Resin je neospevovaný hrdina, ktorý drží váš karbónový rám pohromade a je rovnako dôležitý pre výkon
Spýtajte sa väčšiny cestárov, z čoho je vyrobený ich rám bicykla, a odpoveď bude pravdepodobne „karbón“. Opýtajte sa kohokoľvek, kto sa zaoberá výrobou rámov bicyklov (alebo iných produktov vyrobených z tohto tkaného zázračného materiálu) a dostanete komplexnejšiu odpoveď.
„V cyklistickom priemysle zvyčajne počujeme hovoriť o uhlíku, ale v skutočnosti je to príliš zjednodušujúce – zovšeobecnenie,“hovorí Thomas Leschik, vedúci inžinierstva nemeckého výrobcu kolies Lightweight. „Je to vlastne matrica uhlíkových vlákien a epoxidovej živice. Presnejší výraz je CFRP – plast vystužený uhlíkovými vláknami.'
Naše veľmi žiadané osky sú teda o niečo viac, než len spevnené plastové bicykle. Je to jednoduchá skratka a má dlhú cestu k vysvetleniu dôležitosti živíc – ktoré sú plastovou (alebo polymérovou) časťou CFRP. Živica v podstate dodáva kompozitnému materiálu jeho tuhosť. Ako hovorí Phil Dempsey zo spoločnosti Aprire, ktorá sa špecializuje na bicykle z uhlíkových vlákien, „uhlíkové vlákno je čisto tkanina. Samo o sebe je to len kus látky.‘
Pokiaľ ide o popisy produktov a sprievodné marketingové hry, značka alebo typ uhlíkových vlákien (napr. Toray, T800, 65HM1K, ultra vysoký modul) sa bežne uvádza ako základný znak vlastností hotového produktu. Je to, ako keby v hre nebolo nič iné, ale v skutočnosti vlákna tvoria viac ako polovicu materiálu rámu. Zvyšok je epoxidová živica, ktorá jednoznačne musí zohrávať dôležitú úlohu v tom, ako funguje moderný bicykel. Prečo sa to teda v marketingovom oznámení zriedka spomína?
ABC CFRP
| CFRP |
Plast vystužený uhlíkovými vláknami (alebo polymér). Kompozitný materiál označený ako uhlík alebo uhlíkové vlákno. |
| Liek |
Proces aplikácie tepla a často tlaku na štruktúru CFRP, aby sa „nastavila“ živica a dodáva hotovému dielu tuhosť. |
| Vláknina | Pramene uhlíka, ktoré sú spolu tkané alebo pletené, aby vytvorili výstužný prvok štruktúry CFRP. Často sa nazývajú „vlákna“. |
| Mould | Fyzický komponent, v ktorom a okolo ktorého sú položené dosky z uhlíkových vlákien, aby vytvorili rám. |
| Ply book | V podstate kniha oslavovaných vzorov šitia. Tieto podrobne opisujú, ako je každý jednotlivý kus uhlíkových vlákien rezaný a zostavený, a sú to najprísnejšie strážené tajomstvá. |
| Pre-preg | Plátky z uhlíkových vlákien impregnované nevytvrdenou živicou. |
| Resin | Kvapalný polymér používaný na spojenie vlákien dohromady v rámci štruktúry CFRP. |
Insider knowledge
Aby sme pochopili, akú úlohu má živica v hotovom bicykli z uhlíkových vlákien, musíme pochopiť výrobný proces a ako je živica do neho zapracovaná.
V podstate existujú dva typy konštrukcie z uhlíkových vlákien: mokré a suché. Pre mokrú výrobu spoločnosť nakupuje tkaninu z uhlíkových vlákien už impregnovanú živicou, známu ako pre-preg. Tieto lepkavé dosky sa ukladajú do formy alebo okolo nej a potom sa vytvrdzujú teplom a tlakom, aby sa vytvorila tuhosť. Technika výroby suchej infúzie živice môže mať dve rôzne formy. Prvý je podobný spôsobu výroby predimpregnovaných laminátov, s narezanými tvarmi suchej látky položenej na formu, s pridanou živicou ako súčasť procesu vytvrdzovania. Druhá technika, ktorú používajú spoločnosti ako Time a BMC (s ich bicyklami Impec), zahŕňa natiahnutie súvislej rúrkovej štruktúry podobnej ponožke cez formu v jedinej dĺžke. Odtiaľ sa živica pod tlakom pridáva do už vytvorených tvarov.
Giant je jediná značka, ktorá vyrába všetky svoje vlastné karbónové predimpregnované produkty od „spool to finish“– to znamená, že kupuje svoje uhlíkové vlákna ako závit na veľkých cievkach, pridáva vlastnú živicu a pokračuje vo výrobe svojich rámov, tyčí, predstavcov a príslušenstva. Giant sa teda javí ako dobrá spoločnosť, ktorá sa pýta na dôležitosť živíc.
Jeho manažér pre produkty a školenia v Spojenom kráľovstve, David Ward, hovorí: „Naše vlákno z uhlíkových vlákien sa dodáva priamo od Toray [najväčšieho svetového výrobcu uhlíkových vlákien] do cievky. Odtiaľ je navlečený na krosná a tkaný do obrovských uhlíkových plátien. Až po tkaní sa pridá živica. Živica sedí v žľabe nad zostavou valca a prechádza na pohyblivú tkaninu, nanáša sa na vlákna pomocou valcov.“Proces je jednoduchý a technika používaná spoločnosťou Giant je takmer identická s technikou používanou všetkými výrobcami predimpregnované uhlíkové vlákno. Ale aj keď to môže byť jednoduché vo svojej mechanike, presnosť, opakovateľnosť a kontrola sú životne dôležité pre integritu hotového produktu.
„Živica musí medzi nimi tiecť a dokonale potiahnuť každé jedno vlákno,“hovorí Ward. „Dobrá distribúcia živice je životne dôležitá na získanie dobrého predimpregnovaného materiálu z konca výrobnej linky.“Dempsey zo spoločnosti Aprire dodáva: „Je také dôležité, aby živica prešla vrstvami. Ak sa živica pomýli, máte prasknutý rám. Je to naozaj kritické.‘
V podstate
„Pretože živica po vytvrdnutí tvorí 40 % obrieho rámu, živica je veľmi dôležitou súčasťou,“hovorí Ward. ‚Akonáhle je termoset [vytvrdený], je to živica, ktorá dáva štruktúre tuhosť.‘Okrem základných štrukturálnych vlastností zohráva živica ďalšiu životne dôležitú úlohu. Dempsey hovorí: „Musíte preniesť stres z jednej časti do druhej. Sú to živice, ktoré umožňujú prenos zaťaženia medzi vrstvami vlákien.‘
Rôzne živice ovplyvnia vlastnosti konečného produktu. Dempsey hovorí: „Ak je živica príliš viskózna, nepretečie cez uhlík a vlákna sa navzájom dotýkajú. V ideálnom prípade ich chcete oddeliť na minútu.‘
Potom je tu otázka stlačiteľnosti, ktorá ovplyvňuje hrúbku uhlíkových štruktúr. "Rôzne prísady v živici ovplyvnia stlačiteľnosť, " hovorí Dempsey.„Môžete získať inú hrúbku vrstvy v závislosti od vlastností živice. Vo všeobecnosti budú lacnejšie živice hrubšie. S dobrou živicou môžu byť uhlíkové vlákna od seba vzdialené mikróny. To vám dáva tenšie steny pri rovnakej pevnosti, čo znamená ľahší rám. Lacnejšia živica zanecháva viac materiálu medzi vláknami a vrstvami.‘
Keďže Giant vyrába úplne interne, dokázal vyvinúť svoje vlastné živice. Ward hovorí: „Teraz sme na našej tretej generácii vývoja živice. Menšie detaily procesu tvarovania a vytvrdzovania sú spôsobené vlastnosťami živice – teplotou, pri ktorej dochádza k vytvrdzovaniu, a časom vytvrdzovania.“Vzhľadom na široký cenový rozsah svojich uhlíkových produktov Giant používa dva typy živice. „Naša štandardná živica sa používa na všetkých produktových radoch okrem produktov Advanced SL,“hovorí Ward. „Pre Advanced SL používame nanotechnologickú prísadu. Nanočastice zvyšujú odolnosť našich rámov proti nárazu o 18% bez negatívneho vplyvu na tuhosť alebo hmotnosť. Stoja však oveľa viac.‘
Ďalším vedľajším produktom častíc je zlepšené zhutnenie steny počas vytvrdzovania. „Nanočastice umožňujú živici vyplniť mikrodutiny v vrstve. Živica v skutočnosti lepšie tečie, čím sa znižuje možnosť vzniku dutín a hrúbka steny, “dodáva Ward.
Úloha živice pri redukcii dutín je kľúčovým bodom štrukturálnej integrity rámu, ako vysvetľuje Dempsey. „Pravidlá v živici sú diery, ktoré zbierajú napätie,“hovorí. „Toto sú potenciálne miesta zlyhania a dutiny zlyhajú rozfúkaním sa, keď sa vrstvy oddelia. Stále môžete dosiahnuť delamináciu bez dutín, ale chcete sa zamerať na minimálne vzduchové vrecká v kompozite.‘
Okrem prenosu zaťaženia, hrúbky steny a robustnosti môžu mať živice vplyv na jazdu na bicykli. Dempsey hovorí: „Z jednoduchého hľadiska si môžete živice predstaviť ako dvojzložkový produkt v štýle Araldit so živicou a tvrdidlom. Množstvo použitého tvrdidla s danou živicou môže mať podstatný vplyv na kvalitu jazdy. Pre dobrý rám bicykla potrebujete určitú flexibilitu vo vytvrdnutej živici, ktorá umožní prenos napätia medzi vrstvami uhlíkových vlákien. Môžete to dosiahnuť použitím silnejšej živice s menším množstvom tužidla. Šikovní dizajnéri môžu pre danú hmotnosť získať tuhšiu alebo prispôsobivejšiu konštrukciu. Nemôžete sa spoliehať na tuhosť živice, ale ako inžinier si musíte byť vedomí potenciálnych vlastností, ktoré živica môže dodať hotovej štruktúre.‘
Živice sú jednoznačne dôležité pre kvalitu hotového rámu, takže sa vraciame k otázke, prečo o nich tak málo počujeme.
„Živica je povolená, nie ovládač funkcií,“hovorí Dempsey. „Živica nám umožňuje spájať rôzne vrstvy uhlíkových vlákien dohromady – napríklad T700 až T800 – aby sme využili rôzne vlastnosti, ktoré nám vlákna ponúkajú. Je ťažké ho predať a je veľmi ťažké ho roztočiť, ale úlohu, ktorú zohrávajú, netreba podceňovať.‘
Giant's David Ward to vyjadril stručnejšie: „Živice sú len lepidlo. Jednoducho nie sú sexi.‘
Žhavý moment
Vzhľadom na to, že väčšina výrobcov bicyklov používa pre-preg karbón, ich výber je obmedzený, pokiaľ ide o použitie živice na ovplyvnenie výkonu rámu. To však nebráni ľuďom, aby hľadali nové smery alebo aby tlačili živicové a pre-preg spoločnosti na výrobu rôznych produktov.
Dempsey hovorí: ‚Pracujeme na tom, aby sme partnerov prinútili vyrábať živicu, ktorá pri izbovej teplote neschne. Jedným z obmedzujúcich faktorov dizajnu je, že akonáhle vyberiete predimpregnovaný laminát z chladiaceho priestoru, začne tuhnúť na vzduchu. Mimo vytvrdzovacej pece nikdy úplne nestvrdne, ale „zhasne“. Predimpregnácia, ktorá nám umožnila použiť zložitejší proces kladenia a rozvinúť našu knihu vrstiev [pozri slovník vľavo] na požadovanú úroveň, by nám umožnila získať oveľa viac z nášho konečného výsledku. To by bolo pre nás skvelé.‘
Jednou oblasťou, kde živice zohrávajú obrovskú úlohu, je výroba karbónových kolies. Tu sú živice kľúčové nielen pre štrukturálnu integritu a tuhosť kolesa, ale aj pre brzdný výkon.
Leschik z Lightweight hovorí: „Najslabším bodom živice je jej teplotné správanie. Väčšina živíc má problémy nad 150 °C. Za posledných 10 rokov sme zvýšili tepelnú odolnosť našich živíc trojnásobne.‘
Takmer každý cyklista už počul hororový príbeh o zlyhaní karbónového kolesa pri dlhom zjazde v dôsledku nahromadenia tepla, ale čo sa v skutočnosti stane, keď sa brzdová doštička stretne s ráfikom? Leschik hovorí: „Tribológia je veda a inžinierstvo interagujúcich povrchov v relatívnom pohybe. Zahŕňa štúdium a aplikáciu princípov trenia, mazania a opotrebovania. Jedným z takýchto tribologických systémov je brzdenie na CFRP ráfiku s gumovými brzdovými doštičkami za mokra alebo za sucha. Optimalizácia tohto systému pre dobrý brzdný výkon nie je možná bez živíc odolných voči vysokým teplotám.’
Rovnako ako v prípade výkonu rámu sú to prísady do živíc, ktoré zvyšujú tepelnú odolnosť a zvyšujú cenu. Jednou z takýchto prísad je keramika – oxid kremičitý. Zatiaľ čo Aprire nevyrába kolesá, Dempsey tento proces chápe: „Živice robia obrovský rozdiel v štruktúre karbónových ráfikov. Napríklad pridanie oxidu kremičitého odvádza značné množstvo tepla z tela konštrukcie a umožňuje prúdeniu vzduchu chladiť ráfik oveľa lepšie ako pri štandardnom CFRP ráfiku. Meď by bola skvelým aditívom, pretože má schopnosť odoberať obrovské množstvo tepla, ale ak sa vlhkosť dostane cez akékoľvek mikrotrhliny, existuje možnosť vylúhovania síry do živice. To by viedlo k takmer istej delaminácii. Chladiče – sieťky v živici – majú veľký potenciál. Táto technológia môže prísť.‘
Leschik z Lightweight tiež veľmi verí vývoju živice: „Pozeráme sa na optimalizáciu ráfikov s ráfikovými brzdami. S inteligentnými živicami sme si istí, že môžeme poskytnúť jazdcovi rovnaký brzdný výkon ako kotúče bez jediného gramu hmotnosti navyše.‘
Tvrdá pravda
Je jasné, že živica je neospevovaným hrdinom procesu stavby bicyklov. Môže to ovplyvniť tuhosť, robustnosť, hmotnosť, bezpečnosť a cenu produktov z uhlíkových vlákien, takže môžeme očakávať, že výrobcovia začnú lyrizovať o zázrakoch svojich lepkavých materiálov? Pravdepodobne nie, pretože je to stále len jedna časť zložitého systému. Kvalitná živica nenahradí nekvalitné uhlíkové vlákna alebo neinšpirované konštrukčné techniky. Ako hovorí Leschik z Lightweight: „Zakaždým je to rovnaké: na uvarenie pekného koláča potrebujete správne ingrediencie v správnom pomere, dobre pripravené.“
Uhlíkový žargón: Čo to všetko znamená?
