Fahrräder aus Carbon strahlen eine einzigartige Anziehungskraft aus. Leicht, steif und stabil: Moderne Fahrradrahmen aus Carbon gelten als das Nonplusultra der Sportartikelindustrie. Doch anders als bei einem Stahl- oder Aluminiumrahmen werden bei einem Fahrgestell aus Carbon keine sichtbaren Rohre miteinander verbunden. Das schwarze Material wirft also Fragen auf. Fragen, die wir Christian Gemperlein, Diplomingenieur für Kunststofftechnik und Firmengründer von Bike Ahead Composites, gestellt haben. Der Experte gibt uns die 20 wichtigsten Antworten zum Thema Fahrradrahmen aus Carbon.
Produktion von Fahrradrahmen aus Carbon
1. BIKE: Wie wird ein Carbonrahmen produziert?
CHRISTIAN GEMPERLEIN: Alles startet mit dem Zuschnitt der Prepreg-Lagen, passgenau für die jeweiligen Rohre. Anschließend werden diese bei uns händisch in eine Negativ-Form eingelegt. In asiatischen Produktionen wickelt man die Lagen häufig um einen Positiv-Kern herum. Je nach Belastung variiert die Anzahl der Lagen und deren Überlappung. Für den Aushärteprozess braucht es Druck und Hitze. In Fernost geschieht das meist in einer Heißpresse, wir arbeiten mit einem großen Druckkessel, auch Autoklav genannt. Nach dem Auslösen aus der Form besitzt das Material bereits die gewünschte Festigkeit, muss aber noch nachbearbeitet werden. Sprich: Trennkanten verschleifen, Bohrungen einbringen, Metallteile einkleben, Lagersitze fräsen. Abschließend wird das Carbonteil bei uns versiegelt, bei anderen lackiert.
2. Was ist das Ausgangsmaterial für einen Carbonrahmen?
Als Rohmaterial für einen Carbonverbund dienen sogenannte Prepregs. Diese werden entweder als Gewebe oder als Unidirektional-Material vorproduziert indem Carbonfasern mit Harz imprägniert werden. Angeliefert werden diese in großen Bahnen auf Rollen.
Carbon-Prepregs: Hightech-Schnipsel
3. Gibt es auch in Europa relevante Prepreg-Produzenten?
In Europa gibt es große Prepreg-Hersteller. Sie sind vor allem wichtige Zulieferer für die Luftfahrt und Automobilindustrie, welche natürlich - verglichen mit der Fahrradindustrie - ganz andere Mengen abnimmt. Im Flügel eines Flugzeugs stecken gleich mal ein paar Tonnen Material. Auch wir beziehen unser Prepreg nicht aus Asien – was wahrscheinlich auch nicht günstiger wäre. Prepreg-Herstellung ist einer der Schlüssel, damit das Bauteil später gut funktioniert, denn bei Carbon-Teilen fungiert das Harz als Klebstoff. Verwendet man einen schlechten Klebstoff, kann nie eine bombenfeste Verbindung zustande kommen. Die beste Carbon-Faser ist mit einem minderwertigen Harz oder einem schlechten Imprägnierprozess wertlos. Deshalb setzen wir auf eng überwachte Prepreg-Qualität aus Europa.
4. Woher kommen die Rohstoffe für Carbon-Prepregs?
Carbonfasern kommen meistens von japanischen Herstellern. Toray, Toho Tenax und Mitsubishi sind die drei größten Player. Die Faserspulen werden von einem Imprägnierer oder einer Weberei eingekauft. Dort werden sie mit Harz zusammengebracht, das in der Regel von großen Chemiekonzernen stammt. Das so entstandene Prepreg-Rohmaterial kann dann weiterverarbeitet werden.
5. Gibt es auch Rahmenbauer, welche ihr eigenes Prepreg herstellen?
Manche asiatischen Produzenten, wie etwa Giant, fertigen ihre Prepregs In-House. Damit sich das lohnt, müssen in der Verarbeitung gewisse Mengen umgesetzt werden, denn auch für die großen Hersteller ist das eine große Investition. Die Carbonfasern selbst aber stellt keine Fahrradmarke selbst her.
Preise und Konkurrenz
6. Was erklärt den höheren Preis eines Carbonrahmens im Vergleich zu einem Rahmen aus Aluminium?
Bereits das Rohmaterial teurer als beispielsweise ein Aluminium-Rohrsatz. Der Großteil der Mehrkosten erklärt sich aber durch die Wertschöpfung. Im Herstellungsprozess sind Handarbeitsstunden der größte Kostenfaktor. Das gilt grundsätzlich für die Produktion in Europa ebenso wie für die Produktion in Asien, allerdings zu unterschiedlichen Verhältnissen. Bei unserer Fertigung in Deutschland macht das Rohmaterial nur einen geringen Prozentsatz der Kosten aus.
7. Wie kommen die großen Preisunterschiede bei Carbonteilen zustande?
Ein günstiges Produkt aus Asien wird auch in der Herstellung immer einfacher sein. Neben der Menge an Handarbeit lässt sich der Preis auch durch die Faserauswahl beeinflussen. Standard-Carbonteile bestehen aus den günstigsten erhältlichen Fasern. Sogenannte Hochmodul-Fasern besitzen eine höhere Steifigkeit und können im Einkauf um den Faktor vier oder fünf teurer sein als der Standard. Zwischen den beiden Extremen gibt es natürlich noch eine Vielzahl anderer Fasern am Markt.
8. Ist Carbon immer besser als Aluminium?
So generell kann man das nicht sagen. Es kommt immer auf die Anwendung an. Beispielsweise wird ein Carbon-Vorbau von seinen technischen Eigenschaften her nicht so gut sein, wie ein leicht konstruierter Aluminium-Vorbau. Eine Lenker-Vorbau-Kombination aus Carbon, welche eine Klemmverbindung durch eine einteilige Konstruktion ersetzt, ist wiederum die sinnvollere Variante. Carbon bietet ebensolche Freiheiten in der Gestaltung und spielt seine Vorteile am besten aus, wenn Funktionen kombiniert werden.
Von leicht bis superleicht
9. Warum sind manche Carbonrahmen deutlich leichter als andere?
Neben den verwendeten Fasern hängt das Endgewicht stark vom Verarbeitungs-Know-How des Produzenten ab. Wer nach dem Motto „viel hilft viel“ arbeiten muss, reizt nicht das volle Potential aus.
10. Welche Kompromisse müsste man eingehen, um extrem leichte Carbonteile zu bauen?
Die Sensibilität, die Carbon nachgesagt wird, hängt stark von der Herstellung ab. Wenn Wandstärken immer weiter reduziert werden, gehen Produkte, zum Beispiel durch äußere Einwirkungen, früher oder später kaputt. Auch wir könnten bei unseren Produkten deutlich leichter bauen. Vom Einsatzbereich gesehen wären sie dann sogar immer noch genauso haltbar. Der Einsatz geschieht aber natürlich nicht immer bei idealen Bedingungen. Nicht jeder Biker ist Vollprofi und trifft immer die Ideallinie. Stürze und verpatzte Landungen gehören ebenso dazu, wie dass ein Fahrrad mal auf dem Parkplatz umfällt. Bei einem Enduro-Rahmen muss einfach klar sein, dass dieser im Bikepark auch mal einen Abgang in den Wald macht. Das muss man bei der Konstruktion beachten. Ein Mountainbike sollte so sicher sein, dass es auch nach einem solchen Vorfall noch unten ankommt.
Steifigkeit und Reparatur
11. Welche Stellschrauben beeinflussen die Steifigkeit eines Carbonrahmens?
Bereits die Faserauswahl beeinflusst die Steifigkeit. Um etwa bei einem Rennrad das Maximum herauszuholen, kann man hochsteife Fasern verwenden. Ich kann mit Carbon aber auch gewisse Flexibilitäten einstellen. Wenn ich Komfort in meinen Rahmen bekommen will, arbeite ich über die Faserorientierung. Ich nehme die Faser dann etwas aus ihrem Lastpfad. Fahrradteile sind immer in Bewegung. Jede Sattelstütze, jeder Lenker wird beim Fahren millionenfach bewegt. Das hält Carbon viel besser aus als Metall. Früher sagte man, dass ein leichter Alu-Lenker nach einer Saison getauscht werden muss. Auch einen gut gefertigten Carbonlenker kann man ohne schwere Stürze normalerweise bedenkenlos acht, neun oder zehn Jahre lang einsetzen.
12. Lässt sich ein beschädigtes Carbonteil reparieren?
Das geht und hat absolut seine Berechtigung. Eigentlich lassen sich fast alle Carbonteile reparieren. Es gibt einige Reparaturbetriebe, die wirklich gute Arbeit machen, welche die Ursprungsfestigkeit und auch die Optik wiederherstellen können. Manchmal stellt sich aber die Frage der Wirtschaftlichkeit.
Woher kommt Carbon?
13. Ist Carbon der Heilige Gral unter den Rahmenmaterialien oder werden wir in Zukunft noch bessere Materialien sehen?
Geht es rein um die Performance, dann ist Carbon bei Weitem das beste Material. Das Verhältnis aus Gewicht, Steifigkeit und Dauerfestigkeit ist bei einem gut gemachten Carbonrahmen extrem gut. Da kommt kein metallischer Werkstoff ran. Aktuell ist auch kein Material in Sichtweite, das Carbon in den nächsten zehn Jahren ablösen könnte.
14. Besitzt jeder Rahmenhersteller eine eigene Carbon-Produktion oder kommen alle aus derselben Fabrik?
Es gibt in Fernost gute, große Player, die Rahmen für sehr viele Fahrradmarken produzieren. Eigentlich haben in Asien fast nur Giant und Merida eine eigene Produktion. Manche Marken lassen unterschiedliche Modelle auch bei unterschiedlichen Herstellern fertigen. Das kann strategische Gründe haben, denn nicht alle Hersteller beherrschen alle Prozesse gleich gut. Beispielsweise haben sich manche Unternehmen darauf spezialisiert leichte Rennradrahmen herzustellen, andere sind bei vollgefederten Enduro-Rahmen besser.
15. Warum ist die Produktion von Carbon-Teilen so geografisch zentriert?
Diese Zentrierung ist historisch entstanden. Früher war die produzierende Fahrrad-Industrie auch in Europa und in den USA ansässig. Irgendwann wanderte die Produktion aus Kostengründen ab. Günstige Handarbeit ermöglicht günstige Preise. Auch in Asien ziehen Produzenten immer wieder ins nächstgünstigere Land um ohne den eigentlichen Herstellungsprozess zu ändern. Eine Carbon-Großserienproduktion für Sportartikel gab es in Europa aber noch nie, sondern nur in Asien. Das entsprechende Know-How lag deshalb schon immer dort.
16. Welche Vorteile hat die Fertigung von Carbonrahmen in Deutschland?
Die Produktion in Deutschland kann ein Qualitätsvorteil sein. Das ist nicht immer so und natürlich abhängig vom Know-How der jeweiligen Firma. Für unsere Marke aber ist es wichtig, Fahrradteile selbst zu entwickeln und am selben Ort selbst herzustellen. Damit hat man einen direkten Einfluss auf die Qualität und kann diese permanent überwachen. So lässt sich fürs Produkt viel Performance herausholen. Für mich als Ingenieur ist es wichtig die Produktion mit zu steuern.
Nachhaltigkeit und Pflege
17. Wie viel günstiger ließen sich die gleichen Carbon-Teile in Taiwan statt in Deutschland produzieren?
Ob es am Ende tatsächlich die gleichen Produkte wären, das lässt sich nicht sagen. Wenn man Teile bei einem Dienstleister produzieren ließe, müsste man vermutlich maximal die Hälfte zahlen. Selbst wenn wir aber die Produktionskosten halbieren würden, darf man die Qualitätsüberwachung nicht vergessen. Dort würden vor Auslieferung weitere Kosten entstehen.
18. Wie verhält sich die Umweltverträglichkeit von Carbon im Vergleich zu Aluminium?
An sich ist Carbon da gar nicht so schlecht, wie es im Volksmund oft gemacht wird. Die Produktion ist sehr materialeffizient. Beim Zuschnitt eines Quadratmeters Carbon-Rohmaterials nutzen wir über 90 Prozent. Die zugeschnittenen Prepregs wiederum werden zu 100 Prozent zu Teilen verarbeitet. Zudem ist die Produktion im Vergleich zu Aluminium weniger energieintensiv. Beispielsweise müssen Carbon-Rahmen anders als solche aus Alu nicht in Härte-Öfen nachbehandelt werden. Außerdem besitzt Carbon eine sehr hohe Dauerschwingfestigkeit. Einen gut gemachten Carbonrahmen kann man bedenkenlos 20 Jahre lang fahren. Bei einem leichten Aluminiumrahmen hat man über die Lebensdauer eine starke Ermüdung. Die Festigkeit nimmt ab und die Defektanfälligkeit zu. Für die Zukunft bietet Recyclingfähigkeit von Carbon noch Potential. Aktuell gibt es viele Bestrebungen recyceltes Carbon in fast gleichwertigen Teilen wiederzuverwenden. Der Weg dorthin ist aber noch ein langer.
19. Welche Herausforderungen gibt es im Recycling von Carbon?
Es gibt in meinen Augen zwei große Herausforderungen. Erstens ein energetisch sinnvolles Verfahren, um die Fasern vom Harz zu trennen. Die zweite große Hürde ist es mit den gewonnenen Fasern durch Zerkleinern kein Downcycling zu betreiben, sondern wieder Performance-Bauteile, sprich aus einem Lenker wieder einen Lenker. Das wäre dann wirkliches Recycling.
20. Brauchen Carbonteile eine besondere Pflege?
Eigentlich nicht. Das Epoxydharz, in dem die Carbon-Fasern eingebettet sind, ist an sich sehr chemisch resistent. Selbst scharfe Reiniger sind eher schädlich für die beteiligten Metallteile oder können den Lack angreifen. Das Carbonmaterial wird aber nicht aufgelöst und ist sehr robust.
Fazit
Carbon-Produktion fasziniert mich. Vor allem die Unterschiede in Material und Herstellung finde ich spannend. Das schwarze Wunder-Zeug wirft für den Ottonormal-Biker viele Fragen auf, die sich jedoch alle beantworten lassen. Wer einen leichten, steifen und modernen Fahrradrahmen haben will, kommt an Carbon eigentlich nicht vorbei. Vor allem im High-End-Bereich sind krasse Konstruktionen möglich. - Jan Timmermann, BIKE-Redakteur
Jan Timmermann
Redakteur
