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Verschiedene Rahmenmaterialien im Vergleich

Im Folgenden stellen wir Ihnen die vier im Rahmenbau verwendeten Materialen Stahl, Aluminium, Carbon und Titan sowie ihre Eigenschaften im Vergleich vor. Sie finden Vor- und Nachteile der einzelnen Werkstoffe sowie unsere Begründung, warum wir von MILES den Werkstoff Titan für den Rahmenbau favorisieren.

Der Einstufung liegt nicht das theoretische Potential des jeweiligen Materials zugrunde, sondern die in der Praxis realisierten Eigenschaften der höchst entwickelten Rahmen.

Stahl* Aluminium Carbon Titan
Gewicht
fahrbarer Rahmen
hoch mittel gering mittel
Widerstandsfähigkeit, Alltagstauglichkeit
unter realen Gebrauchseinflüssen
hoch niedrig niedrig bis nicht befriedigend sehr hoch
Langlebigkeit
unter realen Gebrauchseinflüssen
hoch niedrig im Durchschnitt eher niedrig sehr hoch
Steifigkeit
(STW-Wert)
niedrig hoch sehr hoch mittel
„Gefühlter“ Fahrkomfort** mittel nicht befriedigend hoch bis befriedigend hoch
* neueste Legierungen
** gemäß der Bewertung des Komforts in einer Kundenumfrage und unseren eigenen Erfahrungen
 

Die Materialien im Detail

Stahl
Aluminium
Carbon
Titan

Stahl

Stahlrahmen hatten seit dem Aufkommen von Alu- und Carbonrahmen im High-End-Rahmenbau nur noch für Liebhaber des Werkstoffs und Traditionalisten Bedeutung. Mit den bis dato verwendeten Stählen ließen sich keine Rahmen bauen, die auch nur in einem der in der Tabelle angeführten Kriterien Maßstäbe setzten.
Das hat sich geändert, seit extrem hochfeste Stähle wie beispielsweise Reynolds 953 im Rahmenbau Einzug gehalten haben. Diese sind zum Teil sogar „rostfrei“, so dass im Sinne minimalen Gewichts auch die Lackierung eingespart werden kann und die Langlebigkeit eines solchen Rahmens nicht allzu stark durch Korrosion gefährdet wird. (Wirklich korrosionsbeständig auch im Kontakt mit Salzwasser ist ein solcher „rostfreier“ Stahlrahmen im Gegensatz zu einem Titanrahmen übrigens nicht.) Rahmen aus diesen Legierungen können bei mittleren Rahmenhöhen in Gewichtsbereiche um die 1600 Gramm vorstoßen und sind dann für sportlich schlanke Fahrer allemal ausreichend steif.
Versuche, mit solchen Rohrsätzen steifere Rahmen zu bauen, führen schnell zu Rahmengewichten deutlich über 2000 Gramm, weil die Wandstärken auch bei den dann notwendigen größer gewählten Durchmessern nicht weiter reduziert werden können. Sonst würde die Beulgefahr zu groß.
Stahl ist auch in Form dieser deutlich leistungsfähigeren Legierungen ein Werkstoff, aus dem sich im Vergleich nur die schwersten Rahmen bauen lassen. Diese sind generell sehr langlebig und vereinen bei geschickter Konstruktion eine vernünftige Steifigkeit mit spürbarem Fahrkomfort, wobei die Fähigkeit zur Dämpfung von Vibrationen im Vergleich nicht besonders gut ist.

Aluminium

Seit Ende der 80er Jahre haben Aluminiumlegierungen in der Fertigung von Rennrahmen dem Werkstoff Stahl den Rang abgelaufen. Mit großvolumigen, dünnwandigen Rohren konnten nun Rahmen mit einem deutlich günstigeren Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht (STW-Wert) gebaut werden.
Dieser STW-Wert wurde von der Zeitschrift TOUR Anfang der 90er Jahre eingeführt und gilt laut TOUR noch heute als wichtigste Kenngröße zur Beurteilung der Güte von Rennrahmen.
Aus für Aluminiummaßstäbe hochfesten Scandium-Legierungen lassen sich durchaus leichte Rahmen im Bereich um 1200 Gramm bauen. Sie erreichen auch eine respektable Lebensdauer, jedoch nur unter weitestgehendem Verzicht auf Fahrkomfort.

Im Materialvergleich ist bei Aluminium die Vibrationsdämpfung am schlechtesten und das Material muss gegen Korrosion geschützt werden. Von allen drei metallischen Werkstoffen ist die Beulgefahr bei Aluminiumrahmen am größten, so dass ein sorgfältiger Umgang Pflicht ist.

Carbon

Kohlefaser-verstärkte Kunststoffe, auch Carbon genannt, wurden schon in den 80er Jahren als Werkstoffe für Rennrahmen verwendet, doch die eigentliche Blütezeit des Materials im Rahmenbau begann erst 2003 mit Erscheinen des Scott Rahmens CR1. Mit einem Gewicht von unter 1000 Gramm konnte dieser den besten STW-Wert aller bis dato getesteten Rahmen erzielen.

Vorteile von Carbon bei der Verwendung im Rahmenbau:

  • Carbon hat ein sehr großes Potential für den Bau sehr leichter und dennoch steifer und fester Bauteile. Wenn die – nach unserer Meinung zu einfache – Formel „minimales Gewicht bei höchster Steifigkeit“, also die Maximierung des STW-Werts das wichtigste Ziel eines Rahmenkonstrukteurs oder auch eines Radsportlers auf der Suche nach einem neuen Fahrrad ist, führt kein Weg an Carbon vorbei.
  • Teile aus Carbonfaserwerkstoff verfügen typischerweise über eine gute inherente Fähigkeit zur Vibrationsdämpfung, die aber nicht mit dem Federungsvermögen gleichgesetzt werden darf. Die gute Vibrationsdämpfung ist nicht durch die Faserstruktur an sich bedingt, sondern durch den Aufbau eines Carbonbauteils aus verschiedenen Schichten des Fasermaterials, die durch eine Kunststoffmatrix, meist ein Epoxidharz, miteinander verbunden werden. Bei der Übertragung der Schwingungsenergie von einer Faserschicht auf die nächste geht durch innere Reibung viel an Energie verloren, so dass die Schwingung stark gedämpft wird.
  • Inzwischen (Stand 2019) hat die Fahrradindustrie noch besser gelernt, das Potential von Carbon als Rahmenbauwerkstoff zu nutzen. Das macht sich vor allem dadurch bemerkbar, dass viele aktuelle Carbonrahmen einen deutlich besseren Fahrkomfort bieten, als das noch vor ein paar Jahren Standard war. Insbesondere durch deutlich tiefer am Sitzrohr ansetzende Sitzstreben kann eine deutlich höhere Nachgiebigkeit am Sattel erzielt werden. Und so ist dieses Konstruktionsmerkmal heute schon fast Standard.
    Diese Konstruktion lässt sich so nicht ohne weiteres auf Rahmen aus Metall übertragen, was einer der Gründe dafür ist, dass der Vorteil, den insbesondere Titanrahmen lange Zeit gegenüber Carbonrahmen in Bezug auf den Fahrkomfort hatten, so pauschal heute nicht mehr existiert. Es gibt inzwischen einige Carbonrahmen, die es in Sachen Komfort locker mit den besten Titanrahmen aufnehmen können.
  • Carbonfasern bieten beinahe unbegrenzte Möglichkeiten zur Gestaltung der äußeren Form eines Bauteils. Und damit auch zur Optimierung der aerodynamischen Form.
  • Die Carbonfasern selbst ermüden nicht. Bei sorgfältiger Behandlung kann ein durchdacht konstruierter und ebenso gefertigter Carbonrahmen eine sehr lange Lebensdauer erreichen. Doch selbst bei Carbonrahmen, die von Stürzen oder jeglichen Unfällen und Umfallern verschont bleiben, sind es oft jedoch nicht Schäden an der eigentlichen Carbonstruktur, welche ihre Lebensdauer beenden, sondern Probleme an Teilen wie den Ausfallenden, dem Tretlagergehäuse, Zuganschlägen oder Umwerfermontagesockeln.

Nachteile von Carbon bei der Verwendung im Rahmenbau:

  • Carbon ist spröde. Eine Carbonfaser hat keinerlei Verformungsreserve, wie sie die meisten metallischen Konstruktionswerkstoffe haben. Ein Bauteil aus Carbon hält einer Überlast also entweder stand, oder es reißt irgendwo. Eine kleine plastische Verformung, die beispielsweise bei einem Aluminiumrahmen eine Beule im Rohr bedeutet, den Rahmen damit aber nicht unbrauchbar werden lässt, gibt es bei Carbon nicht. Wenn das Material überlastet wird, reißt zumindest eine Faserlage, meist aber mehrere ein. Das Bauteil büßt dadurch deutlich an Festigkeit ein und sollte keinesfalls weiter benutzt werden.
  • Strukturelle Schäden an Carbonbauteilen sind oft nur mit sehr aufwändigen und damit teuren Methoden festzustellen, wenn man den Rahmen dabei nicht zerstören möchte. Der mehrlagige Aufbau bringt es mit sich, dass eine oder mehrere Lagen bereits gerissen sein können und dieses Laminat aus zum Teil dreißig und mehr Schichten begonnen hat, sich zu delaminieren, ohne dass man an der Oberfläche davon etwas sehen muss. Bleibt ein solcher Überlastschaden unentdeckt, kann es sein, dass das Bauteil bei der nächsten Überlast plötzlich versagt.
  • Einen Carbonrahmen sollten Sie daher, auch wenn er als stabil gilt, weil er im Labor Langzeitbelastungstests mit Bravour bestanden hat, sehr pfleglich behandeln. Sie sollten die Bedienungsanleitung unbedingt beherzigen und müssen darauf vorbereitet sein, den Rahmen nach einem Sturz im Interesse Ihrer Sicherheit austauschen zu müssen, auch wenn Sie ihm keinen Schaden ansehen. Aus diesem Grund sollten Sie einen gebrauchten Carbonrahmen bzw. ein Rad mit Carbonrahmen auch nur von einem Vorbesitzer kaufen, dem sie uneingeschränkt vertrauen. Ansonsten kaufen Sie die sprichwörtliche Katze im Sack.
  • Oftmals gibt es keine über die gesetzlich vorgeschriebene Frist hinaus gehende Garantiezeit.
  • Carbonrahmen in der heute üblichen Bauweise bestehen oft mehr aus mehr als 300 Fasergewebezuschnitten. Diese müssen von Hand an genau der richtigen Stelle und in der richtigen Ausrichtung in einer Form platziert werden, in der dieses Patchwork dann zu einem Rahmen gebacken wird. Diese Arbeit ist als Ganzes betrachtet hochkomplex und sehr arbeitsintensiv. Sie wird wegen dieses hohen Anteils an Handarbeit fast ausschließlich in Niedriglohnländern Asiens von angelernten Arbeitskräften durchgeführt. Von kleinen Manufakturen abgesehen, werden nur sehr teure Carbonrahmen noch in entwickelten Ländern mit höheren Lohnniveaus wie beispielsweise Taiwan produziert.
    Es darf angesichts dieser Umstände nicht verwundern, dass die Serienstreuung hinsichtlich der Qualität der Rahmen zum Teil sehr groß sein kann, so dass man bei einem so sicherheitsrelevanten Bauteil streng genommen eine 100%-Kontrolle durchführen müsste. Doch diese könnte man an den fertigen Rahmen nur mit sehr aufwändigen Prozessen durchführen, um eventuellen Abweichungen vom geforderten Standard zu ermitteln. Aus Kosten- und Zeitgründen unterbleibt eine solche 100%-Kontrolle daher, bestenfalls werden Stichproben kontrolliert.
    Übrigens sind im Vergleich zu einem Rahmen Bauteile wie Gabeln, Lenker und Sattelstützen sehr viel einfacher und mit deutlich geringerer Serienstreuung aus Carbon zu fertigen und werden auch mit deutlich höheren Sicherheitsreserven ausgestattet. Beispielsweise bietet ein Carbonlenker gegenüber einem aus Aluminium zwar durchaus einen Gewichtsvorteil, doch dieser fällt prozentual keineswegs so groß aus, wie das im Vergleich von gängigen Carbon- zu Aluminiumrahmen der Fall ist. Insbesondere Carbonlenker, zumindest die renommierter Hersteller, haben sich in ihrer Qualität in den letzten Jahren enorm verbessert und sind Aluminiumlenkern heute in jeder Hinsicht überlegen, auch und insbesondere bei der Lebensdauer.
  • Warum werden Carbonrahmen eigentlich nicht wie manche aus Carbon gefertigte Bauteile im Motorsport durch entsprechenden Materialeinsatz so stabil gebaut, dass sie jeder möglichen Belastung eines Fahrradrahmens locker standhalten? Das könnte man fraglos machen, und im Mountainbike-Downhill-Sport wird das zum Teil auch schon gemacht. Doch während beim Cockpit eines Formel-1-Autos oder einem Downhill-Mountainbike das Gewicht eine untergeordnete Rolle spielt und es sogar wünschenswert ist, dass die Konstruktion eine maximale Steifigkeit erzielt, sind die Anforderungen an einen modernen Rennrad- oder Gravelbikerahmen diametral verschieden. Diese sollen so leicht wie möglich sein und so viel Fahrkomfort wie möglich bieten. Ein Rahmen, der diesen Ansprüchen genügt, kann erfahrungsgemäß nicht gleichzeitig so ausgelegt werden, dass er beispielsweise den Einschlag eines vom Vorderrad aufgeschleuderten Steins von der Größe einer Pflaume, wie er beim Gravelbike- oder Mountainbikeeinsatz durchaus häufiger vorkommt,  schadlos übersteht. Ein solcher Einschlag wird fast immer einen bleibenden Schaden im Carbon-Unterrohr hinterlassen, der von einem darauf spezialisierten Betrieb in Augenschein genommen und repariert werden sollte.
  • Auch wenn die Kräfte, denen ein Carbonrahmen im Betrieb ausgesetzt wird, hauptsächlich von den Faserlagen aufgenommen und weitergeleitet werden, so ist es doch die Kunststoffmatrix aus ausgehärtetem Epoxidharz, welche diese Faserlagen an Ort und Stelle hält. Dieser Kunststoff ist gegenüber manchen Umwelteinflüssen wie UV-Strahlen oder dem Kontakt mit Säuren (Schweiß) keineswegs immun, sondern muss vor allem durch den Lack dagegen geschützt werden. Wird dieser Harz allmählich zersetzt, so delaminiert das Bauteil, – die Faserlagen trennen sich voneinander – und büßt viel von seiner Festigkeit ein. In aller Regel ist diese allmähliche Zersetzung jedoch nicht der Prozess, der die Lebensdauer eines Carbonrahmens tatsächlich beendet. Denn meistens sind vorher schon Schäden aufgetreten, die auf Steinschlag, Stürze, Unfälle oder Umfallen des Rades zurückzuführen sind. Oder der Nutzer ist der Versuchung erlegen, sich einen neuen Carbonrahmen zu kaufen.
  • Carbonrahmen können nicht recycled werden. Denn einmal ausgehärtet lässt sich der Verbund aus Carbonfasern und Epoxidharz nicht mehr trennen. Bestenfalls werden Carbonbauteile in speziellen Anlagen geschreddert und die so entstehenden Bruchstücke als Füllstoffe zum Beispiel für den Straßenbau verwendet. Meistens jedoch werden Carbonbauteile eher weniger sachgerechnet entsorgt. Denn eigentlich ist das Sondermüll. Doch dessen fachgerechte Entsorgung ist teuer.

Titan

Die ersten in Serie produzierten Titanrahmen entstanden Anfang der 80er Jahre aus Rohren, die für Hydraulikleitungen in Flugzeugen produziert wurden. Diese Rahmen begeisterten ihre Fahrer mit einem bis dahin unbekannten Fahrkomfort und deutlich geringerem Gewicht gegenüber den damals üblichen Stahlrahmen. Optimal zum Tragen kamen die Eigenschaften des Materials aber erst, als speziell für den Rahmenbau hergestellte Rohre verwendet wurden. Die aufwändige Gewinnung des Rohstoffs, die komplizierte Weiterverarbeitung und die dadurch hervorgerufenen höheren Preise gegenüber Rahmen aus anderen Materialien begrenzten jedoch, trotz aller Vorzüge, die Verbreitung der Titanrahmen

  • Das Rohmaterial

    Die im Rahmenbau bevorzugte Titanlegierung ist TiAl3V2.5. Diese Bezeichnung drückt aus, dass dem Rohtitan 3% Aluminium und 2,5% Vanadium zugesetzt werden, unter anderem um die Festigkeit zu erhöhen. Nur eine Nebenrolle spielt die härtere, sehr viel schwieriger zu verarbeitende Sorte TiAl6V4. Einige Hersteller verwenden diese für die hoch belasteten Ausfallenden. Es werden aber auch Rohre aus 6/4er Material in teuren Rahmenmodellen verbaut.

  • Steifigkeit

    Aus den Anfängen des Titanrahmenbaus hat sich bis heute die verallgemeinerte „Erkenntnis“ gehalten, dass Titanrahmen zwangsläufig weich, sprich wenig steif, und damit für den ernsthaften Einsatz trittkräftiger Radsportler suboptimal geeignet seien. Die fühl-und auch messbare „Weichheit“ mancher Titanrahmen der 80er Jahre lag jedoch darin begründet, daß sich die Hersteller mit den Rohren begnügen mussten, die als Hydraulikrohre für Flugzeuge produziert wurden. Die Anforderungen an ein Hydraulikrohr sind aber komplett anders als die, die an ein Rahmenrohr gestellt werden.
    In den 90er Jahren gingen dann alle renommierten Hersteller dazu über, speziell für Fahrradrahmen gefertigte Titanrohre zu verwenden. Mittlerweile ist ein breit gefächertes Spektrum an Rohren unterschiedlicher Durchmesser, zum Teil mit variablen Wandstärken verfügbar. Viele Hersteller modifizieren diese Rohre noch durch Ovalisieren, Konifizieren oder indem sie einzelnen Rohren des Rahmens eine ganz spezielle Form geben, um sie den Belastungen noch besser anzupassen.
    Aus diesem Grund lassen sich heute Titanrahmen jeder gewünschten Charakteristik bauen, seien es extrem leichte Rahmen wie der Litespeed Ghisallo, der sogar das Gewicht der leichtesten Carbon-Serienrahmen unterbietet, aber auch betont komfortable oder extrem steife Rahmen für schwere Fahrer.

  • Komfort

    Jeder, oder sollten wir sagen nahezu jeder, der schon mal einen Titanrahmen gefahren hat, wird aus eigener Erfahrung bestätigen, dass dieser gegenüber anderen Rennradrahmen einen besseren Komforteindruck auf Straßen vermittelt, die keine perfekte Oberfläche aufweisen. Um das zu erfahren braucht man eigentlich keine Messgeräte.

    Fahrkomfort ist ein hochgradig dynamisches „Phänomen“, für dessen Quantifizierung die von der Fachpresse in Tests verwendete statische Messung einer Federsteifigkeit nur unzureichend sein kann. Für die Absorption von Stoßenergie spielt eben nicht nur die Federsteifigkeit eine Rolle, sondern in mindestens ebensolchem Maße die Dämpfung. Denn erst durch diese innere Reibung wird Energie wirklich abgebaut. Und diese Dämpfung fällt bei Titan im Vergleich zu anderen Metallen besonders hoch aus. Aus diesem Material lassen sich daher nicht nur Rahmen bauen, die gewollt und in der gewünschten Richtung flexen,sondern auch solche, die Schwingungen schnell abklingen lassen.

  • Langlebigkeit

    Eine Eigenschaft von Titanlegierungen ist die Kombination aus hoher Festigkeit zu niedrigem
    Elastizitätsmodul. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Titanrahmen einen Sturz oder eine andere Misshandlung viel wahrscheinlicher unbeschadet übersteht als ein Rahmen aus jedem anderen Material. Selbst bei sehr leichten Titanrahmen ist daher die Gefahr, eine Beule oder gar einen Riss ins Rohr zu drücken, deutlich geringer als bei Aluminiumrahmen vergleichbaren Gewichts oder Carbonrahmen.

    Ebenso beeindruckend ist die chemische Resistenz des Materials. Vergessen Sie Korrosion, hervorgerufen durch das Fahren auf mit Salz gestreuten Straßen oder im Winter auf der Rolle, wo literweise Schweiß auf den Rahmen tropft. Beides ist übrigens nicht nur für Aluminium-sondern auch für Carbonrahmen schädlich. Die sollten Sie nach winterlichem Straßen- oder Rollentraining stets waschen.

    Auch hinsichtlich der Materialermüdung liegen mit den im Rahmenbau verwendeten Titanlegierungen nur beste Erfahrungen vor, so dass die meisten Hersteller dem Erstbesitzer eine lebenslange Garantie gewähren.

 

Fazit des Materialvergleichs

Die Wahl des Materials für Ihren Fahrrad Rahmen hängt davon ab, welche Prioritäten Sie
setzen. Wenn Sie einen besonders günstigen Rahmen suchen, wird Ihre Wahl auf einen
Aluminiumrahmen fallen. Wollen Sie hingegen vor allem einen superleichten Rahmen mit dennoch exorbitanter Steifigkeit, dann kommen Sie an einem Carbonrahmen nicht vorbei.

Doch für alle Radsportler, die ihre oberste Priorität weder auf den Anschaffungspreis noch auf maximale Steifigkeit setzen, ist Titan unserer Meinung nach wie vor das beste Rahmenmaterial. Das gilt erst recht, wenn Sie einen optimal auf Sie abgestimmten Rahmen, einen Maßrahmen, haben wollen. Denn die Möglichkeiten zur technischen wie optischen Individualisierung sind nirgends so groß wie bei Rahmen aus diesem Werkstoff. Und vor dem Hintergrund der lebenslangen Garantie auf Material- und Verarbeitungsfehler und des Werterhalts relativiert sich auch der Anschaffungspreis.

Bei all diesen Vorzügen stellt sich natürlich die Frage, warum man speziell im deutschsprachigen Raum nicht häufiger Titanräder auf der Straße sieht.

Ein Grund hierfür ist sicherlich die praxisfremde Behandlung des Themas durch die Fachpresse mit ihrem Fokus auf maximale STW-Werte. Oft wird die Meinung vermittelt, Titanrahmen seien zu weich und daher nur etwas für Fahrkünstler oder echte „Titan-Maniacs“, die darin mehr ein Schmuckstück als eine echte Fahrmaschine sehen.

Zudem wird kein namhaftes Profiteam von einem Titanhersteller ausgerüstet, weil die Kosten des Sponsorings eines Profiteams die Etats der kleinen Hersteller bei weitem übersteigen. Damit entfällt eine geeignete werbewirksame Maßnahme, um nachzuweisen, dass man auch auf der höchsten Ebene des Sports mit einem Titanrahmen gegen Gegner bestehen kann, welche Carbonrahmen fahren.

Warum sollte sich also der Fachhandel mit einem beratungsintensiven, von den Medien nicht gepushten, zudem auch noch zeitlosen und äußerst langlebigen Produkt belasten?

Der Fahrkomfort, die Widerstandsfähigkeit und die Langlebigkeit des Materials sowie die Möglichkeiten zur technischen und optischen Individualisierung haben uns von MILES hingegen überzeugt. Seit mehr als 20 Jahren verfolgen wir die Entwicklung der Titan-Rahmen und deren Einsatz im Radsport. Für uns ist der Werkstoff Titan in der Summe der Eigenschaften die beste Wahl für einen Rennrahmen.

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