Ist Kohlefaser für Bremsscheiben geeignet? Samuel testet.

Kohlefaser-Bremsscheiben sorgen für Aufsehen. Der schlechte Ruf des Materials bezüglich der Wärmeableitung ist in der Felgenbremswelt wohlverdient, daher ist es eine berechtigte Frage, ob es in die Nähe einer Bremsfläche gehört. Samuel hat den TC-160 unabhängigen Zertifizierungstests unterzogen, um diese Frage mit Daten zu beantworten.

Das Argument der Carbon-Felgenbremse und warum es bei Bremsscheiben nicht zutrifft

Abbildung 1: Quelle: dandyhorse.cc, Bild einer beschädigten Carbon-Felgenbremsflanke.

Die Kritik lautet: Kohlefaser ist ein schlechter Wärmeleiter, und daher können die Carbonfelgen bei längerem Bremsen die Wärme nicht ableiten, wodurch die Felgentemperatur ansteigt und potenziell zu Felgenversagen oder sogar Reifenplatzern führen kann.

Kohlefaser-Verbundwerkstoffe bestehen aus 2 Materialien: Kohlefaserfilamenten und dem Epoxidharz, das alles zusammenhält.

Die Hitzebeständigkeit der Kohlefaserfilamente selbst ist meist nicht das Problem, sondern das Epoxidharz, genauer gesagt dessen Glasübergangstemperatur (Tg).

Wenn das Harz die Tg erreicht, wird es weicher und die Struktur verliert ihre Integrität.

Viele Felgenhersteller verwenden zwar hoch-Tg-Harze, die auf dem Papier für 200-230°C ausgelegt sind, überspringen aber den kritischen Nachhärteprozess während der Produktion. Ohne ordnungsgemäße Nachhärtung (typischerweise 90-120 Minuten bei erhöhter Temperatur) erreicht das Harz nie seine angegebene Tg, und Ausfälle können bereits bei Temperaturen von 100°C auftreten.

Die Nachhärtung steht im Konflikt mit dem Produktionsdurchsatz. Sie ist zeitaufwändig, begrenzt die tägliche Leistung und erhöht die Kosten.

Viele chinesische Felgenmarken werben mit hoher Leistung und niedrigen Preisen. In vielen Fällen liegt der Grund einfach darin, dass der Nachhärteprozess vollständig übersprungen wird. Ohne diesen kann man keine Felge mit hoher Temperaturbeständigkeit herstellen. Dies ist ein weiterer Grund, warum die Industrie von Felgenbremsen auf Scheibenbremsen umgestiegen ist, da die Suche nach aerodynamisch optimierten Laufradsätzen Kompromisse bei der Bremssicherheit bedeutet.

Abbildung 2: Aero Samuel Rotor mit Carbon-Lamellen.

Mit Scheibenbremsen ändert sich die Wärmebelastung einer Carbonstruktur jedoch völlig. Die Bremsfläche ist ein separates Material, typischerweise Edelstahl oder Stahl+Aluminium+Stahl, wie es Shimano verwendet. Das Carbon in den Laufrädern ist nicht mehr im thermischen Kreislauf.

Die Frage ist also: Wie verhalten sich Carbon-Lamellenrotoren unter thermischer Belastung?

Zuerst aber wollen wir untersuchen, wie sich der TC-160 Carbon-Lamellenrotor unterscheidet.

Was ist das Besondere am TC-160?

Der TC-160 verwendet Harz in Luft- und Raumfahrtqualität, komplett mit Nachhärtung, wodurch die Carbon-Lamellen ihre strukturelle Integrität bis zu 350°C beibehalten können.

Im Vergleich dazu haben Aluminiumlegierungen einen sicheren Betriebsbereich von nur etwa 110-120°C.

In Kombination mit hochmodularen Kohlefaser-Lagen ist der Rotor strukturell steifer als ein Aluminium-Äquivalent, wodurch das Risiko einer Rotationsverformung durch Hitze und damit verbundenes Bremsenquietschen reduziert wird.

Der Nachhärtungsprozess dauert 8-9 Stunden pro Charge. Die Teile kühlen im Ofen auf natürliche Weise ab, um innere Spannungen durch schnelle Temperaturwechsel zu vermeiden, was die Produktion auf einen Ofenzyklus pro Tag und nur zwei bis drei Zyklen pro Woche begrenzt.

Man versteht, warum viele Unternehmen versucht sind, den Nachhärteprozess zu überspringen, um mit der Nachfrage Schritt zu halten. Samuel geht jedoch keine Abkürzungen ein und wählt den richtigen Weg, auf Kosten ihrer Produktionskapazität.

Ein weiterer Punkt, den viele Menschen nicht kennen, ist, dass Kohlefaser eine höhere natürliche Vibrationsfrequenz als Metall hat. Dies bedeutet, dass der TC-160 von Natur aus weniger anfällig für Bremsenquietschen ist, das durch Reibung während des Bremsens verursacht wird, als normale Rotoren mit Aluminiumlamellen.

Wie schneidet der TC-160 im Vergleich zu Shimano ab?

Samuel hat Tests mit Wärmebildkameras durchgeführt. Die angezeigten Farben sind relative Temperaturen, keine absoluten Temperaturen.

Für absolute Temperaturen müssen die Parameter an die Emissivität jedes Materials angepasst werden, um die wahre Temperatur an jedem Ort zu erhalten. Daher dienen die aktuellen Farbfelder nur der visuellen Identifizierung.

Zweiteilige Rotoren mit Aluminiumlamellen (Shimano Dura-Ace als Referenz) leiten Wärme gut ab und leiten sie effizient von der Bremsfläche aus Edelstahl ab.

Abbildung 3: Wärmebild der Dura-Ace Rotoren

Abbildung 3 zeigt tatsächlich eine starke Wärmeleitfähigkeit. Die Wärme wird von der Bremsfläche zu den Aluminiumlamellen abgeleitet, wie die roten Markierungen zeigen.

Abbildung 4: Wärmebild der TC-160 Rotoren.

Die Carbon-Lamellen des TC-160 haben tatsächlich eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der Dura-Ace Rotor, jedoch:

1. Edelstahlnieten an der Verbindung zwischen den Carbon-Lamellen und der Bremsfläche wirken als Wärmebarriere und begrenzen die Wärmeübertragung in die Carbonstruktur.
2. Der Carbon-Verbundwerkstoff selbst hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Hitzebeständigkeit.

Kurz gesagt, Aluminiumlamellen haben eine gute Wärmeleitfähigkeit, sind aber im Vergleich zu Kohlefaser weniger steif.

Der TC-160 leitet Wärme nicht so effizient ab, aber das strukturelle Design basiert auf hoher Hitzebeständigkeit statt auf Wärmeleitung, wodurch das Risiko von Rotationsverformungen durch Beibehaltung einer ausgezeichneten Steifigkeit der Lamellen verringert wird.

Wie verhalten sich die Carbon-Lamellen unter thermischer Belastung?

Abbildung 5: Temperaturdaten, die nach einer 15%igen Steigung und starkem Bremsen gesammelt wurden.

Abbildung 6: Temperaturdaten, die 10 Sekunden nach einer 15%igen Steigung gesammelt wurden.

Abbildung 5 zeigt hohe Temperaturen an der Edelstahlbremsfläche, während die umgebenden Bereiche nach starkem Bremsen an einer 15%igen Steigung kühl bleiben, wie die kühle blau/hellgrüne Zone zeigt.

Abbildung 6 zeigt, dass die Temperatur der Edelstahlbremsfläche allmählich abnimmt. Währenddessen überträgt sich die Wärme an den Edelstahllamellen langsam auf die Nietpunkte und diffundiert an die Oberseite der Kohlefaserlamellen.

Dies deutet darauf hin, dass die hohe Wärme der Edelstahlreibplatte allmählich über die Lamellen zum Nietpunkt geleitet wird. Daher ist um den Nietpunkt ein grünlicher Wärmepunkt zu erkennen.

Obwohl das Harz ein Wärmespeichermedium ist, ist der axiale Wärmeleitfähigkeitswert (k) der Kohlefaser immer noch überraschend hoch, sodass Farbflecken immer noch dort beobachtet werden, wo Wärme von der Kohlefaser abgeleitet wird.

Zertifizierung durch Dritte: CHC Prüfbericht

Samuel hat den TC-160 durch das CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), eine taiwanesische Prüfstelle mit TAF (Taiwan Accreditation Foundation) Akkreditierung, unabhängig testen lassen. Die TAF-Akkreditierung bedeutet, dass die Ergebnisse international anerkannt sind.

Der CHC-Bericht bestätigte, dass der TC-160 die thermischen Leistungsstandards für Bremsscheiben erfüllt.

Bei realen Tests auf der Prüfmaschine überschritt die Edelstahlbremsfläche 600°C, während der Carbon-Lamellenbereich unter den gleichen Bedingungen knapp über 100°C maß, weit unter seiner Grenze von 350°C.

In der Realität können Rennräder keine Reibungstemperaturen der Bremsscheiben von über 600°C erzeugen, was die Robustheit dieser Rotoren bestätigt.

Die Aero-Variante

Die TC-160/140 Aero-Version verwendet ein modifiziertes Lamellenprofil, um axiale tangentiale Luftströmungsstörungen zu minimieren. Der Kompromiss ist eine leicht erhöhte Seitenwindempfindlichkeit im Vergleich zum Standard-TC-160. Sie eignet sich für spezielle Aero-Rennräder und Triathlon-Setups, bei denen dieser Kompromiss sinnvoll ist.

Zusammenfassung

Carbon-Bremsscheiben sind keine Carbon-Felgenbremsen. Carbon-Bremsscheiben sind aufgrund des unterschiedlichen Designs nicht anfällig für die Defekte von Carbon-Felgenbremsen.

Eine ordnungsgemäße Nachhärtung von Kohlefaserverbundwerkstoffen ist unerlässlich und trägt zur Robustheit dieser Rotoren bei, so dass unter realen Bedingungen ein Versagen des TC-160-Rotors aufgrund von aufgeweichtem Epoxidharz einfach nicht möglich ist, wodurch er die CHC-Zertifizierung, akkreditiert durch die Taiwan Accreditation Foundation, bestehen kann.