2.3 Framematerialen Fietstechniek Pagina 18.

Toegepaste framematerialen zijn o.a Ongelegeerd staal Gelegeerd staal Aluminium legering Titanium Metal – matrix composieten Koolstof en andere vezelversterkende composieten Magnesium * (merida frames)

Bij de beoordeling van materiaal spelen de volgende materiaaleigenschappen een rol: De sterkte en specifieke sterkte van het materiaal De stijfheid van het materiaal en de specifieke stijfheid De taaiheid of brosheid van een materiaal De vermoeiingsterkte De prijs De bewerkingsmogelijkheden De corrosiebestendigheid De slijtvastheid De hardheid Het uiterlijk

Staal was bij fietsen het meest gebruikte materiaal voor fietsframes!! Door vele goede eigenschappen zoals: Grote sterkte en stijfheid Makkelijk produceerbaarheid Hoge hardheid/slijtvastheid Lage prijs Nadelen van staal is: Hoog gewicht en een dichtheid van 7900 kg/m³ Roest (oxideert) snel

Gewoon constructie staal Lage sterkte Door toevoeging van legeringen / thermische behandeling en koudvervorming wordt de sterkte verhoogd

Staal kunnen we verdelen in twee groepen: Ongelegerd staal Bevat ijzer (Fe) en koolstof (C) maximaal 1,5% exclusief (C) (koolstof ( C ) percentage is sterk bepalende factor voor de eigenschappen van het staal, je krijgt een hoge treksterkte / hardheid) Gelegeerd staal Staal met toevoeging van meer dan 5% legeringelementen (door toevoeging; mangaan (Mn), silicium (Si) verbeteren de eigenschappen van het staal ; sterkte / hardheid te vergroten)

Verbeteringen door legeringen: Verhoging van de treksterkte ( materiaal spanning) Verhoging van de hardheid Verhoging van de weerstand tegen wisselende belasting Verhoging van de schokvastheid Verhoging van de gietbaarheid Verhoging van de bewerkbaarheid

Bekende staallegeringen voor framebuizen zijn: chroommolybdeenstaal mangaanmolybdeenstaal

Eigenschappen van toevoegingen zijn: Chroom (Cr): Treksterkte groter Hardheid groter De staalsoort oxidatie en corrosie bestendig maken Molybdeen (Mo): Minder bros Taaiheid groter Mangaan (Mn):

Goedkope zware stalen frames heeft als eigenschap Stijver (minimale vervorming) dan dure lichte frames ( gelijk bij buitendiameter ) Staallegering met een rekgrens van 1400 N/mm² Kan geen gewichtbesparing realiseren

Hoogwaardige stalen framebuizen hebben als legeringelementen: Mangaan (Mn) Molybdeen (Mo) Chroom (Cr)

Gewoon staal dat een sterkte behandeling heeft ondergaan wordt aangeduid met: Hi – ten ( high tensile ) staal

Gewoon staal oxideert snel Door toevoeging van: Chroom (Cr) Nikkel (Ni) RVS ROESTVASTSTAAL Nadeel: duur !

Aluminium (Al) Licht van gewicht = 1/3 van het gewicht van staal Dichtheid van 2,7.10³ Kg/m³ Soortelijke massa (gewicht) bij 1 liter 3x zo laag als staal Stijfheid (vervormen) is ook 3x zo laag als staal Sterkte van aluminiumlegeringen is ook 3x zo laag als staal Mogelijkheid tot oversized framebuizen Door Elektrolyse ( anodiseren ) wordt het dik en sterk Makkelijk te produceren ( onder hoge druk; geextrudeerd ) Onder hoge druk; spuitgieten Makkelijk te smeden Bros Geen vermoeiingsgrens dus breekt altijd Niet hard dus krast

Aluminium (Al) Weerbestendig = vormt eenmalig een oxidelaag Decoratief = anodiseren* of lakbehandeling wordt het oppervlak nog mooier Goed geleidend = voor elektriciteit Goed bewerkbaar = vervorming bij lage temperaturen door te walsen / extrusie en gieten Niet giftig & dampdicht = geeft geen giftige stoffen af In overvloed aanwezig = 8% van de aardkorst bestaat uit aluminium 100% recyclebaar, dus duurzaam = behoud van kwaliteit tijdens het smelten en men maar 5% energie voor nodig Sterk = afhankelijk van de soort legering

Korte uitleg over aluminium (Al) Aluminium wordt gemaakt uit bauxiet, het aluminiumerts Bauxiet bevat ongeveer 2/3 aluminiumoxide In zuivere vorm (geen toevoeging) is aluminium zilverwit van kleur en een dichtheid van 2700kg/m² Dus, één van de lichtste metalen in de tweewielertechiek Door oxidatie ; luchtdicht geen verdere aantasting Soortelijk gewicht = 2,69 Smeltpunt = 660,24°C Kookpunt = 2467°C

Aluminiumlegering zijn vooral met de komst van ATB’s uit Amerika sterk in opkomst geraakt Zuiver aluminium (Al) kunnen we niet gebruiken omdat het niet sterk is. Om de eigenschappen te verbeteren wordt aluminium gelegeerd met andere niet ijzermetalen zoals: Koper (Cu) Magnesium (Mg) Silicium (Si) Zink (Zo)

Soorten aluminiumlegeringen 8888 AA 7000 AA 2000 AA 7020 AA 7005 AA 5000 AA 6000 AA 7075 } Slecht lasbaar dus lijmen AA 6061 Goed vervormbaar en een hoge corrosieweerstand Gelaste frames Gelijmd

Aluminium (Al) oxideert snel Daardoor luchtdicht Door het anodiseren luchtdicht ( het materiaal wordt dikker en sterker ) Oxidelaag kun je kleuren

Anodiseren is Een dikkere aluminiumoxidelaag vormen Kunstmatige dikte door elektrolyse Wordt verdikt en sterk Kan niet toegepast worden bij gelaste aluminium Er ontstaat daardoor kleur verschillen

Aluminium (Al) heeft geen vermoeiingsgrens Breekt altijd Bezwijkt bij belastingswisselingen

Aluminium (Al) is niet hard dus krast Corrosie daardoor het ontstaan van spanningsconcentratie Pas op bij inklemmen van een bankschroef Nooit bijbuigen Bij een aluminium frame achterwiel eruit halen bij het wisselen van een band ( breuk ) Bevestiging is te strak ( voorspanning )

FluidForm™ technologie De FluidForm™ technologie is nieuw voor 2003, en maakt gebruik van een speciaal proces genaamd ‘hydroforming’, waarbij onze aluminium framebuizen met behulp van verhitte olie onder druk worden gevormd. Het resultaat is een product dat sterker en mooier is dan standaard ronde buizen of gevormd aluminium plaatmateriaal. FluidForm™ technologie is een nieuw fabricageproces dat gebruikt wordt om complexe vormen te produceren, in één enkel proces.

Titanium (Ti): Komt uit het Oost –blok / Australië / Noord-Amerika Licht van kleur (staalgrijs) Dichtheid 4540 Kg/M ˉ³ Smeltpunt 1940 °C Kookpunt 3560 °C Wordt veel toegepast in de luchtvaart Duur Soms bij veel productie goedkoop! Om zeewater om te zetten in drinkwater Neemt snel de omgevingstemperatuur aan Zelfstellend vermogen bij krassen ( oxidelaagje )

Titanium (Ti) voor fietsframes / onderdelen Licht materiaal Sterk als staal ( hoge rekgrens ) Iets lagere stijfheid dan staal Grote weerstand tegen metaalmoeheid Goed te lassen en bepaalt de kracht van het frame goede corrosiebestendigheid Fraai uiterlijk Duur materiaal Dure productie

Metal – matrix composieten (MMC’s) Specialized was de eerste fietsfabrikant die het toegepast heeft. Nadeel: duur en de bewerkingsmethoden zijn sterk in ontwikkeling

Metal – matrix composieten (MMC’s) bestaat uit: Metaal legering met Keramische vezels

Metaal met keramische vezels zijn legeringen met de volgende benaming: Aluminiumoxide (A1²O³) Siliciumcarbide (SiC 90% - 99%)

Eigenschappen van Metal – matrix composieten (MMC’s) zijn: Toevoeging van aluminiumoxide / siliciumcarbide hogere stijfheid Hogere slijtvastheid Bewerkingsmogelijkheden is nog in ontwikkeling

Soorten kunststoffen in de Fietstechniek

Wat is een composiet? Is een mengsel van twee of meer materialen; vezels met een hars-drager (lijm)

Voordelen van composieten Zeer hoge specifieke sterkte d.w.z hoge sterkte bij laag gewicht Zeer grote mate van vormvrijheid b.v complexe vormen Hoge mate van integratie ( zelfdragende constructies ) Materiaal op maat ; belastingen / prestaties Uitstekende vermoeiingseigenschappen; breuk na vele belastingen Chemische bestendigheid tegen zuren Weer / water bestendigheid Uitstekende RAM eigenschappen; z.g.n transparant maken Impactbestendige eigenschappen Uitstekende elektrische eigenschappen; isolerend / geleidend Thermische isolatie eigenschappen; brandvertragend / hitte bestendig Gewicht besparen Levensduur Geen onderhoud

Type vezelversterkte (koolstof) composieten zijn: Vezel versterkte kunststoffen zijn o.a: Vezel versterkte thermoharders Vezel versterkte thermoplasten

Vezel versterkte kunststoffen Bestaan uit dunne lange vezels Sterkte en stijfheid wordt bepaald door lange vezels Materiaal soort ; glas, koolstof, aramidevezels etc.. Drager die de vezels aan elkaar lijmt in de juiste vorm

Vezel versterkte thermoshardende drager Kan niet vervormt worden door warmte Z.g.n kunsthars (met vulmiddel = glasvezel, papier, zaagsel etc) Met een vulmiddel wordt het hard en taai Polyester Vinlyester Epoxy* Polyimide Fenol Kunststofdrager afkorting

Vezel versterkte thermoplastische drager Door verwarming telkens te vervormen De eigenschappen blijven constant Gietbaar Eenvoudig te verwerken, te lijmen, te lassen en te persen PPS PEEK PEI PAI Kunststofdrager afkorting

Sandwich constructies VVK huiden Aluminium huiden Stalen huiden Kernmaterialen zijn o.a Schuim; PUR, PIR, PVC enz.. Hout; Multy- plex, balsa Honningraat; papier, nomex, aluminium, carbon etc…

Eigenschappen van koolstofvezels zijn: Sterk; het zelfde als aluminium / staal Stijf; het zelfde als aluminium / staal Gewicht is het zelfde als aluminium / staal Alleen op trek te belasten daardoor moeten de vezels in alle richtingen worden gelegd Plastische vervorming mag niet Zware belasting “breekt” Ingebouwde veiligheid marges Vormen van frames Meerdere combinaties mogelijk met andere koolstofvezels

Opbouw van koolstofvezel:

Giant GCT productie T-700 vezels: hoge treksterkte Giant’s composiet productie maakt gebruik van T-700 aerospace vezels. Dit is het beste materiaal voor de fabricage van fietsen, omdat het de ongelofelijke combinatie biedt van licht gewicht en superieure sterkte

2.4 Framebuizen Bovenbuis Onderbuis Zitbuis Balhoofdbuis Ronde buizen liggende achtervork loopt ovaal dun uit i.v.m verticale krachten

Gelaste buizen Gewoon rijwielstaal Repen worden gerold tot buis De naad wordt gelast Lasnaad wordt netjes afgewerkt Buizen die gebogen moeten worden wordt aan de binnenkant gelast i.v.m stugheid van de las Deze methode is goedkoop

Getrokken buis Hoogwaardige staallegeringen worden naadloos getrokken Wanddikte is dun Bij dit soort type buis is alles nauwkeurig pas gemaakt en gesoldeerd De buizen zijn licht uitgevoerd

Geextrudeerde buis Onder hoge druk wordt kneedbare materiaal door een matrijs geperst Voordeel van deze methode is allerlei verschillende profielen worden verkregen Wordt alleen toegepast bij aluminiumlegeringen

2.5 Diameter van de toegepaste buizen en wanddikten Gelaste stalen buizen die met lugs aan elkaar gesoldeerd worden hebben een standaard maat Buis: Diameter: Wanddikte: Bovenbuis 25,4 1,2 Onderbuis 28,6 Zitbuis

Oversized buizen Massa laag en stijfheid te behouden moet de buisdiameter vergroten Krijgt daardoor meer torsie en bracketstijfheid Door teveel stijfheid in verticale richting van het frame krijg je minder verende eigenschappen 90% gaat naar de wielen / banden 10% gaat door het frame

Oversized buizen volgens het tabel: Diameter. X wanddikte Stijfheid Gewicht Stijfheid/ gewicht 22.2 x .8 46% 77% .59 25.4 x .8 69% 88% .78 28.6 x .8 100% 1 28.6 x .9 111% 113% .98 28.6 x 1 122% 125% 31.7 x .8 137% 107% 1.28 34.9 x .8 205% 140% 1.46

Buizen met inwendige versterkingsribben

2.6 Verklaring typen framebuizen Plain buis Single butted buizen Double butted buizen Triple butted buizen

Plain buis

Single butted buizen

Double butted buizen

Triple butted buizen

Buisdiameter / wanddikte Nivacrom Gewone- rijwielbuizen Buis: Diameter Wanddikte Diameter: Wanddikte: Bovenbuis 28,6 0,7/0,4/0,7 25,4 1,2 Onderbuis 31,7 Zitbuis 0,6/0,8 Liggende achtervork 29,9/16 Staande achtervork 16 0,7 Vorkschede 29/21 1/0,7 Binnenbalhoofdbuis 2/1,55 3,8/1,6 Balhoofdbuis 1

Fabrikanten voor framebuizen zijn o.a Columbus Reynolds Falck Oria Mannesman Tange Vitus

Het frame materiaal Levensduur Juiste mix tussen stijfheid en veercomfort Een goeie geometrie Zorgvuldige afwerking

2.7 Framemodellen Klassieke frame driehoek trapezium

Afwijkende framemodellen Damesframe Tandemframe Mountainbikeframe Vouwframe Frame met achtervering Tijdritframe

Damesframe

Tandemframe

Mountainbikeframe

Vouwframe

Frame met achtervering

Tijdritframe

Verbinding framebuizen Solderen met lugs Solderen zonder lugs TIG- lassen Lijmen met lugs Inductie solderen

Solderen met lugs

Solderen zonder lugs

TIG- lassen staal aluminium titanium

Lijmen met lugs De sterkte van de lijmverbinding is afhankelijk van twee factoren: - sterkte van de lijmlaag (cohesie); de hechtingskracht tussen deeltjes van de lijmlaag. - hechtingsvermogen (adhesie); hechtingskracht tussen de lijmdeeltjes en de materialen die je aan elkaar lijmt.

Inductie solderen 650 graden zilver 900 – 1100 GRADEN Messing koper

Afwerking van het frame Uiterlijk van het frame Lak Afwerking van de verbindingen Achterpatten nokken

Coatings en oppervlaktebehandeling Stalen frames Aluminium frames 7000 serie Oxidatie tegen gaan Het meest gebruikte coating methode is elektrostatisch poedercoaten

Het meest gebruikte coating methode is elektrostatisch poedercoaten Oppervlakte frame moet schoon / vetvrij zijn Ets / beits baden zorgt ervoor Primerlaag voor roestwerend / hechtlaag Droge poeder op het frame aanbrengen door het elektrostatisch te maken ( magneet ) Daarna wordt het in de oven geplaatst van zo’n 200°C Poeder smelt / uithard Belettering / tranferstickers Blanke laklaag

Anodiseren Oppervlakte wordt harder / dikker Geoxideerde laag eventueel met een kleurlaag bedekken Gelaste aluminiumframe kunnen niet geanodiseerd worden Geldt ook voor geanodiseerde aluminium buizen die nog gelast moeten worden Toepassing bij gelijmde buizen

2.8 Frame –indeling naar gebruikersdoel Damesframe Tandemframe Deel –vouwfiets Moderne stadsfiets Frames met gebogen buizen Aërodynamische tijdtitframes Alternatieve frameconstructies voor mountainbikes Frames met achtervering

AUTEUR: Marco Hendriksen MAHEN©PRODUCTIES Vervolg 2.9 p.p.p