Igor Essling

Materialkunde: Rennrad-Rahmenmaterial im Vergleich

Technik Know-how: Rahmenmaterial Materialkunde: Rahmenmaterial im Vergleich

Der Rahmen ist das Herzstück eines Fahrrads – und beim Rahmenmaterial hat der Kunde die Qual der Wahl. Welche Vor- und Nachteile bieten die verschiedenen Werkstoffe?

Welches ist das beste Material für einen Rennradrahmen?

Die naheliegendste Frage. Wie so oft lautet die Antwort jedoch: Es kommt drauf an. Geht es "nur" um die Frage, welches Material die wichtigsten technischen Anforderungen an einen Rennradrahmen am besten erfüllt, lautet die Antwort kurz und bündig: Carbon. Je nachdem, wie und wo Sie Rennrad fahren, wie viel Geld Sie ausgeben und wo Sie kaufen möchten oder wie wichtig Ihnen die Ökobilanz des Rahmenmaterials ist, muss Carbon aber nicht zwingend auch für Sie die beste Lösung sein. Deshalb: Eine pauschale Antwort auf diese Frage gibt es nicht, entscheidend sind persönliche Vorlieben und Prioritäten.

Bengt Stiller
Aus Carbon gebacken oder aus Stahl-, Titan- oder AluRohren zusammengeschweißt? Bei Rennradrahmen geht beides. Im Bild: ein Stahlrahmen im Urzustand.

Kleine Geschichtsstunde: die wichtigsten Rahmenmaterialien im Wandel der Zeit

Stahl dominierte jahrzehntelang den Fahrradrahmenbau, Rennräder bildeten da keine Ausnahme. Schon die ersten Tour-de-France-Teilnehmer zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren auf Stahl unterwegs. Spätestens in den 1980er-Jahren begannen die Hersteller mit Alu, Titan und Kohlefaserverbundwerkstoffen (Carbon) zu experimentieren. Während sich Titan aufgrund des hohen Preises und der aufwendigen Verarbeitung im Massenmarkt nie durchsetzen konnte, wurde Stahl als Rahmenmaterial Nummer eins Mitte der 1990er-Jahre zunächst von Aluminium, dann von Carbon verdrängt.

Damit änderte sich auch radikal die Optik des Rennradrahmens: größere Rohrdurchmesser, teils futuristische Designs wurden möglich – erinnert sei an die Zeitfahrmaschinen von Miguel Indurain, Jan Ullrich und Bjarne Riis bei der Tour de France seit 1996. Spätestens mit dem CR1 von Scott 2003 – dem ersten Rennradrahmen, der unter 1000 Gramm wog – begann der bis heute andauernde Siegeszug von Carbon, begünstigt auch durch sinkende Preise aufgrund der Produktion in Fernost. Inzwischen bieten viele Hersteller Aluminium-Rennräder "nur noch" als preislich attraktive Alternative an, das Gros aktueller Rennradmodelle setzt auf Rahmen aus Carbon. Stahl und Titan erfreuen sich noch immer einer treuen Fangemeinde, das Angebot beschränkt sich jedoch weitgehend auf spezialisierte Anbieter und Maßrahmenbauer.

Welche Anforderungen muss das Rahmenmaterial erfüllen?

Leicht, steif, komfortabel, aerodynamisch – viele moderne Rennradrahmen werden vor allem mit Hinblick auf diese vier Kriterien entwickelt (vgl. auch Technik-Reportage Leichtbau in RB 01/21). Manche Modelle versuchen, alle diese Aspekte möglichst "gleichberechtigt" und bestmöglich abzudecken, andere setzen klare Schwerpunkte. Im direkten Vergleich der Rahmenmaterialien erfüllt Carbon die genannten Anforderungen am besten – insbesondere in puncto Aerodynamik, denn um strömungsgünstige Rohrquerschnitte formen zu können, bietet kein anderes Material vergleichbare Gestaltungsfreiheit.

Auch die übrigen, teils konkurrierenden Eigenschaften des Rahmens (Steifigkeiten, Gewicht, Komfort …) lassen sich in Carbon gezielt ausgestalten. Weitere Kriterien für das Material eines Rennradrahmens sind, wie viel es kostet, wie korrosionsbeständig es ist, wie robust es sich gegenüber unsachgemäßer Behandlung zeigt (z. B. Rempeleien, Stürze) und ob sich Schäden ggf. reparieren lassen. Welches Kriterium der Käufer letztlich wie stark gewichtet und womöglich als kaufentscheidend betrachtet, bleibt höchst individuell.

ROADBIKE-Magazin
Wie unterscheiden sich die Rahmenmaterialien? Eine Orientierung.

Wie unterscheiden sich die Materialeigenschaften?

Stahl, Aluminium und Titan gelten als isotrope Materialien – das bedeutet, sie weisen in alle Richtungen ein ähnliches Verhalten und somit vergleichbare Belastbarkeit auf. Ein Carbon-Rahmen hingegen besteht aus vielen einzelnen Fasern, die nur in eine Richtung zugfest sind. Man spricht hier von anisotropem Verhalten. Zur Veranschaulichung mag eine Kordel dienen: In Längsrichtung gespannt ist sie sehr stabil, in seitlicher Richtung bleibt sie beweglich. Rahmenrohre aus Carbon entstehen erst dadurch, dass viele Fasern als gewebte Matte oder unidirektionale Schichten mit Harz verklebt und "gebacken" werden.

Vorteile: Die anisotropen Fasern können bedarfsgerecht gelegt werden und bieten so zum Beispiel in eine Richtung höchsten Komfort, an anderer Stelle aber maximale Steifigkeit – und das bei nahezu frei wählbaren Rohrdesigns und unerreichtem Leichtgewicht. Im Gegensatz zu den meisten Metallen korrodiert Carbon zudem nicht. Dafür reagiert es deutlich empfindlicher auf Belastungen, für die es nicht vorgesehen ist.

Bestes Beispiel: Klemmt man einen Rennradrahmen (zu) fest in einen Werkzeugständer oder Dachgepäckträger, trägt ein Rohr aus Stahl, Alu oder Titan in der Regel keine Schäden davon, eine Beule im Metall ist meist unkritisch. Ein Carbon-Rohr jedoch kann brechen, zudem sind eventuelle Schäden in der Struktur von außen nicht immer sichtbar.

Daniel Geiger
Bedarfsgerecht gewickelt und gelegt: Carbon bietet als Rahmenmaterial extrem viel Gestaltungsspielraum.

Welches Material hat die beste Öko-Bilanz?

"Keiner der Rohstoffe für Carbon, Stahl, Aluminium oder Titan wird auf dem Biobauernhof geerntet", betont Marcus Schröder, Geschäftsführer des Prüfinstituts EFBE für mechanische Prüfungen an Fahrrädern und Komponenten. "Betrachtet man die gesamte Ökobilanz von der Gewinnung der Rohstoffe über die Weiterverarbeitung zum Rahmen-Grundmaterial sowie den eigentlichen Herstellungsprozess bis hin zur Recyclingfähigkeit und berücksichtigt dabei auch Energiebedarf, Transport, voraussichtliche Nutzungsdauer und Reparierbarkeit, schneidet Stahl mit ganz ordentlichem Abstand am besten ab.

Das liegt vor allem an der Recyclingfähigkeit." Als einziges der vier Rahmenmaterialien ist bei Stahl tatsächliches Recycling möglich, je nach Anwendung lässt sich Stahl bis zu 90 % wiederverwerten. Alle anderen Materialien lassen nur Downcycling zu, sprich: Die ursprüngliche Qualität des Materials wird nicht mehr erreicht, es kann nur noch anderweitig eingesetzt werden – gegebenenfalls müssen andere Rohstoffe neu hinzugegeben werden, um das Material wieder einsetzen zu können. "Insgesamt muss man aber sagen: Die Ökobilanz eines Fahrrads ist sehr gut", sagt Diplom-Ingenieur Schröder, "vor allem wenn man vergleicht, in welchen Mengen die Materialien in anderen Anwendungen genutzt werden."

Gibt es noch andere Rahmenmaterialien?

Carbon, Stahl, Alu und Titan sind Ihnen zu langweilig? Manche Rennräder basieren auf Rahmen aus Hanf, Bambus oder Holz. Das ist charmant, da Sie so aus der Masse herausstechen und auf einem Produkt sitzen, das aus einem nachwachsenden Rohstoff mit sehr guter Ökobilanz besteht. Zudem "belohnen" Sie ein Unternehmen für innovatives Denken.

In Verkaufszahlen gemessen fristen diese Materialien bislang allerdings – ähnlich wie etwa Rahmen aus Magnesium – ein absolutes Nischendasein. Relativ neu am Markt sind Rahmen(teile) aus dem 3-D-Drucker (etwa in Titan ausgeführt) – Langzeiterfahrungen stehen hierzu allerdings noch aus.

Felix Krakow
Exotisch, aber funktional: Rennrad auf Basis eines Rahmens aus Bambus.

Entscheidet nur der Rahmen über die Performance eines Rennrads?

Nein. Der Rahmen hat zwar eine herausragende Bedeutung, letztlich radelt man aber auf einem Gesamtsystem. Sprich: Ein extrem leichtgewichtiger Rahmen kann trotzdem in ein nur durchschnittliches Radgewicht münden, wenn schwere Anbauteile montiert sind – ein sehr aerodynamisches Carbon-Rahmen-Set kann in der Realität schlechter funktionieren als ein wenig windschlüpfiger Stahlrahmen, dessen Geometrie den Fahrer jedoch in eine extrem aerodynamische Sitzposition zwingt – und so weiter.

Material-Mythen vs. Fakten

Stahl ist komfortabel

Der Elastizitätsmodul, also der Material-Kennwert, der den Widerstand gegen Verformung beschreibt, ist bei Stahl eher hoch – zum Beispiel dreimal höher als bei Aluminium. Letztlich entscheidet aber die Form: Schlanke Stahlrohre flexen stärker, sind optisch aber nicht jedermanns Sache. Großvolumige Stahlrohre sind steifer, dafür aber auch schwerer – oder sie müssen dünnwandiger werden. Dem sind jedoch praktische Grenzen gesetzt: Irgendwann wird das Rohr einfach zu empfindlich und lässt sich mit den Fingern eindrücken.

Carbon ist bruchgefährdet und irreparabel

Bei Carbon sollte man tatsächlich noch stärker als bei Stahl, Titan und Aluminium darauf achten, es nur so zu belasten, wie es konstruktionsseitig vorgesehen ist. Das heißt zwar nicht, dass es zwingend beim kleinsten Umfaller irreparabel bricht – aber es ist empfindlicher. Drei Aspekte sollten jedoch Mut machen: Belastungsgerecht genutzt, ist Carbon extrem ermüdungsresistent. Es korrodiert nicht. Und entgegen landläufiger Meinung kann man Carbon auch recht gut reparieren – mehrere Anbieter haben sich darauf mit Schwerpunkt Fahrradrahmen spezialisiert, zum Beispiel

Daniel Geiger
Eine Form (Mold) für einen Carbonrahmen.

Titan hält ewig

Titan ist sehr korrosionsbeständig, fast so fest wie Stahl – und es überzeugt, ähnlich wie Stahl, durch seine (theoretische) Dauerfestigkeit. Das heißt, unterhalb einer gewissen Beanspruchung werden Belastungen unendlich oft ertragen. Das ist aber, wie auch bei Stahl, in der Praxis wenig relevant: Ein Fahrradrahmen ist dynamisch hochbeanspruchter Leichtbau, der betriebsfest und nicht dauerfest ausgelegt wird. Das bedeutet: Wer einen Titanrahmen besitzt, muss ebenso wie mit jedem anderen Material hoffen, dass bei der Fertigung nicht gepfuscht wurde. Und dass man damit keinen materialmordenden Sturz hinlegt...

Macun Cylces
Feine geschwuppte Schweißnähte an einem Titanrahmen von Macun Cycles - für Fans des edlen Werkstoffs eine Augenweide.

Aluminium ist hart

Jein. Festigkeit und E-Modul von Aluminium sind deutlich geringer als bei Stahl. Um die Steifigkeit und Festigkeit eines Stahlrahmens zu erreichen, benötigt man folglich mehr Material – was aber kein Problem darstellt, weil die Dichte (also Masse je Volumen) von Alu viel geringer ist als von Stahl (etwa ein Drittel). Damit sind dann problemlos größere Rohrquerschnitte möglich, die zudem wegen des geringeren spezifischen Gewichts auf der Waage kaum zu Buche schlagen. Aber: Aluminium ist weniger dauerfest als Stahl oder Titan, sprich: Auch eine geringe Beanspruchung kann zum Bruch führen, wenn sie nur oft genug wirkt.

Storck Bicycles
Verarbeitung von Aluminium-Rohren.
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