Aluminium ist eines der meist verbauten Materialien für Fahrradrahmen. Es ist leicht, steif und sehr kostengünstig in der Fertigung. Aluminium hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Es ist ein sicherer und “gutmütiger” Werkstoff, zusätzlich können Aluminiumfahrräder einfach recycelt werden.
Der Rahmen eines Fahrrads ist von entscheidender Bedeutung. Er bestimmt die Steifigkeit und Stabilität – kurz die Fahreigenschaften des Rades. Grovel, Downhill, Rennsport oder Reisefahrrad – Fahrradrahmen aus Aluminium decken alles ab.
Durch Strangpressen lassen sich aus Aluminium-Knetlegierungen Profile für Aluminium Fahrradrahmen in außerordentlich vielfältiger Gestalt herstellen.
Eigenschaften des Werkstoffs Aluminium
Aluminium ist ein Leichtmetall. Leichtmetalle sind Metalle und Legierungen mit einer Dichte unter 5 Gramm pro Kubikzentimeter. Das spezifische Gewicht von Aluminium ist deutlich geringer als z. B. Stahl. Aluminium hat eine hohe Bruchdehnung von ca. 50 %. Ein Aluminiumstab von 80 mm Länge bricht erst bei einer Verlängerung um 40 mm (0,50 %). Die Zugfestigkeit von Aluminium ist gering. Das Leichtmetall kann eine maximale Zugspannung von 40-60 MPa (Megapascal) aushalten.
Aluminium hat eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, ähnlich wie nichtrostende Stähle. Es bildet eine oxidische Deckschicht aus, die das Metall an Luft oder in wässrigen Lösungen überzieht. Wird die Schicht beschädigt, erfolgt sofort durch Oxidation eine selbstständige Ausheilung. Unbeständig ist Aluminium in erster Linie gegen konzentrierte alkalische Lösungen.
Wie kommt Stabilität in den Aluminium Fahrradrahmen?
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Wie entsteht aus dem weichen Aluminium ein stabiles Bike?
Die Legierung
Bikes werden nicht aus Aluminium, sondern aus Aluminiumlegierungen gefertigt. Aluminium kommt als Konstruktionswerkstoff nur in Betracht, wenn die Festigkeit über eine Legierungsbildung entscheidend erhöht wird. Man unterscheidet bei Aluminium zwischen Knet- und Gusslegierungen. Knetlegierungen besitzen eine hohe Duktilität. Sie eignen sich für das Walzen, Pressen, Ziehen und Schmieden und kommen bei Fahrrädern zum Einsatz.
Legierungselemente
Die wichtigsten Legierungselemente in Aluminiumwerkstoffen sind Magnesium, Silizium, Zink und Kupfer. Bereits bei geringen Mengen von Magnesium in einer Legierung steigt die Festigkeit (Mischkristallbildung) bis auf 130 MPa. Legierungen werden in 1000er Serien eingeteilt. 5000er Legierungen enthalten Mangan, 6000er Legierungen enthalten Magnesium und Silizium. Die 7000er Serien enthalten Zink. Die Serien haben unterschiedliche Eigenschaften. Eine 5000er Legierung (wie AIMg4,5 Mn – Aluminium mit Magnesium und Mangan) ist gut schweißbar. Eine 6000er Legierung ist charakteristischerweise etwas weicher, die 7000er Serie ist steifer und robuster.
Bei aushärtbaren Legierungen (Ausscheidungshärten) lässt sich die Zugfestigkeit auf über 300 MPa anheben. Aushärtbare Legierungen haben den Vorteil, dass ihre Bearbeitung im weichen Zustand stattfinden kann. Die Härte und Festigkeitssteigerung erfolgt anschließend über Ausscheidungshärtung. Für Fahrradrahmen nimmt man eine aushärtbare Aluminium-Knetlegierung.
Die Ausscheidungshärtung
Aushärtbare Legierungen sind Systeme mit mindestens zwei Legierungselementen (z. B. Aluminium / Magnesium oder Aluminium / Zink). Das Aushärten erfolgt in mehreren Schritten.
- Lösungsglühen. Mehrere Stunden erfolgt eine Erwärmung auf Temperaturen um die 520 Grad Celsius. Die zur Aushärtung führenden Legierungselemente werden im Mischkristall gelöst.
- Abschrecken. Die Abkühlung aus dem homogenen Mischkristall erfolgt so schnell, dass die Legierungsbestandteile in übersättigter Lösung bleiben. In diesem Zustand sind die Legierungen noch weich und verformbar.
- Die Auslagerung bzw. Aushärtung. Das Werkstück bleibt eine bestimmte Zeit (Haltezeiten 4 Stunden bis 3 Tage) bei konstanter Haltungstemperatur (125 bis 175 °C).Hierbei tritt eine gezielte Entmischung ein. Die feindispers in der Matrix eingelagerte Phase erschwert die Versetzungsbewegung.
- Unter Verlust der Plastizität (Formbarkeit) steigt Härte und Festigkeit an. Streckgrenzen und Zugfestigkeit können durch das Ausscheidungshärten bei Aluminiumlegierungen enorm gesteigert werden.
Die Konstruktion
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Eine weitere Möglichkeit die Festigkeit eines Aluminiumrahmens zu verbessern,läuft über die Konstruktion. Der Rahmen darf sich nicht biegen, sonst bricht er. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Steifigkeit zu erhöhen.
Die Wandstärke
Die Festigkeit steigt linear mit der Wandstärke an. Doppelte Wandstärke bedeutet doppelte Festigkeit. Hauptsächlich in Asien würden neue Verfahren der Aluminiumbehandlung entwickelt, wie das Hydroformen. Die Aluminiumrohre müssen keinen einheitlichen Durchmesser mehr haben. Mit dieser Technik kann die Wand eines einzelnen Rohrs an verschiedenen Stellen unterschiedlich dick sein.
Teile des Fahrrads sind weniger als einen Millimeter breit, andere Teile sind deutlich stabiler. Der Alu-Rahmen behält an einigen Stellen seine Weichheit, an einigen Punkten ist er sehr steif – z. B der Pedalbereich oder der Lenker.
Der Querschnitt
Die Festigkeit steigt quadratisch mit der Wandstärke an. Doppelter Querschnitt bedeutet vierfache Steifigkeit, deshalb haben Aluminiumrahmen große Querschnitte. Durch Veränderungen des Querschnitts des Rohrs verändert man seine Eigenschaften. Klassische Knotenpunkte sind Steuerrohr und Tretlagerbereich. Das Steuerrohr kann konisch auseinandergehen, so wird es im unteren Bereich steifer. Das Oberrohr fängt mit einem größeren Querschnitt an und läuft zum Sitzrohr konisch zu. Eine Sattelstütze aus Alu kann unten und oben verstärkt werden, dort herrscht das Biegemoment auf der Stütze. Gleichzeitig wird das Gewicht des Rahmens minimal gehalten.
Ein guter Rahmen
Auch bei Aluminium gibt es Qualitätsunterschiede. Viel hängt von Material, Design und Entwicklung ab. Die Qualität der Schweißprozesse ist wichtig oder Art und Umfang der Nachbehandlungen. Günstige Alurahmen haben viele Schweißnähte z. B. an der Kettenstrebe oder im Steuerkopfbereich. Sehr hochwertige Rahmen haben verkittete Schweißnähte.
Sicherheit
Aluminium verformt sich, bevor es bricht. Mit einer Delle im Rahmen können Sie problemlos weiterfahren. Sogar einen Riss wird Ihnen ein Metallbetrieb schweißen. Lassen Sie dann aber einen Experten das Rad begutachten. Aluminium kann, im Gegensatz zu Carbon, festgeklemmt werden, ohne zu beschädigen (z. B. im Fahrradständer). Einen Riss können Sie gut erkennen.
Vorteile gegenüber Carbon
Carbon kann sich nicht verbiegen und bricht direkt. Fehlerstellen lassen sich sehr schwer oder gar nicht erkennen. Steinschläge können gefährlich werden. Die Bruchstellen sind scharfkantig wie ein Messer und bergen ein hohes Verletzungsrisiko. Die Faserrichtung der Carbonfaser darf nicht geklemmt werden (Befestigung am Fahrradträger), sonst geht der Rahmen kaputt. Einen beschädigten Carbonrahmen kann man fast nicht reparieren. Recycling ist nicht möglich, Carbon ist Sondermüll.
Nachteile eines Fahrradrahmens aus Aluminium
Fahrer, die im Gravelsport oder im Cyclo-Cross ambitioniert und abseits befestigter Straßen unterwegs sind, brauchen mehr Fahrkomfort. Sie spüren die Schläge sehr hart, da der Untergrund direkt einwirkt. Oft wird deshalb ein Lenker oder eine Sattelstütze aus Carbon verbaut.
Carbon nimmt Vibrationen besser auf, dadurch wird das Fahrrad flexibler. Es ist generell stabiler als Aluminium und hält höheren Belastungen stand. Die Festigkeit muss im Verhältnis zur Beanspruchung stehen. Generell spielt die Verarbeitung eine größere Rolle als der Werkstoff. Jeder Aluminiumrahmen hat nur eine begrenzte Haltbarkeit. Das Metall ermüdet nach einiger Zeit, dann wird es unbrauchbar.
Die Lagerung des Aluminiums im Blechlager
Aluminium ist das Metall der Moderne. Der Bedarf steigt ständig z. B. in der Automobil-, der Solar- aber auch in der Fahrradindustrie. Aluminium wird platzsparend gelagert in hochmodernen, effizienten Blechlager. Die Paletten werden per Touchscreen vollautomatisch bedient. Die Kapazität ist beträchtlich. Bei einer Lagerhöhe von 8 m und einer Länge von 36,5 m können bis zu 1.000 Tonnen Aluminium gelagert werden.
