Rășina este eroul necunoscut care ține împreună cadrul tău de carbon și este la fel de crucială pentru performanță
Întrebați cei mai mulți șoferi din ce este fabricat cadrul lor de bicicletă și răspunsul va fi probabil „carbon”. Întrebați pe oricine este implicat în fabricarea cadrelor de biciclete (sau într-adevăr a altor produse realizate din acest material minune țesut) și veți primi un răspuns mai complex.
„În industria bicicletelor auzim de obicei vorbind despre carbon, dar într-adevăr este prea simplist – o generalizare”, spune Thomas Leschik, șeful de inginerie la producătorul german de roți Lightweight. „Este de fapt o matrice de fibre de carbon și rășină epoxidică. Termenul mai precis este CFRP – plastic armat cu fibră de carbon.’
Așadar, călării noștri foarte râvniți sunt puțin mai mult decât biciclete din plastic consolidate. Este o abreviere simplă și explică importanța rășinilor – care sunt partea din plastic (sau polimer) a CFRP. În esență, rășina conferă materialului compozit rigiditatea sa. După cum spune Phil Dempsey de la Aprire, o companie specializată în biciclete din fibră de carbon, „Fibra de carbon este pur o țesătură. Singur, este doar o bucată de pânză.’
Când vine vorba de descrierile produselor și de jocul de marketing însoțitor, marca sau tipul de fibră de carbon (de exemplu, Toray, T800, 65HM1K, modul ultra în alt) este în mod obișnuit trâmbițat ca trăsătura fundamentală a caracteristicilor produsului finit. Este ca și cum nu ar fi nimic altceva în joc, dar, de fapt, fibrele reprezintă puțin peste jumătate din materialul cadrului. Restul este rășina epoxidică, care în mod clar trebuie să joace un rol important în modul în care funcționează o bicicletă modernă. De ce, atunci, materialul de marketing menționează rar acest lucru?
ABC-ul CFRP
| CFRP |
Plastic armat cu fibră de carbon (sau polimer). Materialul compozit se referă la ca carbon sau fibră de carbon. |
| Cure |
Procesul de aplicare a căldurii și adesea a presiunii unei structuri CFRP pentru a „seta” rășină și oferă rigiditate piesei finite. |
| Fibre | Șuvițe de carbon care sunt țesute sau tricotate împreună pentru a crea elementul de armare al unei structuri CFRP. Numiți adesea „filamente”. |
| Mucegai | Componenta fizică în și în jurul căreia sunt așezate foile de fibră de carbon pentru a crea cadrul. |
| Ply Book | În esență, o carte cu modele de cusut glorificate. Acestea detaliază modul în care fiecare bucată individuală de fibră de carbon este tăiată și asamblată și sunt secretele cel mai bine păzite. |
| Pre-preg | Foi de fire de fibră de carbon impregnate cu rășină neîntărită. |
| Rășină | Un polimer lichid folosit pentru a lega fibrele între ele într-o structură CFRP. |
Cunoștințe din interior
Pentru a înțelege rolul pe care îl are rășina într-o bicicletă finită din fibră de carbon, trebuie să înțelegem procesul de fabricație și cum este încorporată rășina în ea.
În esență, există două tipuri de construcție din fibră de carbon: umedă și uscată. Pentru fabricarea umedă, o companie achiziționează pânză din fibră de carbon deja impregnată cu rășină, cunoscută sub numele de pre-preg. Aceste foi lipicioase sunt așezate în sau în jurul unei matrițe și apoi întărite folosind căldură și presiune pentru a insufla rigiditate. Tehnica de fabricare a infuziei cu rășină uscată poate lua două forme diferite. Prima este similară modului în care are loc fabricarea pre-impregnată, cu forme tăiate de pânză uscată așezate peste o matriță, cu rășina adăugată ca parte a procesului de întărire. A doua tehnică, folosită de companii precum Time și BMC (cu bicicletele sale Impec), implică întinderea unei structuri tubulare, asemănătoare unui șosete, pe o matriță într-o singură lungime. De aici, rășina este adăugată sub presiune la formele deja formate.
Giant este singura marcă care își produce toate produsele pre-impregnate din carbon de la „bobină până la final” – adică își cumpără fibra de carbon sub formă de fir pe bobine mari, își adaugă propria rășină și continuă să-și fabrice cadrele, barele, tulpinile și accesoriile. Giant, deci, pare o companie bună pentru a întreba despre importanța rășinilor.
Directorul său de produse și instruire din Marea Britanie, David Ward, spune: „Filamentul nostru din fibră de carbon este livrat direct de la Toray [cel mai mare producător de fibră de carbon din lume] la camera de bobine. De acolo este atașat la războaie și țesut în foi uriașe de pânză de carbon. După țesere se adaugă rășina. Rășina se află într-un jgheab deasupra ansamblului rolelor și este trecută pe pânza în mișcare, aplicată pe filamente prin role.” Procesul este unul simplu, iar tehnica folosită de Giant este aproape identică cu cea folosită de toți producătorii de fibră de carbon pre-impregnată. Dar, deși poate fi simplu în mecanică, acuratețea, repetabilitatea și controlul sunt vitale pentru integritatea produsului finit.
„Rășina trebuie să curgă între și să acopere perfect fiecare filament”, spune Ward. „O bună distribuție a rășinii este vitală pentru a obține o pre-preg bună de la sfârșitul unei linii de producție.” Dempsey de la Aprire adaugă: „Este atât de important ca rășina să treacă prin straturi. Dacă înțelegi greșit rășina, ai un cadru crăpat. Este cu adevărat critic.”
În mijlocul ei
„Deoarece rășina reprezintă 40% dintr-un cadru Giant după întărire, rășina este o parte foarte importantă”, spune Ward. „Odată ce este termostabilită [întărită], rășina este cea care conferă rigiditate structurii.” Pe lângă proprietățile structurale de bază, rășina joacă un alt rol vital. Dempsey spune: „Trebuie să transferi stresul dintr-o parte în alta. Sunt rășini care permit transferul sarcinilor între straturile de fibre.’
Rășini diferite vor afecta performanța produsului final. Dempsey spune: „Dacă rășina este prea vâscoasă, nu va trece prin carbon și vei ajunge cu fibre care se ating între ele. În mod ideal, le doriți să fie separate minut.”
Apoi este problema compresibilității, care afectează grosimea structurilor de carbon. „Diferiți aditivi din rășină vor afecta compresibilitatea”, spune Dempsey.„Puteți obține o grosime diferită a stratului, în funcție de caracteristicile rășinii. În general, rășinile mai ieftine vor fi mai groase. Cu o rășină bună, fibrele de carbon pot fi distanțate la microni. Asta vă oferă pereți mai subțiri pentru aceleași calități de rezistență, adică un cadru mai ușor. O rășină mai ieftină lasă mai mult material între fibre și straturi.”
Deoarece Giant produce în totalitate în interior, a reușit să-și dezvolte propriile rășini. Ward spune: „Suntem la a treia generație de dezvoltare a rășinii acum. Detaliile mai mici ale procesului de turnare și întărire se datorează proprietăților rășinii – temperatura la care se stinge și timpul în care durează întărirea.” Datorită gamei largi de prețuri a produselor sale din carbon, Giant folosește două tipuri de rășini. „Rășina noastră standard este utilizată pe toate liniile de produse, cu excepția produselor Advanced SL”, spune Ward. „Pentru Advanced SL, folosim un aditiv de nanotehnologie. Nanoparticulele măresc rezistența la impact a ramelor noastre cu 18%, fără efecte negative asupra rigidității sau greutății. Cu toate acestea, costă mult mai mult.”
Un produs secundar suplimentar al particulelor este compactarea îmbunătățită a peretelui în timpul întăririi. „Nanoparticulele permit rășinii să umple micro-golurile din strat. Rășina curge de fapt mai bine, reducând potențialul de goluri și reducând grosimea peretelui”, adaugă Ward.
Rolul unei rășini în reducerea golurilor este un punct cheie în integritatea structurală a unui cadru, așa cum explică Dempsey. „Galurile din rășină sunt găuri care vor acumula stres”, spune el. „Acestea sunt potențial puncte de eșec, iar golurile eșuează prin suflare pe măsură ce straturile se delaminează. Puteți obține în continuare delaminare fără goluri, dar doriți să urmăriți puncte minime de aer în compozit.’
Pe lângă transferul sarcinii, grosimea peretelui și robustețea, rășinile pot avea un efect asupra mersului cu bicicleta. Dempsey spune: „Din punct de vedere simplu, vă puteți gândi la rășini ca la un produs în stil Araldite în două pachete, cu o rășină și un întăritor. Cantitatea de întăritor folosită cu o anumită rășină poate avea un efect substanțial asupra calității de rulare. Pentru un cadru bun pentru bicicletă, aveți nevoie de puțină flexibilitate într-o rășină întărită pentru a permite transferul tensiunilor între straturile de fibră de carbon. Puteți obține acest lucru folosind o rășină mai puternică cu mai puțin întăritor. Designerii inteligenți pot obține o structură mai rigidă sau mai conformă pentru o anumită greutate. Nu te poți baza pe o rășină pentru rigiditate, dar, ca inginer, trebuie să fii conștient de potențialele proprietăți pe care rășina le poate adăuga unei structuri finite.’
Rășinile sunt în mod clar importante pentru calitatea cadrului finit, așa că revenim la întrebarea de ce auzim atât de puțin despre ele.
„Rășina este un permis, nu un driver de caracteristici”, spune Dempsey. „Rășina ne permite să lipim diferitele straturi de fibră de carbon împreună – de exemplu T700 la T800 – pentru a folosi diferitele proprietăți pe care ni le prezintă fibrele. Este o vânzare greu și foarte greu de rotit, dar rolul pe care îl joacă nu trebuie subestimat.’
David Ward de la Giant o spune mai succint: „Rășinile sunt doar un lipici. Pur și simplu nu sunt sexy.’
Căldura momentului
Având în vedere că majoritatea producătorilor de biciclete folosesc carbon pre-preg, alegerile lor sunt limitate în ceea ce privește utilizarea rășinii pentru a afecta performanța unui cadru. Dar asta nu îi împiedică pe oameni să caute noi direcții sau să împingă companiile de rășină și pre-preg pentru a produce produse diferite.
Dempsey spune: „Lucrăm ca parteneri să producă o rășină care nu se stinge la temperatura camerei. Un factor limitativ al designului este că, de îndată ce luați pre-preg din depozitul său la rece, acesta începe să se întărească cu aer. Nu va merge niciodată complet în afara cuptorului de întărire, dar se va „stinge”. O pre-preg care ne-a permis să folosim un proces de aranjare mai complex și să dezvoltăm caietul nostru de straturi [vezi glosarul, stânga] la nivelul dorit, ne-ar permite să obținem mult mai mult din rezultatul final. Ar fi genial pentru noi.’
Un domeniu în care rășinile joacă un rol important este fabricarea roților din carbon. Aici rășinile sunt cheia, nu numai pentru integritatea structurală și rigiditatea roții, ci și pentru performanța de frânare.
Lechik de la Lightweight spune: „Cel mai slab punct al unei rășini este comportamentul ei la temperatură. Majoritatea rășinilor au probleme peste 150°C. În ultimii 10 ani, am crescut de trei ori rezistența la temperatură a rășinilor noastre.’
Aproape fiecare biciclist va fi auzit o poveste de groază despre o roată de carbon care s-a defectat la o coborâre lungă din cauza acumulării de căldură, dar ce se întâmplă de fapt când plăcuța de frână se întâlnește cu janta? Leschik spune: „Tribologia este știința și ingineria suprafețelor care interacționează în mișcare relativă. Include studiul și aplicarea principiilor de frecare, lubrifiere și uzură. Frânarea pe o jantă CFRP cu plăcuțe de frână de cauciuc în condiții umede sau uscate este un astfel de sistem tribologic. Optimizarea acestui sistem pentru performanțe bune de frânare nu este posibilă fără rășini rezistente la temperaturi ridicate.’
Ca și în cazul performanței cadrului, aditivii din rășini se adaugă la rezistența la căldură și la preț. Un astfel de aditiv este o ceramică – silice. În timp ce Aprire nu face roți, Dempsey înțelege procesul: „Rășinile fac o diferență enormă în structura unei jante de carbon. De exemplu, adăugarea de silice elimină o cantitate substanțială de căldură din corpul structurii și permite fluxului de aer să răcească janta mult mai bine decât în cazul unei jante standard CFRP. Cuprul ar fi un aditiv grozav, deoarece are capacitatea de a atrage cantități uriașe de căldură, dar există potențialul ca sulful să se scurgă în rășină dacă umiditatea a intrat prin orice micro fisuri. Acest lucru ar duce la o delaminare aproape sigură. Radiatoarele de căldură – ochiurile din rășină – au un potențial mare. Această tehnologie poate veni foarte bine.”
Lechik de la Lightweight are, de asemenea, mare încredere în dezvoltarea rășinii: „Ne uităm la optimizarea jantelor de frânare a jantei. Cu rășini inteligente, suntem siguri că putem oferi pilotului aceeași performanță de frânare ca și discurile fără un singur gram de greutate în plus.’
Adevărul dur
Este clar că rășina este un erou necunoscut al procesului de construire a bicicletelor. Poate afecta rigiditatea, robustețea, greutatea, siguranța și prețul produselor din fibră de carbon, așa că ne putem aștepta ca producătorii să înceapă să lirească cu ceară despre minunile lucrurilor lor lipicioase? Probabil că nu, pentru că este încă doar o parte a unui sistem complex. Rășina de în altă calitate nu va compensa fibra de carbon de proastă calitate sau tehnicile de construcție neinspirate. După cum spune Leschik de la Lightweight, „Este la fel de fiecare dată: pentru a găti un tort frumos, ai nevoie de ingredientele potrivite în proporția potrivită, bine făcute.”
Jargonul Carbon: Ce înseamnă totul?
