Lotz Carbon - Blog
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Willkommen auf der Startseite
Umfrage zum Thema Rennradlenker PDF Drucken E-Mail
Geschrieben von: Julian Lotz   
Mittwoch, den 20. Februar 2013 um 16:40 Uhr

Hallo liebe Leser!

Heute helfe mal nicht ich, sondern ich benötige Hilfe. Mir spukt seit einer Weile im Kopf herum, noch mal was an Produkt auf den Markt zu bringen. Und dazu muss ich natürlich wissen, was wollen die Kunden überhaupt?

Wenn Ihr die Umfrage (geht wirklich zügig) mitmacht, wäre das großartig, gerne darf sie auch geteilt werden!

Link: https://de.surveymonkey.com/s/253D682

Vielen, vielen Dank schon mal!

Julian


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Komfort durch Carbon? PDF Drucken E-Mail
Geschrieben von: Julian Lotz   
Donnerstag, den 20. Dezember 2012 um 12:12 Uhr

Hallo liebe Leser!

Nach einer langen, langen Pause gibt es endlich wieder mal einen Beitrag. Kurz ein paar Worte, warum so lange Pause war: Das Studium stresste, ich bin seit September Praktikant bei Karl Mayer Composite Parts (Link). Das Praktikum läuft noch bis 31.01.2013 und ist eine der letzten Handlungen im Studium vor der Masterthesis. Dann habe ich mich nebenbei noch um meine Beschäftigung nach dem Studium gekümmert. Ja, und so kommt es dann, das ziemlich wenig Zeit zum schreiben, und noch weniger Zeit zum Basteln zur Verfügung stand. Aber gut.

Worum geht es heute?

Neulich fand im Tour-Forum mal wieder eine "alte" Diskussion statt (Link). Die Frage war: Sind Rahmen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), also i.d.R. Carbon, komfortabler als Metallrahmen?

Um hier mal zu einer Aussage zu kommen, habe ich ein bsischen gegrübelt und gerechnet, und möchte die Ergebnisse hier heute vorstellen. Außerdem mag ich kurz mal erklären, was es mit den Begriffen eigentlich auf sich hat, mit denen alle immer hantieren, die aber sehr oft falsch gebraucht werden. Deswegen erst mal zu den Begriffen:

- Federung, Steifigkeit: Wie gut ein Rad bzw. ein Rahmen federt, hängt von seiner Steifigkeit ab. Klar. Aber auch hier besteht oft Verwirrung. Sicher kennen viele von Euch die Aussage "Mein Alurahmen ist bretthart, mein Stahlrahmen (alternativ: Carbonrahmen, Titanrahmen) ist viel komfortabler!" (Alternativ auch gerne in Bezug auf die Lenkkopf- oder Tretlagersteifigkeit bezogen, nur das hier Carbon in der Wahrnehmung meist sehr gut wegkommt...). Jetzt hat sich daraus leider eine Denkweise abgeleitet und verselbstständigt, die Steifigkeit nur noch in Bezug zum Material setzt. Alurahmen sind generell steif, Stahlrahmen generell eher weich, usw., also muss ja Alu steif sein, Stahl weich und so weiter. Jetzt sind die Materialien natürlich unterschiedlich steif. Das drückt man durch den sogenannten E-Modul aus, das ist eine Größe, die beschreibt, wie viel Kraft man benötigt, um das Material um einen gewissen Betrag zu dehnen. Wer sich da ein bisschen mit befassen möchte, lese hier nach: Link. Die unterschiedlichen Materialien sind bezüglich ihrer Steifigkeit übrigens in etwa folgendermaßen einzuordnen:

E-Moduln

 

Bei Carbon ist zu sagen, dass er E-Modul natürlich Richtungsabhängig ist, die angegeben Werte habe ich für Laminataufbauten angegeben, die in einem Fahrradrahmen üblich sind (z.B. im Unterrohr), mit Fasern, die bei Rahmen üblich sind, und in Längsrichtung des Rohres.

Dann gibt es noch die Schubsteifigkeiten, die sind weniger wichtig, aber hier schneiden die Faserverbunde i.d.R. (jedenfalls bei Laminaten, die man so für Fahrradrahmen einsetzt) schlechter ab als Metalle. Die Schubsteifigkeit ist für den Komfort nur bedingt nutzbar, hat aber Einfluss auf die Torsionssteifigkeit eines Rahmens. Die Verteilt sich in etwa so:

G-Moduln

Jetzt hat das aber noch nichts mit der Bauteilsteifigkeit zu tun, und die interessiert uns als Radfahrer wenn wir z.B. einen Rahmen beurteilen wollen. Die Bauteilsteifigkeit setzt sich zusammen aus der Materialsteifigkeit, also E- und G-Moduln, sowie der Bauteilgeometrie. Logisch: Ein Seil mit Querschnitt 20 mm² ist auch doppelt so steif wie ein Seil gleichen Materials mit Querschnitt 10 mm². Jetzt kommt bei der Komfortgeschichte auch Biegung dazu, da hängt es nicht wirklich von der Querschnittsfläche ab, sondern auch von der Querschnittsform. Grundsätzlich gilt da aber, je voluminöser das Profil, desto steifer, dabei kann auch die Wanddicke sinken.

Wenn nun etwas "gut federt", dann meint man damit, dass die Bauteilsteifigkeit niedrig ist. Ob das nun von einem wenig steifen Werkstoff oder einer wenig steifen Konstruktion kommt, ist dabei erstmal gar nicht wichtig.

Oft werden übrigens Steifigkeit und Festigkeit durcheinander geworfen. Die haben aber nichts miteinander zu tun - Festigkeit sagt nur, wie hoch man ein Maerial beanspruchen kann, bis es versagt. Ein Material kann sehr steif sein, aber eine niedrige Festigkeit haben (sehr einfacher Stahl wie St235 oder so etwas), oder bei niedriger Steifigkeit eine hohe Festigkeit haben (hochfestes Aluminium z.B., bei 1/3 der Steifigkeit durchaus das Doppelte der Festigkeit zu St235).

- Dämpfung: Ein unglaublich gern gebrauchtes Wort in Bezug auf den Komfort ist die Dämpfung. Aber ich glaube, kaum ein anderer Begriff wird bezüglich Fahrrädern so oft falsch verwendet. Dämpfung sagt aus, wie viel (Bewegungs-)Energie eine sich bewegende Struktur in Wärme umwandelt. Was man häufig hört, ist die Aussage "Das Rad dämpft die Bodenwellen unglaublich gut weg!". Das ist - leider - völliger Unfug. Das Rad "schluckt" die Unebenheiten weg, das ist aber der Verdienst einer guten Federung, also einer niedrigen Steifigkeit. Wie viel Energie dabei dissipiert wird, ist für das Fahrempfinden beim überfahren der Bodenwelle erstmal gar nicht wichtig. Dämpfung sorgt nur dafür, dass man nach überfahren der Bodenwelle nicht ewig weiterwippt.

Dazu hier eine kleine Grafik:

Gedämpft-ungedämpft

Die beiden Systeme stellen einen Fahrer auf einem Fahrrad dar. Das Fahrrad ist für beide Grafiken gleich nachgiebig, der Fahrer gleich schwer, die Anregung ist in beiden Fällen eine gleich große Unebenheit am Boden. Nur die Dämpfung unterscheidet sich. Im oberen Graph liegt eine sehr niedrige, "schlechte" Dämpfung vor, im unteren eine sehr hohe "gute" Dämpfung. Dargestellt in den Graphen ist die Auslenkung x2, um den es den Fahrer im Sattel bewegt (in der Vertikalen), sowie die Zeit in Sekunden in der Horizontalen. Die Unebenheit wird nach einer Sekunde passiert. Für die technisch versierteren: Fußpunkterregung, Fahrrad masselos, Fahrer 75kg, Sprungeingang mit 0,01 m Wegerregung, Steifigkeit 350 N/12 mm, Dämpfung 30 bzw. 300 Ns/m, maximale negative Beschleunigung des Fahrers 9,81 m/s².

Was kann man aus diesen Diagrammen schließen?

Das gut gedämpfte Fahrrad lässt den Fahrer schon kurz nach der Bodenwelle nichts mehr davon spüren, während der Fahrer auf dem schlecht gedämpften Fahrrad noch eine ganze Weile ein Wippen verspürt. Außerdem hebt es den Fahrer nur etwa 7mm aus dem Sattel, während das schlecht gedämpfte Fahrrad den Fahrer um etwa 10mm aus dem Sattel hebt. Viel Dämpfung ist in diesem Fall also eine tolle Sache. Es gibt aber noch etwas, was hier auch toll ist: eine weiche Federung. Das zeigt die nächste Grafik. Aufgetragen sind wieder die selben Größen, ich habe nur etwas an den Parametern gedreht, damit man es besser sieht. Das weich gefederte Modell hat (bei gleicher Dämpfung von 30 Ns/m) eine um 100% größere Nachgiebigkeit, es sind bei 350 N schon 24mm Absenkung.

 

weich-hart

 

Schlussfolgerung? Federung macht da bei der einzelnen Bodenwelle und in dem Bereich, in dem man sich bei Rennrädern bewegt, eigentlich gar nix aus. Nur die Frequenz, in der man nachwippt, die ändert sich natürlich mit der Steifigkeit. Aber eben nicht in einem Maße, dass man Schwingungsisolation schaffen könnte, oder ein merklich anderes Verhalten hätte.

 

Wie sieht es jetzt aber aus, wenn wir nicht über einen kleinen Fahrbahnabsatz fahren, sondern über eine Straße mit vielen, zufällig verteilten Unebenheiten? Auch das kann man simulieren, als Eingangssignal kommt jetzt statt einem Sprung ein zufälliges Rauschen, etwas geglättet mit einem Gaußfilter (man rollt ja nicht eckig über ein Hindernis, das Rad ist ja Rund, man wird sanfter steigen bzw. fallen) und mit 50 Stufen pro Sekunde. Man fährt also z.B. bei 30 km/h über eine Straße mit 6 Unebenheiten pro Meter. In einer Sekunde Fahrtweg legt man aslo folgendes Höhenprofil zurück: (Unebenheiten auf der y-Achse in m, Achtung, Skalierung auf 10E-3!).

Fahrbahnprofil

 

Damit ergibt sich für die beiden unterschiedlich hart gefederten Räder folgendes Bild für den Fahrer:

Wellige Fahrbahn hart-weich

 

Die weiche Federung schluckt die Bodenunebenheiten - nicht - besser. Woran liegt das? Naja, um Schwingungsisolierend zu wirken, muss die Federung so weich sein, dass die Freuqenz, mit der das System zu Schwingungen angeregt wird, mindestes 1,5 mal so hoch ist, wie die Eigenfrequenz des Systems (die Eigenfrequenz ist die Frequenz, in der der Fahrer auf und ab wippt, wenn er nur über einen einzelnen Absatz fährt). Und das ist hier nicht der Fall. Und wenn man unterhalb dieser Schwelle bleibt (und das tut man mit Rennrädern), dann schaukelt sich das weichere System auf, es wirkt Schwingungsverstärken. Jedenfalls was die Amplitude angeht, also wie weit man hoch und runter wippt. Und jetzt kommt gleich die schlechte Nachricht hinterher: So weich kann man ein Rennrad konventioneller Bauweise gar nicht machen, dass es auf einer schlechten Straße zu einer guten Schwingungsisolation kommt, ohne, dass das Fahrverhalten sträflich schwammig würde. Aber immerhin: Die Kräfte, die auf den Fahrer wirken (das ist im Diagramm unter "g" aufgetragen, bezogen auf die Erdbeschleunigung), die sind mit der weichen Federung etwas geringer. Man bewegt sich auf dem weichen Rad also mehr auf und ab, aber es fühlt sich nicht so schlimm an. Immerhin.

Und weiter geht es mit schlechten Nachrichten: Die Dämpfung bringt auch nur dann etwas, wenn die einzelnen Stöße zeitlich lange genug auseinander liegen, ihre Frequenz also recht niedrig ist. Dann hat man zwischen den Unebenheiten nicht so viel Wippen. Bei sehr hohen Frequenzen (sofern man nicht gerade eine Eigenfrequenz trifft) neigt das Rad mit hoher Dämpfung zu stärkeren Vibrationen. Das passiert meistens beim auf der Straße herumfahren und sieht dann so aus:

 

Dämpfung und unebene Fahrbahn

 

Man sieht also, dass man mit hoher Dämpfung geringere Schwingungsbreiten hat, also weniger stark auf und ab wippt. Das liegt an den noch relativ niedrigen Frequenzen (bezogen auf die Eigenfrequenz), in der die Unebenheiten kommen. Das wäre ja schon mal positiv. Aber leider kommt es durch die hohe Dämpfung zu relativ hohen Kräften, die auf den Fahrer wirken, die sind bei etwa dreifacher Dämpfung gerne mal 20-30% höher, als bei niedriger Dämpfung, wie man sieht.

 

Aber, und das ist die eigentlich interessante Aussage: Bei den Simulationen musste ich generell eine Dämpfung einstellen, die weit höher ist, als das, was ein Fahrradrahmen an Materialdämpfung bieten kann, um realistische Schwingungen zu bekommen. Das lässt folgenden Schluss zu: Ein Großteil der Materialdämpfung findet nicht im Rahmen statt (mit 0,1% Verlust bei Metall und 1% bei Faser-Kunststoff-Verbunden ist das sowieso nicht viel), sondern mutmaßlich deutlich stärker in den Reifen (Elastomere haben nicht nur eine niedrige Steifigkeit, sondern auch eine sehr hohe Dämpfung), sowie, dominierend, in dem dicken Dämpfer, der oben auf dem Sattel sitzt. Der Mensch ist nicht nur durch seine hohe Masse erheblich für das Schwingungsverhalten verantwortlich, er dissipiert (wandelt in Wärme um) mutmaßlich auch fast die komplette Energie, die durch Vertikalbewegungen, anfällt. Der Mensch macht's auch beim Komfort.

Welche Empfehlen kann/sollte man jetzt also bezüglich des Fahrradrahmens geben?

  • Da die Dämpfung des Rahmens im Gesamtsystem völlig untergeht, können hier mit Carbonrahmen allenfalls geringfügige Verbesserungen erzielt werden. Die wirken dann auch nur so richtig bei glatter Straße mit einzelnen Absätzen. Den Einfluss der Materialdämpfung im Rahmen auf das Gesamtsystem kann man jedenfalls mit Sicherheit nicht spüren, so klein ist er.
  • Der Rahmen ist auch bezüglich der Steifigkeit eine der steifsten Komponeten im System. Reifen, Sitzpolster, Fettpolster am Hintern und vielleicht noch je nach Ausführung die Laufräder und die Sattelstütze haben hier mehr Einfluss. Schwingungsisolation durch ein vertikal weiches Rad greift aber leider auch nur richtig bei hochfrequenten Vibrationen, nicht bei welliger Straße (da wirds sogar schlimmer). Das Rad ist einfach zu steif und der Fahrer (hoffentlich) zu leicht. Bezüglich der vertikalen Nachgiebigkeiten kann man mit Faser-Kunststoff-Verbunden aber immerhin tendentiell etwas mehr erreichen als mit Metallen. Und das kann die Kräfte auf den Fahrer etwas verringern. Im vergleich mit Sattel, Reifen, Sattelstütze, Sitzpolster und Körpergewebe im Sitzbereich macht der Rahmen aber weit weniger aus, der ist gegenüber diesen Ansatzpunkten völlig irrelevant.
  • Der Rahmen kann ggf. mit seinen Eigenschaften besser oder schlechter zu einem konkreten Fahrer passen - je nach Körpergröße, Körperspannung, Gewicht, Körperfettanteil, Körperbau und Sitzposition hat der Mensch sicher variierende Steifigkeiten und Dämpfungsgrade, die mal besser, mal schlechter mit einem konkreten Rahmen harmonieren werden.
  • Insgesamt hilft es sicherlich unter Komfortaspekten, die Dämpfung an der wichtigsten Stelle zu verbessern, und die Systemmasse zu erhöhen, um niedrigere Eigenfrequenzen zu bekommen. Dann spürt man die besseren Federungseffekte besser, und die Dämpfung hilft auch eher. Weihnachten bietet sich da an, esst also die Weihnachtsgans mal alleine, und nehmt ordentlich zu, da ist das mit Abstand größte Potential!

Die Plausibilität der obigen Aussagen hat übrigens noch einer unserer Maschinendynamikspezialisten hier in der Firma gegengecheckt.  Damit behaupte ich einfach mal:

Der Rahmen eines Rades, gleich ob Metall oder FKV, hat mit dem Gesamtkomfort eines Rades so ziemlich am allerwenigsten zu tun, mit viel Aufwand kann man geringfügige Verbesserungen erreichen. An sich ist es aber wohl müßig, über Rahmen im Zusammenhang mit Komfort zu diskutieren. Beschränkt euch auf Reifen, Sattel, Sattelstütze und Lenkerband, und nehmt vor allem zu.

 

 

Nachtrag: Ich bin ja kein MTBler, aber ich vermute einfach mal, dass deswegen die MTB-Federgabeln und Dämpfer so heftig gedämpft, aber gar nicht so arg gefedert sind. Extrem weiche Feder mit relativ hoher Dämpfung scheint für ein Rad nicht so doof zu sein. In die Regionen der aktiven Federelemente des MTB kommt man aber eben mit dem RR nicht.


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Von der Faser zum Fahrrad - Teil XX PDF Drucken E-Mail
Geschrieben von: Julian Lotz   
Sonntag, den 15. April 2012 um 16:23 Uhr

Hallo liebe Leser!

Nach ausgedehnter "Pause" geht es endlich weiter. Leider hat die Uni viel Zeit verschungen, ich bin seit Weihnachten kaum in der Werkstatt gewesen, habe ein Projekt mit einem Hersteller von Carbon-Beinorthesen für Kinder durchgeführt, und letztlich habe ich nach einer stressigen Zeit etwas Ruhe gebraucht.

Diese Woche habe ich für die Hinterradnabe (letzter Stand hier) die lasergesinterten Titan-Zahnscheiben bekommen. Vielen Dank an dieser Stelle an David (Ihr kennt ihn ja aus seinen 2nd-Ride-Beiträgen, wo wahrscheinlich bald auch was Neues kommt!), der sich um die Fertigung gekümmert hat!

 

Zahnscheiben_1

Zahnscheiben, lasergesintert aus Titan.

 

Die Zahnscheiben sind kompatibel zu DT-Naben, besitzen 36 Zähne in der Stirnverzahnung und wiegen im Paar exakt 10g. Zum Vergleich: Die gewöhnlichen Stahlscheiben haben 18 Zähne und wiegen ca. 24g, die leichtere Version, auch von DT zu haben, Stahl, innen ausgedreht, wiegt ca. 15g und besitzt 36 Zähne. Die Rasterung ist also feiner im Vergleich zur Standardzahnscheibe und reduziert den Winkel, bis der Freilauf sperrt, auf die Hälfte oder 10°. Das Gewicht konnte um gut 58% bzw. 33% gesenkt werden. Außerdem sind die beiden Zahnscheiben unterschiedlich, dadurch befindet sich - im Gegensatz zu den Originalteilen - der komplette Zahn der Stirnverzahnung im Eingriff. Die Originalteile weisen auf dem Innenradius einen Spalt zwischen den Zähnen auf.

 

Zahnscheiben_2

Zwei identische Zahnscheiben - daher der Spalt. Wird bald behoben durch Nachfertigung der passenden Scheiben.


Als Anschlag für die Federn, die die Zahnscheiben zusammen drücken, dient das auf dem Bild zu sehende Fachwerk. Der Innenring ist eigentlich nur aus fertigungstechnischer Sicht notwendig, wird dieser dünner ausgeführt als auf dem Bild zu sehen, bschädigt man die Zahnscheiben zu stark, wenn man sie nach dem Lasersintern von der Unterlage löst. Die jeweils tragenden Querschnitte entsprechen jeweils mindestens denen der leichten DT-Zahnscheiben. Kerben wurden soweit möglich reduziert, so sind die Übergänge der Verzahnung auf der Außenseite zur Stirnverzahnung nach Möglichkeit etwas verrundet, auch die Taschen des Fachwerks sind einschließlich ihrer Böden verrundet. So werden Spannungsspitzen reduziert, das Material wird an diesen Stellen niedriger beansprucht.

 

Zahnscheibe_schnitt

Schnitt durch die Zahnscheibe - man sieht die verrundeten Taschen und den verrundeten Übergang von Außen- zu Stirnverzahnung.

 

Überhaupt möglich wird dies durch den Fertigungsprozess des Lasersinterns:

Hier wird schichtenweise ein Metallpulver aufgebracht, und an den Stellen, wo später Materialzusammenhalt gewünscht ist, wird das Pulver durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen und verbindet sich. So lassen sich quasi beliebige Geometrien erstellen, Extrembeispiele sind "gedruckte" Zahnradgetriebe und ähnliches. Wer sich ein paar andere Beispiele anschauen möchte, dem sei ein sehr guter Thread im Light-Bikes-Forum empfohlen: Link.

Von den Zahnscheiben ist übrigens bereits ein Paar in einem Lighweight-Hinterrad im Einsatz. Diese haben nun etwa 300km hinter sich, sind etwas eingeschliffen (man sieht ja, dass die Oberfläche aus der Maschine heraus recht rau ist), laufen leiser als Originalscheiben und halten zumindest bisher. Die oben gezeigten Scheiben werde ich bereits im Vorfeld etwas schleifen. Wenn sie dann eingelaufen sind, werden sie eventuell noch mit Titannitrid (TiN) beschichtet, diese z.B. von Aluminiumkassetten oder Bohrern, Fräsern und Wendeschneidplatten bekannte Beschichtung erhöht die Härte und reduziert den Verschleiß durch Reibung.

 

Und dann habe ich ein Foto gefunden, das ich damals noch gar nicht veröffentlicht habe - nämlich die Nabe inkl. der Flansche. Hier habe ich eine besonders feinschichtige Platte aus CF-EP gebaut und dann auf der Fräse bearbeitet. Die Bohrungen für die Speichen sind nämlich nicht rund, sondern aus zwei Kreisgeometrien zusammengesetzt. Nach innen hin ist der Radius größer, um die Speichen einfädeln zu können, nach außen hin beträgt der Radius passende 1,8mm für die Sapim Superspoke. Der perfekte Sitz der Speichen reduziert die Flächenpressung im Speichenloch - zusammen mit dem sehr feinschichtigen Aufbau soll das Probleme mit Zwischenfaserbruch/Delamination an dieser Stelle verhindern. Eventuell werde ich die Flansche noch ähnlich der leichten Tune-Naben außen mit Roving armieren.

 

HR-Nabe

Hinterradnabe mit Flanschen.

 

Dann sei noch kurz etwas zum Bahnrahmen gesagt: Leider ist die Tretlagerhülse etwas schief im Rahmen - die muss also noch mal herausgetrennt werden und neu eingeklebt werden. Wird ein Spaß, so gut wie ich die Verklebung gemacht habe... Mitnehmen konnte ich daraus, dass ohne Rahmenlehre oder andere, ordentliche Vorrichtung, zumindest das Tretlager (und vermutlich auch das Steuerrohr, das habe ich aber noch nicht versucht) nicht ausreichend gerade eingeklebt werden kann. Gerade Tretlager und Steurrohr sind da sehr empfindlich auf Winkelabweichungen, am langen Hebelarm einer Kurbel oder Gabel machen sich kleine Abweichungen gleich sehr stark bemerkbar. Ich werde also demnächst eine Rahmenlehre bauen, um das Steurrohr, die Ausfallenden und das Tretlager an den Rahmen zu fügen, dann werden auch die Muffen laminiert und die Zugverlegung fertig gestellt. Und im Folgenden geht es dann wohl auch wieder mit dem leichten Rahmen weiter.

Also, dann bis demnächst wieder!

 

English summary:

Hi folks,

finally something new... I was a bit stressed with exams, projects etc., so there was a long break. This week I got laser sintered ratchets for DT-hubs. They were constructed by me and made by David, who you might know from his 2nd-Ride-Project on this site. The ratchets are made from titanium, weighing 10g and having 36 teeth. The lightest available DT ratchets come in at 15g and also do have 15 teeth. As you can see, they are raw and have to be sanded a bit. after that they might get a TiN-coating to prevent them from abrasion. Their face gearing is fitting better than the original is due to two different pieces who were matched to each other better. To reduce local stress, all edges were broken if possible to eliminate sharp notches.

In the third picture you can see the hub with its flanges, they are made from very thin plies to get better strength. I machined them with the CNC mill and made the spoke holes matching perfectly to Sapims Superspoke to reduce contact pressure.


I also have to give you an Update  concerning the track frame. The BB shell is a bit beveled, I have to cut it out and put it in another time. I will do that using a frame gauge. This will be best, also to prevent the steerer tube and the dropouts from getting out of place. After all, I can not recommend glueing those pieces together without some gauge - if there is a long lever like it is with the crank, the fork or the rear wheel, even small irregularities have big effects. Okay - I knew that before, but at least I do not get them together properly without some precise tools.


Have a nice time until the next episode is coming!

 


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Von der Faser zum Fahrrad - Teil XIX PDF Drucken E-Mail
Geschrieben von: Julian Lotz   
Donnerstag, den 29. Dezember 2011 um 18:16 Uhr

Lange war Pause - jetzt über die Feiertage (wünsche übrigens schöne Tage gehabt zu haben!) ging es endlich weiter. Und es gab gar nicht so unerhebliche Fortschritte.

Zuerst habe ich mich mal den Kettenstreben angenommen. Noch mal ein bisschen Feintuning an der Gehrung, damit sie auch an den Rahmen passen. Der Rahmen, soviel zur Geometrie, hat ungefähr 10mm mehr Bodenfreiheit als ein normaler Straßenrahmen (jedenfalls wenn ich mich da richtig erinnere, was Straßenrahmen üblicherweise so haben), aber das liegt darin begründet, dass ich ja auch auf die Bahn können möchte damit, und wenn man dort nicht auf 165mm-Kurbeln umsteigen will, sondern bei 172,5mm oder 175mm bleiben mag, dann ist die Bodenfreiheit nicht schlecht angelegt. Auch wenn es bei dem Rad wohl nur um die 1000m oder die 4000m ginge, wo ja an der blauen Linie gefahren wird. Wenn man aber mal langsam weiter oben auf der Bahn rumrollen möchte, wird das je nach Überhöhung mit einem normalen Straßenrahmen schon mal knapp, und man könnte in die Verlegenheit kommen, mit dem kurvenäußeren Pedal aufzusetzen.

Ausrichten der Kettenstreben.



Ausgerichtet habe ich die Kettenstreben - ganz Heimwerker-Pfusch-like mit Brettchen, Aluklötzen, Lineal, Fäden etc., die Konstruktion ist teils auf dem Bild oben zu sehen.

Weiter ging es dann mit dem Unterrohr - das war ja schon auf Gehrung, musste also auch nur noch ausgerichtet und gefügt werden. Dabei habe ich dann gemerkt, dass sich das Profil leicht verdrillt hat bei der Produktion des Rohres - wahrscheinlich bei der Arbeit mit dem Schrumpfband. Das einfach diagonal gewickelt verdrillt natürlich das Rohr leicht beim Schrumpfen, weil es auch längs etwas schrumpft, quer nachrutscht, aber längs das ganze Profil mit verdreht (es wird ja ans laminat gepresst, und zieht dann daran). Glücklicherweise ist die Drillung noch im Rahmen, mit ein bisschen Extramaterial an den Enden bekommt man das unter den Muffen gut versteckt. Das Profil selbst ist ja auch zum Glück nicht so anfällig gegenüber Fehlanströmungen, wie es ein extremes Tropfenprofil gewesen wäre. Alles in allem kann man aber festhalten, dass Schrumpfband bei einem weichen Kernmaterial wie Styrodur nicht zu empfehlen ist. Das hatte ich damals ja schon festgestellt in Bezug auf die Oberflächengüte (wegen der "Stufen"), jetzt kommt noch ein Grund dazu. Daher der Tipp an die Heimwerker: Wenn euch der Schrumpfschlauch ausgeht, und nur noch Schrumpfband da ist, dann wartet lieber die Lieferung mit dem Nachschub an Schrumpfschlauch ab...

Nun gut, fixiert habe ich die Rohre übrigens wieder alle mit 5-Minuten-Epoxy. Das lässt sich nachher übrigens - weil es so unglaublich schlecht haftet - wieder von den Rohren runterbrechen, dann hat man mehr Klebefläche für richtigen Kleber.

 

Anpassen der Geometrie des Tretlagerbereiches.

 

Später wieder zu entfernende Kehlnaht aus 5-Minuten-Epoxy.


Das Unterrohr habe ich dann noch mit einem kleinen Gusset aus Airex-Schaum ans Oberrohr angebunden, rein der Sicherheit halber, und um dort schon mal ein bisschen Spachtel anzubringen, um das Steuerrohr anbinden zu können. Das ist auf den beiden folgenden Fotos dargestellt.

 

"Gusset" aus Schaum, um Unterrohr und Oberrohr zu verbinden und zu fixieren.

 

Verspachtelt, um mehr Festigkeit und Steifigkeit herinzubringen (damit ich das Steuerrohr besser einpassen kann).




So, dann waren als nächster Schritt wieder ein paar Angstfasern dran. Hier habe ich die Kettenstreben durch UD-Band mit dem Unterrohr verbunden, damit das Tretlager auch dort noch mal gehalten wird, und das Unterrohr nicht einfach nach vorne bzw, die Kettenstreben nach hinten abhauen können. außerdem habe ich Sitzrohr und Unterrohr noch "zusammengebunden", das hat eigentlich bei näherem Hinsehen nicht so viel Sinn was die Lastpfade angeht, aber Schaden tut's nix, und ob ich nun Spachtel hinklatsche, oder ein paar Fasern, das ist hier dann auch egal. Beim leichten Rahmen kommt dort nur ein bisschen Leichtspachtel hin, um die Radien zu vergrößern.

 

Zusätzliche Rovings, um Kettenstreben und Unterrohr zu verbinden.

 

Rovings, die Unterrohr und Sitzrohr verbinden - die sind aber nicht so wirklich notwendig.



Diese "Konstruktion" habe ich dann ein bisschen mit Abreißgewebeband fixiert, verpressen kann man das nicht wirklich nennen...

 

Fixierte Rovings für den Reservelastpfad.



Nebenbei, das kleine rosa Styrodurmodell war Positivform für das folgende (noch nicht fertige) Teil. Bisher hat noch niemand den Zweck erraten...

 

???, schlecht laminiert und noch nicht ganz fertig.



Gut, was fehlt noch? Ausfallenden, genau. Man nehme ein hundsgewöhnliches Stahlblech, biege es sich auf den (hoffentlich) richtigen Winkel, klebe eine Passfeder (das ist das ovale Stahlklötzchen auf dem nächsten Bild) mit 5-Minuten-Epoxy auf (wie toll sich das Zeug wieder löst, ohne die Platten einzutrennen, sieht man weiter unten noch), und dann trennt man alles mit Grundierwachs und Polyvinylalkohol ein. Das Trennmittel bildet dann beim trocknen eine Folie, die ein Verkleben von Form und Bauteil verhindert.

 

Stahlblech mit Passfeder als Form.

 

Seitenansicht - man sieht die Biegung des Bleches.



Dann schneidet man sich allerlei Zuschnitte. Ich habe viel 0°/90° und ein bisschen +-45° gemacht, das kam mir sinnvoll vor für die Ausfallenden. Weil aber das 400g-Leinwandgewebe aus dickem 12k-Roving so gerne auseinanderfällt beim schneiden, habe ich alles ganz leicht mit Sprühkleber (Aerofix 2, erhältlich bei R&G) benebelt. Senkt zwar die Festigkeit, verhindert aber das Ausfransen beim Schneiden, wie man schön auf dem 1:1-Crop sehen kann. Wenn ich die Schere endlich mal zur Aufarbeitung weggeben würde, wäre es noch besser vom Schnittbild... (Oder man arbeitet mit EC-Cuttern, das sind kleine elektronische Scheren, die funktionieren viel besser als normale Scheren.)
Jedenfalls wird dieser Sprühkleber auch zum fixieren von Zuschnitten beim RTM-Verfahren eingesetzt, und er ist für sowas optimiert. Der Festigkeitsabfall wird also im Rahmen des Möglichen klein gehalten, zu viel sollte man aber eben trotzdem keinesfalls draufsprühen.

 

Mit Sprühkleber fixiertes Gewebe, Zuschnitt und Schablone.

 

Man sieht den feinen Sprühkleber-Nebel, der sich auf dem Gewebe abgesetzt hat und es fixiert.




Für die Passfeder muss man auch noch ein bisschen was ausschneiden, das sieht man auf dem nächsten Bild.

 

Zuschneiden der Gewebestücke (Langloch).



Dann tränkt man alles Schicht für Schicht (viel Harz unten auf die Platten, dann von unten nach oben durcharbeiten, Schicht für Schicht, und zwischendrin natürlich immer Harz nachlegen, so minimiert man die Luftporen). Als letzte Schicht kommt Abreißgewebe drauf (was das ist, habe ich ja in einer älteren Episode mal erklärt, benutzt einfach die Suche, falls es nicht mehr geläufig ist), darauf dann der übliche Vakuumaufbau mit Lochfolie (durch die kann das Harz nachher raus) und Saugvlies (das nimmt das überschüssige Harz auf und lässt Luft aus dem Laminat in Richtung Vakuumpumpe durch).

 

Fertig laminiertes Ausfallende mit Abreißgewebe.

 

Vakuumaufbau mit Form-Laminat-Abreißgewebe-Lochfolie-Saugvlies. Drumherum kommt noch ein Foliensack.



Ich weiß, ich habe gesagt, dass ich nichts benutzen will, was nicht jeder daheim auch hat, oder billig einkaufen kann. Deswegen die Alternative zum Vakuumpressen: Man baut einen zweiten Blechwinkel, packt hinter die Bleche jeweils Bretter, damit es steifer wird, und verpresst dann alles mit Schraubzwingen. Hier muss man darauf achten, dass das Laminat auf den Spalt zwischen den Blechen abgestimmt ist, und dass man außen Abstandshalter einlegt, um eine gleichmäßige Dicke zu erreichen.

Fertig sehen sie Rohlinge dann also so aus:

 

Rohlinge_Ausfallenden

Rohlinge der Ausfallenden, Passfeder und Kleberrest.




Die habe ich grob ausgeschnitten (Kontur aufgemalt, und dann mit der Metallsäge ausgesägt) und schon mal alles zusammengesteckt. Die Sitzstreben werden noch etwas niedriger angesetzt, und an den Ausfallenden ist natürlich auch noch Feinarbeit angesagt. Aber so langsam kann man erkennen, was aus dem ganzen Carbonzeug werden soll:


Rahmen_Vorschau

Man kann erahnen, was es werden soll...

 

So, dann wünsche ich noch einen guten Rutsch in's Jahr 2012!

 

 

English summary:

In this epoisode you can see how the downtube was attached to the bottom bracket, as well as the chainstays got attached to it. As usual I did this with a fast hardening epoxy resin which has very low adhesion. It's good enough to fixate the parts for laying up the additional load paths made from roving. After hardening them, the epoxy-fixation can be removed to get a larger bondable surface directly on the tubes.

I also made the dropouts. The mould was made from sheet metal, which I bent to the correct angle. A feather spring was used to create the slots for the hub. I used a vacuum supported process, but of course you can just make another mould from a steel sheet, glue the mouls onto some wood and get the laminte pressed with c-clamps. You just have to adjust the layup to match the offset between the moulds, which should be deteminded by spacers.

The last picture is the frame as it is now - the seatstays will get attached a bit lower of course, to match the toptube.

This summary is a bit short - but that's it. The rest is documented on the photos above - I just don't have to add something ;-). If you have questions left, feel free to leave a comment or write an email.

There is also something I saw in the sites statistics - one of the most often appearing referrers is the Google translation into English. So I had a look, and this translation is pretty good for a automatic generated one. Of course some technical vocabulary isn't translated, or is translated a bit funny, but I think you can use Google to get the more detailled version of the article. Maybe it's even good enough to replace my summaries? Tell me!


Have a happy new year 2012!

 


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Von der Faser zum Fahrrad - Teil XVIII PDF Drucken E-Mail
Geschrieben von: Julian Lotz   
Samstag, den 03. Dezember 2011 um 14:58 Uhr

So, liebe Leser, Weihnachten naht, und zumindest bis Neujahr hätte ich ganz gerne den Bahn- und Aerorahmen zusammengeleimt.Also ging es an diesem (leider verkürzten) Bastelwochenende ans Zusammenfügen der ersten Rohre.

Zuerst aber noch ein kleiner Nachtrag zum letzten Beitrag: Den Schrumpfschlauch sollte man vor dem Tempern der Rohre entfernen, nach dem Tempern bekommt man den nur noch unglaublich schlecht runter. Das habe ich vergessen zu erwähnen, aber Sebastian aka Coparni aka Carbonschmiede.de hat mich drauf aufmerksam gemacht. Danke Sebastian! Er hält übrigens den Uhu Endfest für merklich besser als den Epoxydkleber E von R&G - auch abgesehen von der Hydrolysebeständigkeit. Wo höchste Festigkeiten gewünscht sind, geht man also mit Uhu lieber auf Nummer sicher.

Da ich ja nun keine professionelle Rahmenlehre für diesen Rahmen verwenden will (was beim Steuerrohr übrigens noch einigermaßen Probleme machen wird- btw, ein Foto vom Steuerrohr mit Lagern habe ich natürlich vergessen zu machen...), wird also mit allerlei Unterlegern auf einer planen Holzplatte gebaut. Das kann so jeder nachmachen, die Kosten sind minimal. Die Holzplatte muss nur schön plan sein, das kann man mit einer Wasserwaage oder einer ähnlichen, absolut geraden Leiste/Brett/Stange kontrollieren. Für's Tretlager habe ich dann ein Loch in die Platte gebohrt und eine M12-Gewindestange durchgesteckt. Via Muttern und U-Scheiben kann man dann die Tretlagerhülse schön rechtwinklig auf die Ebene setzen und das Sitzrohr so fixieren. Die Detailzeichnung des Tretlagerbereiches habe ich einfach druntergeklemmt, das erleichtert die Ausrichtung der Rohre zueinander. Achso - entschuldigt die sehr mittelmäßigen Bilder - ich hatte meine Kamera diese Woche nicht dabei...

 

Tretlager_fixiert

Fixierung der Tretlagerhülse auf der Holzplatte.

 

Die Klebung der Gewindehülse an das Sitzrohr habe ich ja letzte Woche bereits behandelt. Heute kommt noch das Oberrohr an das Sitzrohr. Da die Züge innen verlegt werden sollen (Aerodynamik, schön saubere Optik), ist jetzt die Frage, wie man das angeht. Der Bremszug für die Hinterradbremse geht also vorne durch eine Bohrung seitlich in's Oberrohr hinein (Foto vergessen zu machen, kommt in 2 Wochen nach!). Allerdings soll der Zug nicht wieder seitlich aus dem Oberrohr raus, sondern erst hinter dem Sitzrohr. Da liegt er zum einen im Windschatten des Sitzrohres, zum anderen verläuft er eben auch einfach länger im Rahmen, das dürfte der Optik zugute kommen. Der Zug soll in einem dünnen Carbonrohr laufen - so kommt keinesfalls Dreck an den Zug. Außerdem wird das Carbonrohr zumindest weitgehend durchgängig sein, sodass man einen neuen Zug einigermaßen gut durchfädeln kann, wenn man ihn nicht gleich mit dem alten Zug oder einem Faden durchziehen kann, weil man in der Eile den alten Zug einfach so herausgezogen hat. Wer einen Rahmen mit innenverlegten Zügen fährt, weiß vielleicht, wovon ich spreche.

Also musste erstmal eine Bohrung durch's Sitzrohr, von vorne nach hinten, Durchmesser ~4mm, und unter einem Winkel der 90°-Sitzwinkel entspricht, damit das Kohlerohr auch einigermaßen gerade im Oberrohr verläuft. Aussehen tut das dann so:

 

Carbonrohr-Zug

Zugverlegung durch das Sitzrohr, Führung im Oberrohr.

 

Über dieses Führungsröhrchen kommt dann das Oberrohr. Natürlich funktioniert diese Bauweise nur, wenn man einen ISP-Rahmen baut, oder wenn die Stütze robust genug ist, um in passender Höhe eine Bohrung zu setzen. Das Carbonröhrchen wird hinten natürlich noch abgeschnitten, aber erstmal muss da später noch der Hinterbau dran und die Muffe gewickelt werden - danach wird dann der Überstand entfernt.

Gut, das Oberrohr habe ich dann also in passender Höhe an das Sitzrohr gelegt, und dann mit 5-Minuten-Epoxy fixiert, genau wie bei der Tretlagerhülse. Das sah dann so aus:

 

Oberrohr_fixiert

Oberrohr am Sitzrohr fixiert. Unten: das Unterrohr.

 

Im folgenden Schritt habe ich dann die Übergänge ein bisschen mit einem gefüllten Kleber geglättet. Hierzu habe ich Kohlenstofffaserschnitzel (3mm lang, tolles Wort!), Thixotropiermittel (das neue bei R&G, soll sich besser vermischen - scheint mir auch wirklich weniger Klümpchen zu bilden) und gemahlene Kohlenstofffaser (0,2mm lang) mit Laminierharz vermischt. Die Füllstoffe ohne Harz habe ich dann auch mal fotografiert, das kennt vermutlich kaum einer der Nicht-Heimwerker hier vom sehen her. Übrigens, Bilderrätsel, bis zur nächsten Folge darf geraten werden, was das kleine rosa Teil ist, was auf dem Bild links rumliegt.

 

Füllstoffe

Füllstoffe 2

Füllstoffe für die Klebermasse

 

Der Kleber darf übrigens gerne ziemlich harzreich angerührt werden - das Thixotropiermittel macht das alles sehr zähflüssig, und mit viel Harz vermeidet man zu viele Lufteinschlüsse, die sich bei den 3mm-Kohleschnitzeln sonst gerne mal bilden, wenn man nicht verpresst. Damit habe ich dann also ein bisschen Kanten, Absätze und Radien geglättet. Im weiteren Fortgang kamen dann noch Rovings bzw. UD-Band als Schlaufen um die Tretlagerhülse bzw. um das Sitzrohr. Damit will ich Reservelastpfade schaffen, damit selbst im Falle eines Schadens an einer der Muffen noch Fasern da sind, die das ganze ein bisschen zusammen halten.

Kurzer Einschub an dieser Stelle:

In diesem Zusammenhang verwenden viele Hersteller auch Aramidfasern. Aramidfasern haben eine sehr hohe Bruchdehnung, ertragen hohe Lasten (allerdings ausschließlich auf Zug, während C-Fasern und Glasfasern auch Druck können!) und wirken sehr gut als Rissstopper (ein Riss im Harz wird meist gestoppt, wenn er die sehr zähe Faser erreicht). Man könnte also meinen, dass es in Hinsicht auf das Bruchverhalten sehr nützlich sei, Aramidfasern in Rohrknoten hineinzulegen. Dabei werden aber gerne die Probleme außer Acht gelassen, die man sich mit der Aramidfaser in's Bauteil holt:

Aramidfasern sind wie schon gesagt nur auf Zug beanspruchbar (bei Druck knicken die Fasern in sich, auch im Verbund mit Harz). Sie müssen aufwändig getrocknet werden, da Feuchte ihre Festigkeit deutlich heruntersetzt (dazu bräuchte man einen entsprechenden Ofen, der auch die Luftfeuchte auf extrem niedrige Werte reguliert, sowas besitze ich nicht, und ob alle Fahrradhersteller in China sowas einsetzen sei auch mal dahingestellt...). Die Verklebung von Faser und Matrix ist kritisch. Die Faser-Matrix-Haftung ist bei Aramidfasern meist deutlich schlechter als bei C-Fasern oder Glasfasern. Zwischenfaserbrüche können an der Grenzschicht von Faser und Harz oft schneller entstehen. Einen Rissstopper-Effekt kann man auch durch Schichtung von vielen dünneren Schichten C- oder Glasfasern erreichen, wenn ihre Winkel etwas streuen (+-5° hilft da schon, gerne natürlich auch mehr, sofern das technisch sinnvoll ist). Das Bruchverhalten ist in solchen komplex beanspruchten Bereichen wie es die Rohrknoten sind (hier wirken ja Spannungen in alle möglichen Richtungen, die Laminate enthalten auch meist mehr als nur 2 Faserrichtungen) sowieso eher günstig (sofern keine ultrahochmodularen Fasern verwendet werden), weil die Steifigkeit deutlich abnimmt, bevor alles auseinander reißt. Das merkt man also rechtzeitig. Alles in allem denke ich, dass der Aufwand, der betrieben werden muss, um Aramidfasern dort sinnvoll einzusetzen, eindeutig zu hoch ist, verglichen mit dem Nutzen. Ein gut gemachter Rohrknoten, rein aus C-Fasern (meinetwegen mit zwei unterschiedlichen Fasertypen, eine steife, eine mit viel Bruchdehnung) ist absolut ausreichend.

So, also die Schlaufen jedenfalls werden großflächig an die Rohre angeschlossen, in deren Richtung sie liegen. Damit ist eine gute Krafteinleitung über die Klebung gewährleistet.

 

Schlaufe_OR

Schlaufe, die Oberrohr und Sitzrohr verbindet. Darunter teils gefüllte Klebermasse.

 

Diese Schlaufen werden dann ein bisschen mit Abreißgewebeband umwickelt und dann ausgehätet. Für das Tretlager sieht das dann so aus:

 

Schlaufe_BB

Verpresste Schlaufe am Tretlager.

 

Da die Fasern in der Schlaufe sehr straff gezogen werden können, muss man dort nicht unbedingt pressen, weil sich die Luft von selbst größtenteils rausdrückt. Das habe ich damals immer bei den Sattelklemmen gesehen - die waren ja auch nur straff gewickelt, mit gut getränktem Roving, die Laminatqualität war immer einwandfrei. Das funktioniert also sehr gut. Natürlich sinkt der Faservolumengehalt, man schleppt etwas mehr Harz als nötig mit - da das aber nur die Schlaufen betrifft, macht das am ganzen Rahmen nicht viel aus.

Übrigens ist es günstig, den Faservolumengehalt etwas zu senken, wenn die Fasern rein auf Zug beansprucht werden - während man üblicherweise 60% Fasern einstellt, ist es in Hinsicht auf Ermüdungsbeanspruchung günstig, den Fasergehalt auf 50% zu senken. Natürlich muss die Fasermenge gleich bleiben, sie wird also nicht gesenkt, sondern es wird einfach mehr Harz verwendet. Dadurch liegen die Fasern etwas weiter auseinander im Verbund, es gibt weniger Fehlstellen, wo zwei Fasern direkt aneinander reiben. Sollte ein Filament (=einzelne Faser) reißen, dann wirkt sie auf die etwas weiter entfernte Nachbarfaser nicht so stark als Kerbe. Für alle anderen Beanspruchungen der UD-Schicht sollte man sich beim Fasergehalt aber besser bei ~60% bewegen!

Gut, das wäre es dann auch für heute. Nächstes Wochenende gibt es keinen Fortschritt, da muss ich endlich mein seit einer Weile abgeschlossenes Bachelorstudium feiern. Die nächste Folge dürfte es dann eventuell übernächste Woche geben, spätestens am 25.12. gibt es aber das fertige Steuerrohr, die Ausfallenden, das kleine rosa Teil vom Bild oben (na, schon eine Idee?) und vielleicht auch den Hinterbau als solches. Vielleicht kommt in der Zwischenzeit noch ein Beitrag von David zu seinem 2nd Ride - falls Ihr die Serie noch nicht kennt, die Einführung gibt es hier: Link, den ersten Teil dort: Link, weitere Teile natürlich im Archiv.

Bis dahin eine schöne Vorweihnachtszeit!

 

English summary:


Hi out there! First: sorry for the not-so-good pictures this week - I forgot to take my camera to the workshop, so I had to take a small camera. This Weekend I attached the toptube onto the seattube. I used a plain wooden board as a device for positioning the tubes. The BB was attached with a thread bar, which made a good rectangular alignment of the BB to the frames plane. The cable for the rear brake is installed inside the toptube, it's going in at the left side in just behind the steering tube and it goes out through the seattube. Therefore I had to drill a ~4mm hole in which I bonded a small carbon fibre tube as some kind of liner.

The edges of the cross sections are smoothened with some epoxy based glue. I used the L20/EPH161 as epoxy system, but filled it with Aerosil and two kind of milled carbon fibre - 3mm and 0,2mm length. It's relatively important to use enough epoxy to prevent too much cavities. After that, I laminated some nooses to prevent the tubes from getting apart if the lug cracks. This was done for the toptube/seattube-intersection as well as for the BB. I pressed the laminte partially with some peel-ply.

BTW, you see that small pink part on the left of picture no. 4? Have a guess what this is for! ;-)

The next episode will be around december the 18th or the 25th! Have a nice pre-christmas period!


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