Vaak krijg ik natuurlijk de vraag: waarom staal?! Want dat is toch zwaar, roest en is helemaal uit.
Natuurlijk kan ik alles weerleggen of bevestigen. Hieronder een stukje tekst om e.e.a. te verduidelijken.
Het hele verhaal kan doorgelezen worden, wat doorzettingsvermogen vergt, of anders gewoon de laatste regel.
Een paar "wijsheden":
- Aluminium frames zijn stijf en oncomfortabel
- Titanium frames rijden comfortabel, zijn licht en onverwoestbaar
- Stalen frames rijden comfortabel, zijn flexibel en zwaar
- Carbon is het ultieme framemateriaal
Eén ding is zeker; alle bovenstaande beweringen zijn even waar of onwaar, er zijn nog veel meer wijsheden te verzinnen.
Er is een enorme hoeveelheid folkloristische en “conventionele” wijsheid over de materialen van fietsframes te horen, maar de meeste zijn niet op feiten gebaseerd.
De enige wijsheid die er eigenlijk is: een goed fietsframe is uit elk van bovengenoemde materialen te maken. Elk met de gewenste rijkwaliteiten door een goede selectie uit buizen, wanddiktes en frame geometrie.
Om er dan toch nog een technisch verhaal van te maken kan het onderstaande doorgelezen worden.
Een woord vooraf. Het is een bijna ondoorgrondelijk stuk, dus bezint eer ge begint, en neem er een lekker biertje bij!
Een andere tip die ik kan geven als deze pagina wat zwaar valt: scroll maar meteen door naar beneden, daar staat de conclusie.
Stijfheid, Sterkte en Gewicht
Sterkte en stijfheid zijn verschillende begrippen die vaak verward worden. Het is belangrijk om te weten wat verschillende materialen betekenen voor de eigenschappen van een frame.
Even een voorstelling maken. Het uiteinde van een metalen buis wordt vastgezet in bv een bankschroef. Aan het vrije uiteinde wordt een gewicht gehangen. De buis zal hierdoor gaan doorbuigen. Als het gewicht verwijderd wordt, zal de buis weer terugspringen naar zijn oorspronkelijke vorm. Het is duidelijk dat verschillende materialen verschillend doorbuigen bij een zelfde kracht. Dit wordt stijfheid genoemd.
Het terugveren van de buis naar de oorspronkelijke vorm gaat goed totdat er een te zware last op komt. Bij deze te zware last zal de buis permanent niet meer terugkeren in de oorspronkelijk vorm. Verschillende materialen zijn bestand tegen verschillende hoeveelheden kracht voordat deze permanent doorbuigen. De kracht die een buis kan weerstaan voordat deze permanent doorbuigt wordt sterkte genoemd
Stijfheid (elasticiteitsmodulus)
De stijfheid van het materiaal is van invloed op de rijkwaliteiten van een frame en wordt vaak gebruikt om het gedrag van een frame te beschrijven. De stijfheid wordt weergegeven in de “elasticiteitsmodulus” van het materiaal. Hoe hoger deze waarde, des te stijver het materiaal.
Sterkte (botsbestendigheid)
De sterkte of botsbestendigheid van het materiaal heeft géén invloed op rijeigenschappen maar wel op de staat van een frame na een harde ontmoeting met een boom bv. De sterkte van een materiaal wordt gegeven door de term “vloeisterkte”. Deze wordt beïnvloed door de kwaliteit, de warmtebehandeling en legeringselementen van een bepaald model buis afkomstig van een bepaalde fabrikant.
Gewicht (densiteit, dichtheid)
Naast de sterkte en stijfheid, is voor de meeste mensen de vraag: hoe zwaar is het materiaal bij een bepaald volume uitgedrukt in gr/cm³. Omgedraaid: wat is zwaarder: een kilo lood of een kilo veren ;-)
Hieronder enkele belangrijke eigenschappen van de metalen.
Stijfheid Dichtheid (gr/cm³) Sterkte (psi)
Aluminium 10-11 168,5 40-70
Staal 30 490 90-130
Titanium 15-16.5 280 120-160
Psi: pounds per square inche = One pound per square inch is ongeveer 6,894.757 Pa
Als we dus hetzelfde volume nemen zal titanium ongeveer de helft wegen van staal en aluminium slechts 1/3.
Merk op dat de stijfheid en het soortelijk gewicht min of meer onafhankelijk zijn van de kwaliteit, de warmtebehandeling, of toevoegingen (legeringen). Bijvoorbeeld, alle staalvarianten, van de buis in de goedkoopste kinderfiets tot de meest exotische legeringen die worden gebruikt in multi-duizend euro fietsen hebben een modulus van 30, en een soortelijk gewicht van 490.
Iedereen die je vertelt dat een bepaald merk fiets "lichter" of "stijver" dan een ander merk of model is; strooit zand in de ogen. MITS het gebruikte materiaal hetzelfde is (dus beide bv staal)
STW (Stiffness-to-weight) ratio of de verhouding stijfheid-gewicht is dus ongeveer gelijk voor staal, aluminium en titanium.
De vraag die misschien opkomt: Waarom zijn aluminium frames zo stijf, terwijl staal fysiek het stijfte is. Antwoord: Oversizing! Als de diameter van een buis met een bepaalde waarde vergroot zal de stijfheid tot de derde macht van die waarde stijgen. Dus een buis met een diameter van 4cm zal 8X stijver zijn dan een buis van 2cm (met dezelfde wanddikte). En het gewicht zal enkel verdubbelen.
Door te spelen met de diameter en wanddikte kan een ontwerper de optimale verhouding zoeken tussen gewicht en stijfheid. Om het moeilijk te maken is er echter een belangrijke beperking: de verhouding tussen diameter en wanddikte mag niet hoger zijn dan 70. Dit voorkomt het zgn. “blik effect”
Wat wel belangrijk is bij de verschillende kwaliteiten buis is het verschil in de taaiheid/rek/ductiliteit. De term impactweerstand kan hier ook in beschreven worden (zie een stukje verder). In tegenstelling tot densiteit en stijfheid verandert de rekwaarde wel in grote mate met de legering en eventuele warmtebehandeling. Rek wordt uitgedrukt als een percentage:
Staal:7-14%
Titanium: 20-30%
Aluminium: 4-12%
De verschillende framefabrikanten willen dus een materiaal dat elastisch vervormt bij normaal gebruik en tegelijkertijd voldoende rek heeft zodat het buigt (platisch vervormt) voordat er een breuk optreedt én tijdig een waarschuwing geeft voor het breekt. Deze laatse opmerking is ook belangrijk: een fiets van glas is technisch gezien mogelijk en wellicht nog licht te maken ook.
Als de rek daalt onder de 10% is er een verhoogd risico op een breuk zonder waarschuwing en dit is natuurlijk niet goed. Hier wordt het grote voordeel van titanium zichtbaar: het heeft een veel hogere rekgrens dan staal en aluminium. Dit betekent dat titanium een hoge elasticiteitsgrens heeft en dus een hoge zeer hoge veiligheidsfactor. Dit is de reden dat titanium frames comfortabel gemaakt kunnen worden (levendig, flexible) zonder dat het breekt.
Zoals eerder gezegd zijn hoge psi waarden beter: hoe hoger de spanning mag worden voordat plastische vervorming optreedt, hoe sterker het frame. Toch is vooral de combinatie met de volgende materiaaleigenschappen van groot belang.
Vermoeiingsweerstand, Impactweerstand en corrosieweerstand
Vermoeiingsweerstand
Deze term beschrijft voor een groot deel de levensduur van een frame. Onder vermoeiing verstaan we het verschijnsel dat optreedt wanneer we een cyclische belasting met een bepaalde kracht uitoefenen op het materiaal. Een goed voorbeeld van cyclische belasting is de pedaalbeweging en de kracht die voortvloeit door het frame (bv achterbrug).
Staal en ook titanium hebben een duidelijk gedefinieerde vermoeidheidsgrens. Wanneer de cyclische belastingen onder een bepaalde waarde blijven zullen ze nooit leiden tot een breuk, zelfs bij een oneinding aantal herhalingen. Deze waardes zijn bekend en een framebouwer houdt hier natuurlijk rekening mee.
Aluminium heeft geen vermoeidheidsgrens. Klinkt goed… maar is het helemaal niet! Dit betekent dat zelfs een minuscule belasting, wanneer hij maar genoeg keer wordt uitgeoefend, onherroepelijk leidt tot een vermoeidheidsbreuk. Hoe valt dit nu weer te rijmen met de hoeveelheid aluminium frames op de markt, gaan deze dan allemaal breken? Gelukkig niet, of beter gezegd….niet perse…..
Zoals reeds eerder gezegd hangt alles af van wat een ontwerper doet met het materiaal. Hij zal dus rond deze belangrijke tekortkoming van aluminium moeten werken. Oplossingen zijn oa. gussets (plaatselijke verstevigingen), buizen met variabele wanddikte (zgn. butted buizen), of algemeen grotere banddiktes gebruiken. Het komt er dus op neer om een grote veiligheidsmarge in te bouwen en meer materiaal te gebruiken op plaatsen met hoge belastingen. Op die manier worden interne spanningen verdeeld in de buizen en wordt de levensduur verhoogd.
Impactweerstand
Deze eigenschap hangt nauw samen met de rek / ductiliteit /taaiheid. Stel je even het volgende voor: je rijdt met je mountainbike door een prachtig landschap en plots sta je voor die uitdagende afdaling met beneden het café met dat éne lekkere biertje. Maar eerst moet je een stuk met veel losliggende stenen verwerken. Goed getraind als je bent, rem je niet af maar ga je in rechte lijn naar het bier. De stenen en keien vliegen in het rond en raken je onderbuis. En dan gebeurt het: net voor je kunt gaan genieten van dat biertje (of energiedrank) val je en het frame raakt een grote steen. Tijdens de val hoop je dat je een frame hebt waarbij de impactweerstand voldoende hoog is zodat je zonder problemen kunt gaan vallen. Natuurlijk ga je niet denken aan de impactweerstand van een frame tijdens een val, een fabrikant moet er over nagedacht hebben. De meeste metalen (staal, aluminium en vooral titanium) scoren goed in deze gevallen. Naargelang de kracht van de impact zal deze leiden tot een deukje of vervorming. Slechts zelden leidt een impact rechtstreeks tot een breuk. Er is eigenlijk maar één materiaal dat ondermaats scoort en dat is… juist, carbon Carbon gaat scheuren/breken zonder enige waarschuwing. Dus titanium heeft hoogste impactweerrstand, gevolgd door staal en aluminium.
Corrosieweerstand
Zeker in het Nederlands weer is de weerstand tegen corrosie een belangrijke factor. Carbon is hier logischerwijze de winnaar, het is geen metaal dus corrosie is onbekend. Titanium ongevoelig voor diverse chemische (oxiderende) invloeden. Het grote voordeel van titanium als framemateriaal is dan ook dat het niet gelakt moet worden, en dat levert een aanzienlijke gewichtsbesparing op. Bijkomend voordeel is de hoge hardheid zodat ook krassen weinig kans maken, als er een kras komt dan zal een oxidelaag het weer snel verhullen.
Aluminium is een speciaal geval: blank aluminium vormt in de buitenlucht een oxidelaag op de oppervlakte. Dit laagje is echter zo hard dat het in principe een bescherming vormt voor het onderliggende basismateriaal. Men kan dus niet echt spreken van “roest” maar iedereen kent wel de doffe vlekken op een gepolijst aluminium frame. Dit is echter vooral een esthetisch probleem, het materiaal zal hierdoor niet degraderen. Toch verkiest men meestal om aluminium te beschermen met een laklaag.
Bij staal is het echter wel noodzakelijk om een bescherming te voorzien. Door weersinvloeden zal het materiaal roest vertonen en degraderen, gelukkig worden stalen frames goed behandeld. En juist een goed stalen frame is heel duurzaam.
Conclusie
In onderstaande tabel staan de scores uitgewerkt een 1 als een materiaal het hoogst scoort en een 4 als deze het laagst scoort. Er zijn drie materialen…maar 4 scores….Dit komt omdat in de tabel ook carbon (composiet) wordt meegenomen. Echter carbon is geen metaal en daarom in het bovenstaande stuk als zodanig ook niet meegenomen, want carbon is een veelkoppig materiaal, wat het onnodig ingewikkelder maakt om materiaal eigenschappen te beschrijven.
Tabel eigenschappen materialen
Hieruit blijkt dat, wanneer we enkel de materiaaleigenschappen op zich bekijken, titanium als winnaar uit de bus komt, gevolgd door een gedeelde plaats voor staal en carbon en als laatste aluminium.
Als je dit leest is het wonderbaarlijk dat bijna de hele wereld op aluminium rijdt. Dat geeft dan ook meteen aan dat we niet enkel deze scores mogen gebruiken om een materiaalkeuze te maken. Door alle eigenschappen op bij elkaar te nemen kunnen ontwerpers sommige eigenschappen beïnvloeden en zo de nadelen ombuigen in voordelen. “Oversized” aluminium of “butted” buizen, ovalen, etc beïnvloeden de eigenschappen. Toch kan gesteld dat de meeste oplossingen dezelfde invloed hebben op de verschillende materialen, dus zijn bovenstaande scores wel degelijk belangrijk en zijn ze de basis voor de frame ontwerpers.
De eigenschappen van een complete fiets wordt voor een groot gedeelte bepaalt door de gebruikte randmaterialen. De invloed van een bepaalde velg/spaken heeft meer invloed op het rijgedrag dan het frame zelf. En wat te denken van stuur/stuurpen combinatie, banden en zadel.
Een héél belangrijk punt wat betreft de frame materialen. De emotionele en commerciële overwegingen mogen nooit uit het oog verloren worden. De uiteindelijke kostprijs zal bepalend zijn voor het succes op de markt. Een fietsmerk kan natuurlijk een ultieme fiets op de markt zetten voor bv de wedstrijdrijder, maar zal relatief weinig geld in het laatje brengen. Hoogstens is het een uithangbord voor het merk. Zo van: “tot dit zijn we in staat, kijk eens!!!”; wat natuurlijk ook wel belangrijk is voor een fabrikant ,het zal de verkoop stimuleren voor de goedkopere niet puur wedstrijd gerichte modellen.
Dé reden waarom voor frames aluminium de standaard is, is dat bauxiet voor 8% deel uitmaakt van de aardkorst en makkelijk winbaar is. Zonder in te gaan over het hoe en wat: aluminium is het goedkoopste grondstof om fietsen van te maken. Neemt natuurlijk niet weg dat aluminium een goed materiaal is. Maar het verkoopargument dat aluminium zo licht is (door bijna elke fietsenverkoper aangehaald) is niet perse waar. Fietsen is milieuvriendelijk. Echter de productie en eventueel vernietiging van aluminium en carbon is zeer belastend. Staal en titanium is wat dat betreft milieuvriendelijker.
Aan het eind van deze hele verhandeling kan dus gesteld worden:
Uit Staal, Aluminium, Titanium en Carbon is mogelijk om uitstekende frames te maken. De keuze voor één van deze metalen is persoonlijke keuze, gebruik en vooral:
Gevoel
Carbon voor de wedstrijdrijder is goed te verdedigen. Echter carbon voor een gemiddelde fietser met geen hogere belangen dan lekker fietsen en ‘het halen’ is er geen reden om over te stappen op carbon, integendeel….. . Wat heb je aan een frame van 1 kg als deze na een val eigenlijk meteen bij het grof vuil kan?
Wat mij aanspreekt in staal:
Dunne buizen, die een ‘cleane’ look geven. De duurzaamheid en daarmee samenhangend de milieu effecten en….over 10 jaar rijdt je nog in de mode. En.....ik ben een beetje eigenwijs....
STAALPRAAT
