Fahrradrahmen aus Carbon / CFK

Aus dem Angebot verschiedener Faserverbundwerkstoffe ist für den Fahrrad-Rahmenbau vor allem CFK (carbonfaserverstärkte Kunststoffe, umgangangssprachlich einfach „Carbon“ genannt) relevant. Die werkstoffbedingten Vorteile, insbesondere das Verhältnis von Gewicht zu Steifigkeit und Festigkeit von CFK sind signifikant. Eigentlich kommen diese Eigenschaften am besten zum Tragen, wenn flächige Profile zum Einsatz kommen. Da das Design solcher Rahmen gewöhnungsbedürftig ist, konnten Sie sich bisher bei Serien-Fahrrädern nicht durchsetzen. Hochwertige CFK-Konstruktionen werden „wie aus einem Stück“  hergestellt. Es gibt also keine Klebeverbindungen zwischen den einzelnen Teilsegmenten, auch wenn diese in „Rohrform“ gestaltet sind.
In technisch-physikalischer Hinsicht bieten CFK-Rahmen attraktive Eigenschaften:
•    Hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht.
•    Korrosionsbeständigkeit und Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion.
•    Theoretisch könnten CFK-Bauteile nahezu optimal elastisch bzw. steif konstruiert werden.
In der Praxis gibt es allerdings etliche Umstände, die dem entgegenstehen, wie beispielsweise die Einschränkung der Gestaltungsfreiheit durch genormte/standardisierte Bauteile (Lenkkopflager, Gabelschaft usw.). Außerdem sind große Aufwendungen (Materialprüfungen, Berechnungen, Fertigungstechniken usw.) erforderlich, um optimale und gleichbleibende technische Eigenschaften zu erreichen. Aufwand bedeutet Kosten. Mithin sind der CFK-Revolution auch Preisgrenzen gesetzt.
•    Neben den Möglichkeiten des Leichtbaus sind vor allem die Freiheiten in der Formgebung hervorzuheben. Deshalb ist CFK auch häufig das Lieblingsmaterial von Designern.
CFK hat jedoch auch eine Reihe von Nachteilen:
•    Wegen der hohen Kosten für die Fertigung gibt es meist nur eine begrenzte Auswahl an Rahmengrößen eines jeweiligen Modells. Dies bedeutet unter Umständen eine Einschränkung der Anpassungsmöglichkeiten des Rahmens an Körpergröße, Sitzposition und individuelle Belange.
•    Kratz- und Abriebsempfindlichkeit.
•    Ökologisch bedenklich, wenn die Matrix aus Epoxidharz ist (nicht recyclingfähig, gesundheitsschädlich bei der Verarbeitung).
•    Sicherheitsbedenken wegen der geringen Bruchdehnung. Im Falle der Überforderung des Bauteils kommt es aufgrund der geringen Bruchdehnung zu einem Sprödbruch. Das heißt, es kommt nicht zu einer plastischen Verformung des Materials, sondern zu einem sofortigen Versagen/Abbrechen. Die dabei entstehenden scharfen Kanten führen zu einer weiteren Erhöhung der Verletzungsgefahr.
•    Geringe Reparaturfähigkeit (z.B. bei erforderlichen Materialausbesserungen).

Anwendungsbereiche von CFK im Fahrrad-Rahmenbau
Korrekt verarbeitet ist CFK das High-End-Material im Fahrradbau. Bei MTB, Rennrad-, Cross- und Fitnessbike-Rahmen sind die Top-Produkte fast durchgängig daraus gefertigt. Auch in der oberen Mittelklasse gibt es bereits leistungsfähige Rahmen. Da bei anderen Fahrradtypen wie beispielsweise Trekkingbikes das Gewicht nicht ganz so hohe Priorität genießt, wie bei den sportlichen Einsatzzwecken, sind Rahmen aus CFK dort eine eher seltene Erscheinung.

Gabeln aus CFK
Bei Rennrädern sind Carbongabeln fast schon Standard. Ähnlich verhält es sich bei Cross- und Fitnessbikes.  Es gibt sowohl Vollcarbongabeln als auch solche mit einem Gabelschaft aus Aluminium. Bei Vollcarbonausführungen kann es  der Bereich der Ahead-Vorbauklemmung grundsätzlich eine Problemzone, denn CFK-Bauteile sind nicht für Druckbelastungen geeignet, deshalb erfordert es eine funktionsgerechte Gestaltung (z. B. eine integrierte Aluminiumhülse), damit es die Klemmkräfte, die für die Vorbaumontage erforderlich sind, unbeschadet überlebt.
Auch bei Nischenprodukten wie Titanrahmen findet in der Regel eine Carbon-Gabel Verwendung. Nur bei Rennrädern in den unteren Preisklassen findet man noch Aluminium-Gabeln.

Materialien und Verarbeitungsmerkmale
Die Matrix ist der Kunststoff (meist Epoxidharz), in den die Fasern eingebettet werden. Sie fixiert die Fasern und überträgt Kräfte auf dieselben. Aufgrund der lediglich „verbindenden“ Wirkung werden möglichst geringe Matrixanteile im Gesamtverbund angestrebt.
Die Fasern sind die eigentlichen „Lastenträger“ im Materialverbund. Sie können nur Last in Faserrichtung aufnehmen, nicht quer dazu. Für die Belastbarkeit des fertigen Faserverbundwerkstoffes sind sowohl die beanspruchungsgerechte Ausrichtung als auch die Eigenschaften der jeweiligen Fasern ausschlaggebend. Kohlefasern haben enorme Festigkeiten, ein geringes spezifisches Gewicht und eine minimale Bruchdehnung (= hohe Sprödigkeit). Um den Nachteil der Sprödigkeit etwas auszugleichen fügen manche Hersteller Aramidfasern als Beigemischung zu.
Die einzelnen Fasern werden zu Fäden/Faserbündeln zusammengefaßt, diese wiederum zu Geweben. Es gibt Matten und „Strümpfe“, deren Fäden in unterschiedlichste Richtungen miteinander verwebt werden können und damit die Voraussetzung für die rahmengerechte Beanspruchung gewährleisten. Bei der „Monocoqueform“ können die Vorteile von CFK voll ausgeschöpft werden. Bei den Pseudo-Monocoques (verklebte Verbindungen) sind die Fügestellen Problemzonen. Monocoque-Rahmen sind komplizierte Hohlkörper, also aufwendig zu fertigen. Sie werden entweder in Hohlformen oder in Formen mit Kern (leichtgewichtiger Hartschaum gefertigt. Hartschaumkerne führen zwar zu einem Mehr an Gewicht, sorgen gleichzeitig aber auch für akustische und mechanische Dämpfung. Auch ein Monocoque hat Ösen, Nippel, Gewinde und sonstige Details für die Anbringung der üblichen Fahrradkomponenten. Vor allem an Stellen, wo Gewinde erforderlich sind (z.B. Tretlagergehäuse) wird auf Bauteile aus Aluminium zurückgegriffen.