Werkstoffe im Motorradbau: Leichtmetalle (Archivversion)

Der Stoff, aus dem die Träume sind

Abspecken, überflüssige Pfunde loswerden – auch für Motorräder gelten feste Diätregeln. Viele Motorradbauer favorisieren deshalb Light-Produkte wie Aluminium, Magnesium und Titan, um Gewicht zu sparen. Leichtmetalle – die Stoffe der Zukunft?

Auch wenn Stahl oftmals durch nichts zu ersetzen ist (siehe Stahl-Report in MOTORRAD 1/2006), heißt der Trend im Motorradbau: Leichtmetalle. Denn um in höhere Weihen des Leichtbaus vorzustoßen, führt kein Weg an ihnen vorbei. Lediglich das eine Material durch das andere zu ersetzen reicht indes nicht,
um abzuspecken. Aluminium ist zwar fast dreimal leichter als Stahl, besitzt aber einen anderen so genannten Elastizitätsmodul (E-Modul). Vereinfacht ausgedrückt, gibt dieser E-Modul an, wie viel Widerstand ein Werkstoff seiner Verformung entgegensetzt. Und da Aluminium im Vergleich zu Stahl ein echtes Weichei
ist (siehe Info-Grafik Seite 64), müssen insbesondere tragende Bauteile entsprechend kräftiger dimensioniert werden. Entweder mittels dickerer Wandstärken, was jedoch den Gewichtsvorteil wieder aufhebt (wie beim vergleichsweise schweren Rahmen der ersten Suzuki-GSX-R-Serie von 1984), oder durch sehr voluminöse Kastenprofile. Bei Motorrädern hat Ende der Achtziger erstmals Yamaha mit dem wuchtigen, doch sehr dünnwandigen
Deltabox-Brückenrahmen der FZR 1000 bei gleicher Steifigkeit einen tatsächlichen Gewichtsvorteil erzielen können.
Ex-Rennfahrer und Ingenieur Erik Buell nutzt diese Konstruktionsart auf ganz spezielle Weise. Sein extrem voluminöser, zwölf Kilogramm leichter Alu-Brückenrahmen sowie die Schwinge dienen gleichzeitig als Benzin- und Öltank, nach der Devise: Warum (hohlen) Raum verschenken? Und die Kilos für ein extra Spritfass entfallen an der richtigen Stelle, nämlich weit weg vom Schwerpunkt der Maschine.
Selbst stark beanspruchte und tragende Teile können aus widerstandsfähigen Legierungen wie dem landläufig als Flugzeugaluminium bekannten 7020 oder dem harten 7075 mit ihren charakteristischen Zink- und Mangan-Anteilen gebaut werden. Außerdem ist Aluminium sehr korrosionsbeständig. Anders als unbehandeltes Eisen bildet es eine lediglich 0,001 Mikrometer dünne Oxidschicht aus, die das darunter liegende Gefüge unter anderem davor bewahrt, zu korrodieren und sich im Endeffekt in Luft aufzulösen. Um das weiche Material vor Verletzungen zu schützen, bieten sich Oberflächenveredelungen wie das Eloxieren im galvanischen Bad an.
Noch leichter, aber weicher ist Magnesium. Mit einem äußerst
geringen spezifischen Gewicht von knapp 1,8 Gramm pro Kubikzentimeter wiegt es rund ein Drittel weniger als Aluminium und
ist das leichteste Metall im Motorradbau. Haupteinsatzgebiete: Gehäusedeckel und Räder. Bei vielen Sportmaschinen gehören Magnesium-Seitendeckel mittlerweile zum guten Ton. Allerdings ist die Verarbeitung von Magnesium sehr heikel. Dessen Metallspäne sind hochentzündlich und können für ein hübsches, jedoch ungewolltes Feuerwerk sorgen. Verarbeitende Betriebe müssen deshalb mit speziellen Löschvorrichtungen ausgestattet sein. Außerdem unterliegt Magnesium enormen Alterungsprozessen. Unbehandelt zerfällt das feste Material durch Kontakt mit Luftsauerstoff innerhalb weniger Monate zu einem weißen Pulver,
dem Magnesia – Gewichtheber oder Geräteturner schätzen es,
Konstrukteure nicht. Ursprünglich hat man Teile aus Magnesium durch Bichromatisieren vor dem rapiden Verfall geschützt, was
eine für dieses galvanische Verfahren typische Goldfärbung der
Oberfläche bewirkt. Dadurch entstand der falsche Eindruck, der
Goldton sei die natürliche Farbe des eigentlich mattgrauen und wenig ansehnlichen Metalls. Heutzutage werden Magnesiumteile üblicherweise lackiert, vorzugsweise goldfarben.
Besonders hoch im Kurs steht der Werkstoff im Rennsport: Allein am Vorderrad eines Supersportlers lassen sich durch Magnesium-Felgen rund 1,5 Kilogramm gegenüber Alu-Modellen einsparen, besseres Einlenkverhalten wegen geringerer Kreiselkräfte ist die erwünschte Wirkung dieses Tunings. Hersteller
PVM, Telefon 0621/855202, empfiehlt jedoch für einen völlig unbedenklichen Gebrauch, die Räder nach einer Saison aus-
zutauschen. Im Frühjahr 2006 will der Leichtmetallspezialist aufgrund hoher Nachfrage ein mit neuer Legierung geschmiedetes Magnesiumrad mit Straßenzulassung bringen – dessen Verfalls-datum: immerhin erst nach vier Jahren. Bisher hatte sich der TÜV mit Freigaben für Teile aus dem bei falscher Behandlung und
Pflege sehr bruchgefährdeten Material schwer getan.
Wesentlich langlebiger: Titan. Es ist kaum korrosionsanfällig, besitzt sehr gute thermische Eigenschaften sowie eine hohe Zugfestigkeit. Zudem wiegt Titan rund 40 Prozent weniger als Stahl, und sein E-Modul gibt grünes Licht für viele Bauteile, die in Aluminium oder Magnesium nicht machbar sind. Also eigentlich schon fast ein Wundermetall für den Motorradbau – bis auf ein kleines Problem: der Preis.
SEM-Titan, Telefon 05173/2366, stellt unter anderem Titanschrauben her. Seine Klientel: Sportfahrer, die ihr Motorrad brutal auf Diät setzen, sowie Besitzer von Streetfightern und hochpreisigen italienischen Maschinen, die ihr exklusives Motorrad bis ins letzte Detail veredeln möchten. Verständlich, denn wer mehr als 25000 Euro für ein Zweirad ausgibt, an dem die serienmäßig chromatierten Stahlschrauben hässlich rosten, gönnt sich lieber einen Satz aus feinem Titan. Der spart rund ein Kilogramm
Gewicht, kostet allerdings schnell mal 1500 Euro, allein schon die Hinterachsmutter mit Konus für eine MV Agusta schlägt mit 340 Euro zu Buche. Und so orderten laut Henning Riechey von SEM-Titan in den letzten zehn Jahren lediglich drei, vier Kunden auf einen Schlag einen kompletten Satz – die Mehrzahl der Kunden veredelt peu à peu das Motorrad. »Die rufen dann regelmäßig an und sagen, dass sie wieder neuen Stoff brauchen«, berichtet Riechey. Er selbst muss für den »Stoff« ebenfalls tief in die Tasche greifen, seit die zurzeit prosperierende Flugzeugindustrie hohen Bedarf anmeldet. Während Alu beim Großhändler rund fünf Euro pro Kilogramm kostet, löhnt er für Titan mehr als 20-mal so viel. 1995 bezahlte er gerade mal 45 Mark für das Kilo.
Von steigender Nachfrage berichtet auch der deutsche Termignoni-Importeur Hänsle Motorradsport, Telefon 07822/44580. Außer Profis wählen mittlerweile viele Hobbysportler Volltitan-Auspuffanlagen, die im Vergleich zu Stahlprodukten rund vier
Kilogramm weniger wiegen. Lieber Gewicht als Geld sparen? Bei Hänsle kann man sich jedenfalls vorstellen, dass Titan über kurz oder lang Edelstahl verdrängen wird. Und die Hersteller selbst setzen ebenfalls verstärkt auf Titan. Suzuki bei der Auspuffanlage für die GSX-R 1000, Yamaha bei der neuen YFZ-R6 außerdem
bei den Ventilen. Letzteres weniger, um das Gesamtgewicht des Motorrads zu senken, sondern weil Stahlventile bei Drehzahlen jenseits von 15000/min zu hohe Massenkräfte aufbauen.
Es gibt also genügend Gründe, die für Leichtmetalle wie Titan, Magnesium und Aluminium sprechen. Zumal die Rohstoffe reichlich vorhanden sind. Titan wäre sogar aus Meerwasser zu gewinnen, Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste
und es ist ein Produkt des nach dem französischen Fundort Le Baux benannten Mineral Bauxit, von dem allein Australien, Westafrika oder Jamaika Vorräte für die nächsten Jahrzehnte beherbergen. Das Problem ist die Gewinnung und Herstellung dieser Leichtmetalle. Reinaluminium etwa wird im elektrolytischen Verfahren hergestellt und benötigt rund 18-mal so viel Energie wie bei der Stahlproduktion. Norwegen ist mit seinem günstigen Strom aus Wasserkraft deshalb weltgrößter Aluminiumproduzent. Da die Energiepreise in Zukunft vermutlich eher steigen als fallen werden, wird zwangsläufig auch Aluminium teurer. Selbst das Recycling erfordert einen extrem hohen Energieeinsatz und bietet deshalb keine wirkliche Alternative.
Ein Zukunftspotenzial haben Leichtmetalle dennoch, auch wenn die Verarbeitung (siehe Kasten: »Alu-Schweißen: eine Kunst«) von solchen Werkstoffen mitunter kompliziert und teuer ist. Aluminium, Magnesium und Titan scheitern im Motorradbau oftmals – ungeachtet besserer Materialeigenschaften – schlicht und einfach am Kosten-Nutzen-Kalkül der Hersteller. Diese arbeiten aber permanent an Verfahren und Techniken, um den Einsatz von Leichtmetallen kostengünstiger zu gestalten. So fertigt Suzuki seit vier Jahren einen Alu-Rahmen für die SV 1000, der durch
ein Hoch-Vakuum-Guss-Verfahren lediglich aus zwei einfach zu verschweißenden Gussteilen besteht. Dieses Kosten senkende Verfahren wird auch bei der Fertigung der kleineren Schwester
SV 650 angewendet. Das Beispiel zeigt, dass selbst in der vom Rotstift diktierten Mittelklasse in größerem Maße Stahl durch Leichtmetalle ersetzt werden kann.
Professor Dr. Eduard Arzt vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart sieht die Bestrebungen, vermehrt Leichtmetalle zu verwenden, sehr positiv: »Immer, wenn sich ein anderer Werkstoff oder ein neues Verfahren als Alternative anbietet, löst das einen Wettbewerb aus. Seit Alu stärker auf den Markt drängt, werden wiederum leichtere und bessere Stähle entwickelt. Dieser Wettbewerb tut dem Fahrzeugbau sehr gut.« Der Metallforscher wagt außerdem eine Prognose, die vielen Motorradfahrern vermutlich gar nicht schmecken wird: Werkstoffe aus Keramik oder Kunst- und Verbundstoffen könnten in manchen Bereichen Metallen bald den Rang ablaufen. Der Traum vom Plastik-Motorrad mit Metall als notwendiger Nebensache? Für die meisten Motorrad-Fans wohl eher ein Alptraum. Andererseits: Die Trendsetter aus der MotoGP-Klasse setzen verstärkt auf Karbon. Doch das ist eine andere Geschichte – demnächst in MOTORRAD.
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Sauer, Martin: Interview (Archivversion)

Martin Sauer führt einen auf Reparaturen und Sonderanfertigungen für Motorradteile spezialisierten Betrieb in Oberkirch im Schwarzwald (www.alusauer.de).
Warum trauen sich nur wenige Betriebe an Alu- und Leichtmetall-Schweißarbeiten heran?
Weil dabei viel kaputt gehen kann. Für Arbeiten mit besonders dünnwandigem Material muss man sehr viel Erfahrung und ein gutes Auge haben. Der Knackpunkt ist das richtige Timing, eine Sekunde kann über Gut und Böse entscheiden: Exakt in dem Moment, in dem sich das Grundmaterial verflüssigt, muss der passende Schweißdraht zugeführt werden. Gleichzeitig müssen Winkel und Abstand des Brenners zum Material sowie die Schutzgasmenge stimmen. Beim kleinsten Patzer brennt man ein Loch ins Werkstück, und unter Umständen ist ein kompletter Rahmen reif für die Tonne. Zum Umgang mit Aluminium finden sich sicherlich viele schlaue Bücher, zum souveränen Alu-Schweißen bedarf es jedoch
jahrelanger Übung.
Sind denn Reparaturen an Motorradrahmen überhaupt zulässig?
In der Regel führt eine derartige Reparatur ohne entsprechende Genehmigung zum Erlöschen der Betriebserlaubnis. Bei Unfällen im Straßenverkehr, schlimmstenfalls sogar mit Personenschaden, kann sogar der Schweißbetrieb herangezogen werden.
Die Hersteller lehnen eine Reparatur außerhalb des
eigenen Hauses meistens ab. Aufgrund der Haftungspflicht lasse ich lieber die Finger davon. Anders sieht es im Rennsport aus: Da die Motorräder auf abgesperrter Piste bewegt werden, spricht nichts gegen eine fachgerechte Reparatur oder sonstige Modifikationen an Rahmen und Fahrwerk. Das entsprechende Know-How besitze ich.
Handarbeit oder Schweißroboter: Was ist besser?
Ein Roboter zittert nicht nach durchzechter Nacht, hat niemals schlechte Laune und kann rund um die Uhr arbeiten. Er ist allerdings nur so gut, wie der Mensch, der ihn programmiert – auch hier gibt es große Qualitätsunterschiede. Für Hersteller mit großen Stückzahlen lohnt die Automatisierung. Bei den individuellen Wünschen meiner Kunden werde ich
hingegen wohl immer ein echter Handwerker bleiben.

Sauer, Martin: Interview (Archivversion) - ALU-SCHWEISSEN: Eine Kunst

Leicht ist das Metall Aluminium schon, aber leicht zu schweißen nicht. Im Vergleich zu
Arbeiten mit Stahl erfordert Alu eine aufwendige und penible Behandlung.
Die korrosionhemmende und lebensverlängernde Oxidschicht des Aluminiums stellt nicht nur für chemische Angriffe aus der Umwelt ein Hindernis dar, sondern erschwert auch das Schweißen. Der Schmelzpunkt von Aluminium-
oxid liegt bei 2000 Grad Celsius, das reine Metall schmilzt schon bei 660 Grad Celsius. Um die Oxidschicht zu durchbrechen, hat sich beim Schweißen von im Motorradbereich üblichen Alu-Legierungen deshalb das so genannte Wolframelektrode-Inert-Gas-Verfahren (kurz: WIG-Schweißen) durchgesetzt. Hierbei erzeugt eine Elektrode einen rund 3000 Grad Celsius heißen Lichtbogen (keine Flamme!),
der die sich von alleine schließende Oxidschicht mit einer Wechselstromfrequenz durchbricht.

Um diesen Lichtbogen herum bildet das Schweißgerät mittels einer Düse einen gasförmigen Schutzraum – vergleichbar
mit einer Käseglocke. In der Regel besteht dieser Gaskegel aus dem einatomigen Argon. So bleiben Luftsauerstoff und andere chemische Verbindungen vom Schweißpunkt fern. Ohne Schutzgas käme es zu Verunreinigungen, welche
die Schweißnaht empfindlich schwächen. Der Lichtbogen schmelzt das Grundmaterial und den jeweils auf die Legierung abgestimmten, aufgetupften Schweißdraht zusammen. Das geschmolzene Material fließt vom Schweißpunkt nach außen und erkaltet in den Randzonen. Die aus aneinander-
gereihten Schweißpunkten bestehende Schweißnaht erhält
die für Alu-Schweißen typische Schuppung.

Durch die hohen Temperaturen beim Schweißen besteht jedoch je nach Wandstärke die Gefahr, Löcher in das gesamte Gefüge zu brennen. Hochsensibles Vorgehen ist gefragt.

Gut durchgeführte Arbeiten erkennt man an einer gleichmäßigen Schuppung und glatten Oberfläche. Die Schweißnaht besitzt eine flache Kontur, im Idealfall gehen die Randzonen nahtlos in das Grundmaterial über. Schlecht, weil die später einwirkenden Kräfte ungleichmäßig verteilend und so Rissbildung fördernd: Vertiefungen in der Randzone (Einbrand), unterschiedliche Abstände der einzelnen Schweißpunkte mit kleinen Wülsten und Sprenkeln sowie eine unterschiedlich breite Naht mit spitzer Kontur und scharfkantigen Rändern.

Ganz übel: erkennbare Verunreinigungen innerhalb
der Schweißnaht, die sich etwa durch schwarze Punkte
oder Luftblasen wie bei einem Schweizer Käse zeigen.
Um hohe Qualität zu gewährleisten, sollte ein Alu-Teil nach
dem Schweißen wärmebehandelt werden, denn ein zu schnelles Auskühlen schwächt die Schweißnaht, die in der Regel schwächste Stelle des Gefüges.

Sauer, Martin: Interview (Archivversion) - Leichtmetall am Motorrad

Sportliches Gegengewicht zur üblichen Heavy-Metal-Ware
aus dem Hause Harley-Davidson: Konstrukteur Erik Buell
setzt bei seinen XB-Modellen auf Alu-Leichtbau (siehe Tabelle).
A Motor: Gehäuse (Aluminiumguss, lediglich Seitendeckel lackiert), Kolben, Zylinder, Kupplungskorb (Aluminiumguss), Ölkühler (Aluminiumlegierung, lackiert) B Räder: Felgen, Speichen (Aluminiumguss, lackiert), Radachsen (hochfeste Aluminiumlegierung) C Bremsanlage: Sattel (Aluminiumlegierung) D Gabel: Standrohre (Aluminiumlegierung), Gabelbrücke (Aluminiumguss, oberflächenbehandelt) E Federbein: Dämpferkörper (Aluminiumlegierung, oberflächenbehandelt) F Brems-/Kupplungsarmaturen: Aluminiumguss, lackiert G Verkleidungshalter: Aluminiumguss, lackiert (bei
XB-R-Modellen aus Magnesiumguss, lackiert) H Fußrasten: Aluminiumguss I Rahmen: Profile aus Aluminiumlegierung, lackiert (Rahmen ist gleichzeitig Kraftstofftank) J Rahmenheck: Aluminiumguss, lackiert (bei XB-R-Modellen: Alu-Kastenprofile, lackiert) K Schwinge: Aluminiumguss, lackiert (Schwinge ist gleichzeitig Öltank) L Sekundärantrieb: Zahnrad hinten (Aluminiumguss, teillackiert)

Sauer, Martin: Interview (Archivversion)

Goldig: Räder, Schwinge, Rahmenplatten und untere Gabelbrücke – in der Serie Oro veredelt MV Agusta
die feine, straßenzugelassene Supersportlerin F4
750 S mit ultraleichten Magnesium-Teilen und erklärt, derlei exklusive Werkstoffe seien das Zuckerchen
obendrauf. Preisunterschied zum Standardmodell:
rund 7500 Euro

Sauer, Martin: Interview (Archivversion) - Im Vergleich: Eigenschaften von Leichtmetallen gegenüber Stahl*

*Ungefähre Werte für im Motorradbau üblicherweise verwendete Legierungen: Magnesium ZW3, Aluminium 7020, Titan Ti6Al4V, Stahl 25CrMo4
**Beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten. Je höher der Wert, desto steifer das Material

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