Resin je neopjevani heroj koji drži vaš karbonski okvir na okupu, a jednako je ključan za performanse
Pitajte većinu vozača od čega je napravljen njihov ram bicikla i odgovor će vjerovatno biti 'karbon'. Pitajte svakoga ko je uključen u izradu okvira za bicikle (ili drugih proizvoda napravljenih od ovog tkanog čudesnog materijala) i dobit ćete složeniji odgovor.
‘U industriji bicikala obično čujemo da se priča o ugljiku, ali to je zaista previše pojednostavljeno – generalizacija,’ kaže Thomas Leschik, šef inženjeringa njemačkog proizvođača kotača Lightweight. 'To je zapravo matrica od karbonskih vlakana i epoksidne smole. Precizniji izraz je CFRP – plastika ojačana karbonskim vlaknima.’
Tako da su naši veoma poželjni konji nešto više od ojačanih plastičnih bicikala. To je jednostavna skraćenica i uvelike objašnjava važnost smola – koje su plastični (ili polimerni) dio CFRP-a. U suštini, smola daje kompozitnom materijalu njegovu krutost. Kao što kaže Phil Dempsey iz kompanije Aprire, kompanije specijalizirane za bicikle od karbonskih vlakana, 'Ugljična vlakna su čisto tkanina. Samo po sebi to je samo komad tkanine.’
Kada su u pitanju opisi proizvoda i prateća marketinška priča, marka ili tip karbonskih vlakana (npr. Toray, T800, 65HM1K, ultra visoki modul) se rutinski trubi kao osnovna karakteristika karakteristika gotovog proizvoda. Kao da ništa drugo nije u igri, ali zapravo vlakna čine nešto više od polovine materijala okvira. Ostalo je epoksidna smola, koja očito mora igrati važnu ulogu u ponašanju modernog bicikla. Zašto se, onda, u marketinškim crtama rijetko spominje?
Abeceda CFRP-a
| CFRP |
Plastika ojačana karbonskim vlaknima (ili polimer). Referentni kompozitni materijal za karbonska ili karbonska vlakna. |
| Cure |
Proces primjene topline i često pritiska na CFRP strukturu da se 'postavi' smola i priuštiti čvrstoću gotovom komadu. |
| Vlakna | Ugljični pramenovi koji su tkani ili pleteni zajedno kako bi stvorili ojačavajući element CFRP strukture. Često se nazivaju "filamenti". |
| Mould | Fizička komponenta u i oko koje se postavljaju listovi od karbonskih vlakana kako bi se kreirao okvir. |
| Play book | U suštini knjiga proslavljenih uzoraka za šivanje. Ovi detalji opisuju kako se svaki pojedinačni komad karbonskih vlakana seče i sastavlja, i oni su najstrože čuvane tajne. |
| Pre-preg | Limovi niti od karbonskih vlakana impregnirani neočvrslom smolom. |
| Resin | Tečni polimer koji se koristi za spajanje vlakana unutar CFRP strukture. |
Insajdersko znanje
Da bismo razumjeli ulogu smole u gotovom biciklu od karbonskih vlakana, moramo razumjeti proces proizvodnje i kako je smola ugrađena u njega.
U suštini postoje dvije vrste konstrukcije od karbonskih vlakana: mokra i suva. Za mokru proizvodnju, kompanija kupuje tkaninu od karbonskih vlakana koja je već impregnirana smolom, poznata kao pre-preg. Ove ljepljive ploče polažu se u kalup ili oko njega, a zatim se očvršćavaju korištenjem topline i pritiska kako bi se stvorila krutost. Tehnika proizvodnje infuzije suhe smole može imati dva različita oblika. Prvi je sličan načinu na koji se odvija proizvodnja pre-prega, sa izrezanim oblicima suhe tkanine položene preko kalupa, sa smolom koja se dodaje kao dio procesa sušenja. Druga tehnika, koju koriste kompanije kao što su Time i BMC (sa svojim Impec biciklima), uključuje istezanje kontinuirane cjevaste strukture nalik na čarapu preko kalupa u jednoj dužini. Odavde se smola dodaje pod pritiskom već formiranim oblicima.
Giant je jedini brend koji proizvodi sve svoje vlastite karbonske pre-preg proizvode od 'kalema do kraja' – to će reći da kupuje svoja karbonska vlakna kao konac na velikim kolutima, dodaje vlastitu smolu i nastavlja sa proizvodnjom svojih okvira, šipki, stabljika i dodataka. Giant se, dakle, čini kao dobro društvo da se pitamo o važnosti smola.
Njegov menadžer za proizvode i obuku u Velikoj Britaniji, David Ward, kaže: 'Naš filament od karbonskih vlakana se isporučuje direktno iz Toray-a [najvećeg svjetskog proizvođača karbonskih vlakana] u sobu za kalemove. Odatle se provlači na tkalačke stanke i utkano u ogromne listove karbonske tkanine. Nakon tkanja dodaje se smola. Smola se nalazi u koritu iznad sklopa valjka i prenosi se na pokretnu tkaninu, nanosi se na filamente preko valjaka.' Proces je jednostavan, a tehnika koju koristi Giant je prilično identična onoj koju koriste svi proizvođači pre-preg karbonska vlakna. Ali iako je možda jednostavan po svojoj mehanici, tačnost, ponovljivost i kontrola su od vitalnog značaja za integritet gotovog proizvoda.
„Smola mora da teče između i savršeno obloži svaki pojedinačni filament“, kaže Ward. „Dobra distribucija smole je od vitalnog značaja za dobijanje dobrog pre-preg-a sa kraja proizvodne linije.“Dempsey iz Aprire dodaje: „Tako je važno da smola prođe kroz slojeve. Ako ste pogrešno shvatili smolu, imate napuknut okvir. Zaista je kritično.’
U gustini toga
‘Budući da smola čini 40% Giant okvira nakon stvrdnjavanja, smola je vrlo važan dio’, kaže Ward. „Kada se termoset [osuši], smola daje strukturi krutost.“Osim osnovnih strukturnih svojstava, smola igra još jednu vitalnu ulogu. Dempsey kaže: 'Morate prenijeti naprezanje s jednog dijela na drugi. Smole omogućavaju prijenos opterećenja između slojeva vlakana.’
Različite smole će uticati na performanse konačnog proizvoda. Dempsey kaže: 'Ako je smola previše viskozna, neće proći kroz ugljik i na kraju ćete imati vlakna koja se dodiruju. U idealnom slučaju želite da ih razdvojite u najmanju ruku.’
Onda postoji pitanje kompresibilnosti, što utiče na debljinu karbonskih struktura. 'Različiti aditivi u smoli će utjecati na kompresibilnost', kaže Dempsey.„Možete dobiti različitu debljinu sloja ovisno o karakteristikama smole. Generalno, jeftinije smole će biti gušće. Uz dobru smolu, karbonska vlakna mogu biti mikrona jedna od druge. To vam daje tanje zidove za iste kvalitete čvrstoće, što znači lakši okvir. Jeftinija smola ostavlja više materijala između vlakana i slojeva.’
Pošto Giant proizvodi potpuno interno, uspio je razviti vlastite smole. Ward kaže: 'Sada smo na trećoj generaciji razvoja smole. Manji detalji procesa oblikovanja i očvršćavanja svode se na svojstva smole – temperaturu na kojoj se gasi i vrijeme stvrdnjavanja.’ Zbog širokog raspona cijena svojih karbonskih proizvoda, Giant koristi dvije vrste smole. „Naša standardna smola se koristi na svim linijama proizvoda osim Advanced SL proizvoda“, kaže Ward. „Za Advanced SL koristimo nanotehnološki aditiv. Nanočestice povećavaju otpornost naših okvira na udarce za 18% bez negativnog utjecaja na krutost ili težinu. Ipak koštaju mnogo više.’
Dodatni nusprodukt čestica je poboljšano sabijanje zida tokom očvršćavanja. „Nanočestice omogućavaju smoli da popuni mikro praznine u sloju. Smola zapravo bolje teče, smanjujući mogućnost stvaranja šupljina i smanjujući debljinu zida, ' dodaje Ward.
Uloga smole u smanjenju praznina je ključna tačka u strukturnom integritetu okvira, kako objašnjava Dempsey. „Praznine u smoli su rupe koje će skupljati stres“, kaže on. 'Ovo su potencijalne tačke kvara, a praznine propadaju tako što se raspadaju dok se slojevi raslojavaju. Još uvijek možete dobiti raslojavanje bez šupljina, ali želite postići minimalne zračne džepove u kompozitu.’
Pored prenošenja opterećenja, debljine stijenke i robusnosti, smole mogu utjecati na vožnju bicikla. Dempsey kaže: „Sa jednostavne tačke gledišta, smole možete zamisliti kao dvokomponentni proizvod u stilu Araldita sa smolom i učvršćivačem. Količina učvršćivača koja se koristi sa datom smolom može imati značajan utjecaj na kvalitetu vožnje. Za dobar okvir bicikla, potrebna vam je neka savitljivost unutar osušene smole kako biste omogućili prijenos naprezanja između slojeva karbonskih vlakana. Ovo možete postići upotrebom jače smole sa manje učvršćivača. Pametni dizajneri mogu dobiti čvršću ili usklađeniju strukturu za datu težinu. Ne možete se osloniti na smolu za krutost, ali, kao inženjer, morate biti svjesni potencijalnih svojstava koja smola može dodati gotovoj strukturi.’
Smole su očigledno važne za kvalitet gotovog okvira, pa se vraćamo na pitanje zašto tako malo čujemo o njima.
‘Resin je dozvoljavač, a ne pokretač funkcija,’ kaže Dempsey. „Smola nam omogućava da povežemo različite slojeve karbonskih vlakana zajedno – na primjer T700 do T800 – kako bismo koristili različita svojstva koja nam vlakna predstavljaju. Teško se prodaje i veoma je teško okretati, ali ulogu koju oni igraju ne treba potcijeniti.’
Giantov David Ward to je sažetije rekao: „Smole su samo ljepilo. Jednostavno nisu seksi.’
Vrelina trenutka
S obzirom da većina proizvođača bicikala koristi pre-preg karbon, njihov izbor je ograničen u smislu upotrebe smole koja utiče na performanse okvira. Ali to ne sprečava ljude da traže nove smjerove, ili da potiču kompanije za proizvodnju smola i pre-preg-a da proizvode različite proizvode.
Dempsey kaže: 'Radimo na tome da partneri proizvedu smolu koja se ne gasi na sobnoj temperaturi. Jedan ograničavajući faktor dizajna je da čim uzmete pre-preg iz hladnjače, on počinje da se stvrdnjava na zraku. Nikada se neće potpuno stvrdnuti izvan peći za sušenje, ali će se „ugasiti“. Pre-preg koji nam je omogućio da koristimo složeniji proces postavljanja i razvijemo našu knjigu slojeva [vidi pojmovnik, lijevo] do nivoa koji želimo, omogućio bi nam da dobijemo daleko više od našeg krajnjeg rezultata. To bi bilo sjajno za nas.’
Jedno područje u kojem smole igraju veliku ulogu je proizvodnja karbonskih točkova. Ovdje su smole ključne, ne samo za strukturalni integritet i krutost točka, već i za performanse kočenja.
Lightweight's Leschik kaže: 'Najslabija tačka smole je njeno temperaturno ponašanje. Većina smola ima problema preko 150°C. U posljednjih 10 godina smo trostruko povećali temperaturnu otpornost naših smola.’
Gotovo svaki biciklista će čuti horor priču o karbonskom točku koji je otkazao na dugom spuštanju zbog nakupljanja topline, ali šta se zapravo događa kada se kočiona pločica susretne s rubom? Leschik kaže: 'Tribologija je nauka i inženjering interakcijskih površina u relativnom kretanju. Uključuje proučavanje i primjenu principa trenja, podmazivanja i habanja. Kočenje na CFRP felgi sa gumenim kočionim pločicama u mokrim ili suvim uslovima je jedan takav tribološki sistem. Optimizacija ovog sistema za dobre performanse kočnica nije moguća bez smola otpornih na visoke temperature.’
Kao i kod performansi okvira, aditivi u smolama doprinose otpornosti na toplinu i cijeni. Jedan od takvih aditiva je i keramika – silicijum dioksid. Dok Aprire ne proizvodi kotače, Dempsey razumije proces: „Smole čine veliku razliku u strukturi karbonskih naplataka. Na primjer, dodavanje silicijum dioksida odvlači značajnu količinu topline iz tijela strukture i omogućava protoku zraka da hladi rub mnogo bolje nego kod standardnog CFRP ruba. Bakar bi bio odličan aditiv jer ima kapacitet da povuče ogromne količine topline, ali postoji mogućnost da sumpor iscuri u smolu ako vlaga uđe kroz bilo koje mikro pukotine. To bi dovelo do gotovo sigurnog raslojavanja. Hladnjaci – mreže unutar smole – imaju veliki potencijal. Ova tehnologija bi mogla doći.’
Lightweight's Leschik također ima veliku vjeru u razvoj smole: „Tražimo optimizaciju naplataka za kočnice. Sa pametnim smolama sigurni smo da možemo dati vozaču iste performanse kočnica kao diskovi bez ijednog dodatnog grama težine.’
Teška istina
Jasno je da je smola neopjevani heroj procesa izrade bicikala. To može utjecati na krutost, robusnost, težinu, sigurnost i cijenu proizvoda od ugljičnih vlakana, pa možemo li očekivati da će proizvođači početi da se bune o čudima svojih ljepljivih stvari? Vjerovatno ne, jer je to još uvijek samo jedan dio složenog sistema. Visokokvalitetna smola neće nadoknaditi nekvalitetna karbonska vlakna ili nenadahnute građevinske tehnike. Kako kaže Leschik iz Lightweighta, „Svaki put je isto: da biste skuhali finu tortu, potrebni su vam pravi sastojci u pravom omjeru, dobro napravljeni.“
Ugljični žargon: Šta sve to znači?
