{"id":655,"date":"2019-10-15T17:16:56","date_gmt":"2019-10-15T15:16:56","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=655"},"modified":"2021-03-18T13:46:04","modified_gmt":"2021-03-18T12:46:04","slug":"von-aluminium-bambus-und-carbonfaser-werkstoffe-fuer-fahrradrahmen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2019\/10\/15\/von-aluminium-bambus-und-carbonfaser-werkstoffe-fuer-fahrradrahmen\/","title":{"rendered":"Von Aluminium, Bambus und Carbonfaser – Werkstoffe f\u00fcr Fahrradrahmen"},"content":{"rendered":"

oder: was hat Harry Potter mit Fahrr\u00e4dern zu tun?<\/span><\/strong><\/p>\n

von Inga Meyenborg<\/a><\/em><\/p>\n

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Wie viel wiegt dein Fahrrad? 10 Kilo? 20 Kilo? 50 Kilo?<\/strong><\/p>\n

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Zwei Typen von Menschen k\u00f6nnen diese Frage meistens ziemlich genau beantworten: Diejenigen, die wettkampforientiert auf ihrem Fahrrad unterwegs sind und diejenigen, die ihr Fahrrad jeden Morgen aus einem sicheren Kellerabteil nach oben an die frische Luft tragen. Die einen wollen durch jedes eingesparte Gramm noch schneller unterwegs sein und die anderen, nun ja, die wollen ihr Fahrrad nachts sicher verstaut wissen, ohne daf\u00fcr t\u00e4glich Langhanteltraining im Fitnessstudio absolvieren zu m\u00fcssen.<\/p>\n

Aber die Bremer*innen tragen nicht nur viele Fahrr\u00e4der, sie radeln auch besonders viel: In Bremen werden 25 % der Wege mit dem Rad zur\u00fcckgelegt.[1]<\/sup><\/a> Damit wird in keiner anderen deutschen Stadt mit mehr als 500.000 Einwohner*innen mehr geradelt.[2]<\/sup><\/a><\/p>\n

Aber wovon h\u00e4ngt nun das Gewicht eines einzelnen Fahrrads ab? Zum einen nat\u00fcrlich von der Ausstattung. Klar, dass deshalb Sportler*innen zun\u00e4chst einmal auf Bauteile wie St\u00e4nder oder Gep\u00e4cktr\u00e4ger verzichten. Und dann? Sobald das Rad auf seine grundlegenden Bestandteile reduziert ist, h\u00e4ngt das Gewicht vor allem von den eingesetzten Materialien ab. Die Urform des heutigen Fahrrads bestand aus Holz und wog etwa 20 kg – das ist etwa so viel wie ein Sack Pflanzenerde. Vorgestellt wurde die sogenannte \u201cLaufmaschine\u201d vor etwa 200 Jahren in Mannheim, im Juni 1817, von Karl Drais.<\/p>\n\n\n\n
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Abbildung 1: Von der Laufmaschine[3]<\/a> bis zum ersten Tretkurbelrad.[4]<\/a> Das linke Bild zeigt die \u201cLaufmaschine\u201d (auch Laufrad genannt), erfunden von Karl Drais, welches er 1817 das erste Mal in Mannheim vorstellte. Das rechte Bild zeigt das \u201cMichaulinen\u201d Rad mit Tretkurbelantrieb des Franzosen Pierre Michaux. Er stellte es erstmals auf der Pariser Weltausstellung 1867 vor.<\/em><\/p>\n

Etwa 50 Jahre sp\u00e4ter musste dann nicht mehr mitgelaufen werden, es konnte erstmals getreten werden. Die sogenannten \u201cMichaulinen\u201d besa\u00dfen einen aus Schmiedeeisen[5]<\/sup><\/a> gefertigten Rahmen und Holzr\u00e4der, womit sie ein Gewicht von 26 kg auf die Waage brachten.[6]<\/sup><\/a> Um die Stabilit\u00e4t dieser Tretkurbelr\u00e4der zu steigern, wurden in der weiteren Entwicklung erst die R\u00e4der mit Eisen ummantelt und dann auch die h\u00f6lzernen Speichen durch metallische ersetzt.[7]<\/sup><\/a> Dies wirkte sich nat\u00fcrlich auf das Gewicht aus, welches auf 30 \u2013 40 kg stieg.[8]<\/sup><\/a> Ganz sch\u00f6n unhandlich, wenn man bedenkt, dass man das Gewicht eines kleinen K\u00fchlschranks erstmal in Gang bringen musste.<\/p>\n

Um das Fahrrad also benutzerfreundlicher zu gestalten, wurde an Funktionsweise, Form, Material und Fertigungsverfahren get\u00fcftelt. Die Stangen wurden schlie\u00dflich nicht mehr geschmiedet, sondern es wurden aus Stahl[9]<\/sup><\/a> Rohre geformt. In den 1980er Jahren konnte dann ein weiteres Material nutzbar gemacht werden, welches den Stahl von seiner Rolle als meistverwendetes Rahmenmaterial verdr\u00e4ngte. Aluminium hat mit 2,7 g\/cm^3 eine deutlich geringere Dichte als Stahl.[10]<\/sup><\/a> Vergleicht man zwei gleich gro\u00dfe W\u00fcrfel der beiden Materialien, bringt Alu nur ein Drittel des Gewichts von Stahl auf die Waage. Au\u00dferdem hat es den Vorteil, dass es nicht rostet.<\/p>\n

Da reines Aluminium viel zu weich w\u00e4re, m\u00fcssen allerdings noch andere Elemente, wie zum Beispiel Magnesium oder Silizium, beigemischt werden, damit das Material den Belastungen beim Radfahren standh\u00e4lt.<\/p>\n

Aber auch f\u00fcr eine Aluminiumlegierung kann eine f\u00fcr Stahl ausgelegte Rahmenkonstruktion nicht 1:1 \u00fcbernommen werden. Damit es den gleichen Belastungen wie ein Stahlrahmen standh\u00e4lt, muss entweder der Durchmesser des Rahmenrohrs vergr\u00f6\u00dfert werden oder die Wandst\u00e4rke des Rohrs dicker sein. Trotzdem sind R\u00e4der aus Aluminium meistens leichter – es kommt hier aber auch sehr auf die Qualit\u00e4t der verarbeiteten Werkstoffe an. Dass Aluminium Stahl nicht ganz verdr\u00e4ngt hat, h\u00e4ngt auch damit zusammen, dass d\u00fcnnere Rahmen optisch manchmal gew\u00fcnscht sind und Stahl dazu bessere Eigenschaften besitzt, was die Dauerbelastung angeht. Je nach Gestaltung und Qualit\u00e4tsklasse bringen die R\u00e4der aus Alu und Stahl bei den klassischen Stadtr\u00e4dern zwischen 12 – 13 kg auf die Waage.<\/p>\n

Mit der Forschung und Verbesserung von metallischen Leichtbauwerkstoffen besch\u00e4ftigt sich auch eine Abteilung am Institut IWT.[11]<\/sup><\/a> Doch egal ob Aluminium oder Stahl: bei der Konstruktion mit diesen Werkstoffen ist h\u00e4ufig viel Material enthalten, welches eigentlich gar nicht n\u00f6tig w\u00e4re. Denn beide Stoffe sind isotrop. Das bedeutet, dass die Eigenschaften sich in alle Richtungen gleich verhalten, wie man es auch von Wasser kennt. Ein klassischer metallischer Fahrradrahmen ist daher also in alle Richtungen mit den gleichen Kr\u00e4ften belastbar. Das ist aber eigentlich gar nicht erforderlich, da er in der Praxis haupts\u00e4chlich vor allem in L\u00e4ngsrichtung, also entlang der Rahmenstreben belastet wird.[12]<\/sup><\/a><\/p>\n

Aufgrund dessen hat sich ein weiteres Material in den Leichtbau – Fahrradmarkt eingeb\u00fcrgert: kohlenstofffaserverst\u00e4rkte Kunststoffe, kurz CFK. Daf\u00fcr werden aus bestimmten kohlenstoffhaltigen Materialien d\u00fcnne F\u00e4den gesponnen, die durch einen chemischen Prozess in Kohlenstoff umgewandelt werden. Diese erzeugten Kohlenstofffasern halten sehr hohen Belastungen stand. Allerdings nur, wenn man an ihnen zieht. Um eine Kohlenstofffaser zu zerrei\u00dfen, braucht man zehnmal so viel Kraft wie bei einem Aluminiumfaden mit den gleichen Ma\u00dfen. Macht man jedoch einen Knoten in die Kohlenstofffaser und belastet ihn dann nicht nur in L\u00e4ngs- sondern auch in Querrichtung, rei\u00dft er sofort durch.<\/p>\n\n\n\n
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Abbildung 2: Das linke Bild zeigt eine 6 \u00b5m dicke Kohlenstofffaser im Vergleich zu einem 50 \u00b5m dicken menschlichen Haar.[13]<\/sup><\/a> 1.000 bis 24.000 einzelne Fasern werden zu einem Garn zusammengefasst. Diese Garne werden dann weiterverarbeitet, zum Beispiel indem sie verflochten werden.<\/em>[14]<\/em><\/sup><\/a><\/p>\n

Vorstellen kann ich mir das wie bei Rharbarber.[15]<\/sup><\/a> So ein d\u00fcnner Rhabarberst\u00e4ngel schafft es, seine extrem gro\u00dfen und schweren Bl\u00e4tter problemlos zu halten. Bin ich jetzt jedoch etwas unvorsichtig im Beet unterwegs und trete auf den St\u00e4ngel darauf, bricht er ziemlich schnell durch. Wenn du dir die Bruchstelle genauer anschaust, kann man die einzelnen Fasern im Rhabarberst\u00e4ngel erkennen.<\/p>\n

Schaut man sich die Bruchstelle genauer an, sieht man dann, dass der Rhabarber auch aus vielen einzelnen Fasern besteht, die von Pflanzengewebe umgeben und zusammengehalten werden. Um diesen Zusammenhalt bei den Kohlenstofffasern zu schaffen, werden die verwebten Fasern mit fl\u00fcssigem Kunstharz getr\u00e4nkt, welches dann aush\u00e4rtet.<\/p>\n\n\n\n
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Abbildung 3: Richtungsabh\u00e4ngiger Rhabarber und richtungsabh\u00e4ngiges Wasser. Beim Rhabarber brauche ich mehr Kraft, um ihn zu zerrei\u00dfen, wenn ich am St\u00e4ngel ziehe als wenn ich ihn durchbreche. Beim Wasser ist es egal, ob ich das Auto von links nach rechts durch die Pf\u00fctze schiebe oder es von oben nach unten durchs Wasser bewege.<\/em><\/p>\n

Wird nur das reine Material betrachtet, ist das Verh\u00e4ltnis von Stabilit\u00e4t zu Gewicht bei CFK nicht besser als bei Alu oder Stahl. Allerdings bietet CFK den Vorteil, dass man die Fasern entsprechend der wirkenden Belastungen ausrichten kann. Dabei positioniert man die meisten Fasern so, dass sie entlang der Rahmenstreben f\u00fchren. Ein paar Fasern werden auch quer dazu angebracht. So wird daf\u00fcr gesorgt, dass einem das Fahrrad nicht sofort zerbricht, wenn man es am Rahmen packt, um es die Kellertreppe hochzutragen.<\/p>\n

Mithilfe dieser Methoden konnte der Weltrekord f\u00fcr das leichteste Fahrrad auf 2,7 kg gesetzt werden. Damit wiegt es gerade mal so viel wie drei Harry Potter B\u00fccher.<\/p>\n\n\n\n
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Abbildung 4: Wiegen beide gleich viel: Das leichteste Fahrrad der Welt und drei Harry Potter B\u00fccher. F\u00fcr das Rad hat der Amerikaner Jason Woznick jedoch nicht zum Zauberstab gegriffen sondern nutzte Bauteile vom deutschen T\u00fcftler G\u00fcnter Mai und Formel 1 Komponenten.<\/em>[16]<\/em><\/sup><\/a><\/p>\n

Es gibt noch weitere Unterschiede zwischen Metallen und CFK. W\u00e4hrend Metall sich erst verformt bevor es bricht, versagt CFK sehr pl\u00f6tzlich. Aufgrund dieses Versagensverhaltens eignen sich Fahrr\u00e4der mit Bauteilen aus CFK daher eher nur f\u00fcr den Wettkampfsport. F\u00fcr den Alltag sind die Bauteile zu empfindlich. Auch bei kleinen St\u00fcrzen entstehen Mikrorisse, die mit dem blo\u00dfen Auge nicht sichtbar sind und meistens erst durch R\u00f6ntgenbilder erkannt werden k\u00f6nnen. Das gef\u00e4hrliche an den Mikrorissen ist, dass das Bauteil dann ganz pl\u00f6tzlich versagen kann, was besonders bei schneller Fahrt zu schweren Unf\u00e4llen f\u00fchren kann.<\/p>\n

Neben Fahrr\u00e4dern lassen sich aus Verbundwerkstoffen nat\u00fcrlich noch viele andere Leichtbauprodukte herstellen. In Bremen forscht das Faserinstitut Fibre an der Materialentwicklung von Hochleistungsverbundwerkstoffen.[17]<\/sup><\/a><\/p>\n

Auch auf dem Gebiet der Metalle wird weiter daran geforscht, das Material nur dort einzusetzen, wo es aufgrund der Belastungen notwendig ist. Durch die Verwendung von neuen Fertigungsverfahren, wie der additiven Fertigung er\u00f6ffnen sich hier ganz neue M\u00f6glichkeiten. [F\u00fcr Informationen \u00fcber dieses Verfahren lies dir auch unseren Artikel \u201cZahn verloren? Keine Sorge, ich druck\u2019 dir einen Neuen! <\/a><\/u><\/strong>\u201d durch].<\/p>\n

Das Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven hat mithilfe dieses Verfahrens den Prototypen eines Fahrrads gebaut. Dabei haben die Wissenschaftler*innen sich an dem Prinzip des Aufbaus von Kieselalgen orientiert. Kieselalgen sind einzellige Lebewesen, die zur Gruppe der Algen z\u00e4hlen. Sie sind meistens etwa \u00a040 \u00b5m bis 2 mm gro\u00df. Um sich vor ihren Feinden zu sch\u00fctzen, haben sie harte, aber gleichzeitig sehr leichte Schalenstrukturen gebildet. Aus einer Datenbank suchen die Forscher*innen je nach Anforderung die passende Kieselalgenart heraus. Daran orientiert werden dann die Bauteile entworfen und schlie\u00dflich aus einer Aluminiumlegierung mit dem selektiven Laserschmelzen gedruckt und zusammengebaut.[18]<\/sup><\/a><\/p>\n\n\n\n
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Abbildung 5: Kieselalgen (links) dienen als Inspiration f\u00fcr den Aufbau des Bionic Bikes. Durch das Prinzip der Struktur der Kieselalgen (mitte) l\u00e4sst sich viel Gewicht sparen.[19]<\/sup><\/a> Durch die Form und Art der Herstellung ist das 60 % leichter.[20]<\/sup><\/a><\/em><\/p>\n

Durch die additive Fertigung l\u00e4sst sich viel Material einsparen und es wird nur sehr wenig Abfall erzeugt. Aber wie w\u00e4re es mit noch nachhaltigeren, nachwachsenden Rohstoffen?<\/p>\n

In Osnabr\u00fcck sitzt das Unternehmen Onyx Composites. Dieses Unternehmen hat das Hanfbike entwickelt.[21]<\/sup><\/a> Hier werden statt Kohlenstofffasern Hanffasern verwendet. Die Festigkeit ist \u00e4hnlich wie bei Aluminium – allerdings kann durch die Fasern wieder die Anisotropie ausgenutzt werden. Die Hanfbikes sind damit schwerer als CFK-R\u00e4der, aber leichter als Alu-R\u00e4der.<\/p>\n

Das Unternehmen myBoo aus Kiel verwendet einen weiteren nachwachsenden Werkstoff.[22]<\/sup><\/a> Sie fertigen R\u00e4der aus Bambusrohren, die mit Aluminiumkomponenten und harzgetr\u00e4nkten Hanfseilen miteinander fixiert werden. Die Festigkeit erh\u00e4lt auch Bambus aus seiner faserigen Struktur. Bambusr\u00e4der sind insbesondere f\u00fcr die Stadt gut geeignet, da der Werkstoff sehr gut d\u00e4mpft.<\/p>\n

Vielleicht werden wir in Zukunft mehr solcher Naturfaserbikes durch die Stadt rollen sehen. Oder was glaubst du – aus welchem Material wird das Fahrrad der Zukunft bestehen?<\/p>\n\n\n\n
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Abbildung 6: Links das Hanfbike[23]<\/sup><\/a> und rechts das Bambusrad.[24]<\/sup><\/a><\/em><\/p>\n

Aber wie ist man jetzt am leichtesten unterwegs? Nun ja, die materialsparendste Variante ist es nat\u00fcrlich, ohne Fahrrad unterwegs zu sein. Und das kommt in Bremen tats\u00e4chlich auch gar nicht so selten vor. 6.000 R\u00e4der wurden 2018 geklaut, das sind 1.100 mehr als im Jahr davor.[25]<\/sup><\/a> Aber zum Gl\u00fcck haben wir in Bremen gleichzeitig ein gut ausgebautes Stra\u00dfenbahnnetz und kommen dank der BSAG auch ohne Rad schnell von A nach B.[26]<\/sup><\/a>\u00a0 Damit es aber gar nicht erst zum Diebstahl kommt, hat die Polizei Bremen auch ein paar n\u00fctzliche Tipps auf ihrer Webseite parat.[27]<\/sup><\/a><\/p>\n

Zum Schluss noch ein Tipp f\u00fcr alle Studierenden, denen Werkzeug oder Kenntnisse fehlen, um einen platten Reifen zu flicken: In der Fahrradselbsthilfewerkstatt bekommst du kostenlos Werkzeug und Tipps zur Reparatur. N\u00e4here Infos dazu findest du auf der Internetseite der Werkstatt.[28]<\/sup><\/a><\/p>\n

[1]<\/sup><\/a> https:\/\/www.ziv-zweirad.de\/fileadmin\/redakteure\/Downloads\/PDFs\/radverkehr-in-zahlen.pdf<\/a><\/u><\/p>\n

[2]<\/sup><\/a> https:\/\/www.wfb-bremen.de\/de\/page\/stories\/standortmarketing\/lebensqualitaet\/bremen-im-europa-vergleich-eine-der-groessten-fahrradstaedte<\/a><\/u><\/p>\n

[3]<\/sup><\/a> https:\/\/media.giphy.com\/media\/6Pv2uDUmkg1qM\/giphy.mp4<\/a><\/u><\/p>\n

[4]<\/sup><\/a> https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=iuJPtHta4ls<\/a><\/u> und https:\/\/makeagif.com\/gif\/le-velocipede-michaux-o0nQpH<\/a><\/u><\/p>\n

[5]<\/sup><\/a> Der Hauptbestandteil ist hierbei Eisen mit einem geringen Anteil Kohlenstoff (unter 0,1 %).<\/p>\n

[6]<\/sup><\/a> https:\/\/adfc-kvjl.de\/wp-content\/uploads\/2018\/03\/Geschichte-des-Fahrrads-Teil-1-6.pdf<\/a><\/u><\/p>\n

[7]<\/sup><\/a> http:\/\/monnem-bike.de\/wie-alles-begann\/die-geschichte-des-fahrrads\/<\/a><\/u><\/p>\n

[8]<\/sup><\/a> Abh\u00e4ngig von der Ausf\u00fchrung und je nach Quelle<\/p>\n

[9]<\/sup><\/a> Eisen mit einem maximalen Anteil Kohlenstoff von 2,06 %. Weitere Elemente wie Chrom und Molybd\u00e4n werden hinzugef\u00fcgt um die Eigenschaften dem Bedarf anzupassen.<\/p>\n

[10]<\/sup><\/a> Die Dichte von Stahl betr\u00e4gt ~7,85 g\/cm^3.<\/p>\n

[11]<\/sup><\/a> http:\/\/www.iwt-bremen.de\/werkstofftechnik\/leichtbauwerkstoffe\/<\/a><\/u><\/p>\n

[12]<\/sup><\/a> Ein paar weitere Informationen zu den beim Rad fahren wirkenden Kr\u00e4ften: https:\/\/www.lehrerfreund.de\/technik\/1s\/kraefte-am-fahrrad1\/4000<\/a><\/u><\/p>\n

[13]<\/sup><\/a> https:\/\/commons.wikimedia.org\/wiki\/File:Cfaser_haarrp.jpg<\/p>\n

[14]<\/sup><\/a> https:\/\/www.craftechind.com\/the-rise-of-carbon-fiber-reinforced-plastics\/<\/a><\/u><\/p>\n

[15]<\/sup><\/a> An der Hochschule Bremen wird untersucht, was man von Rharbarber f\u00fcr technische Anwendungen lernen kann:\u00a0 http:\/\/www.hs-bremen.de\/internet\/de\/forschung\/projekte\/detail\/index_18292.html<\/a><\/u><\/p>\n

[16]<\/sup><\/a> https:\/\/www.redbull.com\/gb-en\/check-out-the-worlds-lightest-custom-road-bike<\/a><\/u><\/p>\n

[17]<\/sup><\/a> https:\/\/www.faserinstitut.de\/<\/a><\/u><\/p>\n

[18]<\/sup><\/a> https:\/\/www.awi.de\/forschung\/besondere-gruppen\/bionischer-leichtbau\/projekte\/bionic-bike\/interview-paul-bomke.html<\/a><\/u><\/p>\n

[19]<\/sup><\/a> http:\/\/www.haute-innovation.com\/de\/magazin\/leichtbau\/elise-bionic-bike-gedrucktes-faltrad.html<\/a><\/u><\/p>\n

[20]<\/sup><\/a> https:\/\/www.wfb-bremen.de\/de\/page\/stories\/standortmarketing\/wissenschaft\/bionic-bike-dank-kieselalgen-zum-neuen-faltrad<\/a><\/u>, [Alfred Wegener Institut\/ Paul Bomke]<\/p>\n

[21]<\/sup><\/a> http:\/\/www.onyx-composites.de\/<\/a><\/u><\/p>\n

[22]<\/sup><\/a> https:\/\/www.my-boo.de\/<\/a><\/u><\/p>\n

[23]<\/sup><\/a> http:\/\/www.onyx-composites.de\/<\/a><\/u><\/p>\n

[24]<\/sup><\/a> https:\/\/www.my-boo.de\/<\/a><\/u><\/p>\n

[25]<\/sup><\/a> https:\/\/www.butenunbinnen.de\/nachrichten\/gesellschaft\/kriminalstatistik-bremen-straftaten-100.html<\/a><\/u><\/p>\n

[26]<\/sup><\/a> https:\/\/www.bsag.de\/unternehmen.html<\/a><\/u><\/p>\n

[27]<\/sup><\/a> https:\/\/www.polizei.bremen.de\/rat_und_hilfe\/rund_um_das_fahrrad-7002<\/a><\/u><\/p>\n

[28]<\/sup><\/a> https:\/\/www.asta.uni-bremen.de\/service\/fahrradwerkstatt\/<\/a><\/u><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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