Stefanus Bosch - 3D-Druck-Experte, Abenteurer und ICB-Gründer. Seit 2002 auf dem Mountainbike unterwegs, 2012 vom MTB Rider als Testinator tituliert, 2022 immer noch dabei.
Danny MacAskill ist seit geraumer Zeit mit Carbon-Fullies von Santa Cruz unterwegs – ein Trial-Hardtail konnten ihm die Kalifornier aber bislang nicht bieten. Das hat sich nun geändert – in einem eigenen Carbon-Labor hat Santa Cruz nicht nur ein neues Bike, sondern auch ein neues Herstellungsverfahren ausgetüftelt. In unserer Spezialausgabe der Dreh-Momente am Dienstag bringen wir ein wenig Licht ins Kohlefaser-Dunkel.
#Herzlich willkommen im Santa Cruz Carbon Lab - hier verfeinern drei Mitarbeiter in Vollzeit die Carbon-Technologie von Santa Cruz. Und bauen nebenbei Trial-Hardtails für Danny MacAskill.
Es war einer dieser Dreh-Momente, als ich durch die Tür des Carbon Labs in der Produktion von Santa Cruz Bicycles ging und absolut positiv überrascht wurde. Mit Carbon kenne ich mich recht gut aus, und inzwischen kann ja quasi jede Bike-„Firma“ Carbon-Rahmen produzieren lassen, die zumindest nicht brechen. Bei Santa Cruz ist die Sache aber eine komplett andere, wie ich lernen durfte: Da ist zum einen die Tatsache, dass Santa Cruz Bikes, anders als die allermeisten anderen Fahrradhersteller, tatsächlich eine eigene Carbon-Rahmenproduktion in Asien besitzt; also nicht bei einem der wenigen, beliebigen Hersteller produzieren lässt. Der Vorteil ist eigenes Know-How über Dinge wie Faserorientierungen, Harzsysteme und den Herstellungsprozess als solchen. Zum anderen betreibt Santa Cruz in Santa Cruz aber ein eigenes Labor, um die CFK-Technologie im Fahrrad weiter zu entwickeln. Und genau dieses Labor konnte ich besichtigen, und wurde dort auch noch von einem neuen Modell – speziell für Danny MacAskill – überrascht.
#Da staunt Danny nicht schlecht - Santa Cruz experimentiert ebenfalls mit 3D-gedruckten Werkzeugen (orange-beige, links im Bild) und den Verstärkungen für die Speichenlöcher der Reserve-Felgen (ganz links im Bild).
Carbon-Rahmen – Stand der Technik
Die Zeiten von Tube-to-Tube Konstruktionen, bei denen einzelne Carbon-Rohre mit Carbon-Knoten verbunden wurden, sind vorbei. Heute werden zumindest Hauptrahmen größtenteils einteilig hergestellt. Santa Cruz ist mit innenliegenden Kanälen für die Leitungsverlegung und glatten Innenwänden vorne mit dabei, wenn es um gut gemachte Carbon-Rahmen geht.
#Carbon-Rahmen Schnittmodell - offenbart viele interessante Details
#Die stark gekrümmten Bereiche sind besonders schwer faltenfrei herzustellen - die kleinen Falten des Blaskerns sind nur mit Harz gefüllt, nicht mit Fasern.
#Wer genau hinschaut, erkennt hier den Kabelkanal - so kann die Schaltzugaußenhülle einfach durch den Rahmen geschoben werden.
#Im Steuerrohr sitzt ein Insert - es gewährleistet die Rundheit und erleichtert eine Entfernung des Kerns (bevor es eingesetzt wird).
#Im schlanken Hinterbau ist die Kern-Entfernung besonders schwierig - die Reifeneinbeulung ist zusätzlich verstärkt.
Carbon-Rahmen – Produktion
Doch wie entsteht ein solcher Rahmen? Wie kommt das Rohr ins Rohr? Beispielhaft zeigen die folgenden Bilder gut, wie ein Mountainbikerahmen aus Carbon produziert wird. Die Produktion beginnt mit einem Gang zum Kühlraum.
#Kühlraum - hier lagert Prepreg-Material, also mit Harz imprägniertes Kohlenstoffaserhalbzeug. Die geringen Temperaturen verzögern das Aushärten des Harzes, so kann es einige Wochen oder Monate gelagert werden.
#Das Verweben der einzelnen Rovinge (ein Strang von einigen tausend C-Fasern) geschieht in textilen Methoden - hier wurde geflochten, weiter verbreitet sind gewobene Rovinge, meist in Köperbindung.
#Rollenweise Carbon Prepreg-Material - die rote Folie sorgt dafür, dass die Lagen nicht aneinander festkleben.
#Prepreg bedeutet - die Fasern sind bereits mit Harz imprägniert, bevor sie in Form gebracht werden. Das garantiert, dass überall auch wirklich die ausreichende Menge Harz vorhanden ist.
#Ein Rahmen besteht aus hunderten, teils ziemlich kleinen Prepreg-Stücken - anders ließen sie sich nicht in die engen Formen, zum Beispiel der Bremsaufnahme, einpassen.
#Ein Carbonrahmen beginnt in der Regel als mehrteiliger, minimal kleinerer Styroporkern - auf diesen werden die Fasern drapiert. Im Werkzeug schmilzt der Kern und kann mit samt dem Kunststoffsack herausgezogen werden. Kern und Beutel können nicht wieder verwendet werden.
#Über den Schaumstoffkern werden ein Nylonschlauch und ein Geflechtsschlauch gelegt - so lässt sich das noch formbare Carbon von innen durch Überdruck ins Werkzeug pressen und nach dem Aushärten entfernen.
#Meist bestehen Rahmen hauptsächlich aus unidirektionalem (UD) Material, das in mehreren Lagen unterschiedlicher Orientierung abgelegt wird - aus Optik- und Schutzgründen kommt zuletzt gern eine Lage Gewebe zum Einsatz.
#So sieht der Rahmen nach dem Layup aus - die leicht klebrigen und passend zugeschnittenen Prepreg-Stücke sind auf den Kern aufgeklebt worden und werden so ins Werkzeug eingelegt. Anschließend wird der Blaskern aufgeblasen und das ganze erhitzt.
#In diesem Fall aus Stahl gefräste Negative mit diversen Einsätzen bilden die Außenhaut des Rahmens ab - die Einsätze zum Beispiel für das Steuerrohr sorgen für definierte Aufnahmepunkte, wo der Kern allein nicht präzise genug wäre.
#Diese Presse verschließt die beiden Werkzeughälften - das Ganze wird erhitzt und mit 8 Bar Überdruck befüllt.
Danny MacAskill Trial-Rahmen
Für Dannys Hardtail und Federgabel hätte man nun genau dieses bekannte Verfahren verwenden können. Oder man probiert prototypisch gleich etwas neues aus, um die Rahmen noch besser zu machen: Das Team rund um Nick McCrae entschied sich für etwas Neues: Statt ein Werkzeug für einen Styroporkern zu produzieren, ließen sie einen Kern 3D-drucken, um damit einen Latexkern herstellen zu können. Dieser wird dann mit Glasperlen gefüllt und vakuumiert und ergibt damit das Modell, auf dem die Fasern drapiert werden können, bevor es ins Werkzeug geht. Nach dem Aushärten im Ofen werden die Glasperlen aus dem Kern geschüttet und der Kern selbst rausgezogen – woraufhin Perlen und Kern wieder verwendet werden können.
#Wie kommt man an einen Latexkern, um einen Carbonrahmen zu bauen? - Indem man einen noch etwas kleineren Kern druckt und diesen lang genug in eine Latex-Lösung taucht. Anschließend kann der Latexkern vom 3D-Druck-Kern abgezogen werden.
#Der Latex-Kern (Danny hält hier den, der Tretlager und Sitzrohrknoten abbildet) hat diverse Vorteile - er ist nicht nur wiederverwendbar, sondern auch temperaturbeständig und dehnbar und sorgt so für eine definiertere, faltenfreie Innenseite des Rahmens.
#Wie wird aus einem sehr flexiblen, weichen Latexkern ein steifer Rahmen, auf dem Carbon drapiert werden kann? - Der Clou sind Glaskugeln (humorvoll im Foto), die in den Kern eingefüllt werden. Anschließend wird Unterdruck gezogen, wodurch der Kern steif wird. Das darf man sich vorstellen wie einen Beutel vakuumiertes Kaffeepulver im Supermarkt.
#Drei Stück glasperlengefüllte, vakuumierte Latexkerne bilden das Innere des Hauptrahmens ab - zwischen Latexkern und Werkzeug werden die Fasern platziert und das Harz ausgehärtet.
#Drei unterschiedliche Faserhalbzeuge werden im Rahmen verwendet - triaxiales Geflecht, 0/90° Gewebe und unidirektionales Gelege.
#Unter- und Sitzrohr sind mit dem aus der Rüstungsindustrie stammenden Geflecht versehen - das Material darf momentan so gut wie nicht aus den USA exportiert werden, aber Santa Cruz arbeitet daran, es auch in Asien verarbeiten zu können.
#Das Innenlager wird in ein Aluminiuminsert geschraubt - das vereinfacht die Herstellung des Tretlagerbereichs.
#Je zwei rechte Sitz- und zwei rechte Kettenstreben entstehen in diesem Werkzeug
#Einige der Werkzeuge für die Produktion der Rahmen-Einzelteile - eine Hälfte für den Hauptrahmen (hinten), sowie beiden Hälften für die Streben der Antriebsseite (vorne). Im Bild fehlt das Werkzeug für die linke Hinterbauhälfte.
#Ein Danny MacAskill Trialrahmen in Einzelteilen - insgesamt haben die Kalifornier etwa 20 Rahmen produziert und dabei so einiges über ihren neuen Ansatz mit wiederverwendbarem Kern gelernt.
#Hochzeit der Einzelteile - Hauptrahmen, linke Hinterbauseite, sowie rechte Kettenstrebe und Sitzstrebe werden miteinander verklebt.
#Triaxiales Geflecht als Decklage, die im Schriftzug nicht lackiert wurde und so eine ganz besondere Optik gibt - neben der Optik hat auch die Funktion hier profitiert: Während die 0° Längsfasern sehr steife, feste Kohlenstofffasern sind, wurde als +/-60° Faser eine besonders impact-resistente Faser gewählt. Bei Dannys häufigen Crashs sicher kein Fehler!
Erster Test in Schottland
Als die ersten Prototypen Prüfstand-Tests überstanden haben, fackelt man nicht lange: Entwickler Nick fliegt mit zwei Rahmen im Gepäck nach Schottland um selbst zu sehen, wie sie in der Realität funktionieren. Dannys normales Rahmen-Gabel-Setup von Inspired bringt es auf 3,1 kg. Nachdem auch die neuen Santa Cruz Carbon-Teile nicht auf das letzte Gramm getunt wurden, sondern offensichtlich sehr robust sein müssen, landet der Rahmen bei 1600 g und die Gabel bei unter 700 g. Gemeinsam mit den Carbonfelgen und Contireifen, die Danny schlauchlos fährt, ist sein neues Arbeitsgerät so viel leichter, dass er sich nach eigener Aussage erst einmal daran gewöhnen musste!
#Ungewöhnliche Belastungen - wenn Danny Fahrrad fährt, wirken andere Kräfte als beim "normalen" Mountainbiken.
#Chef, wir haben hier ein Problem! - Der erste Prototyp bricht nach einer Stunde unter Dannys Manövern.
#Tag 2: Die Verstärkungen halten tatsächlich, was sie sollen! - Weiter geht's mit höheren Drops!
#Wenn der AirBnB Host wüsste, wofür sein Backofen verwendet wurde - nachdem der erste Rahmen am Hinterbau gebrochen war, wurde der zweite kurzerhand mit zusätzlichen Faserlagen in anderer Orientierung verstärkt und im Ofen der Ferienwohnung ausgehärtet.
#Danny selbst war etwas überwältigt, was für ein Aufwand hinter dem Projekt steht - die Kosten der Entwicklung und Produktion wurden nicht kommentiert, lassen sich aber leicht in den sechsstelligen Bereich einordnen.
Fazit
Zunächst einmal freuen wir uns schon auf das Video, in dem Danny mit seinem neuen Rad unterwegs sein wird. Andererseits freuen wir uns auch, dass die Carbon-Entwicklung weitergeht! Neben weniger Gewicht klingt weniger Abfall bei der Produktion selbst sehr gut, denn das ist neben der Weiterentwicklung von Recyclingmethoden und recyclingfähigen Faser-Matrix-Systemen ein wichtiger Schritt in Sachen Nachhaltigkeit.
Würde halt ganz schön teuer für die Art von bike. Denk Mal die Zielgruppe kauft da lieber zwei oder drei "konventionelle" dafür.
Ich gehe mal davon aus dass der "Markt" für diese Art von Rädern, wenn man die Leute einrechnet die dann Santa Cruz kaufen könnten, bei 2 oder drei Rahmen pro Jahr in D liegt, evtl. fünf. Klar könnte man damit einen Teil der Kosten wieder reinholen aber der Preis würde wahrscheinlich bei 1500€ ohne Gabel liegen wenn man es mit anderen Bikes von SC vergleicht...das können und wollen sich dann nicht viele Leisten denke ich.
Abgesehen davon ein toller Artikel, der viele Infos zum Carbonbau gibt und mit der Glasperlenschwein-Methode auch Hoffnung für eine müllärmere Zukunft macht!
erst wird der (Glasbefüllte und Vakuumierte) Latexkern mit den Prepregs belegt, dann kommt alles in die Negativform (Werkzeug) Dann kommt statt Vakuum Druck auf den Latexkern. Er drückt von innen also die Fasern gegen die Negativform. Die Oberfläche ist immer genau so gut, wie die Verarbeitungsqualität der Negativform ist.
Oh shit, ploerre, da habe ich deinen Beitrag weiter oben falsch gelesen. Du beschreibst es eigentlich genau wie ich es mir gedacht habe.
Sorry.
Glaube nicht, dass das so gemacht wird. Ich denke eher, die Stahlwerkzeuge werden ebenfalls evakuiert, allerdings stärker als die Latexblasen vorher. Aufgrund des Druckunterschieds drücken die Blasen dann von innen das Gewebe gegen die Negativform, bzw. saugt das Vakuum das Gewebe an. Ist quasi derselbe Effekt, hat aber den Vorteil, dass sich Luftblasen außen im Harz recht sicher verhindern lassen. Wenn man von innen "aufbläst", bleibt immer dieses Risiko.
beim Absaugen bekommst du aber nur eine differenz von ~1bar hin. wärend du den Sack mit einigen bar mehr aufblasen kannst.
Schätzungsweise wird beides gemacht.
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