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Carbon - Alle Infos zu den Kohlefasern

Im Fadenkreuz

Wunderwerkstoff oder Zeitbombe? MB nimmt die schwarzen Fäden ins Visier: Was kann Carbon wirklich?

MountainBIKE-Umfrage: Carbon, Alu oder etwas ganz anderes: Aus welchem Material ist der Rahmen Ihres Bikes? Stimmen Sie ab!

Wer beim Thema Carbon von einem Trend spricht, lebt bereits in der Vergangenheit. Die Kohlefaser hat sich längst als Standardwerkstoff etabliert. Kaum ein Bauteil, das nicht im Carbon-Mantel um die Gunst des Käufers wirbt. Kaum ein Hersteller, der noch auf die besonderen Eigenschaften des Werkstoffs verzichtet. Die Carbonfaser weist etwa die vierfache Zugfestigkeit der besten Stahllegierung auf und bringt gerade mal ein Viertel auf die Waage.

Der E-Modul (Steifigkeit) in Faserlängsrichtung erreicht teilweise gar mehr als den sechsfachen Wert von Alu. Dank dieser sensationellen Eckdaten müsste ein Car­bonrahmen eigentlich nur den Bruchteil eines Aluminium- oder Stahlrahmens wiegen und mit zigfacher Steifigkeit der Metall-Pendants punkten – theoretisch.

Die Realität sieht jedoch anders aus. Fasern nehmen Kräfte fast ausschließlich in Längsrichtung auf und sind als ungeordnetes Bündel von keinerlei technischem Nutzen. Erst die Einbettung in eine so genannte Matrix bringt die Fasern in eine stabile Form, die eine effektive Kraftübertragung ermöglicht.

Epoxidharze meistern diese Aufgaben am besten. Sie halten nicht nur die Fasern in der richtigen Position, sondern schützen auch gegen Witterungseinflüsse und nehmen Druckbelastungen auf. Die mechanischen Eigenschaften von Epoxidharz liegen jedoch deutlich unter denen der Kohlefaser, was wiederum die Bauteilsteifigkeit senkt und das Gewicht erhöht.

Wer die theoretischen Vorteile von Carbon gegenüber metallischen Bauteilen nutzen will, muss sehr viel tiefer in die Trickkiste greifen und über die besonderen Eigenheiten der Faserverbundwerkstoffe genauestens Bescheid wissen.

Know-how bei der Carbon-Fertigung

Der Durchmesser einer einzelnen Carbon-Faser beträgt lediglich 0,006 Millimeter, etwa ein Zehntel eines menschlichen Haares. Bei Betrachtung der häufig verbauten HT-Faser (High Tensity) unter dem Mikroskop zeigt die Außenhaut Risse, weshalb lediglich der Kern der ohnehin schon hauchdünnen Faser die Zugkräfte überträgt.

Bei HM-Fasern (High Modulus) wird die rissige Außenhaut geglättet, was den E-Modul der Faser deutlich erhöht. Das ermöglicht die Fertigung noch steiferer Rahmen, treibt aber auch den Preis enorm nach oben.

Die Verarbeitung einzelner Fasern wäre weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll, weshalb tausende davon zu so genannten Rovings gebündelt werden. Übliche technische Bezeichnungen lauten 1K, 3K oder 6K, wobei das „K“ für den Multiplikator 1000 steht.

Je nach Einsatzzweck verweben die Carbonhersteller die Rovings in unterschiedlichen Winkeln zu Matten und imprägnieren diese mit Epo­xidharz vor. Aus diesen so genannten Prepregs schneidet der Rahmenbauer später die gewünschte Form für seinen jeweiligen Rahmen heraus. Fasergelege mit teuren 1K-Rovings weisen aufgrund des geringen Harzanteils eine hohe Festigkeit und geringes Gewicht auf.

Parallel angeordnete Fasern, so genannte UD-Gelege (Uni Directional), verwenden die Hersteller in besonders hoch beanspruchten Bereichen und seit einiger Zeit auch als äußerste Schicht am Rahmen. Ein 3K-Gewebe besitzt als Deckschicht zwar eine schönere Optik, ist jedoch etwas schwerer als das UD-Gelege. Durch geschicktes Legen der Fasermatten lässt sich auch die Rahmensteifigkeit nach Bedarf steuern.

So kann ein intelligent konstruierter Hinterbau ­enorme Steifigkeit gegen Seitenkräfte bieten – und gleichzeitig dem Fahrer in vertikaler Richtung viel Komfort.

Die Spielwiese für Konstrukteure beschränkt sich allerdings nicht nur auf die Faser allein, auch die Harze zeigen unterschiedliche Eigenschaften auf. Spezielle Harzsorten etwa besitzen eine höhere Zähigkeit und reagieren unempfindlicher gegen Impacts wie etwa Steinschläge.

Handarbeit birgt auch Risiken

Die schwierigste Aufgabe für den Konstrukteur liegt in der optimalen Verteilung und Ausrichtung der Fasermatten. Er erstellt ein so genanntes Layup, das die exakte Position und Ausrichtung der einzelnen Matten am Rahmen zeigt.

Positionen und Ausrichtungen, die erheblichen Einfluss darauf nehmen, ob das fertige Bauteil das Leichtbau- und Steifigkeits-Potenzial des Werkstoffs auch voll ausschöpft und ob er Dauer- und Überlasten standhält oder ein erhebliches Bruchrisiko birgt. Einen weiteren Risikofaktor stellt neben der Konstruktion die Carbon-Fertigung dar.

Die Herstellung der Faserverbundteile erfolgt in Handarbeit. Je nach Geschick und Tagesform des Arbeiters kann das Resultat von den Vorgaben abweichen. Um das Thema Serienstreuung genauer zu beleuchten, hat MB deshalb exemplarisch zehn Hardtail-Rahmen eines Herstellers vermessen, um Steifig­keiten und Gewichte zu vergleichen.

Die ermittelte Streubreite ist in diesem Fall unbedenklich, belegt aber, dass eine strenge Prozesskontrolle bei der Carbonfertigung so elementar ist wie die Qualitätskontrolle nach der Fertigstellung.

Das Verlegen der Fasermatten bereitet vor allem bei Querschnittsänderungen Probleme und kann zu Faltenbildungen führen. Diese schwächen das Bauteil erheblich, ebenso wie Delaminationen aufgrund von Harzmangel: Einzelne Faserschichten lösen sich dabei voneinander ab.

Carbon-Teile nehmen im Fahrradbau eine Sonderstellung ein. Sie setzen viel Know-how und Erfahrung bei der Konstruktion voraus, verlangen andere Fertigungsmethoden als metallische Werkstoffe und verhalten sich auch im Gebrauch anders.

Wer auf Carbon setzt, sollte einen bewussten Umgang mit dem Material pflegen und einige Punkte beachten. Sieben wichtige Tipps dazu finden Sie auf dieser Seite. Im Falle eines Sturzes gilt es zu klären, ob bei den Carbon-Bauteilen eine Beschädigung vorliegt, die ein Sicherheitsrisiko darstellt.

Kein Prüfverfahren schützt vor Ausreißern

Die Nachfrage nach immer leichteren und stei­f­eren Rahmen verleitet viele Hersteller dazu, an die Grenzen von Carbon zu gehen, das in Sachen Leichtbau gewaltiges Potenzial bietet. Rahmen unter 1000 Gramm zu fertigen, ohne dabei die Gesundheit des Bikers aufs Spiel zu setzen, verlangt enormes Wissen und eine funktionierende Qualitätsüberwachung.

Zusätzlich helfen spezielle Prüfmethoden, um stabile von bruchgefährdeten Bauteilen zu filtern. Normprüfungen liefern einen guten Anhaltspunkt für Hersteller, decken aber häufig nicht die hohen Beanspruchungen im MTB-Sport ab. „Im hoch angesetzten Ermüdungsversuch versagt jeder zweite Alu-, aber nur jeder siebte Carbonrahmen“, sagt Manfred Otto, Geschäftsführer des Prüfinstituts EFBe.

Überlasten bereiten dem eher spröden Werkstoff Carbon deutlich mehr Probleme. EFBe entwickelte deshalb in Zusammenarbeit mit MB und namhaften Industrie-Partnern Ende letzten Jahres ein spezielles Testverfahren für Carbonrahmen. Das Verfahren deckt auf, ob die Rahmen einer definierten Überlast standhalten – oder wie sie sich im Falle eines Bruch verhalten. Die Bandbreite erstreckt sich von gutmütigem bis zum explosionsartigen Bruchverhalten.

Aber: Kein Prüfverfahren und kein Zertifikat schützt bei Serienstreuung oder Fertigungsfehlern. Die Verantwortung liegt beim Hersteller: Er muss mit dem Rahmenbauer die Fertigung lückenlos überwachen, um sicherheitsgefährdende Ausreißer zu vermeiden.

Wer mit einem Carbon-Rahmen/Carbonparts liebäugelt, sollte genau hinsehen. Achten Sie auf Gewichtsbeschränkungen und empfohlene Einsatzgebiete. Vertrauen Sie namhaften Herstellern, die entsprechenden Service, etwa Crash-Replacement, anbieten. Nur wenn die Qualität stimmt, profitieren Sie von den enormen Vorteilen des Werkstoffs.

Mehr zm Thema:

Sieben wichtige Tipps zum Umgang mit Carbon-Bikes

Fertigungsverfahren im Carbon-Rahmenbau

MB Carbon - Layup
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1. Richtige Behandlung

Pflegen Sie mit Carbon-Rahmen einen bewussteren Umgang als mit Alu-Modellen. Der Kohlefaserverbund steckt zwar Dauerbelastungen locker weg, reagiert aber auf Druckbelastungen sehr empfindlich.

2. Verhalten nach dem Sturz

Überprüfen Sie den Rahmen nach Stürzen auf Beschädigungen. Der Bruch entsteht jedoch häufig an der Rohrinnenseite, von außen nicht zu erkennen. Nach schweren Stürzen deshalb Rahmen einschicken.

3. Rahmenreparatur

Theoretisch wäre es möglich, kleinere Schäden selbst zu reparieren. Das funktioniert jedoch nur an unkritischen Stellen, die jedoch für Laien von kritischen nicht zu unterscheiden sind. Deshalb: Finger weg und Rahmen einschicken!

4. Dauerhaltbarkeit

Carbon-Rahmen stecken Dauerbelastungen in der Regel besser weg als Alu-Modelle. UV-Strahlen greifen Kunststoffe zwar an, es sind jedoch keine Fälle bekannt, dass diese Schädigung zu Bauteilversagen geführt hätte.

5. Problem Klemmstelle

MB Carbon - Problem Klemmstelle
Vorsicht beim Einklemmen in den Montageständer.

Carbon reagiert sehr empfindlich auf Klemmkräfte. Tipps: Carbonpaste und Drehmomentschlüssel verwenden, beim Einspannen im Montageständer die Stütze gegen ein altes Alu-Modell tauschen.

6. Carbonpflege

MB Carbon - Carbonpflege
Verwenden Sie ein Carbonspray nach dem Reinigen des Rahmens.

Reinigen Sie den Rahmen häufig mit Wasser, um Korrosion an den Alu-Kontaktstellen zu vermeiden. Anschließend sollten Sie den Rahmen mit speziellem Carbonpflegemittel behandeln.

7. Richtig absägen

MB Carbon - Richtig absägen
Richtiges Absägen verhindert das Aufspleißen der Fasern.

Wickeln Sie vor dem Sägen einen Streifen Klebeband um das zu kürzende Rohr (siehe Bild). Das verhindert das Aufspleißen der Fasern. Gegen nachträgliches Aufspleißen hilft etwas Sekundenkleber.

Mehr zm Thema:

Von MB gemessen: Die Serienstreuung bei Carbon-Rahmen

MB Carbon - Steifigkeitsmessung
Daniel Geiger
Steifigkeitsmessung an zehn baugleichen Rahmen.

Die Messung von Steifigkeiten und Gewicht an zehn fabrikneuen, baugleichen Hardtail-Rahmen zeigt beispielhaft die Serienstreuung von Carbon-Bauteilen. Sie liegt mit 5 bis 9 Prozent (~60 Gramm Gewicht) in einem für Carbon-Werkstoffe üblichen, nicht zu hohen Bereich. Es ist davon auszugehen, dass der Hersteller die Rahmen alle vermisst und Ausreißer aussortiert. Aber: Hundertprozentige Sicherheit bietet auch diese Kontrolle nicht, da Gewicht und Steifigkeit nicht zwingend auf die Bauteilfestigkeit rückschließen lassen.

Serienstreuung der zehn getesteten Hardtail-Rahmen

MB Carbon - Serienstreuung

Fertigungsverfahren im Carbon-Rahmenbau

MB Carbon - Layup
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Mehr zum Thema:

Rahmen beschädigt: Diese Lösungen bieten die Hersteller

Fertigungsverfahren im Carbon-Rahmenbau

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Hersteller Rahmenüberprüfung Crash-Replacement kg-Limit *
Bulls Sichtprüfung und Thermoscan, Kunde übernimmt die Kosten Nein 115 kg³
BMC Hersteller überprüft Rahmen nur bei Garantieanspruch kostenlos Nein, in Arbeit laut Hersteller 110 kg¹
Cannondale Sichtprüfung durch den Vertrieb, kostenlos Etwa 20 % auf Neupreis, abhängig vom Modell Kein Limit
Canyon Kostenlose Überprüfung mit Ultraschall und Endoskopie 50 % Rabatt auf Neupreis 120 kg²
Carver Sichtprüfung, evtl. Prüfinstitute miteinbeziehen, Kosten trägt Kunde nur zum Teil 50 % Rabatt auf Neuwert des Rahmens Kein Limit
Centurion Soll/Ist-Wert-Vergleich von Steifigkeiten, 50 Euro + Versandkosten 50 % Rabatt auf Neupreis (keine mutwillige Zerstörung) 120 kg²
Corratec Neues Lösungskonzept laut Hersteller in Arbeit Kulanzlösung 104 kg¹
Cube Soll/Ist-Wert-Vergleich von Steifigkeiten, in der Regel keine Kosten Erstbesitzer tragen nur den Kostenaufwand des Herstellers 120 kg²
Fuji Kostenlose Sicht- und Steifigkeitsprüfung, Thermoscan auf Wunsch (97 Euro) 35 % Rabatt auf Rahmensetpreis in den ersten drei Jahren 120 kg²
Gary Fisher Kostenlose Sichtprüfung durch Händler oder Hersteller 30 % Rabatt auf Rahmen-Neupreis 136 kg²
Ghost Sichtprüfung durch den Hersteller Rabatt hängt vom jeweiligen Modell ab 120 kg²
Giant Kostenlose Sichtprüfung durch den Hersteller Kulanzlösungen in der Garantiezeit möglich 120 kg²
GT Sichtprüfung durch den Hersteller, Kunde zahlt nur Versandkosten Kulanzlösung, je nach Härte des Falls 120 kg²
Haibike Kosenlose Sichtprüfung beim Hersteller, bei Thermoscan trägt Kunde die Kosten 50 % Rabatt auf Neupreis innerhalb der ersten drei Jahre 120 kg²
KTM Kosenlose Sichtprüfung beim Hersteller, evtl. Thermoscan kostet etwa 150 € 30 % Rabatt für Erstbesitzer innerhalb der ersten drei Jahre 118 kg²
Lapierre Sicht- und Steifigkeitsprüfung durch den Hersteller, Kunde trägt Versandkosten Kulanzlösung, je nach Alter und Zustand des Bikes 100 kg³
Merida Soll/Ist-Wert-Vergleich von Steifigkeiten, 50 Euro + Versandkosten 50 % Rabatt auf Neupreis (keine mutwillige Zerstörung) 120 kg²
Radon Sichtprüfung durch den Hersteller, Kunde zahlt nur Versandkosten 50 % Rabatt auf Neupreis innerhalb der ersten fünf Jahre 120 kg²
Red Bull Thermoscan nur auf Kundenwunsch, Kunde trägt Kosten 50 % Rabatt auf Neupreis innerhalb der ersten fünf Jahre Kein Limit
Rocky Mountain Kosenlose Sichtprüfung 20 % Rabatt für Erstbesitzer innerhalb des ersten Jahres Kein Limit
Rose Thermoscan nur auf Kundenwunsch, Kunde trägt Kosten 50 % Rabatt auf Neupreis innerhalb der ersten fünf Jahre Kein Limit
Rotwild Sicht- und Steifigkeitsprüfung durch den Hersteller, kostenlos 30 % Rabatt für Erstbesitzer innerhalb der ersten zwei Jahre 120 kg²
Scott Durch externe Firmen wie Zedler und THM-Carbones, Kosten trägt der Kunde Abhängig von Landesniederlassung und Händler 110 kg³
Simplon Sichtprüfung durch den Hersteller Kulanzlösung, je nach Härte des Falls Kein Limit
Specialized --- --- Kein Limit
Stevens Soll/Ist-Wert-Vergleich von Steifigkeiten, kostenlos Kulanzlösung, abhängig von Händler und Härte des Falls 115 kg¹
Storck Sicht- und Steifigkeitsprüfung durch Hersteller, Kunde zahlt nur Versandkosten 50 % Rabatt auf Neupreis innerhalb der ersten drei Jahre 120 kg²
Trek Kostenlose Sichtprüfung durch Händler oder Hersteller 30 % Rabatt auf Rahmen-Neupreis 136 kg²
Votec Kostenlose Sichtprüfung, evtl. externe Prüfstellen, Kunde trägt die Kosten Kulanzlösung, je nach Härte des Falls und Rahmenalters 120 kg²
Wheeler Sichtprüfung durch den Hersteller, Kunde zahlt nur Versandkosten Nach Absprache mit Händler bis zu 30 % Rabatt auf Neupreis 120 kg²

*Gewichtsbeschränkung der Bikes, Limits einzelner Parts können unter dem angegebenen Wert liegen
¹Bike, Fahrer und Gepäck
²Fahrer und Gepäck
³Fahrergewicht

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