Resin to niedoceniony bohater, który spaja Twoją karbonową ramę i jest tak samo ważny dla osiągów
Zapytaj większość szosowców, z czego wykonana jest ich rama rowerowa, a odpowiedzią będzie prawdopodobnie „karbon”. Zapytaj każdego, kto zajmuje się tworzeniem ram rowerowych (lub innych produktów wykonanych z tego cudownego materiału), a otrzymasz bardziej złożoną odpowiedź.
„W branży rowerowej zwykle słyszymy o węglu, ale tak naprawdę jest to zbyt uproszczone – uogólnienie” – mówi Thomas Leschik, szef inżynierii w niemieckim producencie kół Lightweight. „W rzeczywistości jest to matryca z włókien węglowych i żywicy epoksydowej. Dokładniejszy termin to CFRP – tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym.„
Więc nasze bardzo pożądane rumaki to niewiele więcej niż wzmocnione plastikowe rowery. To prosty skrót, który w dużym stopniu wyjaśnia znaczenie żywic – które są plastikową (lub polimerową) częścią CFRP. Zasadniczo żywica nadaje materiałowi kompozytowemu sztywność. Jak mówi Phil Dempsey z Aprire, firmy specjalizującej się w rowerach z włókna węglowego: „Włókno węglowe to czysta tkanina. Sam to tylko kawałek materiału”.
Jeśli chodzi o opisy produktów i towarzyszące im uwagi marketingowe, marka lub typ włókna węglowego (np. Toray, T800, 65HM1K, ultrawysoki moduł) jest rutynowo traktowany jako podstawowa cecha gotowego produktu. To tak, jakby nic innego nie było w grze, ale w rzeczywistości włókna stanowią nieco ponad połowę materiału ramy. Reszta to żywica epoksydowa, która z pewnością musi odgrywać ważną rolę w zachowaniu nowoczesnego roweru. Dlaczego w takim razie notka marketingowa rzadko o tym wspomina?
ABC CFRP
| CFRP |
Tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym (lub polimerem). Materiał kompozytowy, o którym mowa jako karbon lub włókno węglowe. |
| Wyleczenie |
Proces przykładania ciepła i często ciśnienia do struktury CFRP w celu „ustawienia” żywić i zapewnić sztywność gotowego elementu. |
| Włókno | Włókna węgla, które są tkane lub dziane razem w celu stworzenia elementu wzmacniającego struktury CFRP. Często nazywane „włókienkami”. |
| Forma | Fizyczny element, wokół którego układane są arkusze z włókna węglowego, aby utworzyć ramę. |
| Plybook | Zasadniczo księga uwielbionych wzorów szycia. Opisują one szczegółowo, w jaki sposób każdy pojedynczy kawałek włókna węglowego jest cięty i składany, i są to najpilniej strzeżone tajemnice. |
| Pre-preg | Arkusze nici z włókna węglowego impregnowane nieutwardzoną żywicą. |
| Żywica | Płynny polimer używany do łączenia włókien w strukturze CFRP. |
Wewnętrzna wiedza
Aby zrozumieć rolę żywicy w gotowym rowerze z włókna węglowego, musimy zrozumieć proces produkcyjny i sposób włączenia żywicy.
W istocie istnieją dwa rodzaje konstrukcji z włókna węglowego: mokre i suche. Do produkcji na mokro firma kupuje tkaninę z włókna węglowego już zaimpregnowaną żywicą, znaną jako pre-preg. Te lepkie arkusze są układane w formie lub wokół niej, a następnie utwardzane za pomocą ciepła i ciśnienia w celu nadania sztywności. Technika wytwarzania suchej infuzji żywicy może przybierać dwie różne formy. Pierwszy jest podobny do sposobu, w jaki odbywa się produkcja prepregów, z wyciętymi kształtami suchej tkaniny układanej na formie, z dodatkiem żywicy w ramach procesu utwardzania. Druga technika, stosowana przez firmy takie jak Time i BMC (z rowerami Impec), polega na rozciąganiu ciągłej, przypominającej skarpetkę struktury rurowej na formie na jednej długości. Stąd żywica jest dodawana pod ciśnieniem do już uformowanych kształtów.
Giant jest jedyną marką, która produkuje wszystkie swoje własne produkty z prepregu węglowego od „szpuli do wykończenia” – to znaczy kupuje włókno węglowe jako nić na dużych szpulach, dodaje własną żywicę i kontynuuje produkcję ram, prętów, wsporników i akcesoriów. Giant zatem wydaje się dobrą firmą, aby zapytać o znaczenie żywic.
Jego brytyjski menedżer ds. produktów i szkoleń, David Ward, mówi: „Nasze włókno węglowe jest dostarczane bezpośrednio z Toray [największego na świecie producenta włókna węglowego] do szpuli. Stamtąd jest nawleczony na krosna i wpleciony w ogromne arkusze z włókna węglowego. Dopiero po tkaniu dodaje się żywicę. Żywica znajduje się w rynnie nad zespołem rolek i jest przenoszona na ruchomą tkaninę, nakładana na włókna za pomocą rolek.” Proces jest prosty, a technika stosowana przez Giant jest prawie identyczna z tą, którą stosują wszyscy producenci włókno węglowe prepreg. Ale chociaż może być prosty w swojej mechanice, dokładność, powtarzalność i kontrola mają kluczowe znaczenie dla integralności gotowego produktu.
„Żywica musi przepływać pomiędzy i doskonale powlekać każde pojedyncze włókno”, mówi Ward. „Dobra dystrybucja żywicy jest niezbędna do uzyskania dobrego prepregu z końca linii produkcyjnej”. Dempsey w Aprire dodaje: „To bardzo ważne, aby żywica przechodziła przez warstwy. Jeśli źle dołożysz żywicę, masz pękniętą ramę. To naprawdę krytyczne”.
W środku tego
‘Ponieważ żywica stanowi 40% ramy Giant po utwardzeniu, żywica jest bardzo ważną częścią – mówi Ward. „Gdy jest termoutwardzalna [utwardzona], to żywica nadaje sztywność konstrukcji”. Oprócz podstawowych właściwości strukturalnych żywica odgrywa jeszcze jedną ważną rolę. Dempsey mówi: „Musisz przenosić naprężenia z jednej części na drugą. To żywice umożliwiają przenoszenie obciążeń między warstwami włókien.”
Różne żywice wpływają na wydajność produktu końcowego. Dempsey mówi: „Jeśli żywica jest zbyt lepka, nie przepłynie przez węgiel i w rezultacie włókna będą się stykać. Najlepiej, jeśli chcesz, aby były drobiazgowo rozdzielone”.
Do tego dochodzi kwestia ściśliwości, która wpływa na grubość struktur węglowych. „Różne dodatki w żywicy wpłyną na ściśliwość” – mówi Dempsey.„Możesz uzyskać inną grubość warstwy w zależności od właściwości żywicy. Generalnie tańsze żywice będą grubsze. Przy dobrej żywicy włókna węglowe mogą być od siebie oddalone o mikrony. Daje to cieńsze ściany o tych samych właściwościach wytrzymałościowych, co oznacza lżejszą ramę. Tańsza żywica pozostawia więcej materiału między włóknami i warstwami.”
Ponieważ Giant produkuje całkowicie we własnym zakresie, był w stanie opracować własne żywice. Ward mówi: „Teraz pracujemy nad naszą trzecią generacją żywic. Mniejsze szczegóły dotyczące procesu formowania i utwardzania zależą od właściwości żywicy – temperatury, w której zachodzi i czasu utwardzania”. Ze względu na szeroki zakres cen swoich produktów węglowych, Giant używa dwóch rodzajów żywic. „Nasza standardowa żywica jest stosowana we wszystkich liniach produktów z wyjątkiem produktów Advanced SL” – mówi Ward. „W przypadku Advanced SL używamy dodatku nanotechnologicznego. Nanocząsteczki zwiększają odporność naszych ram na uderzenia o 18% bez negatywnego wpływu na sztywność i wagę. Kosztują jednak dużo więcej.
Dodatkowym produktem ubocznym cząstek jest lepsze zagęszczenie ścian podczas utwardzania. „Nanocząsteczki umożliwiają żywicy wypełnienie mikropustek w układzie. Żywica faktycznie płynie lepiej, zmniejszając możliwość powstawania pustych przestrzeni i zmniejszając grubość ścian” – dodaje Ward.
Rola żywicy w redukcji pustych przestrzeni jest kluczowym punktem integralności strukturalnej ramy, jak wyjaśnia Dempsey. „Pustki w żywicy to dziury, które zbierają stres” – mówi. „Są to potencjalne punkty awarii, a puste przestrzenie zawodzą, rozrywając się, gdy warstwy się rozwarstwiają. Nadal można uzyskać rozwarstwienie bez pustych przestrzeni, ale chcesz dążyć do minimalizacji kieszeni powietrznych w kompozycie.”
Poza przenoszeniem obciążenia, grubością ścianek i wytrzymałością, żywice mogą mieć wpływ na jazdę roweru. Dempsey mówi: „Z prostego punktu widzenia można myśleć o żywicach jako o dwuskładnikowym produkcie w stylu Araldite z żywicą i utwardzaczem. Ilość utwardzacza użytego z daną żywicą może mieć istotny wpływ na jakość jazdy. Aby uzyskać dobrą ramę rowerową, potrzebujesz pewnej elastyczności w utwardzonej żywicy, aby umożliwić przenoszenie naprężeń między warstwami włókna węglowego. Możesz to uzyskać, używając mocniejszej żywicy z mniejszą ilością utwardzacza. Sprytni projektanci mogą uzyskać sztywniejszą lub bardziej dostosowaną konstrukcję dla danej wagi. Nie możesz polegać na żywicy, jeśli chodzi o sztywność, ale jako inżynier musisz zdawać sobie sprawę z potencjalnych właściwości, jakie żywica może dodać do gotowej struktury.”
Żywice są wyraźnie ważne dla jakości gotowej ramy, więc wracamy do pytania, dlaczego tak mało o nich słyszymy.
„Żywica jest zezwoleniem, a nie sterownikiem funkcji”, mówi Dempsey. „Żywica pozwala nam łączyć ze sobą różne warstwy włókna węglowego – na przykład T700 do T800 – w celu wykorzystania różnych właściwości, jakie prezentują nam włókna. To trudna sprzedaż i bardzo trudna do kręcenia, ale nie należy lekceważyć roli, jaką odgrywają.”
David Ward z Gianta ujmuje to bardziej zwięźle: „Żywice to tylko klej. Po prostu nie są seksowne”.
Ciepło chwili
Biorąc pod uwagę, że większość producentów rowerów używa pre-pregowego włókna węglowego, ich wybór jest ograniczony, jeśli chodzi o użycie żywicy w celu wpłynięcia na osiągi ramy. Ale to nie powstrzymuje ludzi od szukania nowych kierunków lub od naciskania firm produkujących żywice i pre-preg na produkcję różnych produktów.
Dempsey mówi: „Pracujemy nad pozyskaniem partnerów do produkcji żywicy, która nie psuje się w temperaturze pokojowej. Jednym z czynników ograniczających w projektowaniu jest to, że gdy tylko wyjmiesz pre-preg z chłodni, zaczyna on utwardzać się powietrzem. Nigdy nie twardnieje poza piecem do utwardzania, ale „gaśnie”. Pre-preg, który pozwolił nam zastosować bardziej złożony proces układania i rozwinąć nasz zeszyt warstw [patrz słowniczek po lewej] do pożądanego poziomu, pozwoliłby nam uzyskać znacznie więcej z naszego końcowego rezultatu. To byłoby dla nas genialne”.
Jednym z obszarów, w którym żywice odgrywają ogromną rolę, jest produkcja kół karbonowych. W tym przypadku żywice mają kluczowe znaczenie nie tylko dla integralności strukturalnej i sztywności koła, ale także dla skuteczności hamowania.
Leschik z firmy Lightweight mówi: „Najsłabszym punktem żywicy jest jej zachowanie w temperaturze. Większość żywic ma problemy w temperaturach powyżej 150°C. W ciągu ostatnich 10 lat trzykrotnie zwiększyliśmy odporność termiczną naszych żywic.”
Prawie każdy rowerzysta słyszał przerażającą historię o karbonowym kole, które zawodzi podczas długiego zjazdu z powodu nagrzewania się, ale co się właściwie dzieje, gdy klocek hamulcowy styka się z obręczą? Leschik mówi: „Tribologia to nauka i inżynieria interakcji powierzchni we względnym ruchu. Obejmuje badanie i stosowanie zasad tarcia, smarowania i zużycia. Jednym z takich systemów trybologicznych jest hamowanie na obręczy CFRP z gumowymi klockami hamulcowymi w warunkach mokrych lub suchych. Optymalizacja tego systemu pod kątem dobrych osiągów hamulców nie jest możliwa bez żywic odpornych na wysokie temperatury.”
Podobnie jak w przypadku ramy, dodatki w żywicach zwiększają odporność na ciepło i cenę. Jednym z takich dodatków jest ceramika – krzemionka. Chociaż Aprire nie produkuje kół, Dempsey rozumie ten proces: „Żywice mają ogromny wpływ na strukturę obręczy z włókna węglowego. Na przykład dodanie krzemionki usuwa znaczną ilość ciepła z korpusu konstrukcji i pozwala przepływowi powietrza na chłodzenie obręczy znacznie lepiej niż w przypadku standardowej obręczy CFRP. Miedź byłaby świetnym dodatkiem, ponieważ może pobierać ogromne ilości ciepła, ale istnieje możliwość wymywania siarki do żywicy, jeśli wilgoć dostanie się przez jakiekolwiek mikropęknięcia. Prowadziłoby to do prawie pewnego rozwarstwienia. Radiatory – siatki w żywicy – mają ogromny potencjał. Ta technologia może nadejść”.
Leschik z firmy Lightweight również bardzo wierzy w rozwój żywic: „Przyglądamy się optymalizacji obręczy do hamulców obręczowych. Dzięki inteligentnym żywicom jesteśmy pewni, że możemy zapewnić rowerzyście taką samą skuteczność hamowania jak tarcze bez dodatkowego grama wagi.”
Trudna prawda
To jasne, że żywica jest niedocenianym bohaterem procesu budowy rowerów. Może wpływać na sztywność, solidność, wagę, bezpieczeństwo i cenę produktów z włókna węglowego, więc czy możemy oczekiwać, że producenci zaczną lirycznie opowiadać o cudach ich lepkich materiałów? Prawdopodobnie nie, bo to wciąż tylko jedna część złożonego systemu. Świetnej jakości żywica nie zrekompensuje kiepskiej jakości włókna węglowego czy nieinspirowanych technik konstrukcyjnych. Jak ujął to Leschik z firmy Lightweight: „Za każdym razem jest tak samo: aby ugotować ładne ciasto, potrzebujesz odpowiednich składników we właściwych proporcjach, dobrze zrobionych”.
Żargon węglowy: co to wszystko oznacza?
