Hardtail Carbon vs. Alu: Ein umfassender Vergleich

Carbon gilt für die meisten Biker als Synonym für das Beste: begehrenswert, besonders leicht und natürlich äußerst performant. Doch um kein Material am Bike ranken sich mehr Mythen! Mit diesem Artikel zerstören wir Forenweisheiten und gefährliches Halbwissen.

Egal ob Rahmen, Laufrad oder Lenker - hat man die Qual der Wahl zwischen Carbon oder Alu, würden die meisten von uns fast schon automatisch zur Carbon-Variante greifen. Dass Carbon angeblich besser ist als Alu, wird uns in Form von hohen Preisschildern suggeriert. Empfehlungen für Leichtbau- und Performance-Upgrades sowie die Kommunikation der Topmodelle der Bike-Hersteller prägen unser Bild der überlegenen Kohlefasern. Doch ist dem wirklich so? Wie viel ist Mythos, wie viel Wirklichkeit?

Um das zu beantworten, haben wir tief recherchiert und mit renommierten Werkstoff-Experten, Entwicklern und Produktmanagern rund um den Globus diskutiert. Darunter der Carbon-Fetischist Nic McCrae von Santa Cruz im sonnigen Kalifornien, der finnische Alu-Fräsmeister Leo Kokkonen von Pole und die Tech-Heads von REIN4CED im brettebenen Belgien, die Metall und Carbon einfach mal mischen. Außerdem haben wir mit Mirko Filler von den Dresdner Carbon-Leichtbau-Spezialisten Beast Components gesprochen, sowie mit Cesar Rojo, dem Kopf hinter Unno Bikes in Barcelona. Aus der Schweiz zugeschaltet waren die Laufradexperten Andreas Tschanz und Nils Verhoeven von DT Swiss. Das riecht nach verdammt viel geballtem Wissen!

Ist Carbon nun wirklich besser als Alu? Und wenn ja, wo? Macht euch auf einen spannenden Rundflug durch Expertenköpfe gefasst - sowie auf alte Werte, die einfach immer noch gelten! Und natürlich werden wir auch über ökologische Fußabdrücke, Recycling und Verantwortung sprechen.

Aluminium wie auch kurz darauf Carbon sind schon in den 1980er Jahren in der damals frisch sprießenden MTB-Szene aufgetaucht und heute, neben dem mittlerweile selten verwendeten Stahl und dem exklusiven Titan, die zwei meist eingesetzten Materialien an Rahmen und zahlreichen Bauteilen. Bereits 1978 schweißte Charlie Cunningham in Kalifornien seinen legendären „CC Proto“-Rahmen aus geraden Aluminiumrohren zusammen. Konifizierung, also das Erzeugen von unterschiedlichen Wandstärken durch Stauchung der Rohre, war bereits von Stahlrahmen bekannt und wurde rasch auch für Alu-Rahmen adaptiert. Mit den Jahren drangen weitere Verfahren wie Hydroforming und Fräsen aus der Industrie in die Fahrradfertigung vor.

Im Laufe zahlloser spannender Weiterentwicklungen haben beide Materialien die Entwicklung von waghalsigen Prototypen hin zu hochbelastbaren High-Performern an unseren Mountainbikes hingelegt. Und obwohl schon viel Wissen auf die Frage „Alu oder Carbon?“ in die Welt getragen wurde, treffen wir in Foren, auf Bikepark-Parkplätzen und in zahlreichen Youtube-Videos immer noch auf Wissenslücken, Halbwahrheiten oder regelrecht leidenschaftliche Falschannahmen über diese beiden Werkstoffe.

Dabei sollte es überhaupt kein kategorisches Dafür oder Dagegen geben, weil ihr sonst vielleicht gute Optionen ausblendet! Wir lassen das Schwarz-Weiß-Denken weg, dringen durch zu den wahren Stärken und Schwächen der beiden Werkstoffe und finden so hoffentlich die wirklich besten Parts für eure Bikes!

Bitte festhalten: Es wird nun etwas komplexer. Denn wenn wir schon tiefer in diesen Werkstoffvergleich einsteigen, dann müssen wir auch klarstellen, dass Carbon nicht gleich Carbon und Alu nicht gleich Alu ist. Auf beiden Seiten gibt es gewaltige Unterschiede hinsichtlich der Zusammensetzung des Rohmaterials, dessen Herstellung und Verarbeitung, was letztlich die Performance, Haltbarkeit und Preis des betreffenden Teils beeinflusst.

Aluminiumlegierungen im Detail

Wir sprechen oft verallgemeinernd von Alu, obwohl wir eigentlich Aluminiumlegierungen meinen, also Mischungen von reinem Aluminium (Al) und anderen Metallen. Im Reinzustand wäre Aluminium zwar leicht und korrosionsbeständig, für die meisten industriellen Anwendungen und auch für unsere Bikes aber ungeeignet. Reines Aluminium ist verhältnismäßig weich, lässt sich nur schwer verarbeiten und zeigt eine hohe Wärmeausdehnung.

Durch Beimischung von weiteren Metallen wie Silizium entsteht aus dem Ausgangsstoff Aluminium (meist Al99,5) beispielsweise eine Legierung, die sich schweißen lässt. Anteile von Kupfer und Zink erhöhen wiederum die Festigkeit der Legierung. Weitere Metalle, die in geringen Mengen von meist weit unter einem Prozent beigefügt werden, sind Magnesium, Mangan, Eisen, Chromium, Titan oder Scandium. Erst so entstehen die uns bekannten Aluminiumlegierungen wie Al6061, Al6069, Al7005 oder Al7075, die in Rahmen und Komponenten zum Einsatz kommen.

Der Zusatz Tx beschreibt außerdem den sogenannten Zustand der Legierung. Bei T6 etwa wurde die Legierung lösungsgeglüht und warmausgelagert, wodurch sie ihre maximale Zugfestigkeit erreicht. Die maximale Zugfestigkeit einer Legierung beschreibt, welche Kraft in Längsrichtung auf dem Prüfstand nötig ist, um ein eingespanntes Normteil einer Aluminiumlegierung durch Streckung zum Reißen zu bringen.

Bei wiederholter oder anhaltender Belastung kann der Werkstoff aber auch schon bei niedrigeren Werten versagen, was vor allem bei älteren Aluminiumteilen durchaus eine Rolle spielt. Die Kraft, bis zu der ein Werkstoff auch anhaltender Belastung standhält, ist seine sogenannte Dauerfestigkeit. Zieht man dann die Waage hinzu, ergibt sich für jeden Werkstoff ein spezifisches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Außerdem ist Alu, wie alle Metalle, ein isotroper Werkstoff. Das heißt: Seine Eigenschaften gelten gleichermaßen in alle möglichen Belastungsrichtungen - ein essenzieller Unterschied zu Carbon.

Denn die Kohlefaserbündel sind längs der Fasern enorm zugfest und belastbar, besitzen bei seitlichem Zug aber kaum Festigkeit. Die Kräfte, die auf einen Rahmen oder Bauteil am Rad auf dem Trail wirken, verlaufen so gut wie nie exakt in Längsrichtung, sondern wirken auch seitlich, stauchend und verwindend. Beim Carbon liegt der Trick deshalb im Lay-up des Bauteils, also der Anordnung mehrerer Faserschichten in unterschiedlichen Richtungen, doch dazu später mehr. Wie zeigt sich das nun an unserem Rahmen und den Bauteilen?

Vergleicht man die am Bike anzutreffenden Aluminiumlegierungen, sind die mit niedrigerer Zahl weicher, leichter zu verarbeiten und insgesamt preisgünstiger. Sie weisen ein gutmütigeres Bruchverhalten auf, da sie sich stärker verformen, ehe sie tatsächlich reißen. Allerdings zeigen sie im Vergleich zu höheren Legierungen auch ein schlechteres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Al6069 hat bei ähnlichem spezifischem Gewicht höhere Festigkeitswerte als eine 6061er Legierung. Eine etwas teurere Felge aus 6069er Alu hält also theoretisch etwas länger und übersteht größere Belastungen als eine identische Felge aus 6061er Aluminium. 7xxxer Alu hingegen ist insgesamt zugfester und zeigt auch eine höhere Dauerfestigkeit als 6xxxer Legierungen. Für Felgen empfehlen sich diese härteren Legierungen aber bereits nicht mehr.

Vereinfachend kann man sagen: Die für unsere Bikes relevanten Aluminiumlegierungen werden mit steigender Zahl zugfester und dauerfester, damit aber auch härter und schwerer zu bearbeiten und teurer. Eine an Bikes oft eingesetzte Legierung der 7xxxer-Serie ist Al7005, das wir zum Beispiel in den Alu-Lenkern von Renthal finden. Blickt man zahlenmäßig noch höher, kommt man zu 7075er Aluminium, wie es etwa die Finnen von Pole verwenden. Diese Legierung hat nochmal höhere Festigkeitswerte, ist aufgrund ihres Scandium-Anteils und ihrer aufwendigen Verarbeitung aber auch teuer. Sie ist sehr hart und lässt sich praktisch nicht schweißen - weshalb Leo Kokkonen stattdessen die CNC-Fräse anschmeißt, die Hälften seiner Stamina-Rahmen aus ganzen Blöcken schält und sie anschließend miteinander verklebt. Das soll Performance bringen, kostet aber sein Geld: Einen finnischen Fräsrahmen mit Dämpfer gibt es ab rund 5.000 €.

Wenn nicht gerade aus dem vollen Stück gefräst, werden Teile für Alu-Rahmen meist aus vorgeformten Profilen mit bestimmten Wandstärken zugeschnitten und in der gewünschten Anordnung miteinander verschweißt. Die Rahmenproduktionen laufen dank Schweißrobotern weitgehend automatisiert ab. Durch das schon lange bewährte Konifizieren werden unterschiedliche Wandstärken bei gleichbleibendem Durchmesser erreicht. So kann ein Rohr im Mittelstück eine geringere Wandstärke haben als an den Enden, wo größere Kräfte wirken, um so Gewicht einzusparen. Bei fast allen Alu-Rahmen setzen die MTB-Hersteller heute auch auf das Hydroforming-Verfahren. Es erlaubt, Aluminiumprofile geschwungen zu formen, die Wandstärken zu einem bestimmten Grad anzupassen und das Profil über den Verlauf des Rohrs zu variieren. Dazu wird das Rohrstück in einer Form unter hohem Druck mit Flüssigkeit befüllt. Kaum ein Hersteller verwendet noch ausschließlich gerade Rohre.

Die Umweltbilanz von Aluminium

Aluminium wird aus dem Erz Bauxit gewonnen, das im Tagebau abgebaut wird. Die größten Förderer sind Australien, Guinea, China, Brasilien, Indonesien und Indien - wo verbreitet kritische Arbeitsbedingungen herrschen. Unter hohem Energieeinsatz und durch weitere Verfahren entsteht letztendlich metallisches Aluminium. Die Erzeugung eines einzigen Kilogramm des Metalls verschlingt rund 15 kWh Strom und verbläst, je nach Art der Stromerzeugung, bis zu 25 kg Kohlendioxid. Wie viel wiegt ein Alu-Rahmen gleich wieder?

Hinzu kommt, dass die Primärgewinnung einer Tonne Aluminiumoxid die gleiche oder bis anderthalbfache Menge an gesundheitsschädlichem Rotschlamm erzeugt, der in riesigen Becken und Deponien landet und aktuell kaum wiederverwertbar ist. Erfreulicherweise kann zumindest der fertige Werkstoff Aluminium recycelt werden. Befindet es sich einmal im Kreislauf, wird für seine Wiederherstellung nur noch 5-10 % der Energie benötigt, die für die Primärgewinnung fällig wurde.

Für Leo Kokkonen ist das ein zentrales Argument bei der Entscheidung zwischen den Werkstoffen Carbon und Alu: „Wir müssen das langfristig sehen: Je mehr wir heute produzieren, was nicht recycelt werden kann, desto größer ist das Problem in 100 Jahren. Metalle können immer wieder verwendet werden.

Allerdings hat das Recycling einen Haken: Die Qualität sinkt zurzeit noch mit jedem Recyclingschritt. Wären die diversen Legierungen, die auf Schrottplätzen landen, sortenrein getrennt, dann könnte Leos Bild vom ewigen Kreislauf durchaus stimmen. In der Realität unserer Schrottplätze werden aber oft verschiedenste Legierungen miteinander vermengt. So entsteht beim Einschmelzen eine wilde Pansche, aus der oft gar keine hochwertigen Legierungen mehr erzeugt werden können, weil sich bestimmte Stoffe daraus nicht mehr entfernen lassen. Tatsächlich endet in Deutschland sogar der Großteil von Alu-Schrott als minderwertiges Gussaluminium oder gar als Beigabe in der Stahlerzeugung. Aktuell stammt nicht einmal ein Viertel des weltweit verarbeiteten Aluminiums aus Recycling.

„Fahrräder sind nun mal Luxusartikel. „Ein Produkt ist erst dann nachhaltig, wenn es aus recyceltem Material hergestellt ist. Weder Aluminium noch Carbon sind das.

Wo Leo Kokkonen aber durchaus recht hat: Alu könnte ein ziemlich sauberer Rohstoff sein. Sobald wir unseren Metallschrott endlich besser trennen, besteht eine Chance, dass das Alu eines alten Stamina-Rahmens eines Tages wirklich den Weg zurück in die finnische Fräse findet, um dort zu einem neuen Rahmen zu werden. Je öfter der Rahmen das schafft, desto kleiner wird sein ökologischer Fußabdruck.

Die Welt des Carbons

Was ist eigentlich Carbon? Wenn wir ein fertiges Teil aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) - oder kurz Carbon - in der Hand halten, sehen wir das Resultat vieler aufwendiger Fertigungsschritte. Die unter hohem Energieaufwand gewonnen schwarzen Fasern aus fast reinem Kohlenstoff werden zunächst in kleine Bündel oder Gelege gefasst. Diese werden dann in einer gewünschten Anordnung ausgelegt, mit einem harzigen Bindemittel vorbehandelt und dadurch lose in Flächen geformt. Auch die Herstellung der benötigten Harze benötigt große Mengen an Energie. Das Laminat aus Fasern und Harz, das sogenannte Prepreg, wird aufgerollt und dem Hersteller zur Verfügung gestellt. Es ist das Ausgangsmaterial, aus dem dann Stücke zugeschnitten und je nach gewünschten Eigenschaften per Hand mehrschichtig in hohlen Formteilen angeordnet werden.

Die fertig ausgekleideten Hälften werden dann formschlüssig zusammengefügt. Im Inneren der Bauteile sind zudem meist elastische Blasen platziert, die die Faserschichten von innen an die Außenwand der Form pressen und im Nachgang durch verbleibende Öffnungen, wie am Tretlager, Sattelrohr oder Steuerrohr, wieder entfernt werden. Unter Druck und hoher Temperatur härtet das im Prepreg enthaltene Epoxidharz im Autoklav aus, wodurch der fertige Rahmen oder das Teil entsteht. Diese Monocoque-Bauweise, also die Fertigung in einem kompletten Stück, ist heute die gängigste Herstellungsmethode. Konstruktionen aus einzelnen Carbon-Rohren und Muffen waren unter Rennrädern früher verbreitet, finden sich an modernen Mountainbikes aber nur bei wenigen Modellen, wie etwa den Atherton Bikes.

Was wir dann am Ende optisch sehen, sind nur die äußeren Faserlagen des Bauteils. Die charakteristischen 3K- und 12K-Gewebe bestehen aus rechtwinklig angeordneten Faserbündeln zu je 3.000 bzw. 12.000 einzelnen Fasern. Die Anordnung, Form und Anzahl von Prepreg-Zuschnitten an unterschiedlichen Stellen eines Bauteils ist einer der größten Qualitätsfaktoren des fertigen Produkts.

Anisotropie und Lay-up

Carbon ist ein anisotroper Werkstoff. Während das isotrope Aluminium in alle Richtungen gleiche Materialeigenschaften aufweist, ist Carbon lediglich in Richtung seiner Fasern stark. Und auch dort nicht auf Druck, sondern nur auf Zug - das allerdings mit enormer Festigkeit: Carbon kann mehr als das Zehnfache der Zugfestigkeit von Aluminiumlegierungen aufweisen und übertrifft das Metall zudem in puncto Dauerfestigkeit und Materialermüdung.

„Nimmst du einen Alu-Rahmen hart ran, könnte er schon nach zwei Jahren ermüden und brechen. Aber wenn man einmal eine gute Carbon-Konstruktion erreicht hat, hält so ein Rahmen ewig“, so Cesar Rojo von Unno Bikes. Zumindest solange man ihn nicht durch einen Sturz oder Aufprall so beschädigt, dass Risse oder Ablösungen zwischen den Fasern, sogenannte Delaminationen, auftreten. Selbst wenn die Schäden unsichtbar im Inneren des Bauteils liegen, können diese für verminderte Belastbarkeit und sogar für überraschendes Spontanversagen bei einer erneuten Belastungsspitze sorgen. Auch wenn uns das selbst noch nicht passiert ist - Carbon ist schwer berechenbar.

Zentrum der globalen Carbon-Fertigung ist unangefochten Asien. In China und Taiwan wird nicht nur der Großteil des Prepregs hergestellt, sondern dort stehen auch die meisten Fabriken, die daraus im Auftrag etlicher Hersteller Rahmen und Teile fertigen. Carbon-Fertigung ist ein sehr energie- und vor allem arbeitsintensiver Prozess. Neben hohem Wasser- und Energieverbrauch und...

Die Eigenschaften kurz zusammengefasst

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