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Carbon: Schwarzer Kunststoff – Potenzial fürs Mountainbike

Kunststoff-Diät: Alu chancenlos gegen Carbon

  • Stephan Ottmar
 • Publiziert vor 5 Jahren

Die Herstellung von Carbon-Bauteilen ist sehr aufwändig: Mancher Rahmen wird aus rund 400 Teilen zusammengepuzzelt. Doch die Verarbeitungstechniken schreiten voran. Das ergibt neue Möglichkeiten.

Vermutlich hat Tom Ritchey damals in seiner legendären Garage die ersten Alu-Proto­typen-Rahmen schneller von Hand zusammengebruzzelt als es heute dauert, einen Serienrahmen aus Carbon zu bauen. Glauben Sie nicht? Ist aber so.

Die Herstellung eines vollgefederten Mountainbike-Carbon-Rahmens dauert heute rund 40 Stunden. Umgerechnet auf eine Person bedeutet diese Zahl: Ein Fabrikarbeiter schafft im Monat vier Rahmen, ganze 48 Stück im Jahr – ohne Urlaub und Krankheitstage. So vereinfacht wird schnell klar, warum Länder wie China, Indonesien und Vietnam die Hauptlieferanten für Produkte aus der Hightech-Faser sind. Nur mit Armeen von Arbeitern, die für niedrige Löhne arbeiten, scheint der gewaltige Zeitaufwand überhaupt wirtschaftlich darstellbar. Das liegt vor allem daran, dass die Geometrie- und Festigkeitsanforderungen an Bikes so komplex sind. Ein einfaches Rohr lässt sich auch automatisiert aus Carbon fertigen, doch auf den Rahmen eines Mountainbike-Fullys wirken überall unterschiedliche Kräfte, das Material muss nach festgelegten Regeln verteilt werden – je nachdem, wie hoch die Stelle beansprucht wird.

Ein weiterer Faktor treibt den Preis zusätzlich in die Höhe: Für die Produktion von Carbon-Fasern ist extrem viel Energie in Form von Hitze nötig: Bei 1500 Grad Celsius werden die Fasern in mehreren Stufen aufwändig gefertigt. Die Herstellung kostet jede Menge Strom und treibt den Preis zusätzlich hoch. In einer zweiten Verarbeitungsstufe entstehen aus den Fasern Matten, sogenannte Prepregs, bis heute das Ausgangsmaterial für den Fahrradbau. Doch Werkstoffalternativen zu Carbon gibt es keine, wenn es um maximalen Leichtbau und höchste Stabilität geht. Titan ist selten, teuer und ebenfalls nicht einfach zu verarbeiten. Stahl ist viel zu schwer. Alu eignet sich schon besser, ist gut zu verarbeiten, aber im direkten Vergleich chancenlos bei Steifigkeitswerten und Gewicht. Um herauszufinden, wie groß die Unterschiede sind, haben wir diese in einer Grafik sichtbar gemacht und dafür unsere BIKE-Testfelder der letzten neun Jahre durchforstet. Die leichtesten Rahmen unserer Tests stellten wir auf dem Zeitstrahl gegenüber. So wird Stillstand sichtbar: Eigentlich ist in den vergangenen neun Jahren gewichtsmäßig nicht viel passiert – weder bei Alu, noch bei Carbon. Allerdings blendet man bei dieser Betrachtung aus, dass die neuen Leichtbaurahmen für 29-Zoll-Räder ausgelegt sind, ohne, dass dafür das Gewicht nennenswert gestiegen wäre.

Deutlicher Ausreißer nach unten ist das Scott Scale, das wir im Jahr 2010 mit einem Rahmengewicht von 860 Gramm bei 26 Zoll in unsere Bücher schrieben. Das aktuelle Cube Elite in 29 Zoll liegt mit 989 Gramm immer noch 13 Prozent darüber. Zieht man den Vergleich zu Alu, lässt sich vereinfacht sagen: Carbon macht einen Hardtail-Rahmen um rund 500 Gramm leichter. Ähnliches gilt fürs Fully. Das leichteste Modell unserer Tests war beide Male ein Cannondale Scalpel in 26 Zoll. 2007 zeigte die Waage bei der Alu-Version 1804 Gramm und vier Jahre später 1372 Gramm für die Carbon-Variante der Team-Version. Natürlich haben die Rahmen und Komponentenbauer in den vergangenen 20 Jahren viel dazugelernt, die Bauteile sind vor allem sicherer geworden und die Produktion effizienter. Das Grundproblem aber bleibt: Fast alle Bauteile werden von Hand aus sogenannten Prepreg-Matten gelegt. Dieser Vorgang gleicht einem sehr komplizierten Puzzle. Nur, wenn alle Teile an der korrekten Stelle liegen, ist das Bauteil perfekt und die Stabilität optimal. Handarbeit ist jedoch immer eine Quelle für Fehler: Wird ein Teil falsch oder an der falschen Stelle eingelegt, nicht richtig befestigt oder zu lange bei der falschen Temperatur gelagert, besteht die Gefahr, dass das Bauteil nicht hält. Vor allem Lufteinschlüsse können zum Problem werden, wenn nicht sauber gearbeitet wird.

Hersteller Carbon-Rahmenfertigung bei Scott

Hier liegt ein weiterer Kostentreiber verborgen: Um Fehler aufzudecken, wird jedes einzelne Bauteil separat sehr genau gewogen, noch bevor der Rahmen gebacken wird. Zeigt sich eine Abweichung, wandert das Bauteil zum Ausschuss. Daher arbeiten die Hersteller bereits während der Entwicklung mit Sicherheitsfaktoren, die Raum für Abweichungen geben. Sind alle Faktoren erfüllt, muss der Rahmen mit viel Aufwand nachbearbeitet werden, damit die Oberfläche auch kritischen Ansprüchen der Endverbraucher genügt.

Anhand dieser Fakten wird verständlich, warum Carbon-Bikes noch immer so teuer sind. Aber die Innovationskraft der Fahrrad-Branche war schon immer stark. Und weil zusätzlich das Lohn-Niveau an den Produktionsstätten in Fernost immer höher steigt, arbeiten einige innovative Firmen mit Hochdruck an Lösungen, wie sich Carbon-Bauteile ohne viel Handarbeit – also automatisiert – produzieren lassen. Ein kompletter Serienrahmen lief jedoch noch nirgends vom Band, doch bei einigen jungen Unternehmen purzeln bereits Bike-Komponenten in Serie aus neu entwickelten Carbon-Fertigungsanlagen. Zu ihnen zählen die Firmen Biontec aus Sankt Gallen in der Schweiz und Munich Composites aus München. Aber was genau läuft hier anders?

Der erste große Unterschied: Es wird direkt von der Faser produziert. Carbon-Fasern sehen aus wie extrem dünne, schwarze Haare, und sie fühlen sich auch ähnlich an. Von großen Spulen laufen die Carbon-Fasern in Bündeln direkt in den Herstellprozess. Bei Munich Composites gleiten die Fäden von zahlreichen Spulen parallel in eine riesige, kreisrunde Flechtmaschine. Im Zentrum dieser Maschine befindet sich ein Kern, der von einem Roboterarm gehalten und geführt wird. Auf diesem Kern werden die Fasern in definierten Mustern aufgebracht. Später wird der Kern wieder entfernt. Während die Flechtmaschine ein gleichmäßiges Netz spinnt, hält der Roboterarm den Kern so, dass die Fasern an der richtigen Position landen. Dafür ist keinerlei Handarbeit nötig, Flechtmaschine und Roboter sind perfekt aufeinander abgestimmt. Das textile Fasergeflecht besitzt noch keine Stabilität, die bekommt es erst durch das Harz, das die Fasern miteinander verklebt und dadurch stützt. Dazu werden die Bauteile in eine Form aus Metall gelegt, und das flüssige Harz wird unter hohem Druck bei hoher Temperatur eingespritzt. Zusätzlich wird der Kern, den zuvor der Roboter gehalten hat, mit hohem Druck aufgepumpt und die Fasern von innen an die Form gepresst. Wenn sich die Form öffnet, ist das Bauteil so gut wie fertig.

Die Entwicklung solcher Fertigungsprozesse birgt auch hohe Risiken. Mit großem technischen und finanziellem Aufwand baute die Schweizer Bike-Schmiede BMC eine eigene Fertigungsstraße in ihrem Impec Lab in Grenchen. Auf ähnlicher Basis wie bei Munich Composites sollten geflochtene Rahmen vom Band laufen – heute steht die millionenschwere Anlage still, wann und ob sie wieder anläuft, sei unklar, hieß es bei BMC.

Interessant ist, dass sich aktuell ausgerechnet die Textilindustrie als Beschleuniger für die Carbon-Entwicklung erweist. Weil sich Faserbündel aus Carbon ähnlich verhalten wie textile Garne, kommen Maschinen zum Einsatz, mit denen sonst Stoffe produziert werden. Inzwischen laufen Versuche mit allen Formen der textilen Herstellungsmöglichkeiten. Bei der Firma Biontec hat man den Stickprozess so angepasst, dass auf den gewaltigen CNC-gesteuerten Maschinen parallel die Rohlinge für mehrere Bauteile abgelegt werden. Auf einem Trägerstoff werden die Carbon-Fasern genau so abgelegt, dass es für die Bauteilfestigkeit optimal ist. Genau wie bei Munich Composites wandern die Rohlinge anschließend in Formen und werden mit dem Harz durchtränkt und ausgehärtet. Auf den ersten Blick ist dieser Prozess zwar nur zweidimensional. Durch geschicktes Legen der Rohlinge gelingen jedoch auch komplexe 3D-Bauteile. So entstanden schon Bremshebel, Kurbeln, Sattelgestelle und Gabelkronen.


Fazit Dipl.-Ing. Stephan Ottmar:
"Neue Produktionsmethoden bringen frischen Wind in die Komponentenwelt. Das macht die Bauteile sicherer, und wenn die Technologien ausgereizt sind, vielleicht eines Tages billiger. Aber das Ei des Kolumbus für die Fertigung von komplexen Rahmenkonstruktionen ist noch nicht gelegt. Bis Rahmen vollautomatisch vom Band purzeln, müssen wir uns wohl noch eine Zeit gedulden. Trotzdem ist es immer wieder spannend zu beobachten, wie schnell die Bike-Branche neue Technologien umsetzt, daran hat sich seit Tom Ritcheys Pionierzeiten nichts geändert."

Robert Niedring Dipl.-Ing. Stephan Ottmar, BIKE-Testfahrer und Autor

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