Materialkunde

 

Was ist Carbon?

Hinter dem landläufig gebrauchten Ausdruck „Carbon” verbirgt sich „kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff”. Hierzu werden Kohlenstofffasern zur Verstärkung in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Kohlenstofffasern (Carbonfasern) sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die durch spezielle thermische Verfahren in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden. Carbonfasern sind außerordentlich leicht und zugfest, um sie auch nutzen zu können, werden die nur 5-8 µm dünnen Filamente in Form von Rovings (Stränge) in Geweben und unidirektionalen Gelegen in eine Kunststoffmatrix eingebunden.
Die ersten Fahrradteile aus Kohlefaser verstärkten Kunststoffen – kurz CFK – wurden Ende der 80er Jahre aus trockenen Kohlefasergeweben mit flüssigem Epoxydharz bestrichen.
Nach einiger Zeit wurden so genannte Prepregs verwendet, das sind vorimprägnierte (engl. „preimpregnated”) Carbonfasern, bei denen die Fasern bereits in einer unausgehärteten Kunststoffmatrix getränkt sind. Somit ergibt sich eine bessere Qualität mit gleichmäßiger Verteilung des Epoxydharzes.
Schmolke Carbon war von Anfang an dabei und sammelte bereits Erfahrungen mit trockenen Kohlenstofffasergeweben. Aus Qualitätsgründen setzten wir schon sehr früh auf Prepregs, die damals aus Kostengründen nur in der Luft- und Raumfahrttechnik zum Einsatz kamen.
Über die Jahre hinweg entwickelte sich die Qualität der Ausgangsmaterialien, insbesondere die Fasern, weiter. Und damit auch die Qualität der Schmolke-Produkte. Allein die Weiterentwicklung der Fasern seit 2000 ermöglichte die Verdopplung deren Bruchfestigkeit. Da Schmolke stets auf die besten Materialien setzt, können wir unseren Technologie-Vorsprung gegenüber Wettbewerbern stets ausbauen.

 

Welche besonderen Eigenschaften besitzt Carbon?

Kohlenstofffasern und damit auch der Werkstoff Carbon zeichnen sich durch eine extreme Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht aus. Bemerkenswert ist auch die Anisotropie der Kohlenstofffasern. Was heißt das? Metalle ertragen Belastungen in allen Richtungen ungefähr gleich gut. Dieses Verhalten wird als „Isotropie” bezeichnet. Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe ertragen hingegen Belastungen in Faserrichtung deutlich besser als quer dazu. Sie ertragen vor allem Zugkräfte in Achsrichtung, Druckbelastungen halten sie nur ungefähr halb so gut stand. Diese Eigenschaft bezeichnet man als „Anisotropie“.
Die anisotropen Eigenschaften des Werkstoffes geben allerdings auch die Möglichkeit, Kohlenstofffasern nur in der Richtung der auftretenden Kräfte einzusetzen und so Material und damit Gewicht einzusparen. Dies erfordert bei der Entwicklung eine ausgereifte Kenntnis über die im Bauteil auftretenden Kräfte und Spannungen, damit auch der innere Aufbau der Bauteile dem Kräfteverlauf gerecht wird. Jahrelange Erfahrungen in der Konstruktion und Fertigung von Carbonbauteilen sind Grundvoraussetzung für Produkte, die höchsten Qualitäts- und Leistungsansprüchen genügen.

 

Was ist bei der Montage der Teile zu beachten?

Zugbelastungen sind die idealen Kräfte für Carbonfasern. Biegebelastungen enthalten immer Zuganteile und werden also auch gut vom Material verkraftet. Der Vorteil von Carbon gegenüber anderen Werkstoffen kommt dagegen bei mehrachsigen Spannungszuständen (also bei Belastungen in verschiedenen Richtungen) weniger zum Tragen. Diese Spannungszustände treten insbesondere an jenen Stellen auf, an denen das Bauteil zusätzlich auf Druck belastet wird, wie dies vorwiegend im Klemmbereich der Fall ist.
Diese besonderen Belastungen werden analysiert und das Bauteil entsprechend verstärkt. Um aber nicht unnötig schwer bauen zu müssen, ist es unerlässlich, dass die Klemmkräfte definierte Werte nicht überschreiten.
Beachten Sie daher unbedingt die zulässigen maximalen Anzugsdrehmomente und klemmen Sie nur im dafür vorgesehenen und gekennzeichneten Bereich.
So belastbar Carbonteile auch sind, zu hohe Klemmkräfte sind ihre Achillesferse!

 

Was unterscheidet Schmolke Produkte von denen, zum Teil billigerer, Wettbewerber?

Wie überall hat Qualität ihren Preis. Schmolke Carbon hat das Ziel, leicht und zugleich intelligent zu bauen, das heißt, wir konstruieren unsere Produkte nach Ihren Vorstellungen und Beanspruchungen. Dabei spielt neben dem Fahrergewicht und dessen Fahrverhalten, die Fahrleistung eine entscheidende Rolle. Die individuelle Fertigung spiegelt sich nicht nur in unterschiedlichen Abmessungen der Bauteile wider, sondern auch und gerade im inneren Aufbau. Jeder Lenker und jede Sattelstütze wird nach einem eigenen Plan in Hand gefertigt, der belastungsgerecht die optimalen Belegungen und Wandstärken vorsieht. Trotz des geringen Gewichtes der Bauteile sind diese so konstruiert, dass sie immer noch über Sicherheitsreserven für außergewöhnliche Belastungssituationen verfügen.
Um eine gleich bleibend hohe Qualität garantieren zu können, setzen wir konsequent auf Entwicklung und Fertigung im Hochtechnologieland Deutschland.
Ein weiterer qualitativer Unterschied zu unseren Wettbewerbern liegt in den verwendeten Carbonfasern. Hier verwenden wir ausschließlich die hochwertigsten Fasern des Technologie- und Marktführers im Bereich Carbonfaserprodukte Toray mit Sitz in Japan.
Wie im untenstehenden Diagramm ersichtlich ist, haben die in unserer TLO-Serie eingesetzten T1000 Fasern eine 30% höhere Zugfestigkeit als die sonst in der Fahrradbranche üblicherweise eingesetzten T700 Fasern. Wobei die T1000 Fasern auch doppelt so teuer sind.

 

 

Die bewährte Schmolke-Qualität ergibt sich nicht zuletzt aus der Liebe zum Detail. So verwenden wir zahlreiche, dünne Lagen, wodurch wir die auftretenden Belastungen exakter abbilden können. Der vielschichtige Lagenaufbau ergibt auch eine bessere Dauerschwingfestigkeit und daher langlebige Produkte. Zudem weisen mehrschichtige Lagenaufbauten aus vielen dünnen Lagen im Extremfall ein günstigeres Bruchverhalten auf: Im Gegensatz zu einfachen Konstruktionen aus wenigen dickeren Schichten brechen sie weniger spröder und sind daher zuverlässiger und sicherer.

 

Die K-Frage – Was heißt eigentlich 1K, 3K und 12K?

Seit 2007 werden in Bezug auf Carbon häufig Bezeichnungen wie 1K oder 3K in Werbetexten verwendet. Dies bezeichnet die Menge der winzig kleinen Kohlenstofffasern (Filamente), die in einem Bündel (Roving) vereint werden. 1K steht hierbei für 1000 Filamente, 3K entsprechend für 3000 Filamente, usw.
Die Bündel werden biaxial zu einem Gewebe miteinander verwoben. Die Unterschiede der Gewebearten sind hauptsächlich von optischer Bedeutung.

 

UD – wie ist der UD-Trend zu beurteilen?

Unter UD versteht man die unidirektionale Anordnung der Fasern. Hierbei liegen diese parallel und ohne Querverbindungen nebeneinander, sie sind nicht miteinander verwoben. Es ist daher völlig unerheblich, ob 1K, 3K oder 12K-Rovings verwendet werden, entscheidend ist einzig die Gesamtzahl der gelegten Fasern, also das Flächengewicht der einzelnen Lagen. Dies wird aber in der Werbung nicht erwähnt.
UD hat gegenüber den Geweben nicht nur optische, sondern auch mechanische Unterschiede: Die Carbonfasern in Geweben sind durch das Weben geringfügig gebogen, dadurch verringert sich die Zugfestigkeit der Fasern unwesentlich, die aus ihrer idealen flachen Lage gelenkt werden. Dadurch ergibt sich eine geringfügig höhere Belastbarkeit der UD-Gelege, wodurch diese im Versagensfall geringfügig später brechen. Allerdings bietet ein Gewebe einen netzartigen Verbund, der dem Rissfortschritt im Falle eines Bruches entgegen wirkt.
Die ausschließliche Verwendung von UD-Fasern macht also beim Rahmen vielleicht noch Sinn, da hier immer mehrere Rohre tragen und der spröde Bruch eines Rohres in der Regel nicht gleich zum Sturz führt. Für unsere sicherheitsrelevanten Bauteile stehen wir dem UD-Trend skeptisch gegenüber. Auf Wunsch fertigen wir dennoch Lenker und Sattelstützen mit UD-Faseroberflächen, allerdings verwenden wir hierbei zu Ihrer Sicherheit immer noch einen Gewebeanteil, um das spröde Bruchverhalten und die rasche Rissausbreitung zu verhindern.

 

Oversize vs. 26/25,4 mm Klemmmaß

Der Oversize-Trend, also Bauteile für ein Klemmmaß von 31,8 mm zu dimensionieren ist aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu beurteilen. Grundsätzlich gilt die Tatsache, dass mit zunehmendem Durchmesser der Rohre die Biegesteifigkeit bei gleich bleibendem Gewicht (durch Verringerung der Wandstärke) überproportional zunimmt. Demnach wäre es sinnvoll, den Rohrdurchmesser anwachsen zu lassen und die Materialstärke entsprechend zu reduzieren.
Diese Vergrößerung des Rohrdurchmessers bei gleichzeitiger Verringerung der Wandstärken stößt allerdings an Grenzen: Mit abnehmenden Wandstärken sinkt die Stabilität der Rohre gegenüber Druckspannungen – der allseits bekannte Coladosen-Effekt lässt das Rohr einknicken. Da Carbon besonders gut Zugbelastungen verkraftet, Druckbelastungen hingegen nur in geringerem Maße, kommen bei diesem Werkstoff die Vorteile der OS-Geometrie nicht so deutlich zum Tragen. Aufgrund der besonders hohen Druckkräfte, die im Klemmbereich wirken, muss dieser besonders verstärkt werden.
Unser Oversize-Rennlenker, der leichteste der Welt, wiegt demnach sogar 5 g mehr als der Rennlenker mit der 26 mm Klemmung, bietet demgegenüber allerdings eine höhere Steifigkeit und eine ergonomische Handauflage, da der breite Querschnitt konsequent über das ganze Mittelteil genutzt wird.

 

Bietet Schmolke Carbon eine Garantie auf seine Produkte?

Über die gesetzliche Gewährleistungsfrist von 12 Monaten hinaus, bieten wir auf alle Schmolke Carbon Produkte eine Garantie von 2 Jahren. 

Was heißt „SL”?

„SL” steht für superleicht. Bei dieser Serie verwenden wir  für unsere Lenker und Sattelstützen ausschließlich Fasern der T800-Qualität, während branchenüblich Fasern der T300 bis T700-Qualität zum Einsatz kommen. Zudem wird das geringe Gewicht bei der bekannten Stabilität durch den belastungsgerechten Lagenaufbau ermöglicht.

Was heißt „TLO”?

„TLO” – „the lightest one”. Hier kommt bei unseren Lenkern und Sattelstützen nur die hochwertigste Faser (T1000) zum Einsatz. Deren Zugfestigkeit liegt noch mal rund 16% höher als die der T800. Darüber hinaus ermöglicht ein noch vielschichtigerer Lagenaufbau diese Rekordserie. Noch leichter als SL und das ohne Kompromisse in Sachen Belastbarkeit und Steifigkeit.

 

Wie sicher sind Schmolke Carbon Produkte?

Vor Produktionsbeginn testen wir auf unserem selbst entwickelten Prüfstand nach der neuen DIN EN 14781 und 14766. Darüber hinaus prüfen wir nach unserem eigenen, noch härteren Stufenversuch. Bei Kräften von bis zu 150 kg flexen die Lenkerenden problemlos um bis zu 30 mm!
Durch produktionsbegleitende Versuche entwickeln wir unsere Lenker und Stützen ständig weiter hinsichtlich Gewicht und Sicherheit.
Wie hart unsere Produkte im Nehmen sind beweisen diese nicht nur auf dem Prüfstand, sondern auch in der täglichen Praxis, unter anderem bei zwei MTB-Pro-Teams, die mit Erfolg und Begeisterung die Produkte aus unserer TLO-Serie fahren.

 

Warum ist die Oberfläche von unseren Produkten nicht lackiert?

Die Oberflächen der Schmolke Produkte kommen gegenüber den in China hergestellten Carbonfahrradteilen nicht ganz so glänzend und poliert daher. Der Grund ist einfach: Wir verzichten bewusst auf eine Lackierung unserer Teile.
Zum einen kann so das Gewicht optimiert werden, zum anderen verlieren lackierte Bauteile oft früher als einem recht und lieb ist ihren Glanz, da sie empfindlich gegenüber Schlägen und Chemikalien sind. Die Epoxydoberfläche unserer Carbonbauteile hat sich als deutlich widerstandsfähiger erwiesen.
Damit Schmolke Produkte dennoch eine ebenmäßige Oberfläche aufweisen, optimieren wir stets unsere Fertigungsverfahren und prüfen jedes Bauteil sorgfältig von Hand, bevor es unser Haus verlässt.

 

Lassen sich Carbonbauteile reparieren?

Genau wie bei sehr hochwertigen Bauteilen aus Aluminium oder Titan ist eine Reparatur von Carbon normalerweise ökonomisch nicht rentabel. Die hierzu notwendigen Untersuchungen mit Röntgen oder Ultraschall sind sehr teuer und können zudem keine 100%ige Verlässlichkeit bieten.

Müssen Carbonbauteile nach jedem Sturz ausgetauscht werden?

Grundsätzlich stellt ein Sturz eine außerordentliche Belastung für den Lenker dar, welche die innere Struktur dauerhaft in Mitleidenschaft gezogen haben kann. Dies ist bei Carbonbauteilen nicht viel anders als bei anderen Leichtbaumaterialien wie beispielsweise Aluminiumlegierungen.
Zu Ihrer Sicherheit sollten sie ein Bauteil, das einen Sturz hinter sich hat, vor der Weiterbenutzung eingehend untersuchen und im Zweifelsfall das Bauteil austauschen oder den Hersteller kontaktieren.
Bei Lenkern weisen folgende Indizien eindeutig auf eine Beschädigung hin:

• eingehende Sichtprüfung: Lenker weist Risse auf.
• Belastungsprüfung: Der Lenker ist im Vorbau eingespannt. Leiten Sie Kräfte in unterschiedliche Richtungen ein (Ziehen, Drücken, Verdrehen). Wenn eine Seite den eingeleiteten Kräften spürbar mehr nachgibt, ist diese beschädigt.
• Belastungsprüfung: Der im Vorbau eingespannte, belastete Lenker gibt ungewöhnliche Geräusche von sich.

Bei Sattelstützen weisen folgende Indizien eindeutig auf eine Beschädigung hin:

• eingehende Sichtprüfung: Sattelstütze weist Risse auf.
• Belastungsprüfung: Die Sattelstütze gibt in einer Richtung Kräften eher nach.
• Belastungsprüfung: Die eingespannte, belastete Sattelstütze gibt ungewöhnliche Geräusche von sich.
• Bitte beachten Sie, die oben genannten Hinweise, sind Empfehlungen auf Basis unserer langjährigen Erfahrungen, wobei wir allerdings für nichts garantieren können. Im Zweifelsfall sind Sie mit einem Austausch des betroffenen Teiles auf der sicheren Seite. Ihre Sicherheit und Gesundheit hat oberste Priorität!

Seien Sie vorsichtig mit Carbonbauteilen, die sie gebraucht oder „neu” aus zweiter Hand erstanden haben. Das vermeintliche Schnäppchen kann sich schnell als unkalkulierbares Risiko für Ihre Sicherheit und Gesundheit entpuppen – Sie wissen nicht wirklich, was das Bauteil schon hinter sich hat.