• Lotz Carbon Von der Faser zum Fahrrad – Teil XV

    Geschrieben von: Julian Lotz
    Dienstag, den 01. November 2011 um 00:14 Uhr

     

    So, und weiter geht’s mit dem Übungsrad. Letzte Woche habe ich ja ein bsischen was zum Grundsätzlichen geschrieben. Diese Woche sage ich noch einmal ein bisschen was zu den Rohren.

    Die Schaumkerne hierzu habe ich aus ganz gewöhnlichem Styrodur hergestellt, in Form gebracht habe ich es mit einer Schablone, die ich aus einem Holzbrett gefertigt habe. In diesem Negativprofil habe ich dann Schleifleinen-Streifen der Körnung 180 mit kleinen Nägeln befestigt. Damit kann man dann so lange über den Styrodurrohling gehen, bis man das Profil eingestellt hat. Für das Oberrohr habe ich Viertelrundstäbe aus Holz verwendet, die mit Folie umwickelt waren. Diese lassen sich besser entformen als z.B. ein Aluminiumrohr. Gerade bei flachen Faserwinkeln kann man sonst ziemliche Probleme beim Entformen bekommen, weil das Laminat auf den Kern aufschrumpft. Die Holzviertelrundstäbe haben den Vorteil, dass man nur einen einzigen lösen muss, die anderen fallen dann ja von selbst heraus.

    Im Anschluss werden diese Kerne dann mit Druckluft gereinigt, gut abbürsten tut es aber sicher auch, sollte man keinen Kompressor zu Hand haben. Es sollte später eben möglichst kein Styrodurstaub ins Laminat kommen. Wenn der Kern fertig ist, geht es also ans Laminieren. Wie schon beschrieben kann man hier sehr gut mit langen UD-Streifen arbeiten. Diese werden entweder so zugeschnitten, dass die Breite des Streifens dem Umfang des Kernes entspricht, und die Fasern parallel zur langen Seite liegen. Das werden dann die 0°-Schichten. Sie braucht man hauptsächlich um Zug, Druck oder Biegung (jedenfalls die aus der Biegung resultierenden Zug- und Druckspannungen) aufzufangen. Die Schublagen sind als AWV45 (ausgeglichener Winkelverbund, also eine Schicht mit einem Winkel von in diesem Falle +45°, und eine gleich dicke Schicht identischer Fasern mit Orientierung -45°) ausgeführt. Diese Schichten sind notwendig, um Torsion (also Verdrehung) und Scherung für das Laminat ertragbar zu machen. Hier tangiert man übrigens die Wickeltechnik (in der z.B. die Rohre der Spin-Rahmen gefertigt sind). Wer sich einmal anschauen möchte, wie man denn solche Rohre professionell wickelt, dem sei dieses Video empfohlen: Link.

     

    An dieser Stelle möchte ich einen kurzen Einschub für die Bastler bereitstellen:

    Man muss sich zunächst entscheiden, ob man mit einem einzigen UD-Band arbeiten will, oder mit mehreren. Wenn man das UD-Band aus Gelege selbt herstellt, bietet sich an, nur mit einem einzigen Band in einem einzigen Durchgang eine deckende Schicht zu wickeln. Bei einem Rundrohr nimmt die Teilungszahl (sie beschreibt, wie viele Bänder man benötigt, um den Kern vollständig zu bedecken) dann den Wert 1 an. Das ist im Bild unten in Fall a) gezeigt. In b) sehen wir die Teilungszahl 5.

    Teilung - Links Teilungszahl 1, rechts Teilungszahl 5.

    Teilung – Links Teilungszahl 1, rechts Teilungszahl 5.

     

    Für die Bastler unter den Lesern, die auch einmal so ein Rohr herstellen wollen, sei noch die Formel, nach der sich die Breite des Bandes berechnet angegeben. Die Breite b ergibt sich bei Teilung n durch den Wickelwinkel Alpha und den Umfang U des Profils (beim Kreisrohr ist das Pi*Durchmesser).

    Teilung

    Die dazugehörige Zeichnung sieht folgendermaßen aus (entschuldigt das Kugelschreibergekritzel, aber für tolle AI oder Corel Draw-Zeichnungen habe ich gerade keine Zeit 😉 ):

    Teilung 2

    Natürlich kann man diese Berechnung noch verfeinern, indem man beachtet, dass der Umfang größer wird, je mehr Lagen bereits auf dem Kern abgelegt sind, oder wenn man nicht nur mit Streifen in eine Richtung wickelt, sondern wie auf einer Wickelmaschine hin und her wickelt. Dann kommen noch zwei weitere Bedingungen hinzu, um ein ordentliches Ergebnis erzielen zu können. Darauf sei aber hier nicht eingegangen, das würde die meisten Leser wohl doch eher langweilen ;-).

     


     

    Wie das dann beim Ablegen aussah konnte ich leider nicht fotografieren, mit dem ganzen Harz an den Händen macht man sich sonst die Kamera unbrauchbar. Wenn das Laminat dann auf den Kern aufgebracht ist, habe ich einen Schrumpfschlauch darüber gezogen, mit dem wird das Laminat dann verpresst. In den Schrumpfschlauch sticht man mit einer Nadel günstigerweise noch etliche Löcher, damit überschüssiges Harz und Luft entweichen können. Ein Foto davon mache ich noch am Wochenende, die, die ich bereits gemacht habe, sind leider nix geworden.

    Wenn alle UD-Schichten aufgebracht, geschrumpfschlaucht und gehärtet sind, kommt der Schrumpfschlauch wieder runter, das Rohr wird geschliffen, ggf. mit eingedicktem Epoxydharz gespachtelt, falls irgendwo notwendig, und dann kommt ein Kohlenstofffaserflechtschlauch als Abschlusslage darauf. Der wird dann getränkt und ebenfalls wieder mit Schrumpfschlauch komprimiert. Wie so ein Flechtschlauch aussieht, und wie das UD-Gelege aussieht, kann man sich auf dem nächsten Bild verdeutlichen:

     

    Halbzeuge

    Links unten der Flechtschlauch, rechts oben das UD-Gelege.

     

    Die jetzt mit der abschließenden Schicht versehenen Rohre werden dann noch einmal geschliffen und mit Harz eingestrichen, um eine glatte Oberfläche zu bekommen. Danach können sie noch einmal geschliffen und dann lackiert werden. Die verschiedenen Stadien der Bearbeitung sieht man ganz gut hier:

     

    Rohre

    Von oben: Gabel, Unterrohr, Sitzstreben, Kettenstreben, Oberrohr, Tretlagerhülse, Sitzrohr.

     

    Das Unterrohr ist noch nicht mit der Deckschicht versehen (und durch die Verwendung von Schrumpfband leider ziemlich uneben, das bedeutet also noch einige Arbeit im Finish). Diese ist beim Oberrohr schon aufgebracht, aber die Glattheit ist noch nicht überall zufriedenstellend. Das Sitzrohr unten ist bereits geschliffen und noch einmal mit Epoxydharz behandelt, es muss nur noch ein mal abschließend geschliffen werden.

    Dann möchte ich jetzt an dieser Stelle noch kurz ein paar Worte zu den notwendigen Faserrichtungen machen: Wie oben schon gesagt, braucht man überwiegend Fasern entlang des Rohres (0°) und unter +-45°. Bezüglich der Fasermengen schwanken die Verhältnisse in den einzelnen Rohren zwischen ungefähr 1:2 und 2:1. Im Sitzrohr kann man aber auch gut mit flacheren Wickelwinkeln arbeiten, also im Bereich +-15°-+-30°, je nach Laminatgestaltung. Um den Selbstbauern aber mal einen Anhaltspunkt zu geben: Über das Unterrohr und das Oberrohr wird jeweils viel Torsion abgesetzt, besonders über das Unterrohr. Das Sitzrohr bekommt hauptsächlich Biegung ab. Das Steuerrohr ist ein Fall für sich, wegen der Lager und Krafteinleitungen, hier kann man im Grunde erstmal ein sogenanntes Flugzeugbaulaminat spendieren, also mit Fasern in 0°, 90° und +-45°. Der Hinterbau bekommt teils recht komplexe beanspruchungen ab, hier sollte einfach ausreichend Material in 0° und +-45° vorhanden sein, wenn man nicht genauer per FE-Analyse dimensioniert hat.

    Generell kann man in Krafteinleitungen, Klemmbereichen und an Knotenpunkten durchaus das angesprochene Flugzeuglaminat verwenden. Die Beanspruchungen sind hier teilweise ziemlich komplex, da verliert man gar nicht mal so viel Leichtbaupotential, bleibt aber auf der gutmütigen Seite. Wie man solche Knotenpunkte aber genau ausführt, das zeige ich wohl in 2-4 Wochen irgendwann im Detail.

    Dieses Wochenende beschäftige ich mich ein wenig mit dem Steuerrohr, außerdem werden die anderen Rahmenrohre soweit fertig gemacht, dass ich sie langsam für das zusammenkleben vorbereiten kann.

    Bis dahin noch eine kurze Frage. Ich habe derzeit zwei Gabeln da, die in Frage kommen. Eine klassische Time-Gabel, 1″-Stahlschaft, 531g mit der jetzigen Schaftlänge, absolut ausreichend steif, müsste am Gabelkopf aber noch ein bisschen gespachtelt werden, für fließende Übergänge. Zudem hat sie das passende Finish, nämlich auch Flechtschlauch. Oder, als alternative, eine Ritchey Pro Carbon, 363g mit dem langen Schaft, nicht ganz passendes Finish, aber passenden Gabelkopf, und 1 1/8″-Schaft aus Carbon. Eine Easton EC90 SL mit geraden Gabelscheiden ist optisch sicher auch eine passende Alternative, aber da das Aerorad absolut Low Budget sein soll, müsste mir da schon ein Schnäppchen über den Weg laufen.

     

    Gabeln-front

    Seitenansicht der Gabeln.

    In der Aerodynamik sind beide Gabeln sicher nicht optimal, die Time hat vergleichsweise voluminöse Gabelscheiden, die aber schön elliptisch geformt sind, während die Ritchey zwar weniger Stirnfläche bietet, aber gerade in der oberen Hälfte richtig eckig ist, mit einer Kante genau in der Profilmitte – hier könnte die Strömung recht früh abreißen. Zu dieser Frage gibt es eine kleine Umfrage oben, ich habe zwar einen Favoriten, aber das Stimmungsbild in der Leserschaft interessiert mich trotzdem mal. Also, nehmt teil!

     

    Gabeln-Seite

    Frontalansicht der Gabeln.

     

     

    English summary:

    Today you will get a small description how I made the tubes. First I made a mandrel out of extruded polystyrene foam. To get a nice shape I made a matching template for the tube’s profile. I used a piece of wood and rasped the shape out of it. Then I attached some sand paper and sanded the polystyrene-beams until they had the shape I wanted for the tubes. It is important to clean the mandres properly, the strength of the lamina would suffer badly if there would be polystyrene dust getting into the resin. The top tube was made using some quadrant bars wrapped in thermoplastic foil. So it is very easy to get the mandrel out of the carbon tube after curing.

    The tubes were made with layups mostly consisting from fibres in axial direction and fibres under +-45°, so bending, tension, compression and torsion can be borne by the lamina. the seat tube got a +-20° instead of +-45°, in addition to the 0° direction. Areas where loads are applied often should get some fibres in the 90°-direction.

    So, basically I laminated the tubes out of unidirectional tape, the +-45° or +-20° are wound around the mandrel, so that there is no overlapping. After that the lamina is compressed by a heat shrink tube which I perforated, so air and resin could get out of the lamina. After curing the tubes they are sanded and cleaned, than the carbon fibre hose is applied as a final ply. That ply also gets compressed by a heat shrink tube. When that final layer is also cured, the tube can be sanded and fillered with epoxy to get a smooth surface.

    Fot this weekend I plan to getting the work on the tubes done, also producing the head tube. In the meantime you are having the possibility to vote about two alternative forks. One is an old Time fork, steel steerer, 1″, good stiffness, 531g at the moment, with perfectly matching finish. This fork would have to get smoothened at its crown, to get a nice transistion to the head tube. The other fork is a Ritchey Pro Carbon, 363g, 1 1/8″, not exactly matching finish. Considering aerodynamics, both forks are not the best, I suppose. The Ritchey has a smaller front surface, but its profile is not that good on the upper half. The time has probably the more aerodynamic profile, but the larger front surface. I have a secret favourite, but I’d like to hear your opinion about that. An Easton EC 90 SL straight would also be nice, but due to the fact that this track/TT-bike is a low cost thing, that would have to be a great bargain.

    Categories: Allgemein, Lotz Carbon

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