbrechlich, dass es wahrscheinlich reißen würde.

Mythos: Die Sonne kann Ihren Carbonrahmen beschädigen.
Realität: Eigentlich ist es sicher. Fahrradhersteller verwenden UV-beständige Farben und / oder Wachse, um Ihren Rahmen vor potenziell schädlichen Strahlen zu schützen.

Ich stehe in Earls Cyclery & Fitness in South Burlington, Vermont, und schaue auf eine Reihe von Kohlefaserfahrrädern. Dabei denke ich über die Unterschiede zwischen dem hochroten und weißen Fahrrad für 1.900 US-Dollar und dem mattschwarzen Fahrrad für 9.000 US-Dollar im nach Ende der Zeile.

Ich bin lange genug mit Motorrädern beschäftigt, um zu wissen, dass High-End-Komponenten im Endeffekt einen großen Unterschied machen können, aber das macht nur so viel aus. Was ich wissen möchte ist: Was ist mit den Frames?

Ich beuge mich nah genug heran, dass mein Atem Kondenswasser auf den Schläuchen bildet, aber die Konstruktionstechniken in diesen Motorrädern liegen deutlich unter der Oberfläche. Ich wende mich an Joe Drennan, Earls Manager, und frage: "Was gibt es?"

Er erklärt, dass Fahrradhersteller verschiedene Kohlenstoffqualitäten verwenden. "Wenn Sie mehr ausgeben, erhalten Sie ein stärkeres Material, sodass die Hersteller weniger verwenden können, wodurch der Rahmen leichter wird", bietet er an. Das macht Sinn, aber wenn ich auf Drennan drücke, wie sich die Noten unterscheiden, wie sie das Fahrgefühl eines Fahrrads beeinflussen und ob das Premium-Carbon-Fahrrad einer Marke dem eines anderen entspricht, geht er hinter die Theke und kehrt mit einem Stapel Kataloge zurück. Klar, ich habe Hausaufgaben zu machen.

Zuhause blättere ich in der Literatur und tippe auf Google. Ich werde mit Informationen bombardiert. Die Kohlenstoffherstellung ist so kompliziert und hat so viele Variablen, dass ich zunächst bezweifle, dass ich einen Sinn daraus ziehen kann. Ich möchte keinen Master-Kurs in Materialwissenschaften, aber ich möchte verstehen, wie diese Rahmen gestaltet sind, damit ich eine fundierte Entscheidung treffen kann. Aber ich bleibe auch in den nächsten Wochen am Telefon und spreche mit fast einem Dutzend Kohlefaseringenieuren von Marken wie Cervelo, Giant, Specialized und Trek. Mit der Zeit gerät das mysteriöse Material immer mehr in den Fokus.

Die überraschendste Enthüllung? Der in jedem einzelnen Fahrrad verwendete Kohlenstoff stammt - unabhängig von den Kosten - von einem von nur fünf Herstellern. Wie ich erfahren würde, können diese Fasern auf vielfältige Weise bearbeitet werden, bevor sie in einem Rahmen landen, aber jedes Fahrrad beginnt mit mehr oder weniger den gleichen Rohstoffen. "Das Bauen eines Carbonbikes ist wie das Einsetzen von Menschen in eine Küche, alle mit denselben Zutaten", sagt Jeff Soucek, Direktor für Forschung und Entwicklung bei Felt Bicycles. "Einige werden großartige Köche sein, und sie werden etwas Leckeres machen."

Fast der gesamte von den fünf Herstellern produzierte Kohlenstoff ist für die Luft- und Raumfahrtindustrie bestimmt (die Gesamtmenge an Kohlenstoff, die von allen Fahrradherstellern in einem Jahr verbraucht wird, ist geringer als bei drei Boeing 787 Dreamlinern). Die Japan Carbon Fibre Manufacturers Association hat fünf Materialqualitäten kategorisiert, von denen vier in Fahrrädern verwendet werden und Ihnen beim Kauf Ihres Fahrrads behilflich sein können. Diese Qualitäten werden unter anderem durch die Steifigkeit des Kohlenstoffs (auch Modul genannt) und die Zugfestigkeit (die durch Ziehen des Materials bis zum Bruch geprüft wird) definiert. Wenn Sie die Skala nach oben bewegen, wird das Material im Allgemeinen steifer und teurer, aber nicht immer stärker (siehe Grafik, nächste Seite).

Jeder Kohlenstoff beginnt als dünne Fasern, die zuerst zu Lagen verarbeitet werden müssen - durch Weben oder durch Ausrichten der Litzen in einer einheitlichen Richtung - bevor sie Teil eines Fahrrads werden. Anschließend fügen die Hersteller kleberartiges Harz hinzu, um ein Verbundmaterial namens Pre-Preg zu erstellen, das geschnitten und in komplexe Formen geschichtet werden kann. Dann wird es richtig interessant.

Carbon-Bikes können bis zu 500 Pre-Preg-Teile enthalten, die in 40 oder mehr Schichten zusammengesetzt sind - oftmals kombiniert mit unterschiedlichen Qualitäten. Einige Stücke sind so lang wie ein Unterrohr, während andere nicht größer als eine Briefmarke sind. Durch die Verwendung von steifem Carbon an einigen Stellen und fehlerverzeihenderen Fasern an anderen Stellen können Ingenieure das Gefühl eines Fahrrads individuell anpassen. So kann ein Unternehmen wie Specialized einen Roubaix so einstellen, dass er sich auf langen Fahrten wohlfühlt, und einen Tarmac-Ultrastiff mit ähnlichen Preisen herstellen. Wenn die Struktur und die Rohrformen eines Fahrrads komplexer werden, sind in der Regel höhere Kohlenstoffgehalte erforderlich, um die Ziele des Herstellers in Bezug auf Festigkeit, Gewicht und Steifigkeit zu erreichen. Das kann den Preis erheblich erhöhen.

Ich werde nie alle Nuancen der Kohlenstoffherstellung vollständig verstehen, aber die Grundlagen sind jetzt so sinnvoll, dass ich mich wohl fühle, wenn ich in ein Geschäft gehe und ein Fahrrad auswähle. Ich kehre zu Earl's zurück und arbeite an zwei Modellen, die jeweils etwa 3.500 US-Dollar kosten. Sie sind größtenteils aus Carbon gefertigt, und als Drennan mir sagt, dass sie beide einen verzeihenden Ritt anbieten sollen, verstehe ich, warum das so ist. Es bleibt nur eine Frage: Woher weiß ich, welche eine angenehmere Fahrt bietet?

Das ist ganz einfach, sagt mir Drennan:

"Du musst immer noch mit dem Fahrrad fahren."

Die Note machen *

Wie sich die vier Kohlenstoffniveaus in Fahrrädern stapeln
Standardmodul

Modul von 200–280 Gpa

Zugfestigkeit von 2.500 MPa oder höher

Relativ stark und steif ist dies die kostengünstigste Form von Carbonfasern und kommt fast ausschließlich in Einstiegsrahmen vor.

Verwendet in: Vollrohren, Rohrverbindungen, stark beanspruchten Bereichen um das Steuerrohr, Unterrohr und Kettenstreben (auch bei einigen High-End-Bikes).

Zwischenmodul

Modul von 280–350 Gpa

Zugfestigkeit von 3.500 MPa oder höher

Der stärkste aller Kohlenstoffe ist in erster Linie bei Premium-Rahmen zu finden.

Verwendet in: Bereichen mit hoher Beanspruchung, z. B. bei Biegung der Sitzstreben, und in kritischen Bereichen, z. B. im Oberrohr, Unterrohr und in Teilen des Steuerrohrs.

Hoher Modul

Modul von 350–600 Gpa

Zugfestigkeit von 2.500 MPa oder höher

Dieser Kohlenstoff ist im Durchschnitt 62 Prozent steifer als das Standardmodul, aber spröder, sodass Ingenieure ihn sparsam einsetzen. Ein High-End-Fahrrad kann 25 Prozent Hochmodulfasern enthalten.

Verwendet in: Bereichen, in denen zusätzliche Seitensteifigkeit erforderlich ist, z. B. Unterrohr, Sitzrohr oder Kettenstrebe.

Ultrahoher Modul

Modul von 600+ Gpa

Zugfestigkeit von 2.500 MPa oder höher

Als steifste Kohlenstoffsorte ist es auch spröde und sehr teuer. Es wird selektiv in erstklassigen Fahrrädern verwendet, oft mit stärkerem Zwischenmodul-Carbon - selbst dann macht es nur etwa 15 Prozent des Materials aus.

Verwendet in: Zonen mit geringem Aufprall wie die Mitte des Oberrohrs.

Modul: Steifheit oder wie gut ein Material der Dehnung widersteht.
GPA: Gigapascal. Der Modul wird in Gpa gemessen.
Zugfestigkeit: Eine Darstellung, wie viel Kraft eine Faser aufnehmen kann, bevor sie ausfällt.
MPA: Megapascal. Die Zugfestigkeit wird in MPa gemessen.

* Diese Standards der Japan Carbon Fibre Manufacturers Association sind nur Richtlinien. Fahrradhersteller und andere Hersteller von Carbonartikeln können ihre Produkte nach Belieben kennzeichnen.

Elemente des Builds

KOHLEFASER
Es gibt zwei Vorläufer für Kohlenstoff: gesteinsartiges Pech und Polyacrylnitril (oder PAN), ein von Fahrradherstellern favorisiertes Filament in Form einer Angelschnur. Um Fasern herzustellen, backen die Hersteller die Pfanne; längeres Erhitzen ergibt ein reineres, leichteres und steiferes Produkt. Premium-Carbonfäden können bis zu 7 Mikrometer dünn sein, etwa ein Siebzehntel der Breite eines menschlichen Haares.

HARZ
Das klebstoffähnliche Epoxidharz hält Kohlenstoffstränge an Ort und Stelle, indem es die Lücken zwischen ihnen füllt, so dass sie strukturelle Integrität liefern können. Hersteller können Additive (z. B. mikroskopisch kleine Gummibälle) einmischen, um bestimmte Leistungsmerkmale zu verbessern, z. B. die Fähigkeit eines Fahrrads, während eines Unfalls intakt zu bleiben.

PRE-PREG
Dies sind die dünnen, biegsamen, mit Harz imprägnierten Faserplatten, aus denen mit wenigen Ausnahmen Carbon-Bikes hergestellt werden. Jede Verbundfolie hat zwischen 3.000 und 24.000 Kohlenstoffstränge pro Achtel Zoll. In strukturellem Carbon - der Art von Prepreg, die Fahrradschläuchen ihre Festigkeit und Steifigkeit verleiht - werden die Fasern unidirektional verlegt, wodurch sie stärker werden. Die Interlaced-Bindungen, die Sie auf vielen Gestellen sehen, sind größtenteils kosmetisch, bieten jedoch einen gewissen Schutz gegen Stöße.

LAYUP
Die Herstellungsprozesse variieren stark zwischen den Unternehmen (und sogar nach Modell), aber die meisten Composite-Bikes werden hergestellt, indem kleine Streifen (rechts) aus Kohlenstoff um einen festen Kern in einer Form (ganz rechts) angeordnet werden. Durch Erhitzen der Form wird das Harz verflüssigt, und durch Druck wird das Prepreg in die Form des Rahmens gebracht.

Specialized Venge (mit freundlicher Genehmigung)

Puzzleteile
Für Ingenieure ist der Bau eines Carbonrahmens das Zusammensetzen eines komplizierten 3-D-Puzzles. Fahrräder können Hunderte von Teilen haben, die in 40 oder mehr Schichten zusammengesetzt sind. Um es richtig zu machen, verlassen sich Designer auf eine Computersoftware namens Finite-Elemente-Analyse (FEA), mit der sie bestimmen können, wo sie die einzelnen Kohlenstoffsorten verwenden sollen und wie sie die Teile am besten ausrichten, um eine ideale Mischung aus Festigkeit, Steifigkeit und Nachgiebigkeit zu erzielen. Ohne den Schreibtisch zu verlassen, können Ingenieure Hunderte von Variationen pro Stunde durchlaufen, bis sie die richtige Balance gefunden haben. Ein Hochleistungsrad wie das abgebildete Specialized's Venge benötigt ca. 400 Einzelteile Carbon. Jede Farbe steht für eine unterschiedliche Dicke der Carbonrohre.

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