Het materiaal

Een standaard fietsframe bestaat uit 11 buizen, die zo intelligent aan elkaar zijn gebakken dat een aantal functies vervuld kunnen worden. Zo moet je er al je onderdelen op de goede plek aan kunnen hangen (niet onbelangrijk voor stuur, zadel en pedalen), het geheel moet voldoende stijfheid en sterkte hebben, en de fiets moet ook met bagage nog goed bestuurbaar zijn. Verder is het wel prettig als het allemaal ook nog een beetje oogt en niet overmatig zwaar wordt. En een frame is zeer bepalend voor de totale kwaliteit van een fiets. Je kunt wel dure spullen aan een slecht frame hangen, maar dat is alleen maar jammer. Mits het past, heb je vast meer plezier van een goed frame met een bescheidener afmontage. Kwaliteitseigenschappen zijn:

• levenduur, te bereiken door een op de materiaalsterkte afgestemde dimensionering, een juiste vormgeving van alle verbindingen, en een zorgvuldige fabricage, 
• de juiste mix tussen stijfheid en veercomfort, ook weer een functie van materiaal en dimensionering. Een frame moet zo stijf zijn dat het niet zwabbert in een afdaling, of aldoor doorzwaait in een zware beklimming. Maar teveel stijfheid is ook niet goed, omdat dan de banden veel meer stuiteren en de wegoneffenheden genadeloos worden doorgegeven,
• een goeie geometrie, voor bestuurbaarheid en rijeigenschappen,
• zorgvuldige afwerking, met alle aansoldeerdelen op de juiste plaats, en een lak die er na een paar vakanties nog op zit.

Tourfietsen zijn practisch altijd van staal- of aluminiumbuis, hoewel je op beurzen sporadisch een carbon of titanium frame tegen komt. Staal is het klassieke materiaal voor een toerfiets, maar vanuit de mountainbike-hoek rukt steeds meer aluminium op. 

Begrippen
Soortelijk gewicht: het gewicht van een bepaald volume materiaal. Een liter staal weegt 7.9 kilo, aluminium 2.7 kg, en titanium 4.5kg. Binnen gebruikelijke grenzen heeft het toevoegen van legeringselementen geen invloed op het soortelijk gewicht.
Treksterkte: de materiaalspanning (doorsnede/belasting) waarbij het materiaal breekt. De meeste metalen vertonen vloeigedrag: bij de vloeispanning (die lager ligt dan de treksterkte) zal het materiaal blijvend vervormen De vloeispanning is dus maatgevend, een hogere belasting en je frame is krom! Met legeren, warmtebehandelingen en koudvervormen kunnen de sterkteeigenschappen van legeringen worden opgevoerd. 
Stijfheid: Als je een materiaal belast zal het onder de krachtinvloed vervormen. Zolang je met de spanning onder de vloeigrens blijft is de vervorming elastisch en recht evenredig met de opgelegde belasting. De elasticiteitsmodulus is het getal dat aangeeft hoe ver een bepaald materiaal vervormd. De E-moduul van staal is drie keer zo groot als die van aluminium, dwz bij identiek gedimensioneerde constructies is die van aluminium drie keer zo slap. Legeringselementen hebben nauwelijks meetbare invloed op de stijfheid, een dure stalen buis is dus net zo stijf als een goedkope 'ijzeren'. Wel kan je de dure buis 4 of 5 x verder uitrekken, omdat de maximaal toelaatbare vloeisterkte veel hoger zal liggen.
 

Staal
Staal is een verzamelnaam voor legeringen gebaseerd op het element IJzer ((Fe(rrum). Door het in het kristalrooster inbouwen van diverse vreemde elementen met klinkende namen (zoals chroom, molybdeen en vanadium) en door warmtebehandelingen en koudvervormen kunnen de sterkte-eigenschappen sterk veranderd worden. De soortelijke massa van het staal en de elasticiteitmodulus (specifieke materiaalstijfheid) blijven daarbij practisch gelijk, maar het verschil in breuksterkte tussen het materiaal van een goedkope fiets en het staal uit een topklasse frame kan wel een factor 5 zijn. Bij gelijkblijvende sterkte zou je een frame van 'dure' buis dus vijf keer zo licht kunnen maken, ware het niet dat het frame dan ook bij het op de pedalen staan vijf keer verder doorbuigt, de elasticiteitsmodulus was immers niet veranderd! In de praktijk vallen dure frames ongeveer de helft lichter uit, en zijn ze ook minder torsiestijf! De verminderde stijfheid is aanvaardbaar omdat bij een goedkoop frame niemand over stijfheid nadenkt, de sterkte is maatgevend. Zo'n zwaar frame is daarom veel stugger dan nodig, en dat ook nog op de verkeerde plaatsen.
Behalve sterker is er echter nog een goede reden om duurder materiaal te kiezen, en dat heeft te maken met de dynamische materiaaleigenschappen. Dat er verschil is tussen materiaalsoorten onderling merk je al achter de bankschroef: een hoogwaardige buis klinkt veel helderder dan eentje van gewoon ijzer als je hem aantikt, en ook is het metaal veel harder. Zonder diep in te gaan in microrek, energiedissipatie cq de oppervlakte van de hysterese-lus, mag je onthouden dat het resultaat een frame is wat beter over hobbels rijdt en minder dood aanvoelt. 

Er zijn een aantal fabrikanten voor framebuizen, die doorgaans een heel assortiment in verschillende legeringen en afmetingen aanbieden. De bekendste fabrikanten zijn Columbus en Reynolds, maar er zijn er veel meer zoals Falck, Dedacciai, Oria, Mannesmann, Poppe & Pothoff (RVS), Tange, Ishiwata, Vitus en True Temper etc. Op het frame staat doorgaans een sticker om aan te geven wat je gekocht hebt, met meestal een fraaie naam en soms ook een materiaalspecificatie. De meeste fabrikanten beginnen met een budget buizenset van 0.8 mm dik 25crmo4, dan een aantal series in 25crmo4 butted buis, een betere middenklasse serie met opgevoerd chroom molybdeen (20% sterker) en dan de topseries die zo veredeld zijn dat je soms wanddiktes van 0.4 mm tegenkomt!
Staat er bijvoorbeeld 25cromo4 op de sticker dan is dit een stalen buis (het hoofdbestanddeel Fe is met 95% zo voor de hand liggend dat het niet eens meer genoemd wordt) met 2.5% koolstof (dit is als legeringselement ook zo voor de hand liggend dat alleen het percentage opgegeven wordt), 4/4=1% chroom toevoeging en ook nog molybdeen. De legeringselementen klinken echter exotisch (bonuspunten voor brillenboer Oakley met 'plutonite' en - de mooiste, hoe komen ze eraan- 'Unobtanium') en worden vaak misbruikt door copywriters. Titanium wordt bijvoorbeeld in roestvast staal gebruikt als legeringselement om de lasbaarheid te verhogen, maar als je sommige reklameleugenaars mag geloven heb je dan al bijna een echt titanium frame. Ik kijk nu al uit naar de dag dat 'ze' er achter komen dat titanium ook in witte verf zit!

Aluminium
De soortelijke massa van aluminiumlegeringen is ongeveer een derde van die van staal, maar helaas geldt dat ook voor de elasticiteitsmodulus. Als je een stalen frame nabouwt in aluminium moet je voor de zelfde stijfheid de wanddikte dus drie maal zo dik nemen, en ben je niks opgeschoten. In de meeste gevallen moet je zelfs constateren dat je levenduur hebt ingeleverd, omdat de toelaatbare spanning in laskwaliteit aluminium meer dan een factor drie onder die van een goede staalsoort ligt. Het gewichtsvoordeel ontstaat pas als de constructeur niet de wanddikte van de buis vergroot maar de diameter (dat noemen we oversize). Een grotere diameter buis wordt buigstijver, omdat het materiaal verder van de buigas (het hart van de buis) afstaat en efficienter wordt ingezet. Het zelfde effect heb je met een opgerolde krant: daarmee kun je ook beter meppen dan wanneer de lectuur plat op tafel ligt. Omdat de buis stijver is neemt de materiaalspanning af, zodat er weer een normale levenduur in beeld komt. Vergeleken met een stalen frame moeten ze zwaarder en/of stijver zijn willen ze heel blijven. De huidige aluminium frames hebben dan ook zonder uitzondering hele dikke buizen met een kleine wanddikte. De diametervergroting, of beter de verhouding diameter/wanddikte is helaas aan grenzen gebonden. Een blikje fris is wel lekker dun, maar je drukt er met je vingers zo een blijvende deuk in. Dat is bij een fiets natuurlijk niet toelaatbaar.
Oversize aluminium frames zijn dus gemiddeld wat stijver dan een vergelijkbare stalen fiets. Maar ook de trillingsdoorgifte en het navibreren na een hobbel ligt weer heel anders dan bij staal. Koop dus niet blind een aluminium frame als je al veel op staal hebt gereden. Maak een proefrit en kijk of het je bevalt, want het voelt vaak heel anders. 

Een theoretisch probleem van aluminium is de gevoeligheid voor vermoeiing, oftewel scheurvorming door wisselende belastingen, in fietskringen berucht als de in Verwegistan afgebroken bagagedrager. Voor staal als materiaal geldt namelijk een duidelijke belastingsgrens, als je daar onder zou blijven is de levensduur van je constructie onbeperkt. Voor aluminium geldt zo'n grens niet, een lagere belasting levert wel een langere, maar nog altijd eindige levensduur. Fietsframes worden echter niet op vermoeing geconstrueerd, maar op een een voldoende lange levensduur bij het voorziene gebruik. Ook het stalen frame kan op de lange termijn gaan scheuren, want om het een eeuwige levenduur te geven zou het veel zwaarder moeten zijn, en overgewicht fietst niet fijn en verkoopt ook niet.
Voor beide materiaalsoorten is dus de vraag hoe degelijk de ontwerper geconstrueerd heeft. Dat weet je niet, maar aangezien je dat bij een stalen frame ook niet weet, is het in de praktijk niet zinvol om aluminium alleen daarop af te wijzen. Is het frame echter gescheurd dan is een stalen frame veel makkelijker lokaal te repareren.

Butted buizen
Butted framebuizen zijn voorzien van een op de belasting aangepaste wanddikte. Meestal heeft de buis in het midden de kleinste wanddikte, en aan de uiteinden ca 0,2 mm meer. De reden is dat de stijfheid van het frame niet alleen bepaald wordt door het doorbuigen van de buizen, maar ook door de vervorming in de knooppunten. Maak je nu de buisuiteinden dikker, dan krijg je relatief eenvoudig een stijver knooppunt met een zeer beperkte gewichtstoename. De levensduur van het frame zal ook toenemen, en het bijvijlen van de soldeernaad wordt minder kritisch. Eindverdikte buizen worden per stuk gemaakt, en zijn dus duurder dan buizen van constante dikte die in bundels van 7m. lengte de fabriek binnen rollen. Een frame uit butted buis voelt doorgaans minder dood aan, en veert meestal iets beter.

Lugs of geen lugs.
Stalen frames worden doorgaans gesoldeerd (met lugs of lugloos) of gelast. Aluminium frames worden óf gelast (dan is vaak weer een warmtebehandeling nodig om de materiaaleigenschappen te herstellen, of moet het frame een paar maanden tot rust komen) óf gelijmd met lugs.
Lugs zijn koppelstukken waarmee de buizen van gesoldeerde of gelijmde frames met elkaar verbonden kunnen worden. Deze verbindingstukken worden in grote series gemaakt, en zijn erg handig in de serieproductie of voor de ambachtelijke bouwer. Het frame kan als een bouwpakket in elkaar worden geschoven, zodat voor het solderen slechts zeer beperkte hulpmiddelen nodig zijn. Nadeel is dat de buisdiameter en de hoek waaronder de buizen in elkaar gestoken worden door de lug wordt bepaald. 
Het is ook mogelijk om de framebuizen zonder lugs met elkaar te verbinden. De buizen moeten dan precies pas worden gefreesd, en in een mal gefixeerd. Stalen frames kunnen dan met een speciale soldeertechniek worden verbonden, of gelast zoals we ook veel bij aluminium ATB's zien.
Bij lugloze constructie heb je grote vrijheid voor wat betreft de buisdiameters en de geometrie van de fiets. Bouw je met lugs dan weet je van te voren al dat de bovenbuis 1" of 1.125" diameter heeft, nagenoeg horizontaal loopt, en dat de brackethoogte afhangt van de achtervorklengte, zithoek en de voorhanden bracketlug. Kleine frames hebben door deze beperkingen vaak extra hoge brackets (het bracket zou juist omlaag moeten) en in grote frames kom je zo de afzichtelijke dubbele bovenbuizen tegen, terwijl een iets grotere diameter veel eleganter, efficienter en veel lichter zou zijn.

Oversize
Omdat in de industrie tot voor kort uitsluitend met lugs werd gewerkt waar de buizen in werden gestoken, lagen de buitendiameters van fietsbuizen vast. Voor een stijvere fiets werd in het algemeen een grotere wanddikte genomen. Een frame wordt dan net zo veel zwaarder als stijver. Gebruik je een oversize buis, waarbij je de wanddikte van de buis constant houdt, en het extra materiaal gebruikt om de buisdiameter te vergroten, dan krijg je een ander beeld. Vergelijk het volgende staatje. De 34.9 mm buis is twee keer zo stijf als twee standaard 28.6 mm buizen, maar wel 30% lichter!
 

diam. 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%	100%	1
28.6 x .9	111%	113%	.98
28.6 x 1	122%	125%	.98
31.7 x .8	137%	107%	1.28
34.9 x .8	205%	140%	1.46

Lage instap frames
Persoonlijk ben ik geen grote voorstander van frames met een lage instap. Je geeft gratis stabiliteit weg, die je met dikkere en zwaardere buizen moet zien terug te winnen. Maar als de heupen niet meer zo best willen, of als de fiets ook buiten de vakantie inzetbaar moet zijn, kun je daar anders over denken.
Het ergste wat je kunt doen is een klassieke opoefiets aanschaffen. Die is gemaakt uit kleine diameter buis op een hele kleine tussenafstand en daardoor torsieslap. Wat je wil is juist een torsiestijf frame, ie een frame waarbij de wielen in een lijn blijven staan, ook al trek je nog zo hard aan je stuur. Torsiestijfheid krijg je door echte bovenbuis te gebruiken in plaats van twee evenwijdige dunne buisjes, door een zo hoog mogelijke 'lage' instap in plaats van onder- en bovenbuis op korte afstand evenwijdig te laten lopen, en door grotere buisdiameters en wanddikte. En hoe meer 'design', bijvoorbeeld sierlijk gebogen vormen, hoe ongelukkiger het compromis doorgaans uitvalt. 

Maatframe
Als je met een confectieframe gelukkig kunt worden, koop dan geen maatframe! Dat scheelt geld, en je hoeft er vast niet zo lang op te wachten. Een maatframe zal echter wel zinvol zijn als je speciale wensen hebt ten aanzien van de uitvoering of de afwerking, of als je postuur in combinatie met de gewenste zit niet overeenkomt met het gemiddelde dat de framefabrieken aanhouden. Het is dan logisch direkt te denken aan hele kleine en extra grote maten, en ook aan frames voor vrouwen, maar dat is niet de grootste markt! Bij 'normale mannen' kom je ook grote verschillen tegen in de verhouding tussen been en romplengte, en die kan je niet overbruggen met maar één standaardverhouding zitbuis-bovenbuis!

Samenvatting
Of een stalen of aluminium frame een vakantie overleeft is afhankelijk van het ontwerp, niet van het materiaal. Maar staal krijg je onderweg misschien makkelijker gerepareerd.

Een frame van hoogwaardig stalen buis rijdt 'lekkerder' dan een goedkoop frame waar meer metaal in is verwerkt. Een aluminium frame is stugger dan een vergelijkbaar stalen exemplaar.

Maak een flinke proefrit en vergelijk een paar fietsen voor je je geld uitgeeft. Een passend frame is meer waard dan glimmende onderdelen.